点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:从流星到流星监测网络
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

从流星到流星监测网络

来源:光明网2021-09-07 14:19

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  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。

从流星到流星监测网络

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)。

从流星到流星监测网络

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。

从流星到流星监测网络

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。

从流星到流星监测网络

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。

从流星到流星监测网络

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。

从流星到流星监测网络

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 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室

  • 邕江引水工程建设进展顺利

独家策划

推荐阅读
近年来,从基础研究到成果转化、生产应用,香港在上中下游“全链发力”、促进“环环相扣”,发展新质生产力的战略愈发清晰,投入力度不断加大。
2024-12-03 16:02
12月2日,南水北调中线引江补汉工程首台硬岩掘进机(TBM)“江汉先锋号”在土建4标8号平洞顺利始发掘进,标志着引江补汉工程正式进入TBM掘进施工新阶段。
2024-12-03 09:05
山西省考古研究院日前对外公布了运城市夏县崔家河遗址考古发掘资料,该遗址属于距今5000余年的仰韶中期庙底沟文化,并出土一件同时期罕见的彩陶鱼纹盆。
2024-12-03 04:15
近日,科学技术普及法修订草案首次提请全国人大常委会会议审议,这是科普法自2002年公布施行以来的首次修订。此次修订聚焦科普工作中的突出问题,强化了社会各界的科普责任,
2024-12-03 04:50
记者2日从工业和信息化部获悉,我国将完善优质企业梯度培育体系,探索建立专精特新赋能体系,健全与专精特新中小企业成长相适应的要素保障制度。
2024-12-03 04:50
一件采集于内蒙古自治区阿拉善左旗的早白垩世恐龙标本被认定为窃蛋龙类恐龙新类群——百年鸳鸯龙。这一最新研究成果近日发表在国际学术期刊《白垩纪研究》上。
2024-12-03 04:50
记者从中国气象局获悉,南极中山国家大气本底站(以下简称“中山本底站”)1日正式业务运行。这是我国首个境外大气本底站,将对南极大气成分浓度变化进行连续、
2024-12-03 04:50
11月30日晚间,海南商业航天发射场圆满完成首次发射任务,验证了我国首个商业航天发射场在硬件、软件、人员等各方面已具备常态化发射能力。
2024-12-02 08:55
房元鹏分析,比较来看,我国的天舟飞船属于大型货物运输飞行器,上行装载货物能力强。
2024-12-02 08:50
从农业农村部获悉,12月1日,由农业农村部主办的第二十一届中国国际农产品交易会在广东省广州市落下帷幕。
2024-12-02 03:45
推进中国式现代化,科技要打头阵。科技创新是必由之路。近日,习近平总书记在湖北考察期间,到武汉产业创新发展研究院考察,观看科技创新供应链平台成功案例展示和科技创新成果,
2024-12-02 03:40
科学与哲学关系密切,恩格斯早就提出,“随着自然科学领域中每一个划时代的发现,唯物主义也必然要改变自己的形式”,有着独特思维方式的哲学必然随着科学的发展而自觉改变其本身的形式。
2024-12-02 03:45
提供更加精细化、专业化、多样化的服务。
2024-12-02 03:40
让年轻人在科技创新中“挑大梁”,要遵循人才成长规律和科研规律,在技术攻关中敢于给他们压担子,并对他们可能遭遇的失败给予一定的宽容度。
2024-11-29 09:51
国家医保局28日举行新闻发布会,发布2024年国家医保药品目录调整情况。据介绍,自成立以来,国家医保局已连续7年开展药品目录调整工作,累计将835种药品新增进入国家医保药品目录,其中谈判新增530种,竞价新增38种。
2024-11-29 09:49
第二届链博会聚焦发展新质生产力,新增先进制造链展区,从研发设计、新材料运用、关键零部件及加工、智能制造及高端装备等四个方面,展现全球先进制造领域从前端设计到终端产品应用的全产业链。
2024-11-29 09:48
持续打造服务农民生产生活和促进现代农业发展的综合平台,当好党和政府密切联系农民群众的桥梁纽带,奋力谱写供销合作事业高质量发展新篇章,为推进乡村全面振兴、加快建设农业强国作出更大贡献。
2024-11-29 09:47
根据规划,中国计划2025年完成下一代北斗系统关键技术攻关;2027年左右发射3颗先导试验卫星,开展下一代新技术体制试验;2029年左右开始发射下一代北斗系统组网卫星,2035年完成下一代北斗系统建设。
2024-11-29 09:35
在科技成果转移转化过程中,有一道看似难以跨越的鸿沟——科技人员通常不熟悉市场、经营和生产,企业经营者往往搞不懂前沿科技。
2024-11-28 02:50
在光通信系统中,硅基调制器是信息传输与处理的关键一环,是整个电光信息转换的“心脏”——信息经过这个枢纽来去、流转,高效搭上光的“顺风车”,奔赴不同目的地。
2024-11-28 02:50
加载更多