管子卿
中国科学院大学2021级硕士研究生
培养单位：中科院物理所
前几天，小牧同学在冲浪时发现了这条新闻：
这一下让躺平摸鱼的我惊坐了起来。因为众所不周知，小行星和流星其实是一个东西，只不过流星在坠入地面前就被大气摩擦烧没了，而这颗0.7米长的小行星2022 WJ1坚持到了最后一刻，克服阻力成功砸了下来。一想到之前我自己看流星雨的经历，要是在许愿的时候一颗大大的流星（或者说小行星）划了下来，那可真是实现了我去往天国的梦想。
鉴于小行星、流星和陨石其实是一个东西的不同叫法，后文我会模糊它们的区别，请大家在阅读时自行区分。
不过好在这颗小行星最后没有造成伤亡。据后续报道[1]，它并没有以完全体坠落，而是在和大气摩擦时不断解体，最终在安大略湖区上空爆炸。其中大部分碎块洒进了湖里，只有少部分落在无人的湖畔。
另外，早在撞击发生前三个小时，美国的卡特琳娜巡天系统就发现了这颗小行星。一个小时后，系统确认了它的轨迹会撞上安大略湖区，但体积不大，不会造成威胁。随后，卡特琳娜系统首席运营专家Richard向外公布了这一消息。也就是说，当地的天文爱好者（并且凌晨两点半还醒着）提前知道了会有这么一颗天外来客，并且做好了拍摄它的准备。
唔，标题大意是，有人在加拿大多伦多上空拍到了一颗超级绚丽的流星。meteor应该是流星的意思，所以当地人并不会感觉这是“天碍震星”。
这颗小行星进入大气层的角度只有10°，接近水平，可以拖出很长的火流星轨迹，也有充分的路程被摩擦和烧蚀。相比之下，2013年，俄罗斯的车里雅宾斯克地区撞来了一颗18米直径的小行星，导致近1500人受伤。所幸受到的伤害均是陨石坠地时产生的冲击波所致，并没有人员被陨石碎片击中。
其实小行星撞击地球的事件也不算少见，宇宙虽然看起来空旷，但也遍布着小天体。有机构估计每天有50颗小行星落入地球，只不过像这次直径到米量级的小行星撞击地球事件比较罕见。这类小行星容易引入瞩目，但再小一点的可能还没被人们看到，就已经在大气层中蒸发了。所以当下的岁月静好，是有大气层在为我们负重前行呀。不过我们也不能完全依赖大气层的保护，目前包括卡特琳娜在内，已经有一些巡天项目在监测可能造成威胁的小行星，也有专门的机构对此做了预测。
我上网查了查历史上有没有不幸被流星砸到的人，发现在几千年的璀璨文明史中，确实流传着流星砸伤人的悲剧。比如1888年，一颗陨石坠落在现伊拉克苏莱曼尼亚地区，致一人丧命一人瘫痪[2,3,4]，这是迄今为止有官方文档记载的最早的流星伤人事件；比如1954年，安妮·霍奇斯女士在家中小憩时，一颗从天而降的陨石砸穿屋顶，再砸到收音机上，并反弹到她的腰部[3,4]；（又比如2011年，徐伦女士在绿海豚监狱与狱友斗殴时被陨石砸伤；又比如危机纪年第12年，张大军、刘培、莫强三位老科学家在外太空合影留念时不幸被7.62毫米口径的陨石击中身亡）。
所以这次我们来聊聊流星，顺便再关于星体的其他“走位”方式。
故事要从太阳系诞生之初讲起。说那时，空间中只有一团星际尘埃，它们自身具有一定的初始速度。在引力和碰撞的作用下，它们的大部分坍缩成了太阳，并且幸运地具备点燃核聚变反应的条件，为这一方天地来带光和热。尘埃的少部分变成了行星和卫星，在初始速度和引力下进行公转和自转。这一部分中有一类特殊的天体，它大部分时间是一颗远离太阳的“脏雪球”，由水、氨、甲烷等冻结的冰块夹再杂许多固体尘埃粒子组成，在公转周期中的少部分时间，它会来到太阳附近，并在太阳光的作用下蒸发，拖出长长的彗尾。
上图就是大名鼎鼎的哈雷彗星，它的轨迹是一个很扁很扁的椭圆，公转周期约76年。早在公元前613年，《春秋》就有关于它的记载“秋七月，有星孛入于北斗”。1682年，26岁的英国小伙爱德蒙·哈雷在卡西尼的指导下观测到一颗彗星，这令他大为兴奋。两年后，他来到剑桥大学拜访牛顿，潜心学习牛顿力学，并对照前人的星历记载，于1705年推算出这颗彗星大约每76年会回归一次。遗憾的是，他没有机会亲眼验证1758年的回归。但当这颗彗星真的在那一年回归时，人们激动地给它冠上了哈雷的名字。
