黃道光(Zodiacal Light)是在星空中大致沿黃道帶的光錐,主要由行星際塵埃粒散射太陽光而形成。黃道光的光譜與太陽光譜相似,其分布與黃道面對稱,對通過太陽的黃經圈對稱。它的亮度朝太陽方向單調增強,被認為是外日冕的延伸。黃道光觀測是研究行星際塵埃的重要方法之一。
西漢司馬遷所著《史記·天官書》中的“格澤星”便是黃道光,古波斯與中古阿拉伯的“假黎明”“假曙光”等詞匯,描述的也是黃道光現象。1661年,歐洲對黃道光進行了科學性描述。1683年,意大利裔法籍天文學家喬凡尼·卡西尼(Giovanni Domenico Cassini)首次對黃道光進行了系統的觀測和記錄。1983年,紅外衛星發現了導致黃道光產生的“黃道云”,也就是行星際物質。行星際物質可以看作是日冕的延伸,其主要來源是太陽風,太陽光被行星際物質質量小于10-6克的質點散射后,就會形成黃道光。
由于黃道光很微弱,需要在良好的條件下才能進行肉眼觀測。一般在地球上低緯度和中緯度地區,春季適宜觀測,秋季亦可見于黎明之前,從東方升起向南方天空展開。其顏色一般為白色,在夜空中很容易被月光或地表附近光污染所遮蓋。黃道光可用肉眼觀測,用非天文攝像機捕捉拍攝到。隨著天文科技的發展,美國航空航天局朱諾木星軌道器和索羅希儀器等天文觀測設備,都對黃道光進行了專業觀測。
定義
黃道光指的是地球上低、中緯地帶于春季黃昏后在西方地平線上,或于秋季黎明前在東方地平線上出現的淡弱的三角形光錐。這是一種柔和而微弱的光,在太陽周圍,大約蔓延至地球軌道,位于黃道面附近,需要選擇良好的觀測條件才能觀測到。
黃道光起因于行星際塵埃對太陽光的散射,因此,黃道光的光譜與太陽光譜很相似。黃道光的分布具有與黃道面對稱,對通過太陽的黃經圈對稱。黃道光的亮度朝太陽方向單調增強,可以認為它是外日冕的延伸。黃道光的亮度有短期變化和長期變化兩種,其原因很復雜。
相關概念
黃道
太陽除了每天東升西落之外,還在恒星背景中向東移動約1°的角距離,因而一年大致行移一圈。太陽在天球上的這個周年視運動軌跡就稱為黃道,它實際則是地球圍繞太陽運轉的公轉軌道。西方天文學使用黃道坐標,并主要觀測黃道星座和恒星的偕日出與偕日沒。
中國黃道坐標系以黃道為基本圈,天體的位置可用黃經和黃緯兩個坐標分量來表示。黃道坐標系對于標示太陽運動較為適宜,同時,雖然月亮和行星的運行軌道不與黃道重合,但相交角度很小,因而用黃道來標示它們的運動也比較方便。東漢初年傅安曾經使用黃道坐標來測量太陽、月亮的運動和弦、望位置,比當時太史官使用赤道的計算結果更為準確。
黃道帶
黃道帶(Zodiac)是天球中以黃道為中心的,緯度為18o的環天球的帶狀區域。
黃道亮帶
黃道亮帶(Zodiacal Band)是黑夜中沿黃道可見的亮帶,比起黃道光來說,更暗弱一些,伸展范圍也更廣。
發現與命名
中國古代的“格澤星”
西漢史學家、文學家、天文學家司馬遷《史記·天官書》中的“格澤星”其實就是黃道光現象——“格澤星者,如炎火之狀。黃白,起地而上。下大,上兌(銳)?!保S道光)如同火焰的形貌,呈黃白色,從地平線向上延伸,靠近地面的下部較寬大,伸展出的上部較尖銳。
古波斯與中古阿拉伯的“假黎明”
波斯語中的“假黎明(subhi kazib)”以及中東各地通行的“偽拂曉”,都是黃道光的俗名。這種光的形狀常呈斜三角形,故又名“狼尾”。11世紀,波斯詩人和天文學家默·伽亞謨(Omar Khayyam)在《魯拜集》中提到了“虛假的黎明”。在中古阿拉伯詩歌中也有詠嘆或借以喻理的,如中世紀詩人賈米(Jami,1414~1492)的詩句:“假黎明說的是真話,但她的微曦僅有兩口氣長。”
歐洲天文學的“黃道光”
