課 綱 簡 要 輕 鬆 愉 快 天 文 學 史 從 歷 史 的 觀 點 去 探 索 天 文, 讓 你 知 道 天 文 學 的 發 展 與 背 景 四 季 星 空 太 空 科 技 利 用 星 圖 帶 領 小 隊 員 認 識 全 天 星 座, 體 會 星 座 之 美 與 星 座 神 話 故 事 介 紹

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1 目 錄 目 錄 p.100 課 綱 簡 要 p.20 演 講 者 介 紹 p.300 必 修 課 基 礎 天 文 - 理 論 篇 p.500 基 礎 天 文 觀 測 篇 p.400 選 修 課 深 空 天 體 p.580 四 季 星 空 p.690 天 文 學 史 p.770 行 星 大 戰 p.980 太 空 科 技 p.112 恆 星 演 化 前 期 p.119 恆 星 演 化 後 期 p.125 行 星 地 質 p.132 宇 宙 論 p.137 天 文 攝 影 p.154 望 遠 鏡 原 理 p.157 日 晷 製 作 ( 限 15 人 ) 附 錄 台 灣 天 文 研 究 機 構 p.172 全 天 星 圖 p.173 感 謝 所 有 參 與 編 輯 的 人 1

2 課 綱 簡 要 輕 鬆 愉 快 天 文 學 史 從 歷 史 的 觀 點 去 探 索 天 文, 讓 你 知 道 天 文 學 的 發 展 與 背 景 四 季 星 空 太 空 科 技 利 用 星 圖 帶 領 小 隊 員 認 識 全 天 星 座, 體 會 星 座 之 美 與 星 座 神 話 故 事 介 紹 太 空 船 人 造 衛 星 的 發 展 與 現 況, 讓 你 知 道 太 空 科 技 的 應 用 科 普 入 門 深 空 天 體 行 星 大 戰 介 紹 一 些 美 麗 的 星 團 星 雲 星 系, 讓 你 知 道 除 了 繁 星 點 點 之 外, 夜 空 中 還 有 精 彩! 古 今 中 外 行 星 史, 多 重 行 星 體 系 - 歸 納 行 星 運 動 定 律, 小 行 星 發 現 - 行 星 大 戰 一 觸 即 發, 未 知 X 行 星 計 畫,TNO 新 視 界 - 行 星 爭 議 與 太 陽 系 天 體 的 分 類, 系 外 行 星 新 領 域, 超 專 業 課 程 讓 你 了 解 行 星 認 知 的 流 變 進 階 天 文 恆 星 演 化 ( 前 ) 恆 星 演 化 ( 後 ) 行 星 地 質 宇 宙 論 介 紹 一 團 雲 氣 是 如 何 演 變 成 我 們 看 到 的 恆 星, 並 介 紹 原 恆 星 所 特 有 的 一 些 奇 妙 現 象, 讓 你 了 解 恆 星 出 生 的 過 程 探 討 恆 星 死 亡 的 過 程 以 及 最 後 變 成 的 緻 密 天 體, 對 黑 洞 有 興 趣 嗎? 這 門 課 告 訴 你 黑 洞 是 什 麼! 宇 宙 中 元 素 的 形 成 與 定 年, 並 介 紹 類 地 行 星 的 形 成, 讓 你 知 道 類 地 行 星 形 成 的 艱 難 以 近 代 物 理 的 觀 點 去 探 討 宇 宙 的 結 構 與 演 化, 並 討 論 不 同 因 素 對 宇 宙 的 影 響, 想 知 道 宇 宙 的 面 貌 嗎? 來 這 裡 就 對 了! 儀 器 觀 測 天 文 攝 影 望 遠 鏡 日 晷 製 作 ( 限 額 15 個 ) 簡 介 傳 統 與 數 位 天 文 攝 影, 讓 你 知 道 美 麗 的 星 空 是 如 何 被 紀 錄 下 來 的! 介 紹 望 遠 鏡 的 原 理 與 操 作, 讓 你 更 了 解 望 遠 鏡 的 結 構 與 使 用 方 法 實 際 製 作 日 晷 並 說 明 日 晷 的 原 理, 讓 你 體 會 手 錶 發 明 前 的 先 人 智 慧 2

3 演 講 者 介 紹 傅 學 海 教 授 現 職 : 國 立 台 灣 師 範 大 學 地 球 科 學 系 副 教 授 研 究 領 域 : 用 散 斑 干 涉 技 術 觀 測 雙 星 疏 散 星 團 選 擇 性 變 星 觀 測 與 分 析 學 歷 : Ph.D.Astronomy, Georgia State University (USA) 演 講 題 目 : 恆 星 的 運 動 從 恆 星 自 行 太 陽 公 轉 到 古 德 帶 (Gould's belt) 傅 學 海 老 師 著 有 星 星 的 故 事 認 識 天 文 天 文 觀 測 的 第 一 本 書 等 書, 推 動 動 手 做 科 學 實 驗, 並 時 常 撰 寫 科 普 文 章 於 科 學 教 育 月 刊 科 學 月 刊 科 月 發 展 等 科 學 類 期 刊, 是 國 內 知 名 的 推 廣 天 文 教 育 工 作 者 3

4 劉 志 安 理 事 長 演 講 者 介 紹 現 職 : 台 灣 親 子 觀 星 會 監 事 演 講 題 目 : 梅 西 爾 星 體 搜 尋 技 巧 ( 人 體 GOTO 訓 練 術 ) 關 於 劉 志 安 先 生 : 高 中 時 期 開 始 自 己 嘗 試 光 學 鏡 片 研 磨 國 民 光 學 公 司 研 磨 鏡 片 組 裝 光 學 儀 器 與 校 準 二 十 餘 年 業 餘 觀 測 經 驗 年 加 入 親 子 觀 星 會, 歷 任 3 年 活 動 組 招 集 人 2008 年 力 促 成 立 台 灣 親 子 觀 星 會, 歷 任 第 一 屆 理 事 長 第 二 屆 理 事 2006 年 起, 連 續 8 屆 梅 西 爾 馬 拉 松 參 賽 經 驗 ( 技 安 大 哥 人 稱 梅 西 爾 星 體 人 體 GOTO 魔 人, 是 天 文 攝 影 的 大 師 ) 4

5 基礎天文 理論篇 引言 本文大綱初創於 2005 年 初稿完工於 2006 年 以尺度大小為貫穿全文的主 軸 從地球與太陽月亮的交互關係出發 漸漸拉大到太陽系 以至於星星 星團 星系 最後談論到宇宙本身 至於更多的細節 更精進的知識 各位可在相關 書籍 網站 或是天文營的選修課中習得 甚至就讀天文相關科系學習更專業的知 識 本文目的不僅止於帶給各位知識 而是更著重於啟發各位對天文的興致與 疑惑 鼓勵各位走進天文這個有趣的領域 本文的內容不敢說是完全正確 也許 仍有疏漏之處 因此此刻開始閱讀的各位 不應一味接受本文 若發現任何可疑 之處 都應該懷著存疑的態度仔細地尋找文獻佐證 這才是好的態度 共勉之 一 日 月 地運動以及現象 01. 黃道 白道 赤道 赤道應該不用多廢話吧 有人不知道赤道是什麼嗎 而赤道所在的平 面則稱之為赤道面 黃道是地球繞太陽的軌道在天球上的投影 而地球繞太陽 軌道所在的平面就稱之為黃道面 白道與白道面同理 對象是月球繞地球 02. 日食與月食 假如赤道 黃道 白道都在同一平 面上 那麼我們將視日月食如無物 因 為那是稀鬆平常之至 不過 這三個面 自然都不是同一平面 所以日月食就變 成一種很容易炒作的天文現象 人類最早對日月食的研究裝置是 在英格蘭的 Salisbury 平原上 花費數 個世紀建造而成的巨石陣 根據推算 雖 然巨石陣沒有辦法準確推斷日月食的 正確日期 但它可能做得到幾天的範圍預 測 圖 1 英格蘭 巨石陣 Copyright images5.icxo.com 03. 沙羅週期(Sarou Cycle) 沙羅週期是日食的週期 約為 18 年 11 天 8 小時左右 每經過一個週期 就會有一次類似的日食發生 類似的意思是說 日食的長度 日食的全食帶形 狀等特性都會類似 只是因為週期的尾數有個 8 小時 所以每隔一個沙羅週期 5

6 的日食 大約會發生在經度差 120 度的地方 當然 大家很快就會想到 18 年內不可能只有一次日食吧 沒錯 所以目前有相當多的日食的系列 一個系列就會有一個沙羅編號 每個系列的日食都遵循沙羅週期在運作著 估計有達 42 組日食的系列在同時運 作 04. 內行星的凌日現象 內行星凌日現象出現時 就地球上的觀察者而 言內 行星會像個意外的訪客般 以一個小黑點的 姿態 從太陽的圓盤面上橫過 當然 只有內行星才可能有 凌日 的現象囉 圖 2 凌日示意圖 實際上它也是一種食 但同樣是因為水星跟金星的 公轉軌道與黃道面不是同一個平面 不然每年都會來 一次凌日現象 那也就不稀奇了 只是水 金星的視直徑小得多 所以看起 來就沒有非常精采 金星凌日每一百多年才發生兩次 上一回的金星凌日發 生在 2012 年 之後的下一次金星凌日在 2117 年 12 月 11 日發生 台灣全 程可見 二 太陽系(Solar System) 01. 八 大 行星 其實我們對於行星 的認識還是侷限在太陽 系的範圍內 現在雖然有 一股尋找其他行星系統 的熱潮 不過那都還太遙 遠 畢竟太陽系內的行星 離我們是近太多了 派太 空船去探測都是有機會 的 也因此 到目前的太 空探測船大多也都是探 測行星或其衛星的任務 行星(Planet) 在日 文的漢字寫作 惑星 行星 本身並不發光 並會環繞 圖 3 太陽系版圖 著恆星而成一個行星的 Copyright 系統 古人發現 天空中有些天體似乎會動 就像在行走一般 行星這個名詞 6

7 就 這 樣 被 發 明 太 陽 系 內, 肉 眼 可 視 的 五 顆 行 星 水 金 火 木 土, 早 在 史 前 就 已 經 被 人 類 發 現 了 一 直 到 20 世 紀 冥 王 星 被 發 現 為 止, 太 陽 系 共 確 認 九 個 行 星 只 是, 近 年 來 隨 著 人 們 的 觀 測 技 術 精 進, 發 現 冥 王 星 軌 道 外 不 遠 處, 有 許 多 體 積 大 小 可 能 跟 冥 王 星 差 不 多 的 天 體 雖 然 冥 王 星 仍 然 屬 於 較 大 的, 但 是 許 多 人 開 始 想 推 翻 冥 王 星 的 行 星 地 位, 甚 至 舉 行 投 票 而 歷 史 上 對 於 行 星 的 定 義, 一 直 沒 有 太 嚴 格 的 定 量 上 的 定 義 例 如 質 量 必 須 多 少 稱 為 行 星, 或 是 多 少 質 量 以 下 只 能 叫 做 小 行 星 直 到 21 世 紀 的 2006 年 8 月 24 日, 國 際 天 文 聯 合 會 (International Astronomical Union, IAU) 的 第 26 屆 大 會 中 決 議 出 一 個 在 學 界 仍 有 爭 議 的 行 星 定 義 : 01.A. 天 體 軌 道 是 環 繞 著 太 陽 01.B. 有 足 夠 的 質 量, 能 以 自 身 的 重 力 克 服 剛 體 力, 因 此 能 呈 現 流 體 靜 力 平 衡 的 形 狀 ( 接 近 球 體 的 形 狀 ) 01.C. 能 清 除 近 似 軌 道 上 的 其 他 天 體 以 及 新 增 一 類 天 體 類 別 : 矮 行 星 定 義 為 : 01.D. 天 體 軌 道 環 繞 著 太 陽 01.E. 有 足 夠 的 質 量, 能 以 自 身 的 重 力 克 服 剛 體 力, 因 此 能 呈 現 流 體 靜 力 平 衡 的 形 狀 ( 接 近 球 體 的 形 狀 ) 01.F. 未 能 清 除 在 近 似 軌 道 上 的 其 他 小 天 體 01.G. 不 是 行 星 的 衛 星, 或 是 其 他 非 恆 星 的 天 體 原 為 第 九 個 行 星 的 冥 王 星, 因 而 被 降 級 為 矮 行 星 太 陽 系 的 行 星 數 正 式 地 改 為 八 不 過 冥 王 星 地 位 所 具 有 的 價 值, 尚 有 其 歷 史 里 程 碑 的 重 要 意 義, 象 徵 著 人 類 知 識 範 圍 的 擴 張 與 欲 窮 千 里 目 的 觀 測 技 術 進 步 ( 更 多 詳 細 內 容 請 參 考 行 星 大 戰 ) 02. 水 星 (Mercury) 與 金 星 (Venus) 水 星 是 太 陽 系 行 星 中 最 接 近 太 陽 的, 公 轉 軌 道 半 徑 為 0.38AU 直 徑 為 4,880 公 里, 在 太 陽 系 行 星 中 僅 大 於 冥 王 星 甚 至 一 些 氣 體 行 星 的 衛 星 體 積 都 比 水 星 來 得 大, 但 是 質 量 大 得 多 人 類 史 上 只 有 一 個 太 空 探 測 船 到 過 水 星, 是 美 國 的 水 手 十 號 它 繪 測 出 約 半 數 的 水 星 表 面 地 圖, 其 表 面 有 一 些 巨 大 的 斷 崖, 長 達 數 百 公 里, 落 差 亦 達 三 公 里 根 據 推 測 這 些 斷 崖 是 由 於 水 星 早 期 的 表 面 收 縮 作 用 而 造 成 的 水 星 在 很 多 方 面 都 很 像 月 球 : 表 面 滿 坑 洞 但 與 月 球 不 同 的 是 水 星 密 度 超 高, 根 據 推 估 水 星 應 該 擁 有 一 個 鐵 質 核 心, 而 其 岩 石 外 殼 相 對 於 鐵 核 心 算 薄 薄 一 層 此 外, 有 7

8 一 部 分 的 鐵 質 核 心 很 可 能 是 液 態 的 水 星 的 公 轉 軌 道 相 當 橢 圓, 最 有 趣 的 是 水 星 每 公 轉 兩 周 會 自 轉 三 圈, 這 是 1965 年 以 雷 達 測 量 水 星 自 轉 速 度 所 得 的 結 果 水 星 的 磁 場 很 微 弱, 約 只 有 地 球 的 1% 也 沒 有 已 知 的 衛 星 金 星 公 轉 軌 道 半 徑 約 0.72AU, 磁 場 強 度 只 有 地 球 的 十 萬 分 之 一 左 右 此 外 金 星 的 自 轉 方 向 與 地 球 以 及 其 他 行 星 的 自 轉 方 向 相 反, 因 此 會 造 成 金 星 上 兩 次 看 得 到 太 陽 的 時 間, 要 兩 百 多 天 換 言 之, 金 星 日 一 天 相 當 於 地 球 日 的 兩 百 多 天 而 金 星 表 面 被 一 層 黃 色 厚 厚 的 大 氣 所 掩 蓋, 看 不 到 表 面 的 狀 況, 也 沒 有 像 地 球 一 樣 的 藍 色 海 洋 因 為 金 星 的 大 氣 過 於 濃 厚, 單 純 以 望 遠 鏡 觀 測 還 是 什 麼 都 看 不 到 因 此 蘇 聯 於 1975 年 發 射 了 太 空 船 Venera 9 號 與 10 號, 針 對 金 星 地 表 進 行 探 測, 之 後 又 陸 續 發 射 探 測 船 今 天 我 們 大 約 知 道 金 星 地 表 示 玄 武 岩 構 成, 地 質 年 齡 只 有 幾 億 年, 較 地 球 為 年 輕 此 外, 金 星 地 表 的 重 力 與 地 球 滿 接 近 的, 約 地 球 的 0.91 倍 由 於 那 極 為 濃 密 的 二 氧 化 碳 雲 霧, 金 星 上 的 溫 室 效 應 極 端 誇 張 炎 熱 的 程 度 是 約 攝 氏 500 度, 壓 力 達 90 大 氣 壓 是 個 高 溫 高 壓 的 環 境 在 此 水 沸 點 約 為 攝 氏 300 度, 因 此 金 星 表 面 沒 有 液 態 水 存 在 03. 火 星 (Mars) 距 離 太 陽 約 1.52AU, 體 積 大 概 才 地 球 的 六 分 之 一 不 過 自 古 以 來 人 們 就 一 直 在 用 望 遠 鏡 看 著, 甚 至 有 人 曾 經 把 火 星 上 的 巨 大 地 形 認 定 是 運 河 ( 那 只 是 當 年 的 翻 譯 錯 誤 ), 掀 起 了 火 星 小 綠 人 的 狂 熱 火 星 賣 點 之 一 是 巨 大 的 各 式 地 形 奧 林 帕 斯 山 為 火 星 表 面 最 高 火 山 ( 甚 至, 目 前 為 止 它 是 太 陽 系 內 的 最 高 ), 高 27 公 里, 比 聖 母 峰 高 上 個 三 倍, 其 山 稜 橫 亙, 綿 延 600 公 里 而 大 型 峽 谷 水 手 峽 谷 全 長 超 過 4000 公 里, 佔 火 星 周 長 的 五 分 之 一, 是 非 常 顯 著 的 大 型 地 貌 火 星 在 南 北 極 有 極 冠, 那 是 由 乾 冰 所 形 成 的, 與 地 球 的 水 冰 南 北 極 不 同 火 星 的 表 面 環 境 是 太 陽 系 眾 行 星 中, 最 接 近 地 球 的 雖 然 火 星 的 大 小 比 地 球 小 得 多, 但 是 火 星 在 自 轉 軸 偏 約 25 度, 自 轉 速 度 約 個 地 球 上 的 太 陽 日 ; 且 表 面 溫 度 約 在 零 下 百 度 至 攝 氏 二 十 度, 在 在 與 地 球 相 當 接 近 因 此 火 星 上 也 有 類 似 的 四 季 之 分, 生 活 作 息 與 型 態 十 分 接 近 地 球 因 此, 如 果 要 移 民 或 是 進 一 步 設 立 觀 測 基 地, 火 星 都 是 太 陽 系 之 中 的 不 二 之 選 8

9 圖 4.1 奧 林 帕 斯 火 山 Copyright USGS/NASA/ESA 圖 4.2 火 星 的 北 極 冠 Copyright NASA 圖 4.3 中 央 為 水 手 峽 谷 Copyright NASA 04. 木 星 (Jupiter) 木 星 距 離 太 陽 有 5.2AU, 同 時 後 面 還 有 幾 個 氣 體 行 星 近 年 來 對 於 太 陽 系 軌 道 動 力 學 的 熱 門 課 題 之 一, 就 是 大 質 量 氣 體 行 星 的 形 成, 以 及 行 星 本 身 對 於 行 星 系 統 的 影 響 木 星 是 行 星 中 體 積 與 質 量 的 最 大, 體 積 是 地 球 的 一 千 多 倍, 質 量 則 是 地 球 的 三 百 多 倍 ( 氣 體 密 當 然 遠 低 於 地 球 的 嘛!) 木 星 表 面 有 富 含 色 調 變 化 的 繽 紛 條 紋, 藉 此 推 測 木 星 大 氣 的 風 向 平 行 於 木 星 的 赤 道, 因 區 域 的 不 同 而 交 互 吹 著 西 風 及 東 風 類 似 在 地 球 大 氣 層 中, 不 同 緯 度 各 有 其 風 向, 例 如 中 緯 度 西 風 帶 等 而 這 類 的 研 究 通 稱 為 行 星 風 系 研 究 木 星 大 氣 中 含 有 少 量 的 甲 乙 烷 等 有 機 成 份 值 得 注 意 了 另 一 個 大 氣 活 動 是 有 放 電 現 象 回 想 國 高 中 的 生 物 課 本 告 訴 我 們, 若 存 在 放 電 簡 單 的 碳 氫 分 子 水 等 幾 項 要 素, 則 有 機 物 的 生 成 機 率 相 當 大 行 星 科 學 家 根 據 以 前 曾 經 發 生 的 舒 梅 克 李 維 9 號 彗 星 撞 擊 來 進 行 木 星 的 大 氣 成 分 探 測 在 撞 擊 後 釋 出 的 大 氣 成 份 檢 測 出 硫, 推 知 木 星 大 氣 極 可 能 含 有 硫 的 成 份 木 星 表 面 最 大 的 特 徵, 首 推 木 星 南 半 球 的 大 紅 斑 這 個 巨 大 的 圓 形 漩 渦 超 過 地 球 直 徑 的 3 倍, 存 在 已 經 超 過 三 百 年 從 十 七 世 紀 卡 西 尼 觀 測 到 它 為 止 至 今, 還 沒 有 消 失 推 測 為 木 星 大 氣 中 的 強 大 高 氣 壓, 其 雲 頂 比 周 圍 冷 得 多, 而 大 紅 斑 的 紅 色 則 可 能 來 自 紅 磷 木 星 的 磁 場 相 當 強 大, 這 可 能 與 其 內 部 的 結 構 有 關 其 內 部 被 推 測 為 液 態 氫, 是 為 電 的 良 導 體, 因 此 可 產 生 巨 大 電 流 從 而 有 巨 大 的 磁 場, 其 磁 力 線 的 延 伸 影 響 範 圍 甚 至 可 達 土 星 軌 道 強 大 的 磁 場 同 時 也 造 就 了 極 光, 木 星 的 極 光 規 模 比 起 地 球 上 極 光, 自 然 不 可 同 日 而 語 木 星 有 很 多 衛 星, 宛 如 一 個 小 型 太 陽 系 最 大 的 四 個 由 伽 利 略 所 發 現, 他 們 是 Io Europa Ganymede Callisto; 由 一 般 小 型 望 遠 鏡 即 可 見 對 了, 木 星 也 有 環 目 前 所 知 共 四 個, 只 是 暗 得 多, 是 由 航 海 家 一 號 發 現 的 9

10 05. 土 星 (Saturn) 土 星 因 為 自 轉 速 度 快, 而 使 得 其 腰 圍 變 粗, 略 成 橢 球 此 外 土 星 最 吸 引 人 的 應 該 就 是 它 的 環 了, 它 是 最 早 被 發 現 有 環 的 行 星 土 星 環 首 先 被 伽 利 略 注 意 到, 伽 利 略 用 著 自 製 的 望 遠 鏡 觀 察 土 星 時, 感 到 一 些 有 趣 的 型 態 根 據 他 寫 的 一 封 信 紀 錄 到 : 土 星 並 非 由 一 個 單 體, 而 是 由 三 個 部 份 幾 乎 接 觸 在 一 起 ; 沒 有 相 對 運 動, 且 三 者 連 線 與 黃 道 平 行 看 來 因 為 望 遠 鏡 成 像 不 好, 伽 利 略 沒 有 認 定 這 其 實 是 一 個 環 之 後 伽 利 略 持 續 觀 察, 並 把 環 當 成 土 星 的 耳 朵 但 是 更 令 他 困 惑 的 是, 耳 朵 兩 年 後 竟 然 消 失 了, 消 失 一 段 時 間 後, 又 出 現! 其 實, 環 消 失 是 因 為 視 覺 上 的 錯 覺 在 地 球 的 觀 察 者 而 言, 土 星 的 傾 角 相 對 於 我 們 不 是 固 定 的 每 當 環 的 平 面 與 我 們 的 視 線 平 行 時, 環 自 然 就 看 起 來 消 失 啦 視 覺 上 土 星 的 傾 斜 程 度 大 概 以 十 年 左 右 為 週 期, 圖 5.2 顯 示 的 是 哈 柏 從 1996 至 2000 年 的 土 星 照 片 組 土 星 的 行 星 風 系 相 對 於 木 星 模 糊 多 了, 在 近 赤 道 區 還 能 看 到 一 些 而 土 星 雲 頂 的 細 節 在 地 球 上 無 法 觀 測, 直 到 航 海 家 1 號 造 訪 才 發 現 ; 其 實 土 星 也 有 一 些 斑 點 及 其 他 木 星 上 常 見 的 條 紋 特 徵 九 十 年 代 哈 柏 望 遠 鏡 在 土 星 的 赤 道 附 近 觀 測 到 巨 大 的 白 色 雲 團 塊, 而 航 海 家 1 2 號 並 未 觀 測 到 此 一 大 氣 活 動! 這 象 徵 觀 測 技 術 的 進 步 以 及 新 生 成 的 土 星 大 氣 現 象 現 身, 有 助 於 分 析 與 推 論 土 星 的 大 氣 現 象 土 星 也 有 大 量 的 衛 星, 在 太 陽 系 中 衛 星 數 量 僅 次 於 木 星 包 含 Pan Titan Phoebe Janus 等 圖 5.1 木 星 局 部, 可 見 大 紅 斑 圖 5.2 土 星 傾 角 變 化 示 意 圖 Copyright NASA Copyright HST/NASA 06. 克 卜 勒 的 三 個 行 星 運 動 定 律 (Kepler s Law) 克 卜 勒 定 律 是 克 卜 勒 經 年 累 月 研 究 第 谷 (Tycho) 所 留 下 的 行 星 位 置 紀 錄 所 做 出 的 重 大 成 果 1609 年 發 表 第 一 與 第 二 定 律, 十 年 後,1619 年 又 發 表 了 第 10

11 三 定 律 三 個 定 律 概 述 如 下 : 06.A. 第 一 定 律 : 行 星 繞 中 心 恆 星 運 行 的 軌 道 為 橢 圓, 中 心 恆 星 位 在 橢 圓 的 焦 點 之 一 06.B. 第 二 定 律 : 又 稱 為 等 面 積 速 率 定 律, 中 心 恆 星 與 行 星 的 連 線, 在 相 同 的 時 間 掃 過 相 同 的 面 積 請 參 考 圖 6, 相 等 時 間 行 星 掃 過 的 面 積 ( 灰 色 ) 相 等 06.C. 第 三 定 律 : 行 星 軌 道 週 期 的 平 方 與 其 平 均 半 徑 的 立 方 成 正 比 即 : 公 轉 週 期 2 / 軌 道 平 均 半 徑 3 = 定 值 圖 6 等 面 積 速 率 示 意 圖 07. 往 外 邁 進 天 王 星 海 王 星 冥 王 星 的 發 現 這 些 更 外 側 行 星 的 基 本 資 料 幾 乎 都 是 由 航 海 家 二 號 獨 自 完 成 航 海 家 二 號 是 唯 一 到 過 這 幾 顆 行 星 的 探 測 船, 其 資 料 亦 珍 貴 無 比, 如 欲 知 曉, 請 自 行 參 考 航 海 家 二 號 的 任 務 內 容 與 成 果 1781 年, 英 國 天 文 學 家 威 廉 赫 歇 爾 (William Herschel) 用 他 的 望 遠 鏡 觀 測 時, 在 雙 子 座 發 現 了 一 顆 淡 綠 色 的 星 星 經 過 連 續 幾 天 的 追 蹤 觀 測, 他 認 為 這 一 定 是 太 陽 系 中 的 天 體, 可 能 是 彗 星 他 甚 至 撰 寫 了 一 篇 有 關 這 顆 慧 星 的 報 告, 不 過, 後 來 當 然 是 知 道 這 是 行 星 啦! 事 實 上, 回 溯 以 往 的 觀 測 資 料, 天 王 星 早 就 被 發 現 多 次 只 是 過 往 觀 測 者 的 不 夠 細 心 罷 了,1690 年 的 John Flamsteed 早 就 發 現 它 了, 但 卻 把 它 編 為 34 Tau( 金 牛 座 34 號 星 ) 後 來 Bode 建 議 仍 以 希 臘 神 話 人 物 命 名, 是 謂 Uranus 海 王 星 是 第 一 個 透 過 天 體 力 學 計 算 後 被 發 現 的 行 星 因 為 天 王 星 的 軌 道 與 理 論 計 算 的 不 符 1845 年 Adams 和 Le Verrier 假 設 在 天 王 星 外 有 一 個 未 知 行 星, 而 計 算 了 這 個 行 星 的 可 能 的 位 置, 並 依 此 作 了 預 報 這 兩 位 的 計 算 考 量 只 納 入 木 星 土 星 天 王 星, 因 為 這 三 個 是 主 要 的 行 星 質 量 所 在

12 年 柏 林 天 文 臺 的 Galle 與 d'arrest 真 的 在 這 個 位 置 發 現 了 一 顆 新 的 行 星 : 海 王 星 Neptune 沒 發 現 還 好, 發 現 之 後, 展 開 了 一 場 新 行 星 命 名 與 誰 先 發 現 的 功 勞 爭 奪 戰 不 過 目 前 Adams 和 Le Verrier 是 共 享 了 發 現 的 榮 譽 1894 年, 美 國 亞 利 桑 那 的 天 文 學 家 Percival Lowell 建 造 了 以 他 名 字 命 名 的 Lowell 天 文 臺 他 想 搜 索 那 個 干 擾 海 王 星 軌 道 的 神 秘 天 體, 稱 為 行 星 X Lowell 先 進 行 了 理 論 計 算 的 工 作, 並 且 參 考 了 Adams 和 Le Verrier 對 於 海 王 星 軌 道 的 後 續 計 算 ; 推 測 出 了 那 顆 行 星 的 所 在 位 置 並 預 測 其 在 天 空 的 位 置, 然 而 在 他 有 生 之 年 卻 未 能 找 到 這 顆 行 星 1916 年 Lowell 去 世,Tombaugh 繼 續 在 Lowell 天 文 臺 進 行 單 調 且 辛 苦 的 檢 索 工 作 怎 麼 說 單 調 呢? 你 必 需 把 在 同 一 天 空 不 同 時 間 拍 攝 的 照 片 底 片, 從 照 片 背 後 打 燈 ; 有 點 像 是 把 兩 張 幻 燈 片 疊 起 來 看 一 下, 在 燈 光 的 照 射 下 輪 流 先 後 檢 查 看 看 所 有 的 星 點 天 體 是 否 都 沒 有 變 動 理 論 上, 只 有 被 拍 攝 到 的 行 星 會 有 位 置 變 化 但 是 當 然 沒 那 麼 簡 單, 光 是 定 位 就 可 以 費 掉 好 幾 十 分 鐘 這 樣 真 的 能 發 現 行 星 和 小 行 星 嗎? 成 果 是 留 給 付 出 毅 力 的 人 1930 年 1 月,Tombaugh 在 雙 子 座 的 兩 張 照 片 上 面 發 現 一 點 異 樣 在 這 兩 張 照 片 上 有 個 移 動 的 小 點 點, 就 這 樣 發 現 冥 王 星 但 過 了 兩 個 月,3 月 13 日 才 公 開 發 表 之 前 多 次 搜 索 冥 王 星 但 徒 勞 無 功 的 原 因, 是 由 於 它 比 預 期 的 要 昏 暗 得 多 之 後 回 溯, 發 現 在 1919 年 就 有 人 用 攝 影 方 法 紀 錄 到 冥 王 星 但 兩 張 照 片 因 其 他 原 因 ( 冥 王 星 剛 好 在 污 點 上 冥 王 星 旁 有 明 亮 恆 星 ) 而 與 冥 王 星 的 身 影 失 之 交 臂 看 起 來 又 是 天 體 力 學 的 一 次 勝 利, 不 過 其 實 完 全 不 是! 這 務 必 請 記 住, 因 為 冥 王 星 質 量 太 小 了, 絕 非 影 響 海 王 天 王 兩 大 氣 體 行 星 軌 道 變 動 的 兇 手 能 夠 尋 找 出 冥 王 星 可 算 是 幸 運 中 的 幸 運 事 實 上, 依 據 今 天 的 理 論 推 算, 海 王 星 的 軌 道 根 本 沒 有 錯 錯 的 是 過 去 的 計 算,Tombaugh 可 以 說 是 依 照 錯 誤 的 計 算 在 尋 找 天 體 的 所 以 找 到 冥 王 星, 真 的 是 太 幸 運 了! 還 真 不 得 不 承 認 一 下, 真 有 所 謂 運 氣 好 這 回 事 ( 我 不 好 意 思 用 狗 屎 運 這 詞 兒, 但 它 其 實 應 該 比 較 貼 切, 對 吧?) 08. 小 行 星 帶 講 小 行 星 的 故 事 前, 一 定 要 先 告 訴 大 家 一 個 經 驗 公 式 ; 即 Titius-Bode 規 則 規 則 很 簡 單, 太 陽 系 內 的 行 星, 由 近 到 遠 編 號 水 星 是 -, 金 星 是 0, 地 球 1, 火 星 2, 木 星 4, 土 星 5 依 此 類 推 帶 入 此 規 則, 馬 上 可 以 算 出 行 星 的 公 轉 軌 道 半 徑, 亦 即 到 太 陽 的 距 離, 公 式 如 下 : 行 星 到 太 陽 距 離 (AU)= N,N=,0,1,2,4,5 ( 方 程 式 1) 12

13 這 個 神 奇 的 公 式, 是 1766 年 德 國 一 位 中 學 教 師 Johann Daniel Titius 所 歸 納 的 後 來 被 柏 林 天 文 臺 的 臺 長 Johann Elert Bode 歸 納 成 了 一 個 經 驗 公 式 來 表 示 神 奇 的 公 式 是 很 誘 人 的, 至 少 對 於 苦 苦 無 法 突 破 瓶 頸 的 觀 測 天 文 學 家 是 : 當 時 太 陽 系 已 知 的 行 星 只 到 土 星, 也 就 是 N=5 的 地 方 土 星 距 離 太 陽 9.54AU, 有 人 把 望 遠 鏡 瞄 準 N=6, 也 就 是 19.6AU 的 地 方 找 啊 找 如 果 你 對 上 一 節 有 印 象, 應 該 記 得 1781 年 赫 歇 爾 發 現 了 什 麼 玩 意 天 王 星, 距 離 19.22AU! 神 奇 的 公 式 好 靈 啊! 鼓 動 著 人 們 繼 續 往 N=7 挑 戰 有 人 往 外 看, 同 時 也 有 人 發 現,N=3 呢?2.8AU 的 地 方, 應 該 要 有 點 名 堂 才 對! 神 奇 的 公 式 連 天 王 星 都 能 預 測 了, 沒 理 由 2.8AU 的 地 方 會 不 準 當 時 歐 洲 的 天 文 學 家 們 組 成 跨 國 性 團 隊, 全 天 劃 成 24 區 並 系 統 地 在 這 24 個 區 內 搜 索 這 個 幽 靈 行 星, 但 沒 有 任 何 成 果 幾 十 年 內, 天 文 學 家 努 力 但 徒 勞 無 功 最 後 天 文 界 普 遍 相 信 那 邊 真 的 沒 有 天 體, 即 使 有 也 必 定 極 黯 淡 微 小 這 倒 是 沒 說 錯, 就 在 天 王 星 發 現 的 二 十 年 後, 1801 年 的 1 月, 一 個 義 大 利 神 父 Giuseppe Piazzi 在 金 牛 座 附 近 發 現 一 個 天 體 稍 稍 的 移 動 了 起 初 他 以 為 發 現 彗 星, 追 蹤 幾 天 後 卻 發 現 天 體 出 現 了 行 星 特 有 的 逆 行 他 大 吃 一 驚, 立 刻 設 法 紀 錄, 並 將 相 關 資 料 送 往 前 面 所 說 的 觀 測 團 隊 但 陰 錯 陽 差,Piazzi 生 病 而 沒 有 繼 續 追 蹤, 相 關 資 料 送 到 團 隊 手 上 時, 目 標 已 經 跑 到 太 陽 後 面 去 了 但 數 學 家 高 斯 (Gauss) 幫 了 個 大 忙, 用 了 新 推 導 的 力 學 公 式 演 算 出 軌 道, 並 預 測 位 置 終 於 在 1801 年 的 年 底,Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers 逮 到 了 這 個 新 行 星, 新 行 星 的 地 位 確 定 了!Piazzi 以 穀 物 神 Ceres 的 名 字 為 行 星 命 名 2.8AU 的 空 位 填 滿 了, 是 該 放 鬆 的 時 候 了, 但 是 麻 煩 才 剛 開 始!1802 年 Olbers 在 幾 乎 與 榖 神 星 相 同 的 軌 道 上, 發 現 了 一 個 與 榖 神 星 幾 乎 一 模 一 樣 的 天 體 其 亮 度 移 動 速 度 軌 道 幾 乎 都 跟 榖 神 星 一 樣, 但 是 它 偏 偏 不 是 榖 神 星! 簡 直 就 像 榖 神 星 的 鬼 魂, 幸 好 這 個 謎 團 並 沒 有 困 擾 人 們 多 久 漸 漸 的 婚 神 星 灶 神 星 等 與 榖 神 星 接 近 的 天 體 漸 漸 被 發 現 人 們 了 解 到,2.8AU 的 地 方 其 實 是 存 在 一 大 片 小 行 星, 也 就 是 現 在 我 們 稱 為 小 行 星 帶 的 地 方 09. 太 陽 系 邊 緣 與 TAOS 計 畫 人 類 的 探 索 當 然 不 會 因 為 找 到 冥 王 星 而 停 止, 人 們 繼 續 地 往 太 陽 系 外 圍 探 索 Edgeworth 和 Kuiper 兩 人 分 析 太 陽 系 的 已 知 質 量 分 佈, 從 木 星 到 海 王 星 均 為 平 滑 連 續 曲 線 但 是 海 王 星 之 外, 質 量 曲 線 劇 減, 看 起 來 就 有 問 題 因 此 他 們 推 斷 在 海 王 星 以 外 的 地 帶 應 該 還 有 質 量 體 如 果 單 一 個 體 的 質 量 不 大, 那 總 數 量 應 該 很 龐 大 可 能 是 太 陽 系 形 成 初 期 留 下 來 的 物 質, 目 前 大 家 稱 之 為 庫 柏 帶 (Kuiper Belt) 不 過 由 於 距 離 太 陽 實 在 太 遠, 因 此 非 常 難 以 觀 測, 所 以 一 直 都 沒 有 進 展 13

14 八 十 年 代 時, 葉 永 烜 Duncan Fernandez 等 人 利 用 天 體 力 學 計 算 彗 星 與 行 星 的 遭 遇 發 現 受 木 星 控 制 的 短 週 期 彗 星, 極 有 可 能 是 來 自 庫 柏 帶 這 更 加 使 得 天 文 學 家 設 法 要 看 穿 這 冥 王 星 之 外 地 帶 的 秘 密 1992 年 是 太 陽 系 邊 緣 觀 測 的 一 大 里 程 碑 Jane Luu 與 David Jewitt 發 現 了 第 一 個 黯 淡 的 庫 柏 帶 天 體 (Kuiper Belt Object, KBO) 亮 度 約 23 等, 距 離 太 陽 44AU 爾 後 至 2004 年 左 右, 已 發 現 數 百 個 這 類 小 行 星 或 小 彗 星 從 這 些 KBO 的 大 小 和 軌 道 看 來, 冥 王 星 和 她 的 衛 星 Charon 恐 怕 也 就 是 KBO 的 一 員 但 大 了 點, 故 早 些 被 人 類 逮 到 十 公 尺 的 Keck 望 遠 鏡 可 以 觀 測 約 25 等, 哈 柏 望 遠 鏡 可 觀 測 約 28 等 星 但 推 測 一 般 KBO 星 等 可 能 約 30 等 或 更 暗, 因 此 想 要 直 接 觀 測 恐 怕 不 是 件 簡 單 的 事 情 一 個 可 能 的 方 法 是 利 用 KBO 遮 掩 遙 遠 恆 星 時 進 行 觀 測, 也 就 是 觀 測 掩 星 現 象 來 間 接 推 測 KBO 的 大 小 和 數 量 這 種 方 法 跟 天 體 的 距 離 較 無 關 係, 因 此 理 論 上 可 以 觀 測 到 遠 在 數 百 AU 處 的 KBO 中 美 掩 星 觀 測 計 劃 (Taiwanese-American Occultation Survey, TAOS) 是 中 央 研 究 院 天 文 研 究 所 與 美 國 合 作 的 計 畫 目 標 就 是 這 些 KBO,TAOS 在 鹿 林 前 山 天 文 臺 設 置 小 型 全 自 動 化 望 遠 鏡, 以 電 腦 自 動 監 測 數 千 顆 恆 星 的 亮 度 變 化 當 KBO 越 過 恆 星 遮 蔽 其 光 線 時, 星 光 亮 度 會 變 暗 根 據 恆 星 亮 度 的 變 化 情 形, 可 以 來 推 斷 KBO 的 情 形 當 然 也 可 能 是 誤 會 一 場, 這 就 是 TAOS 研 究 人 員 要 努 力 的 課 題 10. 行 星 環 (Ring) 的 討 論 美 麗 的 行 星 環, 尤 其 是 土 星 環 ; 一 直 是 眾 人 的 目 光 聚 集 之 處, 也 是 天 文 學 家 關 心 的 地 方 之 一, 為 什 麼 會 有 環? 一 般 而 言, 大 家 相 信 行 星 的 環 應 該 是 由 比 較 大 的 衛 星 碎 裂 而 來 的 如 果 是 行 星 自 己 慢 慢 收 集 的 岩 石 冰 塊 碎 片, 應 該 是 不 會 變 成 這 麼 漂 亮 整 齊 的 環 但 是 如 果 本 來 有 一 些 較 大 的 衛 星 正 在 繞 行 星 打 轉, 然 後 慢 慢 碎 開, 從 直 覺 上, 就 很 有 可 能 形 成 一 圈 碎 片 如 果 碎 的 衛 星 夠 大 顆, 或 是 數 量 夠 多, 那 麼 環 就 出 現 啦 所 以, 有 了 這 個 信 念 之 後, 問 題 就 變 成 了 衛 星 為 什 麼 會 碎 掉? 此 外, 更 有 人 注 意 到 環 之 中, 有 一 些 縫 隙 存 在 例 如 木 星 環 上 著 名 的 卡 西 尼 環 縫, 為 什 麼 這 個 地 方 不 會 有 環? 卡 西 尼 環 縫 極 為 明 顯, 即 使 是 圖 5.2 這 麼 小 的 土 星 影 像, 仍 然 可 以 清 楚 看 到 環 上 有 一 道 黑 色 的 地 帶 先 來 聊 聊 為 什 麼 衛 星 轉 得 好 好 的 要 碎 掉? 首 先 請 想 像 一 個 有 形 狀 的 物 體, 就 想 像 一 個 人 好 了, 有 個 人 存 在 一 個 重 力 場 內 這 個 重 力 場 很 強 大, 強 大 到 在 很 短 的 距 離 內, 重 力 就 有 大 幅 度 的 變 化 於 是 施 加 在 這 個 人 頭 與 腳 的 重 力, 有 力 道 上 的 不 同 假 如 重 力 施 加 的 力 量 差 異 大 到 與 人 體 組 織 筋 肉 的 強 度 差 不 多, 甚 至 是 人 體 難 以 承 受 的 力 量 差 距 時, 那 這 個 人 是 不 是 差 不 多 就 會 被 撕 開 了? 接 下 來 把 主 角 換 成 衛 星 就 不 難 想 像 衛 星 轉 一 轉, 卻 慢 慢 的 被 某 些 力 量 拉 扯, 終 至 碎 掉 這 股 力 量 被 稱 為 潮 汐 力 (Tidal Force), 跟 月 亮 拉 起 海 水 是 一 樣 的 作 14

