十二月的雙子座流星群

陳立群

原載於科學月刊第二十五卷第十二期pp.932-938



    十二月的雙子座流星群、一月的象限儀座流星群 (註一) 和八月的英仙


座流星群，並列為一年中的三大流星群。在北半球尤其是歐、美、日等中高


緯的地區，因天氣嚴寒而降低了人們觀測的意願，因此雙子座流星群並未如


英仙座流星群般受到注意。有很長的時間，人們未發現它的母體 ;而流星體


的密度、軌道演化，也是天文界關注的焦點。

早期觀測史




    大部分的主要流星群，雖然有著好幾世紀的觀測記錄，但在十九世紀前很難看到雙


子座流星雨的記錄。艾斯塔波維克(I﹒S.Astapovic)和泰倫特瓦(A．K．Terenteva) 從


馬塔林所著的百科全書 (Encyclopedia of Ma Touan-lin  ;  註 :  Ma Touan-lin 為


十三世紀末蒙古早期的歷史學家) 找出1038-1099年所觀測到的14顆火球記錄，而推知其


活動期於十二月六至十八日，輻射點在赤經103度，赤緯26度。不過英國瑪麗皇后與西廣


場學院(Queen Mary and Westfield CoIlege)的威廉斯 (I.P. Williams)認為這些火球


應和麒麟座流星群 (註二) 有關 ;因為麒麟座流星群的軌道很穩定，因此十一世紀可能


看得到它。稍後我們將討論威廉斯等人所提出的理論，證明古人無法在11世紀觀測到雙


子座流星群。





     比利時的凱特利(J.A.Quetlet)最先指出雙子座流星群的存在。他於1830年十二月


十二日晚上至十三日凌晨，於Heiligenstadt觀測到40個火球。1836、 1838、 1847年也


有人觀測此流星群，但沒有詳細的資料，如輻射點位置、每小時個數，而只有日期能證


明是雙子座流星群。 1847-1876年，海斯博士(Dr.Heis)在德國組成了雙站觀測隊，


在不同的城鎮中共同進行觀測(雙子座流星群雖然活動但很微弱)。 史蒂雅爾特


(C.Steyaert於1847年十二月八日從33顆流星的繪圖記錄，推出輻射點約在赤經111.6度 


， 赤緯33.2度 。 葛瑞(R.P.Greg)曾在1862年觀測 (許多書認為他最先觀測本流星群


)  ; 丹寧(W.F.Denning) 則自 1862年起的觀測中發現，此群的流星數雖不多，但輻射


點很容易偵測。目前，國際流星組織(IMO)認為雙子座流星群應該在十九世紀才開始出現


，其每小時個數屬於低至中等規模。

二十世紀的觀測


第一位仔細觀測雙子座流星群，是美國麻州 的流星觀測專家度耳(R.M.Dole)於1901年十二月 十二日在美國東部時間21時30分至22時，共觀測 到32顆流星 (但雲層迫使他停止觀測)。1908年 他在一個半鐘頭內看到7顆流星，不過雲朵再度 妨礙他的觀測。1910年十二月十日在雲霧干擾的 近五個小時內 ，總共看到53顆流星。 1912、 1914 年的十二月十二日，平均每小時看到35和23顆雙 子座流星。1923年的天氣是度耳多年觀測中最好 的一次，他在十二月十三日美國東部時間凌晨l點 半至2點半，總共數了86顆雙子座流星，實際數目 可能超過l00顆。 1930年以前欠缺雙子座流星群的記錄，不單 是因為觀測者當地的天候不佳造成，當時流星觀 測的領導者只對輻射點有興趣，他們對於記下每 小時流星出現數來了解流星群結構並不關心。 1940年代的無線電和雷達觀測技術，1950年代超 史密特相機(SuPer Schmidt Cameras)的發展 ，都使 流星觀測數據更周全。差不多同時間，流星目視 觀測的ZHR值 (天頂每小時個數。指一名觀測者 在極限星等6.5、無雲、輻射點位於天頂時，每小 時所見的流星數) 增加很多，多半在60-80之間 。 1985年ZHR值高達121 ， 1986年受滿月影響但修 正極限星等後得ZHR值約100。1987年ZHR值則為 101。 1990年國際流星組織的數據分析，顯示ZHR 為l10 。 1991年國際流星組織分析來自163名觀測者的 總共32，000顆雙子座流星記錄，其峰值ZHR約為 11(見圖一)。這次分析的數據為1990年的三倍。 ZHR對太陽黃經圖中，極大期前的ZHR曲線比極大 期後的來得平緩，曲線中出現三個峰值，最大的 在太陽黃經262.3度 ，另兩個在261.3度和260.3度。 1992年受月光影響，國際流星組織只收集了 1,400顆流星的記錄，不足以作全球分析，但從有 限的數據導出峰值ZHR=100土20位於太陽黃經 261.9土0.2度。 1993年的雙子座流星群全球分析 ，共採用133名觀測者20,700顆流星記錄，發現峰 值ZHR為130+-8， 位於262.1度 ，ZHR峰值位於一 個曲線 "高原" 上 (介於261.8 和262.3度 之間 ) (見圖二、三) 。此年台灣地區天候不佳，台北 市立天文台的觀測月報沒有收到觀測報告。

