问题

为什么月亮又圆又大的晚上,星星特别少?

回答
你观察到的现象很有意思,也触及到了天文观测中一个非常基本的常识——月光对星空可见度的影响。其实,月亮又圆又大(满月)的夜晚,星星之所以显得特别少,主要原因就是月光太“亮”了,把大部分星星的光芒都给“淹没”了。

我们来细致地聊聊这个过程,就像你在一个安静的夜晚和朋友闲聊一样,抛开那些冷冰冰的科学术语,用更生活化的方式去理解它。

想象一下,你是在一个完全黑暗的房间里看电影。这时屏幕上的任何一丝光亮都能被你捕捉到,哪怕是角落里微弱的背景光。现在,有人突然打开了一盏非常亮的灯。会发生什么?屏幕上的细节是不是一下子就看不清了?那些之前你还能勉强分辨的细节,现在被强光覆盖,几乎消失不见。

星空观测也是同样的道理。

1. 月光:一个巨大的“光源”

月亮本身并不发光,我们看到的月光是它反射太阳的光。当月亮越圆,也就是说我们能看到月球被太阳照亮的那一面越多,它反射回地球的光就越强。到了满月的时候,整个月亮就像一个巨大的、非常明亮的“灯泡”,悬挂在漆黑的夜空中。

2. 视网膜的“饱和”与对比度

我们用眼睛去看星星,就像相机捕捉光线一样。我们眼睛里有一个感光器官叫做视网膜,上面布满了叫做“视锥细胞”和“视杆细胞”的感光细胞。视锥细胞负责白天看颜色,视杆细胞负责在昏暗环境下看黑白和明暗。

在完全黑暗的环境下,你的视网膜会变得非常敏感,即使是极微弱的星光,也能被视杆细胞捕捉到,让你看到很多星星。

但是,当强烈的月光洒向大地和大气层时,就像那盏突然打开的“灯”。月光会进入你的眼睛,让你的视网膜被大量光子“轰炸”。视杆细胞在极强的光线下会“饱和”,就像电子设备过载一样,它们对微弱光线的敏感度会急剧下降,甚至变得麻木。

更关键的是“对比度”的问题。星星的光芒非常微弱,它们的光需要从遥远的太空穿越漫长的距离才能到达我们的眼睛。而月光则是在我们大气层内被反射和散射的强光。星星的光芒,在强大的月光背景下,就像在一张非常明亮的白纸上画的细小的灰点,你几乎是看不到它们的。我们看到的星星数量,很大程度上取决于它和背景天空的亮度差异,也就是“对比度”。月光大大降低了这种对比度。

3. 大气散射:月光“照亮”了大气层

月光不仅仅直接进入我们的眼睛,它还会照射到地球的大气层。大气层中的气体分子和微小的尘埃颗粒会将月光向四面八方散射开来。这意味着,整个夜空,尤其是靠近月亮的地方,都被一层朦胧的月光所“照亮”了。

这就像你在一个白天光线充足的地方,即使努力去看远处的细小物体,也会因为周围环境的明亮而难以分辨。月光散射造成的“光污染”就如同白天自然的明亮一样,它会“抬高”夜空的背景亮度。

在晴朗无云的夜晚,我们能看到多少星星,取决于星星发出的光能穿透大气层并克服背景天空的亮度。当月光增强了背景天空的亮度,那些本来就能勉强看到的暗淡星星,就彻底被淹没在“月光海”中了。

所以,当你看到月亮又圆又大的那个夜晚,为什么星星似乎变少了?

月光太强了: 满月的月光比新月时亮了无数倍,是一个极强的背景光源。
眼睛的“过载”: 强烈的月光使得我们眼睛(特别是负责弱光感知的视杆细胞)的敏感度大大降低。
对比度下降: 弱小的星光在强烈的月光背景下,其对比度变得极低,难以被我们分辨。
大气散射: 月光在大气层中散射,进一步增加了整个夜空的背景亮度,使得星星的光芒更加难以显现。

这就像你在一个非常安静的房间里能听到一根针掉在地上的声音,但在一个喧闹的市集上,即使有人大喊,你可能也听不清。月光,就是那个“喧闹的市集”。

并不是说星星真的消失了,而是它们的光芒太微弱,无法在强烈的月光“背景噪音”中被我们看到。只有那些最明亮、最“抗干扰”的星星(比如我们常说的几颗亮星),才有可能在满月的夜晚被我们勉强看到。

所以,如果你想看到更多、更璀璨的星空,最好的时机就是避开月圆之夜,选择农历的初一、初二或者月末前后,那个时候的月亮要么很小,要么根本没有出现,天空才会显得格外“干净”,让我们能看到更多隐藏在月光下的繁星点点。

网友意见

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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:

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。

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。

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)

参考文献:

[1]刘伟民.天体物理中的星等概念比较[J].商丘师范学院学报,2011,27(09):34-36.

[2]李元勇. 马赫带现象研究[D].天津大学,2008.

3. Apparent magnitude——Wikipedia

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