15 用 皆 是 萬 有 引 力 的 作 用, 只 是 月 亮 沒 那 麼 強 悍, 可 以 把 東 西 從 地 球 上 拉 走 講 到 這 裡, 有 沒 有 一 點 似 曾 相 識 的 感 覺? 舒 梅 克 李 維 9 號 彗 星, 在 撞 到 木 星 前, 是 不 是 有 碎 裂 成 多 塊? 是 不 是 常 常 聽 見 彗 星 核 碎 成 幾 塊 云 云? 著 名 的 獅 子 座 流 星 雨 是 哪 個 彗 星 碎 裂 而 來 的? 下 一 個 問 題, 為 什 麼 會 有 卡 西 尼 環 縫 這 類 情 況 發 生? 難 道 衛 星 都 不 喜 歡 在 那 邊 碎 掉 嗎? 這 算 答 對 一 半, 人 們 目 前 認 為 的 原 因 被 稱 之 為 軌 道 共 振 現 象 (Orbital-Resonance Phenomena) 當 三 個 或 三 個 以 上 物 體 互 相 存 在 重 力 作 用, 有 互 繞 行 為 的 時 候, 從 理 論 上 就 已 經 註 定 有 某 些 軌 道 無 法 存 在 其 實 也 不 能 說 不 存 在, 只 是 這 些 特 定 的 軌 道 相 當 不 穩 定 即 使 這 個 重 力 系 統 生 成 了 這 樣 的 軌 道, 天 體 將 相 當 容 易 跑 掉 或 可 能 是 轉 換 軌 道, 或 可 能 一 去 不 回 甚 至 如 果 是 小 衛 星, 可 能 就 被 吸 向 中 心 的 行 星, 最 後 被 潮 汐 力 扯 碎 小 衛 星 碎 的 多 了 就 變 環 囉 不 論 概 念 用 到 行 星 繞 恆 星 或 是 衛 星 繞 行 都 一 樣 成 立, 所 以 你 會 發 現 某 些 軌 道 上 面 無 法 存 在 衛 星 倒 不 是 衛 星 挑 剔, 而 是 這 樣 的 系 統 下, 衛 星 無 法 穩 定 的 存 在 某 些 軌 道 上 好 比 說, 在 卡 西 尼 環 縫 的 附 近, 可 能 正 是 這 類 不 穩 定 的 軌 道, 即 使 有 衛 星 曾 經 存 在, 但 可 能 不 久 就 會 離 開 此 處 其 實 共 振 這 個 現 象 在 數 學 上 是 很 容 易 推 導 出 來 的 當 然 啦 所 謂 容 易 的 意 思 是 如 果 你 有 學 過 簡 單 的 微 分 方 程 為 了 不 用 數 學 殘 害 大 家 的 腦 力, 在 此 嘗 試 用 定 性 的 方 式 描 述, 希 望 大 家 能 想 像 首 先 要 重 新 強 調 幾 件 事 情 : 第 一 個 是 所 謂 共 不 共 振 的, 前 提 都 是 在 討 論 三 個 或 是 三 個 物 體 以 上 的 重 力 互 繞 系 統 此 外, 不 管 是 衛 星 繞 行 星 或 是 行 星 繞 恆 星 都 是 同 樣 的 原 理, 一 概 適 用 什 麼? 太 陽 系 沒 有 這 樣 的 現 象? 難 道 你 以 為 小 行 星 帶 是 沒 事 有 一 群 小 行 星 自 己 跑 去 形 成 的 嗎? 順 便 提 一 下, 火 星 木 星 間 的 小 行 星 帶 有 一 個 很 大 的 間 隙, 這 個 軌 道 上 幾 乎 沒 有 天 體, 稱 為 Kirkwood gaps 還 不 懂? 唉 唷 就 是 太 陽 系 版 的 卡 西 尼 環 縫 啦! 圖 7 軌 道 共 振 講 解 用 圖 15

16 請 看 圖 7, 以 行 星 衛 星 系 統 來 說 明 有 一 個 衛 星 一 號, 代 表 了 大 部 份 的 衛 星 質 量 有 一 個 飽 受 欺 負 的 小 衛 星, 用 白 色 圈 表 示 並 標 定 完 美 的 軌 道 形 狀 及 其 上 的 四 個 位 置 分 別 是 1 至 4 中 間 則 是 行 星 當 小 衛 星 來 到 3 的 位 置 時, 會 受 到 比 較 大 的 朝 向 行 星 拉 力, 所 以 軌 道 會 稍 微 偏 近 內 側 但 到 了 1 的 位 置 時, 則 會 受 到 較 為 多 一 些 些 的 與 行 星 反 向 拉 力, 所 以 軌 道 可 能 又 稍 稍 往 外 側 一 些 在 2 或 是 4 的 位 置 時, 則 是 中 間 狀 態 這 就 如 同 盪 鞦 韆 一 般, 盪 來 盪 去 的 過 程 中, 需 要 有 一 股 力 量 推 或 拉 以 維 持 運 作 倘 若 你 是 那 個 幫 助 鞦 韆 運 作 的 人, 你 隨 機 挑 時 間 推 或 拉, 那 麼 鞦 韆 基 本 上 還 是 能 夠 運 作 就 像 大 部 份 的 衛 星 運 行 軌 道 上, 衛 星 一 號 與 中 心 行 星 合 作, 有 時 候 把 小 衛 星 拉 往 內, 有 時 推 往 外 但 假 如 你 推 鞦 韆 時, 算 準 了 鞦 韆 搖 擺 的 週 期, 只 在 鞦 韆 迎 面 來 的 時 候 推 一 把, 或 只 在 鞦 韆 去 的 時 候 拉 一 把 ; 那 麼 鞦 韆 很 快 就 會 停 下 來, 穩 定 的 擺 盪 也 就 被 破 壞 了 反 之, 鞦 韆 越 擺 越 高 也 同 樣 是 另 一 種 不 穩 定 的 表 現 同 理, 如 果 碰 巧 衛 星 一 號 與 小 衛 星 的 週 期 有 著 某 一 種 巧 合 的 時 候, 就 可 能 推 推 拉 拉 的 把 這 個 小 衛 星 慢 慢 的 帶 離 這 個 特 定 的 軌 道 結 果 命 運 就 會 變 成 凡 存 在 此 特 定 軌 道 上 的 東 西 最 後 都 會 被 請 離 開 我 們 都 知 道, 距 離 中 心 行 星 越 遠, 衛 星 的 繞 行 週 期 也 會 隨 之 改 變 克 卜 勒 的 行 星 運 動 第 三 定 律 給 出 了 繞 轉 半 徑 與 繞 轉 週 期 的 關 係 因 此, 只 要 有 個 衛 星 一 大 剌 剌 的 存 在 那 裡, 總 會 有 些 軌 道 會 被 掃 空 現 在 你 把 這 個 遊 戲 規 則 套 用 到 行 星 環 上 頭, 應 該 就 不 難 理 解 卡 西 尼 環 縫 的 原 因 了 當 然, 也 可 能 只 是 土 星 環 生 成 時 間 不 夠 久, 還 沒 有 傢 伙 跑 到 那 裡 而 已 有 時 候 不 要 想 得 太 複 雜, 大 自 然 是 沒 有 那 麼 複 雜 的! 11. 太 陽 系 的 年 齡 與 誕 生 太 陽 系 怎 麼 生 成 的, 地 球 怎 麼 生 成 的, 太 陽 系 幾 歲? 這 些 永 遠 是 人 類 的 熱 門 課 題 地 球 上 用 放 射 性 定 年 法 測 量 的 最 古 老 地 質 是 38 億 年, 欸? 好 像 不 太 對, 似 乎 聽 過 一 個 說 法 說 地 球 是 46 億 年 耶? 其 實 對 天 文 學 家 來 說 38 與 46 都 是 同 一 個 數 量 級, 恐 怕 天 文 學 家 不 會 太 計 較 這 部 份 但 是 或 許 一 般 人 很 在 意 吧? 想 想 8 億 年 夠 我 們 活 多 少 輩 子 呀? 46 億 這 個 數 字 是 來 自 隕 石 的 阿 波 羅 計 畫 後 帶 回 的 月 球 岩 石 也 測 出 了 同 樣 的 年 份 所 以 答 案 開 始 指 向 可 能 在 三 十 八 億 年 前, 地 球 有 重 新 熔 融 過 如 果 暫 時 先 放 棄 計 較 這 8 億 年 的 話 ; 那 麼 我 們 還 有 興 趣 : 究 竟 一 個 行 星 系 統 是 如 何 生 成 的? 是 否 恆 星 形 成 的 過 程 中, 必 然 會 形 成 行 星 系 統 呢? 幾 十 億 年 的 時 光, 連 冥 王 星 年 都 已 經 過 個 幾 千 年 了 ; 這 長 期 以 來 的 軌 道 動 力 結 構 上, 是 否 會 有 重 大 改 變? 先 說 個 欠 打 的 答 案, 其 實 科 學 家 也 不 知 道 假 如 知 道 的 話, 必 定 是 諾 貝 爾 獎 頒 不 完 了, 但 是 我 們 可 以 簡 單 討 論 一 下 目 前 所 知 首 先, 目 前 人 們 比 較 傾 向 相 信 : 恆 星 生 成 的 雲 氣 與 殘 餘 物 質 可 能 會 形 成 盤 狀, 16

17 漸 漸 的 繞 著 中 心 恆 星 打 轉 但 我 們 太 陽 系 內 豐 富 的 元 素 是 誰 留 給 我 們 的, 則 眾 說 紛 紜 超 新 星, 或 者 是 化 學 同 位 素 的 異 常 變 化 理 論 都 有 人 提 繞 轉 的 雲 氣 與 塵 埃 顆 粒 如 果 有 形 成 一 些 核, 或 有 可 能 逐 漸 聚 集 形 成 一 或 多 個 類 木 行 星 當 形 成 類 木 行 星 後, 因 為 行 星 與 氣 體 盤 的 作 用, 氣 體 盤 會 被 這 一 或 多 個 行 星 劃 出 一 道 溝 外 側 的 氣 體 塵 埃 漸 漸 的 被 排 到 太 陽 系 外 側 內 側 氣 體 則 被 中 心 恆 星 掃 蕩, 並 漂 著 密 度 較 大 的 一 些 物 質 如 果 凝 聚 成 核, 則 可 能 生 成 類 地 行 星 還 是 要 強 調, 這 是 目 前 人 們 相 信 而 絕 非 完 全 正 確 的 理 論 瑕 疵 是 有 的, 如 果 你 不 信, 那 麼 大 家 都 在 歡 迎 你 提 出 一 套 更 令 人 信 服 的 理 論, 加 油 吧! 並 祝 你 因 此 而 拿 諾 貝 爾 獎 三 星 星 (Stars) 01. 赫 羅 圖 (H-R Diagram) 與 主 序 星 (Main Sequence Star) 的 概 念 約 二 十 世 紀 初, 丹 麥 天 文 學 家 Hertzsprung 與 美 國 天 文 學 家 Russell 分 別 提 出 : 如 果 以 星 星 的 發 光 能 力 以 及 表 面 溫 度 來 做 天 上 現 有 恆 星 分 類 的 話, 似 乎 可 以 得 到 些 有 趣 的 事 情 先 別 忙 著 覺 得 無 聊! 想 想 看, 都 有 人 會 去 胡 扯 愛 不 愛 臺 灣 的 關 係 了, 那 統 計 恆 星 的 溫 度 跟 發 光 能 力 算 什 麼 麻 煩? 圖 8 赫 羅 圖 Copyright Lecture Note of Astrophysics, FrankShu. 如 圖 8, 當 我 們 把 恆 星 的 溫 度 作 為 橫 軸, 再 把 恆 星 的 發 光 能 力 當 成 縱 軸 17

18 每 個 恆 星 都 有 一 組 發 光 能 力 以 及 溫 度, 所 以, 就 在 這 個 圖 上 點 一 點 當 把 足 夠 數 目 的 恆 星 放 到 圖 上 時, 會 出 現 一 些 分 布 情 形 這 表 示, 恆 星 們 的 溫 度 以 及 發 光 的 能 力 有 一 些 關 係 爾 後 這 張 圖 稱 為 赫 羅 圖, 對 了! 注 意 橫 軸 座 標 的 溫 度 向 右 是 遞 減, 也 就 是 越 來 越 低 溫 天 文 學 家 繼 續 研 究, 發 現 大 部 份 的 星 球 集 中 在 這 張 圖 由 左 上 到 右 下 的 一 條 帶 狀 上 如 果 狀 態 停 駐 在 此 帶 中 的 恆 星, 基 本 上 都 是 穩 定 生 存 中 ; 沒 有 相 對 激 烈 的 演 化 或 是 活 躍 行 為 恆 星 一 旦 生 成 開 始 發 光 之 後, 就 會 停 在 此 帶 上 長 達 90% 以 上 的 生 命 歲 月 像 是 星 星 的 青 壯 年 時 期 般, 於 是 天 文 學 家 稱 這 條 帶 為 主 序 列 帶 (Main Sequence), 這 些 星 稱 之 為 主 序 星 在 此 帶 之 外, 星 星 大 多 不 是 主 序 星 一 般 來 說 是 正 在 誕 生 或 是 已 經 在 演 化 末 期 的 星 球 隨 著 演 化 或 誕 生 的 過 程, 星 星 的 溫 度 以 及 發 光 情 況 會 改 變, 也 就 會 在 赫 羅 圖 上 面 有 所 移 動 02. 恆 星 光 譜 類 型 (Spectral Type) 有 否 注 意 到 圖 8 的 赫 羅 圖 橫 軸? 上 一 節 不 斷 的 說 是 溫 度 是 溫 度, 怎 麼 圖 上 卻 是 標 O B A F G K M? 其 實, 溫 度 高 低 不 同 對 應 的 恆 星 光 譜 類 型 就 不 同, 從 高 溫 的 O 降 低 到 B A 直 到 低 溫 的 M 此 外 每 個 光 譜 類 型 下 面 還 有 細 分 為 0 至 9, 一 樣 是 隨 數 字 增 大 而 溫 度 漸 減 例 如 B0 至 B9,B0 比 B9 高 溫 一 些, 詳 見 表 1 表 1 恆 星 光 譜 類 型 之 歸 納 光 譜 視 覺 顏 色 表 面 溫 度 (K) 主 要 光 譜 上 的 特 徵 型 O 藍 或 藍 白 >30,000 具 有 離 子 化 的 氦 (He) 及 其 他 元 素 的 譜 線 ; 不 過 氫 (H) 的 譜 線 不 明 顯 B 藍 白 11,000~30,000 有 較 強 的 氫 譜 線 中 性 氦, 及 一 些 游 離 化 的 元 素 也 都 可 能 有 A 白 7,500~11,000 氫 譜 線 十 分 強! 有 游 離 鈣 (Ca II) 鐵 (Fe) 鎂 (Mg) 等 元 素, 無 氦 (He) F 黃 白 6000~7500 氫 線 又 再 轉 弱, 鈣 線 十 分 清 晰 G 黃 5000~6000 強 烈 的 鈣 線 和 其 他 中 性 與 離 化 金 屬 元 素 的 譜 線, 氫 線 較 F 型 星 更 弱 K 橘 黃 3500~5000 金 屬 元 素 譜 線 佔 盡 優 勢, 氧 化 鈦 分 子 開 始 出 現 ; 氫 線 甚 弱 M 紅 2000~3500 強 列 的 中 性 金 屬 元 素 與 氧 化 鈦 譜 帶 小 問 題 : 大 家 來 思 考 一 下, 看 過 這 麼 多 星 星, 為 什 麼 好 像 沒 看 過 綠 色 的 星 星? 18

19 03. 恆 星 的 奇 行 種 上 節 的 光 譜 類 型 其 實 是 對 主 序 星 以 及 演 化 星 球 而 言 後 來, 有 人 發 現 一 些 比 較 暗 的 星 但 這 些 暗 星 是 真 的 很 暗, 而 且 不 是 因 為 距 離 很 遠 科 學 家 暫 時 稱 之 為 棕 矮 星 (Brown Dwarf) 經 過 研 究 之 後, 發 現 這 些 星 跟 一 般 恆 星 一 樣 來 自 宇 宙 間 的 物 質 氣 體 凝 聚 而 成 但 問 題 是 它 們 質 量 不 足, 發 不 了 光 雖 然 有 微 小 的 輻 射 量, 卻 不 到 發 光 發 熱 的 境 界 於 是, 科 學 家 又 戲 稱 棕 矮 星 為 失 敗 的 星 球 (Failed Stars) 另 外 還 有 一 類 天 體 叫 做 緻 密 天 體, 它 包 含 白 矮 星 中 子 星 與 黑 洞, 其 中 白 矮 星 是 較 輕 質 量 恆 星 的 演 化 結 果 本 身 已 經 不 再 產 生 能 量 但 還 帶 著 高 熱, 因 此 還 會 發 光 等 到 越 來 越 冷, 便 會 漸 漸 黯 淡 下 去, 暗 到 變 成 黑 矮 星 離 開 了 主 序 帶 的 恆 星, 到 底 會 如 何 演 化, 與 它 們 的 質 量 有 非 常 密 切 的 關 係 不 同 質 量 的 恆 星, 會 有 不 同 的 演 化 途 徑 目 前 恆 星 的 演 化 情 形 是 以 理 論 推 算, 然 後 推 想 每 個 演 化 階 段, 恆 星 看 起 來 應 該 長 什 麼 樣 子 最 後 設 法 找 到 觀 測 事 實 來 輔 佐 理 論 的 正 確 性 目 前 相 信 的 演 化 理 論, 大 抵 來 說 分 重 質 量 與 輕 質 量 輕 質 量 恆 星 的 演 化 比 較 五 花 八 門, 有 時 或 有 些 有 趣 的 行 為 好 比 說 大 量 拋 出 它 擁 有 的 物 質, 之 後 形 成 美 麗 的 行 星 狀 星 雲 (Planetary Nenulae) 等, 而 最 後 中 心 剩 下 一 顆 白 矮 星 重 質 量 恆 星 演 化 之 後, 大 抵 會 經 過 膨 脹 成 為 超 巨 星 (Super Giant) 然 後 以 超 新 星 爆 炸 作 為 終 結, 中 心 剩 下 中 子 星 (Neutron Star) 或 是 黑 洞 (Black Hole) 04. 太 陽 (Sun) 太 陽 的 光 譜 類 型 是 G2, 表 面 溫 度 大 約 攝 氏 6000 度 目 前 大 家 相 信 太 陽 的 年 齡 大 約 50 億 年 而 根 據 理 論 計 算 出 來 的 太 陽 壽 命 則 大 概 是 100 億 年, 所 以 太 陽 可 謂 邁 入 中 年 的 星 星 太 陽 的 外 層 有 著 大 氣 部 份, 包 含 了 光 球 層 色 球 層 日 冕 與 太 陽 風 向 內 部 前 進 則 進 到 對 流 層 輻 射 層 以 及 最 內 的 核 心 核 心 就 是 太 陽 的 能 量 生 產 工 廠 能 量 被 產 生 後 就 往 外 傳 到 輻 射 層, 在 此 以 光 作 為 能 量 的 傳 導 方 式, 故 稱 為 輻 射 層 然 後 傳 到 比 較 淺 的 地 方, 就 變 成 以 對 流 活 動 來 傳 導 能 量 接 著 就 傳 到 外 層 的 大 氣, 光 球 色 球 層, 向 外 輻 射 至 太 空 太 陽 既 然 是 最 近 的 恆 星, 所 以 自 然 是 許 多 人 關 注 的 焦 點 太 陽 雖 然 不 算 是 一 個 很 大 的 恆 星, 但 是 因 為 離 我 們 近, 所 以 有 許 多 現 象 可 以 被 觀 察 的 清 清 楚 楚 的 包 含 太 陽 表 面 的 許 多 活 動 太 陽 黑 子 太 陽 磁 場 等 以 下 簡 單 介 紹 常 見 的 大 氣 結 構 日 冕 以 及 常 見 的 太 陽 活 動 黑 子 與 日 珥 04.A. 太 陽 大 氣 結 構 之 一 : 日 冕 (Corona) 日 冕 溫 度 約 百 萬 K, 其 原 因 是 到 目 前 為 止 尚 未 有 定 論 的 課 題 目 前 一 派 比 較 有 力 的 說 法 是 來 自 太 陽 磁 場 的 加 溫 如 果 你 知 道 為 什 麼 的 話, 那 麼 趕 快 發 表 吧! 諾 貝 爾 獎 應 該 就 是 頒 給 你 啦 日 全 食 的 過 程 中, 當 進 入 全 食 階 段, 月 球 將 太 陽 大 致 遮 住 的 時 候 ; 可 19

20 見 到 圍 繞 太 陽 四 周 有 一 片 淡 白 色 的 暈 似 乎 從 太 陽 向 外 延 伸 至 太 空, 那 就 是 所 謂 的 日 冕 雖 然 它 看 起 來 很 亮 但 其 實 密 度 很 低, 約 為 我 們 平 常 所 生 存 的 大 氣 的 十 億 分 之 一, 比 地 球 上 的 實 驗 室 能 達 到 的 真 空 程 度 還 要 更 低 然 而 這 麼 低 密 度, 卻 又 這 麼 高 溫, 這 是 令 人 難 以 直 觀 想 像 的 也 因 此 日 冕 的 加 熱 機 制 至 今 還 沒 有 令 人 信 服 的 肯 定 理 論 此 外, 日 冕 輻 射 形 形 色 色, 有 紫 外 線 及 X-ray 等, 也 是 另 一 個 眾 所 關 注 之 處 04.B. 太 陽 活 動 之 一 - 太 陽 黑 子 (Sunspot) 黑 子 區 的 溫 度 較 太 陽 表 面 其 他 地 方 低, 黑 子 約 4000K 左 右 所 以 相 對 較 暗, 在 太 陽 影 像 上 看 起 來 是 黑 的 此 外 黑 子 常 常 成 群 出 現, 並 且 在 黑 子 附 近 可 以 測 量 到 巨 大 的 磁 場 圖 9.1 日 冕 Copyright(c)Fred Espenak 圖 9.2 日 珥 ( 右 上 角 ) Copyright(c)TRACE Project, NASA (NASA/GSFC) 04.C. 日 珥 (Prominence) 日 珥 是 太 陽 的 活 動 之 一, 從 太 陽 表 面 向 上 一 直 到 日 冕 都 是 日 珥 現 象 的 勢 力 範 圍 觀 測 日 全 食 的 時 候, 運 氣 好 可 以 發 現 日 冕 的 底 部 有 點 紅 紅 的 那 其 實 就 是 日 珥 囉! 圖 9.2 顯 示 出 一 全 日 面 影 像, 右 上 角 可 以 見 到 有 活 躍 的 日 珥 現 象 日 珥 本 身 是 一 些 游 離 的 氣 體, 我 們 稱 之 為 電 漿 (Plasma) 可 以 視 為 物 質 三 態 之 上, 更 高 溫 的 一 態 : 第 四 態 電 漿 本 身 由 於 溫 度 很 高, 其 中 的 原 子 分 子 被 拆 成 一 大 堆 的 電 子 以 及 離 子 們, 所 以 電 漿 的 運 動 會 受 到 磁 場 的 干 擾 ( 電 生 磁 磁 生 電, 這 能 接 受 吧?) 以 及 束 縛 太 陽 磁 場 的 磁 力 線 橫 亙 於 太 陽 表 面 附 近, 所 以 表 面 附 近 的 電 漿 會 沿 著 磁 力 線 運 動, 並 被 束 縛 在 磁 場 結 構 中, 然 後 被 牽 引 而 突 出 表 面, 形 成 圖 9.2 所 看 到 的 那 個 樣 子 你 是 否 也 覺 得 那 個 線 條 很 像 磁 力 線 的 分 布 呢? 20

21 04.D. 日 震 學 (Helioseismology) 瞭 解 星 球 內 部 結 構 是 天 文 學 家 長 久 以 來 的 夢 想 過 去 我 們 對 星 球 內 部 結 構 的 瞭 解, 大 多 都 是 由 理 論 推 測 而 得 但 於 七 十 年 代 興 起 的 日 震 學 (Helioseismology), 提 供 了 天 文 學 家 一 個 相 當 準 確 的 方 法 來 瞭 解 太 陽 內 部 的 結 構, 如 聲 速 自 轉 速 度 磁 場 化 學 組 成 對 流 運 動 等 顧 名 思 羲, 日 震 學 這 個 名 詞 係 由 地 震 學 (Seismology) 引 申 而 來 地 震 學 是 利 用 地 震 或 其 他 原 因 造 成 的 震 波 來 瞭 解 地 球 內 部 的 結 構, 日 震 學 則 是 利 用 太 陽 表 面 觀 測 所 得 的 震 波 來 瞭 解 太 陽 內 部 的 結 構 不 同 的 是, 對 地 球 震 波 我 們 可 知 其 波 源 的 位 置 而 對 太 陽 震 波 來 說, 太 陽 上 每 個 點 都 是 震 波 的 波 源 而 且 任 何 時 刻 任 何 地 點 太 陽 震 波 都 存 在 因 此 日 震 學 必 須 發 展 不 同 的 方 法, 利 用 太 陽 表 面 的 震 波 資 料 來 推 測 內 部 的 結 構 常 用 的 方 法 之 一 是 由 震 波 的 色 散 關 係 (Dispersion Relation) 來 反 推 太 陽 內 部 的 結 構 色 散 關 係 為 波 長 與 頻 率 的 關 係, 波 的 色 散 關 係 反 應 了 波 所 存 在 區 域 的 物 理 性 質 不 同 模 式 的 波, 存 在 的 區 域 不 同, 因 此 不 同 模 式 的 波 反 應 不 同 區 域 的 物 理 性 質 經 由 比 較 不 同 模 式 的 色 散 開 係, 原 則 上 我 們 可 推 得 太 陽 內 部 的 物 理 性 質, 但 前 提 是 要 有 長 時 間 且 連 續 的 數 據 而 地 球 自 轉 造 成 的 日 出 日 落, 使 得 同 一 觀 測 站 無 法 取 得 連 續 的 數 據 天 文 學 家 解 決 此 問 題 的 方 法 有 三 : 最 佳 的 辦 法 是 將 望 遠 鏡 放 在 太 空 中 適 當 的 地 點 歐 美 合 作 的 SOHO 衛 星, 於 1996 年 底 發 射 至 太 陽 與 地 球 之 間 的 引 力 平 衡 點 獲 得 連 續 性 相 當 好 且 不 受 大 氣 影 響 的 數 據 但 所 需 經 費 龐 大 壽 命 短 且 冒 險 性 大 (SOHO 曾 多 次 故 障, 幾 無 堪 用 的 陀 螺 儀 ) 第 二 個 方 法 是 在 南 北 極 觀 測 但 其 缺 點 是 南 北 極 天 氣 不 好, 太 陽 太 接 近 水 平 面 且 一 年 中 僅 有 數 個 月 的 觀 測 時 間, 所 需 經 費 也 相 當 龐 大 最 後 一 個 也 是 目 前 最 普 及 的 辦 法, 是 在 全 球 適 當 的 經 度 上 放 置 相 同 的 望 遠 鏡 使 太 陽 不 下 山, 以 連 續 關 測 目 前 全 世 界 有 數 個 觀 測 網 臺 灣 日 震 觀 測 網 (Taiwan Oscillation Network, TON) 為 主 要 的 觀 測 網 之 一 05. 星 震 學 (Asteroseismolgy) 星 震 學 發 展 的 很 早, 早 在 1994 年 就 已 經 有 人 對 整 個 星 震 學 作 出 回 顧 了 (T.M Brownetal, 1994) 其 中 歸 納 出 了 好 幾 種 的 星 球 : 包 含 白 矮 星 (White Dwarfs) roap 型 星 (rapidly oscillation Ap Star) 盾 牌 座 δ 型 變 星 (δ Scuti) 仙 王 座 β 型 變 星 (β Cephei) 以 及 近 似 太 陽 型 (Sun-like) 的 恆 星 當 然 也 有 人 研 究 更 早 就 已 經 開 始 研 究 的 米 拉 型 變 星 (Mira) 天 琴 座 RR 型 變 星 (Lyre RR) 典 型 造 父 變 星 (δ Cephei) 等 既 然 稱 之 為 星 震, 表 示 研 究 的 對 象 就 是 星 球 的 震 盪 行 為 星 球 在 生 老 病 死 的 過 程 中, 總 是 會 有 許 許 多 多 的 物 理 過 程 來 維 持 其 發 光 發 熱 而 星 球 演 化 到 某 些 時 刻 便 有 可 能 出 現 使 星 球 不 穩 定 的 物 理 機 制, 從 而 導 致 震 盪 的 開 始 但 是 這 不 穩 定 則 又 不 足 以 使 星 球 全 面 崩 潰 因 此 震 盪 成 了 一 個 暫 時 穩 定 的 狀 21

22 態, 研 究 這 個 震 盪 的 頻 率, 以 及 震 盪 的 模 式 (Mode), 就 可 以 讓 我 們 得 到 許 多 有 關 這 時 期 星 球 的 各 項 物 理 資 訊 四 雙 星 變 星 與 星 際 介 質 01. 雙 星 (Double Stars) 在 觀 測 天 空 的 過 程 中, 其 實 常 常 可 以 看 到 兩 顆 非 常 靠 近 的 恆 星 古 人 不 太 精 確 的 就 把 這 一 類 的 傢 伙 們 通 通 稱 為 雙 星 (Double Stars), 所 以 雙 星 的 由 來 實 在 沒 什 麼 好 神 秘 的 對 了 那 個 古 人 就 是 托 勒 密, 是 他 第 一 次 用 雙 星 (Double Stars) 這 個 名 詞 來 稱 呼 兩 顆 靠 的 很 近 的 星 雙 星 簡 單 的 分 成 光 學 雙 星 (Optical Binaries) 視 雙 星 (Visual Binary Stars) 天 文 幾 何 雙 星 (Astrometric Binary Stars) 光 譜 雙 星 (Spectroscopic Binary Stars) 食 雙 星 (Eclipsing Binaries) 等 兩 顆 星 恰 巧 位 於 同 一 視 線 方 向, 看 起 來 靠 很 近, 在 視 覺 上 看 起 來 像 是 雙 星 的, 就 稱 為 光 學 雙 星 (Optical Binaries) 例 如 北 斗 七 星 裡 面 的 開 陽, 開 陽 旁 邊 有 一 顆 視 覺 上 的 雙 星 名 為 輔, 現 在 確 定 開 陽 與 輔 並 非 一 個 雙 星 系 統 不 過, 開 陽 本 身 則 是 真 的 有 一 顆 小 小 的 伴 星, 所 以 開 陽 本 身 是 貨 真 價 實 的 雙 星 系 統 喔! 兩 顆 星 星 處 在 同 一 個 重 力 系 統, 互 相 影 響 對 方 軌 道 的 稱 為 雙 星 (Binary Stars) 中 文 雖 然 都 翻 譯 為 雙 星, 但 還 是 要 提 醒 大 家 Double Stars 與 Binary Stars 在 定 義 上 並 不 完 全 相 同 在 雙 星 系 統 之 中, 兩 顆 星 以 橢 圓 形 的 軌 道 互 繞, 這 有 時 可 以 由 觀 測 恆 星 的 移 動 情 況 來 決 定 視 雙 星, 是 在 望 遠 鏡 之 中 即 可 以 觀 測 出 星 星 的 互 繞 情 形, 進 而 決 定 這 個 雙 星 系 統 的 一 些 性 質, 例 如 週 期 之 類 的 天 文 幾 何 雙 星 是 指, 我 們 只 看 到 一 顆 星, 但 種 星 的 運 動 軌 道 是 波 浪 狀 的 這 種 現 象 我 們 認 為 是 這 顆 星 與 它 旁 邊 的 暗 星 互 繞 所 造 成 的, 這 樣 的 雙 星 系 統 稱 為 天 文 幾 何 雙 星 換 言 之, 觀 測 上 沒 看 到 伴 星 ( 可 能 太 暗, 可 能 離 主 星 太 近 ), 但 卻 看 到 主 星 在 微 微 的 動, 根 據 主 星 的 移 動 便 有 機 會 推 斷 出 是 否 為 雙 星 或 可 進 而 提 取 出 雙 星 系 統 的 一 些 資 訊 光 譜 雙 星 更 麻 煩, 連 主 星 看 起 來 也 沒 有 運 動 的 現 象 ( 可 能 太 遠 等 ) 但 是 利 用 光 譜 觀 測 主 星 時, 卻 可 以 略 略 發 現 有 些 都 卜 勒 位 移 食 雙 星 則 是 較 為 有 趣 的 情 況, 其 中 兩 顆 星 偶 爾 會 互 相 遮 住 ( 對 於 地 球 的 觀 察 者 而 言 ), 所 以 我 們 可 以 看 到 星 的 亮 度 會 有 規 律 而 特 別 的 變 化 02. 變 星 (Variable Star) 變 星 也 是 個 有 趣 的 課 題, 星 光 為 何 而 變? 憑 什 麼 變? 概 略 來 說, 變 星 就 是 亮 度 會 變 化 的 星, 人 們 就 把 它 通 通 叫 做 變 星 啦! 你 一 定 覺 得 很 不 精 確 不 過, 你 也 不 能 說 有 錯, 本 來 嘛 星 光 會 變 的 22

23 話, 你 不 叫 它 變 星 那 要 叫 什 麼 呢? 變 星 最 初 的 分 法 是 1881 年 的 Pickering 所 分, 共 計 新 星 長 週 期 變 星 造 父 變 星 不 規 則 變 星 和 食 變 星 五 類 隨 著 時 代 演 進, 分 類 法 也 會 稍 有 演 變, 但 大 抵 相 同 只 是 到 了 近 代, 由 於 我 們 對 變 星 的 了 解 更 多 了, 所 以 就 有 人 建 議 以 變 星 的 光 變 機 制 來 源 作 為 分 類 依 據 據 此 分 類 可 粗 分 為 脈 動 變 星 爆 發 變 星 和 幾 何 變 星 三 個 大 類 三 大 類 各 自 又 細 分 一 些 類 別 脈 動 變 星 星 如 其 名, 它 的 光 度 變 化 大 致 上 有 如 脈 搏 跳 動 般 規 律 例 子 之 一 是 典 型 造 父 變 星 (δ Cepheid, or Classical Cepheid) 典 型 造 父 變 星 是 在 恆 星 演 化 的 某 一 段 時 期, 星 球 體 積 會 產 生 規 律 的 膨 脹 收 縮 ; 因 此 而 有 規 律 的 亮 度 變 化 譬 如 太 陽 著 名 的 五 分 鐘 震 盪 除 了 典 型 造 父 變 星 以 外, 脈 動 變 星 還 有 盾 牌 座 δ 型 變 星 (δ Scuti) 天 琴 座 RR 型 變 星 (RR Lyrae) 仙 王 座 β 型 變 星 (β Cepheid) 爆 發 變 星 像 是 新 星 (Novae) 與 超 新 星 (Supernovae) 新 星 是 星 光 的 亮 度 在 短 時 間 內 突 然 大 幅 度 增 加 ( 大 概 是 幾 小 時 至 幾 天 這 種 時 間 尺 度 ) 星 等 增 加 的 幅 度 不 太 一 定, 多 在 9 到 14 等 間 超 新 星 是 爆 發 的 更 為 劇 烈 的 情 況, 亮 度 的 增 幅 高 達 十 至 二 十 多 等 拋 出 的 氣 殼 速 度 高 的 可 怕, 就 像 大 地 震 震 波 經 過 一 般, 所 到 之 處 物 理 性 質 將 會 被 突 然 的 改 變 其 產 生 的 震 波 在 波 動 物 理 上, 稱 為 波 爆 (Shock Wave, 或 譯 衝 擊 波 ), 與 超 音 速 飛 機 產 生 的 音 爆 是 相 同 的 原 理 目 前 所 了 解 的 超 新 星 爆 發 的 形 式 有 兩 種 一 種 是 雙 星 系 統 的 成 員 有 一 個 白 矮 星 與 一 個 普 通 的 恆 星 但 可 能 因 為 近 可 能 因 為 那 顆 恆 星 膨 脹 等 因 素, 所 以 氣 體 被 白 矮 星 吸 過 去 等 白 矮 星 吸 夠 多 的 時 候, 就 點 燃 一 下 核 融 合 於 是 會 炸 一 下, 稱 為 第 一 類 a 型 超 新 星 (Type Ia Supernovae); 是 測 量 距 離 的 工 具 之 一 還 有 一 種 超 新 星, 原 來 的 質 量 相 當 的 大 這 類 大 質 量 恆 星 在 其 一 生 的 終 點 來 臨 時, 會 發 生 慘 劇 般 的 爆 發 中 心 則 留 下 一 顆 中 子 星 或 是 黑 洞, 稱 第 二 類 超 新 星 (Type II Supernovae) 新 星 在 中 國 古 書 則 被 稱 為 客 星 此 外, 以 前 的 人 並 未 區 分 新 星 與 超 新 星 03. 星 際 介 質 (Interstellar Medium) 所 謂 星 際 介 質, 英 文 原 文 是 Interstellar Medium, 簡 寫 為 ISM 聽 起 來 玄 之 又 玄, 其 實 就 是 泛 指 那 些 星 系 裡, 分 布 在 恆 星 之 間 的 物 質 與 輻 射 光 子 的 總 稱 大 部 分 理 所 當 然 的 是 氫 氣, 其 他 有 少 數 的 塵 埃 金 屬 宇 宙 射 線 等 必 須 注 意, 在 天 文 上 所 謂 金 屬, 泛 指 比 氫 與 氦 重 的 元 素 所 以 按 照 定 義 來 說, 各 種 星 雲 超 新 星 殘 骸 算 星 際 介 質 咱 們 的 地 球 與 各 行 星 唉 呀, 很 不 幸, 我 們 算 是 星 際 介 質 裡 面 的 塵 埃 的 部 分 所 以 我 們 並 沒 有 想 像 中 的 崇 高 與 偉 大 噢! 星 際 介 質 的 特 性 是 稀 薄 其 稀 薄 程 度, 比 起 地 球 上 的 最 精 密 的 實 驗 室 所 能 抽 的 真 空 還 要 稀 薄 在 如 此 稀 薄 的 情 況 下, 有 很 多 物 質 與 光 的 交 互 作 用 特 23

24 性, 跟 地 球 上 的 實 驗 結 果 會 不 太 類 似 例 如 在 物 理 學 上 我 們 熟 知 的 禁 制 躍 遷 (Forbidden Transition) 在 此 多 解 釋 一 下, 原 子 裡 的 電 子 在 由 高 能 狀 態 跳 回 低 能 狀 態 時 會 發 射 光 這 個 電 子 在 不 同 的 能 態 間 遊 走 的 過 程 稱 為 躍 遷 (Transition) 電 子 的 躍 遷 已 經 由 量 子 物 理 學 研 究 的 很 仔 細, 並 給 了 一 個 規 範 叫 做 選 擇 定 則 (Selection Rule) 根 據 選 擇 定 則, 有 些 特 定 的 躍 遷 機 率 很 低, 不 容 易 發 生 這 是 由 於 地 球 上 物 質 密 度 都 太 高, 這 些 機 率 很 低 的 躍 遷 還 沒 發 生 就 被 其 他 物 質 打 掉 了 因 此 在 地 球 上 的 實 驗 室, 做 不 出 禁 制 躍 遷 的 結 果 但 是 在 天 文 上, 卻 可 以 在 星 際 介 質 裡 面 輕 易 的 觀 測 到 這 些 地 球 上 不 容 易 看 到 的 禁 制 躍 遷 就 是 因 為 星 際 介 質 的 密 度 實 在 太 低, 低 到 這 些 原 子 與 電 子 不 受 外 在 打 擾, 得 以 發 生 那 些 機 率 低 到 不 行 的 躍 並 且 釋 放 出 相 對 應 波 長 的 光 以 觀 測 天 文 學 的 角 度 而 言, 星 際 介 質 會 使 得 遙 遠 恆 星 的 光 受 到 影 響 包 含 消 光 (Extinction) 或 紅 化 (Redshift) 消 光 就 是 就 是 消 光 ; 紅 化 則 是 因 為 星 際 介 質 會 散 射 (Scattering) 星 光, 而 藍 光 比 紅 光 容 易 散 射 ; 因 此 經 過 星 際 介 質 的 光, 會 留 下 比 較 多 的 紅 光, 這 個 就 是 所 謂 的 星 際 紅 化 是 觀 測 天 文 上 必 須 進 行 修 正 的 一 個 項 目 星 際 介 質 溫 度 不 一 定, 有 很 高 溫 的 也 有 很 低 溫 的 隨 著 不 同 的 溫 度, 選 擇 的 觀 測 儀 器 也 會 不 同, 端 看 你 要 觀 測 的 目 標 是 誰 而 決 定 例 如 你 想 研 究 一 般 的 中 性 氫, 則 你 可 以 使 用 無 線 電 波 望 遠 鏡 觀 測 二 十 一 公 分 譜 線 如 果 你 想 觀 測 高 溫 氣 體, 則 你 可 能 得 申 請 Chandra X-ray 望 遠 鏡 五 星 雲 與 星 團 (Nebulae and Cluster of Stars) 成 團 的 恆 星, 就 被 稱 為 星 團 (Star Clusters) 像 雲 氣 一 樣 的 天 體, 就 稱 為 星 雲 (Nebulae), 很 合 理 吧? 01. 疏 散 星 團 (Open Cluster) 疏 散 星 團, 顧 名 思 義, 就 是 天 空 中 有 一 團 星 星 相 當 疏 散, 沒 有 固 定 形 狀 可 言, 但 是 又 成 群 結 隊 大 致 的 性 質 有, 群 星 的 距 離 離 地 球 差 不 多 遠 群 星 的 年 紀 大 致 相 仿 而 且 化 學 組 成 差 不 多 等 所 以 千 萬 別 以 為 天 空 上 只 要 有 一 群 星 星 聚 在 一 起, 我 們 就 會 叫 它 疏 散 星 團 呵 那 定 義 可 是 會 吵 不 完 的 噢! 目 前 相 信 疏 散 星 團 應 該 來 自 一 個 集 體 生 成 恆 星 的 區 域, 所 以 有 的 疏 散 星 團 週 邊 還 可 以 觀 測 到 殘 留 的 雲 氣 例 如 圖 10.2 昴 宿 星 團 周 圍, 曝 光 夠 久 的 話, 就 會 看 到 星 星 的 周 圍 有 著 恆 星 誕 生 後 殘 留 的 雲 氣 截 至 目 前 為 止, 在 本 銀 河 系 內 所 觀 測 到 的 疏 散 星 團 約 在 一 千 多 個, 估 計 總 數 量 可 能 有 兩 萬 個 不 過 因 為 銀 河 面 附 近 塵 埃 吸 收 了 許 多 光 線, 星 際 消 光 相 當 嚴 重, 我 們 恐 怕 是 無 法 觀 測 到 離 太 陽 系 較 遠 的 疏 散 星 團 24

25 圖 10.1 疏 散 星 團 NGC4755, 又 稱 珠 寶 盒 星 團 Copyright Michael Bessell (RSAA,ANU), MSO 圖 10.2M45 昴 宿 星 團, 又 稱 七 姊 妹 Copyright net 02. 球 狀 星 團 (Globular Cluster) 球 狀 星 團 就 不 像 疏 散 星 圖 那 樣 散 散 的, 它 的 恆 星 們 有 著 對 稱 的 球 狀 分 布 一 般 的 直 徑 大 小 約 在 數 十 光 年 至 數 百 光 年 左 右 此 外, 恆 星 數 量 也 多 得 多, 一 般 來 說 在 幾 十 萬 顆 甚 至 是 以 上, 是 一 種 恆 星 密 集 分 布 的 組 織 結 構 此 外, 天 文 學 家 推 測 球 狀 星 團 的 年 齡 大 都 比 較 老, 許 多 球 狀 星 團 的 年 紀 都 上 百 億 年 了 球 狀 星 團 因 為 星 星 實 在 很 多, 所 以 常 常 被 拿 來 當 作 研 究 的 對 象 特 別 是 需 要 大 量 星 星 作 為 樣 本 的 時 候 例 如, 製 作 赫 羅 圖 這 類 需 要 很 多 恆 星 數 目 的 圖 10.3 球 狀 星 團 M13 Copyright The STScI Digitized Sky Survey 圖 10.4 球 狀 星 團 M4 Copyright The STScI Digitized Sky 情 況 03. 發 射 星 雲 (Emission Nebulae) 發 射 星 雲 指 的 是 因 為 雲 氣 本 身 溫 度 高, 而 自 體 發 光 這 類 光 線 一 般 來 說 可 能 來 自 氣 體 游 離 天 文 照 片 常 見 的 紅 色 雲 氣 多 半 是 發 射 星 雲, 紅 色 來 自 於 氫 游 離 產 生 的 光, 一 般 稱 作 Hα 至 於 雲 氣 的 高 溫 原 因, 則 多 半 是 被 附 近 的 高 溫 恆 星 所 加 熱 發 射 星 雲 請 參 看 圖 10.5,NGC7000, 又 稱 北 美 洲 星 雲 其 名 來 自 於 雲 氣 的 形 狀 25