流星群的軌道和母體


馬爾查夫(Maltzev)於1931年計算雙子座流星群 的軌道元素時，發現流星體的近日點距離很短，軌 道離心率很高 (很扁) ，且週期很短，在眾多流星 群中顯得特別奇異。 惠普(F.L. Whipple)發現，雙子座流星體比已知 的彗星、小行星、行星或太陽黃經 流星群的軌道，具有更短 的週期，約為1.6年。恩克 ZHR 太陽黃經 圖二 : 1993年雙子座流星雨ZHR圖。其不對 稱的曲線和福斯(Fox)等人的模型預測類似。圖 中 極大發生在太陽黃經262.l度，ZHR值為130+-8(取 材自參考資料4)。 太陽黃經 圖三 : 將圖二局部放大，可知在太陽黃經 261.8度到262.3度 ZHR值超過10O為ZHR值的一個 "曲線高原． (取材 自 參考資料4)。 是雙子座流星體的二倍多。很少彗星或小行星 能像雙子座流星體那樣接近太陽。彗星若有這麼 短的近日點距離和頻繁的回歸次數，將迅速地被 分解。 克瑞沙柯瓦(M.Kresakova)曾提出一個理論， 把彗星p/Mellish(l917I)、麒麟座和雙子座流星群 構成一個連鍞關係。然而較新的麒麟座和雙子座 流星群軌道演化理論已證明，這兩個流星群並無 任何關連。1983年一月二十五日發射的紅外線天 文衛星IRAS(lnfrared Astronomy Satellite)，於當年 十月發現一顆小行星暫時名稱為1983TB，永久名 稱為320O Phaethon，它和雙子座流星群具有幾乎 相同的軌道，週期為1.43年。320O Phaethon屬於阿 波羅族小行星，這一類的小行星其近日點距離小， 於l.0l7AU，軌道半長徑大於l.OAU。 3200 日 Phaethon是 死的彗星」? 雙子座流星群的母體320O Phaethon是已知的 小行星中，最接近太陽的一顆，以高離心率的軌 道繞日。觀測顯示它沒有任何活動，表現得像一 顆小行星。然而許多流星群的母體是彗星，而且 有些天體難以界定是小行星或彗星，天文學家對 於320O Phaethon是不是 "熄火" 的彗星有不同的 看法。 早期人們認為小行星就是位於火星和木星間 ，質量和大小皆小於行星的不規則狀岩石物體， 彗星則是具有模糊的彗髮和漂亮的彗尾的物體。 隨著望遠鏡的改良與理論的探討，人們發現前述 的分類不夠嚴謹，舉例而言 : 一.1898年發現的小行星433 Eros其近日點在火 星軌道內。 二.1907年發現的624 Hektor, ( 註三 ) 和木星具 有相同的軌道，且和太陽、木星構成正三角形。 三.彗星遠離太陽而失去彗尾時，和小行星難 以區別。 四.1950年代的研究顯示，木星的重力會把彗 星拉入像小行星般的軌道。例如木星族彗星的週 期約5-10年，可能是彗星受木星重力影響，改變 軌道使遠日點位於木星距日平均半徑附近。彗星 也可能進入類似阿波羅族小行星的軌道。 彗 表: 上 一l， 七 O Lll． L和，3像 ，學畏 道上。雖然太陽風不斷移走彗星的氣體和塵埃， 但較重的矽酸鹽質點仍被彗星微弱的引力拉向彗 核。漸漸地，一層 "絕緣" 的外殼形成了，它能 避免彗核內部的冰晶受熱，彗星彷彿 "熄火"了 。這層外殼也許不夠堅固，行星間物質的碰撞可 能使外殼被刺穿，把冰晶材料裸露，造成彗星不 可預期的爆發和增光。如果這層外殼未受干擾， 地面的觀測者將看到像小行星的彗星。 克瑞沙克(Kresak)認為Phaethon是彗星破片( fragment)的殘留物(remnant) ，短週期彗星是一原 本很大的天體之殘留物，此天體在不斷地失去質 量後仍保有足夠的大小 ; 彗核的破裂物或許能解 釋在軌道上四散的流星體。 泰倫特瓦(Terenteva)計算發現，若流星體近 日點距離小於0.1AU，該處的溫度可達11OOK" ， 差不多是矽酸鹽的熔點。很可能這種破壞性的高 溫造成雙子座流星群劃過天空時，不易留下痕跡 (wakes or trains)的特性 。庫克(Cook則認為從彗 星分裂出來的雙子座流星體，其密度較小而不堅 固的物質，在多次接近太陽後消逝，只剩下密度 較高的(lg/cm3)的部分。 於1950年提出 "彗星髒雪球模型" 而聞名的 惠普並不接受上述的說法。他認為在彗核內不可 能產生足夠的高溫而分解出流星體，像Phaethon 這類的阿波羅族小行星是活躍的彗星，應該是與 岩石或鐵一鎳結構的隕石有關。