星星為什麼是一閃一閃的？

11-28

求助於熟悉天文學和氣象學的朋友

（圖多預警~~~）
（14日晚上已經200贊同了好感動T_T。這是我知乎上的首個破百贊同的答案，感謝大家~~~不過作為理科男我的福利就只能是答案最後對行星部分的更新了.....而且好像寫的更geek了捂臉）
這事得從折射定律開始說起。當光穿過密度不一樣的介質的時候會發生偏折，偏離原來的傳播方向，就像這樣：

而空氣，不是鐵板一塊的。隨時隨地都會產生湍流。對的，就是坐飛機的時候空姐經常說的「顛簸」的原因。飛機飛過之後的空氣、風扇吹出來的風都可以算是湍流。

（所以對小飛機來說，跟在大飛機後面馬上起飛可是會翻車，哦不，翻機的哦～）

以上的是大的湍流，空氣里還有小的湍流，可能因為空氣上下溫度不均、或者有冷暖鋒要過境了而形成的。即使在晴空萬里，看起來空氣非常寧靜的正午，空氣中也還是有很多小湍流的，就像燒水的時候透過水壺口看後面的牆壁會有一點變形一樣，因為地面（水壺口）不斷在產熱，下面的空氣向上跑。空氣最寧靜的時候一般是晚上，空氣基本上都冷卻下沉到地面，與上層的空氣交換變少（所以搞天文的才要熬夜？）。

而這些或大或小的湍流，使空氣的密度變得不均勻。本來恆星的光是平行光，兩個透鏡就可以使光會聚，在焦平面上看到一個清晰的像：

當然完全成為一個點是不可能的，因為還有衍射在，艾里斑。

現在不均勻的空氣就使星光發生偏折，相當於加上了很多奇怪的透鏡，就變成了這樣：

湍流元的速度一般是10米/秒，所以如果站在一個地方不動，亮區和暗區就會輪流掃過觀測者，看到星星時明時暗。這種現象在望遠鏡里用肉眼觀察尤其明顯，特別是對準地平線附近的恆星的時候，會抖得很厲害。

而在拍攝中，因為相機可以曝光比較長的時間，就會看到很多個恆星像在不同的地方：

這會使我們比較難分辨出恆星。那怎麼解決這個問題呢？機智的天文學家們（到目前為止）想出了三個解決辦法。

第一是把望遠鏡扔到天上去：太空中沒有大氣，當然就沒有湍流啦，一了百了。但是這個方法貴啊，不是每個國家都有能力扔一個十來噸重的東西上天啊。

所以我們就在地面上下手：自適應光學
既然空氣會將星光偏折。也就是把光的波前搞的歪歪扭扭：

那麼我就把望遠鏡也搞得歪歪扭扭：

就搞定了。一般鏡面的形變大小不大（幾微米左右），但是空氣變化很快，這就要求望遠鏡在0.5到1毫秒之內完成形變，然後準備下一次的形變。那我們怎麼知道空氣是怎樣形變的呢？答案是人工造一顆「星」出來。

這是歐南台的VLT在用大功率激光器造出一顆「星」來獲取空氣抖動的情況。當然這種激光器因為功率太大會造成危險，所以在附近有飛機的時候會暫時關閉。

最後一種就直接破罐子破摔了，空氣要抖就讓它抖去吧～這種技術叫做幸運成像，一張照片照出來是這個樣子的：

然後我們重複5000次，把5000張照片疊在一起，這樣最亮的地方基本上就是恆星所在的地方：

之後再把每張照片最亮的地方移到一起，看起來就不是一坨亮光了：

再挑出最好的500張照片（標準我不是很清楚）疊加，效果拔群：

明顯看到有三個天體了吧？

所以星星一閃一閃這事，一般人看起來可能聽好玩，但是對於搞天文的來說還是挺大的問題...

（2015.03.14更新）

有評論指出沒有解釋為什麼肉眼能看到的行星不閃。嗯的確是我當時的疏漏，補上~
行星的光跟恆星的一樣，都會收到湍流的影響；但是他們閃爍的程度不一樣，這是因為恆星與行星的大小不一樣：行星大，恆星（除太陽以外的）小。

行星距離我們比較近，所以一般視直徑在幾角秒到幾十角秒之間：
水星：5.6"，金星：12.7"，火星：4.1"，木星：43.4"，土星：17.3" （用的是Stellarium今天的數據）當然不同時間視直徑會有一些差別。
恆星雖然實際直徑比行星大好多，但是架不住距離遠。離我們最近的比鄰星（4.3光年）如果按2000個太陽直徑（維基百科巨大恆星列表裡面最大的再四捨五入）來算的話也只有7"。所以實際上恆星的視直徑遠比這個小（實際的比鄰星直徑只有0.15個太陽半徑，對應0.00053"），至少可以認為比行星的視直徑小一個量級（除以一個10）。

