天文学中如何测量亮度?
通过了解天体的亮度，你可以判断该天体是否可见。但你如何实际测量这种亮度？在什么情况下使用哪种测量方法？让我们来理清这一切，这样你就可以像专业人士一样观察夜空！附注：要快速找出天空中任何物体的亮度，请使用Sky Tonight应用程序。
内容
什么是星等
在天文学中，星等是衡量物体在天空中显得有多亮或多暗的标准。
请注意，我们在定义中使用了“显得”一词。这是因为我们通常所说的星等并不能说明该物体实际上有多亮。它指的是它看起来有多亮。
你永远不应该将星等与光度（luminosity, L）混淆，后者是物体在太空中的亮度。
绝对星等与视星等
天文学家将星等分为两种类型：视星等和绝对星等。
- 视星等 (m，通常简称为“星等”或“mag”) 是从地球上看到的天体的亮度。
- *绝对星等 (M) 是天体距离地球10秒差距¹时的亮度。天文学家之所以选择10秒差距作为距离，似乎是因为这接近1902年已知恒星距离的平均距离。行星和太阳系小天体的绝对星等 (H) 通常以距离观察者1天文单位为基准。
¹天文学中的距离单位，1秒差距等于3.26光年或3.09×10¹³公里。
需要指出的是，物体的绝对星等是在没有因星际物质和宇宙尘埃吸收而导致其光线消光（或变暗）的情况下测量的。
因此，视星等取决于物体的固有光度、距离以及降低其亮度的消光。绝对星等使我们能够通过假设将所有物体放置在与观察者的标准参考距离处来比较物体的固有光度（在给定的光谱范围内）。
让我们以太阳和参宿七为例。在我们的天空中，太阳看起来比参宿七亮得多，因此它的视星等更高（星等分别为-26.8和0.18）。但是，如果我们将太阳和参宿七都放置在距离地球10秒差距的地方，参宿七的亮度将远远超过太阳的亮度。这是因为遥远的恒星具有更高的**绝对星等*：参宿七为-6.69，而太阳为4.83。
还有更多示例：
- 半人马座：m = −0.3，M = 4.1
- 老人星：m = −0.7，M = −3.1
- 天津四：m = 1.26，M = −7.1
- 海王星：m = 7.8（平均），H = −6.9
视星等值以数字表示，没有单位；当您看到类似“心宿二 (1.09等)”、“心宿二 (1.09 m)”或“心宿二 (m = 1.09)”这样的短语时，这意味着视星等是隐含的。当提到视星等以外的星等类型时，天文学家会用短语或缩写字母来表示星等类型：“心宿二的绝对星等为−5.28”或“心宿二 (M = −5.28)”。他们还在公式中使用这些字母。
顺便说一句，视星等既可以用肉眼也可以用望远镜测量；既可以在光谱的可见范围内测量，也可以在其他范围内测量（摄影、紫外线、红外线）。在这种情况下，“视”的意思是“可观察到的”，并不特指人眼。如果我们只考虑人眼能看到的东西，那么我们测量的是目视星等。然而，许多科普资料交替使用这些术语。
如何测量星等
星等标度
公元137年，古代天文学家托勒密将恒星按六点标度进行分类，从一（最亮的恒星）到六（最暗的恒星，肉眼几乎看不见），并创造了星等一词。最初，该系统将恒星分为六个不同的组，而不区分组内的亮度。今天，我们使用这种星等标度的改进版本。
托勒密星表是衡量天体亮度的系统。该系统需要一个零点或参考星。传统上，织女星的视星等为0.0，被用作参考星。
当然，随着望远镜的发展，这个标度扩大到包括更暗的天体，例如暗淡的星云和遥远的星系。
该标度还扩展到包括天空中更明亮的物体，如太阳、月亮和一些行星。由于织女星被认为是零星等恒星，天文学家为比织女星更亮的物体分配了负值。以下是一些明亮物体视星等的示例：
- 太阳：-26.5等
- 满月：-12.5等（平均）
- 金星：-4.3等（平均）
- 木星：-2.7等（平均）
- 天狼星：-1.44等