惠普還舉證在 1846-1879年出現的Brosen彗星整個消失。 又如 1845年十二月底，Biela彗星分裂成二顆 : 一明一 暗，各自擁有彗髮、彗核並發展彗尾。到了1846 年二月超過三個碎片被發現位於彗核旁。1852年 彗星回歸時，只見這一對分裂的彗星分得更開、 變得更暗。此後，我們再也看不到分裂的Biela彗 星，而岩石質外殼的彗核也末被發現。 1872、1885年地球通過Biela彗星軌道附近， 造成美麗的仙女座流星雨。然而自1940年起，人 們幾乎看不到仙女座流星群的活動。由於Phaethon 的遠日點位在火星、木星間的小行星帶上，部分 天文學家認為雙子座流星群是小行星間的碰撞剝 去Phaethon上的許多物質造成的，且和Phaethon是 死的彗星無關。這樣的碰撞也可能促使Phaethon 進入現在的軌道。 下個世紀看不到 雙子座流星群? 十九世紀以前，由於欠缺雙子座流星群的記 錄，因而天文學家懷疑雙子座流星群曾有過軌道 變化。 1950年普萊威克(Plavec)認為木星的擾動是 主要因素 。 1980年Sheffield大學的休斯(D．Hughes )等人，以圍繞軌道的試驗質點(test particles)做模 擬，他們認為雙子座流星群曾在500年前造成金星 上的流星兩，又在200年前開始和地球軌道交叉， 表一 : 320O Phaethon和雙子座流星群的軌道近似 昇交點黃經 近日點引數 軌道傾角 離心率 近日點距離 半主軸 雙子座流星群 0，140天文單位 2．56天文單位0 139天文單位 2．40天文單位 表二 : 先將圖五區域四或九裡的星星數一數 ，查此表可得極限星等。 區域九 區域內的星數 極限星等 區域內的星數 N LM N 但是將會在下個世紀離開我們。繆斯(J．Meeus)則 認為雙子座流星體的軌道演化，和32OO Phaethon 類似一一一十六世紀時Phaethon和金星軌道交叉， 2200年則和地球軌道交叉，屆時將很靠近地球。 福斯(K.Fox)和前述的威廉斯及休斯於1982、 1983 年在 ( Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) 上發表他們的電腦模擬結 果。假設一顆直徑20公里的彗星，在軌道上以正 比於吸收陽光光量的速率，隨機地向各方崩落質 點，形成了圖四裡和黃道面相交的流星群橫截面 (cross．section) 。 此橫截面的形狀和方向與觀測相 符，大部分的質點集中於圖中的棒狀區域，並和 此截面約呈25。 。此橫截面會逐年移動，使地球 通過不同密度的區域。例如，假設黃道面有一片 中華民國83年l2月 區域約8．6XlO-5AU ，於地球軌道太陽黃經258.5度 到262.5。 間對稱延伸，把此區等分成50個間隔， 計算彗星拋出的50萬個質點通過此50個小區之數 目，再將之轉換為圖四裡依每20年建構的數量和 時間關係圖。 此模型可解釋為何十九世紀前沒有雙子座流 星群 (因為那時橫截面尚未與地球軌道接觸) ， 也可解釋近幾年雙子座流星群緩慢達到峰值，迅 速滑落的情形 (比較圖二和圖四1993雙子座流星 群ZHR外觀圖) 。此外，該模型可解釋 : 節點進 行時所造成極大期時間提前 (約每60年提前一天 ) 之效應，已被流星體不斷掃過地球軌道而補償 ，這和近六十年極大期發生時間沒有太大改變的 情況吻合。他們推算不同質量的流星分布情形， 可對應出先觀測到的較多、較亮流星實際情形。 1949年的觀測記錄顯示峰值兩端大致對稱， 與模型中流星數量快速上升、緩慢下降的情形不 同。1993年的ZHR外觀雖與模型吻合，然而模型 中預測流星數量自1960年代中葉開始下降與現實 不合。 1960或1970年代流星數量並沒有減弱 ; 而 1991、 1993年大量數據的分析，顯示雙子座流星 群仍相當活躍。如果福斯等人的模型正確，二十 一世紀的中葉，雙子座流星群將沈寂。 瓊斯(J.Jones)以流星體構成的中空圓柱結構 (即流星體軌道位在圓形隆起的表面，此圓形隆 起會於平行黃道面的方向變得平坦) 做模擬，他 以不同的觀測結果對應出年齝4000-6000年間的 雙子座流星群。他最後認為在地球上欣賞雙子座 流星雨的時間，應比福斯等人的預測來得久些。