一个很容易被人们搞错的误区是，彗星的彗尾是背朝太阳的，而不是背朝它的公转方向。因为彗尾主要是被太阳光压和太阳离子风吹出去的，而不是它自己公转甩出去的，所以只有靠近太阳时才会出现彗尾。这一现象也支持了光具有动量，可以产生光压。
有时候你会看到彗星有两条尾巴，这分别是气体尾和尘埃尾。水等小分子升华后容易被太阳风电离，产生离子气，这些离子气质量较轻，会被太阳光压和太阳风直直地吹出去，形成气体尾；其他尘埃不容易被电离，质量较大，太阳光压和太阳风对它的影响较小，所以被吹离得更慢，拖出一个弯弯的尘埃尾。一般来说，气体尾自己会发光，呈蓝色，尘埃尾只能反光，但它的量更多，反而显得更亮。
还记得上面那张图里，我还没有讲Dust trail（尘埃轨迹）吗？那是彗星在公转时留在轨道上的小灰尘，它们会弥散在彗星轨道周边，就好像一位运动员在奔跑时留在跑道上的头皮屑一样，微小，但遍布整圈跑道。
还是以哈雷彗星为例，当地球公转到十月下旬和五月上旬时，会分别与这些尘埃轨迹交汇。考虑尘埃本身在轨道上的运动速度，再减去地球公转速度，得到的相对速度方向分别指向猎户座和宝瓶座，这就诞生了猎户座流星雨和宝瓶座η流星雨。
换句话说，流星雨是地球闯入彗星轨道上遗留的尘埃形成的，它们的来源看起来都指向一个方向，这个辐射中心所在的星座就成了流星雨的名字。
不过，并不是所有彗星的轨道与地球轨道几乎共面，大部分情况下两者有相当大的倾角，彗星轨道只与地球交汇在一个点附近，只产生一次流星雨。
表格中的ZHR(Zenithal Hourly Rate)是天顶每小时出现率，意思是，当辐射点在天顶时，每小时能看到流星的数量。理解了这些之后，就可以愉快地出发去看流星了。挑一个流星雨的极大日，避开月圆的时候，选择一个光污染不那么严重的地方，做好出行预案，let's go！
最后我拍到了这些画面。
将所有出现流星的地方合成在一起，就变成了：
和Stellarium星空模拟软件对比，可以看出大部分流星的来源确实指向猎户座。
流星的颜色也大有讲究。比如橙黄色代表钠、紫色代表钙、红色代表大气中的氮和氧等等。这里借用张超老师的一张图[5]，可以看到图中的流星分成两段，左段的绿色是大气中氧的557.7nm谱线，右段的蓝绿色代表流星中含有镁。
关于流星的颜色还有很多内容，感兴趣的读者可以去参考资料[5]拓展阅读，就不赘述了
喜爱天文的读者应该还记得，11月8号，也就是半个月前，大自然为我们上演了一段月全食+月掩天王星的盛宴。
作为天文爱好者的小牧同学自然没有放过这个机会，忙里偷闲拍到了这样的画面。
再拿出Stellarium模拟一下，确实是出现了月掩天王星。
有读者可能会问，为什么地影中的月亮看起来是红色的？这是因为，虽然地球挡住了照向月亮的太阳光，但地球大气会对太阳光散射，蓝光这类短波长光更容易被散射掉（也就是我们看到的蓝天），剩下的红光经过折射照在影子里，就形成了红月亮。
相反，因为月球几乎没有大气，日食的时候它的影子就是黑色的。
理论上，太阳地球月亮三点共线的时候就会发生月食。由于月亮公转的白道面和太阳公转的黄道面有个5°左右的夹角，这种情况每年大约只会出现两次，但一半以上是月偏食，而可见范围落在国内的月全食又会少一半以上。日食也是一样的道理。详情可以去参考资料[6]查看日月食日历。
比如今年5月16号也有一次月食，但它发生在北京时间9:32至14:50。那会我们所在的区域面朝太阳，背对月球，所以看不见。
明年5月6号也会有一次月食，虽然国内可见，但是半影月食，月亮只是会比平时暗一些，并不会出现红月亮。
本次月食的一大亮点在于，月亮在本影时恰好有一段时间掩盖了天王星，这段时间月亮并不是很亮，所以可以更容易地看到天王星。网上还有发烧友成功用望远镜拍到了月亮旁的天王星呈现出蓝绿色。
