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我們一起看流星

一顆很長的流星從東方地平線出現,劃過整個天空,一直到西方低空,頓時山上響起一陣歡呼聲。之後流星漸漸增多,而且增加得越來越快,剛開始對每顆流星大家都會大吼歡呼,到了清晨兩點左右,大家的喉嚨都喊啞了。
 
 
 
2001年的獅子座流星雨令人永生難忘。那一年,不但沒有月光影響,而且台灣的山夠高、天氣夠好、仰角剛剛好,因而成為全世界最好的觀測地點。許多同好刻意偃旗息鼓偷偷溜到高山上觀測,留下了許多珍貴的紀錄。

夜空中突如其來、一瞬即逝的流星是可遇而不可求的奇景,正因不可捉摸、難以預測,讓人們產生了許多神祕而美麗的聯想。有些成群的流星似乎隱喻了某些規律,只是這些規律不是那麼地明顯和可靠,更增添了人們的想像空間。歷史上很早就有關於大流星或流星雨的記載,就連許多小說也喜歡用流星做為人事變換的隱喻,許多人更相信對著流星許願就可以美夢成真,這一切美好的傳說都讓流星蒙上了一層美麗的面紗。

雖然人們很早就知道流星是漂流在太空中的小東西(稱為「流星體」)高速闖入地球和大氣摩擦發光的一種現象,但是一直無法精確掌握流星的出沒時間和規模。在1990年代中期以前,對流星的觀測和研究還是被專業天文學家認為是不務正業,因此國際流星組織的成員大多是業餘天文同好。

到了1990年代初,由於前面20年發射了許多行星探測船,已經把太陽系各大行星的軌道計算得頗為成熟,因此研究的觸角就逐漸延伸到更小的東西。再加上電腦軟硬體快速進步,讓研究人員開始有能力對這些小天體的運行做更精確的計算。

因此,當天波—圖托彗星(55P/Tempel-Tuttle)於1998年再次接近太陽的時候,一些做行星軌道計算的天文學家就針對這一顆會造成獅子座流星雨大爆發的彗星,以及它的噴發物進行精確的計算,並且在之後的幾年間獲得了很好的印證。這一次成功的預報引起了極大的重視,並因此把流星研究推進到嚴肅科學研究的新時代。

天波—圖托彗星是一顆周期33年的周期性彗星,每次回歸之後的幾年內,獅子座流星雨往往就會出現大爆發,像前一次回歸就在1966年為美東地區帶來了估計每小時15萬顆流星的盛況。因此1998年再次回歸時,全世界都對它寄予非常高的期待。

一般的流星分成散在流星和流星雨兩種。散在流星是不規則、不定期、無法預測的,平均每小時大約有10顆;流星雨則來自彗星或小行星噴發的成群塵埃、冰粒,理論上是可預測的。但不是每顆彗星噴發的塵埃群都會造成流星雨,只有當母彗星軌道與地球軌道接近交錯時,這些流星體才有機會遇到地球而造成流星雨。

聽到與地球軌道交錯,有些人可能會擔心,既然天波—圖托彗星遺留的塵埃群會撞到地球,會不會有一天掉進地球的是天波—圖托本尊而成為毀天滅地的太空殺手?這一點目前天文學家倒是還不擔心,因為這些塵埃是從彗星上受陽光照射噴發出來的,噴發物與彗星本體有不同的速度跟方向,且會逐漸漂離母彗星並散開,因此當地球撞上這些塵埃時,母彗星並不會在同樣的位置。

但這些塵埃的漂移使得預測流星雨比算彗星軌道難上許多,一直到1998年天波—圖托再次回歸時,天文學家才有能力做這樣的計算,並獲得一個很好的驗證機會。

天波—圖托上一次的回歸是在1998年,許多人可能還記得那一年全台大瘋狂的樣子,當時台中市還曾經提議要小學放半天的流星假。那一晚全台灣的大山小山全擠滿了人,合歡山的車龍從主峰頂上一路延伸到三十幾公里外的霧社,雙向兩線的山路變成單向四線道,真是壯觀得不得了。但是由於彗星噴發的塵埃帶會稍稍落後於彗星本體,因此預報真正最壯觀的其實不是1998這一年,而是稍後的2001跟2002年。而且根據預報,台灣會是2001年全世界最好的觀測地點。

