火星现在的样子 夜空中的天体（星空照）——天上的星星

火星现在的样子 夜空中的天体（星空照）——天上的星星

赵然子 中国科技馆影院管理部工程师

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一、 夜空中的天体

（星空照）

这张照片是我在内蒙古拍摄的星空画面。我相信朋友们都看过类似的照片，但是你们是否在完全漆黑环境中仰望过星空呢？那种感觉是非常棒的。在我上大学的时候，有一次去北京密云的山里露营，那是我第一次在完全漆黑的情况下看见满天繁星。当时，我真的被深深震撼到了。德国哲学家康德说过，世上只有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一是我们头顶上灿烂的星空，一是我们心中崇高的道德准则。

要找到天上最亮的星有很多限定条件，最重要的是要知道天上都有哪些星。

先来说流星。很多人认为，流星是天上的星星掉下来了。其实并不是这样的。流星是飞入地球大气层，与大气摩擦发生了光和热，最后被燃尽成为一束光。也就是说，流星并不是星星，只是一种很常见的天文现象。

2022年1月4日凌晨，北半球上半年最大的流星雨——象限仪座流星雨如约而至。另外，北半球最常见的流星雨还有英仙座流星雨和双子座流星雨，它们分别会出现在8月份和12月份左右。

还有一种天体是彗星。彗星有明亮的彗核，此外还有彗发、彗尾。彗星的质量、密度很小，当远离太阳时只是一个由水、氨、甲烷等冻结的冰块和夹杂许多固体尘埃粒子的“脏雪球”。当彗星离太阳比较近的时候，这个“脏雪球”就会被太阳加热，它的灰尘还有蒸汽就会产生长长的彗发，如果发展得比较好，则会成为比较明亮的天体。这时，我们在环境较好的地方用肉眼就可以观测到。

这张照片是我在2022年拍摄的彗星照。

（彗星）

夜空中的人造物体。当前，在夜空中最常见的人造物体是飞机。飞机有闪光的警示灯，我们在拍摄长时间曝光的星空时，飞机的警示灯会成为一条线。便于大家有直观感受，我们看下面这张图片。

（人造飞行器长曝光照片）

还有一个比较常见的人造物体是人造卫星。我为大家展示一张图片。

（人造飞行器长曝光照片）

仔细看的话，这张图片上有一条长长的线，这有可能就是人造卫星的长曝光照片。此外，也可能是空间站或者火箭残骸。

再看这张照片。

（星链）

仔细看这张照片，在月亮下面有一长串的小亮点。这一长串小亮点并不是一个物体，而是一串卫星，它们是公司所发射的星链。星链的亮度并不是很高，所以并不容易被肉眼发现，但是可以通过相机的高感光度曝光来拍摄和观察。

