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从流星到流星监测网络

来源:光明网2021-09-07 14:19

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  从流星现象出发

  “初凉宜夜透衣罗,时见流星度绛河” 。流星是大众喜闻乐见的天文事件。宁静的夜晚,于庭院中手捧一杯香茗,赏流星瞥过,不可谓不惬意。

  需要说明的是,流星是流星体带来的一种现象。当流星体进入地球大气燃烧时就是我们见到的流星了。在2017年4月,IAU(国际天文联合会)对流星体的定义进行了正式的修订:在行星际空间中移动的固体物体,其尺寸在30微米至1米之间。

  实际上闯入地球的流星体绝大部分是沙子或者谷粒大小,一入大气则荡然无存,燃烧的亮度不少在-1等左右。较为罕见的是火流星,宿主块头要大一些,在大气中烧的虽所剩无几,却往往留有遗骸,有些亮度可达-14等以上,比满月还要亮一百倍。

  按照周期性的不同,流星可以分为偶发流星和流星雨。对于一个特定的流星雨,它们在天空中划过的轨迹延长线几乎交于一点,我们称这虚拟的点为辐射点,辐射点出现在哪个星座就管它叫什么流星雨。不同的流星雨有着各自的档期,且峰值时期每小时天顶流量(ZHR)往往不同。

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图1. 七大流星雨档期示例图,目前最值得期待的是英仙座和双子座流星雨(图源:自绘)

  那么这些流星雨从何而来呢?这恐怕还与太空“脏雪球”——彗星有关。

  彗星一般在一个椭率很高的轨道上运行,且并非铁板一块的刚体,当它经受行星或太阳较大的潮汐力时,会瓦解出一些碎片出来;亦或者临近太阳温度升高,容易形成十分广阔弥散的尘埃慧尾,这些彗尾小颗粒会逐渐散落至轨道各处。当彗星的轨道和地球轨道有重叠,且地球行进到此处时,这些小颗粒平行坠入大气就带来了流星雨。以英仙座流星雨为例,早在公元36年就被中国史料记载,后被证实其母体来自轨道周期为133年的109 P 彗星(又称Swift–Tuttle彗星)。

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图2. 以Swift–Tuttle彗星为例的流星雨形成原理示意图(图源 :duluthnewstribune.com)

  背后蕴藏的研究价值

  流星除了可以寄托我们对美好生活的向往,同样有着不菲的研究价值。

  从现象学的角度来看,我们还不能对各大流星雨的流量做出准确预测,对烟花般壮观的流星暴(ZHR > 1,000)的流量预测更是难上加难,这些都有待长期观测才能给出更好的模型。在偶发流星问题上,随着观测的积累,我们也发现很多偶发流星并不偶然,很多也属于特定流星雨的一部分。截止到2021年6月,已经有112个流星雨得到认证。

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图3. 两幅对1833年狮子座流星暴的形象描绘作品(图源:wikipedia/Leonids)

  而天文学研究上,观测流星体具有重要意义。首先,从彗星角度,我们尚且不知流星体的碎片具体来自彗星何处,面对分裂的动力学细节还存疑惑,需要等待更多观测数据的积累才能得知。其次,从太阳系角度,观测流星体可以得到新的研究启发。与饱经风霜的行星相比,流星体和陨石只是碎片,它们自形成之初没经历什么演化,显得非常的“原始”,通过观测它们可以更好地探究行星形成、太阳系起源等有关课题。

从流星到流星监测网络

图4. 观测流星可以揣测太阳系大小天体质量分布情况。图为利用双站观测得到的不同流星体的质量(对数)与流量的关系图,实线和虚线是两个模型的导出结果,圆点是观测结果(图源:参考文献[6]fig 13)

  最后,从预防风险角度,监测流星可以帮助我们了解近地空间环境。虽然流星对生活在地面上的人不会造成直接危害,但因流星体速度极高,对太空中的航天器容易构成威胁。故对流星规律性的研究,可帮助人造物避开碎片密集的区域。

  以上种种,皆在鼓励我们积累更庞大且细致的流星观测数据。

  探秘需要的观测手段

  流星或流星雨的观测上,我们可以进行可见光或射电观测。射电波段上可以用各种天线或专业的射电望远镜去观测,具体按下不表。至于可见光波段则有肉眼、望远镜、全天相机三种手段观测流星。

  我们的肉眼本身就是非常精密的光学仪器,6等星以上的亮度不在话下。当我们野外目视流星时,我们可以手动记录下它出现的时间、方位等信息,提交给国际流星组织(IMO)以供有关人士参考。但是肉眼的缺陷也十分明显,人眼容易疲劳,且得到的信息是模糊的,专业价值甚微。望远镜虽然有很高的集光能力,但用来观测流星性能是过剩的,且视场太小,流星出现在视野里只能碰运气。若想覆盖整个天空则需要成百上千个镜子,经费上就划不来。

  用摄像设备取代人眼来记录流星是非常自然的事。自90年代后,得益于高灵敏度感光元件的出现,用相机监测流星已经没什么门槛了,只需要在前置一个广角镜头,整个星空从此一览无余。同时由于摄像设备的小型化、易操作性,也使得不少天文爱好者可以搭建自己的设备来监测流星。

  我们的需求是搭建一个自动监测天空的全天相机,从而得知每颗流星出现的时间、方位、亮度等信息。其实搭建这样的单个系统非常简单,成本也非常低廉。主体是一个树莓派,(微型电脑)搭配相机、镜头,加上保护外壳和防雨罩,软件控制上是开源的,很容易找到提供的组织,初级的数据处理可以用商业化的UFOCapture等软件找到流星。选址时注意光害和后期可维护性即可。

