流星雨的成因

蔡文祥／中央大学天文研究所

　　仰望夜空，满天星斗令人心旷神怡，偶尔划过天空的流星更令人欣喜。但是你曾想过流星到底是什么吗？对着流星许愿，真能实现吗？或者流星是从天上落下的星星呢？流星看似不规则地往天空四面八方散去，有时会同时出现好几颗，有时苦等好久才见到一颗。其实，流星的出现是有迹可寻的，这就得从流星的形成说起。

　　太阳系里，除了大家熟知的九大行星、几十个卫星、数以千计的小行星，以及周期性或不定期来访的彗星之外，还散布著成千上万的冰块和灰尘颗粒，和太阳系的其他星体一样绕着太阳公转，由于这些颗粒质量小，易受质量较大的地球重力或太阳风影响，有机会坠入地球形成「流星」（meteor, shooting star），因此这些颗粒一般称为「流星体」（meteoroid）。

　　事实上，除了太阳系初期形成的流星体之外，那些远从太阳系外缘来访的彗星，也会带来大量流星体，这些流星体成群掉落地球后，就形成了我们夜晚所看到的美丽流星雨。

　　对科学研究而言，天文学家研究流星的形成，可以增进我们对太阳系形成及彗星的了解；太空学家分析流星的发光，可以帮助我们了解大气；更有生物学家研究掉落到地面的陨石，希望能找出六千五百万年前恐龙灭亡的原因。但对大多数人而言，流星是夜空中最美丽、也最令人心动的天文景象。

　　肉眼常见光度大约2等星的典型流星，其流星体颗粒通常小于0.001公分；彗星造成的流星体，密度大多在每立方公分0.3公克左右。另有一些流星雨可能是小行星的碎片造成的，例如：双子座流星雨，这类流星体的密度大约是每立方公分2公克，比彗星流星体硬得多了。

　　随着地球和流星体碰撞的角度及方式的不同，流星体相对于地球的速度，可从每秒11公里到最快的72公里。地球和流星体就像是两个球一样，如果正面对撞，相对速度最大；若是地球追上流星体则相对速度最小。

　　大部份的流星在离地面80至120公里的高空开始发光，当流星速度和质量愈大时，流星消失的高度也就愈低，例如：火流星有时会冲到离地面一、二十公里处，还有机会听到流星体摩擦大气所产生的爆裂声。

　　我们所看到流星的光芒，其实是流星体和空气分子共同产生的。当流星体以极高的速度进入大气时，具有很大的动能，和空气摩擦生热的结果，使空气中的分子（如氮气、氧气）和流星体汽化后形成带电离子气体，而且受到能量影响，不同元素会发出不同波长（颜色）的光，在夜空中留下持续一段时间的光芒。我们可以藉由一些光谱分析设备，来研究流星所发出的光，进而了解流星的成分（图二、三）。

　　此外，因为能量的高低会影响不同原子发光的情形，可藉由流星的颜色分析出流星的速度。较高速的流星，能量较高，可以游离分解钙金属而发光，例如：英仙座流星雨；而镁、纳、铁等元素则较常出现在慢速流星，例如：双子座流星雨。

　　流星亮度主要受流星体的大小和流星体进入大气层时的速度所影响。大部份的流星都是以极高的速度（秒速11至72公里）进入大气，此速度远大于流星消失前受到大气阻力影响所产生的减速。我们可以用一个常见的​​公式来了解流星的能量状态：物体运动能量等于速度平方乘以质量的二分之一。所以，质量越大或速度越快的流星，能够产生越多的能量与空气分子碰撞。一般来说，能量越高流星亮度就越大，例如：1998年11月的狮子座流星雨，落入地球的速度高达每秒70公里左右，所以观赏到的流星多数是很亮的火流星（图四、五）。

　　几千年前人类就开始对天空产生好奇，在历史上留下了各种天文景象的记录。研究这些记录发现，大部份的流星是随机出现，而出现位置也不固定；但有一些流星呈规律性的出现，或出现位置是从夜空某一特定位置散射出来，而且在短时间内出现大量的流星，若一小时内出现的流星数目达数十颗或上百颗时，称为「流星雨」（meteor shower, meteor swarm）；若出现数量达几百颗或者几千颗时，则称为「流星暴」（meteor storm）。

　　我们所观测到的流星雨主要跟彗星有关。当彗星接近太阳时，受太阳风影响，会不断抛出许多灰尘，也就是流星体（图六）。这群流星体会沿着彗星轨道散布，形成一条环状灰尘流。但流星体并非一直留在轨道上，而是随着时间受到太阳风影响、本身内部互相碰撞，或其他行星重力影响，逐渐消失。当地球穿越彗星轨道附近时，流星体会受地球重力影响坠入大气层，形成流星（图七）；若地球重力捕捉到的是一大群彗星流星体，就形成了流星雨。

