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[百家杂谈] 为什么月亮又圆又大的晚上,星星特别少?

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发表于 2022-5-13 02:13 PM | 显示全部楼层 |阅读模式


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为什么月亮又圆又大的晚上,星星特别少?

作者 / 中科院物理所

这就是「月明星稀」啊。

一个直观的原因就是,满月实在是太亮了,尽管月亮本身并不发光,但满月离地球太近,仅靠反射太阳光就成为我们在夜晚的空中能看到的最亮的天体。

我们用视星等来描述我们在夜晚看到天空中的天体的亮度。星等并不仅仅取决于天体自己的发光能力,还与其离地球的距离有关。

星等最早由希腊天文学家喜帕恰斯(Hipparchus)提出,他将夜空中的天体分为六等,一等最亮,六等最暗。现代天文学便沿用了这一分级方式。我们发现一等亮度的星星比六等亮度的星星亮了大约 100 倍,因此,我们定义相邻两个星等的亮度差距为 ,例如二等星比三等星亮了大约 ,即约 2.512 倍。当然,更亮的星星可以出现零星等或负星等。至于星等零点,美国哈弗大学天文台以小熊座λ星的星等为 6.55 来规定星等零点。我们用 m 表示星等,两颗天体的星等差距为:

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其中 E 为两颗天体的照度,即发光体在某一距离处单位面积上的光照强度。

再次说明,星等数值越小,天体越亮。

当然,视星等只是对地球观察者而言的相对观念,并不能真正反映天体亮度,因此由绝对星等的概念。天文学规定把天体置于距离观察者 10 pc(parallax second,是天体物理长度单位,秒差距,其长度为 32.616 光年)时,所计算出来的视星等定义为该天体的绝对星等。下文我们叙述的星等为视星等。

夜空中我们能看到的星体最暗为 6m(也有说 6.5m),当然这也与个体差异、天气状况等有关。而大家认为比较亮的星体——北极星的星等约为 1.98。而我们能看到的的最亮的星为天狼星,视星等为 -1.47。而我们能看到的星星总计也只有 6000 余颗,其中由约 4800 颗都是六等星。一等星以及比一等星更亮的星一共只有不到 30 颗。但是满月的视星等为 -12.9,太阳的视星等 -26.74。这意味着,满月比夜空中最亮的星——天狼星——亮了 37000 多倍。而太阳比满月还要亮 340000 多倍,这就是我们白天看不到任何星星的原因,太阳公公一枝独秀啊。但新月的视星等只有 -2.5。只比天狼星亮了大概 2.58 倍。值得一提的是金星最亮时视星等可以达到 -4.9。也是夜空中非常亮的星。

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视星等 | 图源自百度百科

因此,满月相对其他星星,实在是太亮了。而我们能不能看清楚物体主要看对比度(又叫衬比度),他反映了相近两块区域内的光强最大值和最小值的差距:

 与  分别为相邻区域光强的最大值与最小值,可见,如果相邻区域光强最大值与最小值的差距越大,我们的视觉效果就越好,反之,视觉效果就越差。而满月时,由于月亮亮度实在太高,导致整个天空都比较亮,背景亮度就很高,即满月时上式中  很高,那对于相同的星星(即  不变),对比度就明显下降,因此我们视觉效果就很差,所以有些视星等低的星星(即  本来就不高)就看不见了。而白天时,由于太阳更亮,星星所在区域的背景亮度可能  比星星都亮,因此,白天几乎完全看不到星星。

另一方面,当有强光刺激时,人的瞳孔会缩小,进入眼睛的光线会减少,以保护眼睛。而当满月出现在天空中时,人眼就会主要接受来自月亮的光线,瞳孔收缩,接受的一些六等星的光变少,可能就看不见了,上文也提到了,我们能看到的星星中,绝大多数都是勉强能看见的六等星,因此,满月的天空中我们能看到的星星确实变少了。就像白天时我们看不到任何星星一样。

还有一种可能的原因是马赫带效应。这是人眼的一种视错觉效应。它是指当亮度从一个亮度平台过渡到另一个亮度平台时,在较高亮度平台和过渡带的边缘会出现一条比亮平台更亮的亮条,而在较低亮度平台和过渡带的边缘会出现一条比暗平台更暗的暗条,物理上检测不出这两个条带的存在,它们的存在实际上是人眼的视觉特性造成的。简单来说就是,亮的更亮,暗的更暗。

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马赫带效应 | 图源自参考文献

因此当满月出现在夜空中的时候,马赫带效应会导致月亮看起来更亮,而星星看起来更暗,因此视觉上,满月出现的时候,星星更少。

综上,月亮又大又圆的夜空中,我们能看到的星星确实更少,这个现象其实很早之前我们就发现了。曹丞相就有诗:月明星稀,乌鹊南飞。绕树三匝,何枝可依。(虽然曹丞相这句诗不是主要写这个的)

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