1. 分清恆星本身的變化與抵達眼睛的光的變化
在晴朗的夜晚凝視一顆亮星,可以看見光點微微顫動,或忽明忽暗,有時彷彿連顏色也在快速改變。若把這種短暫而不規則的變化,解讀成恆星每次都在開燈、關燈,就不恰當了。這是因為光從恆星出發,穿過地球大氣進入眼睛的最後一段過程,也可能發生變化。如同 NASA StarChild 的說明,觀察者收到的星光會隨空氣狀態,走過略有不同的路徑。同一顆星接近頭頂時與接近地平線時帶給人的印象不同,正是提醒我們:除了天體,也要留意觀察的路徑。
這裡要分開考慮的是光的量,以及恆星看起來所在的位置。光穿過大氣時,匯聚或散開的程度若改變,眼睛接收到的亮度也可能起伏。光的方向改變,則可能使小光點的位置或望遠鏡中的影像看起來晃動。確實有亮度本身會變化的變星,因此也不能把所有星光變化都歸因於大氣。重點是,僅憑肉眼看到的瞬間顫動,無法證明恆星發生了物理變化。將變化隨時間呈現的樣貌、是否反覆出現、所用儀器及觀測條件一併記錄,才能區分實際觀察到的現象與對成因的推測。
2. 流動空氣中的溫度與折射率差異
空氣雖然透明,卻不是完全不影響光前進方向的空無之處。空氣的溫度、密度等性質不同,折射率也會不同。光穿過性質不均勻的空氣層時,路徑與波前可能受到扭曲。冷暖空氣混合,而這種分布又隨時間改變,恆星的影像也就不再穩定。光學教材所解釋的聚焦與散焦,有助於理解亮度為何改變。與其想像風吹動光,就像推動物體一樣,不如想像光所通過的介質,其性質會隨位置與時間變動。僅靠風有多強,不能決定星光閃爍的程度。
炎熱天氣裡,道路上方的遠處景物看起來晃動,這種經驗讓人想到空氣狀態會影響影像。但不能把路面的熱浪與夜空閃爍,視為所有條件都相同的實驗,因為光源距離、空氣層的分布與所觀察影像的大小並不相同。使用望遠鏡時,也必須區分天空晴朗與影像清晰這兩件事。雲或塵埃使光減弱,與大氣使微小影像晃動、擴散,兩者可能有關聯,卻不是同一個測量量。只憑雲少的紀錄,就判定當晚星像穩定,會漏掉重要條件。
3. 行星看起來是具有面積的小圓盤
夜空中的恆星看起來像一個點,並不是因為它實際上很小。除了太陽,其他恆星都非常遙遠,我們的眼睛難以把其表面分辨成圓盤。相較之下,較近的太陽系行星能在望遠鏡中被分辨成小圓盤。重要的不只是物體實際的直徑,還有它在觀察者眼中占據的角度,也就是視大小。威斯康辛大學的天文解說強調,來自行星圓盤各部分的光,會在大氣中走過略有不同的路徑。某一部分的亮度變化,不一定總與其他部分同向疊加,因此合計整個圓盤後,亮度變化通常會比點光源小。
所以,只用自行發光與反射光的差別來解釋恆星和行星的不同,就會錯過關鍵。反射光同樣會穿過不均勻的大氣,而在大氣外觀測星光,也不會呈現地面上那種快速閃爍的樣貌。此外,不能制定「行星絕不閃爍」的規則。當高度低或大氣不穩定時,行星也可能看起來晃動或閃爍。較好的做法,是把閃爍當作辨認天體的一項線索,並同時確認位置、觀測日期及它與星座的關係。移動中的飛機燈光或未對焦的影像,也很難只憑亮度印象加以區分。
4. 為何接近地平線時閃爍更明顯
與來自頭頂天體的光相比,來自接近地平線天體的光,通常要在大氣中走過更長的路徑。NASA 對閃爍的說明,便以這種路徑差異解釋低空恆星的現象為何較明顯。不過,這不代表所有地點、所有時刻的閃爍都會以相同比例增強。實際穿過的空氣分布、天體高度與觀察地點,都會造成差異。朝建築屋頂或暖氣排氣口附近的方向觀察時,周圍產生的暖空氣也可能影響觀測。即使比較的是同一顆星,也應記錄它當天在天空中的高度如何改變,才不會混淆恆星性質與視線方向的差異。
顏色似乎快速變換的印象,同樣難以與觀測條件分開。空氣對不同波長光線的前進方式,不一定產生相同影響;觀察低空天體時,這些效應可能比較明顯。然而,不能把手機畫面上的顏色變化,直接解讀成恆星表面溫度的變化。自動曝光、對焦、影像處理與手震,都會參與影像的形成。若要比較不同日期照片中的亮度,應先確認設定是否相同。長時間曝光會把快速變化混合在同一張照片裡,因此,僅憑一張照片中的光點擴散得很大,無法換算出肉眼看到的閃爍究竟有多強。
5. 分項記錄條件的簡單夜空觀察
在出遠門或購買設備之前,就可以從同一個地方開始觀察。先選定安全、視野開闊的位置,記下日期、時間與觀看方向。各選一顆知道位置的亮星,以及當天可見的一顆行星,先看看兩者高度是否接近。如果只有其中一顆位於接近地平線的低空,就要記錄這項差異。用肉眼短暫交替觀察,並以文字描述亮度是否快速而不規則地變化,以及顏色或位置是否也看似改變。這不是用儀器精密測量大氣狀態的實驗,而是幫助我們避免把條件不同的比較,誤當成相同條件的活動。
在紀錄表的天體名稱旁,將大致高度、有沒有雲、視線路徑上的屋頂與窗戶,以及使用的器材分項記下。若附上照片,也應標明曝光與對焦是否使用自動設定。下次觀察時,與其同時改變多個條件,不如先比較地點或時間其中一項,會更容易解讀結果。如果變化不明顯,寫下沒有看見就可以,不必為了符合預期結論而填上看到了強烈閃爍。這項活動的價值,不是憑幾張紀錄就斷定某顆星的狀態或隔天的天氣,而是在反覆觀察中,追問哪些因素保持不變、哪些發生了變化。
6. 太空望遠鏡與調適光學能解決的範圍
在地球大氣外觀測的太空望遠鏡,可以避開光穿過地面上方大氣時產生的影像扭曲。在地面上,則可使用稱為調適光學的技術,測量被大氣扭曲的波前,再調整鏡面形狀來改善影像。ESO 說明的雷射導引星,是為這個過程提供參考光的一種方法。雷射並不是新造出一顆真正的恆星,也不會改變遠方恆星原本的亮度。同時,不能把調適光學的說明擴大成它能徹底消除所有亮度變動與雲層影響的說法。分清裝置能校正的項目,以及仍然存在的觀測條件,才能正確理解技術的作用。
本文的代表圖片,是整理大氣中光路變化、天體視大小與觀測高度這三個觀點的說明示意圖。它不是實際觀測照片或測量圖表,物體大小與距離也未按比例繪製。閱讀圖片時,要留意點光源並不是指恆星實際上很小。當夜空中有東西閃爍時,不妨依序問自己:看見的是什麼?經過了怎樣的空氣層與儀器才看見?這份紀錄能解釋到什麼程度?區分恆星變化與觀測過程變化的習慣,不會抹去美麗的感受,反而能讓我們更具體地探究那種感受形成的原因。