26 04. 反 射 星 雲 (Reflection Nebulae) 反 射 星 雲 其 實 只 是 一 團 雲 氣, 雲 氣 反 射 散 射 了 鄰 近 恆 星 們 的 光, 就 是 這 麼 簡 單! 此 外, 散 射 這 個 物 理 機 制 的 特 性 是 : 波 長 越 短 的 光 越 容 易 被 散 射, 所 以 藍 光 比 紅 光 更 容 易 被 這 些 氣 體 散 射 因 此 我 們 看 到 的 反 射 星 雲, 常 常 是 呈 現 藍 色 的 反 射 星 雲 的 例 子 可 以 參 看 圖 10.6,IC2118, 又 被 稱 為 巫 婆 頭 魔 女 頭 星 雲 這 些 雲 氣 的 光 源 便 是 來 自 周 圍 星 光 的 反 射 或 散 射 還 有 圖 10.2 的 七 姊 妹 星 團, 那 些 周 圍 的 雲 氣, 也 是 所 謂 反 射 星 雲 05. 黑 暗 星 雲 (Dark Nebulae) 黑 暗 星 雲 是 閃 亮 天 空 中 的 一 片 黑 暗 當 恆 星 星 雲 星 系 等 發 光 體 的 光 線 前 往 地 球 的 途 中, 如 果 被 一 些 不 透 光 的 物 質 擋 住 光 線 ; 因 而 顯 得 一 片 黑 暗, 那 麼 在 地 球 觀 察 者 的 眼 裡, 就 會 變 成 亮 亮 的 背 景 上 浮 著 一 片 黑 暗 遮 蔽 物 例 如 圖 10.7, 這 是 在 夏 季 銀 河 裡 的 三 裂 星 雲 雲 氣 本 身 是 發 射 星 雲 ( 不 過 其 實 有 摻 點 反 射 星 雲, 只 是 黑 白 影 像 看 不 出 來 ), 但 是 有 黑 暗 的 遮 蔽 物 遮 住 了 光 線, 於 是 變 成 三 條 黑 黑 的 裂 縫 圖 10.5 發 射 星 雲 NGC7000, 俗 稱 北 美 洲 星 雲 Copyright Jason Ware APOD 圖 10.6 反 射 星 雲,IC2118, 又 稱 巫 婆 頭 星 雲 Copyright Rick Krejci (Ricks Astro Astrophotography)APOD 圖 10.7 M20, 三 裂 星 雲, 雲 氣 本 身 是 發 射 星 雲, 裂 縫 就 是 一 些 遮 蔽 物, 造 成 三 裂 的 樣 子 Copyright CFHT Mega Cam 圖 10.8 M27, 大 家 都 說 是 啞 鈴 星 雲 但 是, 您 不 覺 得 更 像 蘋 果 核 星 雲? Copyright www5f.biglobe.ne.jp 26

27 六 星 系 (Galaxies) 01. 大 辯 論 這 場 著 名 的 大 辯 論, 辯 論 者 是 Herber Curtis 與 Harlow Shapley 時 代 是 在 1920 年, 在 華 盛 頓 當 著 美 國 國 家 科 學 院 全 體 的 面 前, 進 行 了 一 場 激 辯 主 題 是 : 天 空 中 的 新 主 角 漩 渦 星 雲, 是 銀 河 系 內 的 東 西? 還 是 與 銀 河 系 平 起 平 坐, 是 宇 宙 中 的 另 外 一 個 銀 河 系? 這 場 辯 論 最 重 大 的 意 義 在 於 科 學 最 前 沿 的 思 維 辯 證 今 天 我 們 當 然 已 經 知 道 誰 錯 誰 對, 但 是 正 確 與 否 並 不 能 抹 滅 其 中 任 何 一 人 的 科 學 精 神 與 推 理 過 程 在 最 容 易 犯 錯 的 科 學 前 線 地 帶, 找 到 成 功 之 路 並 非 簡 單 的 事 情 但 可 以 確 定 的 是, 不 可 能 靠 運 氣, 必 需 嘗 試 付 出 努 力 再 努 力 才 行 引 發 大 辯 論 的 三 個 核 心 問 題 是 : 01.A. 漩 渦 星 雲 到 底 多 遠? 01.B. 組 成 漩 渦 星 雲 的, 是 雲 氣 還 是 星 星? 01.C. 為 何 漩 渦 星 雲 不 在 銀 河 的 平 面 上? Curti 與 Shapley 都 知 道, 解 決 問 題 的 最 關 鍵 是 漩 渦 星 雲 的 距 離 Shapley 有 個 間 接 證 據 說 明 漩 渦 星 雲 很 近 : 在 這 之 前 有 人 研 究 過 M101, 發 現 其 旋 轉 速 度 很 高 如 果 M101 的 尺 度 能 與 銀 河 系 比 擬 的 話,M101 旋 轉 速 度 就 超 光 速 囉 所 以 它 應 該 要 是 個 小 天 體, 存 在 銀 河 系 之 中 這 個 推 理 其 實 很 完 美, 可 惜 的 是 觀 測 資 料 有 問 題 而 Curtis 也 持 保 留 態 度, 後 來 1935 年 的 研 究 表 明 這 個 旋 轉 速 度 是 來 自 觀 測 的 誤 差 當 時, 人 們 對 於 漩 渦 星 雲 的 觀 測 結 果 有 幾 項 特 別 之 處 第 一, 漩 渦 星 雲 似 乎 避 開 銀 河 的 銀 道 面 再 者, 漩 渦 星 雲 似 乎 都 以 極 大 的 速 度 在 遠 離 我 們 兩 個 觀 測 結 果 對 於 爭 論 的 雙 方 有 著 不 同 的 見 解 對 於 Shapley 而 言, 這 兩 個 觀 測 上 的 事 實 意 味 漩 渦 星 雲 傾 向 避 開 銀 道 面 他 假 設 銀 河 會 對 漩 渦 星 雲 施 加 一 種 排 斥 力, 用 來 解 釋 這 樣 的 觀 測 結 果 Curtis 則 指 出, 某 些 其 他 的 漩 渦 星 雲 側 面 有 著 奇 怪 的 黑 色 暗 帶 假 設 我 們 的 銀 河 也 有 此 暗 帶, 又 假 設 我 們 位 於 銀 河 較 為 中 間 的 平 面, 再 假 設 漩 渦 星 雲 在 銀 河 系 之 外, 那 我 們 自 然 就 看 不 到 在 銀 道 面 的 方 向 有 任 何 的 漩 渦 星 雲 了 Curtis 用 了 三 個 假 設, 但 只 解 釋 了 一 個 事 實 他 沒 辦 法 解 釋 這 些 漩 渦 星 雲 為 何 高 速 遠 離 我 們 Shapley 用 一 個 假 設, 但 是 解 釋 了 兩 個 觀 測 事 實, 看 起 來 Shapley 比 較 有 利 02. 哈 柏 的 M31 造 父 變 星 測 量 結 果 1923 年, 哈 柏 首 次 在 M31 的 周 圍 解 析 出 恆 星 又 測 量 其 變 光 週 期, 確 認 出 了 裡 頭 有 造 父 變 星 然 後 他 使 用 變 星 測 量 距 離, 得 到 了 M31 的 距 離 其 距 27

28 離 遠 遠 超 出 人 類 所 認 定 的 銀 河 系 範 圍, 今 天 這 個 值 約 是 兩 百 萬 光 年 左 右 至 此, 大 家 開 始 了 解, 這 東 西 並 非 銀 河 系 的 一 員, 而 是 規 模 與 銀 河 系 相 當, 甚 至 遠 大 於 的 一 個 天 體 因 此, 之 後 我 們 開 始 正 式 稱 呼 它 為 星 系 (galaxy) 03. 星 系 分 類 與 哈 柏 音 叉 圖 星 系 數 目 眾 多, 但 哈 柏 卻 發 現 星 系 的 幾 何 型 態 不 多 他 歸 納 出 幾 種 類 型, 並 整 理 成 一 張 圖, 像 個 音 叉 如 圖 11 哈 柏 認 為 各 種 型 態 的 星 系 互 相 有 演 化 關 係 他 構 思 可 能 是 從 橢 圓 星 系 為 初 始 狀 態, 漸 漸 演 化 變 扁, 然 後 變 成 一 般 的 漩 渦 或 是 棒 狀 漩 渦 星 系 所 以, 圖 左 稱 之 為 Early-type, 圖 右 稱 之 為 Late-type 但 其 實 不 完 全 是 這 回 事, 只 是 Early Latetype 的 這 種 稱 呼 方 式, 被 將 錯 就 錯 的 沿 用 下 來 了 圖 11.1 哈 柏 分 類 的 音 叉 圖 哈 柏 的 分 類 包 含 一 般 漩 渦 星 系 ( 又 稱 螺 旋 星 系 ) 棒 狀 漩 渦 星 系 橢 圓 星 系 以 及 不 規 則 星 系 概 略 描 述 是 這 樣 的, 一 般 漩 渦 星 系 有 一 個 中 央 核 球 (Bulge), 然 後 加 上 一 個 扁 平 的 盤 面 (Disk) 棒 狀 漩 渦 星 系 則 是 除 了 中 央 核 球 以 及 盤 面 外, 尚 有 棒 狀 結 構 存 在 於 星 系 之 中 橢 圓 星 系 則 呈 現 橢 圓 到 正 圓 間, 有 著 平 滑 的 光 度 分 布 此 外 還 有 一 些 不 規 則 的 星 系 (a)m100 (b)ngc1300 (c)m87 圖 11.2(a) 一 般 漩 渦 星 系,(b) 棒 狀 漩 渦 星 系,(c) 橢 圓 星 系 Copyright The STScI Digitized Sky Survey 28

29 事 實 上, 哈 柏 的 分 類 法 算 是 概 略 性 的 所 以, 一 定 要 有 吹 毛 求 疵 的 天 文 學 家 發 展 了 更 詳 細 的 分 類 方 法 如 De Vaucouleurs 對 於 星 系 的 分 類, 它 針 對 漩 渦 不 規 則 星 系 的 型 態 做 了 進 一 步 的 子 分 類 每 個 子 分 類 明 確 定 義 了 幾 何 上 的 意 義, 例 如 漩 渦 星 系 的 旋 臂 的 纏 緊 程 度 04. 漩 渦 星 系 (Spiral Galaxy) 漩 渦 星 系 的 分 類 由 Sa 至 Sc,SBa 至 SBc 代 表 纏 的 越 緊 的 旋 臂 結 構 以 及 越 小 的 中 央 核 球, 某 些 Sc 中 央 根 本 可 說 是 沒 有 核 球 漩 渦 星 系 本 身 皆 有 相 當 的 自 轉, 並 呈 現 扁 平 的 盤 狀 的, 並 且 或 多 或 少 的 擁 有 漩 渦 的 結 構 一 般 來 說, 有 許 多 的 漩 渦 星 系 富 含 氣 體 塵 埃 雖 說 一 般 漩 渦 星 系 都 有 比 較 多 的 氣 體 與 塵 埃, 但 是 也 有 人 觀 測 到 一 類 的 漩 渦 星 系 是 少 氣 體 光 滑 的 (Vanden Bergh & Storm) 有 人 提 出 這 可 能 是 正 在 演 化 為 S0 或 是 SB0 的 星 系 但 仍 未 被 普 遍 的 接 受 並 非 所 有 S0 或 是 SB0 都 是 由 漩 渦 星 系 演 化 來 的 但 是 從 直 覺 的 觀 點 上, 如 果 漩 渦 星 系 一 生 中 從 來 沒 有 碰 到 任 何 大 事 件, 自 由 老 去 的 話, 最 終 應 該 是 會 變 成 S0 與 SB0 的 但 現 在 還 有 很 多 理 論 尚 未 明 朗 化 以 及 還 有 待 計 算 的 事 情 等 著 你 我 去 做 所 以, 從 直 覺 上 來 說 很 合 理 的 事 情, 有 待 定 量 計 算 後 的 答 案, 萬 萬 不 能 一 口 咬 定 05. 橢 圓 星 系 (Elliptical Galaxy) 橢 圓 星 系 的 幾 何 形 狀 從 E0-E7, 代 表 的 是 在 天 空 的 投 影 越 來 越 橢 圓 曾 經, 人 們 以 為 這 代 表 旋 轉 速 度 越 來 越 高 但 是, 最 後 卻 發 現, 其 實 橢 圓 星 系 的 整 體 旋 轉 速 度 並 不 大 至 少 相 對 於 差 不 多 大 小 的 漩 渦 星 系, 橢 圓 星 系 的 自 轉 速 度 小 得 多 橢 圓 星 系 內 的 恆 星 各 有 其 運 動 速 度, 仿 若 一 盤 散 沙, 各 自 為 政 在 橢 圓 星 系 裡 面, 沒 有 什 麼 氣 體, 塵 埃 也 不 多 同 時, 似 乎 沒 有 證 據 顯 示 橢 圓 星 系 有 年 輕 恆 星 的 存 在, 可 能 是 因 為 沒 什 麼 氣 體 的 關 係 橢 圓 星 系 沒 有 任 何 漩 渦 型 態 的 結 構, 即 使 是 過 渡 型 態 的 SB0 也 是 06. 活 躍 星 系 (Active Galaxy) 以 上 所 論 述 的 星 系, 大 部 份 是 安 安 靜 靜 的 星 系, 並 沒 有 什 麼 激 烈 的 行 為 但 有 一 些 星 系 內 部, 除 了 一 般 星 系 的 性 質 外, 還 有 非 常 的 活 躍 的 活 動 有 著 許 多 能 量 吞 吐 極 大 的 事 件, 例 如 巨 大 的 噴 流 超 明 亮 的 核 心 之 類 的 這 些 總 稱 為 活 躍 星 系 06.A. 西 佛 星 系 西 佛 (Carl Seyfert) 歸 納 出 一 些 極 明 亮 核 心 的 漩 渦 星 系, 這 些 星 系 的 核 心 亮 度 往 往 超 過 星 系 其 他 部 份 的 總 亮 度 除 此 之 外, 星 系 的 外 觀 與 一 般 漩 渦 星 系 沒 有 什 麼 兩 樣 ; 核 心 不 但 明 亮 而 且 光 度 變 化 的 時 間 非 常 的 短, 往 往 一 年 內 即 有 大 幅 度 改 變 目 前 研 究 顯 示, 西 佛 星 系 可 能 富 有 塵 埃 跟 氣 體, 29

30 但 因 為 被 這 些 傢 伙 擋 住 了, 所 以 中 心 的 活 躍 機 制 還 未 明 朗 化 06.B. N 星 系 與 蠍 虎 座 BL 類 型 天 體 (BL Lac) 核 心 超 亮 的 漩 渦 星 系 是 西 佛 星 系, 而 核 心 超 亮 的 橢 圓 星 系 稱 為 N 星 系 其 中, 有 一 類 特 殊 者 稱 之 為 蠍 虎 座 BL 型 天 體 1929 年,Cuno Hoffmeister 的 研 究 發 現, 有 一 個 天 體 的 光 度 變 化 非 常 怪 異, 一 週 內 亮 度 變 化 達 到 兩 倍, 又 在 幾 個 月 內 達 到 15 倍 左 右 的 亮 度 變 化 後 來 天 文 學 家 只 把 它 當 作 一 個 怪 異 的 不 規 則 變 化 變 星, 編 成 蠍 虎 座 BL(BL Lac) 就 不 管 了 偶 然 的, 有 兩 個 人,Macleod 以 及 Andrew 偶 然 發 現 蠍 虎 座 BL 具 有 強 大 的 無 線 電 波 發 射 同 時, 天 體 本 身 的 輻 射 帶 著 偏 振 性, 偏 振 性 意 味 著 一 些 特 定 的 輻 射 發 射 機 制 以 及 性 質 藉 此 天 文 學 家 測 量 到 蠍 虎 座 BL 的 距 離, 結 果 卻 發 現 這 個 變 星 遠 在 銀 河 系 外 對 蠍 虎 座 BL 更 進 一 步 研 究 後, 人 們 發 現 影 像 上 的 蠍 虎 座 BL 顯 然 不 是 一 個 單 純 的 光 點, 週 邊 似 乎 有 絨 毛 狀 的 結 構 但 是 令 人 迷 惑 的 是, 根 據 光 譜 的 測 量, 卻 無 法 訂 出 蠍 虎 座 BL 的 任 何 特 徵 或 是 成 分 七 十 年 代 之 後, 有 人 突 破 了 這 個 問 題 Gunn 與 Oke 設 法 遮 住 了 中 央 的 核 球, 並 且 得 到 蠍 虎 座 BL 邊 上 的 光 譜 近 似 橢 圓 星 系 M32, 然 後 進 一 步 的 測 定, 得 到 一 個 結 論 : 蠍 虎 座 BL 可 能 是 一 個 距 離 我 們 約 10 9 ly( 光 年 ) 的 天 體 天 文 學 家 目 前 已 經 陸 陸 續 續 發 現 一 些 與 蠍 虎 座 BL 相 似 的 天 體 於 是 便 歸 納 為 蠍 虎 座 BL 類 型 天 體 06.C. 電 波 星 系 (Radio Galaxy) 活 躍 星 系 核 似 乎 很 有 文 章 可 以 大 作 一 番, 引 起 了 天 文 學 家 的 濃 厚 興 趣 在 電 波 天 文 學 大 躍 進 之 後, 天 文 學 家 獲 得 極 高 的 解 析 度 據 此 研 究 了 一 些 星 系, 發 現 這 些 星 系 輻 射 出 強 大 的 電 波 甚 至, 有 些 電 波 的 發 射 來 源 竟 然 有 著 一 些 有 趣 的 形 狀, 像 是 對 稱 的 瓣 此 外, 這 些 星 系 都 是 超 巨 大 的 橢 圓 星 系, 而 不 曾 發 現 過 漩 渦 星 系 有 這 類 表 現 06.D. 類 星 電 波 源 似 星 體 (Quasars) 其 實 似 星 體 也 不 是 那 麼 神 秘 的 傢 伙, 只 是 當 初 測 量 到 的 光 譜 太 怪, 沒 有 一 種 地 球 上 的 已 知 元 素 對 應 到 這 神 秘 的 光 譜 結 果 這 在 當 時 曾 掀 起 一 陣 新 元 素 的 假 說, 不 過, 天 文 化 學 家 的 美 夢 很 快 就 破 滅 了 1963 年,Maarten Schmidt 獲 得 結 論, 它 只 是 遠 離 我 們 的 速 度 很 大, 所 以 光 譜 的 紅 位 移 變 得 很 大, 讓 人 認 不 出 來 罷 了 根 據 這 個 新 的 結 論, 人 們 推 到 了 驚 人 的 事 實, 這 些 似 星 體 的 距 離 約 離 我 們 10 9 ~10 10 ly 夠 遠 了, 但 是 卻 還 蠻 亮 的, 所 以 能 量 的 輸 出 也 驚 人, 大 約 是 太 陽 的 ~10 16 倍 這 在 今 天 已 不 足 為 奇, 天 文 學 家 已 較 能 接 受 這 樣 的 事 實 了 不 過 在 Maarten Schmidt 那 個 時 代, 人 們 則 普 遍 都 還 不 能 接 受 這 一 系 列 的 宇 宙 高 能 活 動 30

31 07. 本 銀 河 系 我 們 所 在 的 這 個 銀 河 直 徑 寬 度 大 概 是 十 萬 光 年 太 陽 系 的 位 置 在 距 離 中 心 三 分 之 二 的 獵 戶 座 旋 臂 (Orion Arm) 上, 太 陽 系 繞 著 整 個 銀 河 系 旋 轉 週 期 大 概 二 億 六 千 萬 年 我 們 的 銀 河 系 中 心 位 於 人 馬 座 與 天 蠍 座 中 間, 在 光 害 低 的 地 區, 望 天 上 看 去, 可 以 看 到 一 條 帶 狀 白 雲 橫 越 天 空 仿 若 牛 奶 打 翻 般, 這 也 是 Milky Way 這 個 稱 呼 的 由 來, 南 邊 最 亮 的 地 方 就 是 銀 河 系 的 中 心 我 們 所 在 的 本 銀 河 當 然 也 會 被 好 好 的 研 究 本 銀 河 系 內 的 研 究 有 幾 項 重 大 的 發 展, 一 個 是 銀 河 地 圖 的 建 立 這 是 透 過 觀 測 一 些 O 或 B 型 恆 星 或 年 輕 的 星 團, 測 量 距 離 後, 可 決 定 出 太 陽 附 近 的 銀 河 結 構 與 形 狀 接 著, 由 於 電 波 天 文 學 的 發 展, 我 們 可 以 測 量 一 些 中 性 氫 (H) 與 一 氧 化 碳 分 子 (CO) 在 銀 河 系 內 的 分 佈 靠 著 這 兩 樣 武 器, 人 類 大 致 決 定 了 本 銀 河 系 的 形 狀 屬 於 漩 渦 星 系 大 約 有 四 條 主 要 旋 臂, 兩 條 小 旋 臂 分 別 是 矩 尺 座 旋 臂 (Norma Arm) 南 十 字 座 旋 臂 (Scutum-Crux Arm) 人 馬 座 旋 臂 (Sagittarius Arm) 獵 戶 座 旋 臂 (Orion Arm) 英 仙 座 旋 臂 (Perseus Arm) 和 外 部 旋 臂 (Outer Arm) 在 銀 河 形 狀 研 究 的 歷 史 上, 可 以 向 前 追 溯 到 1755 年, 康 德 提 出 了 一 個 大 膽 的 猜 測 : 銀 河 系 可 能 是 由 數 目 極 為 眾 多 的 恆 星 組 成 的 一 個 不 停 旋 轉 的 盤 子 而 且, 使 銀 河 系 旋 轉 的 原 因 與 太 陽 系 中 各 星 體 間 能 繞 行 的 原 因 是 相 似 的, 都 是 因 為 萬 有 引 力 不 過 是 距 離 尺 度 不 同, 太 陽 系 位 於 銀 河 系 的 邊 緣 從 地 球 上 觀 察 銀 河 就 如 同 從 側 面 看 碟 子, 所 以 在 夜 空 中 看 到 的 就 是 一 條 帶 狀 銀 河 1785 年, 赫 歇 爾 嘗 試 仔 細 測 量 夜 空 中 恆 星 的 數 目, 打 算 描 述 銀 河 的 精 確 形 狀 但 直 到 20 世 紀 初, 荷 蘭 天 文 學 家 Jacobus Kapteyn 才 做 出 了 第 一 張 銀 河 系 的 天 體 結 構 圖 根 據 他 的 計 算, 銀 河 系 直 徑 約 4000 光 年, 太 陽 距 離 銀 河 中 心 約 2000 光 年 但 是 Kapteyn 的 時 代, 人 們 還 不 了 解 星 際 物 質 會 吸 收 光, 造 成 人 們 所 看 到 的 景 象 並 非 銀 河 全 貌, 所 以 Kapteyn 的 結 果 並 非 正 確 版 本 另 一 個 研 究 的 大 重 點 就 是 銀 河 系 的 中 心, 我 們 既 然 位 在 一 個 典 型 的 漩 渦 星 系 中 心, 那 天 文 學 家 當 然 會 用 力 的 想 要 看 到 銀 河 系 中 心, 以 求 了 解 漩 渦 星 系 的 中 心 情 形 目 前 我 們 相 信 銀 河 系 中 心 應 該 存 在 著 一 個 超 重 質 量 的 黑 洞, 黑 洞 不 斷 的 吸 納 物 質 讓 物 質 加 速 衝 向 黑 洞, 過 程 中 物 質 速 度 越 來 越 快, 會 發 射 出 一 些 X-ray 等 訊 息 圖 12 全 天 銀 河 (Milky Way),Copyright Knut Lundmark; Lund Observatory 31

32 七 星 系 團 (Galaxy Culster) 與 星 系 交 互 作 用 與 雙 星 系 統 星 團 系 統 一 樣, 誰 說 星 系 僅 僅 是 單 獨 的 存 在? 宇 宙 中 許 多 的 星 系 成 群 結 隊 出 現 而 且 星 系 與 星 系 之 間 的 距 離, 相 較 於 星 星 與 星 星 之 間 的 距 離, 反 而 可 以 說 近 密 集 的 多 01. 星 系 交 互 作 用 與 合 併 星 系 都 是 質 量 結 構 體 所 以 如 果 兩 個 星 系 靠 的 夠 近, 沒 什 麼 理 由 不 會 有 交 互 作 用 例 子 之 一 是 圖 13.1,M51 星 系 又 稱 蝸 牛 星 系 看 看 影 像, 是 不 是 真 的 很 像 蝸 牛 呢? 它 是 兩 個 星 系 正 在 互 相 影 響, 互 相 拉 扯 的 例 子 星 系 密 度 分 布 上, 其 實 算 蠻 稀 薄 的 所 以, 所 謂 的 星 系 碰 撞 跟 我 們 所 熟 悉 的 碰 撞 不 太 相 似 ; 兩 顆 蘋 果 的 碰 撞 兩 個 撞 球 的 碰 撞 都 是 高 密 度 質 量 體 的 碰 撞, 但 是 星 系 呢? 不 妨 想 像 兩 團 雲 互 相 碰 撞 吧? 它 們 將 會 互 相 拉 扯 對 方 的 形 狀, 最 後 外 觀 大 大 改 變 星 系 亦 同, 許 多 的 理 論 天 文 學 家 致 力 於 兩 個 星 系 相 遇 後 的 情 形, 然 後 計 算 出 了 許 許 多 多 的 奇 特 結 構 包 含 兩 個 星 系 剛 好 垂 直 相 遇 時, 將 會 形 成 帶 環 星 系 (Polar-Ring Galaxy) 之 類 的 有 趣 結 構 圖 13.1M51, 蝸 牛 星 系 Copyright The STScI Digitized Sky Survey 圖 13.2 帶 環 星 系 NGC4650A Copyright heritage.stsci.edu 02. 富 星 系 團 (Rich Cluster) 成 群 結 隊 的 星 系, 數 量 約 超 過 30 個 就 稱 為 富 星 系 團, 例 子 之 一 即 是 室 女 座 星 系 團 其 位 於 室 女 座 方 向, 距 我 們 約 ly, 成 員 大 概 有 兩 百 個 星 系 左 右 大 多 為 漩 渦 星 系, 部 分 橢 圓 以 及 一 點 點 不 規 則 星 系 雖 然 室 女 座 星 系 團 以 漩 渦 星 系 居 多, 但 是 其 中 最 亮 的 反 而 是 四 個 橢 圓 星 系,M87 也 位 在 室 女 座 星 系 團 之 中 03. cd 星 系 (cd Galaxy) 與 星 系 併 吞 當 星 系 數 量 更 多, 有 時 我 們 會 稱 之 為 超 星 系 團 (Super Galaxy Cluster) 例 如 后 髮 座 超 星 系 團, 其 成 員 星 系 達 數 千 個, 大 部 分 是 橢 圓 星 系, 以 及 少 量 32

33 漩 渦 星 系 這 樣 的 超 星 系 團, 一 般 會 在 中 心 存 在 一 兩 個 十 分 明 亮 的 超 巨 大 橢 圓 星 系 由 於 歷 史 原 因, 這 類 超 巨 大 橢 圓 星 系 稱 之 為 cd 星 系 (cd Galaxy) cd 星 系 十 分 稀 少, 往 往 支 配 整 個 超 星 系 團 的 結 構 形 狀 而 且, 是 上 節 06.C 電 波 星 系 中 所 討 論, 一 些 具 有 對 稱 雙 瓣 形 狀 的 電 波 源, 它 們 的 光 學 對 應 天 體 cd 星 系 的 特 點 之 一 是 具 有 一 個 廣 闊 的 外 層, 密 密 麻 麻 都 是 恆 星, 而 且 十 分 巨 大 雖 然 外 型 是 橢 圓 星 系, 卻 比 一 般 橢 圓 星 系 的 規 模 大 上 十 倍 左 右 的 數 量 級 此 外, 星 系 整 體 亮 度 的 分 布, 也 跟 一 般 橢 圓 星 系 不 太 相 同 目 前 相 信 cd 星 系 是 透 過 不 斷 併 吞 其 他 一 般 的 星 系 來 壯 大 勢 力, 而 有 時 候 只 能 部 分 併 吞, 沒 吞 到 的 那 些 其 餘 星 系 的 殘 餘 恆 星 或 氣 體 塵 埃 就 變 成 cd 星 系 的 廣 闊 外 層 除 了 一 大 堆 星 系, 以 及 黑 社 會 老 大 cd 星 系 外, 另 一 個 被 重 視 的 是 存 在 於 星 系 團 之 間 的 一 些 高 溫 氣 體 大 概 是 七 十 年 代,X-ray 衛 星 觀 測 到 這 些 高 溫 氣 體 所 釋 出 的 X-ray, 溫 度 竟 然 高 達 千 萬 度 有 關 氣 體 的 來 源 目 前 有 幾 派 有 力 的 說 法, 首 先, 觀 測 事 實 顯 示 這 些 氣 體 含 有 大 量 鐵 元 素, 所 以, 這 應 該 是 來 自 星 系, 而 非 宇 宙 空 間 有 人 提 出 從 星 系 內 吹 出 星 際 風, 而 不 斷 的 把 高 溫 氣 體 吹 出 去 有 人 則 提 出 星 系 碰 撞 時, 會 把 星 系 內 的 氣 體 擠 出 而 留 在 原 地, 兩 個 相 碰 的 星 系 則 碰 完 就 沒 事 閃 人 等 說 法 目 前 這 部 分 的 研 究 還 在 眾 說 紛 紜 的 爭 論 時 代 04. 有 關 星 系 團 的 未 知 根 據 星 系 團 運 動 的 狀 態 推 算, 要 把 一 般 星 系 團 系 統 束 縛 住, 所 需 的 質 量 超 過 現 在 我 們 所 觀 測 到 的 星 系 團 總 質 量 關 於 這 個 問 題 有 極 多 的 辯 論, 有 人 認 為 我 們 可 能 少 考 慮 了 什 麼 物 體 的 質 量, 但 也 有 人 正 設 法 推 導 出 星 系 團 其 實 是 會 一 直 漏 出 質 量 物 體 這 部 分 目 前 比 星 系 周 圍 的 黑 暗 物 質 還 更 令 人 摸 不 著 頭 緒 此 外, 偶 爾 發 現 的 奇 特 型 態 的 星 系 團, 也 夠 天 文 學 家 頭 痛 很 久 05. 大 尺 度 結 構 (Large-Scale Structure) 星 系 團 之 上 是 否 有 更 大 尺 度 的 結 構 呢? 答 案 是 有 的, 當 尺 度 到 了 超 星 系 團 之 上, 星 系 分 佈 的 結 構 經 常 會 顯 得 扁 而 長, 有 如 鍊 子 般 本 銀 河 (Local Galaxy) 所 在 的 本 地 超 星 系 團 (Local Super Galaxy Cluster) 就 是 例 子 之 一 本 地 超 星 系 團 的 中 心 在 室 女 星 系 團 附 近 的 方 向, 包 括 本 地 星 系 團 室 女 座 星 系 團 大 熊 星 系 團 以 及 大 概 50 個 左 右 較 小 的 星 系 團 們, 共 同 構 成 一 個 巨 大 的 扁 平 狀 天 體 系 統 本 地 星 系 團 是 由 本 銀 河 大 小 麥 哲 倫 星 系 玉 夫 座 星 系 ( 注 意! 不 是 御 夫!) 等 構 成 一 區 ; 加 上 以 仙 女 座 大 星 系 為 中 心 的 星 系 群, 共 同 構 成 一 個 本 地 星 系 團 兩 個 星 系 集 中 區 各 以 本 銀 河 以 及 仙 女 座 大 星 系 為 首 那 究 竟 可 以 大 到 如 何? 這 些 巨 大 的 結 構, 到 目 前 為 止 的 觀 測 顯 示, 大 概 大 到 ly 左 右 具 有 這 個 尺 度 以 上 的 成 團 結 構 變 得 很 少 很 少, 但 在 此 尺 度 以 下, 則 沒 有 固 定 成 團 的 尺 度 結 構 大 小 33

34 八 宇 宙 論 01. 奧 伯 斯 佯 謬 (Olbers Paradox) 這 是 Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers 所 提 出, 他 也 就 是 重 新 確 定 榖 神 星 後 來 又 發 現 智 神 星 灶 神 星 的 那 個 Olbers 好! 首 先 要 來 理 解 歐 柏 荒 謬 的 假 設 : 假 設 有 一 個 均 勻 佈 滿 恆 星, 穩 定 不 亂 動 且 不 亂 變 化 的 宇 宙 在 這 樣 的 一 個 宇 宙 裡, 不 論 我 們 的 視 線 往 天 空 上 的 哪 一 個 方 向 看, 最 後 都 一 定 可 以 看 到 星 星 據 此 推 論, 我 們 的 黑 夜 應 該 會 跟 白 天 一 樣 亮 才 對, 因 為 星 星 的 光 線 從 各 個 方 向 來, 不 論 大 小 遠 近 都 會 有 貢 獻 事 實 是 不 是 這 樣 呢? 應 該 不 用 我 廢 話 吧? 黑 夜 跟 白 天 一 樣 亮? 這 便 是 Olbers 所 提 出 的 荒 謬 詭 辯 其 實 不 過 是 要 告 訴 人 們, 如 果 你 相 信 宇 宙 是 寧 靜 而 不 變, 均 勻 和 諧 而 對 稱, 那 就 是 你 在 騙 自 己 囉! 夜 空 明 明 就 是 黑 的, 沒 錯 吧? 02. 場 方 程 式 與 宇 宙 常 數 場 方 程 式 是 在 幹 嘛 的 呢? 那 是 愛 因 斯 坦 從 幾 何 學 上 面 所 推 導 出 來 的 一 組 方 程 式, 用 來 描 述 重 力 以 及 物 質 狀 態 之 間 關 係 的 大 致 是 : G μν = 8πGT μν ( 方 程 式 2) 翻 譯 成 文 字 說 的 是 : 時 空 彎 曲 的 情 形 = 能 量 密 度 壓 力 等 物 質 狀 態 空 間 作 用 於 物 質, 於 是 決 定 了 物 質 如 何 運 動 ; 物 質 也 反 過 來 作 用 於 空 間, 決 定 了 空 間 如 何 彎 曲 ---JohnWheeler--- 因 為 這 個 方 程 式 推 出 的 結 果 顯 示 宇 宙 不 是 在 膨 脹 就 是 在 收 縮, 亦 即 不 是 靜 態 的 宇 宙 這 使 得 愛 因 斯 坦 大 為 恐 懼, 為 了 讓 它 心 中 的 靜 態 宇 宙 呈 現, 愛 因 斯 坦 選 擇 在 方 程 式 右 邊 加 上 一 項 宇 宙 常 數 在 數 學 上, 這 麼 做 是 沒 問 題 的 方 程 式 裡 面 當 然 可 以 任 意 的 加 入 一 個 常 數 只 是 在 物 理 上, 一 個 常 數 也 應 該 要 有 物 理 意 義 才 值 得 被 加 入 一 個 方 程 式 之 中 如 果 硬 在 場 方 程 式 右 邊 加 入 一 個 常 數, 那 意 思 就 是 說 有 一 種 神 秘 的 力 量 在 干 預 宇 宙 的 膨 脹 或 是 收 縮, 而 且 還 沒 辦 法 用 現 存 的 物 理 解 釋 此 時 的 愛 因 斯 坦 已 被 自 己 迷 惑 ( 事 實 上 是 宗 教 的 問 題 ), 他 打 算 藉 由 調 整 宇 宙 常 數 的 大 小 來 使 宇 宙 成 為 寧 靜 與 不 變 03. 宇 宙 膨 脹 的 事 實 愛 因 斯 坦 的 寧 靜 論 調 很 快 就 面 臨 挑 戰 Friedmann 與 De Sitter 在 差 不 多 的 時 間 發 表 了 有 關 場 方 程 式 以 及 宇 宙 常 數 的 解 法, 而 這 個 解 與 愛 因 斯 坦 的 結 34

35 論 有 衝 突 此 外, 哈 柏 的 研 究 指 出, 很 多 星 系 正 在 做 遠 離 我 們 的 運 動, 這 可 以 由 觀 測 上 光 線 的 都 卜 勒 位 移 得 知 哈 柏 歸 納 了 這 些 遠 離 星 系 的 速 度, 又 比 對 了 他 們 的 距 離, 得 到 了 一 條 規 則 : 星 系 速 度 v= 星 系 距 離 d 比 例 常 數 H0; 也 就 是 哈 柏 定 律 (Hubble Law): v=d H0 ( 方 程 式 3) H0 稱 為 哈 伯 常 數 (Hubble constant), 這 對 於 星 系 運 動 的 描 述 符 合 了 膨 脹 宇 宙 的 表 象 而 最 初 哈 伯 估 計 出 來 的 常 數 值 大 約 是 500, 據 此 推 出 的 宇 宙 年 齡 大 概 才 二 十 億 年 比 起 用 放 射 法 測 得 的 地 質 年 齡 還 短, 經 過 一 些 後 來 人 們 的 努 力, 目 前 哈 柏 常 數 的 公 認 數 值 大 約 是 75 左 右 ; 對 應 的 宇 宙 年 齡 是 150 億 年 後 來 愛 因 斯 坦 宣 佈 承 認 引 入 宇 宙 常 數 是 個 錯 誤, 並 曾 經 到 威 爾 遜 天 文 臺 (Mt. Wilson Observatory) 造 訪 哈 伯, 也 看 了 那 臺 證 明 他 錯 誤 的 望 遠 鏡, 至 此 宇 宙 常 數 似 乎 壽 終 正 寢 哈 柏 的 觀 測 出 來 以 後, 許 多 宇 宙 學 家 們 紛 紛 把 目 標 放 在 對 哈 柏 常 數 的 測 量 而 有 另 一 批 人 則 試 著 提 出 一 些 理 論 模 型 想 挽 救 宇 宙 的 穩 定 其 中 包 含 一 種 穩 態 宇 宙 學 的 模 型, 這 個 理 論 的 中 心 特 徵 是 擴 張 的 宇 宙 空 間 會 自 動 生 成 氫 原 子 來 填 補 宇 宙 的 密 度 是 常 數, 因 此 遠 處 的 宇 宙 應 該 沒 有 演 化 的 跡 象 不 過 這 個 說 法 已 經 打 破 質 能 守 恆, 又 遇 到 很 多 觀 測 證 據 上 的 反 駁, 很 快 就 變 得 地 位 不 保 對 穩 態 宇 宙 最 大 的 打 擊 則 是 宇 宙 背 景 輻 射, 這 是 宇 宙 源 自 於 高 緻 密 狀 態 的 直 接 證 據 而 且 已 經 不 可 能 強 用 穩 態 宇 宙 學 解 釋, 很 多 新 的 東 西 似 乎 被 發 現 了 04. 宇 宙 常 數 的 新 角 色 各 種 新 的 觀 測 開 始 發 現 一 件 事 情, 宇 宙 似 乎 不 是 乖 乖 按 照 那 個 沒 有 宇 宙 常 數 的 方 程 式 在 運 作 按 照 沒 有 宇 宙 常 數 的 場 方 程 式 結 果, 宇 宙 將 減 速 膨 脹 問 題 是 新 的 觀 測 卻 發 現 不 對 勁, 由 微 波 背 景 輻 射 等 觀 測 結 果, 都 指 出 宇 宙 常 數 不 是 零, 而 且 還 是 正 的 而 宇 宙 常 數 如 果 是 正 的, 代 表 一 種 對 抗 重 力 收 縮 的 描 述 這 個 神 秘 的 加 速 來 源 讓 宇 宙 常 數 起 死 回 生, 而 且 又 有 了 更 神 秘 的 名 字 黑 暗 能 量 (dark energy) 要 注 意 的 是, 它 不 是 黑 暗 物 質 (dark matter)! 目 前 比 較 相 信 這 源 自 所 謂 的 真 空 能 量 (vacuum energy) 由 於 對 其 詳 細 的 機 制 不 甚 熟 悉, 因 此 不 多 著 墨, 就 暫 時 先 想 成 是 一 種 與 重 力 分 庭 抗 禮 的 機 制 吧! 05. 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 CMBR 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 (Cosmology Microwave Background Radiation), 一 般 簡 稱 為 CMBR 最 早 由 兩 個 科 學 家 Penzia Wilson 發 現 的, 他 們 在 紐 澤 西 州 的 貝 爾 實 驗 室 工 作 他 們 的 電 波 望 遠 鏡 設 計 來 接 收 早 期 通 訊 衛 星 的 信 號, 可 是 卻 一 直 收 到 奇 怪 的 雜 訊 屏 除 其 他 干 擾 後, 他 們 確 定 這 個 是 來 自 天 外 的 35

36 雜 訊 後 來 這 個 雜 訊 被 確 定 是 從 宇 宙 邊 緣 來 的 因 為 其 在 天 空 的 分 布 相 當 的 均 勻, 其 頻 率 與 能 量 分 布 的 形 式 與 黑 體 輻 射 相 當 吻 合 對 應 的 溫 度 在 絕 對 溫 度 3K 左 右 黑 體 輻 射 是 物 質 跟 光 交 互 作 用 很 強, 且 達 到 熱 平 衡 時 的 現 象 ; 因 為 熱 平 衡 可 以 用 溫 度 描 述, 又 加 上 交 互 作 用 很 強, 因 而 光 帶 有 一 種 頻 率 與 能 量 分 布 可 以 描 述 此 溫 度, 稱 為 普 朗 克 分 布 (Planck distribution) 而 普 朗 克 分 布 會 在 一 個 地 方 有 一 個 峰 值, 宇 宙 背 景 輻 射 的 溫 度 就 是 3K 左 右 既 然 背 景 輻 射 來 自 遙 遠 的 彼 端, 又 那 麼 符 合 普 朗 克 分 布, 表 示 早 期 宇 宙 的 光 與 物 質 交 互 作 用 很 強 這 意 味 著 溫 度 很 高, 不 過 隨 著 宇 宙 膨 脹, 空 間 尺 度 增 加, 因 此 光 的 波 長 一 直 被 拉 長, 拉 長 到 今 天 所 對 應 的 3K 雖 然 波 長 被 拉 長, 但 是 頻 率 能 量 分 布 的 形 式 仍 維 持 普 朗 克 分 布 此 外, 根 據 測 量 發 現 宇 宙 背 景 輻 射 有 相 當 均 勻 的 均 向 性, 在 各 個 方 向 測 得 的 背 景 輻 射 都 一 樣 不 過, 由 於 地 球 相 對 宇 宙 背 景 輻 射 的 運 動, 還 是 應 該 要 有 個 較 大 程 度 的 變 化 才 是, 應 該 是 會 造 成 某 些 天 區 的 背 景 輻 射 有 一 點 藍 位 移, 另 一 部 分 紅 位 移, 這 在 1973 年 已 經 成 功 測 得, 證 實 輻 射 的 確 來 自 遙 遠 的 邊 際 雖 然 背 景 輻 射 相 當 均 勻, 但 其 實 還 是 有 小 小 起 伏 擾 動 的 其 大 小 比 地 球 運 動 造 成 的 紅 藍 位 移 小 上 幾 個 數 量 級 這 些 擾 動 代 表 了 早 期 宇 宙 中 的 微 小 不 均 勻, 物 質 有 擾 動 並 傳 遞 ; 同 樣 的 機 制 如 果 是 在 空 氣 中 發 生 就 是 聲 波, 別 忘 了 聲 波 就 是 空 氣 的 擾 動 與 傳 遞 這 些 不 均 勻 目 前 相 信 是 星 系 等 質 量 集 結 體 的 演 化 來 源 聲 波 擾 動 造 成 物 質 的 密 度 起 伏 變 化, 因 為 聲 波 是 種 疏 密 波, 而 那 些 密 度 比 較 高 的 部 分 溫 度 就 會 稍 微 大 一 點, 密 度 比 較 低 的 部 分 溫 度 稍 微 低 一 點 反 應 在 微 波 背 景 輻 射 的 觀 測 上, 就 是 溫 度 的 起 伏 此 外, 聲 波 一 般 來 說 不 會 是 精 準 的 單 頻 波, 通 常 帶 有 很 多 的 頻 率 組 合 不 同 頻 率 的 組 合 對 應 不 同 的 波 長, 所 以 不 同 頻 率 的 聲 波 所 造 成 的 溫 度 起 度 程 度 也 不 同, 較 長 波 長 的 聲 波 所 造 成 的 溫 度 起 伏 尺 度 就 比 較 大 我 們 可 以 想 像 一 道 繩 波, 波 峰 對 應 高 溫, 波 谷 對 應 低 溫, 形 成 溫 度 的 起 伏 當 隨 頻 率 升 高, 波 長 即 降 低, 溫 度 起 伏 的 尺 度 就 越 小 就 是 這 樣 的 概 念, 讓 宇 宙 學 家 可 以 在 微 波 背 景 輻 射 的 溫 度 起 伏 分 布 上 探 究 出 早 期 宇 宙 中 聲 波 的 資 訊 有 了 這 些 資 訊, 宇 宙 學 家 可 以 好 好 的 算 算 這 些 聲 波 運 行 環 境 中 的 空 間 曲 率, 空 間 曲 率 決 定 了 幾 何 結 構, 這 對 早 期 宇 宙 的 結 構 研 究 有 很 大 助 益 06. 膨 脹 的 概 念 首 先 要 強 調 的 是, 所 謂 宇 宙 在 膨 脹, 絕 對 不 是 物 體 之 間 單 純 的 遠 離 運 動 那 只 是 物 體 在 時 空 中 的 運 動, 宇 宙 膨 脹 說 的 是 空 間 上 的 膨 脹 為 了 說 明 清 楚, 我 們 假 設 一 個 一 維 的 宇 宙, 有 兩 個 人, 他 們 彼 此 觀 察 對 方 如 圖 14.1 與 圖 14.2 在 圖 14.1, 顯 示 的 是 空 間 未 變 化, 兩 個 人 各 自 進 行 遠 離 的 運 動 一 個 速 36

