黄道光

星空中大致沿黄道带的三角锥光圈

黄道光

黄道光（Zodiacal Light）是在星空中大致沿黄道带的光锥，主要由行星际尘埃粒散射太阳光而形成。[5][6]黄道光的光谱与太阳光谱相似，其分布与黄道面对称，对通过太阳的黄经圈对称。它的亮度朝太阳方向单调增强，被认为是外日冕的延伸。[5]黄道光观测是研究行星际尘埃的重要方法之一。[7]西汉司马迁所著《史记·天官书》中的“格泽星”便是黄道光，[8]古波斯与中古阿拉伯的“假黎明”“假曙光”等词汇，描述的也是黄道光现象。[3][4]1661年，欧洲对黄道光进行了科学性描述。[9]1683年，意大利裔法籍天文学家乔凡尼·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）首次对黄道光进行了系统的观测和记录。[10]1983年，红外卫星发现了导致黄道光产生的“黄道云”，也就是行星际物质。[11]行星际物质可以看作是日冕的延伸，其主要来源是太阳风，[11]太阳光被行星际物质质量小于10-6克的质点散射后，就会形成黄道光。[12]

黄道光（Zodiacal Light）是在星空中大致沿黄道带的光锥，主要由行星际尘埃粒散射太阳光而形成。[6][7]黄道光的光谱与太阳光谱相似，其分布与黄道面对称，对通过太阳的黄经圈对称。它的亮度朝太阳方向单调增强，被认为是外日冕的延伸。[6]黄道光观测是研究行星际尘埃的重要方法之一。[8]

西汉司马迁所著《史记·天官书》中的“格泽星”便是黄道光，[9]古波斯与中古阿拉伯的“假黎明”“假曙光”等词汇，描述的也是黄道光现象。[4][5]1661年，欧洲对黄道光进行了科学性描述。[10]1683年，意大利裔法籍天文学家乔凡尼·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）首次对黄道光进行了系统的观测和记录。[11]1983年，红外卫星发现了导致黄道光产生的“黄道云”，也就是行星际物质。[12]行星际物质可以看作是日冕的延伸，其主要来源是太阳风，[12]太阳光被行星际物质质量小于10-6克的质点散射后，就会形成黄道光。[13]

由于黄道光很微弱，需要在良好的条件下才能进行肉眼观测。一般在地球上低纬度和中纬度地区，春季适宜观测，秋季亦可见于黎明之前，从东方升起向南方天空展开。[7]其颜色一般为白色，在夜空中很容易被月光或地表附近光污染所遮盖。[3]黄道光可用肉眼观测，用非天文摄像机捕捉拍摄到。[1]随着天文科技的发展，NASA朱诺[14]木星轨道器和索罗希仪器等天文观测设备，都对黄道光进行了专业观测。[15][16]

定义

黄道光指的是地球上低、中纬地带于春季黄昏后在西方地平线上，或于秋季黎明前在东方地平线上出现的淡弱的三角形光锥。这是一种柔和而微弱的光，在太阳周围，大约蔓延至地球轨道，位于黄道面附近，需要选择良好的观测条件才能观测到。[6][7]

黄道光起因于行星际尘埃对太阳光的散射，因此，黄道光的光谱与太阳光谱很相似。黄道光的分布具有与黄道面对称，对通过太阳的黄经圈对称。黄道光的亮度朝太阳方向单调增强，可以认为它是外日冕的延伸。黄道光的亮度有短期变化和长期变化两种，其原因很复杂。[6]

黄道光照片
黄道光照片

黄道

太阳除了每天东升西落之外，还在恒星背景中向东移动约1°的角距离，因而一年大致行移一圈。太阳在天球上的这个周年视运动轨迹就称为黄道，它实际则是地球围绕太阳运转的公转轨道。西方天文学使用黄道坐标，并主要观测黄道星座和恒星的偕日出与偕日没。[17]

中国黄道坐标系以黄道为基本圈，天体的位置可用黄经和黄纬两个坐标分量来表示。黄道坐标系对于标示太阳运动较为适宜，同时，虽然月亮和行星的运行轨道不与黄道重合，但相交角度很小，因而用黄道来标示它们的运动也比较方便。东汉初年傅安曾经使用黄道坐标来测量太阳、月亮的运动和弦、望位置，比当时太史官使用赤道的计算结果更为准确。[17]

