为什么星星会眨眼睛

一闪一闪亮晶晶：为什么星星会眨眼睛

“一闪一闪亮晶晶，满天都是小星星。”

——简·泰勒（Jane Taylor）作词，莫扎特（Mozart）作曲

“一闪一闪小行星，让我无法观察你。”

——蹩脚天文学家

我坐在天文台里，等待着。那是1990年，我正尝试着做一些观测，以作为我硕士学位工作的一部分。问题是下雨了。那个下午大雨倾盆（对于9月份的弗吉尼亚山脉来说很不寻常），我得等天放晴，以便拍摄一些质量较好的图像。

我的运气还不错，几个小时以后，云散了。我迅速投入工作，发现了一颗明亮的星星，于是，我将望远镜对准它以调焦。但是无论我怎么尽可能努力尝试，计算机屏幕上的星像总是不够清晰。我将焦距拉近推远，试了各种办法，但无论我怎么弄，星像仍然非常模糊。

于是，我跑到外面去仰望星空透口气。这是任何一位关在小黑屋里长达三小时的天文学家都会做的事。

我选中的那颗明亮的星星高挂在天上正拼命地眨着眼睛。当我注视着它时，它一抖一抖地闪着光，甚至时不时地改变一下颜色。我瞬间明白了为什么我无法得到星星清晰而轮廓分明的图像。要责怪的不是望远镜，而是我们的大气层。我又等了几个小时，但星星还是不能定焦。我回家了，只好等第二天晚上再次尝试。

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谁不曾坐在夜晚天鹅绒般的夜幕下赞美星星？如此遥远，如此灿烂，如此……不安分？

星星一闪一闪的，非常漂亮。它闪闪发光，跳舞一般，摇曳不定。有时它甚至还会转眼之间变化颜色，从白色到绿色再到红色，最后再次变回白色。

但是，看那颗星星，它比其他星星更亮，发出不变的、白色的光辉。为什么它不闪呢？如果你说出自己的困惑，旁边的人可能会沾沾自喜地评论说：“那是一颗行星。恒星会闪烁，但是行星不会。”

要是你想挫一挫他们的锐气，那就问他们为什么恒星会闪烁。他们可能答不上来。并且无论如何，他们都错的。行星能够并且的确会闪烁，与恒星差不多。只是那种闪烁很少会影响到它们看上去的样子。

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地球有大气层，这对地球有一定好处，比如，让我们可以呼吸，能够飞起纸飞机，转动起我们脚踏车上的纸风车，等等。但是，正如我们对大气的偏爱一般，有时候天文学家却希望它不存在。对于他们来说，大气可能是个障碍。

假如大气是稳定、平静、静止不动的，事情就好办了。但它不是。大气是湍动不定的。它分不同的层，每层有不同的温度并以不同的方式流动。这种湍动就是闪烁的根源。

大气令人恼火的一个性质是它可以使光线弯曲。这被称作折射，我们曾无数次地看到过它。当光从一种介质到另一种介质，比如，从空气到水或从水到空气，光就会发生弯曲。当你将汤匙放进一杯水，在空气与水相接处，汤匙看上去是弯曲的。但是事实上，弯曲的正是从水中出来而进入空气中的光。假如曾在小溪里用网捕过鱼，你也会体验到它实用的一面。如果不抵消掉折射带来的弯曲，那么你很有可能会空手回归，晚饭也没得吃了。

当光从大气的某一个区域进到稍稀薄一点的区域时也会发生弯曲。例如，热空气与稍冷的空气比起来较为稀薄。高速公路黑色柏油上方的一层空气要比更上层空气热一些，光从这几层空气穿过时就发生弯曲。这就是为什么在夏日的白天前方的柏油路闪烁不定；大气使光发生了折射，从而让高速路表面看上去好像是液态的一样。有时你甚至能看到汽车在这一层被反射。

在地面上，大气会相当稳定。但是在我们头顶上方的高处，情况就不同了。在几千米的高空，大气一直不停地四处流动。小空气包——被称作气胞，来回飘动。每个气胞有几十厘米宽，并且处于持续运动中。当大气从光所经过的路线吹过，在气胞中进出经过的光，会发生小小的弯曲。

这就是星光闪烁的原因。星星持续不断地发出光亮，并且星光经过许多光年来到地球。要是没有大气层，星光就会从星星笔直地跑进我们的眼睛中。

但是大气的确存在。当星光穿过大气层，它必定要从那些气胞中进进出出。每个气胞都使光发生轻微的弯曲，方向通常是随机的。星光每一秒钟都要穿过数以百计的气胞，每一个都会使星光发生跳跃。从地面上看去，星星非常小，比气胞小得多。因此星像看上去似乎四处跳跃得厉害，这样一来，我们在地面上就会看到，光随机地发生弯曲时，星星看起来好像在跳跃闪动。这就是星星闪烁！