37 度 是 V, 另 一 個 是 v 所 以, 他 們 將 觀 察 到 對 方 以 V+v 的 速 度 遠 離 在 圖 14.2, 是 兩 個 人 並 沒 有 運 動, 而 空 間 正 在 膨 脹 中 所 以, 他 們 仍 然 可 以 觀 察 到 彼 此 正 在 遠 離 對 方 經 過 觀 測 紅 位 移, 他 們 就 可 以 得 到 這 個 紅 位 移 所 對 應 的 速 度 這 便 是 現 在 我 們 觀 察 遙 遠 星 系 時, 發 現 這 些 星 系 都 在 遠 離 我 們 的 真 正 主 因 當 然, 空 間 膨 脹 歸 空 間 膨 脹, 假 如 兩 個 人 又 有 各 自 的 運 動 時, 那 麼 問 題 就 會 變 的 複 雜 起 來 所 以 那 些 遙 遠 星 系 看 起 來 似 乎 拼 命 遠 離 我 們 的 主 因, 的 確 是 空 間 膨 脹, 但 不 代 表 那 是 全 部 的 原 因 圖 14.1 空 間 沒 有 變 化, 兩 個 人 在 其 中 進 行 相 反 方 向 的 運 動 圖 14.2 空 間 在 膨 脹, 即 使 兩 個 人 都 靜 止 不 動, 他 們 還 是 可 以 觀 察 到 彼 此 的 遠 離 註 14.1: 分 別 以 V 與 v 互 相 遠 離 的 個 體, 其 所 觀 察 的 對 方 遠 離 速 度 為 V+v 這 樣 的 速 度 相 加 是 在 一 般 世 界 裡 可 以 使 用 的 方 法, 已 經 夠 好 了, 我 們 稱 為 伽 利 略 座 標 轉 換 例 如 在 高 速 公 路 上 想 計 算 對 面 來 車 的 速 度, 便 可 以 使 用 不 過 如 果 運 動 速 度 極 高, 那 就 必 須 做 相 對 論 性 的 修 正, 使 用 的 座 標 稱 之 為 勞 倫 茲 座 標 37

38 一 全 面 性 或 是 基 礎 書 籍 : 最 後 建 議 的 延 伸 閱 讀 1. 物 理 學 宇 宙, 徐 遐 生 著, 李 太 楓 等 翻 譯 從 基 本 物 理 講 到 天 體 力 學 相 對 論 運 動 恆 星 星 際 物 質 星 系 與 宇 宙 學 太 陽 系 與 宇 宙 生 命 等, 可 能 稍 難 2. 高 中 地 科 課 本 3. 簡 明 天 文 學, 周 體 健 著, 凡 異 出 版 社 本 書 的 特 點 在 於 淺 顯 易 懂, 為 一 本 專 為 天 文 學 入 門 者 所 編 著 的 書, 內 容 大 都 僅 闡 述 天 文 現 象 並 未 用 到 深 刻 的 物 理 解 釋 唯 編 著 年 帶 稍 早, 可 能 有 部 分 現 今 已 推 翻 的 理 論 尚 未 更 改 二 雜 誌 刊 物 : 1. 科 學 人 雜 誌 為 科 學 美 國 人 的 中 文 版 本, 但 不 是 純 粹 中 譯 本, 有 許 多 科 學 新 知 2. 觀 星 人 雜 誌 程 度 上 比 科 學 人 更 接 近 高 中 生, 由 傅 學 海 老 師 等 人 推 行 3. 臺 北 星 空 天 文 館 發 行, 季 刊 三 太 陽 系 : 1. 日 食 與 月 食,Philips. Harrington 著, 洪 家 輝 譯, 寰 宇 出 版 四 恆 星 : 1. 星 圖 手 冊,A. P Norton 著, 李 元 李 珩 譯 於 恆 星 的 介 紹 著 墨 甚 多 2. 星 星 的 故 事, 傅 學 海 等 人 著, 新 新 聞 出 版 五 星 系 與 宇 宙 學 1. 星 系 世 界, 馬 駬 陳 秉 乾 著, 牛 頓 出 版 2. 宇 宙 簡 史,Joseph Silk 著, 林 鼎 章 譯, 遠 哲 基 金 會 出 版 六 天 文 物 理 1. 諾 貝 爾 百 年 鑑 天 體 物 理 學, 北 大 天 文 系 吳 鑫 基 北 京 天 文 館 溫 學 詩 著, 李 精 益 校 訂, 世 潮 出 版 由 諾 貝 爾 獎 為 主 軸, 談 近 百 年 天 文 物 理 發 展 38

39 七 網 路 資 源 1. Google 2. Wikipedia 兩 者 皆 可 藉 由 搜 尋 名 詞 的 方 式 來 查 詢 你 想 要 的 字 辭 知 識, 想 要 快 速 有 概 念 的 話,Google 與 Wiki 是 最 佳 選 擇 3. 國 立 成 功 大 學 天 文 學 實 驗 室 4. 國 立 清 華 大 學 物 理 系 張 祥 光 教 授 個 人 網 頁 5. 國 立 清 華 大 學 天 文 社 網 頁 基 礎 天 文 知 識 的 來 源 如 果 你 還 想 涉 略 更 多 有 關 天 文 學 的 東 西 ~ 可 以 看 看 牛 頓 科 學 雜 誌 ~ 他 裡 面 有 很 多 專 題 式 討 論, 也 會 有 教 你 認 星 座 的 方 法, 是 一 本 還 不 錯 的 參 考 書 天 文 是 一 件 有 趣 的 事 情, 期 望 你 能 在 今 年 的 星 空 之 子 裡 面 學 到 很 多 東 西, 玩 得 盡 興 文 稿 最 後 修 訂

40 基 礎 天 文 觀 測 篇 前 言 天 文 學 是 一 門 觀 測 的 科 學, 也 許 你 們 現 在 完 全 感 覺 不 到, 畢 竟 你 們 現 在 碰 到 的 天 文 學, 大 多 就 是 在 地 科 課 本 上 或 報 章 雜 誌 上 看 到, 比 較 容 易 覺 得 它 是 一 門 很 理 論 的 科 學 ( 很 理 論 的 科 學 只 有 數 學 XD), 其 實 不 然, 天 文 學 是 一 門 以 觀 測 為 主 體, 而 理 論 主 要 是 用 來 解 釋 觀 測 現 象 的 一 門 科 學, 在 這 份 講 義 中, 除 了 上 課 的 內 容 之 外, 為 了 教 學 內 容 的 完 整 性, 會 有 很 多 額 外 的 補 充 資 料, 希 望 你 們 能 抱 持 著 懷 疑 的 態 度 閱 讀, 畢 竟 今 天 此 刻 是 對 的 東 西, 明 天 可 能 就 被 推 翻 了, 每 當 你 有 懷 疑 時, 可 以 去 找 其 他 文 獻 來 參 考, 這 樣 你 也 可 以 學 到 很 多 東 西 喔, 這 也 才 是 好 的 態 度 喔! 最 後 送 給 大 家 一 句 我 很 喜 歡 的 話," 初 次 使 用 照 相 機 拍 攝 天 體, 是 照 相 機 發 明 的 次 年, 即 1840 年, 美 國 人 J.W.Draper 所 拍 攝, 經 過 百 餘 年 後, 照 相 機 以 驚 人 的 速 度 推 廣, 甚 至 連 業 餘 觀 測 家 都 能 參 與 攝 影 工 作 "---- 天 文 觀 測 入 門, 蔡 章 獻 審 定,1992 年 初 版 座 標 系 統 基 礎 知 識 一 地 平 座 標 系 統 地 平 座 標 系 統 是 人 類 最 初 始 也 最 直 覺 使 用 的 座 標 系 統 地 平 座 標 系 統 訂 定 北 方 為 0 度, 向 東 轉 則 度 數 增 加, 一 直 到 360 度 便 回 到 0 度 此 外, 星 星 在 我 們 視 線 裡 與 地 平 線 的 夾 角 即 為 仰 角 地 平 座 標 系 統 最 早 的 意 義 可 能 是 由 星 這 個 字 的 甲 骨 文 所 出 現, 其 最 早 的 形 象 為 兩 顆 星 星 掛 在 樹 梢, 有 人 認 為 這 就 是 的 平 座 標 系 統 的 起 源 二 赤 道 座 標 系 統 赤 道 座 標 系 統 是 依 據 天 球 概 念 所 制 定 出 來 的 座 標 系 統 假 定 天 空 中 所 有 的 星 體 都 在 距 離 地 球 無 限 遠 的 一 球 殼 上, 並 且 繞 著 地 球 旋 轉, 這 就 是 天 球 的 概 念 赤 道 座 標 系 統 較 地 平 座 標 系 統 為 天 文 業 餘 及 專 業 觀 測 所 使 用, 因 地 平 座 標 系 統 較 不 易 描 述 任 意 時 刻 星 體 所 在 之 位 置, 故 在 描 述 上 多 採 用 之 赤 道 座 標 系 統 的 記 錄 可 以 分 為 赤 經 及 赤 緯, 兩 者 的 意 義 近 似 於 地 球 的 經 度 及 緯 度, 都 是 用 來 描 述 星 體 在 天 球 中 所 在 位 置 40

41 星 等 星 等 是 一 個 沒 有 單 位 的 量, 正 確 來 說 它 只 代 表 亮 度 的 比 值, 依 據 古 希 臘 天 文 學 家 依 巴 古 (Hipparchus) 的 定 義, 天 空 中 肉 眼 可 見 的 星 星 可 分 為 六 等, 最 亮 為 一 等 星, 眼 睛 約 略 可 見 的 是 六 等 星, 而 後 代 天 文 學 家 發 現 一 等 星 跟 六 等 星 之 間 亮 度 差 距 100 倍, 但 要 注 意 星 等 之 間 的 差 是 等 比 關 係, 如 果 說 一 等 星 跟 六 等 星 之 間 亮 度 差 100 倍, 那 一 等 星 跟 十 二 等 星 亮 度 應 該 是 插 倍, 而 不 是 200 倍, 這 點 記 清 楚 之 後, 我 們 就 可 以 估 算 一 等 星 比 二 等 星 亮 多 少 了, 見 下 列 推 導 ( 不 想 看 數 學 推 導 可 直 接 跳 至 粗 線 處 看 結 果 ) 一 等 星 亮 度 六 等 星 亮 度 一 等 星 亮 度 二 等 星 亮 度 所 以 說, 一 等 星 比 二 等 星 亮 倍, 知 道 這 個 關 係 之 後, 我 們 就 可 以 將 星 等 的 概 念, 延 伸 到 負 的 星 等 以 及 更 大 的 星 等 了 視 星 等 (apparent magnitude) 指 的 就 是 我 們 在 地 球 上 看 到 的 星 體 亮 度, 先 前 我 有 提 到 星 等 是 比 值, 古 代 是 以 人 眼 為 基 準, 區 分 出 一 等 星 到 六 等 星, 那 目 前 是 以 什 麼 為 基 準 呢? 答 案 是 織 女 星, 以 織 女 星 的 亮 度 作 為 零 等 的 基 準, 去 計 算 其 他 星 體 的 星 等, 這 一 切 看 起 來 十 分 完 美, 我 們 有 個 基 準 星, 然 後 可 以 推 算 出 其 他 天 體 的 星 等, 可 是 如 果 織 女 星 很 暗 或 是 看 不 到 了 呢? 這 絕 對 不 是 什 麼 天 方 夜 譚, 如 果 說 我 們 利 用 非 可 見 光 的 波 段 觀 測 的 話 ( 看 不 懂 這 些 名 詞 的 話, 可 以 翻 到 後 面 講 光 的 部 分 先 行 閱 讀 ), 織 女 星 有 可 能 就 一 定 也 不 明 亮 甚 至 是 看 不 到 了, 在 這 種 時 候 天 文 學 家 會 再 找 新 的 基 準 星 來 41

42 做 為 星 等 的 依 據, 這 個 情 況 主 要 是 要 告 訴 你, 隨 著 觀 測 波 段 的 不 同, 相 同 的 星 星 也 可 能 會 有 不 同 的 視 星 等 絕 對 星 等 (absolute magnitude) 看 了 前 面 的 視 星 等, 你 可 能 會 覺 得 世 界 非 常 的 美 好, 每 個 星 星 都 有 了 它 該 有 的 星 等, 也 解 決 的 不 同 波 段 下 的 問 題, 但 是 當 你 仔 細 想 想 之 後, 就 會 發 現 到 視 星 等 其 實 對 於 我 們 了 解 這 個 星 體 一 點 幫 助 也 沒 有, 首 先, 影 響 星 等 的 因 素 有 星 體 的 發 光 能 力, 你 可 以 想 成 是 LED 燈 跟 手 機 螢 幕 照 明 的 差 別, 但 是 還 有 一 點 很 重 要 的 因 素 會 影 響 的 星 等, 就 是 距 離, 你 把 LED 燈 放 在 五 公 尺 遠 跟 在 眼 前 ( 很 刺 眼 XD), 你 所 感 覺 到 的 亮 度 一 定 是 不 一 樣 的, 視 星 等 是 一 個 擁 有 這 麼 多 未 知 變 數 的 量, 可 見 他 對 於 我 們 了 解 星 體 的 幫 助 不 大 ( 我 承 認 在 講 星 座 的 時 候, 能 把 星 等 背 出 來 真 的 很 帥 XD), 這 時 聰 明 的 天 文 學 家 又 提 出 了 另 一 種 概 念 絕 對 星 等, 絕 對 星 等 的 想 法 一 樣 是 在 地 球 上 觀 測 星 體 的 亮 度, 但 是 假 設 這 些 星 體 都 被 抓 到 距 離 我 們 32.6 光 年 的 地 方, 因 此 在 這 種 情 況 下 影 響 星 等 的 因 素 很 漂 亮 地 變 成 只 跟 星 體 發 光 能 力 有 關 而 已, 有 的 時 候 如 果 你 看 到 有 些 圖 表 上 標 有 絕 對 星 等, 那 麼 你 可 以 直 接 把 它 聯 想 成 星 體 的 發 光 能 力 黑 體 輻 射 (black body radiation) 首 先 來 解 釋 黑 體 (black body) 這 個 名 詞, 黑 體 代 表 的 意 思 是 它 會 完 全 吸 收 所 有 入 射 的 電 磁 波 ( 所 以 才 會 叫 黑 體 啊 XD), 不 同 的 頻 率 的 電 磁 波 黑 體 都 會 吸 收, 黑 體 也 會 發 出 電 磁 波, 而 且 是 連 續 譜 線, 最 重 要 的 一 點 是 黑 體 的 強 度 光 譜 (power spectrum) 曲 線 只 跟 溫 度 有 關, 而 跟 黑 體 的 形 狀 沒 有 關 係, 雖 然 理 想 的 黑 體 在 現 實 生 活 中 並 不 存 在, 但 是 天 文 學 家 常 常 把 恆 星 近 似 為 黑 體 ( 對 於 某 類 恆 星 這 種 近 似 會 有 問 題 ), 所 以 你 們 可 能 會 聽 到 說 恆 星 會 發 出 黑 體 輻 射, 這 便 是 一 個 近 似 的 結 果 ; 天 文 學 家 常 常 喜 歡 將 不 同 的 曲 線 以 其 所 對 應 的 黑 體 溫 度 來 代 表, 像 是 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 就 又 被 稱 為 3K 背 景 輻 射, 因 為 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 的 譜 線 與 一 個 3K 黑 體 所 發 出 的 連 續 光 譜 幾 乎 完 全 相 同 不 同 溫 度 之 黑 體 輻 射 曲 線 ( 圖 片 來 源 : 42

43 觀 測 工 具 眼 睛 我 們 能 看 到 物 體, 除 了 物 體 本 身 能 夠 發 光 之 外, 絕 大 部 分 的 物 質 是 反 射 光 線 或 折 射 光 進 入 我 們 眼 睛, 而 我 們 眼 睛 的 結 構 其 實 跟 相 機 十 分 相 像, 當 光 線 進 入 我 們 眼 睛, 會 先 經 過 角 膜, 角 膜 是 一 片 透 明 薄 膜, 功 能 像 是 鏡 頭 前 的 保 護 鏡, 經 過 角 膜 之 後, 會 抵 達 瞳 孔, 瞳 孔 會 自 動 控 制 大 小 ( 腦 幹 能 夠 控 制 瞳 孔 縮 放, 因 此 可 以 由 瞳 孔 縮 放 判 斷 病 人 是 否 腦 幹 有 受 到 損 傷 ), 以 控 制 進 光 量, 功 能 可 以 類 比 為 光 圈, 之 後 光 會 抵 達 水 晶 體, 水 晶 體 的 作 用 是 要 讓 光 線 能 夠 匯 聚 到 視 網 膜 上, 換 句 話 說 就 是 作 為 聚 焦 的 功 用, 功 能 可 以 類 比 為 鏡 頭, 如 果 水 晶 體 的 聚 焦 出 了 問 題, 則 會 使 產 生 近 視 或 是 老 花 眼 的 症 狀, 接 著 光 便 能 抵 達 視 網 膜, 視 網 膜 可 類 比 為 不 用 替 換 的 底 片, 視 網 膜 上 有 許 多 感 光 細 胞, 依 據 形 狀 可 以 分 為 錐 狀 細 胞 跟 桿 狀 細 胞, 錐 狀 細 胞 主 要 分 布 於 視 網 膜 中 央, 負 責 細 部 與 色 彩 視 覺, 依 據 光 色 素 不 同 又 可 分 為 三 種, 這 三 種 分 別 接 收 可 見 光 譜 中 紅 綠 藍 三 種 顏 色, 因 此 我 們 所 能 判 讀 的 顏 色, 便 是 來 自 這 三 種 受 器 接 受 到 光 之 相 對 強 度 不 同 所 產 生, 而 桿 狀 細 胞 則 分 布 於 視 網 膜 周 圍, 負 責 夜 晚 的 視 覺 功 能, 桿 狀 細 胞 對 於 光 較 為 敏 感, 因 此 在 較 暗 的 環 境 下, 我 們 是 依 靠 桿 狀 細 胞 來 看 東 西, 因 此 有 時 我 們 在 野 外 觀 測 時, 會 傾 向 用 眼 睛 的 餘 光 去 看 星 星, 這 樣 能 夠 看 到 一 些 較 暗 的 星 星, 桿 狀 細 胞 無 法 辨 別 顏 色, 對 桿 狀 細 胞 來 說 只 有 黑 色 白 色, 跟 不 同 比 例 的 黑 白 所 產 生 的 灰 階 而 已 量 子 效 率 眼 睛 結 構 ( 圖 片 來 源 : 量 子 效 率 指 的 是 假 設 有 一 百 個 光 子 進 來, 我 們 能 夠 讀 取 到 幾 個 光 子, 量 子 效 率 30% 指 的 是 進 來 100 個 光 子 只 能 讀 取 到 30 個 光 子, 在 天 文 觀 測 上, 我 們 當 然 43

44 希 望 進 來 的 光 子 越 多 越 好, 換 句 話 說 我 們 希 望 的 量 子 效 率 也 是 越 高 越 好 動 態 範 圍 動 態 範 圍 指 的 是 容 許 信 號 最 小 值 到 最 大 值 的 寬 容 度, 簡 單 的 來 說 就 是 圖 片 能 夠 有 的 亮 度 最 大 值 跟 亮 度 最 小 值 的 差 值, 我 們 眼 睛 的 動 態 範 圍 很 大, 導 致 我 們 在 逆 著 陽 光 看 東 西 的 時 侯, 四 周 的 景 物 不 會 變 著 一 片 漆 黑, 然 而 照 片 的 話, 如 果 說 裡 面 的 有 包 括 太 陽 的 話, 那 張 照 片 應 該 絕 大 多 數 的 景 物 的 是 烏 漆 抹 黑 的 ( 所 以 說 在 攝 影 裡 面, 光 線 的 選 擇 很 重 要, 因 為 不 論 是 底 片 或 CCD 的 動 態 範 圍 都 比 眼 睛 小 ) 底 片 底 片 的 原 理 是 利 用 光 來 引 發 鹵 化 銀 的 反 應 來 產 生 影 像, 而 彩 色 底 片 則 為 三 層 鹵 化 銀, 三 層 鹵 化 銀 來 表 示 紅 綠 藍 三 原 色, 底 片 的 量 子 效 率 跟 動 態 範 圍 都 不 如 CCD, 不 過 底 片 可 以 在 顯 影 ( 就 是 所 謂 洗 底 片 啦 XD) 時, 讓 顯 像 效 果 變 好, 而 且 底 片 有 倒 數 律 失 效 的 問 題, 所 謂 的 倒 數 律 失 效, 就 是 指 說 在 曝 光 時 間 過 短 或 過 長 時, 光 化 學 反 應 產 生 的 量 與 曝 光 時 間 沒 有 關 係, 簡 單 的 來 說 當 你 曝 光 40 秒 跟 50 秒, 得 到 的 影 像 有 可 能 完 全 相 同 ( 那 我 幹 嘛 曝 光 曝 那 麼 久 XD), 由 此 可 知 道 底 片 對 光 的 反 應 並 沒 有 十 分 敏 銳, 因 此 目 前 大 家 大 多 採 用 CCD 來 攝 影 或 得 到 影 像 電 荷 耦 合 元 件 (Charged Coupled Device) 2009 年 諾 貝 爾 物 理 獎 其 中 一 半 頒 發 給 Willard Boyle 及 George Smith, 這 兩 位 仁 兄 在 40 年 前 發 明 了 可 儲 存 影 像 的 半 導 體 電 路 - 電 荷 耦 合 元 件 (CCD), 依 據 瑞 典 皇 家 科 學 研 究 院 的 說 法 2009 諾 貝 爾 獎 得 主 的 貢 獻 已 經 徹 底 改 變 人 類 的 生 活 方 式, 你 可 能 壓 根 地 都 不 知 道 這 是 什 麼, 但 是 CCD 在 日 常 生 活 中 已 經 相 當 普 遍, 像 是 手 機 的 相 機 或 是 數 位 相 機 等 等,CCD 的 主 要 原 理 是 利 用 光 電 效 應, 光 電 效 應 最 先 由 赫 茲 於 1887 年 發 現, 而 愛 因 斯 坦 於 1905 年 提 出 光 電 效 應 的 解 釋, 並 於 1921 年 因 為 光 電 效 應 拿 到 諾 貝 爾 獎, 光 電 效 應 的 想 法 是 光 可 被 視 為 光 子, 當 頻 率 大 於 物 質 電 子 的 束 縛 能, 此 光 子 便 可 將 電 子 打 出 物 質,CCD 便 是 利 用 這 種 原 理 感 光,CCD 的 每 個 畫 素 像 是 一 座 井 ( 位 能 井 ) 能 夠 儲 存 電 子, 當 光 線 越 強 的 時 候, 儲 存 的 電 荷 便 會 越 多, 這 些 電 荷 數 便 可 作 為 判 斷 光 線 強 弱 的 依 據 在 天 文 觀 測 上, 一 開 始 我 們 使 用 的 是 光 電 倍 增 管, 光 電 倍 增 管 其 實 也 是 運 用 光 電 效 應 的 產 物, 但 由 於 產 生 光 度 範 圍 有 限, 觀 測 效 率 不 佳, 再 加 上 體 積 龐 大, 因 此 在 CCD 於 1970 年 初 問 世 後, 天 文 學 家 發 現 到 CCD 更 好 用, 因 此 當 時 天 文 學 家 燕 積 極 研 發 或 支 持 CCD 的 技 術 運 用 於 天 文 上 ( 包 括 NASA 及 世 界 上 各 大 天 文 台 ), 44

45 所 以 在 CCD 還 沒 廣 泛 出 現 在 市 面 上 時, 天 文 上 便 已 經 大 幅 使 用 CCD, 由 於 CCD 的 使 用 也 使 得 天 文 觀 測 的 進 入 一 個 新 的 境 界, 變 成 一 個 可 以 準 確 定 量 分 析 的 科 學 在 天 文 觀 測 上, 最 重 視 的 是 量 子 效 率, 也 就 是 說 100 個 光 子 進 來, 我 們 能 捕 捉 到 幾 個 光 子, 目 前 CCD 的 量 子 效 率 可 達 到 80% 以 上 ( 可 見 光 ), 算 是 十 分 高 的 量 子 效 率, 目 前 從 X 光 到 紅 外 線 都 已 有 市 售 的 CCD 元 件 可 供 使 用, 可 見 目 前 CCD 在 天 文 觀 測 上 的 使 用 是 非 常 普 遍 的 如 果 是 要 拍 攝 深 空 天 體 的 話, 除 了 昂 貴 的 CCD 之 外, 現 在 數 位 單 眼 大 多 採 用 CMOS 做 為 感 光 元 件, 價 格 較 便 宜, 且 搭 配 上 望 遠 鏡 一 樣 可 以 拍 攝 出 不 錯 的 照 片, 需 要 注 意 的 只 有 感 光 元 件 及 採 用 鏡 片 組 所 產 生 的 雜 訊 及 光 線 不 均 勻 問 題, 但 透 過 軟 體 後 製 則 可 以 消 掉 大 部 分 雜 訊 觀 測 方 法 觀 測 方 法 主 要 是 講 解 不 同 的 觀 測 目 標, 下 面 列 出 三 種 天 文 學 家 觀 測 的 目 標 光 ( 電 磁 波 ) 波 (Wave) 在 講 電 磁 波 之 前, 先 來 講 波 是 什 麼 吧? 波 是 一 種 會 隨 著 空 間 跟 時 間 傳 遞 的 擾 動 (perturbation), 什 麼 是 擾 動 (perturbation)?? 像 是 用 手 碰 觸 一 下 水 面, 便 會 有 水 波 產 生, 這 樣 的 情 況 是 利 用 手 擾 動 水, 手 給 予 水 分 子 能 量, 使 得 水 分 子 開 始 震 盪, 而 且 會 將 能 量 傳 遞 給 附 近 的 水 分 子, 使 得 附 近 水 分 子 開 始 震 盪, 因 此 波 的 能 量 便 會 被 傳 遞 出 去, 但 是 水 分 子 實 際 上 並 沒 有 移 動, 總 結 一 下, 波 傳 遞 的 只 有 能 量, 介 質 並 沒 有 跟 著 傳 遞 出 去, 接 著 開 始 介 紹 一 些 波 的 名 詞 橫 波 縱 波 波 可 分 橫 波 跟 縱 波, 區 分 方 式 是 介 質 振 動 方 向 與 波 的 前 進 方 向 垂 直 或 是 平 行, 如 果 介 質 振 動 方 向 平 行 於 波 前 進 方 向, 這 種 波 我 們 稱 為 縱 波, 常 見 的 例 子 像 是 聲 波, 而 若 介 質 振 動 方 向 垂 直 於 波 前 進 方 向 的 話, 這 種 波 我 們 稱 為 橫 波, 常 見 的 例 子 是 上 下 擺 動 的 繩 波 45

46 橫 波 縱 波 ( 圖 片 來 源 ( 圖 片 來 源 : 振 幅 振 幅 指 的 是 介 質 粒 子 震 盪 時, 距 離 平 衡 點 的 位 移 大 小 波 峰 波 谷 波 峰 指 的 是 振 幅 最 大 值 的 位 置, 波 谷 指 的 是 振 幅 最 小 值 的 位 置 波 長 通 常 指 的 是 相 鄰 波 峰 或 相 鄰 波 谷 的 位 置 差 頻 率 單 位 時 間 內 產 生 波 的 數 量, 常 用 的 單 位 是 赫 茲 (Hertz),5HZ 指 的 是 一 秒 之 內 產 生 五 個 波 波 速 波 的 速 度, 波 速 會 等 於 波 長 乘 於 頻 率 電 磁 波 的 概 念 光 是 電 磁 波 的 概 念 由 馬 克 士 威 (James Clerk Maxwell) 預 測 出 來, 之 後 由 赫 茲 (Heinrich Rudolf Hertz) 在 實 驗 證 實 電 磁 波 的 存 在, 光 是 一 種 波, 因 此 光 具 有 波 的 性 質, 隨 著 波 長 不 同, 電 磁 波 又 會 有 不 同 的 別 稱, 波 長 由 長 到 短, 大 致 可 稱 為 無 線 電 波 微 波 紅 外 線 可 見 光 紫 外 線 X 射 線 射 線, 利 用 不 同 波 長 的 光 可 以 觀 測 到 不 同 的 現 象, 溫 度 越 高 ( 能 量 越 高 ) 的 環 境 越 能 夠 產 生 頻 率 越 高 的 電 磁 波, 在 非 常 低 溫 下 ( 攝 氏 負 兩 百 七 十 三 度 ), 物 質 內 的 原 子 僅 能 輻 射 出 無 線 電 波 和 46

47 微 波, 在 室 溫 ( 攝 氏 二 十 五 度 ) 左 右, 大 致 上 是 輻 射 紅 外 線, 到 了 約 攝 氏 五 至 六 千 度 時, 則 是 發 出 可 見 光 輻 射 以 及 紫 外 線, 溫 度 達 到 百 萬 度 時, 物 體 便 會 輻 射 X 射 線, 百 億 度 的 環 境 則 會 輻 射 射 線 大 氣 窗 口 47 圖 片 來 源 : 我 們 的 大 氣 層 只 允 許 兩 個 波 段 的 電 磁 波 能 夠 抵 達 地 面, 一 個 波 段 為 我 們 熟 悉 的 可 見 光 ( 要 不 然 你 怎 麼 看 得 到 東 西 ), 另 一 個 波 段 便 是 電 波, 如 果 說 我 們 想 觀 測 其 他 波 段 的 話, 就 必 須 要 到 大 氣 之 上 - 太 空, 利 用 太 空 望 遠 鏡 來 觀 測 這 些 波 段 光 譜 光 譜 觀 測 起 源 於 牛 頓, 他 使 用 三 稜 鏡 將 太 陽 白 光 分 成 不 同 顏 色 的 光, 我 們 眼 中 所 謂 的 白 色 太 陽 光, 其 實 是 由 不 同 顏 色 的 光 所 組 成 的, 光 譜 的 意 思 便 是 將 不 同 頻 率 的 光 區 分 出 來, 強 度 光 譜 (Power Spectrum) 是 將 縱 軸 作 為 光 的 強 度, 橫 軸 作 為 光 的 頻 率, 因 此 我 們 能 夠 知 道 不 同 頻 率 的 光 各 別 的 強 度, 光 譜 主 要 又 可 分 為 三 種, 連 續 光 譜, 發 射 光 譜, 吸 收 光 譜 連 續 光 譜 (continuum spectrum) 包 含 各 種 不 同 頻 率 的 光 譜, 恆 星 所 發 出 的 光 譜 都 是 連 續 光 譜, 所 以 說 牛 頓 才 能 把 太 陽 光 分 成 很 多 不 同 顏 色 的 光, 我 們 很 常 將 恆 星 的 輻 射 近 似 為 為 黑 體 輻 射, 而 黑 體 輻 射 便 是 連 續 光 譜 單 頻 光 譜 (single line spectrum) 在 講 單 頻 光 譜 之 前, 要 先 講 原 子 的 結 構, 原 子 由 電 子 與 原 子 核 組 成, 電 子 會 繞 行 原 子 核, 當 我 們 要 描 述 電 子 繞 行 原 子 核 的 情 形 時, 物 理 學 家 其 實 沒 辦 法 直 接 預 測 電 子 的 軌 道, 只 能 夠 描 述 電 子 出 現 的 機 率, 這 其 實 非 常 的 難 以 理 解, 你 可 以 想 像 成 假 設 有 一 題 數 學 題 目, 然 後 數 學 老 師 不 能 告 訴 你 這 題 的 答 案, 他 只 能 告 訴 你 答 案 為 1 的 機 率 是 30%, 答 案 為 2 的 機 率 是 40%, 答 案 為 3 的 機 率 是 30%, 至 於 哪 個 答 案 是 對 的 呢? 數 學 老 師 不 能 告 訴 你, 因 為 每 個 答 案 都 有 可 能, 物 理 學 家 不 能

48 告 訴 你 原 子 內 的 電 子 在 哪 裡, 我 們 只 能 告 訴 你 電 子 出 現 在 哪 裡 的 機 率 而 已 ( 雖 然 我 們 相 信 電 子 會 有 自 己 的 軌 道, 只 是 我 們 沒 辦 法 知 道 而 已 ), 因 此 我 們 習 慣 稱 電 子 的 繞 行 軌 跡 為 軌 道 領 域, 簡 稱 為 軌 域, 而 電 子 擁 有 不 同 的 軌 域, 這 些 不 同 軌 域 的 電 子 在 相 同 位 置 的 機 率 也 會 有 所 不 同, 而 這 些 不 同 的 軌 域 會 有 不 同 的 能 量, 這 些 能 量 是 可 以 用 薛 丁 格 方 程 式 (Schrodinger Equation) 推 算 出 來, 且 可 以 在 實 驗 上 觀 測 證 明 的 而 電 子 會 有 很 多 不 同 的 軌 道 可 以 繞 行 原 子 核, 這 些 不 同 的 軌 道 擁 有 不 同 的 能 量, 基 本 上 電 子 會 傾 向 在 最 低 能 量 的 軌 道 上, 如 果 說 電 子 在 這 些 軌 道 間 移 動 的 話, 便 會 吸 收 或 發 射 出 電 磁 輻 射, 而 這 些 軌 道 的 能 量 是 固 定 的, 所 以 說 發 出 或 吸 收 輻 射 的 頻 率 會 是 固 定 的 值, 因 此 我 們 將 其 稱 之 為 單 頻 光 譜 (single line spectrum) 發 射 光 譜 (emission line) 如 果 說 電 子 從 能 量 高 的 軌 道 移 動 到 能 量 低 的 軌 道, 原 子 會 發 射 電 磁 波, 因 此 這 種 光 譜 稱 為 發 射 光 譜 吸 收 光 譜 (absorption ) 假 設 電 磁 波 通 過 原 子 時, 電 磁 波 的 能 量 剛 好 等 於 電 子 軌 道 間 的 能 量, 則 此 時 電 子 會 吸 收 電 磁 波 的 能 量, 從 能 量 低 的 軌 道 移 動 到 能 量 高 的 軌 道, 此 能 量 的 電 磁 輻 射 被 吸 收 掉, 因 此 這 種 光 譜 稱 為 吸 收 光 譜 重 力 波 (Gravitational Wave) 電 磁 力 會 產 生 電 磁 波 這 種 現 象, 那 麼 重 力 應 該 也 會 有 重 力 波 出 現, 重 力 波 來 自 於 廣 義 相 對 論 的 預 測, 依 據 廣 義 相 對 論, 重 力 波 相 當 微 弱, 因 此 需 要 巨 大 質 量 的 變 動 事 件, 在 地 球 上 的 質 量 皆 不 足 以 形 成 夠 大 的 重 力 波 來 讓 儀 器 探 測 到, 搜 尋 重 力 波 的 人 便 把 目 標 朝 向 宇 宙, 像 是 兩 個 中 子 星, 甚 至 是 兩 個 黑 洞 的 互 相 撞 擊, 但 是 到 目 前 為 止, 仍 然 沒 有 直 接 觀 到 重 力 波 的 證 據 目 前 地 球 上 最 成 熟 的 重 力 波 偵 測 器 為 - 美 國 雷 射 干 涉 重 力 波 天 文 台 (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO), 建 造 在 路 易 西 安 納 和 華 盛 頓, 相 隔 兩 地 一 模 一 樣 的 兩 台 機 器, 主 要 是 為 了 避 免 地 震 之 類 的 地 球 因 素 影 響 觀 測 結 果, 主 要 的 儀 器 結 構 是 兩 個 垂 直 的 機 械 臂, 每 個 臂 長 約 為 4000 公 尺, 臂 的 末 端 有 懸 掛 反 射 線, 管 道 採 用 不 銹 鋼 製 成, 直 徑 約 1.2 公 尺, 管 道 內 部 抽 真 空, 大 功 率 雷 射 在 管 道 內 來 回 反 射 增 加 等 效 臂 長, 最 後 通 過 狹 縫 產 生 干 涉 條 紋, 若 有 重 力 波 通 過 的 話, 重 力 波 會 造 成 光 程 差 產 生 改 變, 導 致 干 涉 條 紋 移 動 讓 我 們 來 看 看 觀 測 重 力 波 的 難 度 吧! 以 兩 顆 中 子 星 互 撞 產 生 的 干 涉 條 紋 變 化, 可 能 小 於 一 顆 質 子 的 半 徑, 實 在 是 非 常 小, 所 以 說 觀 測 重 力 波 真 的 是 一 件 很 困 難 的 事 雖 然 目 前 為 止 重 力 波 並 未 被 直 接 觀 測 到, 目 前 已 有 一 些 間 接 觀 測 證 據 48

49 可 能 證 明 重 力 波, 最 著 名 的 例 子 是 Rusell Hulse 和 Joseph Taylor 兩 人 對 於 波 霎 (pulsar)psr 的 觀 測 Taylor 的 觀 測 顯 示, 此 雙 星 為 兩 個 正 在 互 相 旋 轉 並 接 近 的 中 子 星, 而 其 旋 入 的 速 率 跟 廣 義 相 對 論 中 的 重 力 波 所 產 生 的 反 作 用 效 應 之 預 設 完 全 相 符 大 致 的 原 理 是 : 所 觀 測 到 的 雙 星 軌 道, 可 以 被 用 來 計 算 此 軌 道 之 能 量 轉 換 成 重 力 波 輻 射 出 去 的 速 率 ( 能 量 損 失 的 效 率 ), 再 藉 由 此 能 量 損 失 的 速 率 我 們 可 以 計 算 軌 道 旋 入 的 速 率, 所 計 算 出 的 速 率 與 觀 測 到 的 速 率 符 合 程 度 相 當 高 因 此 我 們 可 以 視 其 為 重 力 波 的 間 接 證 據 另 一 新 穎 的 重 力 波 偵 測 裝 置 是 太 空 雷 射 干 涉 天 線 (LISA),LISA 將 一 圍 繞 太 陽 的 軌 道 放 置 三 個 人 工 行 星, 距 離 要 比 地 球 相 較 太 陽 還 遠 一 點, 這 三 個 人 工 行 星 之 間 相 距 五 百 萬 公 里, 並 呈 現 三 角 形 分 部 圍 繞 太 陽 轉 動, 當 重 力 波 通 過 時, 空 間 中 的 漣 漪 將 會 輕 輕 的 推 到 這 些 人 工 行 星, 因 為 這 些 儀 器 距 離 十 分 遙 遠, 所 以 說 這 個 巨 大 的 儀 器 非 常 靈 敏, 若 能 克 服 雷 射 偵 測 的 靈 敏 問 題, 對 於 重 力 波 的 探 測 應 該 會 有 很 大 突 破 觀 測 目 標 天 文 學 家 針 對 不 同 的 目 的, 會 有 不 同 的 觀 測 手 段, 藉 由 解 讀 這 些 觀 測 結 果, 天 文 學 家 才 能 推 測 天 體 上 發 生 了 什 麼 事, 這 個 章 節 主 要 是 講 實 際 天 文 觀 測 的 例 子, 以 便 讓 你 了 解, 天 文 學 家 是 怎 麼 知 道 外 太 空 有 什 麼 東 西, 或 是 星 體 內 有 怎 麼 樣 的 機 制 以 產 生 我 們 觀 測 的 結 果 氫 21 公 分 譜 線 觀 測 歷 史 1944 年 由 荷 蘭 范 德 胡 思 特 (H.C. Van de Hulst) 由 理 論 計 算 出 來, 而 在 1951 年 來 自 銀 河 系 的 21 公 分 譜 線 首 度 被 觀 測 到, 因 此 也 間 接 證 實 了 理 論, 而 在 1952 年 有 趣 的 觀 測 結 果 出 現 了, 藉 由 觀 測 到 的 氫 21 公 分 譜 線, 我 們 可 以 間 接 推 測 銀 河 系 有 旋 臂 的 結 構 氫 21 公 分 譜 線 的 成 因 講 解 氫 21 公 分 譜 線 成 因, 要 先 講 解 氫 原 子 結 構, 氫 原 子 擁 有 一 顆 質 子 跟 一 顆 電 子, 依 據 實 驗 顯 示, 電 子 會 擁 有 角 動 量, 角 動 量 是 一 種 旋 轉 的 物 體 會 擁 有 的 物 理 量, 你 可 以 簡 單 想 成 移 動 中 的 汽 車 會 有 速 度 一 樣 ( 如 果 你 已 經 學 到 動 量 的 話, 可 以 直 接 把 角 動 量 想 成 旋 轉 下 的 動 量 ), 角 動 量 跟 物 體 的 質 量 旋 轉 半 徑 及 旋 轉 速 度 都 有 關 係, 因 此 你 可 能 會 看 到 一 些 書 上 寫 電 子 會 有 自 旋 的 現 象, 就 是 因 為 他 們 擁 有 角 動 量 的 關 係, 但 是 實 際 上 電 子 真 的 會 自 旋 嗎? 我 們 發 現 電 子 只 是 一 個 點, 49

50 因 此 電 子 並 不 會 自 旋, 只 是 我 們 喜 歡 這 種 較 容 易 理 解 的 描 述, 回 到 氫 原 子, 其 實 質 子 也 會 自 旋, 因 此 你 應 該 可 以 想 到 會 有 兩 種 狀 態 發 生, 一 種 是 質 子 跟 電 子 的 自 旋 方 向 相 同 ( 角 動 量 方 向 相 同 ), 另 一 種 則 是 質 子 跟 電 子 的 自 旋 方 向 相 反 ( 角 動 量 方 向 相 反 ), 這 兩 種 狀 態 的 能 量 並 不 一 樣, 同 向 自 旋 的 能 量 比 反 向 自 旋 的 能 量 高, 因 此 當 原 子 從 同 向 自 旋 的 狀 態 變 成 反 向 自 旋 的 狀 態 時, 氫 原 子 便 會 發 出 有 名 的 氫 21 公 分 譜 線, 看 起 來 這 個 譜 線 不 過 就 只 是 原 子 在 不 同 能 階 躍 遷 下 所 產 生, 為 什 麼 會 如 此 有 名 呢? 很 重 要 的 一 點 是 地 球 的 實 驗 室 觀 測 不 到 氫 21 公 分 譜 線, 完 全 只 能 從 天 空 來 尋 找, 這 種 譜 線 稱 為 forbidden line ( 原 諒 我 ~ 找 不 到 良 好 的 中 文 翻 譯 XD), 原 因 主 要 是 環 境 因 素, 只 有 在 密 度 很 低 的 氫 原 子 下, 這 種 躍 遷 才 會 較 容 易 出 現, 如 果 說 密 度 太 高 的 話, 氫 原 子 之 間 會 互 相 影 響 ( 碰 撞 等 等 因 素 ), 便 會 使 電 子 跑 到 其 他 的 能 階, 而 不 傾 向 產 生 氫 21 公 分 譜 線, 所 以 說 目 前 地 面 上 的 實 驗 室 都 沒 有 辦 法 製 造 出 氫 21 公 分 譜 線, 只 有 在 星 際 空 間 中 的 環 境 才 可 能 產 生 氫 21 公 分 譜 線 微 中 子 太 陽 的 能 量 太 陽 的 輻 射 功 率 約 為 瓦, 依 台 電 統 計 台 灣 家 庭 每 天 平 均 用 電 量 10 度 ( 焦 耳 ), 而 一 秒 的 太 陽 能 量 為 焦 耳, 因 此 一 秒 的 太 陽 能 量 能 供 給 一 個 台 灣 家 庭 用 電 天, 如 果 台 電 一 度 以 3.22 元 計 算, 總 共 可 讓 一 個 家 庭 省 下 元 ( 三 萬 億 億 元 ), 上 面 的 例 子 是 要 告 訴 你 太 陽 的 能 量 非 常 的 大, 那 到 底 是 怎 樣 的 機 制 才 能 夠 產 生 那 麼 多 的 能 量 呢? 下 面 討 論 兩 個 候 選 產 能 方 法, 以 讓 你 了 解 太 陽 裡 面 的 能 量 應 該 要 是 核 反 應 不 同 產 生 能 量 的 候 選 人 跟 比 較 考 慮 化 學 能 的 情 形 一 個 原 子 能 產 生 的 化 學 能 大 約 是 焦 耳, 太 陽 發 光 力 是 每 秒 焦 耳, 所 以 每 秒 會 需 要 個 氫 原 子, 而 太 陽 質 量 是 公 斤, 大 約 對 應 個 原 子, 所 以 說 太 陽 能 夠 維 持 秒, 約 為 一 萬 年, 大 部 分 天 文 學 家 相 信 太 陽 的 年 齡 約 為 幾 十 億 年, 化 學 能 產 生 的 能 量 不 足 以 使 太 陽 活 那 麼 久, 所 以 不 可 能 是 化 學 能 考 慮 核 能 的 情 形 核 融 合 的 基 本 形 式 是 四 個 氫 原 子 合 成 一 個 氦 原 子, 並 額 外 放 出 一 個 微 中 子 50