- 织女星：0.0等
- 天津四：1.25等
这个星等标度可能会让人困惑，所以只要记住数字越大，物体越暗。最亮的物体的星等为负数。
恒星的星等分布情况
您可能已经注意到，夜空中暗淡的恒星比明亮的恒星多得多。以下是按星等划分的恒星数量的简化分类：
- 星等从-1.5到-0.5：2颗恒星
- 星等从-0.5到0.5：6颗恒星
- 星等从0.5到1.5：14颗恒星
- 星等从1.5到2.5：71颗恒星
- 星等从2.5到3.5：190颗恒星
- 星等从3.5到4.5：610颗恒星
- 星等从4.5到5.5：1,929颗恒星
- 星等从5.5到6.5：5,946颗恒星
请注意，这些数字代表整个天空中肉眼可见的所有恒星。由于我们在任何时候都只能看到半个天空，因此您一次可以看到实际的星星数量是不同的。
如何计算视星等
我们知道1等星比2等星亮。但亮多少呢？
星等是对数的，5个星等的差异总是对应100倍的亮度变化。这意味着1等星比6等星亮100倍，同样，2等星比7等星亮100倍。
该标度的工作原理如下：
- 一个星等的差异（例如从1星等到2星等）会使亮度改变约2.5倍。
- 该因子随着每一步而增加，这意味着3星等的恒星比1星等的恒星暗6.25倍（2.5 x 2.5=6.25）。
如果我们将此标度扩展到5个星等，则因子变为2.5的五次方，约为100。但是，如果您使用计算器，您会发现这些数字加起来不太对。这是因为2.5是一种简化；精确的数字是100^(1/5) ≈ 2.51188643150958。在大多数资料中，您会看到这个数字缩写为2.5或2.512。以下是星等差为1、2、3、4和5的恒星之间的星等变化：
- 1星等差：2.512 ≈ 2.5
- 2星等差：2.512 x 2.512 ≈ 6.3
- 3星等差：2.512 x 2.512 x 2.512 ≈ 15.8
- 4星等差：2.512 x 2.512 x 2.512 x 2.512 ≈ 39.8
- 5星等差：2.512 x 2.512 x 2.512 x 2.512 x 2.512 ≈ 100
现在，我们可以计算出满月与夜空中第二亮的物体金星相比有多亮。它们的星等略有不同，因此我们取满月星等为 -12.7，金星星等为-4.6。
满月和金星星等的差异为-4.6 - (-12.7) = 8.1个单位。
星等差异 1 会使亮度增加约2.512 倍，因此星等增加8.1倍会使亮度增加 (2.512)^8.1 倍，即 ≈ 1,700。
因此，满月比金星亮约 1,700 倍！如果我们使用基于星等比较亮度的一般公式，它可以表示为：
Iᴬ / Iᴮ ≈ 2.512^(mᴮ – mᴬ)
此处 Iᴬ 和 Iᴮ 分别代表物体A和B的亮度，mᴮ、mᴬ是它们的星等。
如何了解视星等
为了了解某个物体的精确视星等，天文学家会测量该物体的通量（flux）或强度（intensity），就是每秒到达望远镜探测器的单位面积总能量。然后，他们使用以下公式，通过将光源与参考恒星进行比较，比较光源的相对亮度：
m₁ – m₀ = –2.5 × log₁₀ (F₁ / F₀)
其中m是星等，F是通量。在许多资料中，I代替F，因为天文学家使用术语“通量”来表示物理学中通常所说的“强度”。
正如我们已经提到的，参考星（零点）被选为织女星（即F₀是织女星的通量，m₀是织女星的星等）。
随着精确光度计和照相机的出现，天文学家意识到即使是织女星也不是一颗完美的参考星。它的亮度随时间变化约0.03个星等。因此，为了准确起见，天文学家根据具有恒定通量的理论源提出了零点。但是，对于视觉观测，织女星仍然可以作为零星等的标准。
有一门科学专门用于测量恒星和其他天体的亮度，就是光度测定。
不同的星等系统：光谱范围