2021年4月29日，我国首个空间站天和核心舱发射成功。这张图片就是天和核心舱，它是天宫空间站最主要的组成部分。

（天和核心舱）

现在全世界只有两个空间站在太空中正常运行，一个是国际空间站；另一个就是完全由中国自主研发的天宫空间站。

如果有朋友对天文感兴趣，可以下载一些天文软件。在这些软件上可以查询到空间站、卫星、火箭残骸的信息。还可以知道它们经过你所在地方上空的时间、亮度等。

刚才我们谈了谈夜空中的一些可见天体。接下来，我们就回归主题——寻找夜空中“最”亮的星。

二、恒星及其亮度划分

我先说一说恒星。恒星之所以叫恒星是因为“恒”，恒定不变的意思。古人和天文学家在观测星空时发现，一些星星的亮度、位置几乎不变。

满天的繁星有亮、有暗，人们为了方便观星，把星空中的星星按自己的民族信仰、生活环境、文化等进行了各种各样的想象。举个例子，这幅图片大家很熟悉，是北斗七星。

（北斗七星）

在中国古代，人们觉得北斗七星像一个斗，这也是北斗七星的来历。另外，人们还把北斗七星想象成皇帝巡天所坐的马车。

在西方文化中，北斗七星属于大熊座的一部分，它位于大熊座的尾巴上。可以看出，不同文化对于星空的想象是不同的。

在很早之前，古巴比伦人就开始尝试着对星空进行观察和想象。后来，古希腊人、古罗马人也不断通过想象，把天上的星星想象成身边的动物、物品等。

17世纪，随着航海大发现，人们来到了南半球，也逐步对南半球的星空进行了观测。

1928年，国际天文学联合会把天空中所有的亮星用国际通用的划分方式，分为88个星区。

这两张图展示了现代国际天文学联合会对星空的划分。其中北天区有29个星座。

（北天区）

南天区有47个星座。

（南天区）

除此之外，还有大家非常感兴趣的黄道十二星座。所谓的黄道十二星座就是太阳运行所经过星区的星座。

如何确定星星的亮度？古希腊天文学家希帕恰斯对天空中可见的星星的亮度进行了简略划分，分为了六等星。

一等星有多亮？用比较好理解的话说就是我们把一根蜡烛放在一公里外的地方，然后人眼看到这个蜡烛的亮度大概就是一等星的亮度。

星等的划分在数值上是一等星最亮，然后随着数值越大亮度越低。按照当时的分类，在人肉眼可见的星空中，一等星大概有22颗，二等星有71颗，三等有190颗，四等610颗，五等是1929颗，剩下的是六等星。当然这种划分还不是最严谨的。

我们知道，视力好的人在夜空中可以看到大约3000颗星星，如果加上南半球的星星，大概有6000颗。这6000颗就是我们所说的恒星。这些都是不用借助望远镜就能观测到的，如果借助望远镜，我们可以看到七等星、八等星等。

1850年，由于光度计在天体光度测量中的应用，英国天文学家普森把肉眼看见的一等星到六等星做了比较，发现星等相差5等的亮度之比约为100倍，一个星等间的亮度相差2.512倍。此外，我们不仅可以用一等、二等这种方式来描述星星的亮度，还可以用零和负数来对星等进行描述，甚至可以精确到小数点以后，比如1.2等星、1.5等星等。

我们在观察星空时，会觉得星空像是被扣了一个黑色的大碗，而在这个碗上有一个个小孔，星星就镶嵌在上面。其实古人对于星空也是这样的想法。

恒星距离我们非常遥远，人类的肉眼无法感知它们的空间变化，所以我们会觉得它们像在同一个平面上。实际上满天繁星与我们的距离远近不一，差异极大。所以，整个星空是一个三维结构，而不是平面二维结构。

星星的亮度由哪些因素决定？距离是决定星星亮度的一个重要因素。我们如果用软件把夜空的亮星放到同一个平面，也就是消除距离的影响，会发现一些星星变得更亮了，而有一些变暗了。另一个因素就是每颗星星的发光本领。

现在我们看到的图片是冬季夜空的画面，包含了几个星座和它们的亮星。

（冬季星座图）

这张图里最中间的是猎户座，猎户座的左下角是大犬座，大犬座中最亮的恒星是天狼星。猎户座的肩膀上有一颗橘黄色的星叫参宿四，我们要对比的就是天狼星和参宿四。

我们尝试着算一算天狼星和参宿四的亮度大概差了多少。天狼星是-1.44等，参宿四是1.5等，它们之间大约相差了二等星，再加上星等的亮度差是2.512倍。经过粗略计算，这两颗星的亮度差了6倍。但如果我们把这两颗星星放在同一个平面上，其亮度可能会让你大吃一惊。论发光本领，参宿四比天狼星要强500多倍。但在距离上，天狼星离我们只有8.6光年，而参宿四距离我们有640光年。这也就是天狼星更亮的原因。

在这张图里看到的“大家伙”就是参宿四，而白色箭头所指的那个小亮点就是天狼星。

（参宿四与天狼星亮度对比）

顺便说一句，天狼星的大小几乎是太阳的两倍。

再回到这张图。

（冬季星座图）

猎户座的腰带是由三颗星排列而成的。在我国有句谚语叫“三星高照，春节来到”。这句里的“三星”就是猎户座腰带上的那三颗星。也就说，当晚上八九点钟的时候，如果这三颗星高高悬挂在天空中，说明马上就要过春节了。在猎户座右上角有一颗橘红色的亮星，那里我们能看到两个分叉，这就是金牛座。金牛座和猎户座好像正在进行一场殊死搏斗。猎户座还带了两个帮手，左边有两颗星星连成一条直线，这是小犬座，小犬座下面是大犬座。猎户座的左上角是双子座。金牛座牛角上有一个像风筝的五边形，这是御夫座。上面所讲的就是我们在冬季夜空中最常见的星座了。