51 一 個 光 子, 在 此 核 反 應 中 從 質 量 轉 換 成 能 量 比 例 為 0.7%, 依 據 質 能 互 換 公 式 ( ), 四 個 氫 原 子 融 合 之 後 會 產 生 的 能 量 是 焦 耳 太 陽 的 發 光 能 力 為 焦 耳, 所 以 每 秒 需 要 氫 原 子 的 數 目 為 公 斤, 而 太 陽 質 量 是 公 斤, 所 以 說 太 陽 可 以 維 持 秒, 約 為 一 千 多 億 年, 有 點 太 多 了, 但 起 碼 比 一 萬 年 合 理, 估 算 的 誤 差 在 於 恆 星 只 會 燒 掉 其 核 心 的 氫, 而 非 全 部 的 氫 氣, 所 以 說 估 算 所 得 的 年 齡 才 會 比 實 際 年 齡 大 很 多 微 中 子 特 性 及 觀 測 歷 史 微 中 子 為 核 反 應 的 產 物 之 一, 一 開 始 由 物 理 學 家 包 力 (Pauli) 所 提 出, 他 是 為 了 要 解 釋 衰 變 所 造 成 的 能 量 不 守 恆 的 情 形, 微 中 子 不 易 與 其 他 物 質 產 生 交 互 作 用, 交 互 作 用 是 什 麼 意 思 呢? 指 的 是 會 影 響 其 他 物 質, 使 其 他 物 質 感 覺 到, 可 見 光 ( 電 磁 波 ) 會 跟 我 們 的 眼 睛 有 交 互 作 用, 所 以 我 們 眼 睛 看 得 到 可 見 光, 但 是 電 波 跟 我 們 的 眼 睛 沒 有 交 互 作 用, 所 以 我 們 眼 睛 看 不 到 電 波, 換 句 話 說 如 果 我 們 想 要 探 測 微 中 子 的 話, 必 須 讓 我 們 的 儀 器 能 感 覺 到 微 中 子, 由 於 微 中 子 不 易 讓 我 們 感 覺 到, 換 句 話 說 我 們 要 盡 量 在 沒 有 其 他 擾 動 的 情 況 下 探 測 微 中 子, 並 且 要 使 用 大 量 的 探 測 器 來 偵 測, 所 以 探 測 微 中 子 會 需 要 在 地 底 下 觀 測 ( 地 底 下 的 天 文 學 ), 並 且 需 要 大 量 的 探 測 器, 所 以 說 廢 棄 的 礦 坑 就 有 很 大 的 幫 助 了, 大 多 數 微 中 子 探 測 都 在 廢 棄 的 礦 坑,1956 年 美 國 南 達 科 他 州 深 1500 米 的 礦 坑 建 造 了 Homestake 探 測 器, 主 要 是 使 用 四 氯 乙 烯 探 測, 有 實 際 觀 測 到 太 陽 的 微 中 子, 但 是 另 一 個 問 題 出 現 了, 觀 測 上 探 測 到 的 微 中 子 只 有 理 論 預 測 的 三 分 之 一, 這 是 有 名 的 太 陽 微 中 子 問 題, 而 1982 年, 日 本 小 柴 昌 俊 在 1000 米 深 的 礦 坑 建 造 神 岡 號 探 測 器, 初 期 是 為 了 利 用 純 水 探 測 質 子 衰 變, 但 在 1987 年 觀 測 到 1987A 超 新 星 的 微 中 子 事 件 ( 其 實 Homestake 也 有 觀 測 到 ), 此 次 超 新 星 事 件 是 我 們 第 一 次 觀 測 到 太 陽 系 外 的 微 中 子 事 件, 而 在 1990 年, 神 岡 號 改 造 成 超 級 神 岡 號, 並 且 在 1998 年 證 實 了 微 中 子 會 彼 此 轉 換, 而 在 2001 年, 加 拿 大 索 德 柏 立 微 中 子 觀 測 站 (SNO), 探 測 到 太 陽 發 出 的 三 種 微 中 子, 並 且 探 測 的 量 與 理 論 預 測 完 全 相 同, 因 此 也 就 解 決 了 太 陽 微 中 子 問 題 系 外 行 星 指 的 是 在 太 陽 系 外 之 行 星 系 統, 首 度 被 證 實 的 系 外 行 星 是 在 1992 年, 在 脈 衝 星 (PSR B ) 旁 發 現 到 繞 行 的 行 星, 而 在 1995 年 發 現 到 繞 行 主 序 星 的 巨 行 星 (51 Pegasi b), 自 此 之 後 系 外 行 星 發 現 到 的 頻 率 便 快 速 增 加 ( 我 認 為 主 要 原 因 51

52 是 大 家 發 現 原 來 我 們 找 得 到 系 外 行 星, 所 以 大 家 蜂 擁 擠 進 這 個 領 域, 使 得 系 外 行 星 的 發 現 數 劇 增 ), 下 面 開 始 介 紹 天 文 學 家 怎 麼 找 系 外 行 星 觀 測 方 法 徑 向 速 度 法 (Radial Velocity Method) 在 講 徑 向 速 度 法 之 前, 要 先 講 解 地 球 公 轉 的 事 情, 地 球 受 到 太 陽 重 力 而 繞 行 太 陽, 那 換 個 角 度 來 講, 其 實 太 陽 也 受 到 地 球 的 重 力 影 響, 太 陽 應 該 也 會 繞 行 地 球, 但 是 太 陽 公 轉 的 半 徑 相 對 於 地 球 公 轉 半 徑 非 常 小, 因 此 我 們 不 易 察 覺 這 個 事 實, 如 果 恆 星 擁 有 行 星 的 話, 此 恆 星 應 該 也 會 微 微 地 移 動, 而 我 們 可 以 利 用 光 譜 來 探 測 這 個 現 象, 這 是 目 前 最 普 遍 用 來 觀 測 系 外 行 星 的 方 法 掩 星 法 (Transit Method) 如 果 說 行 星 繞 行 至 我 們 跟 其 母 恆 星 之 間, 則 行 星 會 遮 住 恆 星, 使 得 恆 星 的 亮 度 會 下 降, 由 於 行 星 會 週 期 性 繞 行 母 恆 星, 所 以 說 我 們 會 觀 測 到 恆 星 亮 度 會 週 期 性 的 降 低 ( 雙 星 也 會 有 這 種 現 象 ), 如 果 能 排 除 非 雙 星 系 統 的 話, 便 可 以 間 接 推 測 此 恆 星 擁 有 行 星 系 統 微 重 力 透 鏡 法 (Microlensing Method) 微 重 力 透 鏡 便 是 小 型 的 重 力 透 鏡 效 應, 重 力 透 鏡 效 應 是 依 據 愛 因 斯 坦 (Albert Einstein) 的 廣 義 相 對 論, 有 質 量 的 物 體 會 使 空 間 跟 時 間 扭 曲, 這 個 情 形 會 使 得 光 不 會 走 直 線, 光 線 反 而 會 匯 聚 起 來, 如 同 凸 透 鏡 匯 聚 光 線 的 效 果, 因 此 質 量 物 體 造 成 光 線 匯 聚 的 效 應 稱 為 重 力 透 鏡 法, 此 觀 測 方 法 過 程 是, 觀 測 遠 方 恆 星 的 光 線, 如 果 說 我 們 與 遠 方 恆 星 之 間, 有 一 恆 星 經 過, 那 麼 遠 方 恆 星 的 光 便 會 匯 聚 而 亮 度 變 高, 假 設 此 恆 星 有 行 星 系 統, 行 星 經 過 我 們 跟 恆 星 之 間, 使 得 遠 方 恆 星 的 亮 度 又 會 些 微 增 加, 會 出 現 特 殊 的 光 度 變 化 曲 線, 如 果 有 觀 測 到 這 種 現 象 的 話, 可 以 推 測 有 一 個 擁 有 行 星 的 恆 星 通 過 我 們 與 遠 方 恆 星 之 間 微 重 力 透 鏡 的 光 度 變 化 曲 線 ( 圖 片 來 源 : 52

53 直 接 拍 照 法 (Direct Image Method) 利 用 拍 照 直 接 將 行 星 解 析 出 來, 少 數 行 星 可 用 此 方 法 探 測 行 星 上 的 元 素 含 量 及 其 他 特 性, 然 而 直 接 拍 照 看 到 的 行 星 多 為 意 外 看 到, 且 實 際 上 不 會 使 用 此 方 法 去 拍 每 一 顆 恆 星 ( 不 會 盲 目 地 找 啦 XD), 拍 攝 目 標 多 為 已 用 其 他 方 法 確 認 有 行 星 系 統 的 恆 星 電 波 望 遠 鏡 大 氣 窗 口 圖 片 來 源 : 在 講 電 波 望 遠 鏡 之 前, 先 複 習 一 下 大 氣 窗 口, 我 們 的 大 氣 層 只 允 許 兩 個 波 段 的 電 磁 波 能 夠 抵 達 地 面, 一 個 波 段 為 我 們 熟 悉 的 可 見 光 ( 要 不 然 你 怎 麼 看 得 到 東 西 ), 另 一 個 波 段 便 是 電 波, 而 電 波 天 文 學 的 開 端 始 於 Karl Jansky,Karl Jansky 任 職 於 貝 爾 實 驗 室 時, 建 造 了 無 線 電 波 的 天 線 ( 常 被 稱 為 Jansky`s merry-go-round), 當 時 他 觀 測 到 有 一 個 電 波 雜 訊 周 期 約 為 23 小 時 56 分 鐘, 這 個 週 期 就 跟 恆 星 時 相 同, 因 此 Jansky 推 測 此 電 波 雜 訊 來 自 外 太 空, 他 觀 測 到 的 其 實 是 銀 河 系 中 心 人 馬 座 方 向 的 電 波, 開 啟 了 電 波 天 文 學 發 展 的 契 機 53

54 Jansky 的 旋 轉 木 馬 ( 圖 片 來 源 : 電 波 盤 子 SNG 車 ( 圖 片 來 源 : 在 電 波 觀 測 裡 面, 我 們 不 習 慣 稱 望 遠 鏡 (Telescope), 比 較 習 慣 稱 為 盤 子 (dish), 天 文 學 家 用 的 電 波 盤 子 長 什 麼 樣 子 呢? 不 知 道 大 家 有 沒 有 看 過 電 視 台 SNG 車, 上 面 會 有 一 個 大 盤 子, 基 本 上 天 文 學 家 用 的 電 波 盤 子 就 長 得 像 那 種 盤 子, 隨 著 盤 子 越 大, 能 看 到 的 天 體 細 節 就 越 多, 因 此 電 波 天 文 學 家 會 希 望 建 造 越 大 台 的 電 波 望 遠 鏡 越 好 有 名 的 電 波 望 遠 鏡 Arecibo Radio Telescope 1974 年 完 成 的 305 公 尺 之 固 定 球 面 無 線 電 望 遠 鏡, 為 世 界 上 最 大 的 電 波 望 遠 鏡, 可 藉 由 接 受 器 的 位 置 與 地 球 自 轉, 探 測 天 頂 南 北 各 20 度 範 圍,Arecibo 電 波 望 遠 鏡 無 法 追 蹤, 而 著 名 的 電 影 - 接 觸 未 來 (Contact) 曾 在 此 取 景 54

55 干 涉 技 術 目 前 世 界 上 最 大 的 電 波 望 遠 鏡 就 是 Arecibo, 如 果 能 再 有 更 大 的 電 波 望 遠 鏡, 天 文 學 家 當 然 能 看 到 更 多 東 西, 但 是 為 什 麼 沒 有 呢? 因 為 天 文 學 家 沒 有 錢 ( 這 是 很 現 實 的 問 題 ), 沒 錢 的 天 文 學 家 便 想 出 聰 明 的 方 法 - 干 涉 技 術, 這 是 在 20 世 紀 50 年 代 由 賴 爾 (M.Ryle) 所 提 出 的, 想 法 便 是 利 用 很 多 小 的 望 遠 鏡, 來 取 代 大 的 望 遠 鏡, 而 這 些 小 的 望 遠 鏡 群 我 們 習 慣 稱 之 為 陣 列 (Array), 其 實 在 這 背 後 有 複 雜 的 數 學 來 處 理 個 別 盤 子 的 資 訊, 來 讓 它 們 能 夠 發 揮 陣 列 的 效 果, 目 前 世 界 上 的 電 波 盤 子 都 主 要 以 陣 列 來 使 電 波 天 文 學 家 能 夠 看 得 更 清 楚 有 名 的 陣 列 VLA(Very Large Array) 位 於 美 國 新 墨 西 哥 州, 有 二 十 七 座 直 徑 二 十 五 公 尺 的 盤 子, 主 要 觀 測 波 長 為 4000 毫 米 ~7 毫 米, 屬 於 美 國 國 立 電 波 天 文 台 (National Radio Astronomy Observatory) SMA(Submillimeter Array) 位 於 美 國 夏 威 夷 毛 納 基 (Mauna Kea), 有 八 座 直 徑 六 公 尺 的 盤 子 在 運 作, 主 要 觀 測 波 段 為 次 毫 米 波 ( 波 長 由 0.3 毫 米 到 0.7 毫 米 ), 為 美 國 史 密 松 天 文 天 (SAO) 與 中 研 院 合 作 的 陣 列 ALMA(Atacama Large Millimeter Array) 位 於 智 利 北 部 的 Atacama 沙 漠, 至 少 有 六 十 六 個 電 波 盤 子, 主 要 觀 測 波 長 為 0.3mm~9mm,ALMA 計 畫 由 三 個 合 作 夥 伴 組 成, 北 美 歐 洲 日 本, 北 美 跟 歐 洲 主 要 負 責 12 米 Atacama 陣 列, 日 本 則 負 責 Atacama 密 集 陣 列, 台 灣 參 與 的 主 要 是 由 日 本 主 導 的 Atacama 密 集 陣 列, ALMA 分 為 主 陣 列 及 密 集 陣 列 兩 部 份, 主 陣 列 由 50 座 口 徑 12 公 尺 的 天 線 組 成 ( 電 波 望 遠 鏡 也 可 稱 為 天 線 ), 由 北 美 團 隊 ( 包 括 台 灣 ) 及 歐 洲 團 隊 負 責 興 建 ; 密 集 陣 列 則 由 4 座 12 公 尺 及 12 座 7 公 尺 的 天 線 組 成, 由 東 亞 團 隊 ( 也 包 括 台 灣 ) 負 責 興 建 ALMA 的 主 陣 列 由 50 座 口 徑 12 公 尺 的 天 線 所 組 成, 由 北 美 及 歐 洲 團 隊 負 責 55

56 興 建, 台 灣 也 參 與 其 中 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 理 論 歷 史 在 1946 年, 加 莫 夫 (G.Gamov) 阿 爾 福 (R.A.Alpher) 便 提 出 宇 宙 由 大 爆 炸 產 生, 並 且 假 設 如 果 宇 宙 最 初 溫 度 為 十 億 克 氏 溫 度 (K) 的 話, 目 前 宇 宙 應 該 會 殘 留 約 5~10 克 氏 溫 度 的 黑 體 輻 射 ( 附 錄 會 提 到, 可 以 先 想 成 是 一 種 連 續 譜 線 ), 而 觀 測 歷 史 1964 年 貝 爾 實 驗 室 的 工 程 師 彭 齊 亞 斯 (A.A. Penzias) 威 爾 遜 (R.W. Wilson) 利 用 喇 叭 形 天 線 來 聯 繫 通 訊 衛 星, 但 在 測 試 的 過 程 中, 他 們 發 現 到 一 個 雜 訊, 在 不 同 的 方 向 都 相 同, 而 且 不 會 隨 著 時 間 有 所 變 化, 他 們 一 開 始 懷 疑 說 有 可 能 來 自 天 線 本 身, 因 此 他 們 倆 個 認 真 地 將 天 線 檢 查 了 一 次, 甚 至 還 移 走 了 原 本 在 天 線 上 的 鴿 子 窩 跟 鳥 糞, 但 是 這 些 努 力 還 是 沒 辦 法 把 那 個 雜 訊 移 除, 後 來 發 現 到 他 們 所 觀 測 德 的 雜 訊, 便 是 宇 宙 微 波 背 景 輻 射, 這 是 相 當 重 大 的 發 現, 因 為 經 由 了 觀 測 證 實 了 宇 宙 產 生 於 大 爆 炸, 因 此 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 被 譽 為 20 世 紀 60 年 代 天 文 學 的 四 大 發 現 之 一, 而 觀 測 到 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 的 兩 個 工 程 師 彭 齊 亞 斯 (A.A. Penzias) 威 爾 遜 (R.W. Wilson), 則 於 1978 拿 到 諾 貝 爾 獎, 原 因 是 使 我 們 獲 得 宇 宙 創 生 初 期 的 資 訊, 但 是 黑 體 輻 射 是 連 續 光 譜, 而 我 們 在 大 氣 層 內 只 能 觀 測 到 電 波 波 段 的 譜 線, 因 此 改 善 的 方 法 就 是 上 太 空, 把 望 遠 鏡 丟 上 太 空 去 看 看,1989 年,NASA 發 射 了 探 測 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 的 衛 星 - COBE(Cosmic Background Explorer), 觀 測 後 的 結 果 證 實 宇 宙 是 完 美 的 黑 體 ( 是 目 前 最 完 美 的 黑 體 ), 觀 測 結 果 與 理 論 十 分 相 符, 但 COBE 多 觀 測 到 一 點 地 球 上 沒 發 現 到 的, 它 發 現 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 有 些 微 的 不 均 勻 性, 也 就 是 說 隨 著 觀 測 地 點 的 不 同, 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 的 強 度 會 有 約 略 的 變 化, 比 例 大 概 是 百 萬 分 之 五 左 右, 因 為 這 個 觀 測, 使 得 COBE 計 畫 主 持 人 約 翰 馬 瑟 (John C.Mather) 和 喬 治 斯 穆 特 (George Fitzgerald Smoot ) 拿 到 了 2006 年 的 諾 貝 爾 獎, 而 在 2003 年, 美 國 發 射 了 WMAP 衛 星 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), 它 的 主 要 目 的 便 是 要 探 測 不 均 勻 性 的, 而 且 它 也 提 供 了 許 多 宇 宙 學 上 的 數 據 與 資 料, 對 於 宇 宙 論 學 說 的 發 展 有 極 大 的 貢 獻 56

57 喇 叭 型 天 線 ( 圖 片 來 源 : 不 同 世 代 的 人 會 看 到 不 同 的 宇 宙 ( 圖 片 來 源 : 57

58 深 空 天 體 (Deep sky object, DSO) 陳 柏 翰 1. 通 常 用 於 業 餘 天 文 界, 是 指 天 上 除 太 陽 系 天 體 ( 包 括 行 星 恆 星 彗 星 小 行 星 衛 星 ) 以 外 的 天 體, 亦 泛 指 星 團 星 雲 和 星 系 2. 只 有 當 中 較 明 亮 者 ( 如 著 名 的 M31 仙 女 座 大 星 系 和 M42 獵 戶 座 大 星 雲 ) 能 為 肉 眼 所 見, 但 為 數 不 多 3. 超 過 一 百 個 以 上 的 深 空 天 體 能 通 過 雙 筒 望 遠 鏡 所 看 到, 例 如 18 世 紀 法 國 天 文 學 家 梅 西 耶 所 編 的 星 雲 星 團 表 中 的 大 部 分 天 體 4. 哈 伯 Turning its penetrating vision toward southern skies, the Hubble telescope has peered down a 12- billion-light-year-long corridor loaded with a dazzling assortment of thousands of never-before-seen galaxies. The observation, called the Hubble Deep Field South, doubles the number of far-flung galaxies available to astronomers for deciphering the history of the universe. 58

59 天 體 目 錄 1 梅 西 爾 目 錄 A. 18 世 紀 法 國 天 文 學 家 梅 西 爾 製 作 了 深 空 天 體 組 成 的 天 文 列 表, 將 星 雲 星 團 和 星 系 等 天 體 編 排 號 碼, 它 也 就 是 著 名 的 梅 西 爾 星 團 星 雲 列 表 B. 包 含 夜 空 中 最 漂 亮 的 天 體, 有 星 雲 星 團 和 星 系 它 也 是 發 現 深 空 天 體 的 基 石, 是 第 一 個 可 靠 詳 盡 的 天 體 表 C. 梅 西 爾 天 體 目 前 共 有 110 個, 以 字 母 M 作 為 名 稱 開 頭, 例 如 M31, 天 女 座 大 星 系 M42 火 鳥 星 雲 D. 梅 西 爾 馬 拉 松 : 許 多 天 文 愛 好 者 利 用 這 些 對 象 來 測 試 她 們 的 觀 測 設 備 和 磨 練 觀 測 的 技 巧 在 每 年 的 特 定 日 子, 有 些 地 區 會 舉 辦 梅 西 爾 馬 拉 松 競 賽, 要 求 參 加 者 在 一 個 夜 晚 看 遍 110 個 梅 西 爾 天 體 圖 ( 一 ): 梅 西 爾 59

60 2 NGC 天 體 目 錄 (New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars,NGC) A. 威 廉 赫 歇 耳 與 其 子 約 翰 赫 歇 耳 使 用 大 反 射 望 遠 鏡, 逐 漸 發 現 了 一 些 新 的 星 雲 和 星 團 1864 年, 威 廉 父 子 的 觀 測 成 果, 包 括 5000 個 星 雲 星 團, 編 成 星 雲 和 星 團 總 目 錄, 簡 稱 GC 星 表 正 式 出 版 B 年, 丹 麥 天 文 學 家 德 雷 耳, 將 GC 星 表 增 補 改 編, 包 括 7840 個 星 雲 作 為 星 雲 星 團 的 新 編 總 目 錄 C. 其 星 體 開 頭 以 NGC_XXXX 為 主 例 如 : 著 名 的 NGC2237 玫 瑰 星 雲 3 其 他 目 錄 其 他 仍 有 許 有 名 的 多 目 錄, 例 如 :IC 目 錄 星 團 恆 星 群 聚 成 團, 沿 同 方 向 移 動, 通 常 有 相 同 的 起 源 星 團 依 據 外 觀 可 分 為 球 狀 星 團 與 疏 散 星 團 兩 類 球 狀 星 團 :(global cluster) 球 狀 星 團 因 為 被 重 力 緊 緊 束 縛, 使 得 恆 星 高 度 的 向 中 心 集 中, 因 此 外 觀 呈 球 形 被 發 現 的 球 狀 星 團 多 在 星 系 的 星 系 暈 之 中, 遠 比 在 星 系 盤 中 被 發 現 的 疏 散 星 團 擁 有 更 多 的 恆 星 例 子 : 半 人 馬 星 團 武 仙 座 星 團 半 人 馬 球 狀 星 團 武 仙 座 球 狀 星 團 60

61 疏 散 星 團 :(open cluster) 與 球 狀 星 團 比 較, 不 像 球 狀 星 團 這 麼 密 集, 星 體 與 星 體 間 有 更 多 自 由 的 空 間, 且 比 球 狀 星 團 更 年 輕, 年 齡 大 約 在 數 百 萬 到 十 億 年 之 間 例 子 : 昴 秀 星 團 英 仙 雙 星 團 金 牛 座 昴 宿 星 團 英 仙 座 雙 星 團 星 團 的 形 成 宇 宙 中 星 羅 棋 布 著 由 氣 體 及 塵 埃 等 細 小 粒 子 所 組 成 的 分 子 雲 這 些 分 子 雲 密 度 很 低, 成 分 主 要 是 氫 在 不 受 干 擾 的 情 況 下, 這 些 分 子 雲 可 以 千 載 不 變 但 是, 當 分 子 雲 受 星 系 碰 撞 處 身 星 系 所 產 生 的 密 度 波 超 新 星 爆 發 的 激 波 干 擾, 其 密 度 會 出 現 些 微 變 化 這 些 輕 微 變 化 會 令 分 子 雲 產 生 重 力 收 縮 ( 坍 塌 ), 從 而 形 成 一 些 稱 為 原 恆 星 的 球 體 分 子 雲 可 以 極 度 龐 大 和 擁 有 極 大 質 量, 質 量 相 當 於 十 至 一 千 個 太 陽 不 等 如 此 重 的 分 子 雲 不 可 能 坍 縮 為 一 顆 恆 星, 故 星 團 的 所 有 成 員 都 是 在 多 星 系 統 中 形 成 61

62 數 量 密 度 年 紀 顏 色 分 布 種 類 球 狀 上 千 萬 顆 高 老 黃 紅 色 銀 暈 第 二 星 族 星 團 疏 散 數 百 顆 低 年 輕 藍 色 銀 河 旋 臂 第 一 星 族 星 團 顏 色 - 星 等 圖 ( 赫 羅 圖 ) : 星 團 赫 羅 圖 可 用 來 研 究 距 離 赫 羅 圖 是 以 大 量 恆 星 的 樣 本 和 它 們 的 絕 對 星 等 製 作 成 的 色 指 數 圖, 大 的 正 值 表 示 這 顆 恆 星 是 表 面 溫 度 較 低 的 紅 色 星, 負 值 則 暗 示 是 表 面 溫 度 較 高 的 藍 色 星 當 鄰 近 太 陽 的 恆 星 被 描 繪 在 赫 羅 圖 上 時, 可 以 顯 示 出 這 些 恆 星 的 質 量 壽 命 和 組 成 的 分 布 多 數 恆 星 的 位 置 都 在 一 條 傾 斜 的 曲 線 上, 所 熟 知 的 主 序 帶, 越 熱 的 星 絕 對 星 等 就 越 亮, 顏 色 也 越 藍 演 化 至 晚 期 的 恆 星 會 出 現 在 圖 中, 它 們 的 位 置 已 經 遠 離 了 主 序 帶 的 曲 線 移 往 右 上 角 的 是 紅 巨 星, 而 移 往 左 下 角 的 是 白 矮 星 利 用 赫 羅 圖 可 以 了 解 星 團 的 年 齡 測 量 的 兩 個 基 本 的 假 設 (1) 因 為 球 狀 星 團 中 所 有 的 恆 星 到 我 們 的 距 離 都 一 樣 遠 (2) 星 團 中 的 恆 星 都 有 相 同 的 起 源 和 年 齡, 因 此 視 星 等 和 絕 對 星 等 的 修 正 差 值 是 一 樣 的 經 過 赫 羅 圖 的 比 對, 可 以 測 量 出 球 狀 星 團 內 主 序 星 的 絕 對 星 等, 這 反 過 來 也 可 以 提 供 對 球 狀 星 團 的 距 離 估 計, 可 以 測 量 出 距 離 如 果 知 道 恆 星 的 光 譜 分 類 與 光 度 分 類, 由 赫 羅 圖 可 以 找 出 恆 星 的 光 度 更 進 一 步, 可 以 算 出 或 由 赫 羅 圖 讀 出 恆 星 的 絕 對 星 等, 代 入 距 離 模 數 公 式, 即 可 以 找 出 恆 星 的 距 離 星 雲 mv - MV = -5 + (mv 視 星 等,MV 絕 對 星,d( 單 位 光 年 )) 瀰 漫 星 雲 發 射 星 雲 按 型 態 (diffuse or emission nebula) 行 星 狀 星 雲 (planetary nebula) 超 新 星 剩 餘 物 質 按 發 光 性 質 (emission nebula) 反 射 星 雲 (reflection nebula) 暗 星 雲 (supernova remnant) (dark nebula) 62

63 瀰 漫 星 雲 (diffuse or emission nebula) 廣 闊 稀 薄 而 無 定 型 的 星 雲 例 如 : 人 馬 座 三 裂 星 雲 M20 獵 戶 座 大 星 雲 M42 行 星 狀 星 雲 (planetary nebula) 小 質 量 星 球 生 命 接 近 尾 聲 時, 大 量 氣 體 向 四 面 八 方 擴 散, 氣 體 受 到 中 央 星 光 的 激 發 而 發 出 光 茫 處 於 生 命 末 期 紅 巨 星 階 段 的 恆 星, 通 過 脈 動 和 強 大 的 恆 星 風 將 其 表 層 拋 射 出 去 失 去 了 這 些 不 透 明 的 表 層, 熾 熱 明 亮 的 核 心 發 射 出 的 紫 外 輻 射 將 拋 射 出 的 表 層 電 離, 使 其 受 到 激 發 而 顯 示 出 行 星 狀 星 雲 的 形 態 例 如 : 天 琴 座 M57 超 新 星 剩 餘 物 質 (supernova remnant) 大 質 量 星 球 在 超 新 星 爆 發 時, 向 外 拋 出 大 量 物 質, 並 不 斷 擴 散 例 如 : 金 牛 座 蟹 狀 星 雲 M1 63

64 發 射 星 雲 (Emission Nebulae) 發 射 星 雲 是 一 團 高 溫 的 氣 體 雲 氣, 雲 氣 內 的 原 子 受 到 鄰 近 恆 星 所 輻 射 出 的 紫 外 線 能 量 的 激 發, 使 得 這 些 原 子 內 的 電 子 從 穩 定 的 低 能 階 提 升 到 較 不 穩 定 的 高 能 階 上, 因 而 當 電 子 再 從 不 穩 定 的 高 能 階 躍 回 穩 定 的 低 能 階 時, 會 將 此 能 量 的 差 值 藉 由 電 磁 波 輻 射 發 射 出 來 我 們 經 常 觀 測 到 的 發 射 星 雲 多 呈 紅 色, 就 是 因 為 星 雲 內 大 量 的 氫 原 子 被 激 發 後 發 射 紅 波 段 電 磁 波 當 然, 我 們 也 可 以 看 到 氫 以 外 的 原 子 所 輻 射 的 其 他 顏 色 光 譜, 如 果 有 更 高 的 能 量 能 造 成 其 他 元 素 的 電 離, 那 麼 綠 色 和 藍 色 的 雲 氣 都 有 可 能 出 現 依 據 目 前 所 知, 發 射 星 雲 內 常 蘊 涵 剛 誕 生 或 將 誕 生 的 恆 星, 例 如 :M42 星 雲 北 美 洲 星 雲 反 射 星 雲 (Reflection Nebulae) 反 射 星 雲 是 一 團 塵 埃 的 雲 氣, 這 些 塵 埃 仿 如 霧 氣 般 造 成 了 局 部 區 域 的 不 透 明, 這 些 鄰 近 的 恆 星 沒 有 足 夠 的 熱 讓 雲 氣 像 發 射 星 雲 那 樣 因 被 電 離 而 發 光, 明 亮 的 原 因 僅 是 簡 單 地 散 射 了 鄰 近 恆 星 們 的 光 因 此, 反 射 星 雲 顯 示 出 的 頻 率 光 譜 與 照 亮 他 的 恆 星 相 似 經 常 觀 測 到 的 反 射 星 雲 多 呈 藍 色, 由 於 散 射 對 藍 光 比 對 紅 光 更 有 效 率 ( 這 與 天 空 呈 現 藍 色 和 落 日 呈 現 紅 色 的 過 程 相 同 ), 所 以 反 射 星 雲 通 常 都 是 藍 色 的 反 射 星 雲 內 也 蘊 涵 形 成 中 的 恆 星 在 觀 測 上 經 常 發 現 反 射 星 雲 和 發 射 星 雲 在 一 起, 64

65 如 :M20 三 裂 星 雲 暗 星 雲 屬 於 低 溫 星 際 氣 團, 由 微 塵 和 低 溫 氣 體 構 成 由 其 微 塵 含 量 較 多 氣 體 密 度 較 大, 密 度 高 足 以 遮 蔽 來 自 背 景 的 發 射 星 雲 或 反 射 星 雲 的 光, 或 是 遮 蔽 背 景 的 恆 星 例 如 : 獵 戶 座 的 馬 頭 星 雲 21 公 分 線 21 公 分 線, 又 被 稱 為 氫 線,21 公 分 輻 射 (hydrogen line, 21 centimeter line or HI line) 是 指 由 中 性 氫 原 子 因 為 能 階 變 化 而 產 生 的 電 磁 波 譜 線 頻 率 是 1420 MHz, 相 當 於 在 太 空 中 波 長 21 公 分 這 個 波 長 的 輻 射 經 常 在 無 線 電 天 文 學 上 被 應 用, 尤 其 無 線 電 波 可 以 穿 過 對 可 見 光 是 不 透 明 的 星 際 雲 等 巨 大 星 際 介 質 區 域 21 公 分 波 來 自 於 1s 基 態 氫 原 子 的 兩 個 超 精 細 結 構 之 間 兩 個 超 精 細 結 構 能 階 的 能 量 不 同, 而 量 子 的 頻 率 則 是 由 普 朗 克 關 係 式 決 定 質 子 與 電 子 皆 具 有 自 旋, 有 點 像 正 在 旋 轉 的 蛇 螺 ( 見 上 圖, 但 請 小 心! 這 種 圖 像 並 不 很 正 確 ) 兩 者 自 旋 同 向 時 的 能 量, 略 高 於 兩 者 反 向 時 而 由 較 高 能 態, 換 成 較 低 能 態 的 同 時, 氫 原 子 以 電 磁 波 的 形 式, 放 出 兩 能 態 之 間 相 差 的 能 量, 而 這 65

66 種 電 磁 波 的 波 長 約 為 21 公 分, 屬 於 無 線 電 波 段 氫 原 子 由 上 圖 的 高 能 態 跳 到 低 能 態, 平 均 一 千 一 百 萬 年 才 發 生 一 次 ( 故 有 時 又 叫 禁 止 線 ) 星 際 物 質 的 溫 度 很 低, 氫 原 子 的 碰 撞 非 常 少 發 生, 約 一 百 萬 年 才 有 一 次 碰 撞 但 在 星 際 介 質 中 的 中 性 氫 原 子 含 量 相 當 大, 所 以 氫 原 子 仍 有 機 會 放 出 波 長 為 21 公 分 的 譜 線, 可 以 被 電 波 望 遠 鏡 輕 易 觀 測 到 此 外, 與 其 他 氫 原 子 的 碰 撞 以 及 和 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 的 交 互 作 用 也 縮 短 作 用 時 間 星 系 哈 伯 序 列 : 音 叉 圖 銀 河 系 的 樣 子 哈 柏 按 形 狀 將 之 分 為 橢 圓 星 系 (E) 旋 渦 星 系 (S) 不 規 則 星 系 (I) 哈 柏 的 系 統 建 立 在 目 視 觀 測 ( 原 始 的 攝 影 乾 片 ) 的 基 礎 上, 將 大 部 分 的 星 系 分 為 三 類 - 橢 圓 星 系 透 鏡 星 系 和 螺 旋 星 系, 第 四 類 則 是 看 起 來 形 狀 不 規 則 的 不 規 則 星 系 直 至 今 日, 無 論 是 專 業 的 天 文 研 究 還 是 業 餘 天 文 學 的 觀 測, 哈 柏 系 列 仍 是 最 常 用 的 星 系 分 類 法 66

67 橢 圓 星 系 (E) 進 一 步 按 觀 測 的 扁 度, 分 為 E0~E7( 圓 到 橢 圓 ) 然 而 看 到 的 扁 度 並 不 代 表 橢 圓 真 正 的 扁 平 程 度 橢 圓 星 系 橢 圓 率 算 法 e=1- (a 為 長 軸,b 為 短 軸 ) 螺 旋 星 系 (S) 棒 狀 旋 渦 星 系 (SB): 共 有 abc 三 類 Sa (SBa) 旋 臂 緊 繞 和 平 滑, 有 巨 大 與 明 亮 的 核 心 Sb (SBb) 旋 臂 緊 繞 度 的 程 度 不 如 Sa (SBa), 核 心 有 些 較 暗 淡 Sc (SBc) 旋 臂 鬆 散, 可 以 清 楚 的 分 辨 星 雲 和 星 團 ; 核 心 更 小 也 更 暗 淡 透 鏡 星 系 (SO): 介 於 E 和 S 間, 有 銀 盤 但 無 旋 臂 這 一 類 星 系 有 明 亮 的 核 球, 類 似 前 述 的 橢 圓 星 系, 但 有 延 伸 的 碟 狀 結 構 環 繞 著 不 同 於 螺 旋 星 系 的 是 透 鏡 星 系 的 星 系 盤 沒 有 可 看 見 的 螺 旋 結 構 不 規 則 星 系 (I) 無 一 定 的 對 稱 形 狀, 只 佔 所 有 星 系 的 2~3% 物 理 意 義 哈 柏 序 列 最 初 曾 企 圖 設 定 出 星 系 演 化 之 路 是 從 橢 圓 星 系 經 由 透 鏡 星 系, 然 後 成 為 螺 旋 星 系 或 棒 旋 星 系 因 此, 橢 圓 星 系 和 透 鏡 星 系 經 常 被 稱 為 早 期 星 系, 而 螺 旋 星 系 和 不 規 則 星 系 則 常 被 稱 為 晚 期 星 系 然 而 這 張 演 化 圖 看 來 上 仍 有 其 重 要 性, 盤 面 和 旋 臂 是 許 多 年 輕 恆 星 的 家, 也 是 恆 星 形 成 的 活 躍 區 域, 而 橢 圓 星 系 都 是 老 年 恆 星 的 族 群 事 實 上, 現 在 的 證 據 有 相 反 的 看 法 : 早 期 的 宇 宙 看 來 是 由 螺 旋 星 系 和 不 規 則 星 系 控 制 的 在 目 前 偏 重 的 星 系 形 成 圖 片 是 : 現 在 存 在 的 橢 圓 星 系 是 由 早 期 的 星 系 合 併 而 成 的 透 鏡 星 系 也 許 是 由 螺 旋 星 系 演 變 而 成 的, 它 的 氣 體 被 剝 離, 而 留 下 來 的 未 能 繼 續 的 形 成 恆 星 疏 散 星 團 在 橢 圓 星 系 中 是 找 不 到 的, 因 為 橢 圓 星 系 的 恆 星 形 成 活 動 早 在 數 百 萬 年 前 就 停 止 了, 原 本 存 在 的 疏 散 星 團 早 已 消 失 得 無 影 無 蹤 67

68 梳 齒 圖 參 考 資 料 : Stellar Evolution and Death Planetary death_2a.html 68

69 四 季 星 空 陳 妍 淳 1. 觀 星 序 章 由 於 人 類 的 視 力 難 以 辨 別 恆 星 的 距 離, 星 體 看 來 似 乎 靜 止 地 散 布 在 一 個 以 我 們 為 中 心 的 球 面 上, 所 以 我 們 以 地 球 的 經 緯 座 標 向 外 無 限 延 伸, 構 成 一 假 想 的 天 球 面, 作 為 恆 星 的 位 置 座 標 ( 見 圖 1.1) 為 了 容 易 辨 識 出 天 體 在 天 球 上 的 位 置, 我 們 將 天 球 分 成 88 個 星 座, 並 按 照 其 亮 星 之 排 列 形 狀, 冠 上 神 話 故 事 中 的 人 物 動 物 或 器 具 等 名 稱 2. 冬 季 星 座 圖 1.1( 圖 片 版 權 與 來 源 :National Geographic, December 1995) 2.1( 圖 片 載 自 : 榮 富 國 小 天 文 網 站 69

70 a. 冬 季 大 三 角 由 獵 戶 座 参 宿 四, 小 犬 座 南 河 三, 大 犬 座 天 狼 星 所 組 成 的 正 三 角 形 b. 冬 季 大 六 角 形 ( 獵 戶 座 金 牛 座 御 夫 座 雙 子 座 小 犬 座 大 犬 座 ) 冬 季 的 星 空 與 秋 季 形 成 極 大 的 反 差, 可 說 是 一 年 當 中 最 盛 的 時 期, 其 中 的 首 要 指 標 就 是 由 六 顆 一 等 星 所 連 結 而 成 的 冬 季 大 六 角 形 又 稱 為 冬 季 大 橢 圓 ( 見 圖 2.1), 從 獵 戶 座 的 參 宿 七 開 始 依 序 連 結 金 牛 座 的 畢 宿 五 御 夫 座 的 五 車 二 雙 子 座 的 北 河 三 小 犬 座 的 南 河 三 大 犬 座 的 天 狼 星 c. 獵 戶 座 冬 季 的 指 標 星 座, 最 有 名 的 就 是 由 排 列 整 齊 的 三 顆 亮 星 組 成 的 腰 帶, 在 夜 空 中 相 當 明 顯, 此 外 其 α 星 參 宿 四 為 一 紅 色 超 巨 星, 是 冬 季 大 三 角 的 一 部 分, 而 α 星 參 宿 七 則 為 大 六 角 形 的 一 部 分, 而 在 其 腰 帶 上 還 有 著 名 的 M42 獵 戶 座 大 星 雲 d. 金 牛 座 由 獵 戶 腰 帶 三 顆 星 向 西 北 延 伸, 可 見 一 顆 橘 紅 色 的 亮 星, 就 是 金 牛 座 α 星 畢 宿 五, 象 徵 是 獨 眼 金 牛 的 一 顆 眼 睛, 金 牛 臉 部 聚 集 約 一 百 多 顆 的 星 星, 形 成 一 個 V 字 型, 這 就 是 畢 宿 星 團, 金 牛 背 部 還 有 一 個 非 常 漂 亮 的 疏 散 星 團, 名 為 昴 宿 星 團, 俗 稱 七 姊 妹 e. 雙 子 座 其 中 最 亮 的 兩 顆 星 星 是 北 河 二 和 北 河 三, 分 別 為 Castor 和 Pollux 靠 近 北 河 二 的 雙 子 座 流 星 群 在 每 年 12 月 15~17 號 為 尖 峰 圖 2.2( 截 自 stellarium) f. 大 犬 座 小 犬 座 大 犬 座 嘴 邊 擁 有 全 天 最 亮 星 - 天 狼 星 (-1.5 星 等 ) 大 犬 座 天 狼 星 和 小 犬 座 南 河 三 為 冬 季 大 三 角 之 兩 顆 星 70

71 3. 夏 季 星 座 圖 2.3( 截 自 stellarium) 3.1( 圖 片 載 自 : 榮 富 國 小 天 文 網 站 a. 夏 季 大 三 角 ( 天 琴 座 天 鷹 座 天 鵝 座 ) 夏 天 夜 空 當 中 最 醒 目 的 目 標, 就 是 由 天 琴 座 織 女 星 天 鷹 座 牛 郎 星 天 鵝 座 天 津 四 三 顆 一 等 星 組 成 的 直 角 三 角 形, 稱 為 夏 季 大 三 角, 位 於 直 角 上 的 是 白 色 織 女 星, 為 全 天 第 五 亮 星, 隔 著 銀 河 與 牛 郎 星 互 望 ; 牛 郎 星 又 名 河 鼓 二, 左 右 相 伴 著 河 鼓 一 河 鼓 三 兩 顆 星, 就 像 牛 郎 用 扁 擔 扛 著 他 的 一 對 兒 女, 所 以 此 三 星 又 有 扁 擔 星 的 稱 號 ; 天 津 四 為 天 鵝 座 α 星, 天 鵝 座 看 起 來 像 一 個 十 字 架 故 又 名 71