星等取决于接收器的光谱灵敏度（眼睛、光电探测器、照相底片等）。
就光谱范围而言，星等有许多系统，每个系统在特定测量范围的选择上有所不同。
视觉星等 (mᵥ) 描述了恒星在眼睛眼中的样子。
摄影星等 (mₚ) 是根据没有额外滤光片获得的照相底片上的恒星图像测量的。由于感光乳剂对蓝光敏感，对红光不敏感，因此蓝色恒星在照相底片上看起来比眼睛看到的更亮。
通过比较在不同光谱波段测量的光源亮度，天文学家可以了解其颜色，估计其表面温度（如果是恒星）或反照率（如果是行星），确定星际光吸收程度以及其他重要特征。
因此，人们开发了标准光度测量范围系统，该系统主要由滤光片的选择决定。最流行的是三色UBV系统：紫外线 (U)、蓝色 (B) 和视觉 (V)。视觉范围非常接近光视觉范围，而蓝色范围接近摄影范围。
除了光谱敏感的接收器外，还有测量辐射强度的辐射计；辐射通量是整个光谱范围内的总辐射通量。如果知道到光源的距离和星际吸收程度，则可以通过辐射强度计算物体的光度。
表面亮度
到目前为止，我们主要讨论了恒星和行星等精确光源。但夜空中并非所有物体都像恒星一样紧凑。
一些天体延伸到广阔的区域，如星系和星云。获取物体的所有光通量并据此确定星等可能会产生误导。
因此，在这种情况下，视星等并不能真正帮助回答主要问题：对于地球上的观察者来说，这个物体有多亮？
例如，仙女座星系的视星等为 3.4，即使在光污染区域也应该可以用肉眼看到！然而，这与我们在夜空中看到的仙女座星系不符。
天文学家使用表面亮度（单位面积亮度的度量）来解决这个问题。这会平均整个物体的亮度。
表面亮度 (surface brightness，SB) 量化了空间扩展物体（例如星系或星云或夜空背景）每单位角面积的视亮度或通量密度。
物体的表面亮度通常以每平方角秒的星等（星等/角秒²）或每平方角分的星等（星等/角分²）表示。以下是一些视星等最低（最亮）表面亮度的物体：
- 猎户座星云：4 m， 17星等/角秒²
- 仙女座星系：3.4 m， 11星等/角秒²
- 三角座星系：5.7 m， 14.2星等/角秒²
- 博德星系：6.9 m， 25星等/角秒²
然而，物体的表面亮度很少被提及，尽管它对于视觉观察很重要。
**有趣的事实：**眼睛更善于检测来自漫射源（如星系）的光，而不是来自点源（如恒星）的光。
这意味着，与点源的物体相比，更容易看到具有漫射亮度的物体。仙女座星系的核心约为11星等/角秒²，但仍然肉眼可见。星系的外缘是一个暗得多的目标（22星等/角秒²），只能用望远镜看到。
极限视星等：观察者指南
极限星等是天空中可见的最暗物体的视星等。这里有一份对任何业余天文学家都有用的备忘单。它将帮助您进行观察。
- 彗星的肉眼极限：4
- 行星和恒星的肉眼极限：6.5
- 7×50双筒望远镜极限：10
- 35mm口径望远镜极限：11.3
- 60mm口径望远镜极限：12.3
- 102mm口径望远镜极限：13.3
请注意，光污染对您能看到的星等范围有很大影响！我们提供了接近理想的观测条件的数字，但它们可能因您的位置而异。了解如何使用我们的方便的刻度指示您的天空有多暗或多亮。
顺便说一句，要找出您的望远镜的极限星等（在完美条件下可以看到的最暗星等），您可以使用望远镜极限星等计算器。
总结
星等是观测天文学中最重要的概念之一，因为它回答了最重要的问题之一：“这个物体有多亮？”。为了按亮度对物体进行分类，天文学家使用对数星等标度，其中最亮的物体具有最低值。通过了解星等，业余观察者可以提高识别和比较天体亮度的能力。
要立即看到天空中最暗的物体，请获取免费的Sky Tonight应用程序：它允许您使用底部的滑块更改屏幕上显示的星等限制。该应用程序的滑块具有图标（眼睛、双筒望远镜、望远镜），因此您可以根据可见性过滤掉物体。