觀測雙子座流星群

今年(1994)雙子座流星群活躍期為十二月七至十七 日，十二月十四日達到極大，其輻射點在赤經122度 ，赤緯33度，此流星群具有中速(36km/s、黃橘色或 24567811131518202124 Lm1.2 2.4 3.23.9 4.3 5.0 5.1 5.3 5.6 5.7 5.9 6.1 6.3 6.4 6.5LZ土土叱工卜一w555卜6666 青白色、明亮、少痕的特性。冬天晝短夜長，再 加上輻射點升起得比英仙座等流星群還早，因此 可觀測的時間較長。不過今年滿月在十二月十八 日，隨著雙子座流星群的活躍，月光的影響逐日 加大。極大值當天，若想要享受一場完全不受干 擾的雙子座流星雨，則須考慮到光害少的地方熬 夜，從凌晨三點 (月亮落下) 至曙光出現，共有 二個小時可觀賞。如果在極大期前幾天開始看， 可觀測的時間會長一些。 明年的觀測狀況，仍受月光影響 ; 須等到 1996年才不受月光干擾。讀者可先參考本刊八月 號拙作 (如何做簡易的流星觀測與記錄) ; 當天 前半夜估計極限星等可用該文圖二與表一，後半 夜則用本文圖五和表二。

          


註一 : 此流星群的輻射點 (赤經230度 ，赤緯49度 )


       位在牧夫座內，牧夫、天龍和武仙座的邊界處，


       屬於廢棄不用的象限儀座，因此共有象限儀座、


       牧夫座、天龍座 1 三穜流星群的稱法。此流星


       群於一月一至五日活動，一月四日達到極大。


       1995年不受月光影響，值得觀賞。此流星群活


       動期短，達到極大值後，每小時可見流星數迅


       速衰減，觀測時機的掌握很重要。


註二 : 十二月的麒麟座流星群，將於十一月二十七日


       至十二月十七日活動，極大日在十二月十日，


       極大ZHR=5，輻射點在赤經100度，赤緯l4度。


註三 : 這類小行星稱為特洛伊族(The Trojans)，可


       長期處在三體運動的拉格朗日解(Lagrange


       Solution)裡的兩個穩定點。



    



參考資料



l．Paul  Roggemans  (editor)， Handbook  for  Visual


   Meteor Observations， Sky Publishing CO., 2/e, P.50,68 & PP.175-184．


2．J. Kelly Beatty and Andrew Chaikin (editors)，the


   New Solar System， SKY Publishing  Co.,  3/e., PP.


   251-254，259-260 & P.295．


3．Jurgen Rendtel,Rainer Arlt and Peter BrOwn， "The


   1991 Geminid Meteor Shower， WGN (bimonthly


   journal Of the International  Meteor Organization)


   Vol. 21-1,PP.19-28, Feb. 1993.


4. Rainer Arlt and Jurgen Rendtel,"A Global Analy-


   sis of the l993  Geminids", WGN, Vol. 22-5, PP.


   167-172, Oct. 1994.


5．John Davies,"Can CometS Become Asteroids?"，As-


   tronomy PP.66-70, Jan. 1985.


6．Paul  Roggemans, Dirk  Laurent and Christian


   Steyaert,  "The  Ursid Meteor Stream", SKY &


   Telescope, PP. 678-679, Dec. 1987.


7．陳立群  <<流星(下)>> 天文通訊第


   234期  7-12頁  八十年二月


8．莊威風等人 <<中國古代天象記錄總集>> 428頁


   及870頁  江蘇科學技術出版社


9. Alastair  McBeath et al.,  International  Meteor


   0rganization  (IMO),  1994,  1995, Meteor  Shower


   Calendar.


1O．Bill Gray， Guide CD-ROM Star Chart 3.0


11.薛仲三  歐陽頤  <<兩千年中西曆對照表>>


   學海出版社   五十九牛五月





附記 : 感謝台北市立天文台陶蕃麟先生對本文的審定


       陳立群(當時)就讀於中山大學電機研究所碩士班，國際流星組織(IMO)會員


 本文作者將於1994年十二月十八日(星期日)下午，


出席本刊舉辦的「作者VS.讀者」座談會，歡迎讀者參


加，詳情見科學月刊第二十五卷第十二期951頁說明。

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