1661年,歐洲對黃道光進行了科學性描述。1683年3月,意大利裔法籍天文學家喬凡尼·卡西尼(Giovanni Domenico Cassini)系統觀測研究了黃道光,指出它是行星際顆粒反射太陽光而形成的,而不是大氣現象。喬凡尼·卡西尼首次對黃道光的觀測進行了記錄,也是最先對黃道光進行系統研究的天文學家。1706年,意大利天文學家噶西尼(Giovanni Domenico Cassini, 1625–1712)在觀察日冕現象時,認為所觀測到的亮光是黃道光。
發現“黃道云”
1983年,紅外衛星發現了導致黃道光產生的“黃道云”,也就是從小行星帶延伸到地球軌道內側的幾條稀薄、圍繞太陽的塵埃云帶。關于太陽周圍的塵埃環,是1967年首次發現的,1983年6月日全食時,日本天文學家再次觀測證實了它的存在。
形成原因
黃道光是太陽光被行星際物質質量小于10-6克的質點散射造成的。日落后,在適當的條件下可能會看到太陽在黃道平面上散射的黃道光,那是行星運行的地方。這種現象表明太陽系仍然活躍,其他恒星周圍如果也黃道帶塵埃,則表明它們也可能含有活躍的行星系統。
長期以來,天文學家一直認為,這些塵埃是由一些小行星和彗星家族從遠處進入太陽系的。行星際的氣體主要來自太陽的微粒輻射,即太陽風。此外,行星大氣的逸散、慧發和慧尾的擴散、行星和衛星的爆發等,也會鄉行星際補充氣體。地球軌道附近的行星際其他的密度大約為10-20kg/m3,越靠近太陽,氣體的密度越大。
黃道上的塵埃形成了一片龐大而彌散的塵埃云, 從太陽向四周一直延伸到火星軌道, 最密集的地方位于地球和其他內行星的軌道平面內。 紅外天文衛星在1980 年代發現的,它們還會向軌道平面的兩側發散出去數千萬千米。這些塵埃在波因廷-羅伯森效應的奇特作用下,像一顆顆微小的行星永遠繞太陽公轉下去。
實際上,當塵埃顆粒在太陽系中運動的時候,會在陽光的照射下。這些迎面打來的光子會慢慢地掠奪塵埃的角動量,使得它漸漸地落向太陽。太陽光子的加熱效果引起了太陽光和它們自身熱量的微光的偏差,產生了微弱的效果,導致了與盛行風相反的推力。最終,不斷增加的靠近太陽的劇烈輻射會削弱或瓦解這些顆粒,或者將它們分解成氣態的原子和離子,或者使它們變小,小到能夠被卷入太陽風并被吹回星際空白處。
基本特征
物化性質
太陽系黃道帶塵埃的溫度為130-390K。
太陽系除了行星、衛星、彗星、流星等天體以外,在廣大的行星際空間還分布著極其稀薄的氣體和極少量的塵埃,這些叫做行星際物質。行星際空間看上去好像是空無一物。實際上,在地球軌道附近的行星空間,每立方米空間含有5×103個正離子、5×103個電子,還有從太陽、行星及太陽系外來的電磁波。
行星際物質的主要來源是太陽風,也可看作是日冕的延伸。此外,彗星的碎裂,小行星的瓦解,流星體,宇宙塵埃等也都可以成為行星際物質。電子、質子以及氦、碳、氮和重元素的核,都是行星際物質的質點。其中的電子和質子為最多,這些物質在太陽大氣中本來就有,當太陽風高速向外流動,遇到行星際氣體時就停留在那里,形成了行星際物質。彗星的彗尾中的結點加速度很大,這種加速度是由高速太陽風吹動氣體彗尾中的物質引起的。
特征
行星際物質大致對稱地分布在太陽周圍,其中有大量小到1μm甚至0.1μm的塵埃粒子,它們的分布狀況是:離太陽越遠,數目越少,而且小粒子的數目比大粒子多得多。由觀測黃道光得出的這些結論均與空間探測器的實測結果吻合。
行星際物質的分布狀況,導致黃道光具有兩種分布特點:一是關于黃道面對稱;二是關于通過太陽的黃經圈對稱。由于黃道光的亮度朝太陽方向增強,人們可以認為它是太陽外日冕的延伸。也就是說,在離太陽較近的地方,黃道光融入F日冕(塵埃冕),而成為外冕的一部分。但是,黃道光的亮度并不固定,它有短期變化也有長期變化,其原因十分復雜:太陽活動會影響黃道光的亮度;與黃道光重迭在一起的夜天光的性質復雜多變,也對黃道光有影響。
