作為2024年開年“天幕大戲”，第一場大規模流星雨——象限儀座流星雨在中原標準時間1月4日17時達到極大，天頂每小時出現率（ZHR）可達120。漫天綻放的流星可謂是為新年送上的一份浪漫祝福。但令人遺憾的是，對于全國大部分地區來說，流星雨輻射點于午夜後才升起，很難觀測極大期，加之還有下弦月幹擾，觀測條件并不理想。
雖懷遺憾，但“明年此日青雲去，卻笑人間舉子忙。”讓我們永遠期待生命中的下一場流星雨。為求“次次有新知”，那我們這次就讓大家了解一下流星的顔色吧。
雙子座流星光譜丨攝影：張超
01
流星的顔色
通常，火流星觀測者會詳細報告流星的顔色，因為火流星的亮度足夠大，人類的色覺能夠感覺到。報告中的火流星的顔色範圍可以涵蓋整個可見光光譜，從紅色到藍色，以及很少的紫色。然而并非隻有火流星才有顔色，每一顆劃過的流星都有自己的顔色。雖然肉眼無法分辨，但通過數位相機或者光譜拍攝，我們還是能夠得到屬于這顆流星的顔色。
〇 相機單張拍攝
下圖為筆者2023年在紫金山天文台青海觀測站捕捉到的英仙座群内流星，可以明顯得看出流星的左邊呈紅色，右邊呈綠色。這裡有一個小問題，這顆流星的走向是從左劃到右，還是從右劃到左呢？别着急，答案就藏在這類流星的顔色中，相信閱讀完本文，就能夠得到答案。
紫金山天文台青海觀測站上的英仙座流星丨攝影：單家輝
〇 相機視訊直錄
有些高感光度的相機可以直接視訊拍攝。從下面的這張流星劃落的動圖中可以看到，流星前後表現出兩段色調略有差别的綠色。
直錄流星丨攝影：張超
〇流星光譜
利用光譜儀将流星分光後可以讓我們更好地分辨流星的顔色。下圖是一顆英仙座流星雨的群内流星，背景中近水準方向的有色彩的單線是恒星，垂直方向的為流星。透過棱鏡我們可以得到這顆流星不同階段以及成分的顔色。
英仙座流星光譜丨攝影：張超
02
流星的發光原理
當流星體快速闖入地球大氣層時，與大氣摩擦導緻升溫進而發光。流星的化學成分是決定其顔色的主要因素。一些元素在高溫燃燒時發出特定波長的光，進而顯示其特有的顔色。比如，上圖中偏藍綠色的是波長為518nm的鎂線，呈黃色的是波長為589nm 的鈉線。除此之外，當流星在穿過大氣層的時候，路徑上的大氣中的氧、氮等原子也因受熱而發出特定波長的光，為流星附加特别的顔色。比如上圖中最上面的那條波長為557.7nm偏黃綠色的線，主要來自大氣中的氧原子，是以并不是流星本身的色彩。
但并非所有流星都有這條557.7nm氧原子的綠線。圖中英仙座的流星平均速度較快，約為62km/s，攜帶的動能越大，就會導緻在稀薄的大氣層高處就開始發光。若是流星體足夠大，仍能來到大氣層的較低處，此時大氣不再稀薄，更多的氧和氮受到激發，進而發射出寬紅色譜線，導緻流星的末端呈紅色，也就是上圖中左側的紅線。
總的來說，流星呈現的顔色與其本身的化學成分、大小、速度、被汽化的高度等有關。是以顔色可謂是了解流星的另一把鑰匙，雖然複雜，但這也是研究流星光譜可愛的地方。
這裡穿插一個原子實體的小知識：原子的外層電子在高溫下會吸收能量躍遷到高能級，當它們回到低能級，就會産生特定波長光子。由于不同能級間的能量差不同，躍遷所産生的光子的波長也各不相同。
氧原子能級示意圖丨圖源：孫榮
例如，氧原子的最外層電子S能級與D能級間的能量差距更大， 從S躍遷到D産生的是頻率更高、波長更短的綠色譜線（557.7nm）；而D躍遷到P、P的能量差距較小，是以發射的是頻率更低、波長更長的紅光（636.4nm，630.0nm）。
快速流星的光譜，可見一條很強的557.7nm氧線丨圖源：Society for Popular Astronomy
03
不同流星雨的光譜