72 為 北 十 字 星,β 星 輦 道 增 七 為 一 色 彩 美 麗 的 雙 星, 與 開 陽 雙 星 齊 名, 朝 著 天 鵝 座 的 鵝 頭 方 向 看 去, 可 以 看 見 一 抹 淡 淡 的 雲 氣, 那 就 是 銀 河, 明 亮 的 銀 河 會 從 夏 季 大 三 角 一 帶 往 南 方 地 平 線 傾 流 而 下 b. 天 蠍 座 抬 頭 仰 望 夏 天 南 方 天 空, 隨 即 一 隻 巨 大 蠍 子 映 入 眼 裡 天 蠍 座 的 α 星 為 心 宿 二, 為 一 顆 即 將 邁 向 死 亡 的 紅 色 明 亮 超 巨 星, 代 表 天 蠍 的 心 臟, 心 宿 二 常 常 被 拿 來 與 火 星 比 較, 被 認 為 是 火 星 之 敵 ( 星 宿 二 的 名 字 由 來 ), 在 中 國 古 代, 當 火 星 接 近 心 宿 二 時, 認 為 是 二 火 並 列, 是 王 者 的 凶 兆, 恐 有 謀 反 之 舉 也, 稱 為 熒 惑 守 心, 當 心 宿 二 偏 西 時, 就 是 大 火 流 西, 就 表 示 時 序 要 進 入 秋 天 了, 且 因 為 其 後 半 段 都 在 銀 河 之 中, 因 此 此 區 可 見 許 多 著 名 的 星 雲 星 團 等 所 謂 的 M 天 體 ( 梅 西 爾 天 體 ), 其 中 位 於 尾 端 的 M6 M7 都 是 疏 散 星 團 c. 人 馬 座 人 馬 座 又 名 射 手 座, 位 在 夏 天 南 方 低 空, 其 亮 星 組 成 形 狀 像 一 把 茶 壺, 人 馬 座 也 以 此 頗 負 盛 名, 又 其 中 部 分 形 狀 與 北 斗 七 星 相 似 而 明 顯, 但 因 只 有 六 個, 故 稱 南 斗 六 星 圖 3.2( 截 自 stellarium) d. 天 琴 座 天 鷹 座 天 鵝 座 天 琴 座 織 女 星 (0 星 等 ) 天 鷹 座 牛 郎 星 (1 星 等 ), 天 鵝 座 天 津 四 (1 等 星 ) 為 夏 季 大 三 角 天 鵝 座 也 被 稱 為 北 十 字 72

73 圖 3.3( 截 自 stelarium) 4. 春 季 星 座 : 圖 4.1( 圖 片 版 權 與 來 源 : 國 立 自 然 科 學 博 物 館 ) a. 春 季 大 曲 線 ( 大 熊 座 - 牧 夫 座 - 室 女 座 - 烏 鴉 座 ) 在 春 天 的 星 空 中, 首 要 目 標 當 然 就 是 北 斗 七 星 除 了 大 家 熟 知 的 利 用 天 樞 天 璇, 這 二 顆 星 的 連 線 延 長 5 倍 的 距 離, 可 以 找 到 北 極 星 外, 向 南 延 伸 的 杓 柄 弧 線, 依 序 通 過 牧 夫 座 的 橘 色 一 等 星 - 大 角 星, 再 到 室 女 座 一 等 星 - 角 宿 星, 形 成 一 巨 大 曲 線, 稱 為 春 季 大 曲 線 b. 春 季 大 三 角 春 季 大 鑽 石 73

74 將 大 角 星 角 宿 星 及 獅 子 座 尾 端 的 五 帝 座 一 連 接 而 成 即 是 春 季 大 三 角, 若 是 將 獵 犬 座 的 常 陳 一 也 加 入 連 接 起 來 則 為 春 季 大 鑽 石 c. 大 熊 座 ( 見 圖 2.2) 的 尾 巴 即 為 北 斗 七 星, 分 別 為 天 樞 天 璇 天 璣 天 權 玉 衡 開 陽 ( 還 有 4 等 星 輔 為 二 重 星 ) 瑤 光, 其 中, 著 名 的 開 陽 雙 星 用 肉 眼 即 可 見, 而 利 用 天 樞 天 璇 連 線 距 離 延 伸 五 倍 可 找 到 小 熊 座 ( 見 圖 2.3) 之 北 極 星, 是 尋 找 天 北 極 最 常 見 方 法 之 一 d. 獅 子 座 春 季 星 空 中, 最 具 代 表 性 的 星 座 之 一, 頭 部 六 顆 星 連 接 形 成 之 獅 子 座 大 鐮 刀 ( 亦 稱 為 春 季 大 鐮 刀 ) 在 夜 空 中 相 當 明 顯, 獅 子 座 α 星 軒 轅 十 四 及 β 星 五 帝 座 一 亦 為 春 天 夜 空 中 的 亮 點 每 年 11 月 17~19 號 會 有 獅 子 座 流 星 雨 e. 巨 蟹 座 春 季 星 空, 星 光 黯 淡, 所 以 可 以 用 軒 轅 十 四 南 河 三 北 河 三 來 找 身 體 中 央 有 馬 槽 星 團 圖 4.2( 截 自 stellarium) f. 大 熊 座 小 熊 座 大 熊 座 的 北 斗 七 星 形 狀 會 隨 著 時 間 改 變,10 萬 年 前 的 長 相 跟 現 在 不 一 樣 現 在 的 北 極 星 是 小 熊 星 座 的 α 星, 不 過 北 極 星 的 位 置 是 有 周 期 性 的 改 變 ( 以 2 萬 6000 年 為 週 期 ) 74

75 圖 4.3( 截 自 Stellarium) g. 牧 夫 座 獵 犬 座 形 狀 像 是 一 條 領 帶, 最 明 顯 的 為 位 在 腰 帶 的 橘 色 一 等 星 大 角 星, 他 的 星 名 為 熊 的 看 守 人, 因 為 它 總 是 跟 著 大 熊 座 的 北 斗 七 星 在 天 空 繞 著, 為 春 季 大 曲 線 的 一 部 分, 而 獵 犬 座 位 在 牧 夫 座 旁 邊, 僅 由 兩 顆 星 組 成 的 小 星 座, 但 卻 相 當 的 明 亮, 其 中 常 陳 一 為 春 季 大 鑽 石 的 一 部 分 5. 秋 季 星 座 5.1( 圖 片 載 自 : 榮 富 國 小 天 文 網 站 a. 秋 季 四 邊 形 ( 飛 馬 座 仙 女 座 ) 相 較 於 其 他 季 節, 秋 天 的 星 空 顯 得 十 分 暗 淡, 因 此 秋 季 大 四 角 形 或 稱 為 飛 75

76 馬 座 四 邊 形 ( 見 圖 5.1) 成 為 明 顯 的 指 標, 四 邊 形 為 飛 馬 座 的 肚 子, 馬 頭 面 向 西 方, 又 其 中 壁 宿 二 與 仙 女 座 共 用, 著 名 的 仙 女 座 大 星 系 肉 眼 即 可 見 到, 利 用 秋 季 四 邊 形 可 以 讓 我 們 輕 易 的 找 到 秋 天 中 許 多 重 要 的 星 座, 其 中 最 常 見 的 是 以 壁 宿 二 及 壁 宿 一 連 線 尋 找 鯨 魚 座 的 土 司 空 ( 見 圖 5.1), 或 是 以 室 宿 二 及 室 宿 一 連 線 尋 找 南 魚 座 的 北 落 師 門 ( 見 圖 5.1) b. 南 魚 座 寶 瓶 座 ( 見 圖 5.1) 藉 由 5.a 中 敘 述 之 方 法, 我 們 可 以 利 用 秋 季 四 邊 形, 在 南 方 低 空 找 到 秋 季 星 空 中 唯 一 的 一 顆 一 等 星 - 北 落 師 門, 找 到 北 落 師 門 後 就 可 以 輕 易 的 找 到 南 魚 座 跟 寶 瓶 座 了 圖 5.2( 截 自 stellarium) c. 英 仙 座 ( 見 圖 4.2) 英 仙 座 在 秋 季 星 空 中 算 是 較 明 亮 的 星 座, 位 於 御 夫 座 五 車 二 仙 后 座 昴 宿 星 團 所 組 成 的 三 角 形 之 中 而 其 β 星 大 陵 五 是 最 早 被 人 類 所 認 知 的 食 變 星, 以 日 ( 約 2 天 20 小 時 49 分 鐘 ) 的 光 變 周 期 中 在 +2.1 到 +3.3 星 等 間 變 化, 由 於 其 在 數 小 時 內 亮 度 變 化 極 大, 故 被 認 為 是 妖 魔 在 眨 眼 睛, 被 認 為 是 一 顆 不 祥 且 奇 怪 的 星 每 年 8 月 12 日 左 右 會 有 英 仙 座 流 星 雨, 每 分 鐘 至 少 出 現 一 顆 流 星 76

77 天 文 學 史 鄭 崇 浩 一 天 文 學 史 介 紹 : 天 文 學 的 歷 史 非 常 久 遠, 可 以 說 是 人 類 歷 史 上 古 老 的 一 門 科 學 從 最 初 人 類 對 於 星 象 變 化 的 認 識 開 始, 天 文 學 就 已 經 開 始 萌 芽 了 人 們 為 了 研 究 和 制 定 各 種 時 間 或 時 令 ( 例 如 : 季 節 或 者 曆 法 ) 而 產 生 了 天 文 學, 甚 至 有 一 部 分 是 來 源 於 占 卜 的 許 多 人 以 星 象 來 進 行 占 卜, 即 占 星 術 可 以 說, 天 文 學 發 展 了 那 麼 長 的 時 間, 研 究 它 的 歷 史, 也 是 非 常 有 意 義 的 這 也 是 天 文 學 研 究 中 的 一 個 重 要 方 向 尤 其 是 歷 史 上 記 錄 的 各 種 天 文 現 象, 更 是 當 今 某 些 天 文 研 究 領 域 的 非 常 重 要 非 常 珍 貴 的 資 料 正 是 由 於 一 直 以 來 不 斷 的 資 料 積 累, 才 使 得 後 來 的 天 文 學 有 了 相 當 大 的 發 展 因 此 天 文 學 史 也 就 成 了 天 文 學 的 一 個 重 要 分 支 ( 維 基 百 科 ) 二 著 名 天 文 學 家 : 泰 勒 斯 (Thales)(c c. 546 BC) 希 臘 哲 學 家, 出 生 於 小 亞 細 亞 (Asia Minor) 的 米 利 都 (Miletus) 泰 勒 斯 被 譽 為 希 臘 哲 學 的 始 祖, 亦 是 希 臘 七 賢 之 一 他 最 廣 為 人 熟 悉 的 是 準 確 地 預 測 到 公 元 前 五 百 八 十 五 年 五 月 廿 八 日 發 生 的 日 食 他 又 把 幾 何 學 引 入 希 臘, 並 認 為 一 切 萬 物 皆 源 自 水, 最 後 也 歸 於 水 在 泰 勒 斯 以 前, 人 們 對 於 宇 宙 的 理 解 是 神 話 式 的, 而 泰 勒 斯 專 注 在 基 本 物 質 的 概 念 則 標 誌 著 科 學 思 想 的 誕 生 畢 達 哥 拉 斯 (Pythagoras)(c c. 500 BC) 希 臘 哲 學 家 及 數 學 家, 出 生 於 希 臘 的 薩 摩 斯 (Samos) 畢 達 哥 拉 斯 深 受 早 期 哲 學 家 泰 勒 斯 安 約 西 曼 (Anaximander) 及 Anaximenes 的 影 響,, 在 那 裏 他 創 立 了 畢 達 哥 拉 斯 學 派 - 他 們 認 定 數 字 是 所 有 分 數 秩 序 和 宇 宙 和 諧 的 本 源 他 們 把 數 學 當 作 科 學 的 基 本, 又 發 現 畢 氏 定 理, 對 幾 何 學 作 出 重 大 貢 獻 亞 里 士 多 德 (Aristotle)( BC) 希 臘 哲 學 家 及 科 學 家, 出 生 於 Macedonia 的 Stagira 亞 里 士 多 德 跟 柏 拉 圖 (Plato) 及 蘇 格 拉 底 (Socrates) 同 為 古 代 最 著 名 的 哲 學 家 在 天 文 學 方 面, 亞 里 士 多 德 認 為 宇 宙 是 一 個 有 限 大 的 圓 球 體, 而 地 球 則 處 於 宇 宙 的 中 心 宇 宙 中 央 部 份 由 四 種 原 素 所 組 成, 它 們 分 別 是 泥 土 (Earth) 空 氣 (Air) 火 (Fire) 和 水 (Water) 在 亞 里 士 多 德 的 物 理 學 中, 四 種 原 素 都 有 各 自 的 恰 當 位 置 (Proper Places), 而 恰 當 位 置 則 由 原 素 的 重 量 所 77

78 決 定 每 種 原 素 均 自 然 地 以 直 線 - 泥 土 向 下 而 火 向 上 - 移 向 自 己 的 恰 當 位 置, 然 後 停 下 來 故 此 地 球 上 的 運 動 都 是 直 線 進 行 和 終 會 停 止 的 相 反, 天 空 上 的 物 體 則 無 休 止 地 循 複 雜 的 圓 形 軌 道 運 動, 並 由 第 五 種 原 素 - 以 太 (ether) - 所 構 成 由 於 以 太 的 超 然 地 位, 除 了 在 運 動 中 的 位 置 改 變 外, 以 太 是 永 恆 不 變 的 另 外, 亞 里 士 多 德 又 認 為 較 重 物 體 的 下 墜 速 度 會 比 較 輕 物 體 的 快, 這 個 錯 誤 觀 點 要 俟 到 十 六 世 紀, 當 意 大 利 科 學 家 伽 利 略 (Galileo) 從 比 薩 斜 塔 上 擲 下 兩 個 不 同 重 量 圓 球 的 實 驗 中 才 被 推 翻 阿 利 斯 塔 克 (Aristarchus of Samos)(c c. 250 BC) 希 臘 天 文 學 家, 是 第 一 個 主 張 地 球 環 繞 太 陽 運 行 的 人, 但 他 的 主 張 只 記 載 於 亞 基 米 德 (Archimedes) 的 著 作 中 在 他 唯 一 留 傳 後 世 的 著 作 On the Dimensions and Distances of the Sun and Moon 裡, 他 論 述 了 如 何 估 量 太 陽 和 月 亮 跟 地 球 間 的 相 對 距 離, 但 由 於 缺 乏 精 密 的 儀 器 而 得 不 到 正 確 的 結 果 埃 拉 托 斯 特 尼 (Eratosthenes)(c c. 196 BC) 希 臘 數 學 家 天 文 學 家 地 理 學 家 及 詩 人, 出 生 於 Cyrene ( 即 現 在 利 比 亞 的 Shahhat) 希 臘 詩 人 Callimachus 是 他 其 中 一 位 老 師 約 在 公 元 前 二 四 零 年, 他 開 始 主 理 位 於 亞 歷 山 大 的 圖 書 館 埃 拉 托 斯 特 尼 曾 透 過 量 度 夏 至 日 正 午 於 Syene ( 現 在 埃 及 的 阿 斯 安 ) 及 亞 歷 山 大 兩 地 的 日 影 偏 差, 再 利 用 三 角 學 來 推 算 太 陽 跟 地 球 間 的 距 離 和 地 球 的 圓 周 他 又 嘗 試 計 算 黃 道 的 斜 角, 誤 差 不 過 七 角 分 另 外, 他 又 編 製 了 一 個 包 括 六 百 七 十 五 顆 星 的 星 表 ( 現 已 佚 失 ) 伊 巴 谷 (Hipparchus)(c BC) 伊 巴 谷 把 自 己 對 天 體 的 研 究 跟 早 期 天 文 學 家 的 結 果 比 較 而 發 現 歲 差 (Precession) 他 計 算 的 回 歸 年 長 度, 結 果 跟 現 代 測 量 所 得 相 差 不 過 六 分 半 鐘 另 外, 他 提 出 以 經 緯 度 來 標 示 位 置, 又 繪 製 星 表 及 星 圖, 並 計 算 了 差 不 多 一 千 顆 行 星 的 亮 度 而 他 的 三 角 弦 表 更 成 為 現 代 三 角 學 的 基 礎 索 西 澤 尼 (Sosigenes)(ca. 90-unknown BC) 希 臘 天 文 學 家 及 數 學 學 家, 說 服 凱 撒 (Julius Caesar) 於 公 元 前 四 十 六 年 訂 立 儒 略 曆 (Julian Calendar), 即 每 年 為 三 百 六 十 五 日, 每 過 三 年 便 有 一 潤 年, 日 數 為 三 百 六 十 六 石 申 (Shi Shen) 中 國 天 文 學 家, 戰 國 中 期 大 梁 人 據 史 記 正 義 所 引 梁 朝 阮 孝 緒 七 錄, 可 知 他 原 著 有 天 文 八 卷, 屬 天 文 星 象 類, 其 中 測 定 的 恆 星 有 一 百 三 十 八 座, 共 八 百 顆 史 記 天 官 書 第 五 稱 石 申 因 時 務 論 其 書 傳, 故 其 占 驗 凌 雜 米 鹽 ( 即 細 致 入 微 ) 可 見 其 功 力 之 深 厚 在 科 學 技 術 不 發 達 的 戰 國 時 期, 能 取 得 這 樣 78

79 大 的 成 果, 實 在 難 能 可 貴 他 與 戰 國 時 的 甘 德 和 商 朝 的 巫 咸 三 人 是 中 國 星 表 的 最 早 編 制 者, 也 是 世 界 方 位 天 文 學 的 始 祖 他 們 對 恆 星 進 行 有 系 統 的 觀 測, 比 歐 洲 的 阿 里 斯 拉 魯 斯 與 鐵 木 查 理 斯 還 要 早 六 十 餘 年, 在 世 界 天 文 史 上 佔 有 一 席 特 殊 的 地 位 正 因 為 石 申 對 天 文 學 的 研 究 作 出 了 傑 出 的 貢 獻, 所 以 月 球 背 面 的 環 形 山 中, 就 有 一 座 以 他 的 名 字 命 名 甘 德 (Gan De) 中 國 天 文 學 家, 戰 國 時 楚 國 人 經 過 長 期 的 天 象 觀 測, 甘 德 與 魏 國 人 石 申 各 自 寫 出 一 部 天 文 學 著 作 後 人 把 這 兩 部 著 作 結 合 起 來, 稱 為 甘 石 星 經, 是 現 存 世 界 上 最 早 的 天 文 學 著 作 書 裡 記 錄 了 八 百 顆 恆 星 的 名 字, 其 中 一 百 二 十 一 顆 恆 星 的 位 置 已 被 測 定, 是 世 界 最 早 的 恆 星 表 書 裡 還 記 錄 了 木 火 土 金 水 等 五 大 行 星 的 運 行 情 況, 並 指 出 了 它 們 出 沒 的 規 律 耿 壽 昌 (Geng Shouchang)(73 BC - 49 BC) 中 國 天 文 學 家, 漢 宣 帝 時 代 大 司 農 中 丞, 賜 爵 關 內 侯, 刪 補 九 章 算 術 他 和 落 下 閎 所 製 的 渾 天 儀 ( 即 天 球 儀 ) 是 歷 史 記 載 中 最 早 的 渾 象 托 勒 密 (Ptolemy)( ) 希 臘 天 文 學 家 數 學 家 及 地 理 學 家, 可 能 出 生 於 希 臘, 但 他 的 名 字 顯 示 他 既 居 於 埃 及, 同 時 又 是 羅 馬 公 民 ; 實 際 上, 他 確 長 期 生 活 在 埃 及 的 亞 歷 山 卓 城 (Alexandria) 一 四 零 年, 托 勒 密 出 版 他 的 著 作 ("Mathematike Syntaxis"), 後 被 翻 譯 成 阿 拉 伯 文, 稱 為 Almagest ( 天 文 學 大 成 ) 其 中 托 勒 密 提 出 了 完 整 的 地 心 說 (Geocentric theory of the Universe), 他 運 用 更 成 熟 的 數 學 方 法 修 改 了 原 本 地 心 模 型 當 中 每 顆 行 星 在 其 細 小 的 圓 形 軌 道 ( 本 輪 ;epicycles) 上 運 行, 而 本 輪 圓 心 又 在 個 別 的 大 圓 形 軌 道 ( 均 輪 ;deferents) 上 繞 地 球 轉 動 與 伊 巴 谷 的 見 解 相 似, 托 勒 密 把 地 球 安 放 在 稍 為 偏 離 均 輪 圓 心 的 地 方 另 外, 為 了 解 釋 為 何 金 星 和 水 星 總 是 以 晨 星 或 昏 星 的 姿 態 出 現, 他 又 把 地 球 和 太 陽 以 一 條 無 形 直 線 連 在 一 起, 再 限 制 金 星 和 水 星 的 本 輪 圓 心 須 永 遠 落 在 這 條 直 線 上 托 勒 密 的 宇 宙 觀 與 觀 測 結 果 大 致 相 符, 但 細 小 誤 差 卻 隨 時 間 不 斷 累 積 另 外, 托 勒 密 亦 對 數 學, 尤 其 在 三 角 學 上 作 出 貢 獻, 並 把 他 的 理 論 運 用 到 等 高 儀 (astrolabe) 及 日 晷 (sundial) 的 製 作 上 托 勒 密 同 時 又 對 光 學 及 地 理 學 進 行 研 究, 提 出 經 緯 度 概 念, 對 後 世 影 響 深 遠 張 衡 (Zhang Heng)(78-139) 中 國 天 文 學 家 文 學 家 及 藝 術 家, 東 漢 的 太 空 科 學 家 79

80 一 行 (Seng Yixing)( ) 中 國 高 僧, 唐 魏 州 昌 樂 人, 俗 姓 張 名 遂, 張 公 謹 之 孫, 死 後 諡 號 大 慧 禪 師 曾 與 南 宮 說 等 人 發 展 中 國 首 次 大 規 模 天 文 大 地 測 量, 証 明 千 里 差 一 寸 之 說 是 錯 誤 的 ; 又 與 梁 令 瓚 製 造 水 運 渾 天 ; 其 著 作 有 大 衍 曆 大 日 經 疏 及 華 嚴 海 印 懺 儀 等 查 爾 卡 (Al Zargali)(?-1100) 阿 拉 伯 天 文 學 家, 是 西 阿 拉 伯 學 派 的 傑 出 代 表, 查 爾 卡 用 演 繹 法 論 証 了 水 星 該 按 橢 圓 形 軌 道 運 行, 否 定 了 托 勒 密 以 本 輪 均 輪 等 來 解 釋 水 星 運 動 的 模 型 從 此, 西 阿 拉 伯 學 派 的 天 文 學 家 大 都 對 托 勒 密 的 本 輪 均 輪 體 系 持 否 定 態 度 郭 守 敬 (Guo Shoujing)( ) 中 國 天 文 學 家, 元 順 德 邢 台 人, 字 若 思 他 認 為 制 定 曆 法 的 基 本 在 於 觀 測 天 象, 而 觀 測 天 象 非 以 儀 器 輔 助 不 可, 故 此 他 一 生 創 製 了 十 三 種 觀 天 儀 器 ; 其 中 包 括 巨 型 圭 表 簡 儀 景 符 及 窺 几 等 同 時, 他 又 建 造 元 觀 星 台, 創 立 垛 疊 招 差 勾 股 弧 矢 的 推 算 方 法 他 先 仔 細 觀 測, 再 以 精 密 計 算, 得 出 較 為 準 確 的 結 果 而 他 的 方 法 則 沿 用 了 達 四 百 年 之 久, 可 以 說 是 集 古 法 的 大 成 另 外, 他 又 焚 毀 陰 陽 書, 破 除 迷 信, 一 洗 古 來 占 驗 的 浮 說, 使 天 文 學 納 入 正 軌 湯 若 望 更 尊 稱 他 為 中 國 的 第 谷 烏 魯 伯 格 (Ulugh Beg)( ) 蒙 古 天 文 學 家, 帖 木 兒 的 孫, 曾 是 帖 木 兒 帝 國 的 統 治 者 ( 一 四 四 七 至 一 四 四 九 年 ) 他 在 首 都 撒 馬 爾 罕 (Samarkand) 建 造 了 一 座 天 文 台, 擁 有 世 界 上 最 大, 半 徑 達 四 十 米 的 象 限 儀, 其 弧 上 的 刻 度 一 毫 米 對 應 於 五 角 秒 一 四 四 七 年, 他 編 算 出 著 名 的 古 拉 干 曆 數 書 ( 又 稱 烏 魯 伯 格 天 文 表 ), 其 中 包 括 一 部 包 含 一 千 零 一 十 八 顆 恆 星 的 星 表, 星 表 是 烏 魯 伯 格 等 人 通 過 長 期 實 際 觀 測, 修 改 托 勒 密 的 星 表 而 成 的, 同 時 也 是 伊 巴 谷 以 後 第 一 份 獨 立 的 星 表, 其 精 度 在 第 谷 星 表 問 世 前 是 首 屈 一 指 的 另 外, 他 也 撰 寫 詩 篇 和 歷 史 文 章 烏 魯 伯 格 篤 信 占 星 學, 相 傳 他 根 據 占 星 預 言, 得 知 自 己 將 被 兒 子 所 殺, 於 是 把 兒 子 放 逐 其 子 對 此 十 分 惱 怒, 結 果 發 動 叛 變, 並 於 一 四 四 九 年 殺 害 了 父 親 哥 白 尼 (Copernicus, Nicolaus)( ) 波 蘭 天 文 學 家, 出 生 於 波 蘭 的 Thorn 他 提 出 著 名 的 日 心 說, 認 為 太 陽 靜 處 於 宇 宙 的 中 心, 而 所 有 行 星 皆 循 圓 形 軌 道 環 繞 太 陽 運 行 哥 白 尼 從 沒 有 把 自 己 的 研 究 及 學 說 公 開, 直 至 一 五 四 三 年 五 月 廿 四 日, 即 他 死 前 三 天, 他 的 偉 大 著 作 天 體 運 行 論 ("De Revolutionibus Orbium Coelestium") 才 告 問 世 80

81 第 谷 (Tycho, Brahe)( ) 在 天 文 學 理 論 方 面, 第 谷 既 不 接 受 托 勒 密 的 宇 宙 模 型, 也 不 接 受 哥 白 尼 的 日 心 說, 他 把 兩 者 揉 合 為 一, 創 出 自 己 的 理 論 在 第 谷 的 理 論 裡, 五 顆 當 時 已 知 的 行 星 皆 環 繞 太 陽 運 行, 而 太 陽 又 連 同 整 個 系 統 環 繞 地 球 運 行 雖 然 第 谷 的 行 星 運 動 理 論 並 不 正 確, 但 他 一 生 所 累 積 的 豐 富 天 文 觀 測 資 料 卻 促 成 了 正 確 行 星 運 動 理 論 的 誕 生 一 五 九 九 年, 第 谷 聘 請 了 克 卜 勒 作 助 手, 在 他 死 後, 克 卜 勒 繼 承 了 第 谷 的 職 位 並 整 理 其 遺 下 的 觀 測 資 料, 後 來 更 藉 此 得 出 三 條 著 名 的 克 卜 勒 行 星 運 動 定 律 伽 利 略 (Galileo)( ) 意 大 利 物 理 學 家 及 天 文 學 家, 出 生 於 意 大 利 比 薩 附 近 的 Tuscany 在 天 文 學 方 面, 伽 利 略 是 首 個 利 用 望 遠 鏡 作 天 文 觀 測 用 途 的 人 透 過 望 遠 鏡, 他 發 現 了 太 陽 黑 子 月 球 上 的 山 脈 深 谷 四 顆 木 星 衛 星 和 金 星 的 相 變 (phases of Venus) 在 物 理 學 方 面, 他 發 現 了 物 件 下 墜 的 定 律 及 拋 物 線 運 動 等 一 六 三 二 年, 他 把 觀 測 結 果 總 結 及 出 版, 但 卻 跟 當 時 教 會 的 論 調 嚴 重 抵 觸, 翌 年 他 被 迫 宣 誓 放 棄 自 己 的 理 論 及 被 判 無 限 期 軟 禁 里 帕 席 (Lippershey, Hans)( ) 荷 蘭 眼 鏡 製 造 商, 出 生 於 德 國 西 部 的 韋 瑟 爾, 後 於 荷 蘭 西 南 端 小 鎮 - Zeeland 的 首 都 - 米 德 爾 堡 定 居 十 六 世 紀 末, 意 大 利 人 引 入 製 作 鏡 片 的 全 新 技 術 利 珀 海 很 可 能 是 其 中 一 個 最 早 結 合 運 用 凸 透 鏡 和 凹 透 鏡 而 製 成 第 一 具 望 遠 鏡 的 人 克 卜 勒 (Kepler, Johannes)( ) 德 國 天 文 學 家 及 自 然 哲 學 家, 出 生 於 德 國 Wurttemberg 的 Weil der Stadt 克 卜 勒 除 了 寫 出 並 証 實 他 的 三 條 行 星 運 動 定 律 (Kepler's Laws of planetary motions) 外, 他 在 光 學 方 面 也 貢 獻 良 多 在 數 學 方 面, 他 亦 是 創 立 微 積 分 的 先 驅 赫 維 留 (Hevelius)( ) 另 外, 赫 維 留 亦 是 首 批 觀 測 水 星 凌 日 的 天 文 學 家 同 時, 他 又 觀 測 太 陽 黑 子, 編 製 星 表, 發 現 四 顆 彗 星 及 研 究 土 星 的 相 變 卡 西 尼 (Cassini, Giovanni Domenico) ( ) 法 國 天 文 學 家, 出 生 於 意 大 利 卡 西 尼 一 生 對 天 文 學 貢 獻 良 多, 其 中 包 括 發 現 土 星 的 四 顆 衛 星 - 土 衛 五 (Rhea) 土 衛 八 (Iapetus) 土 衛 四 (Dione) 和 土 衛 三 (Tethys), 又 觀 測 火 星 木 星 的 自 轉 及 土 星 環 的 結 構, 並 指 出 土 星 環 中 的 一 道 暗 縫 - 後 稱 卡 西 尼 環 縫 (Cassini's Division) 另 外, 他 還 計 算 出 地 球 跟 火 星 間 的 距 離, 81

82 又 精 確 地 推 算 出 地 球 與 太 陽 間 的 距 離 同 時, 卡 西 尼 也 是 最 早 有 系 統 地 觀 察 研 究 黃 道 光 (zodiacal light) 的 人 惠 更 斯 (Huygens, Christiaan)( ) 荷 蘭 天 文 學 家 數 學 家 及 物 理 學 家, 出 生 於 荷 蘭 的 海 牙 他 發 現 關 於 波 運 動 的 原 理 - 惠 更 斯 原 理 - 及 發 展 光 的 波 動 理 論 在 天 文 學 方 面, 他 發 現 了 土 星 光 環 及 土 星 最 大 衛 星 - 泰 坦 (Titan) 他 又 研 究 關 於 圓 周 運 動 中 離 心 力 理 論, 對 日 後 牛 頓 發 展 他 的 重 力 定 律 幫 助 很 大 牛 頓 (Newton, Sir Isaac)( ) 英 國 數 學 家 及 物 理 學 家, 出 生 於 英 國 的 Lincolnshire 他 在 自 然 科 學 上 貢 獻 良 多 在 數 學 方 面, 他 是 微 積 分 的 其 中 一 位 創 立 者 在 物 理 學 方 面, 他 揭 開 了 光 和 光 學 之 謎, 又 寫 出 三 條 關 於 物 件 運 動 的 定 律, 稱 為 牛 頓 運 動 定 律 (Newton's Laws of motion), 並 繼 而 發 現 萬 有 引 力 及 其 數 學 理 論 一 六 八 七 年, 他 出 版 革 命 性 著 作 自 然 哲 學 的 數 學 原 理 ("Philosophiae Naturalis Principia Mathematica"), 正 式 確 立 了 萬 有 引 力 理 論 (The Theory of Universal Gravition) 除 了 在 自 然 科 學 上 的 成 就 外, 牛 頓 在 煉 金 術 神 秘 主 義 和 神 學 上 都 有 深 入 的 研 究 羅 默 (Roemer, Olaf)( ) 丹 麥 數 學 家 及 天 文 學 學 家, 生 於 丹 麥 的 奧 爾 胡 斯 (Arhus), 是 第 一 個 能 相 當 準 確 地 估 計 出 光 速 的 人 一 六 七 五 年, 他 首 次 計 算 出 光 速 為 每 秒 225,000 公 里, 而 在 第 二 十 次 運 算 後, 他 把 光 速 修 正 為 每 秒 299,793 公 里 另 外, 羅 默 利 用 本 輪 (epicycles) 改 進 行 星 表 同 時 他 又 為 改 善 丹 麥 ( 尤 其 是 哥 本 哈 根 ) 地 區 的 生 活 作 出 了 實 質 貢 獻 哈 雷 (Halley, Edmund)( ) 英 國 天 文 學 家, 出 生 於 英 國 的 倫 敦 他 在 牛 津 大 學 接 受 教 育, 後 受 牛 頓 理 論 的 激 發 而 對 天 文 學 產 生 興 趣 他 是 第 一 位 嘗 試 計 算 彗 星 軌 跡 的 科 學 家, 又 鼓 勵 牛 頓 撰 寫 自 然 哲 學 的 數 學 原 理 ("Philosophiae Naturalis Principia Mathematica"), 並 於 一 六 八 七 年 替 牛 頓 出 版 這 部 驚 世 鉅 著 一 七 二 一 年, 哈 雷 被 委 任 為 御 用 天 文 學 家 並 開 始 了 其 後 十 八 年 對 月 球 環 繞 地 球 運 行 的 研 究 哈 雷 最 著 名 的 著 作 彗 星 天 文 學 概 論 ("Astronomiae Cometicae Synopsis") 在 一 七 零 五 年 出 版, 其 中 他 引 用 了 牛 頓 的 運 動 定 律, 加 上 從 觀 察 彗 星 所 得 來 的 資 料, 再 利 用 數 學 推 算 出 彗 星 是 循 橢 圓 形 軌 道 環 繞 太 陽 運 行 一 七 五 八 年, 哈 雷 彗 星 (Comet Halley) 的 回 歸 證 明 了 哈 雷 關 於 彗 星 的 理 論 是 正 確 的 82

83 羅 蒙 諾 索 夫 (Lomonosov, Mikhail Vasilyevich)( ) 他 是 第 一 個 在 金 星 凌 日 中 發 現 金 星 擁 有 大 氣 的 人 赫 歇 爾 (Herschel, Sir William)( ) 德 裔 英 國 天 文 學 家, 出 生 於 德 國 的 漢 諾 威 (Hannover) 他 本 是 個 音 樂 教 師 及 風 琴 演 奏 家, 但 他 把 所 有 餘 暇 都 花 在 天 文 學 研 究 和 數 學 上 一 七 八 七 年, 他 發 現 了 一 顆 新 的 行 星, 並 以 當 時 英 王 喬 治 三 世 命 名, 現 在 這 顆 行 星 稱 為 天 王 星 後 來 他 又 發 現 土 星 的 衛 星 及 繪 製 了 一 個 包 括 超 過 八 百 顆 雙 星 的 星 表 一 八 一 六 年, 赫 歇 爾 因 天 文 學 上 的 成 就 被 封 為 爵 士 皮 亞 齊 (Piazzi, Giuseppe)( ) 一 八 零 一 年, 當 皮 亞 齊 在 觀 察 一 顆 在 早 期 編 制 目 錄 中 有 記 載 的 小 恆 星 時, 發 現 了 第 一 顆 小 行 星 - 谷 神 星 可 是 他 只 能 夠 進 行 了 三 次 觀 測 ; 後 適 逢 高 斯 (Gauss) 剛 想 出 如 何 利 用 數 學 方 法 計 算 小 行 星 的 軌 道 位 置, 致 使 谷 神 星 的 發 現 得 以 被 證 實 而 為 了 表 揚 皮 亞 齊 的 貢 獻, 第 一 千 顆 被 發 現 的 小 行 星 便 以 他 的 名 字 命 名 拉 普 拉 斯 (Laplace, Pierre Simon, Marquis de)( ) 法 國 天 文 學 家 及 數 學 家, 出 生 於 法 國 的 諾 曼 第 (Normandy) 他 的 主 要 工 作 是 發 展 數 學 方 式 來 分 析 牛 頓 的 引 力 理 論 利 用 引 力 理 論, 拉 普 拉 斯 成 功 解 釋 了 太 陽 系 內 各 行 星 的 運 動 他 又 証 明 這 些 運 動 是 穩 定 的, 其 他 外 來 物 體 - 如 彗 星 等 - 所 引 起 的 微 擾 只 是 暫 時 性 的 在 一 七 九 九 至 一 八 二 五 年 期 間, 他 編 寫 了 五 部 論 著, 有 系 統 地 記 錄 了 他 畢 生 在 引 力 理 論 方 面 的 數 學 研 究 工 作 奧 伯 斯 (Olbers, Heinrich Wilhelm Matthaeus)( ) 德 國 醫 生 及 天 文 學 家, 出 生 於 德 國 的 Abergen ( 今 不 來 梅 的 一 部 分 ) 他 於 University of Goettingen 畢 業 後 便 在 不 來 梅 一 帶 行 醫 一 七 七 九 年, 他 發 現 了 一 個 至 今 仍 被 天 文 學 家 採 用 的 彗 星 軌 跡 計 算 方 法 奧 伯 斯 一 生 發 現 了 好 幾 顆 彗 星, 第 一 顆 於 一 八 一 五 年 發 現 並 命 名 為 奧 伯 斯 彗 星 他 又 在 一 八 零 二 年 及 一 八 零 七 年 分 別 發 現 兩 顆 小 行 星 - 智 神 星 (Pallas) 和 灶 神 星 (Vesta) 他 認 為 小 行 星 是 一 顆 原 本 環 繞 太 陽 運 行 的 大 行 星 分 裂 而 成 的 一 八 二 六 年, 他 提 出 奧 伯 斯 佯 謬 (Olbers' paradox), 指 出 若 宇 宙 是 無 限 的, 而 當 中 的 恆 星 分 佈 又 是 到 處 均 勻 的 話, 則 整 個 天 空 無 論 日 夜 都 該 像 太 陽 般 光 亮 這 個 佯 謬 要 直 待 到 發 現 可 見 宇 宙 是 有 限 ( 半 徑 可 能 不 超 過 二 百 億 光 年 ) 後 才 獲 得 解 釋 83

84 多 普 勒 (Doppler, Christian Johann)( ) 奧 地 利 物 理 學 家 及 數 學 家, 出 生 於 奧 地 利 的 薩 爾 斯 堡 (Salzburg) 一 八 四 二 年, 他 在 文 章 "On the Colored Light of Double Stars" 中 提 出 多 普 勒 效 應 (Doppler Effect), 因 而 聞 名 於 世 勒 威 耶 (Leverrier, Urbain Jean Joseph)( ) 法 國 天 文 學 家, 出 生 於 法 國 的 St-Lo, 畢 業 於 Ecole Polytechnique 他 改 良 了 關 於 水 星 的 天 文 表, 又 研 究 攝 動 現 象 彗 星 運 動 行 星 軌 道 的 偏 心 率 及 傾 角 極 限 等 問 題 一 八 四 六 年, 他 研 究 天 王 星 軌 道 的 攝 動 並 認 為 是 由 另 一 顆 未 知 行 星 所 引 起 的 同 年, 德 國 天 文 學 家 伽 勒 (J G Galle) 在 距 勒 威 耶 所 估 計 處 約 一 度 的 地 方 發 現 那 顆 未 知 行 星 該 行 星 後 被 稱 為 海 王 星, 而 勒 威 耶 亦 因 此 獲 得 許 多 榮 譽, 並 於 一 八 五 四 年 成 為 巴 黎 天 文 台 的 台 長 傅 科 (Foucault, Jean Bernard Leon)( ) 法 國 物 理 學 家, 出 生 於 法 國 的 巴 黎 他 曾 與 另 一 位 法 國 物 理 學 家 Armand Fizeau 一 同 量 度 光 速 一 八 五 一 年, 傅 科 在 巴 黎 自 由 法 國 偉 人 紀 念 塚 (Pantheon) 的 圓 頂 下 懸 放 一 個 長 線 鐘 擺 (Pendulum) 來 証 明 地 球 的 自 轉 運 動 亞 當 斯 (Adams, John Couch)( ) 英 國 天 文 學 家, 自 幼 就 顯 露 出 其 在 數 學 方 面 的 天 才 一 八 三 九 年, 他 考 入 劍 橋 大 學 的 聖 若 翰 書 院 (St. John's College), 並 於 一 八 四 三 年 奪 得 學 院 內 數 學 科 最 高 獎 項 - 以 Senior Wrangler 的 榮 譽 畢 業 及 獲 得 第 一 屆 Smith's Prizeman 的 殊 榮 早 在 一 八 四 一 年, 亞 當 斯 已 經 閱 讀 到 關 於 天 王 星 不 正 常 軌 道 的 資 料, 但 直 到 他 大 學 畢 業 後 才 有 機 會 仔 細 研 究 一 八 四 三 年 十 月, 他 利 用 牛 頓 的 動 力 學 原 理, 推 斷 出 天 王 星 的 不 正 常 軌 道 是 受 另 一 顆 未 知 行 星 的 影 響 一 年 後, 他 根 據 御 用 天 文 學 家 艾 里 (Sir George Biddell Airy) 對 天 王 星 軌 道 的 觀 察 資 料 確 信 自 己 的 推 算 是 正 確 的 可 是 艾 里 對 亞 當 斯 的 計 算 及 推 斷 並 未 予 以 重 視, 搜 尋 新 行 星 的 工 作 延 至 一 八 四 六 年 七 月 才 正 式 展 開 與 此 同 時, 法 國 天 文 學 家 勒 威 耶 也 作 出 同 樣 的 計 算, 並 向 柏 林 天 文 台 的 伽 勒 提 出 未 知 行 星 存 在 的 推 論, 終 於 在 一 八 四 六 年 九 月 廿 三 日, 伽 勒 根 據 勒 威 耶 的 資 料 發 現 一 顆 新 行 星 - 海 王 星 勒 威 耶 旋 即 成 為 世 人 的 焦 點, 而 亞 當 斯 則 備 受 冷 落, 但 他 們 之 間 並 未 因 此 而 出 現 嫌 隙, 最 後 反 而 成 為 了 好 朋 友 一 八 四 七 年, 亞 當 斯 謝 絕 了 接 受 封 爵, 而 他 的 銅 像 今 天 正 好 放 置 在 西 敏 寺 (Westminster Abbey) 他 最 崇 拜 的 牛 頓 的 陵 墓 旁 邊 84

85 凡 爾 納 (Jules Verne)( ) 法 國 作 家, 出 生 於 法 國 的 南 特 (Nantes) 他 在 巴 黎 修 讀 法 律, 被 譽 為 現 代 科 幻 小 說 的 始 祖 從 一 八 四 八 到 一 八 六 三 年 間, 他 只 撰 寫 一 些 歌 劇 和 戲 劇 的 劇 本 一 八 六 三 年, 他 出 版 小 說 氣 球 上 的 五 星 期 ("Cinq Semaines en ballon") 並 大 受 歡 迎, 為 他 以 後 的 工 作 奠 下 基 礎 凡 爾 納 牽 起 了 十 九 世 紀 科 學 和 發 明 的 熱 潮, 當 他 為 自 己 的 奇 異 冒 險 故 事 鋪 陳 背 景 的 同 時, 也 預 言 了 二 十 世 紀 人 類 的 各 種 科 學 成 就 他 預 言 人 類 將 會 飛 到 外 太 空 去, 潛 艇 直 昇 機 冷 氣 機 導 向 飛 彈 以 至 電 影 亦 將 相 繼 發 明 他 最 著 名 的 著 作 包 括 : 地 心 探 險 記 ("Voyage au centre de la terre") 登 月 記 ("From the Earth to the Moon") 海 底 六 萬 里 ("Vingt mille lieuses sous la mer") 神 祕 島 ("Mysterious Island") 及 八 十 日 環 遊 世 界 ("La Tour du monde en quatre-vingt jours") 等 自 法 國 導 演 Georges Melies 的 一 部 電 影 登 月 記 ("A Trip to the Moon") 上 映 以 後, 凡 爾 納 的 小 說 便 成 為 科 幻 電 影 的 熱 門 題 材 一 八 九 二 年, 凡 爾 納 更 因 他 的 成 就 而 獲 得 Legion d'honneur 的 殊 榮 勒 維 特 (Leavitt, Henrietta Swan)( ) 美 國 天 文 學 家 當 她 在 哈 佛 大 學 天 文 台 工 作 時, 她 對 造 父 變 星 進 行 研 究, 發 現 愈 光 亮 的 造 父 變 星 的 光 度 變 化 週 期 也 愈 長 一 九 一 三 年, 丹 麥 天 文 學 家 赫 茨 普 龍 (Hertzsprung) 準 確 地 估 量 了 數 顆 造 父 變 星 跟 地 球 間 的 距 離, 而 利 用 勒 維 特 所 發 現 的 造 父 變 星 週 期 和 光 度 間 的 關 係, 天 文 學 家 可 推 算 出 所 有 造 父 變 星 的 距 離, 從 而 進 一 步 增 進 人 類 對 宇 宙 科 學 的 了 解 赫 茨 普 龍 (Hertzsprung, Ejnar)( ) 丹 麥 天 文 學 家, 出 生 於 丹 麥 的 哥 本 哈 根, 早 年 曾 接 受 化 學 工 程 師 的 訓 練 他 是 研 究 恆 星 的 誕 生 和 死 亡 的 先 鋒, 當 還 在 一 所 私 人 天 文 台 工 作 時, 他 便 出 版 了 一 篇 關 於 巨 星 和 矮 星 存 在 的 文 章 他 又 曾 在 University of Gottingen 和 Potsdam Observatory 工 作 一 九 一 九 年, 赫 茨 普 龍 獲 聘 為 University of Leiden 天 文 台 副 台 長, 並 在 一 九 三 五 年 晉 升 為 台 長 他 找 出 恆 星 的 光 譜 類 型 溫 度 和 真 正 亮 度 間 的 普 遍 關 係, 而 他 的 結 果 與 美 國 天 文 學 家 羅 素 (Russell) 的 研 究 成 果 相 結 合, 便 成 為 著 名 的 赫 羅 圖 (H-R diagram) 羅 素 (Russell, Henry Norris)( ) 美 國 天 文 學 家, 出 生 於 美 國 紐 約 的 蠔 灣 (Oyster Bay) 由 於 他 在 雙 星 系 統 和 視 差 法 兩 方 面 研 究 都 有 創 新 發 現, 他 摒 棄 了 舊 有 的 概 念 而 發 展 出 自 己 的 恆 星 演 化 理 論 他 又 對 恆 星 光 譜 中 的 原 素 光 譜 線 進 行 研 究 並 發 現 太 陽 大 氣 中 含 有 很 多 不 同 種 類 的 氣 體 另 外, 他 指 出 了 恆 星 光 譜 及 其 光 度 間 的 關 係, 並 結 合 丹 麥 天 文 學 家 赫 茨 普 龍 的 研 究 成 果, 成 為 著 名 的 赫 羅 圖 (H-R diagram) 85