實際上,人們在地球大氣層內觀測到的黃道光并不是“真黃道光”,真黃道光必須在地球大氣外才能看到。人們可以看到的黃道光稱為視黃道光,它是被大氣散射改變了的真黃道光。從視黃道光推求真黃道光很困難,觀測結果的不確定性大多來源于此。
相關影響
黃道光是夜天光的組成部分,在測光工作中,這種光也被稱為夜天背景。夜天光的主要來源有以下幾方面。一是氣輝,二是黃道光,三是彌漫銀河光,四是恒星光,五是地球大氣散射上述光源的光。通過對這些光源進行觀測,可開展活動星系核光變監測、空間碎片搜索、近地小行星搜索等科研工作。
另外,在研究太陽系外恒星時,可根據該恒星的紅外熱輻射數值,推測是否有類似黃道帶的塵埃的存在, 進而探討是否有太陽系外的可居住類地行星。 ?
觀測
業余觀測
黃道光肉眼可見,在熱帶地區,任何晴朗的晚上日落后約一小時之內都可以看到黃道光。在地球上低緯度和中緯度地區,春季是最佳觀測時間,日落后一個半小時左右總能見于西方天空和西南方向上,向上延伸至昴宿星團。這個季節之所以最適宜觀測,是因為黃道光在黃道面上,而此時黃道面與地平面的角度比在其他季節大。秋季可見于黎明之前,從東方升起向南方天空展開。其顏色一般為白色,非常黯淡,在夜空中很容易被月光或地表附近光污染所遮蓋。黃道光沿著黃道向上伸展,可達地平線以上30°左右。它的可見時間不長。
黃道光用非天文攝相機就可拍攝到,最好使用超廣角鏡頭。例如,在2022年,攝影愛好者愛在云南迪慶藏族自治州白馬雪山用富士攝像機(富士X-T4 + 騰龍35 1.4 + lee1號柔焦)拍攝到的黃道光圖像如下:
黃道光也可用天文望遠鏡捕捉到。下圖為2013年,智利帕拉納天文臺的歐洲南方天文臺甚大望遠鏡拍攝的黃道光圖像:
專業觀測
研究意義
黃道光證明了行星際粒子的存在,黃道光觀測是研究行星際塵的重要方法之一。黃道光是由以太陽為中心的透鏡狀行星際云散射太陽光而形成的,是存在行星際物質的一個重要根據。這個云延伸到地球軌道以外,云的對稱面就是黃道面。研究人員研究行星際物質的方法主要有兩種:一是發射行星際探測器到實地取樣;二是通過觀測黃道光的特征(光強、光譜、偏振、顏色等),來推知行星際物質的密度、粒子大小、分布和形狀等。
一些科學家認為火星可能是黃道帶光背后的星際塵埃的原因。朱諾號木星探測器航天飛機上的一個儀器偶然地探測到塵埃微粒在從地球到木星的旅途中撞擊太空船。撞擊為塵埃的起源和軌道演變提供了重要線索。
此外,黃道光對于探討行星際環境以及日地關系具有重要意義,可以通過觀測黃道光,研究太陽活動和相應的地球物理學現象(如地磁變化)的關系。
參考資料 >
黃道光是什么?怎么才能看到?.北京天文館.2024-03-18
術語在線.術語在線.2024-02-29
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CosmicDetectiveWork:WhyWeCareAboutSpaceRocks.NASA.2024-03-05
New Horizons Spacecraft Answers Question: How Dark Is Space?.NASA.2024-03-05
上海天文臺科研團隊在三個潛在的宜居行星世界中發現黃道帶塵埃光.中國科學院上海分院.2024-03-18
星影 | 直到黑夜散盡.中國國家天文.2024-03-18
黃道光:如何在夜空中發現罕見的天際輝光.網易.2024-03-18