有了1998年滿山人潮、車燈比星還多的教訓,2001年大家就學乖了,同好們躲著媒體絕口不提這一年的預報。知情識貨的人在預報日期11月18日之前就紛紛上山搶位置,合歡鳶峰停車場旁的小平台上擺滿了大大小小的望遠鏡(看流星其實不適合用望遠鏡,那些望遠鏡是在等流星的時候順便拍照用的),合歡主峰、阿里山、大雪山、塔塔加等觀星勝地也擠滿了天文同好。

當天天氣異常地好,滿天星星且幾乎沒有一點雲,根據林啟生的估計,肉眼可見星等應該超過6.3等。但是當晚的上半夜不但沒有流星大爆發的跡象,甚至連一般的散在流星都幾乎看不到,許多人因此擔心又是一次狼來了。

不過,到了大約11點45分左右,一顆很長的流星從東方地平線出現,劃過整個天空一直到西方低空,頓時山上響起一陣歡呼聲。大家把願望許了好幾遍又換了好幾個,這顆流星竟然還沒結束,最後在眾人瞠目結舌啞口無言中以一個爆燃結束了這個開幕序曲,估計這顆流星跨越天空的角度應該超過140度。

由於這時的流星是從東方地平附近切入地球大氣,大多數不夠大或角度不好的流星體早在遠方就燒光消失了,只有在切入角度非常巧妙的情況下才會出現這樣的長流星,一般也只有當流星雨輻射點還在地平線附近時才容易出現這麼長的流星。

這一顆流星開啟了序幕之後,大家開始打起精神等待,但等了十幾分鐘卻無聲無息,精神又漸漸渙散。突然,又一顆明亮的火流星(最大亮度超過-4等,相當金星的亮度)出現,大家的精神全都來了。

之後流星漸漸增多,而且增加的速度越來越快,剛開始每顆流星大家都會大吼歡呼,但是到了清晨兩點左右大家的喉嚨都啞了,如果不是非常明亮還外加連環爆的流星,大家根本就懶得理它們。當晚台北天文館的張桂蘭和洪景川帶著一群義工也在那邊觀測,桂蘭是負責按計數表的,到了兩點左右就聽說她大拇指抽筋,因為兩小時就已經按了七千多下。

這一次筆者是用錄影觀測的方式記錄,所用的器材包括一架WATEC的902H監視CCD,它就像路邊的監視器一樣,只是感光度可以達到0.0003流明,一般監視CCD大約是1流明左右。再搭配一顆3.5mm/F1.4的超廣角鏡頭,並把信號外接到一架SONY的DV當做錄影機進行記錄。

這樣的組合非常輕便,根本不需要赤道儀或望遠鏡,只需把相機腳架架在汽車旁邊,然後把車窗開一點縫以便從外頭的CCD拉訊號線進車子裡的DV錄影,然後人就在一旁東晃西晃,感覺冷的時候就躲進汽車中開著引擎吹暖氣。這樣的搭配可以拍到的固定恆星極限大約是+3.5等,不過對於流星這種快速移動的東西來說,比+0.5等還暗的就會被雪花般的熱雜訊掩蓋掉,實際的極限星等並沒有到3.5等。

當晚合歡鳶峰的溫度大約是攝氏零下4度,主峰上更是冷到零下8度,在車中吹暖氣看星如雨下算是一件非常幸福的事,可以想像更幸福的畫面大概只有在北極圈泡著溫泉看極光了。不過,據說泡在溫泉中看極光有一個極為嚴重的問題,就是水裡是攝氏+40度,而外頭是零下30甚至零下40度,要從水中起來就好像把一個熱騰騰的玻璃杯丟進冰水中一樣,泡在溫泉中的人要怎麼脫身是一個很有趣的問題。