天文学家通常不把这称作闪烁，而叫作视宁度。这个名字延续自数世纪来的混乱叫法，但是像大多数的术语一样，它在我们的语言中已然流传开来。天文学家们通过测量星星的视尺寸，来确定某一特定夜晚的视宁度有多么糟糕。星像闪动得如此之快，我们所看到的是模糊的圆盘。视宁度越糟糕，星星看上去就越大。典型的情况下，夜晚的视宁度是2角秒。作为对照，月亮直径大约2000角秒，而裸眼只能分辨大约100角秒直径的圆面。通常情况下，观测行星最好的视宁度为0.5角秒，但也可能大得多，这取决于大气湍动的程度。

视宁度还会随时间变化。有时大气突然有几秒钟的平静，星星的圆面就会显著地收缩。星光集中于更小的区域，使得我们可以看到更为暗淡的星星。我记得曾经有一次坐在望远镜目镜前几分钟，寻找一个星云中非常暗淡的中央星。那颗星正好在望远镜的可见度极限内。在视宁度突然稳定了的片刻，幽灵一般浅蓝色的星星快速进入我的视野。只是瞬间，视宁度又变得糟糕起来，星星又消失了。它是我亲眼所见最暗淡的星星，真是令人惊讶。

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那么，行星为什么不闪呢？行星很大。唷，事实上，它们比恒星小很多，但离我们也近得多。即使用世界上最好的望远镜去看，夜晚最大的恒星也不过像是一个小小的圆点，但用双筒望远镜看木星便是一个圆面。

木星也同恒星一样受到视宁度的影响。由于行星的圆面很大，它看上去并不闪。但圆面的确在动，只是它的移动相对于其视尺寸来说要小得多，因此看起来不会像小个头的恒星一样闪动。这颗行星细微的轮廓有些模糊，但是整个星体则保持不动，从某种程度上来说并未受到湍动的影响。

在某些特别糟糕的条件下，就连行星也多多少少会闪烁。雷暴过后，空气可能很不稳定，再加上如果行星在太阳的后侧，它的圆面看上去就会特别小，这使它更容易闪烁。当行星也在闪烁时，视宁度就会糟糕得令人难以置信，而那一晚的观测也就没希望了。

闪烁增强的另一种情况是在地平线附近观测。当一颗恒星恰在升起或落下时，由于大气层是弯曲的，我们要透过更多空气看到它。这意味着在我们和该恒星之间有更多的气胞，并且它会疯狂地闪烁。讽刺的是，如果你碰巧从城市上空看去，大气可能会更稳定。城市上空普遍存在一个烟雾层，它使视宁度保持稳定，这可能是它们唯一的好处。

当折射发生时，不同颜色的光折射程度也不同。比如，蓝色和绿色光比红色光弯曲得更厉害。有时，当视宁度的确很糟糕时，你会发现星星的颜色会发生变化，先是一种颜色，然后变成另一种颜色。天狼星是夜间出现的恒星中最明亮的，用我们的肉眼来看，它一般都呈现出稳定不变的白色。但有时，当天狼星低垂在天边时，它就会剧烈地闪烁并迅速变幻颜色。我亲眼见过很多次，很是迷人。

有时它还会带来麻烦。想象一个夜晚，你正驾车行驶在一条偏僻的路上时，发觉有一个明亮的物体好像在尾随着你。当你看着它时，它猛烈地闪动，由亮转暗，而且还在变幻颜色，由橙变绿变红再变蓝！它会是一个太空船吗？你将会被外星人劫持吗？

不，你是蹩脚天文学的受害者。但是这个故事听起来很耳熟，不是吗？许多UFO故事听起来与此相仿。因为恒星与我们离得太远了，所以我们行驶时它们看来好像尾随着我们。恒星的闪烁改变着亮度和颜色，而余下的故事则是由想象力来完成的。当我听到与此相似的UFO传说时总是觉得好笑，转念一想，尽管它可能不是UFO，但的确来自地球之外。

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星星的闪烁给歌曲和诗歌带来灵感，但在天文学家们看来，它们是个麻烦。我们建造大型望远镜的原因之一就是，它们有助于提高观测目标的分辨率。设想有两个天体，其中一个的尺寸是另一个的一半，但都小于某个给定夜晚的视宁度。因为视宁度，它们都会被模糊至同样大小，而我们无法辨别哪一个更大。这为我们所能观测与精确测量其尺寸的天体给出了一个尺寸下限。任何比这个下限还要小的天体都将变得模糊，因此看起来更大。

