從流星到流星監測網絡_風聞

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　　從流星現象出發

　　“初涼宜夜透衣羅，時見流星度絳河” 。流星是大眾喜聞樂見的天文事件。寧靜的夜晚，於庭院中手捧一杯香茗，賞流星瞥過，不可謂不愜意。

　　需要説明的是，流星是流星體帶來的一種現象。當流星體進入地球大氣燃燒時就是我們見到的流星了。在2017年4月，IAU（國際天文聯合會）對流星體的定義進行了正式的修訂：在行星際空間中移動的固體物體，其尺寸在30微米至1米之間。

　　實際上闖入地球的流星體絕大部分是沙子或者穀粒大小，一入大氣則蕩然無存，燃燒的亮度不少在-1等左右。較為罕見的是火流星，宿主塊頭要大一些，在大氣中燒的雖所剩無幾，卻往往留有遺骸，有些亮度可達-14等以上，比滿月還要亮一百倍。

　　按照週期性的不同，流星可以分為偶發流星和流星雨。對於一個特定的流星雨，它們在天空中劃過的軌跡延長線幾乎交於一點，我們稱這虛擬的點為輻射點，輻射點出現在哪個星座就管它叫什麼流星雨。不同的流星雨有着各自的檔期，且峯值時期每小時天頂流量（ZHR）往往不同。

　　圖1. 七大流星雨檔期示例圖，目前最值得期待的是英仙座和雙子座流星雨（圖源：自繪）

　　那麼這些流星雨從何而來呢？這恐怕還與太空“髒雪球”——彗星有關。

　　彗星一般在一個橢率很高的軌道上運行，且並非鐵板一塊的剛體，當它經受行星或太陽較大的潮汐力時，會瓦解出一些碎片出來；亦或者臨近太陽温度升高，容易形成十分廣闊彌散的塵埃慧尾，這些彗尾小顆粒會逐漸散落至軌道各處。當彗星的軌道和地球軌道有重疊，且地球行進到此處時，這些小顆粒平行墜入大氣就帶來了流星雨。以英仙座流星雨為例，早在公元36年就被中國史料記載，後被證實其母體來自軌道週期為133年的109 P 彗星（又稱Swift–Tuttle彗星）。

　　圖2. 以Swift–Tuttle彗星為例的流星雨形成原理示意圖（圖源 ：duluthnewstribune.com）

　　背後藴藏的研究價值

　　流星除了可以寄託我們對美好生活的嚮往，同樣有着不菲的研究價值。

　　從現象學的角度來看，我們還不能對各大流星雨的流量做出準確預測，對煙花般壯觀的流星暴(ZHR > 1,000)的流量預測更是難上加難，這些都有待長期觀測才能給出更好的模型。在偶發流星問題上，隨着觀測的積累，我們也發現很多偶發流星並不偶然，很多也屬於特定流星雨的一部分。截止到2021年6月，已經有112個流星雨得到認證。

　　圖3. 兩幅對1833年獅子座流星暴的形象描繪作品（圖源：wikipedia/Leonids）

　　而天文學研究上，觀測流星體具有重要意義。首先，從彗星角度，我們尚且不知流星體的碎片具體來自彗星何處，面對分裂的動力學細節還存疑惑，需要等待更多觀測數據的積累才能得知。其次，從太陽系角度，觀測流星體可以得到新的研究啓發。與飽經風霜的行星相比，流星體和隕石只是碎片，它們自形成之初沒經歷什麼演化，顯得非常的“原始”，通過觀測它們可以更好地探究行星形成、太陽系起源等有關課題。

　　圖4. 觀測流星可以揣測太陽系大小天體質量分佈情況。圖為利用雙站觀測得到的不同流星體的質量（對數）與流量的關係圖，實線和虛線是兩個模型的導出結果，圓點是觀測結果（圖源：參考文獻[6]fig 13）

　　最後，從預防風險角度，監測流星可以幫助我們瞭解近地空間環境。雖然流星對生活在地面上的人不會造成直接危害，但因流星體速度極高，對太空中的航天器容易構成威脅。故對流星規律性的研究，可幫助人造物避開碎片密集的區域。

　　以上種種，皆在鼓勵我們積累更龐大且細緻的流星觀測數據。

　　探秘需要的觀測手段

　　流星或流星雨的觀測上，我們可以進行可見光或射電觀測。射電波段上可以用各種天線或專業的射電望遠鏡去觀測，具體按下不表。至於可見光波段則有肉眼、望遠鏡、全天相機三種手段觀測流星。

　　我們的肉眼本身就是非常精密的光學儀器，6等星以上的亮度不在話下。當我們野外目視流星時，我們可以手動記錄下它出現的時間、方位等信息，提交給國際流星組織(IMO)以供有關人士參考。但是肉眼的缺陷也十分明顯，人眼容易疲勞，且得到的信息是模糊的，專業價值甚微。望遠鏡雖然有很高的集光能力，但用來觀測流星性能是過剩的，且視場太小，流星出現在視野裏只能碰運氣。若想覆蓋整個天空則需要成百上千個鏡子，經費上就划不來。

　　用攝像設備取代人眼來記錄流星是非常自然的事。自90年代後，得益於高靈敏度感光元件的出現，用相機監測流星已經沒什麼門檻了，只需要在前置一個廣角鏡頭，整個星空從此一覽無餘。同時由於攝像設備的小型化、易操作性，也使得不少天文愛好者可以搭建自己的設備來監測流星。

