知乎日報

每日提供高質量新聞資訊

頭圖

為什么月亮又圓又大的晚上,星星特別少?

中科院物理所,沒錯,我就是那個物理所。

這就是「月明星稀」啊。

一個直觀的原因就是,滿月實在是太亮了,盡管月亮本身并不發光,但滿月離地球太近,僅靠反射太陽光就成為我們在夜晚的空中能看到的最亮的天體。

我們用視星等來描述我們在夜晚看到天空中的天體的亮度。星等并不僅僅取決于天體自己的發光能力,還與其離地球的距離有關。

星等最早由希臘天文學家喜帕恰斯(Hipparchus)提出,他將夜空中的天體分為六等,一等最亮,六等最暗?,F代天文學便沿用了這一分級方式。我們發現一等亮度的星星比六等亮度的星星亮了大約 100 倍,因此,我們定義相鄰兩個星等的亮度差距為?,例如二等星比三等星亮了大約?,即約 2.512 倍。當然,更亮的星星可以出現零星等或負星等。至于星等零點,美國哈弗大學天文臺以小熊座λ星的星等為 6.55 來規定星等零點。我們用 m 表示星等,兩顆天體的星等差距為:

其中 E 為兩顆天體的照度,即發光體在某一距離處單位面積上的光照強度。

再次說明,星等數值越小,天體越亮。

當然,視星等只是對地球觀察者而言的相對觀念,并不能真正反映天體亮度,因此由絕對星等的概念。天文學規定把天體置于距離觀察者 10 pc(parallax second,是天體物理長度單位,秒差距,其長度為 32.616 光年)時,所計算出來的視星等定義為該天體的絕對星等。下文我們敘述的星等為視星等。

夜空中我們能看到的星體最暗為 6m(也有說 6.5m),當然這也與個體差異、天氣狀況等有關。而大家認為比較亮的星體——北極星的星等約為 1.98。而我們能看到的的最亮的星為天狼星,視星等為 -1.47。而我們能看到的星星總計也只有 6000 余顆,其中由約 4800 顆都是六等星。一等星以及比一等星更亮的星一共只有不到 30 顆。但是滿月的視星等為 -12.9,太陽的視星等 -26.74。這意味著,滿月比夜空中最亮的星——天狼星——亮了 37000 多倍。而太陽比滿月還要亮 340000 多倍,這就是我們白天看不到任何星星的原因,太陽公公一枝獨秀啊。但新月的視星等只有 -2.5。只比天狼星亮了大概 2.58 倍。值得一提的是金星最亮時視星等可以達到 -4.9。也是夜空中非常亮的星。

視星等 | 圖源自百度百科

因此,滿月相對其他星星,實在是太亮了。而我們能不能看清楚物體主要看對比度(又叫襯比度),他反映了相近兩塊區域內的光強最大值和最小值的差距:

?與??分別為相鄰區域光強的最大值與最小值,可見,如果相鄰區域光強最大值與最小值的差距越大,我們的視覺效果就越好,反之,視覺效果就越差。而滿月時,由于月亮亮度實在太高,導致整個天空都比較亮,背景亮度就很高,即滿月時上式中??很高,那對于相同的星星(即??不變),對比度就明顯下降,因此我們視覺效果就很差,所以有些視星等低的星星(即??本來就不高)就看不見了。而白天時,由于太陽更亮,星星所在區域的背景亮度可能??比星星都亮,因此,白天幾乎完全看不到星星。

另一方面,當有強光刺激時,人的瞳孔會縮小,進入眼睛的光線會減少,以保護眼睛。而當滿月出現在天空中時,人眼就會主要接受來自月亮的光線,瞳孔收縮,接受的一些六等星的光變少,可能就看不見了,上文也提到了,我們能看到的星星中,絕大多數都是勉強能看見的六等星,因此,滿月的天空中我們能看到的星星確實變少了。就像白天時我們看不到任何星星一樣。

還有一種可能的原因是馬赫帶效應。這是人眼的一種視錯覺效應。它是指當亮度從一個亮度平臺過渡到另一個亮度平臺時,在較高亮度平臺和過渡帶的邊緣會出現一條比亮平臺更亮的亮條,而在較低亮度平臺和過渡帶的邊緣會出現一條比暗平臺更暗的暗條,物理上檢測不出這兩個條帶的存在,它們的存在實際上是人眼的視覺特性造成的。簡單來說就是,亮的更亮,暗的更暗。

馬赫帶效應 | 圖源自參考文獻

因此當滿月出現在夜空中的時候,馬赫帶效應會導致月亮看起來更亮,而星星看起來更暗,因此視覺上,滿月出現的時候,星星更少。

綜上,月亮又大又圓的夜空中,我們能看到的星星確實更少,這個現象其實很早之前我們就發現了。曹丞相就有詩:月明星稀,烏鵲南飛。繞樹三匝,何枝可依。(雖然曹丞相這句詩不是主要寫這個的)