黄道带

黄道带（Zodiac）是天球中以黄道为中心的，纬度为18o的环天球的带状区域。[18]

黄道亮带

黄道亮带（Zodiacal Band）是黑夜中沿黄道可见的亮带，比起黄道光来说，更暗弱一些，伸展范围也更广。[18]

中国古代的“格泽星”

西汉史学家、文学家、天文学家司马迁《史记·天官书》中的“格泽星”其实就是黄道光现象[9]——“格泽星者，如炎火之状。黄白，起地而上。下大，上兑（锐）。”（黄道光）如同火焰的形貌，呈黄白色，从地平线向上延伸，靠近地面的下部较宽大，伸展出的上部较尖锐。[19][3]

司马迁画像
司马迁画像

古波斯与中古阿拉伯的“假黎明”

波斯语中的“假黎明（subhi kazib）”以及中东各地通行的“伪拂晓”，都是黄道光的俗名。这种光的形状常呈斜三角形，故又名“狼尾”。11世纪，波斯诗人和天文学家莪é默·伽亚谟（Omar Khayyam）在《鲁拜集》中提到了“虚假的黎明”。在中古阿拉伯诗歌中也有咏叹或借以喻理的，如中世纪诗人贾米(Jami，1414~1492)的诗句：“假黎明说的是真话，但她的微曦仅有两口气长。”[4][5]

欧洲天文学的“黄道光”

1661年，欧洲对黄道光进行了科学性描述。[10]1683年3月，意大利裔法籍天文学家乔凡尼·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）系统观测研究了黄道光，指出它是行星际颗粒反射太阳光而形成的，而不是大气现象。[11][20]乔凡尼·卡西尼首次对黄道光的观测进行了记录，[21]也是最先对黄道光进行系统研究的天文学家。[3][22]1706年，意大利天文学家噶西尼（Giovanni Domenico Cassini, 1625–1712）在观察日冕现象时，认为所观测到的亮光是黄道光。[10]

发现“黄道云”

1983年，红外卫星发现了导致黄道光产生的“黄道云”，也就是从小行星带延伸到地球轨道内侧的几条稀薄、围绕太阳的尘埃云带。关于太阳周围的尘埃环，是1967年首次发现的，1983年6月日全食时，日本天文学家再次观测证实了它的存在。[12]

形成原因

黄道光是太阳光被行星际物质质量小于10-6克的质点散射造成的。[13][23]日落后，在适当的条件下可能会看到太阳在黄道平面上散射的黄道光，那是行星运行的地方。这种现象表明太阳系仍然活跃，其他恒星周围如果也黄道带尘埃，则表明它们也可能含有活跃的行星系统。[24]

长期以来，天文学家一直认为，这些尘埃是由一些小行星和彗星家族从远处进入太阳系的。[14]行星际的气体主要来自太阳的微粒辐射，即太阳风。此外，行星大气的逸散、慧发和慧尾的扩散、行星和卫星的爆发等，也会乡行星际补充气体。地球轨道附近的行星际其他的密度大约为10-20kg/m3，越靠近太阳，气体的密度越大。[25]

太阳系外的"新地平线"航天器插画：在背景中,太阳和一个发光带代表黄道光
太阳系外的"新地平线"航天器插画：在背景中,太阳和一个发光带代表黄道光

黄道上的尘埃形成了一片庞大而弥散的尘埃云， 从太阳向四周一直延伸到火星轨道， 最密集的地方位于地球和其他内行星的轨道平面内。 红外天文卫星在1980 年代发现的，它们还会向轨道平面的两侧发散出去数千万千米。这些尘埃在波因廷-罗伯森效应[注1]的奇特作用下，像一颗颗微小的行星永远绕太阳公转下去。[5]

实际上，当尘埃颗粒在太阳系中运动的时候，会在阳光的照射下。这些迎面打来的光子会慢慢地掠夺尘埃的角动量，使得它渐渐地落向太阳。[5]太阳光子的加热效果引起了太阳光和它们自身热量的微光的偏差，产生了微弱的效果，导致了与盛行风相反的推力。最终，不断增加的靠近太阳的剧烈辐射会削弱或瓦解这些颗粒，或者将它们分解成气态的原子和离子，或者使它们变小，小到能够被卷入太阳风并被吹回星际空白处。[28]