三、太阳系中的行星与天文现象

什么是行星？当我们观察夜空时，会发现有一些星星的行踪捉摸不定。如果我们每天记录这些星星的位置，会发现它们的运行轨迹是变化的。

现在我们看到的张图片就是火星的运行轨迹。

（火星运行轨迹）

下面这张图片展示了太阳系内行星和太阳的真实比例关系。

（太阳系内行星和太阳的真实比例关系）

我们可以看到离太阳最近的是水星，非常小。然后是金星，金星和地球的体积差不多。然后是我们的地球。在地球后面是火星火星现在的样子 夜空中的天体（星空照）——天上的星星，它比地球小不少。在火星后面是太阳系里最大的行星——木星。木星之后就是有着非常美丽光环的土星。之后两颗蓝色和蓝绿色的星球就是天王星和海王星，这两颗星星是我们用肉眼看不到的。

天王星是通过望远镜发现的，而海王星则是被称作“笔尖下的行星”，是数学家通过计算天体运行轨道，推测出了海王星可能的位置。

这些就是太阳系的八大行星，其中金星、水星、地球和火星是类地行星。而木星、土星、天王星和海王星是气态巨行星。

通过上面的图片可以看到，行星被太阳照射的地方是亮的，而照射不到的地方是暗的。这说明什么？说明行星本身不发光。我们在讨论行星的亮度时，仍然要考虑两个因素：一是行星和地球的距离；二是行星反射光的能力。

行星反射光的能力是根据行星的大小来确定的。行星越大反射的太阳光就越亮，反之就越小。

有时，我们会看到这样的图片。

（太阳系）

这种图片会把太阳系中的天体标识出来，然后画出它们的样子和轨道。但是这张图片只能告诉我们太阳系有什么，并没有办法展示这些天体之间的大小和距离。

金星是我们能看到的最亮的行星，其亮度能达到-4.4等，比天狼星又亮了将近三等。木星在绝大多数的时候火星现在的样子，其亮度排名第二。虽然木星距地球比金星远得多，但是因为体积巨大，它反射太阳光的能力非常强。

在太阳系里，亮度常年排第三的行星是火星。火星和金星一样紧挨着地球轨道，只不过因为体积太小，所以排名第三。有意思的是，火星并不甘心，偶尔也会成为太阳系里第二亮的行星。为什么？一会儿去揭晓答案。

行星亮度的变化。距离对于行星亮度变化影响巨大。下面这两张图展示的是行星冲日。

（火星冲日）

在这张图里，我们可以看到地球和火星之间的距离变化。当太阳、地球、火星排成一条直线，并且地球在中间的时候，我们管这种现象叫冲日。

（土星冲日）

这张图里太阳、地球、土星排成一条直线，并且地球位于太阳和土星之间时，就是土星冲日。知道了这个知识点，木星冲日、天王星冲日、海王星冲日等现象，我们就很好理解了。

和其他几颗行星相差比较大的是火星，因为它的半长轴（简单的理解为绕太阳的直径）和地球非常相近，所以当火星和地球在同侧时，与它们在不同侧时，距离差距非常大。假设地球到太阳的距离是5，火星到太阳的距离是6火星现在的样子 夜空中的天体（星空照）——天上的星星，当冲日的时候火星和地球之间的距离是1，如果火星绕到太阳另外一边，这时火星和地球的距离就是11了。所以，火星在冲日和不冲日的亮度差异非常大。当火星冲日的时候，它的亮度有可能超过木星成为太阳系里第二亮的行星。

对于木星、土星这些离地球非常远，运行半径相差非常大的情况火星现在的样子，这种变化就不会很明显。

其实冲日还分大小。看这张图片。

（火星大、小冲日）

假设火星围绕太阳旋转的轨道是一个正圆，当距离太阳近的时候叫近日点，而距离太阳远的时候叫远日点。如果火星冲日的时候恰好在近日点，那么它离地球会更近一点；如果火星在远日点冲日，它距离地球的距离会远一些。我们把火星在近日点冲日的情况叫火星的大冲，反之叫小冲。在这张图片底端可以看到不同大小的火星。其中2018年和2003年是大冲，2012年是小冲。