86 愛 因 斯 坦 (Einstein, Albert)( ) 猶 太 裔 美 國 物 理 學 家, 出 生 於 德 國 的 Ulm 他 是 狹 義 相 對 論 和 廣 義 相 對 論 的 始 創 者 一 九 零 五 年, 他 發 表 了 三 篇 論 文, 分 別 關 於 氣 體 的 布 朗 運 動 (Brownian motion), 光 電 效 應 理 論 (Photoelectric effect) 及 移 動 中 物 體 的 電 磁 特 性 ( 即 後 來 的 狹 義 相 對 論 - Special Theory of Relativity), 並 因 而 獲 得 博 士 學 位 一 九 一 六 年, 他 把 狹 義 相 對 論 推 廣 至 任 何 坐 標 系 而 導 出 廣 義 相 對 論 (General Theory of Relativity) 一 九 二 二 年, 愛 因 斯 坦 因 光 電 效 應 研 究 方 面 的 貢 獻 而 贏 得 諾 貝 爾 物 理 學 獎 沙 普 利 (Shapley, Harlow)( ) 美 國 天 文 學 家, 出 生 於 美 國 密 蘇 里 州 (Missouri), 是 第 一 位 提 出 太 陽 並 非 處 於 銀 河 系 中 心 的 科 學 家 另 外, 他 在 光 度 學 宇 宙 學 光 譜 學 和 對 造 父 變 星 及 星 團 等 研 究 都 作 出 很 多 貢 獻 哈 勃 (Hubble, Edwin Powell)( ) 美 國 天 文 學 家, 出 生 於 美 國 密 蘇 里 州 (Missouri) 的 馬 錫 菲 (Marshfield) 他 証 明 了 河 外 星 系 的 存 在, 並 把 它 們 分 類, 同 時 又 發 現 星 系 光 譜 中 的 紅 移 現 象, 證 明 星 系 間 正 互 相 遠 離, 這 發 現 給 予 宇 宙 膨 脹 理 論 極 大 的 支 持 奧 爾 特 (Oort, Jan Hendrik)( ) 荷 蘭 天 文 學 家, 出 生 於 Franeker 一 九 二 零 年, 他 和 他 的 同 事 發 現 銀 河 系 的 自 轉, 並 計 算 出 銀 河 系 的 質 量 和 太 陽 與 銀 河 系 中 心 間 的 距 離 一 九 五 零 年, 他 提 出 太 陽 系 外 圍 被 一 層 星 雲 包 圍 著, 現 在 稱 為 奧 爾 特 雲 (Oort cloud) 阿 姆 巴 楚 米 揚 (Ambartsumian, Viktor Amazaspovich)( ) 蘇 聯 天 文 學 家, 出 生 於 亞 美 尼 亞, 曾 就 讀 於 列 寧 格 勒 大 學, 並 於 一 九 三 四 至 一 九 四 三 年 間 在 那 裡 教 授 天 文 學 他 建 立 了 Byurakan Astronomical Observatory, 又 在 一 九 四 七 至 一 九 九 三 年 間 擔 任 Armenian Academy of Sciences 的 會 長 他 的 研 究 範 圍 包 括 輻 射 變 換 概 念 中 的 不 變 原 理 ( invariance principles), 天 文 學 中 的 反 演 問 題 (inverse problems), 以 觀 察 和 實 驗 的 方 法 來 解 決 恆 星 和 星 系 的 來 源 和 演 化 問 題 他 推 想 出 年 輕 恆 星 團 的 存 在 及 提 出 如 何 計 算 新 星 爆 炸 中 所 拋 出 的 物 質 的 質 量, 又 指 出 T Tauri 星 是 顆 年 輕 的 恆 星 及 位 於 銀 河 系 附 近 的 星 協 正 不 斷 膨 脹, 而 星 系 在 演 化 過 程 中 則 流 失 物 質 另 外, 他 亦 研 究 放 射 無 線 電 的 星 系 和 活 躍 星 系 (active galaxies) 阿 姆 巴 楚 米 揚 曾 是 國 際 天 文 協 會 ("International Astronomical Union") 的 主 席, 並 主 辦 過 尋 找 外 太 空 生 物 的 會 議 86

87 雷 伯 (Reber, Grote)( ) 美 國 無 線 電 工 程 師, 出 生 於 美 國 伊 利 諾 州 (Illinois) 的 Wheaton, 自 幼 便 對 無 線 電 很 著 迷, 十 五 歲 時 已 是 一 個 活 躍 的 業 餘 無 線 電 愛 好 者 當 央 斯 基 (Jansky) 宣 布 發 現 來 自 銀 河 系 中 心 的 無 線 電 波 時, 更 激 起 他 對 天 文 學 的 興 趣 在 Illinois Institute of Technology 唸 書 期 間, 他 曾 嘗 試 以 月 球 來 反 射 無 線 電 波, 但 這 項 技 術 要 待 到 第 二 次 世 界 大 戰 結 束 後 才 告 成 功 一 九 三 七 年, 雷 伯 自 費 在 自 己 後 院 興 建 了 第 一 台 射 電 望 遠 鏡 - 一 座 用 木 材 薄 金 屬 及 汽 車 零 件 製 成 的 九 米 直 徑 碟 型 天 線 一 九 三 八 年, 他 發 現 了 他 第 一 個 深 空 射 電 源 (deep-space radio source), 隨 後 緊 接 著 又 發 現 另 外 好 幾 個 射 電 源 約 十 年 後, 美 國 天 文 學 家 Walter Baade 證 實 雷 伯 其 中 一 個 射 電 源 是 一 對 互 相 碰 撞 的 星 系 一 九 四 二 年, 雷 伯 把 他 過 去 的 發 現 整 理 及 出 版, 又 於 一 九 四 四 年 出 版 他 的 射 電 星 圖 雷 伯 的 研 究 引 荷 蘭 天 文 學 家 奧 爾 特 (Oort) 的 興 趣, 射 電 天 文 學 (radio astronomy) 亦 於 第 二 次 世 界 大 戰 後 得 以 蓬 勃 發 展 一 九 四 七 年, 雷 伯 把 自 己 的 射 電 望 遠 鏡 捐 贈 予 National Bureau of Standards 並 轉 到 華 盛 頓 的 Experimental Microwave Research Section 當 主 管 一 九 五 一 年, 他 在 夏 威 夷 工 作 及 在 那 裡 建 立 一 台 新 的 射 電 望 遠 鏡 隨 後 他 更 在 塔 斯 曼 尼 亞 (Tasmania) 指 揮 興 建 一 個 覆 蓋 直 徑 達 一 千 一 百 米 的 無 線 電 天 線 陣 珀 塞 爾 (Purcell, Edward Mills)( ) 美 國 物 理 學 家, 出 生 於 伊 利 諾 州 (Illinois) 的 Taylorville 一 九 三 三 年, 他 在 Purdue University 取 得 電 力 工 程 理 學 士 學 位, 並 在 德 國 Karlsruhe 的 一 所 工 業 大 學 深 造 一 九 三 八 年, 他 在 哈 佛 大 學 取 得 物 理 博 士 學 位 後 繼 續 留 在 那 裏 擔 任 導 師 至 一 九 四 零 年 第 二 次 世 界 大 戰 期 間, 他 在 麻 省 理 工 學 院 的 高 級 輻 射 實 驗 室 工 作, 並 認 識 了 Bloch 一 九 四 五 年, 珀 塞 爾 回 到 哈 佛 大 學 當 副 教 授, 及 於 五 年 後 晉 升 為 教 授 至 一 九 八 零 年 退 休 一 九 四 五 年, 珀 塞 爾 和 他 在 哈 佛 大 學 的 同 事 成 功 地 利 用 核 磁 共 振 ( NMR - Nuclear Magnetic Resonance) 來 量 度 某 一 頻 率 的 電 磁 輻 射 被 放 置 在 強 磁 場 中 的 原 子 核 吸 收 的 程 度, 幫 助 科 學 家 揭 示 原 子 和 分 子 的 結 構 與 此 同 時, 史 丹 佛 大 學 教 授 Bloch 也 從 事 類 似 的 研 究 結 果, 他 兩 人 也 因 為 這 方 面 的 研 究 成 果, 共 同 分 享 一 九 五 二 年 的 諾 貝 爾 物 理 學 獎 珀 塞 爾 的 發 現 使 科 學 家 研 究 員 和 大 眾 都 受 惠 NMR 是 化 學 和 生 物 學 中 最 偉 大 的 分 光 技 術 化 學 家 利 用 NMR 來 測 量 食 物 中 的 水 份 含 量 和 測 定 藥 物 的 品 質 研 究 員 又 可 以 利 用 NMR 來 探 查 ribonucleic acid (RNA) 和 deoxyribonucleic acid (DNA) 兩 種 控 制 人 類 生 命 最 基 層 的 核 酸 珀 塞 爾 對 射 電 天 文 學, 天 體 物 理 學 和 生 物 物 理 學 都 有 很 多 貢 獻 一 九 五 一 年, 他 利 用 NMR 發 現 了 在 太 空 中 的 氫 原 子 所 釋 放 出 來 波 長 21 厘 米 的 微 波 這 項 發 現 開 拓 了 一 個 嶄 新 的 天 文 研 究 領 域, 讓 天 文 學 家 在 不 依 賴 可 見 光 的 情 況 下 也 可 探 索 宇 宙 87

88 休 伊 什 (Hewish, Antony)( ) 英 國 天 文 學 家, 出 生 於 英 國 的 Fowey, 畢 業 於 劍 橋 大 學 一 九 六 七 年, 他 在 學 生 貝 爾 (S J Bell) 的 協 助 下 發 現 了 脈 沖 星 一 九 七 四 年, 他 與 另 一 位 英 國 天 文 學 家 Sir Martin Ryle 一 同 獲 得 諾 貝 爾 物 理 學 獎 阿 姆 斯 特 朗 (Armstrong, Neil Alden)( ) 美 國 太 空 人, 出 生 於 俄 亥 俄 州 (Ohio) 的 Wapakoneta, 一 九 五 五 年 畢 業 於 Purdue University 後 加 入 美 國 太 空 總 署 ( 當 時 的 National Advisory Committee for Aeronautics), 在 加 州 Lancaster 的 愛 德 華 空 軍 基 地 Edwards Air Force Base 當 平 民 試 驗 機 師 (civilian test pilot), 並 曾 在 韓 戰 ( 一 九 五 零 至 五 三 年 ) 期 間 當 美 國 空 軍 機 師 一 九 六 二 年, 他 成 為 第 一 位 加 入 太 空 人 訓 練 計 劃 的 平 民 一 九 六 六 年, 他 是 雙 子 座 八 號 (Gemini 8) 的 指 揮 官, 負 責 指 揮 兩 艘 環 繞 地 球 的 太 空 船 進 行 接 合 一 九 六 九 年, 他 擔 任 阿 波 羅 十 一 號 登 月 任 務 的 隊 長, 成 為 人 類 歷 史 上 首 位 踏 足 月 球 的 人 ; 參 與 該 次 歷 史 性 任 務 的 太 空 人 還 包 括 Edwin E. Aldrin Jr. 和 Michael Collins 從 一 九 七 一 年 起, 阿 姆 斯 特 朗 在 University of Cincinnati 擔 任 航 天 工 程 學 教 授 彭 齊 亞 斯 (Penzias, Arno)( ) 美 國 天 文 學 家, 出 生 於 德 國 的 慕 尼 黑 當 他 在 貝 爾 實 驗 室 (AT&T Bell Laboratories) 進 行 研 究 的 時, 和 美 國 物 理 學 家 威 爾 遜 (R. W. Wilson) 發 現 了 宇 宙 背 景 輻 射 一 九 七 八 年, 他 倆 更 因 為 其 發 現 對 支 持 宇 宙 大 爆 炸 論 所 作 出 的 貢 獻 而 獲 頒 諾 貝 爾 物 理 學 獎 威 爾 遜 (Wilson, Robert Woodrow)( ) 在 貝 爾 實 驗 室 (Bell Labs) 工 作 期 間, 威 爾 遜 與 德 國 出 生 的 美 藉 物 理 學 家 彭 齊 亞 斯 (Arno A. Penzias) 以 一 架 六 米 大 小 的 天 線 作 為 射 電 望 遠 鏡, 由 於 儀 器 的 高 度 精 確 及 熟 練 的 實 驗 技 巧, 他 們 的 射 電 望 遠 鏡 能 有 效 地 把 來 自 外 太 空 的 無 線 電 波 從 大 氣 中 其 它 無 線 電 波 中 分 辨 出 來 一 九 六 四 年, 他 們 首 次 利 用 射 電 望 遠 鏡 量 度 從 仙 后 座 (Cassiopeia) 內 超 新 星 遺 骸 發 射 的 無 線 電 波, 但 其 中 卻 夾 雜 著 一 些 不 明 來 歷 的 無 線 電 噪 音, 雖 然 威 爾 遜 與 彭 齊 亞 斯 很 努 力 地 尋 找 噪 音 的 來 源, 但 不 單 徒 勞 無 功, 反 而 發 現 這 無 線 電 噪 音 竟 充 斥 著 整 個 天 空 正 當 威 爾 遜 與 彭 齊 亞 斯 為 神 祕 的 無 線 電 噪 音 苦 惱 之 際, 在 普 林 斯 頓 大 學 的 一 個 理 論 天 文 學 研 究 小 組 正 建 構 他 們 有 關 動 態 宇 宙 的 理 論 模 型, 他 們 認 為 現 在 的 宇 宙 是 由 一 個 熾 熱 的 原 始 小 宇 宙 膨 脹 而 成, 而 在 宇 宙 初 生 時 發 放 的 輻 射 至 今 仍 可 測 量 得 到 一 九 六 五 年, 威 爾 遜 與 彭 齊 亞 斯 參 予 普 林 斯 頓 研 究 小 組 的 工 作, 並 發 現 一 直 困 擾 他 們 的 無 線 電 噪 音 正 好 與 研 究 小 組 提 出 的 宇 宙 遠 古 輻 射 互 相 合, 這 個 結 果 不 單 大 大 支 持 了 宇 宙 大 爆 炸 (Big 88

89 Bang Theory) 理 論, 並 為 二 人 帶 來 了 一 九 七 八 年 的 諾 貝 爾 物 理 學 獎 三 西 洋 天 文 學 史 : I. 時 間 的 洪 流 上 古 的 古 文 明 中, 直 接 影 響 現 今 西 方 天 文 學 思 想 的, 是 巴 比 倫 和 埃 及, 印 度 直 接 傳 承 者 便 是 希 臘, 羅 馬, 建 立 了 所 謂 古 典 天 文 體 系 隨 之 而 來 的 近 一 千 年 中 古 黑 暗 時 期 中, 科 學 思 想 被 視 為 異 端 邪 說, 中 國 在 這 時 期 保 存 了 相 當 多 的 觀 測 資 料, 貢 獻 不 可 謂 不 大 隨 著 十 字 軍 東 征, 從 前 傳 至 阿 拉 伯 世 界 的 天 文 知 識 又 回 流 歐 洲, 風 氣 漸 開, 教 廷 的 束 縛 終 於 被 打 破, 隨 後 的 三 百 年, 科 學 突 飛 猛 進 最 後, 我 們 踏 上 了 月 球, 在 你 我 的 有 生 之 年, 人 類 也 將 踏 上 火 星, 至 於 距 離 我 們 最 近 的 半 人 馬 座 α 星? 未 來, 是 值 得 想 像 的 II. 上 古 天 文 學 天 文 學 和 所 有 科 學 一 樣, 起 源 於 需 要 四 季 的 判 別, 農 耕 的 時 間, 乃 至 於 對 天 象 的 敬 畏 崇 拜, 都 造 成 了 天 文 學 的 發 展 巴 比 倫 文 明 : 蘇 美 人 已 能 從 月 相 來 訂 出 曆 法, 並 已 知 潤 月 的 觀 念 巴 比 倫 人 更 改 進 並 統 一 了 曆 法, 且 訂 出 了 黃 道 十 二 宮 亞 述 人 則 更 認 識 了 黃 道 和 白 道, 也 訂 出 了 一 星 期 七 天 的 制 度 隨 後 的 迦 勒 底 人 更 可 預 測 日 月 食, 對 於 天 文 的 觀 測 也 是 有 名 的 詳 實, 對 於 五 大 行 星 的 紀 錄 更 是 如 此 總 言 之, 巴 比 倫 文 化 為 日 後 承 接 的 希 臘 文 化 打 好 了 良 好 的 基 礎 埃 及 文 明 : 埃 及 的 天 文 學 是 僧 侶 祭 司 的 特 權, 埃 及 的 天 文 學, 在 早 期 第 三 到 第 六 王 朝 間 發 展 最 為 快 速, 金 字 塔, 太 陽 曆 的 訂 定 都 是 在 這 個 時 期 比 較 特 別 的, 是 埃 及 人 將 一 天 分 為 晝 夜, 各 分 為 十 二 小 時, 但 由 於 隨 季 節 日 夜 長 短 會 有 變 化, 所 以 古 埃 及 一 小 時 的 長 度 不 是 一 定 的 印 度 文 明 ; 印 度 文 明 發 源 雖 早, 但 發 展 較 慢, 後 期 天 文 發 展 還 有 受 到 希 臘 的 影 響 印 度 使 用 二 十 七 星 宿, 他 們 將 一 個 朔 望 月 分 為 白 月 和 黑 月, 又 以 月 圓 時 月 亮 所 在 的 星 座 命 名 該 月 份, 是 比 較 特 殊 的 89

90 III. 西 方 古 典 天 文 體 系 的 形 成 ---- 希 臘 時 代 古 希 臘 素 有 西 方 文 明 搖 籃 的 美 譽 從 西 元 前 八 世 紀 的 荷 馬 時 期 起, 由 於 巴 爾 幹 半 島 上 的 希 臘 多 山 陸 路 交 通 不 便, 所 以 沒 有 形 成 古 代 東 方 國 家 特 有 的 中 央 集 權 體 制, 而 形 成 了 另 一 種 新 型 的 城 市 國 家 在 主 要 的 城 市 國 家 裡, 城 市 平 民 在 和 貴 族 的 抗 爭 中 取 得 了 勝 利, 這 些 平 民 在 外 貿 和 擴 展 領 地 的 活 動 中 接 觸 到 了 外 來 的 文 化, 又 因 為 地 近 埃 及, 巴 比 倫, 古 埃 及 和 巴 比 倫 的 天 文 知 識 也 就 這 樣 為 他 們 所 吸 收 這 些 平 民, 相 對 來 說 思 想 較 開 放, 在 這 樣 的 環 境 下 使 他 們 能 夠 自 由 的 進 行 科 學 研 究 和 獨 立 思 考, 一 個 百 花 齊 放 的 時 代 便 就 此 展 開 首 先 登 場 的 是 地 處 小 亞 細 亞, 和 埃 及 以 及 巴 比 倫 最 為 接 近 的 愛 奧 尼 亞, 泰 勒 斯 (Thales) 是 愛 奧 尼 亞 學 派 的 始 祖, 他 曾 預 言 西 元 前 585 年 的 一 次 日 食, 制 止 了 兩 個 種 族 的 戰 爭 但 後 來 波 斯 攻 陷 愛 奧 尼 亞, 此 學 派 便 漸 趨 沒 落 隨 後 而 起 的 是 意 大 利 南 希 臘 端 民 地 上 的 畢 達 哥 拉 斯 (Pythagoras) 學 派, 畢 達 哥 拉 斯 曾 用 船 的 桅 杆, 星 星 的 高 度, 月 食 時 的 地 球 影 來 證 明 地 球 是 圓 的 但 後 來 此 學 派 因 分 裂 和 政 治 壓 迫 而 告 沒 落 愛 奧 尼 亞 學 派 沒 落 之 後, 僅 尋 的 學 者 移 居 雅 典 繼 續 工 作, 畢 達 哥 拉 斯 學 派 的 學 者 也 漸 聚 集 在 雅 典, 兩 派 學 者 在 雅 典 的 聚 集 造 成 了 雅 典 學 派 的 興 起 柏 拉 圖 (Plato) 便 是 此 學 派 代 表 人 物 之 一, 此 學 派 的 歐 多 克 斯 (Eudoxus) 用 許 多 複 雜 同 心 球 殼 的 套 疊 來 證 明 行 星 的 運 動 亞 理 士 多 德 (Aristotle) 不 僅 支 持 此 學 說, 並 用 恆 星 不 動 的 理 由 來 說 明 天 動 說 的 可 信 性 賀 拉 客 利 特 (Heraclides) 則 由 觀 測 水, 金 星, 認 為 內 行 星 繞 日 運 動, 這 點 對 哥 白 尼 的 日 心 體 系 具 有 啟 發 作 用 西 元 前 四 世 紀, 馬 其 頓 興 起, 西 元 前 338 年, 整 個 希 臘 被 納 入 馬 其 頓 統 治, 隨 後 的 亞 歷 山 大 大 帝, 更 建 立 了 跨 歐 亞 非 三 洲 的 大 帝 國 後 來 亞 歷 山 大 帝 國 崩 潰, 他 的 大 將 托 勒 密 佔 領 埃 及, 由 於 他 曾 為 亞 理 士 多 德 的 學 生, 故 重 視 學 術 發 展, 在 亞 歷 山 大 城 設 立 了 一 個 規 模 龐 大 的 研 究 教 學 機 構, 還 有 一 間 五 十 萬 卷 書 的 圖 書 館, 90

91 直 接 造 成 了 亞 歷 山 大 學 派 的 產 生 阿 利 斯 塔 克 (Aristarchus) 在 那 時 首 先 提 出 日 心 說, 但 此 想 法 超 前 時 代 太 多, 不 為 人 接 受 後 來 阿 基 米 德 記 錄 下 了 這 個 看 法, 為 一 千 多 年 後 哥 白 尼 的 日 心 地 動 說 起 了 重 要 的 啟 發 作 用 阿 利 斯 塔 克 也 是 第 一 個 測 量 日 月 地 距 離, 地 球 直 徑, 黃 赤 交 角 的 人 托 勒 密 王 朝 後 來 也 脫 離 不 了 衰 亡 的 命 運, 逐 漸 淪 為 羅 馬 附 庸, 學 術 中 心 漸 轉 移 至 羅 德 斯 島 和 愛 琴 諸 島, 喜 帕 恰 斯 是 這 時 代 的 代 表 人 物, 最 大 貢 獻 是 在 觀 測 天 文 學 上, 他 的 發 現 十 分 多, 其 中 他 編 篡 的 星 表, 更 在 1800 年 之 後, 幫 助 哈 雷 發 現 了 恆 星 的 自 行 曾 被 人 稱 為 天 文 學 之 父 喜 帕 恰 斯 的 傳 人 是 托 勒 枚 (Claudius Ptolemy), 他 的 主 要 著 作 大 綜 合 論 (Megale Syhtaxis) 涵 蓋 了 希 臘 化 時 期 所 有 的 天 文 學 成 就 拖 勒 枚 承 認, 行 星 的 運 動 可 以 用 地 球 運 動 來 說 明, 但 當 時 還 不 了 解 萬 有 引 力, 所 以 他 否 定 了 這 個 說 法 後 來 的 羅 馬 人 對 於 科 學 研 究 並 不 醉 心, 他 們 只 學 到 了 希 臘 人 的 科 學 知 識 但 並 沒 學 到 希 臘 的 研 究 精 神, 所 以, 羅 馬 時 代 天 文 學 的 進 展 是 很 緩 慢 的 羅 馬 本 來 的 曆 法 是 陰 陽 合 曆, 到 了 儒 略 凱 薩 (Julius Caesar) 的 時 代, 已 經 和 實 際 的 時 間 差 了 三 個 月, 於 是 廢 除 了 陰 陽 合 曆, 採 用 太 陽 曆, 新 修 改 後 的 曆 稱 為 儒 略 曆, 現 今 的 七 月 就 是 Julius 的 變 形 後 來 的 奧 古 斯 都 (Augustus) 把 八 月 用 自 己 的 名 字 代 替, 也 就 是 August 的 由 來 羅 馬 帝 國 崩 潰 之 後, 傳 統 的 希 臘 知 識 被 基 督 教 義 取 代, 天 文 學 發 展 停 滯 加 上 阿 拉 伯 人 入 侵, 毀 掉 了 東 方 希 臘 文 化 的 幾 個 中 心 希 臘 文 化 就 此 成 為 教 科 書 名 詞, 長 達 一 千 年 的 黑 暗 時 代 開 始 IV. 日 心 體 系 和 古 典 天 文 學 的 誕 生 羅 馬 帝 國 衰 亡, 隨 後 文 化 中 心 的 沒 落, 日 耳 曼 蠻 族 的 入 侵, 基 督 教 興 起 一 直 到 十 一 世 紀, 希 臘 科 學 和 所 有 的 新 科 學 思 想 被 教 會 以 聖 經 的 內 容 加 以 壓 制 歐 洲 直 到 十 字 軍 東 征, 才 又 接 觸 到 古 希 臘 和 阿 拉 伯 的 天 文 學 遠 洋 航 行 技 術 的 進 步, 造 成 天 體 導 航 的 需 91

92 求, 和 新 航 路 的 開 拓, 以 及 資 本 主 義 的 發 生 哥 倫 布 和 麥 哲 倫 隨 後 完 成 了 他 們 的 偉 大 航 行 教 會 的 枷 鎖 漸 漸 被 打 破 了 由 於 觀 測 技 術 的 進 步, 到 了 哥 白 尼 時 代 托 勒 密 地 心 體 系 中 的 圓 不 斷 增 加 至 八 十 個 之 譜 如 此 複 雜 的 系 統, 已 使 一 些 科 學 家 感 到 不 滿 在 十 三 世 紀 時, 知 曉 天 文 的 西 班 牙 國 王 阿 耳 豐 索 就 開 了 個 玩 笑, 結 果 連 王 位 都 不 保 哥 白 尼 (Nicolaus Copernicus) 分 析 了 托 勒 密 體 系 的 行 星 運 動, 發 現 如 果 把 三 種 共 同 的 運 動 ( 周 日 旋 轉, 週 年 運 動, 歲 差 ) 用 地 球 在 運 動 來 表 示, 則 複 雜 的 系 統 變 得 簡 潔 明 暸 他 花 了 數 十 年 的 時 間 反 覆 證 明 自 己 的 論 點 無 誤, 最 後 在 臨 終 前 出 版 了 天 體 運 行 論, 改 變 了 人 們 的 視 野 之 後 的 布 魯 諾, 本 為 牧 師, 但 一 生 為 科 學 奮 鬥 他 延 伸 哥 白 尼 的 學 說, 創 造 出 了 和 我 們 如 今 認 同 的 宇 宙 觀 相 當 的 思 想 但 在 這 種 宇 宙 中, 沒 有 上 帝 的 存 在, 於 是 他 被 教 會 視 為 公 敵, 於 1592 年 被 教 會 逮 捕, 八 年 後 燒 死 在 羅 馬 開 普 勒 (Johannes Kepler) 幼 年 時 在 神 學 院 接 觸 哥 白 尼 學 說, 後 來 在 弟 谷 (Tycho Brache) 麾 下 與 其 合 作, 最 後 繼 承 了 弟 谷 的 觀 測 資 料, 創 出 了 行 星 運 動 三 大 定 律 首 先, 他 發 現 觀 測 的 資 料 和 前 人 推 算 的 值 有 8' 左 右 的 誤 差, 而 在 一 千 條 的 火 星 觀 測 數 據 中, 都 有 相 同 的 誤 差, 他 開 始 試 著 找 出 原 因 歸 納 出 了 第 一 條 行 星 運 動 定 律 - 行 星 在 橢 圓 軌 道 運 動, 太 陽 在 其 中 一 個 焦 點 上 隨 後 又 發 現 了 第 二 定 律 - 面 積 定 律 和 第 三 定 律 - 行 星 公 轉 週 期 平 方 和 半 長 軸 立 方 成 正 比, 為 牛 頓 的 萬 有 引 力 定 律 開 闢 了 道 路 和 開 普 勒 同 時 期 的 伽 利 略 (Galileo Galilei) 則 是 第 一 位 用 望 遠 鏡 進 行 觀 測 的 天 文 學 家 他 看 到 了 太 陽 黑 子, 月 球 的 表 面, 木 星 的 衛 星, 金 星 的 盈 虧, 這 些 都 證 明 了 哥 白 尼 學 說 的 正 確 最 後 他 被 教 會 逮 捕 下 獄, 屈 打 成 招, 簽 下 悔 過 書, 軟 禁 終 生 稍 後 的 牛 頓 (Issac Newton) 生 在 教 會 控 制 較 少 的 英 國 他 發 現 了 統 治 行 星 運 動 的 定 律 古 典 天 文 學, 至 此 趨 於 完 備 92

93 四 中 國 學 史 : 天 文 學 在 中 國 有 悠 久 的 歷 史, 從 西 元 前 6 世 紀 就 有 詳 細 的 天 文 記 錄, 在 17 世 紀 西 方 天 文 學 和 望 遠 鏡 的 介 入 之 前, 中 國 天 文 學 家 已 經 紀 錄 彗 星 太 陽 黑 子 中 國 人 很 早 就 能 預 測 月 食, 但 日 食 並 未 被 精 確 預 測 過, 明 末 中 國 司 天 監 官 員 與 西 方 傳 教 士 的 觀 測 日 食 比 賽, 以 中 國 失 敗 收 場 [1] 大 部 分 早 期 的 中 國 天 文 學 的 目 的 在 維 繫 時 間 中 國 使 用 的 曆 法 是 陰 陽 合 曆, 但 是 因 為 太 陽 和 月 球 的 周 期 不 是 非 常 契 合, 因 此 經 常 修 訂 並 改 用 新 的 曆 法, 天 文 觀 測 的 主 要 目 的 也 都 是 為 了 製 曆 而 制 歷 的 主 要 目 的 則 是 為 了 顯 示 皇 朝 正 統, 因 此, 每 次 改 朝 換 代, 中 國 都 會 改 換 曆 法 星 占 是 中 國 天 文 學 主 要 的 一 個 部 分, 中 國 人 認 為 天 象 與 人 間 皇 朝 的 國 運 息 息 相 關, 因 此, 中 國 司 天 監 對 偶 然 出 現 在 恆 星 之 間 的 客 星 非 常 小 心 和 注 意 有 世 界 最 早 的 超 新 星 紀 錄, 在 後 漢 書 的 占 星 志 中 有 西 元 185 年 的 超 新 星 記 載, 創 造 出 蟹 狀 星 雲 的 超 新 星 也 在 西 元 1054 年 也 被 中 國 司 天 監 觀 測 到, 並 記 錄 為 一 顆 客 星, 古 老 的 彗 星 和 超 新 星 等 天 文 事 件 的 記 錄, 對 現 代 天 文 學 的 研 究 非 常 有 價 值 甘 德 在 西 元 前 4 世 紀 編 製 了 一 份 的 星 表 過 去 認 為 這 是 最 早 的 星 表, 但 後 來 在 巴 比 倫 發 現 了 更 早 的 星 表 en:babylonian star catalogues 儘 管 中 國 人 在 記 錄 天 象 上 遙 遙 領 先, 但 對 宇 宙 本 質 規 律 的 探 索 卻 停 滯 不 前 中 國 人 從 未 發 現 大 地 是 球 形 的, 亦 未 能 提 出 一 個 基 於 邏 輯 數 學 的 宇 宙 體 系 此 外, 中 國 古 代 天 文 學 被 皇 權 壟 斷, 為 了 防 止 民 眾 借 天 象 造 反, 中 國 一 直 禁 止 民 眾 私 習 天 文, 如 有 犯 者, 罪 同 造 反, 將 被 斬 首, 這 也 成 為 中 國 天 文 學 落 後 的 一 個 原 因 五 近 代 天 文 : I. 18,19 世 紀 天 文 學 的 進 展 首 先 登 場 的 是 哈 雷 (Edmond Halley), 他 二 十 二 歲 時 就 因 出 版 了 一 份 南 天 星 表 而 享 有 盛 名,1705 年, 他 計 算 出 了 二 十 四 顆 彗 星 的 軌 道, 發 現 有 一 顆 是 出 現 過 的, 而 且 和 1607,1531 年 彗 星 出 現 的 軌 道 也 相 近, 於 是 他 預 言, 下 一 次 將 會 在 1758 年 回 歸 到 了 1758 年, 哈 雷 彗 星 果 然 回 來 了, 計 算 所 依 據 的 牛 頓 定 律 被 大 眾 完 全 接 受, 彗 星 是 大 氣 現 象 的 說 法 也 不 攻 自 破 了 93

94 布 拉 德 雷 (J.Bradley) 在 誤 打 誤 撞 的 情 形 下 則 發 現 了 光 行 差, 求 得 了 更 精 確 的 光 速 數 值 他 晚 年 編 製 了 一 份 龐 大 的 星 表, 被 譽 為 十 八 世 紀 最 精 密 的 星 表, 對 近 代 研 究 恆 星 自 行 有 偉 大 的 價 值 十 八 世 紀 發 現 了 一 條 行 星 位 置 的 規 律, 將 日 地 距 離 取 為 1, 則 已 發 現 的 行 星 位 置 都 符 合 *2^n 的 規 律, 稱 為 提 丟 斯 (Titius) 定 則, 或 稱 波 德 守 則, 於 是 人 們 在 發 現 到 了 天 王 星 後, 又 在 火 星 和 木 星 間 找 到 了 小 行 星 帶, 根 據 天 王 星 的 軌 道 攝 動, 又 找 到 了 海 王 星 值 得 一 提 的, 最 先 計 算 出 海 王 星 位 置 的 是 一 名 英 國 的 大 學 生 亞 當 斯 (J.C.Adams), 這 是 人 們 用 牛 頓 力 學 發 現 的 第 一 枚 星 體 在 歐 洲 文 藝 復 興 的 時 期, 東 方 的 中 國 正 處 於 積 弱 不 振, 科 學 衰 落 的 時 期 教 會 利 用 這 個 機 會 藉 傳 揚 科 學 知 識 為 傳 教 活 動 服 務 當 時 許 多 派 來 中 國 的 傳 教 士 都 是 歐 洲 一 流 的 天 文 學 家, 但 由 於 教 規 的 約 束, 起 初 他 們 傳 揚 的 多 半 是 中 古 世 紀 的 古 老 科 學 思 想 開 始 傳 揚 日 心 說, 已 是 十 八 世 紀 中 葉 之 後 的 事 了, 那 時 日 心 說 在 歐 洲 已 取 得 絕 對 的 勝 利 這 些 耶 穌 會 教 士 對 於 介 紹 西 方 數 學, 天 文 學 到 中 國, 以 及 將 東 方 古 老 天 文 學 資 料 介 紹 至 西 方, 有 著 相 當 的 貢 獻 如 果 說 哥 白 尼 創 立 了 行 星 天 文 學, 則 恆 星 天 文 學 之 父 應 該 是 威 廉 赫 歇 耳 (W.Herschel), 他 發 現 了 太 陽 的 自 行 ( 太 陽 朝 武 仙 座 方 向 運 動 ), 又 發 現 了 互 繞 的 雙 星 系 統, 他 在 估 計 銀 河 的 距 離 時, 也 開 始 了 恆 星 統 計 學 的 工 作 貝 賽 耳 (F.W.Bessel) 則 完 成 了 之 前 許 多 天 文 學 家 想 證 明 的 恆 星 視 差, 證 明 了 哥 白 尼 地 動 說 唯 一 未 被 證 明 的 部 份 人 類 也 開 始 了 可 測 定 恆 星 距 離 的 時 代 此 時, 分 光 儀, 光 度 學, 照 相 術 也 在 天 文 上 展 露 頭 角 分 光 儀 使 我 們 得 到 遙 遠 星 球 的 溫 度, 化 學 組 成, 甚 至 視 速 度 光 度 學 使 我 們 精 確 地 分 析 行 星 光 度, 照 相 術 則 使 我 們 能 攝 取 微 弱 天 象 在 1850 年 代, 天 體 物 理 學 誕 生 了 94

95 1888 年, 在 天 體 物 理 學 終 於 釐 清 星 雲 星 團 的 面 目 後, 德 雷 耶 耳 (J.L.E.Dreyer) 發 表 了 星 雲 星 團 新 總 星 表 ( 簡 稱 N.G.C.), 一 直 至 今, 這 個 星 表 還 經 常 使 用 II. 二 十 世 紀 的 天 文 學 天 體 物 理 學 在 二 十 世 紀 才 利 用 於 行 星 的 觀 測 上, 南 加 州 威 爾 遜 天 文 台 發 現 火 星 大 氣 的 成 份 不 適 於 生 物 生 存 金 星 上 的 紅 外 線 吸 收 帶, 表 示 有 大 量 的 二 氧 化 碳 木 星 表 面 存 在 甲 烷 和 氨 分 子 使 得 天 文 學 家 開 始 建 立 行 星 表 面 構 造 的 理 論 1930 年, 靠 著 照 相 術, 湯 鮑 (C.Tombaugh) 發 現 了 預 言 中 的 冥 王 星 莫 理 (A.C.Maury) 則 靠 著 十 九 世 紀 哈 佛 大 學 的 觀 測 資 料, 將 恆 星 分 成 O~S 數 類 最 後 羅 素 (H.N.Russel) 發 表 了 絕 對 星 等 對 光 譜 型 的 統 計 圖, 世 稱 赫 羅 圖 勒 維 特 (H.S.Leavitt) 則 利 用 已 知 絕 對 星 等 的 造 父 變 星 求 出 兩 個 麥 哲 倫 雲 的 距 離, 利 用 這 種 方 法, 很 多 球 狀 星 團 的 距 離 也 被 求 出 了 1931 年, 無 線 電 工 程 師 楊 斯 基 (K.G.Jansky) 發 現 了 宇 宙 背 景 輻 射, 開 始 了 無 線 電 天 文 學, 在 無 線 電 干 涉 儀 發 明 以 後, 無 線 電 狹 著 不 受 天 候 限 制 以 及 觀 測 波 譜 廣 的 優 點, 為 天 文 研 究 方 法 造 成 了 革 命 性 的 躍 進 1924 年, 哈 柏 (E.Hubble) 確 定 了 仙 女 座 星 系 是 河 外 銀 河, 開 闢 了 河 外 星 系 的 研 究 二 戰 後, 星 系 集 團 的 研 究, 更 發 現 了 本 星 系 群, 甚 至 超 星 系 群 有 人 也 發 現, 許 多 星 系 的 運 動 方 向 都 遠 離 我 們, 再 加 上 宇 宙 背 景 輻 射 的 證 據, 於 是, 大 霹 靂 宇 宙 學 興 起 95

96 III. 我 們 能 到 那 兒 去 嗎? 二 十 世 紀, 除 了 天 文 學 的 進 展 之 外 由 於 科 技 工 藝 的 進 步, 人 類 終 於 有 機 會 一 償 千 年 以 來 的 夙 願 --- 到 那 兒 去 但 很 諷 刺 的, 航 太 科 技 的 萌 芽, 卻 是 由 於 戰 爭 的 栽 培 馮 布 朗, 為 德 國 V-2 火 箭 設 計 者, 二 戰 後 來 到 美 國, 為 美 國 太 空 計 畫 貢 獻 良 多 但 第 一 枚 飛 上 太 空 的 物 體, 是 蘇 俄 的 史 波 尼 克 一 號 衛 星 第 一 位 太 空 人 也 是 蘇 俄 的 蓋 佳 林 美 國 不 堪 受 辱, 甘 乃 迪 總 統 於 1961/5 發 表 六 零 年 代 送 人 類 上 太 空 的 宣 言, 最 後 在 太 空 競 賽 中, 美 國 從 阿 波 羅 (APOLLO) 和 諾 瓦 (NOVA) 計 畫 中 擇 其 易 者, 集 全 國 之 力, 擊 敗 了 蘇 聯 的 龍 特 (ZOND) 計 畫 七 零 年 代 之 後, 由 於 政 治 因 素 ( 美 國 陷 於 越 戰, 民 意 自 大 ), 所 以 航 太 不 再 佔 有 重 要 性 的 地 位 但 最 近 登 陸 火 星 的 計 畫 再 度 登 上 台 面, 也 許, 在 2012 年 以 前, 人 類 真 能 踏 上 火 星 呢 和 哥 倫 布, 麥 哲 倫, 以 及 希 臘 時 代 的 思 想 家 們 一 樣, 人 們 千 百 年 來 總 是 好 奇 著, 自 己 的 界 限 在 哪 兒, 我 們 能 夠 踏 出 太 陽 系 嗎? 我 們 先 看 看 前 一 頁 這 張 表 (c 代 表 光 速,v 為 太 空 船 速 度,ε 為 燃 料 效 率,w/c 為 噴 射 速 度 對 光 速 比, 質 量 比 為 出 發 時 重 / 最 後 重 ) 我 們 現 在 知 道, 光 憑 化 學 燃 料 是 無 法 踏 出 太 陽 系 的, 現 在 有 很 多 人 提 出 了 多 種 理 論, 核 分 裂, 核 融 合, 電 漿 推 進, 或 是 反 物 質, 光 帆, 星 際 衝 壓 這 裡 面 有 些 構 想 天 馬 行 空, 有 些 十 分 可 行, 但 要 實 現, 也 許 需 要 再 一 次 像 登 月 競 賽 一 樣 的 動 機 才 可 行 吧? 隨 著 無 線 電 天 文 學 的 發 達, 觀 測 的 精 度 也 跟 著 增 加, 在 1980 年 代, 開 始 有 人 試 著 把 無 線 電 望 遠 鏡 朝 向 天 空, 試 著 接 收 非 地 球 傳 來 的 人 造 訊 號 最 近 幾 年, 一 個 精 密 的 搜 尋 計 畫 ---SETI 計 畫 ( 有 人 翻 成 賽 提 ) 展 開 了 我 們 也 曾 多 方 送 出 信 息, 如 果 我 們 的 銀 河 系 中 真 有 智 慧 生 物, 希 望 能 獲 得 回 音 96

97 到 底 外 星 人 存 在 的 可 能 性 有 多 少 呢? 下 面 是 德 瑞 克 公 式, 後 面 的 估 算 值 是 Carl Sagen 博 士 所 提 出 的 N = R * Fp * n * Fl * Fi * Fc * L N: 銀 河 系 中 可 能 和 人 類 同 時 存 在 的 文 明 社 會 R: 銀 河 系 中 一 年 誕 生 的 恆 星 數 (10) Fp: 在 其 中 擁 有 行 星 的 比 例 (1) n: 此 行 星 系 中 具 備 生 命 誕 生 和 演 化 的 行 星 數 (1) Fl: 在 如 此 的 行 星 系 中 擁 有 知 性 生 物 的 比 例 (1) Fc: 其 中 擁 有 星 際 通 訊 能 力 的 比 例 (0.01) L: 這 個 文 明 的 壽 命 ( ) 不 管 外 星 人 是 否 存 在, 人 類 跨 出 大 氣 圈 是 必 然 的 趨 勢 火 星, 也 許 會 成 為 新 人 類 的 故 鄉 未 來, 浩 瀚 的 星 海, 我 們 能 到 那 兒 去 嗎? 97

