不靠腿跑靠眼睛的“梅西耶天体马拉松”

　　梅西耶（Charles Messier）是一位18世纪时的法国天文学家，他大半生时间致力于搜寻彗星，为了将夜空中和彗星容易混淆的一些天体记录下来以便搜寻彗星，他编写了著名的梅西耶星表（the Messier Catalog），一共记录了天空中110个类似彗星的天体。在一个观测夜对全部梅西耶天体完成观测是否可能呢？如果可能，在地球上什么时间、什么地点可以实现这一目标呢？ 

　　梅西耶天体马拉松

　　梅西耶天体（the Messier objects），其命名从M1开始，一直到M110结束。通过更先进的观测工具和手段，我们现在知道这110个梅西耶天体并不全是一类天体，它们可划分为几类：河外星系（40个）、球状星团（29个）、疏散星团（27个）、反射星云（6个）、行星状星云（4个）、超新星遗迹（1个）、双星（1个）、四合星（1个）、恒星云（1个）。

　　梅西耶天体全家福

　　实际上，一夜看全梅西耶星表是可以实现的。由于梅西耶天体不是均匀分布在天球上的，在全天分布上有一处大缺口，只要观测者处在合适的地理纬度，当太阳在天球的位置运行到此缺口、阳光对观测梅西耶天体的影响最小时，我们就有机会在一个观测夜完成对全部110个梅西耶天体的观测。

　　最先注意到有可能在一夜之间完成全部梅西耶天体的观测的是几个美国业余天文学家（Tom Hoffelder, Tom Reiland和Don Machholz），他们在1976年发现在一年当中的特定日期内有可能完成这一观测，最早由美国亚利桑那州Dugas的Gerry Rattley在1985年3月23日至24日捕获了全部110个梅西耶天体，一个小时之后，来自加利福利亚州Anza的Rick Hull也成功完成，这就是后来在天文爱好者和业余天文学家中广为流传的“梅西耶天体马拉松”。进行“梅西耶天体马拉松”不仅对举办时间、地点要求苛刻，还要求不得借助任何自动寻星仪器，不可使用电子星图，仅靠普通望远镜和纸质星图进行目标搜索和确认，是对选手的体力、毅力、观测能力的综合考验。

　　梅西耶天体在天球上分布的缺口示意图（红线所示）

　　最合适的时间

　　我们查阅梅西耶星表（The Messier Catalog）发现，梅西耶天体的赤经（right ascension，符号为a）分布范围在0h40m至23h24m之间，即10°<a<351°，赤纬（declination，符号为d）分布范围在-35°至70°之间，即-35°<d<70°（负号表示在天赤道以南，赤纬为负的天体位于南天；正号表示在天赤道以北，赤纬为正的天体位于北天，类似地球的“南纬”“北纬”）。

　　如果要实现对全部110个梅西耶天体的成功观测，应避免太阳位置对观测目标的影响，显然在观测时太阳的赤经asun应该满足

　　0°<asun<10°或351°<asun<360°，

　　根据赤道坐标（a，d）和黄道坐标（l，b）的转化公式，

　　tana=(cosbcosesinl-sinbsine)/cosbcosl， 

　　sind=cosesinb+sinecosbsinl，

　　对于太阳，因为它在黄道面上，黄纬b始终为0°，上边两式可简化为

　　tanasun=cosesinlsun/coslsun，

　　sindsun=sinesinlsun，

　　或 asun=arctan（cosetanlsun），

　　dsun=arcsin（sinesinlsun），

　　其中e是黄赤交角，一般取23.5°。由上两式可以推出太阳黄经、黄纬（lsun，bsun）和太阳赤经、赤纬（asun，dsun）的关系

　　lsun=arctan（tanasun/cose），

　　我们代入满足观测要求的太阳赤经的取值范围，即0°<asun<10°或351°<asun<360°，

　　计算得知相应的太阳黄经满足0°<lsun<11°或350°<lsun<360°，

　　查天文年历知满足条件的太阳黄经（lsun）此时对应的时间大约在3月12日至4月2日之间，也就是在3月下半月至4月初（春分前后）。

　　此外，有过夜晚观测经验的人都知道，满月（农历十五前后、望）时的月光对夜间光学观测是大敌，因此在3月下半月至4月初的时段内选择一个没有月光的新月夜（农历初一前后、朔）来进行观测是十分必要的。

　　最合适的地点

　　梅西耶星表中110个梅西耶天体的赤纬（d）分布在-35°至70°之间，即-35°<d<70°，说明梅西耶星表中天体的赤纬d分布范围偏北（因为梅西耶星表是在北半球的法国编写的），且表中包括一些位于北天的高赤纬天体（60°< d<70°），若要观测到这些北天的高赤纬天体，则最佳观测地带的地理纬度不能太靠南；梅西耶星表中也包括一些位于南天（-35°<d<0°）的天体，若要观测到这些南天天体，则最佳观测地带的地理纬度也不能太靠北。

　　梅西耶星表110个天体中赤纬最大、最偏北的4个天体M82、M81、M52、M103的赤纬在60°至70°之间，而且它们中有的赤经（例如M52（赤经a=23h24m，赤纬d=61°36’））与此时（3月下半月至4月初）太阳赤经（asun=0h左右）比较接近。为了避免太阳位置对高赤纬天体的观测影响，最佳观测地带最南端地点的地理纬度应该满足使赤纬最高的梅西耶天体恰处于恒显圈附近（恒显圈指对于某个地理纬度是j的地点，凡是赤纬大于（90°-j）的天体，在该地点永远不会落到地平线下，全年都看得见；与恒显圈对应的概念是恒隐圈，指对于地理纬度j的地点，凡是赤纬小于-（90°-j）的天体，在该地点永远不会从地平线以下升起，全年都不可能看见）。换句话说，位于最佳观测地带最南端地点的恒显圈是赤纬d =70°，其对应地理纬度j=90°-70°=20°。

　　此外，为了不对位于南天的梅西耶天体（-35°<d<0°）的观测造成影响，最佳观测地带最北端地点的地理纬度应满足在观测时，使这些天赤道以南的梅西耶天体处于地平线以上，太阳在地平线下。观测时（3月下半月至4月初）太阳在春分点附近，太阳的赤经asun为0h、赤纬dsun为0°左右，此时最偏南的几个位于南天的梅西耶天体中与太阳赤经位置最接近的是M30（赤经a=21h40m，赤纬d=-23°11’），赤经相差约2 h20m左右（约35°），M30与太阳位置（按位于春分点计算）相差约41°左右，这说明如果观测地点的地理纬度在北纬41°以北，观测M30时，它会被太阳的黎明晨光影响。因此能在春分时观测到M30的观测地点的地理纬度应在北纬41°以南，实际上，最佳观测地带最北端地点的地理纬度j=30°。

　　综上所述，最佳观测地带的范围是北纬20°至北纬30°之间的条带状区域，最合适的观测地点的纬度是北纬25°左右。