而不管天體的大小怎麼改變，湍流元的大小是不變的。天體的大小變大了說明它可以包含更多的湍流元。然後我們來做(kai)近(nao)似(dong)~~
假設一個湍流元可以在單位時間內使湍流元所在的區域變暗，變暗的程度服從一個均勻分布：
$D sim U(0,1)$
這個區域的亮度就是原來的亮度乘上變暗的程度：
$I=I_0D$
這樣在不同的時刻看來這片區域就有不同的亮度，也就是在閃爍了。
我們假定對一個湍流元在某段時間測量得到的亮度的標準差（彌散程度）為 $sigma_I$ ，根據統計學的公式，可以知道如果在這段時間內有 $x$ 個湍流元，我們對它們同時進行測量的話，這 $x$ 個湍流元的亮度總值 $f(x)= sum_{i=1}^{x}I_i$ 的標準差為：
$sigma_{f(x)} =sqrt{x} sigma_{I}$
顯然湍流元的數量越多，平均亮度的標準差（彌散程度）越小。

我們假設恆星佔了a個湍流元，而行星佔了b個湍流元；顯然a& $frac{sigma_{Star}}{sigma_{Planet}} =frac{sqrt{a} sigma_{I}}{sqrt{b} sigma_{I}}=sqrt {frac{a}{b}} <1$
所以行星的平均亮度隨時間變換的浮動程度更小，也就是閃爍程度更不明顯。而行星雖然大，但是也只有十來個角秒，人眼仍然分辨不出它是個面源，所以拿行星的總亮度來估計實際亮度是可以的。

光有理論不是很直觀，我們還可以紙(bian)上(ge)談(cheng)兵(xu)一下。

假設這是一顆恆星，它的直徑是7個格子，面積大約是39個格子；假設有一顆行星，直徑是14個格子，那麼面積就大約是154個格子。每個格子的亮度遵從上面說的分布，那麼它們的標準差的比就應該是0.5032。拿MATLAB各做5000次模擬。

（哦你問為什麼不拿70當行星直徑？因為MATLAB跑得慢......）

恆星的結果：

浮動比較大，標準差是0.0457。

行星的結果：

浮動比較小，標準差是0.0232。
0.0232/0.0457=0.5077
Oh Yeah.

不過這樣的腦洞肯定跟實際情況有出入，畢竟這裡假設了每個格子的亮度都均勻，但是實際上恆星的亮度分布是點擴散函數；而且亮度的隨機性也不是簡單地服從均勻分布。這樣的假設只能定性的說明行星閃爍程度更低罷了（攤手~）。

最後建議大家拿望遠鏡看看大氣湍流下的行星和月亮，觀察一下它們是怎麼被我們呼吸著的大氣扭曲的吧~~
參考資料：湍流、艾里斑、甚大望遠鏡、自適應光學、幸運成像、比鄰星

主要是由於大氣湍流的影響

天空的星星距離我們所在的地球是非常遙遠的,距離我們都有好幾光年之遠,例如牛郎星距離地球就有 16 光年,所以我們看到的牛郎星所發出的光實際上是在 16 年前從牛郎星發射出來的.傳到我們地球時已經比較弱了.因為地球上大氣溫度的變化,會使大氣層上層冷空氣下沉,也會使下層曖空氣上升,冷空氣的密度大,而曖空氣的密度小,密度大的空氣不斷流向密度小的空氣,這就是風,這厚厚的一層溫度和密度不斷改變的空氣層會使光可透過的程度也不一樣,使通過它的光線發生多次折射,這樣星星發射的光在傳到我們眼睛的過程中就會忽前忽後、忽左忽右、忽明忽暗,總在不斷的變化,會造成在我們眼裡看起來,星星是一閃一閃的.這就是星星眨眼的原因.

突然想起教我圖像處理的老師給我們講的一件往事。
他的一個大學同學，有一天晚上和妹子一起躺在草地上打情罵俏，妹子嬌羞的問他：今天夜空好漂亮哦，那星星為什麼這麼閃啊？
他一本正經說：大氣湍流。

然後，當然是喜聞樂見的分手了。。。

最近正在上物理課這個具體說應該是恆星會眨眼行星不會眨眼因為恆星距離很遠可以看成點光源而行星距離較勁是面光源然後光線進入大氣層後就如樓上回答的那樣他已經回答地很詳細了簡單說就是因為散斑原理好啦第一次回答謝謝！

農村長大的孩子看見的星星都不閃啊……

大氣層是流動的。
星星接近點光源。
當星星穿過大氣層的時候很容易產生偏移，在我們看來就好像是閃爍的。

「你知道星星為什麼會閃嗎」
「因為你太漂亮，外星人在偷拍你的時候忘記關閃光燈了。」

因為怕被飛機撞了。

我想問的是，你什麼時候看見星星閃了，我沒看見混

據我高中地理老師講，是因為地球有大氣層，氣流飄啊飄，星星就閃啊閃

很多可能性，眼花了，喝多了，撞暈了，外星人在玩鏡子，小行星在玩鏡子，恆星在玩吹氣球，眼前的空氣在發抖...., 你說的哪種？

就沒有詩意一點的回答嗎！！

以前，天上有九個太陽，他們不閃。然後，大家都知道啦~~~

小時候看過十萬個為什麼裡面有寫，印象里只留下了會閃的是恆星，行星不閃。為什麼閃？因為大氣是流動的，光線折射過來就像是在閃。行星不閃是因為離得太近。
為這個，和老公第一年回他老家時吵了一架，還把我吵哭了。

太陽系內行星由於離地球近，一般不會閃

大氣流動吧。。我看到的星星也不全是閃的啊。是我眼睛的問題嗎？

因為不讓飛機撞到

心動

一閃一閃因為星星電量過低啊啊啊。