更糟糕的是，相互离得很近的天体会由于视宁度而模糊到一起，我们无法将它们区分开来。这其实限制了我们所能探测的天体可以有多小。

实际观测中有几种方法可以避开视宁度的影响。一种方法就是越过它去观测。如果将望远镜安装在大气层之上，它就根本不会受到视宁度影响。这就是哈勃太空望远镜于1990年被送入轨道的根本原因。由于该望远镜与它所研究的对象之间没有大气层，它会得到比地面望远镜更好的视野（更多可见“哈勃的大麻烦”一章）。哈勃太空望远镜不受视宁度限制，其对目标的分辨通常会远远好于它在地面上的兄弟们。这里的问题是，发射一台望远镜非常昂贵，相比于建在地面的望远镜，建造一台太空望远镜的开销是前者的十倍。

另一种绕开视宁度影响的方法是对目标进行多次非常快速的曝光。如果曝光足够快，就可以在湍动的空气使星像变得模糊之前把它定格。这同对一个运动物体快速曝光很相像。对一辆赛车曝光一秒得到的图像会毫无悬念地变模糊，但万分之一秒曝光得到的图像将会非常清晰、美观。非常快速的曝光将会得到非常清晰的星像，不过，星像的位置在每次曝光时会随光的弯折而跳动。天文学家们可以对一颗星星进行数百或数千次非常快速的曝光，然后用计算机将这些单独得到的图像叠加到一起，从而得到较长的曝光时间所不可能得到的细节。除太阳之外的恒星的第一张可分辨图像就是用这一技术得到的。这一天体是红巨星心宿二，得到的图像虽然模糊，但的确可以分辨，而不只是一个光点。

这项技术有个大缺陷，就是它只能用于明亮的天体。暗淡的天体无法在所需的快速曝光时间内拍摄下来。这严格限制了适用目标以及这一方法的实用性。

还有第三种方法可以确保得到令人惊异的图像。如果观察者可以估量出大气层会如何使星像发生扭曲，那么可以通过改变望远镜反射镜的形状本身来抵消这种影响。望远镜的光学系统可以适应视宁度变化，这一技术被称作自适应光学。这种适应是通过一个与活塞杆连接的小活塞——它被称作触动器——完成的，它位于望远镜的反射镜后面。在某些情况下，活塞杆推动反射镜，改变其形状，使其扭曲而足以弥补视宁度变化所带来的影响。另一种方式是使用一组像厨房磁砖一样安装在一起的六边形反射镜，每一个都有自己的触动器。小反射镜的制造比一个大反射镜简易得多，而且也更便宜，因此世界上最大的望远镜很多都是以这种方式设计的。

结果完全是不可思议的。图3-1所示是由配备了自适应光学系统的加拿大—法国—夏威夷3.6米望远镜拍摄的照片。（a）图所示为关掉该系统时所拍到的一对双星的图像。我们看到的，就是一个拉长了的模糊图像。而在（b）图中打开了该系统，矫正了视宁度的影响，两颗单个的恒星被清晰地拍了下来。

图3-1　如果不用自适应光学系统，一对密近双星看起来像一个小光斑（a图）。而一旦CFH（加拿大—法国—夏威夷）望远镜的自适应光学系统打开后，双星就会轻而易举地被分离（b图）。用计算机做更进一步的图像处理，可以使观测结果更为清晰（c图）。星星仅被分开约0.3角秒，这个视大小相当于从几近15千米外看一个两角伍分的硬币的大小。（图片由CFH望远镜公司惠赠，襂1996。）

欧洲南方天文台（简称ESO）在智利有若干架配备了自适应光学系统的望远镜。其中之一是甚大望远镜（VLT），这个名字毫无诗意，但它的确相当精确地描述了这个口径8米、巨大的拼合式正六边形反射镜。事实上，它由四架这样的望远镜组成，由于都配备了自适应光学系统，它们的图像堪比哈勃太空望远镜。自适应光学系统仅有的缺陷之一是视场狭窄，每次曝光只能看到很小一片天区。尽管如此，随着技术改进，这种系统的可观测区域也将得到改善；最终，这些望远镜都将常规性地使用自适应光学系统，来观测大得多的天区。

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下一次当你在晴朗夜晚外出散步看到星星们跳着它们的舞蹈时，你可能会记起，就连像星星闪烁这样最简单的事情也有复杂的起源，围绕它们所做的工作有时是何其难也。

或者，你可以只是注视着星星闪烁。这也一样OK了。