Why Do Stars Twinkle?

在夜空中观察无数闪亮的星星是一次奇妙的经历。但问题是“星星为什么闪烁？”答案并不简单，因为它取决于控制光线通过地球大气层等介质的物理原理。为了找到答案，有必要了解恒星的特征、地球大气的组成、光线的特性以及光的折射现象。

夜空中的星星：在夜空中观察到的大多数光点都是星星。恒星位于离地球很远的地方；离地球最近的恒星是太阳。像太阳一样，所有的恒星都是巨大的天体，都是发光源。有些恒星直径数百公里，但距离地球如此之远，以至于它们的光需要几百光年才能到达地球。在到达地球之前，光通过两种不同的介质传播，即地球大气层上方的外层空间和地球大气层。外层空间没有任何物质，因此光线以直线路径穿过它而不受干扰。但是一旦光线进入地球大气层，它们的通过就面临着直线前进的干扰。

地球大气层和闪烁效应：地球被形成地球大气层的混合气体所包围。观测到的恒星闪烁现象的答案隐藏在大气的成分和性质中。从地球表面（海平面）到大气与外层空间融合的另一个极端，大气的密度和压力在不同的水平上是不同的。密度是一定体积空气中空气颗粒浓度的量度。在地球表面附近，大气密度最高，并施加高压，但随着向上移动，密度和压力逐渐降低，直到大气边界在空间中结束。

值得注意的是，虽然恒星本身是一个稳定的光源，但眼睛观察到的“闪烁”是将它们视为不稳定光源时的一种畸变。“闪烁”的科学术语是闪烁，它描述了恒星亮度的快速变化及其位置和颜色的变化。闪烁是用距离很远的天体观察到的，这些天体看起来像小点。距离不远的物体，如行星，不会闪烁。

实际上，我们用眼睛观察到的恒星的“闪烁”是对恒星向不同方向运动发出的光的感知。这种“闪烁”像差是因为恒星发出的光不能以直线到达我们的眼睛。相反，当光线穿过大气层时，在到达眼睛之前，光线会被扭曲并向随机方向旋转数次。

光的闪烁和折射现象：来自太阳的热量不断影响地球大气中空气的密度。空气密度的变化导致大气中不断的推拉，从而产生不同密度的气穴，这些气穴充当透镜和棱镜。光线穿过密度均匀的介质，沿直线传播。但是，当光从一种密度传播到另一种密度时，由于折射，其方向会发生变化。因此当恒星发出的光线穿过由不同密度的气穴组成的地球大气层时，这些光线以每秒几次的微小量相互反射，产生闪烁效应。恒星闪烁而行星不闪烁的原因也在于光线的折射机制。离地球较近的行星有多个可观测的光点。当从这些点射出的光线穿过大气层时，光线路径与多个点（折射）之间的偏差达到平均值，从而给观察者一个稳定的图像。相反，恒星发出的光线似乎来自一个单点光源，并显示出更大程度的偏差，从而导致闪烁效应。

出于同样的原因，靠近地平线的恒星似乎比头顶上的恒星闪烁得更多，因为地平线上的大气厚度比头顶上的天空更大。闪烁或闪烁是恒星研究中的一个挑战，因为它会影响恒星的清晰视野。目前正在努力在大型望远镜中开发合适的光学系统，以消除恒星的闪烁效应。为了避免闪烁对清晰观察恒星和其他恒星物体的影响，哈勃太空望远镜被放置在太空中。

References: 1. Imaging Through Turbulence. By Michael C. Roggemann & Byron M. Welsh, CRC Press LLC, Florida. 1996. ISBN 0-8493-3787-9 (alk.paper). http://www.crcpress.com/product/isbn/9780849337871 2. P.A.Robinson (2000). Wave propagation in disordered media. Philosophical Magazine Part B, Volume 80, Issue 12, pages 2087-2108. http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/13642810008205764?queryID=%24%7BresultBean.queryID%7D#.VPa023yUd3M 3. Why do star twinkle? By John A. Graham, Carnegie Institution of Washington. Scientific American. October 24, 2005. http://www.scientificamerican.com/article/why-do-stars-twinkle/ 4. Why do stars twinkle while planets do not? http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/twinkle.html