说起来，2017年国考的常识判断第10题就考到了掩星：
常识判断部分
考试规则：点击你认为正确的选项
10.掩星是一种天文现象，指一个天体在另一个天体与观测者之间通过而产生的遮蔽现象。科学家经常借助观察这一现象来判断星体是否有大气层。当行星掩过遥远恒星，如果恒星变得模糊之后才消失，那么可以认为（ ）
A. 该行星有稠密的大气层
回答正确 √
解析：恒星一开始模糊是因为行星表面的大气层先对恒星进行遮掩，大气层虽然透光，但会对光进行散射和反射，使行星变得模糊。之后行星完全掩盖恒星，恒星消失。
B. 该恒星有稠密的大气层
回答错误 ✕
C. 该行星无大气层或大气层稀薄
回答错误 ✕
D. 该恒星无大气层或大气层稀薄
回答错误 ✕
恒星一开始模糊是因为行星表面的大气层先对恒星进行遮掩，大气层虽然透光，但会对光进行散射和反射，使行星变得模糊。之后行星完全掩盖恒星，恒星消失。故我们选A。
与掩星相对的就是凌星了，不过我们一般更多用“凌日”这个词。掩星是视面积更大的星体掩盖更小的星体，而凌星是视觉更小的星体掩盖更大的星体。历史上，哈雷首次提出利用金星凌日测量日地距离，这种方法确实得到了相当精确的数值。凌星也是目前发现系外行星的主要手段，2019年的诺贝尔物理学奖的获奖内容之一，就是用凌星时恒星的亮度变化来探测系外行星。
呐呐，既然都说到凌日了，不如再来聊聊冲日吧。凌日是对于在地球内侧的行星而言的，它发生在下合的时候，冲日则是对地球外侧的行星而言的，这个时候在地球上看行星是最亮的，不仅因为地球离它更近，还因为它的向阳面朝着太阳，类似于月亮的满月。所以对于地外行星来说，冲日是最佳观测时机，尤其是位于柯伊伯带的遥远行星。
呐呐，既然都上这张图了，那就把所有位置关系都过一遍吧。先来看地外行星，刚刚已经介绍过冲日了，“东方照”和“西方照”对应与太阳方向垂直的位置，“合”对应与太阳同侧的位置。
对于地内行星，就没有冲日的说法了，它不可能到达太阳的对侧。它的方位角离太阳最远的时候称为“大距”，此时也是它的最佳观测时机。东大距时地内行星位于太阳东方，在黄昏时分晚于太阳落下；西大距时地内行星位于太阳西方，在清晨时分早于太阳升起。在地球上看来，当地内行星运行到太阳背后时，称为“上合”，到太阳前面时称为“下合”。上下合将地内行星分为晨星与昏星。
和月食一样，地内行星下合时并不是每次都发生凌日。这是因为水星和金星的公转轨道分别与黄道呈7°和3.4°倾角。以金星为例，它在2020年和1996年下合时都没有掠过日面。
与金星相比，水星离太阳更近，公转周期更短，会合周期（两次下合的时间）更短，因此发生水星凌日的可能性更大。下一次水星凌日在2032年11月13号下午三点到七点，让我们一起相约十年后。
参考资料：
[1] 又一颗小行星撞击地球，面对近地天体威胁人类准备好了吗？
[2] 首份陨石杀人记录：1888年“星陨如雨”，砸死一人砸瘫一人
[3] We Have The First-Ever Credible Evidence of Someone Killed by a Falling Meteorite : ScienceAlert
[4] Unsalan, O., Bayatlı, A. and Jenniskens, P. (2020), Earliest evidence of a death and injury by a meteorite. Meteorit Planet Sci, 55: 886-894.
[5] 流星颜色的秘密，你知道吗？
[6] Solar and Lunar Eclipses Worldwide
编辑：穆梓
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