【地科小擂台】太空站與月球，誰亮誰暗？

林彥興

出題篇

2022 年 10 月 21 日下午兩點零四分零七秒，如果你身在新竹一帶，將能在西方仰角 12.7 度處，看到國際太空站（ISS）從月球前方飛越，整個過程長約兩秒鐘。這類「ISS 凌月」事件，是天文攝影愛好者追求的高難度目標之一。

這次事件發生在白日的殘月，換言之月球的邊緣是亮的，但大部分沒有被陽光直接照射。另外白天的天空也有相當的亮度。那麼問題來了，你覺得當太空站通過月球的亮區（向光面），我們應當會看到太空站的剪影，還是太空站會比月球更亮呢？
留下你的想法與大家討論吧！

解答篇

日正當空的中午，位於地平線的 ISS 與月球亮面，究竟誰亮呢？
想要回答這個問題，首先得要搞清楚「亮」到底是什麼意思。

想像一下，如果有兩個燈泡，都發出 100 焦耳的光。但一個是在 1 秒內發出，一個是花了 100 秒才發出，那誰比較「亮」呢？顯然是前者吧，可見亮度跟功率，也就是單位時間接收到的能量成正比。

再想像一下，如果有兩個相機對準同一個光源，但前者相機的鏡頭面積是後者的四倍大，所以收集到了四倍的光。你會因為後者收集到四倍的光，就說後者拍的光源比較亮嗎？不會吧，它們明明是對準同一個光源啊。顯然，光源的亮度，跟「單位時間、單位面積接收到的能量」成正比。

再想像一下，你面對著電腦螢幕。此時，如果把螢幕上每個像素，通通聚集到螢幕的中心，那螢幕中心的亮度，是不是會比原來高上許多呢？可以發現，即使所有像素在單位時間發出的光相同，眼睛接收光線的面積也相同，但改變光源在你眼中的視角，或更精確地說，是「立體角 Solid Angle」的大小，是不是也會對光源的亮度產生影響呢？

於是我們發現，什麼是「亮度」？亮度可以定義為單位時間、單位面積、單位立體角中收到的能量大小。在天文領域，這樣定義的「亮度」稱為「光強度 Intensity」，又名「表面亮度 Surface Brightness」。

這樣子定義亮度有什麼好處呢？