1. 分清恒星自身的变化与到达眼睛的光的变化
在晴朗的夜晚凝视一颗亮星,可以看到光点细微地颤动,或忽明忽暗,有时仿佛连颜色也在快速改变。如果把这种短暂而不规则的变化,理解成恒星每次都在开灯、关灯,就不恰当了。这是因为光从恒星出发,穿过地球大气进入眼睛的最后一段过程,也可能发生变化。正如 NASA StarChild 的说明,观察者收到的星光会随着空气状态,走过略有不同的路径。同一颗星接近头顶时与靠近地平线时给人的印象不同,正是在提醒我们:除了天体,也要留意观察的路径。
这里要分开考虑的是光的量,以及恒星看起来所在的位置。光穿过大气时,汇聚或散开的程度如果改变,眼睛接收到的亮度也可能起伏。光的方向改变,则可能使小光点的位置或望远镜中的图像看起来晃动。确实存在自身亮度会变化的变星,因此也不能把所有星光变化都归因于大气。关键是,仅凭肉眼看到的瞬间颤动,无法证明恒星发生了物理变化。把变化随时间呈现的样子、是否反复出现、所用仪器及观测条件一起记录,才能区分实际观察到的现象与对成因的推测。
2. 流动空气中的温度与折射率差异
空气虽然透明,却不是完全不影响光传播方向的空无之处。空气的温度、密度等性质不同,折射率也会不同。光穿过性质不均匀的空气层时,路径与波前可能受到扭曲。冷暖空气混合,而这种分布又随时间改变,恒星的图像也就不再稳定。光学教材所解释的聚焦与散焦,有助于理解亮度为什么改变。与其想象风像推动物体一样把光推走,不如想象光所经过的介质,其性质会随位置与时间变化。仅凭风有多强,不能决定星光闪烁的程度。
炎热天气里,道路上方的远处景物看起来晃动,这种经验让人想到空气状态会影响图像。但不能把路面的热浪与夜空闪烁,当成所有条件都相同的实验,因为光源距离、空气层的分布与所观察图像的大小并不相同。使用望远镜时,也必须区分天空晴朗与图像清晰这两件事。云或尘埃使光减弱,与大气使微小图像晃动、扩散,两者可能有关联,却不是同一个测量量。只凭云少的记录就认定当晚星像稳定,会漏掉重要条件。
3. 行星看起来是具有面积的小圆面
夜空中的恒星看起来像一个点,并不是因为它实际上很小。除了太阳,其他恒星都非常遥远,我们的眼睛难以把其表面分辨成圆面。相比之下,较近的太阳系行星能在望远镜中被分辨成小圆面。重要的不只是物体实际的直径,还有它在观察者眼中占据的角度,也就是视大小。威斯康星大学的天文解说强调,来自行星圆面各部分的光,会在大气中走过略有不同的路径。某一部分的亮度变化,不一定总与其他部分同向叠加,因此合计整个圆面后,亮度变化通常会比点光源小。
所以,只用自行发光与反射光的差别来解释恒星和行星的不同,就会错过关键。反射光同样会穿过不均匀的大气,而在大气外观测星光,也不会呈现地面上那种快速闪烁的样子。此外,不能制定“行星绝不闪烁”的规则。在高度低或大气不稳定时,行星也可能看起来晃动或闪烁。更好的做法,是把闪烁当作辨认天体的一项线索,并同时确认位置、观测日期及它与星座的关系。移动中的飞机灯光或没有对焦的图像,也很难只凭亮度印象加以区分。
4. 为什么靠近地平线时闪烁更明显
与来自头顶天体的光相比,来自靠近地平线天体的光,通常要在大气中走过更长的路径。NASA 对闪烁的说明,便用这种路径差异解释低空恒星的现象为什么更明显。不过,这不代表所有地点、所有时刻的闪烁都会按相同比例增强。实际穿过的空气分布、天体高度与观察地点,都会造成差异。朝建筑屋顶或暖气排气口附近的方向观察时,周围产生的暖空气也可能影响观测。即使比较的是同一颗星,也应记录它当天在天空中的高度如何改变,才不会混淆恒星性质与视线方向的差异。
颜色似乎快速变换的印象,同样难以与观测条件分开。空气对不同波长光线的传播方式,不一定产生相同影响;观察低空天体时,这些效应可能更加明显。然而,不能把手机画面上的颜色变化,直接理解成恒星表面温度的变化。自动曝光、对焦、图像处理与手抖,都会参与图像的形成。若要比较不同日期照片中的亮度,应先确认设置是否相同。长时间曝光会把快速变化混合在同一张照片里,因此,仅凭一张照片中的光点扩散得很大,无法换算出肉眼看到的闪烁究竟有多强。
5. 分项记录条件的简单夜空观察
在出远门或购买设备之前,就可以从同一个地方开始观察。先选定安全、视野开阔的位置,记下日期、时间与观看方向。各选一颗知道位置的亮星,以及当天可见的一颗行星,先看看两者的高度是否接近。如果只有其中一颗位于靠近地平线的低空,就要记录这项差异。用肉眼短暂交替观察,并用文字描述亮度是否快速而不规则地变化,以及颜色或位置是否也看似改变。这不是用仪器精密测量大气状态的实验,而是帮助我们避免把条件不同的比较,误当成相同条件的活动。
在记录表的天体名称旁,把大致高度、有无云层、视线路径上的屋顶与窗户,以及使用的器材分别记下。如果附上照片,也应注明曝光与对焦是否使用自动设置。下次观察时,与其同时改变多个条件,不如先比较地点或时间其中一项,会更容易解释结果。如果变化不明显,写下没有看到就可以,不必为了符合预期结论而填上看到了强烈闪烁。这项活动的价值,不是凭几张记录就断定某颗星的状态或第二天的天气,而是在反复观察中,追问哪些因素保持不变、哪些发生了变化。
6. 空间望远镜与自适应光学能解决的范围
在地球大气外观测的空间望远镜,可以避开光穿过地面上方大气时产生的图像扭曲。在地面上,则可使用称为自适应光学的技术,测量被大气扭曲的波前,再调整镜面形状来改善图像。ESO 说明的激光导星,是为这个过程提供参考光的一种方法。激光并不是新造出一颗真正的恒星,也不会改变远方恒星原本的亮度。同时,不能把自适应光学的说明扩大成它能彻底消除所有亮度变动与云层影响的说法。分清装置能校正的项目,以及仍然存在的观测条件,才能正确理解技术的作用。
本文的代表图片,是整理大气中光路变化、天体视大小与观测高度这三个角度的说明示意图。它不是实际观测照片或测量图表,物体大小与距离也没有按比例绘制。阅读图片时,要留意点光源并不是指恒星实际上很小。当夜空中有东西闪烁时,不妨依次问自己:看到的是什么?经过了怎样的空气层与仪器才看到?这份记录能解释到什么程度?区分恒星变化与观测过程变化的习惯,不会抹去美丽的感受,反而能让我们更具体地探究这种感受形成的原因。