當天(18日)大約從晚間11點半左右開始錄影,一直到19日清晨4點多,中間就只有換錄影帶的幾十秒鐘有間斷,總共錄了295分鐘左右。不過後來在統計處理的時候,前、後各有一些部分沒有採用,前面的部分是因為仰角太低,流星太少沒有統計價值,後面的部分則主要是因為黃道光太亮和人車的燈光干擾太多。

觀測結束後,後續的資料整理花了很多年的時間才完成。由於當時的軟硬體設備不是很好,花了好幾個月的時間才把錄影帶轉成AVI檔存到電腦硬碟中,並用肉眼重複檢驗。而且由於借來的攝影機內建系統時間不是很準確,無法直接記錄在畫面中,因此每段5分鐘的畫面檔案都要一一找出對應的時間標準點。

幸好當天成功大學物理系許瑞榮老師、陳炳志博士及已故的王雲慶博士也在阿里山測候站錄影觀測,因此可以比對找出時間參考點。後來在影片中總共找出了3,712顆流星並記錄出現時間,這對日後的分析處理有非常大的幫助。

又過了好幾年,網路上出現了一個叫做LIMOVIE的免費光度分析軟體,這是日本同好宮下和久先生為了測量掩星光度變化而開發的軟體。這個軟體也可以用來測量流星的光度,只要和已知星等的背景恆星或行星比對,就可以可靠地判別流星的星等,這比以前用肉眼判斷流星亮度算是很大的改進。至於超過當天最亮的木星(-2.6等)的流星,則可以用外插法推算亮度,這樣量到最亮的一顆流星大約相當於-11.6等。

後來,2010年初中央大學天文所的阿部新助博士邀請捷克Ondrejov天文台的柯敦(Pavel Koten)博士來台短期訪問,他們兩位都對流星觀測很有興趣也接觸了很久,柯敦博士甚至已經在歐洲建立了一個多點同步觀測,以進行三角定位測定流星路徑的系統。

當時阿部博士安排柯敦博士到許多地方演講並和同好見面,當他們在台中和同好演講見面時,許多同好對這個話題都很有興趣,會後討論不斷,他們兩位也對台灣業餘同好的水準很是驚訝。後來繼續透過電子郵件保持聯繫,從他們那裡學到了許多流星研究分析的方法跟觀念,於是興起把2001年的資料整理並正式發表的念頭。 
  
根據麥克諾(McNaught)、亞雪(Asher)、里堤南(Lyytinen)等人的預測,2001年獅子座流星雨的每小時天頂流星數(zenith hourly rate, ZHR)極大值大約在每小時5,000~8,000顆。後來日本同好(Uchiyama等)整理的目視觀測報告所記錄的極大值,大約在3,000~5,000顆。

不過,筆者最近把當時做的錄影觀測紀錄整理之後,發現在當時觀測的90度×67度視野中,極大時的那一分鐘就出現了39顆3.5等以上的流星,換算成每小時天頂流星數後相當於每小時52,606顆,這個數字遠高於其他觀測所得的數字。至於出現的時間,則是台灣時間19日清晨02:25,對應到預測中的由1866年回歸時的噴發物在繞日4次之後造成的流星群,和里堤南等人預測的02:20或麥克諾等人預測的02:13都很接近,證明他們的計算預報精確度非常高。

不過筆者在整理ZHR數字的時候碰到了一個問題。ZHR是以目視觀測為基礎而制定的表達方式,前提是假設有經驗的觀測者注意力可及的視野是半徑50度的圓形區域,但是錄影觀測用的鏡頭和CCD裡頭的感光晶片大小有各種規格,涵蓋天區的角面積和人眼的不一樣,因此必須經過換算。

根據廠商的資料,這顆3.5 mm鏡頭的視野對角是114度,因此長寬大約是90度和67度,這樣一算,ZHR的極大值就超過10萬顆。但是後來考慮眼視觀測的ZHR並沒很明確的科學定義,這樣的換算意義不大,於是決定直接把視野的角度標示在ZHR中而變成ZHR90×67=52,606。