物化性质

太阳系黄道带尘埃的温度为130-390K。[29]

太阳系除了行星、卫星、彗星、流星等天体以外，在广大的行星际空间还分布着极其稀薄的气体和极少量的尘埃，这些叫做行星际物质。[30]行星际空间看上去好像是空无一物。实际上，在地球轨道附近的行星空间，每立方米空间含有5×103个正离子、5×103个电子，还有从太阳、行星及太阳系外来的电磁波。[23][12]

行星际物质的主要来源是太阳风，也可看作是日冕的延伸。此外，彗星的碎裂，小行星的瓦解，流星体，宇宙尘埃等也都可以成为行星际物质。电子、质子以及氦、碳、氮和重元素的核，都是行星际物质的质点。其中的电子和质子为最多，这些物质在太阳大气中本来就有，当太阳风高速向外流动，遇到行星际气体时就停留在那里，形成了行星际物质。彗星的彗尾中的结点加速度很大，这种加速度是由高速太阳风吹动气体彗尾中的物质引起的。[23]

彗星的尾巴
彗星的尾巴

特征

行星际物质大致对称地分布在太阳周围，其中有大量小到1μm甚至0.1μm的尘埃粒子，它们的分布状况是：离太阳越远，数目越少，而且小粒子的数目比大粒子多得多。由观测黄道光得出的这些结论均与空间探测器的实测结果吻合。[3]

行星际物质的分布状况，导致黄道光具有两种分布特点：一是关于黄道面对称；二是关于通过太阳的黄经圈对称。由于黄道光的亮度朝太阳方向增强，人们可以认为它是太阳外日冕的延伸。也就是说，在离太阳较近的地方，黄道光融入F日冕（尘埃冕），而成为外日冕的一部分。但是，黄道光的亮度并不固定，它有短期变化也有长期变化，其原因十分复杂：太阳活动会影响黄道光的亮度；与黄道光重迭在一起的夜天光的性质复杂多变，也对黄道光有影响。[3]

实际上，人们在地球大气层内观测到的黄道光并不是“真黄道光”，真黄道光必须在地球大气外才能看到。人们可以看到的黄道光称为视黄道光，它是被大气散射改变了的真黄道光。[3]

相关影响

黄道光是夜天光[注2]的组成部分，在测光工作中，这种光也被称为夜天背景。夜天光的主要来源有以下几方面。一是气辉[注3]，二是黄道光，三是弥漫银河光[注4]，四是恒星光[注5]，五是地球大气散射上述光源的光。通过对这些光源进行观测，可开展活动星系核光变监测、空间碎片搜索、近地小行星搜索等科研工作。[31]

另外，在研究太阳系外恒星时，可根据该恒星的红外热辐射数值，推测是否有类似黄道带的尘埃的存在， 进而探讨是否有太阳系外的可居住类地行星。 [29] 

业余观测

黄道光肉眼可见，在热带地区，任何晴朗的晚上日落后约一小时之内都可以看到黄道光。在地球上低纬度和中纬度地区，春季是最佳观测时间，日落后一个半小时左右总能见于西方天空和西南方向上，向上延伸至昴星团。这个季节之所以最适宜观测，是因为黄道光在黄道面上，而此时黄道面与地平面的角度比在其他季节大。秋季可见于黎明之前，从东方升起向南方天空展开。[7]其颜色一般为白色，非常黯淡，在夜空中很容易被月光或地表附近光污染所遮盖。黄道光沿着黄道向上伸展，可达地平线以上30°左右。它的可见时间不长。[3]

黄道光用非天文摄相机就可拍摄到，最好使用超广角镜头。[1]例如，在2022年，摄影爱好者爱在云南迪庆州白马雪山用富士摄像机（富士X-T4 + 腾龙35 1.4 + lee1号柔焦）拍摄到的黄道光图像如下：[32]

器材 ：富士X-T4 + 腾龙35 1.4 + lee1号柔焦参数 ：ISO800，f1.4，60s，多张拼接
器材 ：富士X-T4 + 腾龙35 1.4 + lee1号柔焦参数 ：ISO800，f1.4，60s，多张拼接

黄道光也可用天文望远镜捕捉到。下图为2013年，智利帕拉纳天文台的欧洲南方天文台甚大望远镜拍摄的黄道光图像：[33]