　　我們的需求是搭建一個自動監測天空的全天相機，從而得知每顆流星出現的時間、方位、亮度等信息。其實搭建這樣的單個系統非常簡單，成本也非常低廉。主體是一個樹莓派，(微型電腦)搭配相機、鏡頭，加上保護外殼和防雨罩，軟件控制上是開源的，很容易找到提供的組織，初級的數據處理可以用商業化的UFOCapture等軟件找到流星。選址時注意光害和後期可維護性即可。

　　圖5. 我們在站上利用行星相機簡易搭建的全天相機（左）以及捕捉到的一張流星照片（右）

　　當然並不是所有的全天相機都一樣。有的團隊考慮到數據處理過程中，使用單相機加180度廣角的方案帶來圖像畸變難以修正，故選用多個相機多個視場疊加的方式，好處是很大程度上避免了畸變，缺點是提高了成本，且前期安裝調試會麻煩點。

　　圖6. 不列顛羣島其中一個站點上的流星監測相機（圖源：nemetode.org）

​　　星羅棋佈的流星網絡

　　個體的力量是單薄的，流星的發生地並不侷限於一地，一個站點無法對整個流星或流星雨的輻射點、流量得到完備的瞭解，至於實現前面闡述的科學目標更是不可能。現在我們有無數衞星實時監控地球表面，但是對頭頂的星空卻未能掌握其實時動態。所以我們會有一個自然的想法，能不能把所有的相機聯合起來呢？

　　如果地球上每個位置都有監控相機，它們的視野就能覆蓋天球的各個角落，在這張大網24 h的監測下一顆流星都無法悄然溜走，我們對流星數據的獲取就是完備的了。這就牽引出流星監測網絡的概念。

　　介紹這一概念之前，我們不妨先關注一下2012年的十月天龍座流星雨。那一次的流星雨流量極大， ZHR預計達到9,000 左右，這一罕見的爆發事件出乎了所有人的意料，事後翻閲卻發現沒有任何的觀測報告仔細説明這件事。因為爆發的最佳觀測時間對應的是亞洲的夜晚，而彼時的亞洲卻沒有相機在監測，使得本該記錄在案的寶貴資料與我們失之交臂。

　　圖7. 克羅地亞一個相機在2018年10月9日一整晚監測到的流星情況，視場為88° × 48° （圖源：參考文獻[5] fig1 ）

　　所謂“流星監測網絡”是指在不同地點放置全天相機，實現對夜空全天候高靈敏度的觀測。項目初衷是在成百上千個站點上放置全天相機，站點間距短則幾公里，長則百公里，以得到良好的天空覆蓋率，並不遺漏任何重要事件。各子站點統一的數據格式實時上傳到中心服務器，再經過嚴格的自動化校準流程，讓我們對近地流星體有實時的感知。隨着大量高精度的數據積累，方便我們一窺流星背後的諸多科學奧秘。

　　圖8. 流星網絡原理圖，上部深色區域是兩個相機重疊的天區（圖源：參考文獻[6] fig1）

　　除了前面提到的太陽系認知、近地環境等方面，流星監測網絡還有個妙用。火流星在大氣中不會燃燒完，可以為我們帶來珍貴的外星禮物。據估計，每50萬平方公里的土地上，每年會落下十個火流星，帶來至少300 g樣本。以往找這些小石頭會是個很費勁的活，在流星監測網絡的幫助下，多個站點數據可以更好確定它的軌跡，方便我們縮小搜尋範圍。

　　圖9. ANSMET團隊的研究人員在南極尋找隕石（圖源：Cindy Evans/pri.org）

　　最早的流星監測網絡可追溯到70年代，由於技術水平的侷限性，只能用於探測特別亮的火流星。隨着現代工業化的發展，流星監測網絡搭建的技術難度和資金成本都大大降低：在一個站點配置一套科研級別的設備可以控制在人名幣6,000元以內，地點的選擇也比較隨意，只要有電有網，光學環境不差即可。相比其他時域天文學遙遠的“宏圖大業”，流星監測網絡技術難度較小、成本低廉，是最容易試手的。除了科研人員自行鋪設每個站點，愛好者們可以向當地組織購買設備，置於家中，產生的數據一方面上傳至服務端用於科研分析，一方面可以自行娛樂。

　　圖10. 歐洲和北美的流星監測網絡，紅點為站點情況，青色區域是它們覆蓋的天空情況（ 圖源：參考文獻[5] fig6）

　　目前全世界大約有30個國家，450 台流星監測網絡的相機在工作，這些設備並不是一個整體，而是國家或區域性的小網絡。

　　我國在流星監測網絡上也有所行動。在2017年，由私營的青島艾山天文台牽頭，與國家天文台合作，建立了首個計劃覆蓋全國的專業監測網絡。截止2021年8月份，已經在全國鋪設了42個站點，並且已經建立了完善的單站觀測、多站聯測以及層級上報的觀測體系。同時，我們台的李廣偉老師在此基礎上提出了“羅扇項目”，於去年11月的學術年會上正式公佈，該項目旨在開展大面積流星光譜監測，目前還在如火如荼地進行當中。

　　圖11. 截止到2021年8月，全國流星監測站點所在位置（圖源：qd-sky.cn）

　　期待不久的以後，我們監測流星的“天網”編制地愈加密實，給我們帶來流星雨背後的新認知。

　　參考文獻

　　[1]彭煥文, et al. “麗江天文觀測站全天相機介紹.” 天文研究與技術 (2015).

　　[2]梅林, 吳翔, and 周作超. “深圳市天文台全天雲圖監測系統的設計與實現.” (2018).

　　[3]田健峯, et al. “中國 SONG 項目節點全天雲量監測方案.” 天文學報 57.3 (2016): 366-375.

　　[4]葉泉志. (2018). 業餘天文學在中國: 現狀與未來.

　　[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**/ 簡介**

　　**徐成亮，**國家天文台研究生。