2020年10月是火星冲日。这次冲日发生在2018年大冲之后，所以那个时候火星还是比较亮的，并且亮度也超过了木星。经过计算，下次火星大冲要在13年之后了。

在冲日的时候还会发生一种天文现象，就是行星的逆行。这张图片是夏季星空中的代表星座——天蝎座。

（天蝎座）

在天蝎座的中心有一颗红色的亮星，我们称它为大火星，也叫做参宿二。这个大火星不是行星火星。当火星逆行正好在大火星的位置时，我们古代观测天象的官员火星现在的样子，就会把这种现象称为“荧惑守心”。传说这是一种非常不好的天文现象，说明皇帝要驾崩或者国家要有灾难。后来，经过人们对天文的了解，发现这个现象只不过是一个周期性天文现象。

为什么会出现行星逆行的现象？其实它是视觉上的错觉。比如，司机在开车，你在座位上往外看，如果有的汽车车速比你的车慢，就会有种别的车在慢慢后退的感觉。可以说，行星逆行的现象在太阳系中是非常常见的。

四、神秘的火星

火星是人类特别感兴趣的行星。火星的表面含有大量的三氧化二铁（简单来说就是铁锈），所以火星表面呈橘红色。在古代，人们认为橘红色代表流血、战争等不好的事情。所以，无论是中国还西方，火星都被认为是战争、灾难的象征。火星另一个让人类感兴趣的方面就是和地球同样处在太阳系的宜居带上。

这张图片里的人是意大利天文学家斯基帕雷利。

（斯基帕雷利）

这张图片就是他所绘制的火星地图。我们可以看到他在这张图上标注了很多的“河道”。

（火星上的河道）

火星和地球一样处于太阳系的宜居带。所谓宜居带就是距离太阳的位置不远不近。如果太近，行星表面温度会非常高，生命很难生存；如果太远，行星表面温度就会非常低，也不利于生命生存。

经过科考，火星赤道在夏季的温度会达到零上二十多度；在冬季是零下五六十度。总体来讲，火星的表面温度在生命可承受的范围内。所以，人们对火星是否存在生命也非常好奇。

刚刚说了，斯基帕雷利在观测火星时，在火星图上标注了许多“河道”。现在的研究也表明，火星上曾经有水，所以有些“河道”并不稀奇。但是，斯基帕雷利发表这张火星图的过程中，在翻译成英语版本时，由于种种原因，翻译人员将“河道”翻译成了“运河”。我们知道，人工开凿的河才叫运河，所以这在当时引起了轩然大波，人们对火星上有外星人深信不疑。后来很多文学作品、影视作品都对火星人有各种描述。

那么，真实的火星到底是什么样的？我们一起去看一看。下面这张图片大家能够猜到哪个是火星，哪个是地球吗？

（火星、地球对比）

有蓝天白云的是地球，天空灰蒙蒙的是火星。这是没错的。但是如果我把天空遮住，可能就很难分辨出它们的区别了。

为什么火星的天空是灰蒙蒙的？火星的空气含量非常低，地表大气压可能只有地球的1%左右，另外，火星大气的成分以大颗粒灰尘为主。这些灰尘会散射太阳光中的红光。由于此原因，火星的大气呈现了偏红的颜色。

而当我们地球刮沙尘暴的时候，空气中也充满很多沙尘，同样会发生散射。这个时候，我们的天空也是呈橘红色。

经过科学探索，我们比较肯定火星曾经存在大量的液态水。这张图片就是计算机模拟的火星曾经的样子，和地球一样，也是蔚蓝色的星球。

（计算机模拟图：40亿年前的火星）

很可惜，在大约40亿年前，由于一些不为人知的因素。现在比较主流的学术观点是一颗小行星撞击了火星，使其磁场消失。火星磁场消失后就无法抵御太阳风的袭击。太阳风包含太阳发射出的高能粒子射线。这种射线会把大气层中的空气分子电离，然后吹到不受火星引力控制的太空。当然高能粒子对大气层剥离的作用非常缓慢。但是经过几十亿年的剥离，火星的大气层越来越稀薄，火星表面的水需要不断被蒸发补充到大气层中，这就使得火星的液态水越来越少。

这张图模拟的是2018年火星被沙尘暴肆虐的样子。那次沙尘暴非常猛烈，对人类在火星上的探测车都有很大影响。

（计算机模拟图：2018年火星沙尘暴）

现在火星上还有水吗？经过科学探测，在火星的南北极冰盖中还是有大量水的，只不过是以固态的形式存在。现在，人类希望未来能够对火星进行改造，也就是尝试恢复火星的磁场，我们还可以尝试增加温室气体，让这个星球变得更暖。火星可能会在将来成为适合人类宜居的星球。