　　在地球上并不是每个地方都能同时看到流星，只有当流星体坠入地球大气层时，大多数流星体所瞄准的地区刚好是夜晚，才能看到流星雨的景象。若想看到壮观的流星雨，最好的机会就是，造成流星体的母彗星经过地球公转轨道附近，而地球恰好也接近彗星轨道的时候，例如：1966年11月16日的狮子座流星暴期间，美洲观测者每小时可看到约6万颗流星。

　　流星雨是地球经过彗星轨道时产生的，因此流星雨的周期便和母彗星的周期有密切关系。若彗星回头周期短，或彗星留在轨道上的尘埃数量很多，则每年地球经过彗星轨道时都可捕捉到很多流星体，我们就可定期看到流星雨，例如：8月的英仙座流星雨、 10月的猎户座流星雨。若彗星轨道上的流星体分布不均匀，或母彗星周期较长，则只有母彗星接近时才有较多的流星体，例如：狮子座流星雨的母彗星，坦普－塔尔特彗星，其周期约33.2年，我们大约每33年可以看到一次壮观的流星雨，而这个时期流星的数量远大于平时地球行经彗星轨道时的数量，所以此时亦称为流星雨的极大期。

　　流星雨来临的夜晚，观测者在短时间内观测到的数量相当多，大部份的流星看起来好像是从天空某一特定位置向四面八方散射出来，仿佛在此位置上存在一个星体专门来散射流星，而且这个位置还会随着时间像其他星体一样移动，我们称此一特定位置为「辐射点」，并且可以确定辐射点的座标是不会随意改变的（图八、九）。

　　造成这种现象的原因是，在彗星轨道上成群移动的流星体，绕太阳运行的方向是一致的，当地球遇到这群流星体时，流星体平行落入地球，对地球的观测者来说，流星冲入的方向就是辐射点的方向。向辐射点望去就如同站在铁轨上往远方眺望，两道铁轨好像从远方同一点延伸过来，铁轨就好比流星路径，远方那一点就是辐射点。

　　辐射点的位置像星座一样固定，因为地球轨道和彗星轨道相交的角度固定，彗星产生的流星体掉入的方向和地球运行轨道闲的角度也就固定，除非轨道的交角改变，否则特定流星雨的辐射点于天空所在的星座位置也是固定的，我们可依据流星雨辐射点所在的星座来为流星雨命名，例如：狮子座流星雨就是因为辐射点位于狮子座而得名。

　　在晴朗无云、无光害的夜空，人类肉眼可以看到最暗的星星，大约是6等星，而每天掉在地球上且亮度超过5等的流星大约有一亿颗，每年掉到地球上的流星也超过两千吨。平均来说，偶发性流星（不属于任何一群流星雨）每小时大约五到六颗；在流星雨来临期，大约可以达到每小时一、二十颗。只有少数的流星雨期间，例如：英仙座流星雨、狮子座流星雨，可达到每小时四、五十颗甚至更多。

　　理论上，在可以看到6.5等星的无云夜空，当流星雨的辐射点位于正天顶时，每小时出现的流星数目，称为「流星天顶小时率」（Zenithal hourly rate, ZHR），可用来占算一个流星雨的流星数量的多寡；实际上，受到云量、背景光害、大气条件，以及辐射点出现位置等因素影响，我们所能看到的天顶小时率，会小于理论值。

　　影响流星出现的因素虽多，主要还是不同流星雨期间，地球穿过的流星体丰富程度不同决定了流星数量的多寡。此外，若地球接近流星体时，迎向流星体的那一面刚好是下半夜，我们所看到的流星数目会远多于上半夜（图十）。这就像在雨中开车时，迎着雨的挡风玻璃雨势看起来较大的道理是一样的。

　　并不是辐射点属于那个星座的流星，都会出现在该辐射点附近。其实在辐射点附近反而不容易看到亮的流星，因为流星的亮度主要和大气的摩擦效应有关，当流星体越远离辐射点时，表示流星体掉入地球大气层越深、离地面越近，和大气的摩擦也就越剧烈，所以会特别亮。例如：1998年11月18日狮子座流星雨，中央大学观测队在玉山国家公园鹿林天文台肉眼观测到流星最多的位置并不是在狮子座，而是在大熊座附近。

　　观测地点也会影响观测到的流星数量，主要是因为流星是区域性的现象。例如：1998年狮子座流星雨的最佳观测地点是中国大陆的东北，其他地区如台湾所能看到的流星数量就不如大陆东北地区了。

以上信息由台北市立第一女子高级中学提供