對於數據和其他目視觀測紀錄之間相差了10~20倍,檢討後判斷主要可能是兩個原因造成的:目視觀測的不可重複性及觀測者的注意力。

在整理資料時,有許多亮度在極限邊緣的流星(大於+0.5等)是在重複檢查好幾次之後才認出的,如果無法重複檢視,這些一定會漏掉。

此外,在流星雨到達極大時,常常有同時出現好幾顆流星的現象,即使事後一再重複針對不同區域小心檢視,還是難免有所疏漏。實際觀測時,每當有大、亮、長或會爆開的流星出現,大家的注意力就會被吸引,而通常這種流星都是好幾個一起出現,方向不同或亮度較低的流星很容易就被忽略。這樣的問題在流星數量到達極大時會更嚴重,因此造成錄影觀測和目視觀測之間的懸殊差異。

當把19日清晨01:30到04:52之間的數據整理成以分鐘為單位的ZHR變化圖之後,除了在02:25分出現的極大之外,在01:36~01:43之間還有一個很明顯的次高峰。這個時間跟預測中的由1699年回歸時產生的噴發物在繞日9次之後產生的流星群很吻合,里堤南等人預測的極大時間是01:38,麥克諾等人預測的是01:24,兩者的預測都非常接近,再次驗證了他們計算的準確度。

由於ZHR是一個以目視為基礎的量,觀測者的各種身心條件都會影響到觀測結果,而且每個人看的視野範圍不一樣,這種難以定義、缺乏標準的量是科學研究最害怕的情況。因此有人就想採用比較可以量化的方式來評估流星雨的規模。

其中有一種方法是估計流星的流量(influx rate),是把觀測區域從視野角度換算成每單位面積每秒有多少顆流星出現。另一種是空間數量密度(spatial number density),是把獅子座流星體群和地球的相對速度71 km/s(每個流星雨都不一樣)代入流量的式子中,換算成單位體積中的流星體數量,這應該算是流量的再進化版。

以往的研究大多把鏡頭的視野當成長方形來處理,但是這一次由於使用的鏡頭角度太廣,因此視野的變形非常嚴重。而且根據柯敦博士同年在歐洲對同一流星雨的研究,獅子座的流星平均會在海拔103公里的空中達到最大亮度。這一個大氣高度在畫面上方(仰角60度)處對應的寬度只有91.2公里,在畫面下緣(仰角5度)對應的寬度卻是1,080公里,顯然長方形的假設並不是很恰當。

因此把攝影視野當成一個梯形來處理,會比假設它是長方形好。事實上畫面的四條邊線在空中也不是真的直線,而是扭曲變形的曲線。不過評估這個變形影響不大,因此就沒有考慮它。

換算之後,得到的流量或空間數量密度的極大值僅比之前日本同好報告的略高一些。但如果採用和他們一樣的長方形視野計算,則大約會是3.6倍。詳細的分析過程規劃在近期內正式發表,因此就不再贅述。

雖然2001的獅子座流星雨已經是10年前的事了,但是對於親眼看過的人仍是歷歷在目,難以忘懷。這一次流星雨來臨時,人們已經做好了準備,因此蒐集到前所未有的大量資料。但是由於當時進行觀測記錄的大多是業餘同好,許多資料僅作收藏而未經整理。如果能夠有系統地把這些散在各處(尤其是台灣跟日本)的資料發掘彙整,必然能發掘更多有關太陽系小天體以及演化的重要訊息。

>名詞解釋

所謂每小時天頂流星數(ZHR)是 假設輻射點在天頂時,每小時可以看到的6.5等以上流星的數量。但必須修正考慮當天實際可見極限星等(例如因為市區光害 或天候不佳而看不到暗星)和理想值(6.5等)之間的差異,還有輻射點在低角度時,有一部分流星會被地景擋掉而看不到,以及天空有雲時被遮蔽的面積等因 素,因此ZHR只是一個理想值,實際觀測時通常不可能真的看到這麼多流星。

附註:中央大學天文所的阿部新助博士目前正在發起建置一個台灣流星聯合觀測網,利用多個地點同步自動錄影觀測,再透過三角定位方式記錄分析在台灣上空出現的流星軌跡,希望能對流星有更多的了解。
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