看这张图片。

（苏联“火星一号”探测器）

这是1962年第一个飞往火星的探测器“火星一号”，虽然它在距离地球一亿公里的地方和地球失去了联系，但是它却开启了人类对火星探索的帷幕。

这张图是1964年美国发射的“水手四号”探测器。

（美国“水手四号”探测器）

这张模糊的照片是“水手四号”探测器拍摄的火星照片，也是人类第一次近距离拍摄的火星照片。

（火星照片）

下面是苏联发射的“火星三号”探测器的登陆车，它是第一个在火星上软着陆并且行驶的人造物体。但是非常不幸，它只在火星表面工作了20多秒，就因为巨大的沙尘暴和地球失联了。

（苏联“火星三号”探测器的登陆车）

下面是人类对火星探测任务的示意图。我们可以看到围绕着火星有五个虚线圈。最外的圈代表那些没有到达火星，并且失败的探测任务。

（人类火星任务示意图）

我们知道，人类的飞行器飞到月球可能只需几天时间。但是如果要到火星探索，则至少要飞行七个月，中间的变数很多，出现失败的几率非常大，但是随着人类科技的进步，我们可以看到，有红色小圆点的这些任务都是成功的，并且越来越多了。

我们继续来讲这几个圈所代表含义。在最外层是失败圈，往里走是“飞掠”圈。所谓“飞掠”就是探测器并不会降落到火星，也不会环绕火星成为它的卫星，而是直接从它旁边飞过去，并且拍摄一些照片传回地球。再往里走是环绕圈，当探测器到达这个圈，说明探测器要成为火星的卫星，并且要对火星进行长期探测。最里面的圈是“巡视”圈，当人类的着陆器降落在火星上面时，里面会释放出探测器——火星车，这就是要对火星进行地表探测了。

2020年是火星探索的窗口年，因为这时火星离地球最近，为六千两百万公里。但是，在实际飞行中，我们的探测器却飞行了4亿多公里。为什么？这是因为人类现在所掌握的火箭技术没有办法让探测器直接从地球轨道飞到火星轨道，只能通过霍曼转移轨道来实现火星探测。

这张图片展示的是“天问一号”的探测器组成。

（“天问一号”探测器组成）

我们可以看到“天问一号”主要由着陆巡视器、环绕探测器组成。而在着陆巡视器里还有我们的火星车。

刚才我讲到，美国和苏联对火星的探测都是一步一步的，先从“飞掠”开始，然后再尝试让探测器成为火星的卫星，最后是从着陆器里面释放火星车。但是我们的“天问一号”一次性要完成这三个任务，这是一个壮举。

我们简单回顾一下“天问一号”的伟大征程。2020年7月23日，“天问一号”由“长征五号”运载火箭发射升空。

2020年7月27日，“天问一号”距离地球一百多万公里时，我们的探测器为地球和月亮拍了一张合影。

（“天问一号”为地球和月亮拍的合影）

2020年10月1日，“天问一号”探测器又为我们传回了它在深空中拍摄的一张自拍照。这时它已经飞行了1.88亿千米了。

（“天问一号”自拍照）

这个时候，通过地表的光学探测已经没有办法看到“天问一号”探测器了。而我们的科学家、工程师要靠一系列的照片来判断“天问一号”飞行状态。

2021年2月5日，“天问一号”为我们传回了中国首张近距离拍摄的火星照片。

（“天问一号”近距离拍摄的火星照片）

可以看到，相比“水手四号”拍摄的照片，我们现在的照片清晰度有了很大进步。

2021年2月10日，“天问一号”经过200多天的飞行终于抵达了火星附近，并且成功被火星引力捕获。这时“天问一号”已经脱离了霍曼转移轨道，成为了火星的一个卫星，开启了探测。这个探测过程要三到四个月。

2021年4月24日，我们通过网络向全国人民进行火星车名字的征集和投票。最终命名为“祝融号”。

2021年5月15日，“天问一号”最终着陆，这也意味着中国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

夜空中“最”亮的星到底是什么？我想红旗上的五星才是茫茫宇宙中最为耀眼夺目的。

谢谢大家。

（根据宣讲家网报告整理编辑，