图片来源:尤里·别列茨基/欧洲南方天文台（ESO）
图片来源:尤里·别列茨基/欧洲南方天文台（ESO）

专业观测

NASA朱诺木星轨道器上的星敏有一个特殊的物体跟踪模式，可用于在飞往木星的巡航段搜索小行星，并研究黄道光、木星环和非常小的木星卫星。该轨道器的一个悬臂上安装了两个磁力计，当磁力计收集数据时，高精度星敏将为探测器提供精确的飞行方向数据。[15]

太阳轨道飞行器是欧洲航天局 (ESA) 和美国宇航局 (NASA) 之间的一项国际合作项目，旨在研究距离地球最近的恒星——太阳。该航天器于 2020 年 2 月 9 日（美国东部时间）发射升空，并于 6 月中旬完成了首次近距离飞越太阳。该项目使用太阳和日光层成像仪的图像，即索洛希仪器，所拍摄的黄道光图像如下：[16]

第一批来自太阳和日光层成像仪的图像,即索洛希仪器,揭示了黄道带光(向中心突出的右边明亮的光)。水星也是可见的一个亮点在图像的左边
第一批来自太阳和日光层成像仪的图像,即索洛希仪器,揭示了黄道带光(向中心突出的右边明亮的光)。水星也是可见的一个亮点在图像的左边

中科院上海天文台在2022年对外公布，他们发现了三个潜在宜居行星所在的恒星系统中存在黄道尘埃热辐射现象，这三个潜在宜居行星分别是由开普勒卫星探测发现的Kepler-69c、Kepler-1229b 和 Kepler-395c。该团队在中红外波段显示出显著的热辐射超出，验证了类似黄道光的红外热辐射的存在，也表明这三颗恒星周围有类似黄道带的尘埃的存在。 [29]

研究意义

黄道光证明了行星际粒子的存在，[13]黄道光观测是研究行星际尘的重要方法之一。[8]黄道光是由以太阳为中心的透镜状行星际云散射太阳光而形成的，是存在行星际物质的一个重要根据。这个云延伸到地球轨道以外，云的对称面就是黄道面。研究人员可以通过观测黄道光的特征（光强、光谱、偏振等），来推知行星际物质的密度、粒子大小和分布等。[25]

一些科学家认为火星可能是黄道带光背后的星际尘埃的原因。朱诺号太空船上的一个仪器偶然地探测到尘埃微粒在从地球到木星的旅途中撞击太空船。撞击为尘埃的起源和轨道演变提供了重要线索。[14]

此外，黄道光对于探讨行星际环境以及日地关系具有重要意义，可以通过观测黄道光，研究太阳活动和相应的地球物理现象（如地磁变化）的关系。[8]

参考资料 33

  1. 黄道光是什么？怎么才能看到？ — 北京天文馆
  2. 术语在线
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. SerendipitousJunoSpacecraftDetectionsShatterIdeasAboutOriginofZodiacalLight — NASA
  15. 参考 15
  16. ESA/NASA'sSolarOrbiterReturnsFirstData,SnapsClosestPicturesoftheSun — NASA
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 参考 20
  21. 参考 21
  22. 参考 22
  23. 参考 23
  24. CosmicDetectiveWork:WhyWeCareAboutSpaceRocks — NASA
  25. 参考 25
  26. New Horizons Spacecraft Answers Question: How Dark Is Space? — NASA
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 上海天文台科研团队在三个潜在的宜居行星世界中发现黄道带尘埃光 — 中国科学院上海分院
  30. 参考 30
  31. 参考 31
  32. 星影 | 直到黑夜散尽 — 中国国家天文
  33. 黄道光:如何在夜空中发现罕见的天际辉光 — 网易

注释

  1. 星际空间的粒子受到与太阳辐射的相互作用，被拖向太阳并围绕太阳运动的现象。[27]
  2. 太阳落到地平线以下18°后，在没有月亮的晴朗之夜，在远离城市灯光的地方，夜空所呈现的暗弱的弥漫光辉，叫夜天光，又称夜天辐射。[31]
  3. 高层大气中有时在发生光化学反应的过程中产生的辉光。[31]
  4. 银道面附近的星际物质反射或散射的宇宙星光。[31]
  5. 河外星系和星系间介质间产生的光。[31]
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