从流星到流星监测网络

本文来自微信公众号：中国科学院国家天文台（ID：NAOC-BJ），文章发表时间：2021年9月16日，作者：徐成亮（国家天文台研究生），轮值主编：陈学雷，责编：袁凤芳，编辑：赵宇豪、柒柒，头图来自：视觉中国

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

[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.

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[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.

本文来自微信公众号：中国科学院国家天文台（ID：NAOC-BJ），作者：徐成亮（国家天文台研究生），轮值主编：陈学雷，责编：袁凤芳，编辑：赵宇豪、柒柒