流星的速度和成分與光譜之間存在着密切的關系。流星光譜可根據其發射線特征被分為X、Y、Z、W四個類型，其中X型有較強的鈣（Ca）HK線，Y型有較強的鈉（Na）、鎂（Mg）線，而Z型則有豐富的鐵（Fe）線或鉻（Cr）線。W型為其他沒有出現X、Y或Z類型特征的一類。這四種類型對應的流星體的速度為：X約15-20km/s，Z約30km/s，Y約60km/秒，而W屬于不尋常成分的流星體。
有學者根據速度從小到大排序，将2017年的雙子座流星雨（Geminids)、天琴座流星雨（Lyrids）、英仙座流星雨（Perseids）、獅子座流星雨（Leonids）四場流星雨的光譜作了分析。考慮到沒有完全一樣的觀測條件和星等，每個流星雨中選取一個有代表性、星等和波長範圍内盡量接近的光譜。
不同流星雨的光譜比較丨改自：Society for Popular Astronomy
圖中可以看出，由于雙子座流星雨（Geminids）的母體是小行星，而其他流星雨均來自彗星，成分存在明顯差異，因而在可以看到左側金屬線明顯強于其他流星雨。除雙子座流星雨之外，我們還可以發現，随着速度的增加，流星體攜帶的能量也越大，紅色/近紅外端(右側）即大氣中的氧和氮的比例也增加，左側藍端金屬（Ca、Cr、Si和Fe）的比例在減少。
另外，雙子座流星557.7nm的氧線比較弱。因為這條氧線隻發生在110公裡以上開始與大氣層互相作用的快速流星上，是以通常雙子座流星雨的顔色為白色。557.7nm和777.7nm線（紅外線，不可見）是快速流星光譜最開始的氧線。
04
流星光譜拍攝
講了這麼多，大家是否也對流星光譜感興趣準備在接下來的象限儀座流星雨中躍躍欲試呢？下面就介紹一下用物端棱鏡拍攝流星光譜圖檔的方法。
棱鏡分光的原理（也是彩虹形成的原理）其實是光的色散。光穿過不同的媒體時，它的傳播方向會發生偏折，這種現象被稱為光的折射，而光線偏折的幅度則與這束光的頻率以及媒體的折射率有關。由于不同顔色的光頻率不同，當它們從空氣進入棱鏡時，傳播方向會發生不同幅度的偏折，由此我們就可以将混合在一起的光線區分開來，這就是光的色散。
棱鏡分光示意圖丨圖源：網絡
根據這個原理，不考慮組合棱鏡，最簡單的方式就是在鏡頭中插入這樣一塊帶角度的棱鏡，便可得到流星的光譜。
一種物端棱鏡設計方案
棱鏡分光是最簡單和便宜的一種方式，物端棱鏡方案還能拍攝彗星光譜、恒星光譜、日食光譜等。缺點是隻能用于檢測較窄的光譜，分出來的光譜不是線性的，還得用已知光譜的恒星來定标。
除了棱鏡分光之外，我們還可以用光栅來得到光譜，本文不做介紹。
使用物端棱鏡拍攝的英仙座流星光譜。棱鏡将背景恒星與流星的光一同分解，經過數張圖疊加，恒星的一些主要吸收線也更加明顯。丨攝影：單家輝
05
結語
國内對流星的光譜拍攝還很少，希望這篇文章能為大家的拍攝帶來幫助，成為一塊“磚”，引來千千萬萬的“玉”。
最後回答一下剛開始的疑問，因為英仙座流星速度較快，先在大氣較為稀薄處開始發綠光，随後到大氣層的較低處，來自氧和氮的寬紅色帶占主導，導緻流星的末端呈紅色。是以流星方向是從右（綠）劃到左（紅）。你答對了嗎？再抛一個小問題，極光的綠色是因為什麼産生的呢？
感謝張超老師、葉泉志老師對文章的指正。
參考資料：
[1] IMO Photographic Handbook-PART 3: METEOR SPECTRA
[2] Cheng, S. and Cheng, S. WGN, Journal of the IMO, 2011,39:2
作者簡介
單家輝
中國科學院紫金山天文台太陽高能團組博士研究所學生。
王雨婷
中國科學院紫金山天文台天體化學團組碩士研究所學生。
輪值主編：陳學鵬
編輯：王科超
轉載内容僅代表作者觀點
不代表中科院實體所立場
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來源：中國科學院紫金山天文台
編輯：雪影