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图5. 我们在站上利用行星相机简易搭建的全天相机(左)以及捕捉到的一张流星照片(右)

  当然并不是所有的全天相机都一样。有的团队考虑到数据处理过程中,使用单相机加180度广角的方案带来图像畸变难以修正,故选用多个相机多个视场叠加的方式,好处是很大程度上避免了畸变,缺点是提高了成本,且前期安装调试会麻烦点。

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图6. 不列颠群岛其中一个站点上的流星监测相机(图源:nemetode.org)

  星罗棋布的流星网络

  个体的力量是单薄的,流星的发生地并不局限于一地,一个站点无法对整个流星或流星雨的辐射点、流量得到完备的了解,至于实现前面阐述的科学目标更是不可能。现在我们有无数卫星实时监控地球表面,但是对头顶的星空却未能掌握其实时动态。所以我们会有一个自然的想法,能不能把所有的相机联合起来呢?

  如果地球上每个位置都有监控相机,它们的视野就能覆盖天球的各个角落,在这张大网24 h的监测下一颗流星都无法悄然溜走,我们对流星数据的获取就是完备的了。这就牵引出流星监测网络的概念。

  介绍这一概念之前,我们不妨先关注一下2012年的十月天龙座流星雨。那一次的流星雨流量极大, ZHR预计达到9,000 左右,这一罕见的爆发事件出乎了所有人的意料,事后翻阅却发现没有任何的观测报告仔细说明这件事。因为爆发的最佳观测时间对应的是亚洲的夜晚,而彼时的亚洲却没有相机在监测,使得本该记录在案的宝贵资料与我们失之交臂。

从流星到流星监测网络

图7. 克罗地亚一个相机在2018年10月9日一整晚监测到的流星情况,视场为88°×48°(图源:参考文献[5] fig1 )

  所谓“流星监测网络”是指在不同地点放置全天相机,实现对夜空全天候高灵敏度的观测。项目初衷是在成百上千个站点上放置全天相机,站点间距短则几公里,长则百公里,以得到良好的天空覆盖率,并不遗漏任何重要事件。各子站点统一的数据格式实时上传到中心服务器,再经过严格的自动化校准流程,让我们对近地流星体有实时的感知。随着大量高精度的数据积累,方便我们一窥流星背后的诸多科学奥秘。

从流星到流星监测网络

图8. 流星网络原理图,上部深色区域是两个相机重叠的天区(图源:参考文献[6] fig1)

  除了前面提到的太阳系认知、近地环境等方面,流星监测网络还有个妙用。火流星在大气中不会燃烧完,可以为我们带来珍贵的外星礼物。据估计,每50万平方公里的土地上,每年会落下十个火流星,带来至少300 g样本。以往找这些小石头会是个很费劲的活,在流星监测网络的帮助下,多个站点数据可以更好确定它的轨迹,方便我们缩小搜寻范围。

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图9. ANSMET团队的研究人员在南极寻找陨石(图源:Cindy Evans/pri.org)

  最早的流星监测网络可追溯到70年代,由于技术水平的局限性,只能用于探测特别亮的火流星。随着现代工业化的发展,流星监测网络搭建的技术难度和资金成本都大大降低:在一个站点配置一套科研级别的设备可以控制在人名币6,000元以内,地点的选择也比较随意,只要有电有网,光学环境不差即可。相比其他时域天文学遥远的“宏图大业”,流星监测网络技术难度较小、成本低廉,是最容易试手的。除了科研人员自行铺设每个站点,爱好者们可以向当地组织购买设备,置于家中,产生的数据一方面上传至服务端用于科研分析,一方面可以自行娱乐。

从流星到流星监测网络

图10. 欧洲和北美的流星监测网络,红点为站点情况,青色区域是它们覆盖的天空情况( 图源:参考文献[5] fig6)

  目前全世界大约有30个国家,450 台流星监测网络的相机在工作,这些设备并不是一个整体,而是国家或区域性的小网络。

  我国在流星监测网络上也有所行动。在2017年,由私营的青岛艾山天文台牵头,与国家天文台合作,建立了首个计划覆盖全国的专业监测网络。截止2021年8月份,已经在全国铺设了42个站点,并且已经建立了完善的单站观测、多站联测以及层级上报的观测体系。同时,我们台的李广伟老师在此基础上提出了“罗扇项目”,于去年11月的学术年会上正式公布,该项目旨在开展大面积流星光谱监测,目前还在如火如荼地进行当中。

从流星到流星监测网络

图11. 截止到2021年8月,全国流星监测站点所在位置(图源:qd-sky.cn)

  期待不久的以后,我们监测流星的“天网”编制地愈加密实,给我们带来流星雨背后的新认知。

  参考文献

  [1]彭焕文, et al. "丽江天文观测站全天相机介绍." 天文研究与技术 (2015).

  [2]梅林, 吴翔, and 周作超. "深圳市天文台全天云图监测系统的设计与实现." (2018).

  [3]田健峰, et al. "中国 SONG 项目节点全天云量监测方案." 天文学报 57.3 (2016): 366-375.

  [4]叶泉志. (2018). 业余天文学在中国: 现状与未来.

  [5]Vida, Denis, et al. "The Global Meteor Network–Methodology and first results." Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 506.4 (2021): 5046-5074.

  [6]Ott, Theresa, et al. "Meteoroid flux determination using image intensified video camera data from the CILBO double station." Proceedings of the International Meteor Conference, edited by: Rault, J.-L. and Roggemans, P., IMO. Vol. 2329. 2014.

  [7]Fernini, I., et al. "The UAE Meteor Monitoring Network." Journal of Instrumentation 15.06 (2020): T06007.

  作者简介:徐成亮,国家天文台研究生。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
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