98 行 星 大 戰 伊 琉 沙 達 瓦 沐 慕 哇 咔 咔 ( 林 天 雄 ) 98 илюша Дава Муму Вакака 行 星 大 戰 是 大 外 星 人 伊 琉 沙 於 地 球 紀 元 2010 年 開 發 的 一 門 天 文 科 普 課 程, 其 內 容 相 較 於 理 論 天 文 物 理 要 簡 單 許 多, 課 程 內 容 將 從 人 類 自 古 對 於 行 星 的 理 解 延 伸 至 今 日 地 球 人 對 於 行 星 的 定 義, 隨 著 日 月 星 辰 流 轉, 多 少 個 春 秋, 我 們 對 於 行 星 的 認 知 一 直 在 改 變, 也 造 成 了 歷 史 上 兩 次 對 於 行 星 理 解 上 有 重 要 突 破, 伊 琉 沙 將 其 稱 之 為 行 星 大 戰, 而 是 否 未 來 又 有 另 一 波 行 星 大 戰, 其 實 仍 舊 有 更 多 的 未 知 數 七 曜 與 遊 走 者 今 日 我 們 所 知 的 行 星, 是 經 過 人 類 歷 史 汰 選 而 留 下 的, 由 於 早 期 人 類 對 於 行 星 的 認 知 在 不 同 文 明 有 不 同 的 發 展, 因 此 我 們 試 著 來 了 解 過 去 我 們 對 於 行 星 的 理 解 從 上 古 中 國 說 起, 中 國 對 於 日 月 星 辰 的 了 解 可 追 溯 遠 古 弇 兹 氏 ( 距 今 約 三 萬 多 年 ), 而 究 竟 確 切 何 時 其 實 並 不 明 確, 但 人 們 對 於 自 然 界 七 顆 明 亮 的 天 體 已 有 一 定 程 度 的 觀 測, 這 七 顆 被 稱 作 七 曜, 是 作 為 對 日 月 五 星 的 總 稱, 也 稱 作 七 緯 或 七 政, 在 典 籍 中, 七 政 一 詞 有 詳 盡 的 解 釋 尚 書 舜 典 : : 在 璿 璣 玉 衡, 以 齊 七 政 漢 孔 安 國 傳 : 在, 察 也 璇, 美 玉 璣 衡, 王 者 正 天 之 器, 可 轉 運 者 七 政, 日 月 五 星 各 異 政 舜 察 天 文, 齊 七 政, 審 已 當 天 心 與 否 璿 音 璇 唐 孔 穎 達 疏 : 在 七 政, 其 政 有 七, 於 璣 衡 察 之, 必 在 天 者 知 七 政, 謂 日 月 與 五 星 也 木 曰 歲 星, 火 曰 熒 惑 星, 土 曰 鎮 星, 金 曰 太 白 星, 水 曰 辰 星 而 七 緯 一 詞 則 係 古 人 以 天 為 左 旋, 是 為 經, 日 月 五 星 右 旋, 則 為 緯, 因 此 得 七 緯 之 名, 若 此 五 星 則 稱 五 緯, 是 為 緯 星, 而 列 天 左 旋 之 星, 則 稱 作 經 星 或 列 星, 因 其 排 列 在 天 有 常, 意 即 今 日 之 恆 星 周 禮 春 官 宗 伯 第 三 : 以 禋 祀 祀 昊 天 上 帝 以 實 柴 祀 日 月 星 辰 漢 鄭 玄 注 : 星 謂 五 緯, 辰 謂 日 月 所 會 十 二 次 唐 賈 公 彥 疏 : 星 謂 五 緯 者, 五 緯 即 五 星 東 方 歲 星, 南 方 熒 惑, 西 方 大 白, 北 方 辰 星, 中 央 鎮 星 言 緯 者, 二 十 八 宿 隨 天 左 轉 為 經, 五 星 右 旋 為 緯 史 記 天 官 書 : 余 觀 史 記, 考 行 事, 百 年 之 中, 五 星 無 出 而 不 反 逆 行, 反 逆 行, 嘗 盛 大 而 變 色 ; 日 月 薄 食, 行 南 北 有 時 : 此 其 大 度 也 故 紫 宮 房 心 權 衡 咸 池 虛 危 列 宿 部 星, 此 天 之 五 官 坐 位 也, 為 經, 不 移 徙, 大 小 有 差, 闊 狹 有 常 水 火 金 木 填 星, 此 五 星 者, 天 之 五 佐, 為 緯, 見 伏 有 時, 所 過

99 行 贏 縮 有 度 唐 張 守 節 史 記 正 義 : 此 五 星 者, 天 之 五 佐, 言 水 火 金 木 土 五 星 佐 天 行 德 也 對 於 七 曜 的 描 述 自 古 既 有, 其 明 顯 是 較 為 晚 期 用 作 星 期 上 的 對 應, 即 七 曜 日, 這 種 紀 日 規 則 並 非 中 國 原 有, 而 是 唐 朝 時 從 印 度 傳 入 的 宿 曜 經 所 引 入, 中 國 將 其 與 二 十 八 宿 結 合, 而 這 種 習 慣 於 民 國 時 改 名 為 星 期, 但 今 日 東 亞 的 韓 國 與 日 本 仍 舊 保 留 這 樣 的 稱 呼 中 國 先 人 除 了 對 日 月 已 有 廣 泛 的 知 識, 也 對 五 星 觀 測 留 有 詳 盡 的 資 料, 如 戰 國 時 代 偉 大 的 天 文 學 家 - 甘 德, 其 其 中 一 部 著 作 歲 星 經 就 是 一 部 對 於 木 星 觀 測 的 鉅 作, 可 惜 此 書 早 已 失 傳, 中 國 天 文 史 學 家 席 澤 宗 於 1981 年 就 推 斷 甘 德 可 能 在 公 元 前 346 年 就 已 發 現 了 木 衛 三 ( Ganymede, Jupiter III ) 這 顆 太 陽 系 最 大 的 衛 星, 這 可 比 義 大 利 天 文 學 家 伽 利 略 ( Galileo Galilei ) 發 現 木 星 衛 星 要 早 將 近 兩 千 年, 儘 管 今 日 學 界 普 遍 並 不 認 可 此 一 說 法, 但 無 可 厚 非 地 是 對 於 行 星 有 如 此 詳 盡 的 觀 測 記 錄, 西 方 在 當 時 是 遠 不 及 中 國 的, 且 伊 琉 沙 深 信 甘 德 才 是 木 衛 的 發 現 者, 哇 咔 咔 另 一 項 證 據 是 公 元 1973 年 在 中 國 長 沙 發 現 的 馬 王 堆 漢 墓, 其 中 三 號 墓 出 土 了 大 量 的 帛 書, 其 中 有 八 千 餘 字 的 記 載 被 整 理 成 五 星 占, 其 內 容 除 了 包 含 五 星 運 行 的 記 載 占 文 外 還 附 有 五 星 行 度 表, 最 大 的 貢 獻 莫 過 於 記 載 了 金 星 木 星 與 土 星 三 者 的 會 合 週 期 與 恆 星 周 期 ( 恆 星 年 ), 這 樣 的 成 就 遠 遠 領 先 西 方 遊 走 者 (Wander), 作 為 今 日 行 星 詞 源 的 前 身 形 容 地 很 貼 切, 西 方 文 明 起 源 於 古 美 索 不 達 米 亞, 其 中 在 古 巴 比 倫 時 代 ( 距 今 約 四 千 年, 相 當 於 華 夏 文 明 的 上 古 時 代 ) 就 已 有 豐 富 的 天 文 數 學 知 識, 且 當 時 已 能 區 分 行 星 與 恆 星, 這 些 知 識 後 來 被 古 希 臘 人 吸 收, 而 Πλανήτης 的 稱 呼 就 是 這 時 候 誕 生 的, 其 意 思 就 是 漫 無 目 標 的 流 浪 者, 類 似 的 概 念 在 1792 年 本 木 良 永 翻 譯 哥 白 尼 的 地 動 日 心 說 中 將 其 翻 譯 成 惑 星 也 有 類 似 的 意 思 古 希 臘 天 文 學 的 發 展 成 就 在 古 風 時 期, 古 希 臘 人 以 希 臘 神 話 的 人 物 為 這 些 行 星 命 名, 後 來 羅 馬 人 將 其 轉 換 成 羅 馬 名 字 成 為 今 日 行 星 的 英 文 名 字 ; 而 Πλανήτης 則 被 譯 作 為 Wandering star, 意 即 漫 遊 的 星 星, 近 代 中 文 則 將 其 翻 譯 成 行 星 多 重 行 星 體 系 的 對 話 伊 琉 沙 將 本 篇 標 題 取 名 為 多 重 行 星 體 系 的 對 話, 是 為 了 向 小 時 候 最 崇 拜 的 偉 人 - 伽 利 略 致 敬, 伽 利 略 ( Galileo Galilei ) 於 公 元 1632 年 出 版 的 鉅 作 關 於 托 勒 密 和 哥 白 尼 兩 大 世 界 體 系 的 對 話 ( Dialogo sopra i due massimi systemi del mondo, tolemaico e copernicano ) 對 於 人 類 文 明 是 一 部 不 朽 的 傑 作, 其 影 響 了 西 方 科 學 的 進 步, 連 發 現 萬 有 引 力 的 艾 薩 克 牛 頓 爵 士 ( Sir Isaac Newton ) 都 將 其 譽 為 科 學 史 上 的 巨 人 99

100 西 方 天 文 數 學 在 古 希 臘 時 代 有 著 輝 煌 的 成 就, 而 其 中 就 是 人 們 已 開 始 思 考 這 個 世 界 的 模 樣, 在 托 勒 密 ( Claudius Ptolemy ) 完 善 地 心 說 之 前, 無 人 能 解 釋 日 月 星 辰 流 轉 下 有 著 微 妙 又 神 秘 的 規 律, 在 這 個 時 代, 人 們 普 遍 地 相 信 日 月 星 辰 是 以 地 球 為 中 心 循 著 天 北 極 而 轉, 因 此 地 心 體 系 最 早 被 發 展 出 來, 然 而 這 種 看 似 理 所 當 然 的 想 法 卻 不 是 為 所 有 人 所 抱 持, 因 此 有 另 一 部 分 的 人 提 出 了 非 地 心 體 系 的 世 界 觀 地 心 體 系 的 概 念 是 一 種 直 覺, 對 於 地 球 位 處 於 世 界 的 中 心, 這 個 概 念 在 古 希 臘 被 發 展 開 來, 公 元 前 六 世 紀 米 利 都 學 派 ( Milesian school ) 的 阿 那 克 西 曼 德 ( Anaximander ) 提 出 了 他 自 己 的 宇 宙 觀, 這 個 宇 宙 觀 最 特 別 的 地 方 莫 過 於 他 大 膽 的 假 設, 其 概 念 涉 及 今 日 宇 宙 學 的 最 終 理 論, 而 就 我 們 所 處 的 世 界 而 言, 他 認 為 地 球 是 浮 在 這 個 宇 宙 之 中 而 不 需 要 任 何 支 撐 形 狀 是 兩 面 鼓 起 的 圓 柱 體, 而 我 們 就 在 其 中 一 面, 而 另 一 面 則 是 另 一 個 世 界, 這 個 宇 宙 觀 被 畢 達 哥 拉 斯 ( Pythagoras of Samos ) 所 結 合, 隨 後 被 畢 達 哥 拉 斯 學 派 所 延 續, 開 啟 了 以 地 球 為 宇 宙 中 心 的 理 論 發 展, 到 了 亞 里 士 多 德 時 代 幾 乎 奠 定 了 這 樣 的 宇 宙 觀 公 元 前 四 世 紀, 古 希 臘 天 文 學 家 尤 德 瑟 斯 ( Eudoxus of Cnidus ) 提 出 了 以 地 球 為 世 界 中 心 的 同 心 球 理 論, 這 個 理 論 基 於 柏 拉 圖 ( Plato ) 的 宇 宙 觀, 所 有 天 體 的 運 行 是 均 速 的, 而 這 個 理 論 可 以 大 致 上 分 為 三 個 部 分, 用 作 解 釋 一 般 恆 星 與 太 陽 及 其 餘 行 星 的 運 行, 他 主 張 儘 管 世 界 都 以 地 球 為 中 心 旋 轉, 但 其 轉 軸 卻 並 不 相 同, 以 此 想 法 來 區 別 恆 星 的 周 日 運 動 與 太 陽 的 南 北 移 動, 而 對 於 行 星 逆 行 的 問 題 則 使 用 了 複 雜 的 多 重 同 心 球 來 解 釋, 因 此 最 終 尤 德 瑟 斯 的 同 心 球 模 型 除 了 一 般 恆 星 的 同 心 球 殼 外, 太 陽 與 月 球 各 有 三 個 同 心 球 殼, 行 星 則 有 四 個 同 心 球 殼, 共 計 二 十 七 個 同 心 球 殼 尤 德 瑟 斯 的 同 心 球 理 論 看 似 複 雜, 但 其 原 理 並 不 難 第 一 個 球 殼 主 要 解 釋 天 體 的 周 日 運 動, 由 東 向 西 旋 轉, 而 由 於 恆 星 太 陽 月 球 及 其 他 行 星 的 周 日 運 動 有 些 許 不 同, 因 此 除 了 背 景 恆 星 共 用 一 個 同 心 球 殼 之 外, 其 餘 天 體 都 有 自 己 的 第 一 層 同 心 球 殼, 也 是 最 外 層 的 球 殼 ; 第 二 層 球 殼 位 在 第 一 層 球 殼 的 內 部, 由 西 向 東 反 轉, 用 來 解 釋 天 體 的 黃 道 周 期 ; 第 三 層 球 殼 位 在 第 二 層 球 殼 之 內, 用 作 解 釋 行 星 的 會 合 週 期 ; 最 內 層 的 球 殼 與 第 三 層 球 殼 則 是 用 作 解 釋 逆 行 現 象 公 元 前 三 世 紀 的 阿 波 羅 尼 斯 ( Apollonius of Perga ) 使 用 了 另 一 種 概 念 來 描 述 行 星 體 系, 這 個 被 後 來 托 勒 密 稱 之 為 本 輪 與 均 輪 的 模 型, 其 最 初 的 概 念 是 以 本 輪 作 為 天 體 繞 行 的 軌 道, 而 每 個 天 體 各 自 也 有 獨 立 旋 轉 的 軌 道 稱 作 均 輪, 公 元 前 二 世 紀 的 伊 巴 谷 ( Hipparchos ) 也 有 相 同 的 想 法 公 元 二 世 紀, 托 勒 密 在 天 文 學 大 成 ( Almagest ) 中 運 用 本 輪 與 均 輪 的 概 念 解 釋 行 星 逆 行, 以 及 行 星 遠 近 的 亮 度 變 化, 在 當 時 的 觀 測 精 度 上 算 是 成 功 的, 因 此 很 快 地 被 人 們 所 接 受, 反 而 同 為 地 心 體 系 的 同 心 球 模 型 卻 無 法 解 釋 金 星 的 亮 度 變 化 而 遭 到 遺 棄 100

101 而 托 勒 密 是 如 何 運 用 本 輪 與 均 輪 呢? 事 實 上, 托 勒 密 透 過 大 量 的 觀 測 改 進 了 阿 波 羅 尼 斯 原 有 的 想 像, 在 托 勒 密 的 行 星 體 系 下, 地 球 實 際 並 不 在 均 輪 的 中 心, 而 是 有 些 許 的 偏 移, 對 於 距 離 較 近 的 水 星 與 金 星 而 言, 其 本 輪 中 心 位 處 太 陽 與 地 球 的 連 線 上 ; 對 於 距 離 較 遠 的 火 星 木 星 與 土 星 而 言, 它 們 至 其 本 輪 中 心 的 連 線 恰 與 日 地 連 線 平 行, 在 這 些 條 件 安 排 下, 巧 妙 的 解 釋 了 行 星 的 逆 行 哥 白 尼 的 日 心 說 比 較 合 理 地 解 釋 了 行 星 的 不 規 則 運 動 及 其 他 天 體 的 運 動 現 象, 摧 毀 了 地 球 居 於 宇 宙 中 心 是 上 帝 安 排 的 神 學 宇 宙 觀, 給 宗 教 神 學 以 沉 重 的 打 擊 因 此 引 起 教 會 的 驚 恐 和 不 安, 天 體 運 行 論 也 被 教 廷 列 為 禁 書 後 來, 意 大 利 學 者 布 魯 諾 因 堅 持 日 心 說 並 宣 揚 宇 宙 無 限 的 思 想, 在 1600 年 被 教 會 判 火 刑 焚 死 在 羅 馬 德 國 天 文 學 家 克 卜 勒 ( ) 是 哥 白 尼 日 心 說 的 堅 決 擁 護 者 他 經 過 十 幾 年 的 艱 苦 工 作, 發 現 了 行 星 運 動 的 三 大 定 律 : 軌 道 定 律 面 積 定 律 和 周 期 定 律 這 三 條 定 律 的 發 現, 在 理 論 上 證 明 和 發 展 了 哥 白 尼 學 說 也 因 此, 開 普 勒 被 稱 為 天 空 立 法 者 伽 利 略 ( ) 是 科 學 革 命 過 程 中 以 及 近 代 科 學 史 上 的 一 位 關 鍵 性 人 物, 在 人 類 對 宇 宙 的 探 索 上 起 了 重 要 作 用 1609 年, 伽 利 略 把 自 製 的 望 遠 鏡 指 向 了 天 空, 發 現 了 月 球 上 的 山 脈 和 環 形 山 ; 發 現 銀 河 是 由 許 許 多 多 的 恆 星 構 成 的 ; 次 年 發 現 了 木 星 的 四 顆 衛 星 後 來 他 又 發 現 了 金 星 的 相 位, 說 明 行 星 也 和 地 球 一 樣, 是 被 太 陽 照 亮 的 這 些 發 現 為 哥 白 尼 的 日 心 說 提 供 了 有 力 的 證 據 由 於 伽 利 略 的 發 現 和 積 極 宣 揚, 使 哥 白 尼 的 日 心 說 日 漸 深 入 人 心, 影 響 越 來 越 大 最 終, 伽 利 略 於 1633 年 受 到 宗 教 裁 判 所 的 審 判, 並 被 判 處 終 身 監 禁 牛 頓 ( ) 是 英 國 的 天 才 科 學 家, 兼 長 數 學 天 文 學 和 物 理 學, 最 終 由 他 將 哥 白 尼 第 谷 開 普 勒 和 伽 利 略 的 傑 出 成 就 與 不 懈 努 力 統 一 建 構 起 來, 形 成 完 整 的 體 系 1666 年, 年 僅 24 歲 的 牛 頓 就 發 現 了 萬 有 引 力 定 律 1687 年, 出 版 了 他 的 不 朽 巨 著 自 然 哲 學 的 數 學 原 理 在 這 本 書 中, 牛 頓 證 明 了 作 軌 道 運 動 的 物 體 如 果 遵 從 開 普 勒 三 定 律, 必 然 受 到 萬 有 引 力 作 用, 反 之 亦 然 ; 他 還 提 供 了 非 常 可 靠 的 觀 測 數 據, 用 以 說 明 行 星 繞 太 陽 的 運 動, 以 及 衛 星 繞 行 星 的 運 動 都 符 合 開 普 勒 第 三 定 律 ; 牛 頓 還 討 論 了 潮 汐 現 象 月 球 軌 道 地 球 形 狀 和 彗 星 等 問 題 最 終, 牛 頓 把 天 體 和 地 球 統 一 起 來, 結 束 了 自 古 以 來 的 無 休 止 的 宇 宙 學 爭 論, 向 人 們 展 示 了 一 個 嶄 新 的 世 界 日 心 說 從 被 哥 白 尼 提 出 到 最 終 為 世 人 接 受, 期 間 的 鬥 爭 一 直 持 續 了 三 個 世 紀, 是 科 學 史 上 具 有 劃 時 代 意 義 的 觀 念 革 命 宇 宙 的 和 諧 這 個 篇 名 是 伊 琉 沙 有 感 克 卜 勒 任 務 在 搜 尋 系 外 行 星 上 有 卓 越 的 貢 獻, 也 為 了 紀 念 克 卜 勒 ( Johannes Kepler ) 對 於 近 代 天 文 學 具 有 偉 大 的 貢 獻, 因 此 取 其 著 作 世 界 的 和 諧 ( Harmonices Mundi ) 為 題 而 名 101

102 最 早 將 和 諧 這 種 屬 於 美 學 的 概 念 引 入 宇 宙 觀 的 人 是 畢 達 哥 拉 斯 ( Pythagoras of Samos ), 而 這 種 概 念 來 自 他 對 於 音 律 的 認 知 加 上 他 對 於 數 的 崇 拜 畢 達 哥 拉 斯 最 初 聽 到 鐵 匠 敲 打 的 音 產 生 靈 感 進 而 研 究, 透 過 鐵 鎚 的 重 量 找 出 了 音 程 關 係, 發 現 重 量 比 為 2 : 1 4 : 3 與 3 : 2 時, 敲 擊 出 來 的 聲 音 是 和 諧 的, 而 後 又 以 琴 弦 進 行 研 究, 發 現 弦 長 的 比 例 也 有 相 同 的 結 論, 這 就 是 現 代 的 八 度 音 程 四 度 音 程 與 五 度 音 程 而 畢 達 哥 拉 斯 認 為 宇 宙 也 遵 循 著 這 個 道 理, 以 當 時 的 宇 宙 觀, 地 球 外 圍 是 一 層 一 層 的 球 殼, 每 個 行 星 都 有 各 自 的 球 殼, 於 是 他 將 球 殼 之 間 的 距 離 比 搭 配 音 程, 其 原 則 以 月 球 作 為 距 離 地 球 最 近 的 一 顆 星, 給 予 一 個 全 音 程, 地 球 與 最 遠 的 恆 星 恰 為 一 個 完 全 八 度 ; 因 此 地 球 與 太 陽 為 一 個 完 全 五 度, 月 球 與 太 陽 則 為 完 全 四 度, 最 後 譜 出 了 下 列 的 天 體 和 諧 關 係 地 球 至 月 球 為 一 個 全 音 程 月 球 至 水 星 為 一 個 半 音 程 水 星 至 金 星 為 一 個 半 音 程 金 星 至 太 陽 為 小 三 度 音 程 太 陽 至 火 星 為 一 個 全 音 程 火 星 至 木 星 為 一 個 半 音 程 木 星 至 土 星 為 一 個 半 音 程 土 星 至 恆 星 為 一 個 半 音 程 新 星 崛 起 古 代 已 知 的 五 顆 行 星, 無 論 中 西 方 都 是 很 早 就 已 經 發 現, 因 此 發 現 者 無 從 考 起, 隨 著 時 間 流 轉, 西 方 在 科 學 大 革 命 之 後, 科 學 知 識 進 步 神 速, 已 逐 步 追 上 擁 有 三 四 千 年 文 明 的 中 國, 當 伽 利 略 ( Galileo Galilei ) 首 次 將 望 遠 鏡 指 向 星 空, 也 宣 告 著 西 方 文 明 能 比 中 國 的 天 文 官 看 得 更 遠 更 了 解 宇 宙 威 廉 赫 歇 爾 ( Sir Frederick William Herschel ) 於 公 元 1781 年 3 月 13 日 觀 測 雙 星 時, 意 外 發 現 了 一 顆 帶 有 雲 氣 的 天 體, 起 初 他 將 其 假 設 為 彗 星, 當 然 這 也 是 受 限 於 當 時 的 觀 測 精 度, 但 特 別 的 是 他 將 望 遠 鏡 的 倍 率 提 升 發 現 這 顆 天 體 的 視 直 徑 會 放 大, 認 為 它 並 不 是 恆 星 赫 歇 爾 不 久 便 公 開 了 他 的 發 現, 令 全 世 界 的 天 文 學 家 都 將 目 光 放 在 這 顆 彗 星 上, 兩 年 後 的 1783 年, 法 國 天 文 學 家 拉 普 拉 斯 ( Pierre-Simon marquis de Laplace ) 算 出 這 顆 彗 星 的 軌 道 參 數, 並 斷 定 赫 歇 爾 發 現 的 是 一 顆 行 星, 隨 後 赫 歇 爾 承 認 這 是 太 陽 系 的 行 星 之 一 在 這 項 偉 大 的 成 就 之 後, 英 王 喬 治 三 世 ( George III ) 任 命 赫 歇 爾 為 皇 室 的 天 文 官, 而 赫 歇 爾 也 以 喬 治 之 名 將 他 的 發 現 取 名 為 喬 治 之 星, 但 這 個 名 字 僅 在 英 國 國 內 被 認 同, 最 終 學 界 接 受 波 德 ( Johann Elert Bode ) 的 建 議, 定 名 為 天 王 星 102

103 ( Uranus ), 作 為 土 星 之 後 的 第 一 顆 行 星, 如 同 土 星 之 名 Saturn 在 羅 馬 神 話 中 為 木 星 ( Jupiter ) 的 父 親, 而 Uranus 則 是 Saturn 的 父 親 天 王 星 是 歷 史 上 第 一 顆 記 載 被 人 類 直 接 發 現 的 新 行 星, 也 是 第 一 顆 使 用 望 遠 鏡 發 現 的 行 星, 這 意 味 著 從 此 刻 起, 人 類 可 以 確 定 太 陽 系 並 不 是 出 於 上 帝 之 手, 星 占 術 勢 必 再 被 刷 新 天 王 星 的 發 現 除 了 是 天 文 學 上 重 大 的 突 破 外, 無 獨 有 偶, 天 王 星 的 位 置 與 提 丟 斯 - 波 德 定 律 ( Titius-Bode Law ) 所 預 測 在 19.6AU 地 方 會 有 顆 行 星 幾 近 符 合, 這 也 影 響 了 天 文 學 家 嘗 試 尋 找 同 樣 為 提 丟 斯 - 波 德 定 律 預 測 2.8AU 尚 未 發 現 的 行 星 在 天 王 星 被 發 現 之 後, 天 上 五 顆 自 古 已 知 的 行 星, 終 於 在 歷 史 的 波 濤 下 有 了 新 的 成 員, 新 的 行 星 意 味 著 新 的 時 代, 星 占 術 上 的 羅 盤 也 增 添 了 新 的 變 數 而 更 巧 妙 地 是 天 王 星 幾 乎 就 在 提 丟 斯 - 波 德 定 律 ( Titius-Bode Law ) 所 預 測 的 位 置 上, 似 乎 宇 宙 隱 藏 的 那 股 和 諧 真 的 存 在! 而 這 動 人 的 樂 章 就 僅 差 最 後 一 個 音 符, 距 離 太 陽 2.8 個 天 文 單 位 上 的 神 秘 行 星 公 元 十 八 世 紀 末, 匈 牙 利 天 文 學 家 馮 扎 克 男 爵 ( Baron Franz Xaver von Zach ) 號 召 一 組 24 人 的 天 文 團 隊 加 入 聯 合 天 文 學 會 ( VAG, Vereinigte Astronomische Gesellschaft ), 目 的 正 是 尋 找 那 顆 失 落 的 行 星, 完 成 太 陽 系 這 部 樂 章 的 和 諧, 恢 復 其 秩 序, 因 此 這 個 計 劃 亦 被 稱 作 Himmelspolizey, 意 思 差 不 多 就 是 天 上 的 警 察 翌 年, 就 在 十 九 世 紀 的 第 一 天, 整 個 歐 洲 都 還 在 歡 慶 新 年 時, 義 大 利 天 文 學 家 皮 亞 齊 ( Giuseppe Piazzi ) 仍 注 意 著 星 辰 之 間 的 流 轉, 就 在 當 晚 他 注 意 到 一 顆 在 背 景 移 動 的 星 點, 在 數 天 的 觀 測 下, 他 猜 想 這 是 一 顆 行 星, 但 謹 慎 起 見 他 在 觀 測 報 告 中 指 出 他 發 現 的 一 個 彗 星, 但 是 這 顆 星 體 卻 沒 有 像 彗 星 一 般 的 雲 氣 不 久, 皮 亞 齊 因 病 而 無 法 持 續 地 觀 測 這 顆 天 體, 而 這 顆 被 假 定 的 彗 星 也 因 為 逐 漸 靠 近 太 陽 而 無 法 觀 測, 就 這 樣 幾 個 月 的 時 間 天 文 學 家 仍 舊 無 法 再 次 捕 捉 到 這 顆 天 體, 但 就 在 這 萬 灰 俱 滅 之 時, 同 年 九 月, 當 時 的 大 數 學 家 高 斯 ( Johann Karl Friedrich Gauß) 就 在 此 時 發 展 出 利 用 測 量 平 差 的 方 法 去 確 定 行 星 的 軌 道, 十 二 月, 高 斯 將 這 顆 天 體 預 測 的 結 果 提 供 給 了 哥 達 天 文 台 的 馮 扎 克 男 爵 很 快 地 就 在 歐 洲 人 迎 接 1802 年 的 跨 年 之 夜, 馮 扎 克 男 爵 與 奧 伯 斯 ( Heinrich Olbers ) 再 次 在 高 斯 預 測 的 位 置 附 近 找 回 這 顆 失 落 的 天 體, 而 透 過 高 斯 精 確 的 計 算, 可 以 確 定 這 顆 天 體 正 是 位 在 距 離 太 陽 2.8AU 的 軌 道 上, 也 是 太 陽 系 繼 天 王 星 的 第 八 顆 行 星 新 的 行 星 皮 亞 齊 建 議 將 其 命 名 為 Cerere Ferdinandea, Cerere 是 羅 馬 神 話 中 的 農 業 女 神 Ceres 的 義 大 利 文,Ferdinandea 則 是 西 西 里 王 國 的 費 迪 南 多 國 王, 但 最 後 普 遍 只 接 受 Ceres 這 個 名 字 直 至 今 日, 中 文 則 稱 作 穀 神 星 103

104 筆 尖 下 的 行 星 天 王 星 的 發 現 是 天 文 學 史 上 重 要 的 里 程 碑, 而 接 下 來 發 生 的 一 切 就 像 是 有 股 隱 藏 的 力 量 所 做 的 安 排 首 先 在 天 王 星 被 發 現 之 後, 同 樣 被 提 丟 斯 - 波 德 定 律 所 預 測 的 穀 神 星 也 被 發 現 ; 另 一 方 面, 天 文 學 家 在 追 溯 過 去 的 觀 測 記 錄 中, 發 現 天 王 星 很 有 可 能 在 公 元 1690 年 就 被 英 國 天 文 學 家 佛 蘭 斯 蒂 德 ( John Flamsteed ) 發 現, 為 其 星 表 上 名 為 金 牛 座 34 的 恆 星, 而 法 國 天 文 學 家 勒 莫 尼 耶 ( Pierre Lemonnier ) 也 於 公 元 1750 年 至 1769 年 間 至 少 觀 測 了 12 次, 公 元 1821 年 法 國 天 文 學 家 布 瓦 爾 ( Alexis Bouvard ) 將 這 些 觀 測 資 料 統 整 出 版 了 天 王 星 軌 道 表, 可 是 後 續 的 觀 測 指 出, 天 王 星 當 時 的 位 置 與 表 中 的 數 據 有 越 來 與 明 顯 的 落 差, 且 就 算 考 慮 了 木 星 與 土 星 所 造 成 的 重 力 交 互 作 用 也 無 法 解 釋 天 王 星 在 觀 測 上 的 偏 差, 於 是 布 瓦 爾 提 出 了 天 王 星 可 能 還 受 到 某 種 未 知 天 體 產 生 的 攝 動 影 響 公 元 1841 年 7 月 還 未 畢 業 的 劍 橋 大 學 研 究 生 亞 當 斯 ( John Couch Adams ), 在 一 次 際 遇 下 看 到 艾 里 ( George Biddell Airy ) 於 1832 年 出 版 的 論 文 天 文 學 進 展 報 告, 開 始 對 於 天 王 星 不 尋 常 的 軌 道 產 生 興 趣, 他 曾 在 日 記 上 寫 道 : Formed a design in the beginning of this week, of investigating, as soon as possible after taking my degree, the irregularities of the motion of Uranus, which are yet unaccounted for; in order to find out whether they may be attributed to the action of an undiscovered planet beyond it; and if possible thence to determine the elements of its orbit, etc.. 內 容 大 意 是 : 在 本 週 我 開 始 有 一 個 構 想, 在 取 得 我 的 學 位 之 後, 能 盡 快 地 研 究 天 王 星 的 不 規 則 運 動, 這 個 目 前 懸 而 未 決 的 問 題, 以 便 了 解 是 否 可 能 有 一 顆 未 被 發 現 的 行 星 在 天 王 星 外 影 響 它, 甚 至 可 能 的 話, 從 它 來 確 定 這 顆 天 體 的 軌 道 元 素 並 發 現 它 公 元 1843 年 亞 當 斯 於 劍 橋 大 學 畢 業, 隨 即 展 開 天 王 星 軌 道 的 研 究, 而 後 他 透 過 劍 橋 天 文 台 的 主 任 查 理 斯 ( James Challis ) 向 皇 家 天 文 學 會 的 艾 里 提 出 協 助, 1844 年 2 月 他 取 得 了 皇 家 格 林 尼 治 天 文 台 ( RGO, Royal Greenwich Observatory ) 的 觀 測 記 錄 以 繼 續 進 行 這 項 研 究, 但 當 時 科 學 界 對 於 天 王 星 不 規 則 運 動 的 說 法 並 未 持 同 一 觀 點, 而 艾 里 正 是 其 中 之 一, 他 相 信 當 時 的 主 流 看 法 認 為 牛 頓 萬 有 引 力 的 平 方 反 比 關 係 在 長 距 離 下 可 能 有 問 題, 因 此 並 未 注 意 亞 當 斯 的 研 究 公 元 1845 年 9 月, 亞 當 斯 得 出 結 論, 包 括 未 知 行 星 的 質 量 與 軌 道, 以 及 10 月 1 日 的 位 置, 他 將 這 份 預 測 結 果 交 給 了 劍 橋 天 文 台 主 任 查 理 斯, 而 查 理 斯 則 希 望 能 從 觀 測 中 驗 證, 於 是 寫 信 給 艾 里 讓 亞 當 斯 帶 著 結 果 去 見 他, 可 是 亞 當 斯 一 直 沒 得 遇 見 艾 里, 於 是 留 下 預 測 資 料, 艾 里 在 看 過 亞 當 斯 留 下 的 資 料 之 後, 回 信 給 亞 當 斯 要 求 解 釋 新 行 星 理 論 能 解 釋 天 王 星 在 經 度 上 的 偏 差, 是 否 也 能 解 釋 天 104

105 王 星 在 軌 道 半 徑 上 的 偏 差, 明 顯 地 這 個 問 題 正 是 想 要 找 到 為 何 牛 頓 萬 有 引 力 定 律 會 出 問 題, 在 這 個 環 節 上, 兩 個 人 的 認 知 已 無 法 走 在 同 一 條 路 上 差 不 多 時 間 的 法 國, 公 元 1845 年 6 月, 巴 黎 天 文 台 主 任 阿 拉 戈 ( François Arago ) 說 服 法 國 天 文 學 家 勒 維 耶 ( Urbain Le Verrier ) 從 事 研 究 天 王 星 軌 道 的 工 作, 勒 維 耶 專 長 研 究 於 彗 星 與 行 星 之 間 的 重 力 交 互 作 用, 因 此 對 於 解 決 天 王 星 不 規 則 運 動 的 問 題, 自 然 也 能 了 解 他 提 出 了 與 亞 當 斯 相 同 的 觀 點, 而 實 際 上 他 們 兩 人 是 在 不 知 道 彼 此 的 工 作 下 獨 立 進 行 的 研 究 在 天 王 星 的 發 現 之 後, 全 世 界 的 天 文 學 家 都 在 尋 找 新 的 行 星, 公 元 1801 年 皮 亞 齊 (Piazzi) 發 現 了 今 日 認 定 的 第 一 顆 小 行 星, 穀 神 星, 在 此 之 後 的 半 個 世 紀 內 又 陸 陸 續 續 發 現 許 多 類 似 的 天 體, 但 這 些 天 體 與 行 星 最 大 的 不 同 就 是 體 積 太 過 渺 小, 因 此 威 廉. 赫 歇 爾 (William Herschel) 提 議 將 此 類 天 體 稱 作 小 行 星 (Asteroid) 與 行 星 區 別, 至 今 小 行 星 的 數 量 已 經 多 達 數 十 萬 顆, 分 布 從 最 初 發 現 小 行 星 的 小 行 星 帶, 到 海 王 星 軌 道 外 廣 大 的 區 域 都 有 數 量 不 少 的 小 行 星, 所 以 在 小 行 星 的 命 名 上 是 非 常 浩 大 的 工 程 行 星 新 勢 力 今 日 眾 多 太 陽 系 天 體 的 發 現 最 早 始 於 十 八 世 紀 初 葉, 當 時 天 文 學 家 已 發 現 已 知 的 六 顆 行 星 與 太 陽 之 間 的 距 離 有 著 一 定 比 例 的 幾 何 關 係, 這 個 關 係 之 後 由 柏 林 天 文 台 的 台 長 波 德 (Bode) 整 理 成 一 個 數 學 式, 稱 作 提 丟 斯 - 波 德 定 律 (Titius Bode law) Table.1 波 德 定 律 與 行 星 距 離 行 星 數 列 導 出 數 實 際 距 離 (AU) 水 星 ( )/ 金 星 ( )/ 地 球 ( )/ 火 星 ( )/ 穀 神 星 ( )/ 木 星 ( )/ 土 星 ( )/ 天 王 星 ( )/ 海 王 星 ( )/ 冥 王 星 ( )/ 從 Table.1 中 可 以 清 楚 發 現 在 火 星 與 木 星 之 間 卻 貌 似 缺 少 了 某 些 東 西, 很 有 可 能 是 一 顆 人 們 尚 未 發 現 的 行 星, 因 此 在 國 際 上 ( 歐 洲 ) 開 始 展 開 人 們 首 次 大 規 模 合 作 的 搜 尋 計 劃, 將 全 天 劃 分 成 24 個 區 域 讓 歐 洲 的 天 文 學 家 分 組 並 有 系 統 的 搜 尋, 但 是 在 波 德 定 律 發 表 不 久 後, 公 元 1781 年 威 廉. 赫 歇 爾 發 現 了 第 一 顆 行 星, 天 王 星, 經 過 計 算 發 現 其 軌 道 的 半 長 軸 意 外 地 落 與 波 德 定 律 在 土 星 之 後 預 測 105

106 的 數 值 很 接 近, 使 得 人 們 更 加 確 信 在 距 離 太 陽 2.8AU 左 右 一 定 還 有 一 顆 未 發 現 的 行 星, 但 當 時 仍 無 法 解 釋 波 德 定 律 是 根 據 何 種 物 理 機 制 所 形 成 到 了 十 九 世 紀 的 第 一 天, 公 元 1801 年 1 月 1 日, 皮 亞 齊 在 西 西 里 島 的 巴 勒 摩 天 文 台 (Palermo Astronomical Observatory) 發 現 了 類 似 彗 星 的 天 體, 再 一 次 的 確 認 時, 發 現 這 顆 星 在 背 景 的 相 對 位 移, 他 相 信 自 己 發 現 了 新 的 行 星, 經 過 一 整 年 的 搜 尋, 終 於 在 年 底 證 實 了 皮 亞 齊 發 現 的 天 體 即 是 天 文 學 家 一 直 在 尋 找 的 行 星, 隨 後 命 名 為 穀 神 星 (Ceres) 奇 怪 地 是, 三 個 月 後 的 公 元 1802 年 3 月 28 日, 德 國 天 文 學 家 奧 伯 斯 (Olbers) 也 在 差 不 多 的 位 置 發 現 了 一 顆 新 的 行 星, 智 神 星 (Pallas), 兩 年 後 公 元 1804 年 9 月 1 日, 另 一 名 德 國 天 文 學 家 哈 丁 (Harding) 又 發 現 了 新 的 行 星, 婚 神 星 (Juno), 公 元 1807 年 奧 伯 斯 又 再 度 發 現 他 第 二 顆 行 星, 灶 神 星 (Vesta), 此 時 歐 洲 爆 發 拿 破 崙 戰 爭, 直 到 公 元 1845 年 德 國 天 文 學 家 亨 克 (Hencke) 才 再 度 發 現 新 的 行 星, 義 神 星 (Astraea) 公 元 1846 年 9 月 23 日, 伽 雷 (Galle) 根 據 勒 維 耶 (Le Verrier) 計 算 所 預 測 的 位 置 發 現 了 天 王 星 外 的 第 一 顆 行 星, 海 王 星 (Neptune), 但 是 海 王 星 的 軌 道 已 經 不 符 合 波 德 定 律 的 預 測, 在 之 後 的 五 年 內 又 陸 陸 續 續 在 火 星 與 木 星 之 間 發 現 10 顆 行 星, 至 公 元 1851 年 7 月 29 日 太 陽 系 的 行 星 數 量 已 達 到 23 顆, 但 是 在 這 50 年 間 除 了 海 王 星 以 外, 多 數 新 發 現 的 行 星 多 幾 乎 為 在 相 同 的 距 離 上, 且 直 徑 大 小 都 遠 遠 的 比 一 般 行 星 小 上 許 多, 最 終 採 用 公 元 1802 年 威 廉. 赫 歇 爾 使 用 的 名 稱, 將 這 些 天 體 稱 作 為 小 行 星 (Asteroid), 其 餘 的 8 顆 行 星 即 為 今 日 的 太 陽 系 八 大 行 星 (The eight planets) Table.2 歷 史 上 的 行 星 1781/03/13 第 7 顆 行 星 天 王 星 (Uranus) William Herschel 1801/01/01 第 8 顆 行 星 穀 神 星 (1 Ceres) Giuseppe Piazzi 1802/03/28 第 9 顆 行 星 智 神 星 (2 Pallas) Heinrich Olbers 1804/09/01 第 10 顆 行 星 婚 神 星 (3 Juneo) Karl Ludwig Harding 1807/03/29 第 11 顆 行 星 灶 神 星 (4 Vesta) Heinrich Olbers 1845/12/08 第 12 顆 行 星 義 神 星 (5 Astraea) Karl Ludwig Hencke 1846/09/23 第 13 顆 行 星 海 王 星 (Neptune) Urbain Le Verrier 1847/07/01 第 14 顆 行 星 韶 神 星 (6 Hebe) Karl Ludwig Hencke 1847/08/13 第 15 顆 行 星 虹 神 星 (7 Iris) John Russell Hind 1847/10/18 第 16 顆 行 星 花 神 星 (8 Flora) John Russell Hind 1848/04/25 第 17 顆 行 星 穎 神 星 (9 Metis) Andrew Graham 1849/04/12 第 18 顆 行 星 健 神 星 (10 Hygiea) Annibale de Gasparis 1850/05/11 第 19 顆 行 星 海 妖 星 (11 Parthenope) Annibale de Gasparis 1850/09/13 第 20 顆 行 星 凱 神 星 (12 Victoria) John Russell Hind 1850/11/02 第 21 顆 行 星 芙 女 星 (13 Egeria) Annibale de Gasparis 106

107 1851/05/19 第 22 顆 行 星 司 寧 星 (14 Irene) John Russell Hind 1851/07/29 第 23 顆 行 星 司 法 星 (15 Eunomia) Annibale de Gasparis 小 行 星 的 分 類 在 中 文 上, 小 行 星 一 般 是 指 Asteroid, 而 Planetoid 與 Minor Planet 也 曾 為 同 義 字, 因 此 三 者 在 中 文 上 都 稱 作 小 行 星, 但 是 在 今 日 Asteroid 與 Minor Planet 在 認 知 上 已 有 所 差 異 早 期 發 現 的 小 行 星 多 位 於 主 帶 上, 而 近 代 天 文 學 家 也 在 木 星 與 海 王 星 之 間 發 現 類 似 的 天 體, 甚 至 在 海 王 星 軌 道 外 也 發 現, 但 這 些 天 體 並 不 被 認 作 為 傳 統 的 小 行 星, 也 因 此 在 分 類 上 變 得 複 雜 公 元 2006 年 8 月 24 日,IAU 重 新 定 義 行 星 並 將 太 陽 系 的 天 體 分 為 行 星 (Planet) 矮 行 星 (Dwarf Planet) 與 太 陽 系 小 天 體 (Small Solar System Bodies) 三 大 類, 簡 化 了 太 陽 系 天 體 複 雜 的 分 類, 在 此 之 前 IAU 以 Minor Planet 作 為 小 行 星 的 統 稱, 即 行 星 與 彗 星 以 外 的 天 體 ( 不 含 太 陽 與 所 有 的 衛 星 ), 儘 管 如 此 大 多 數 天 文 學 家 仍 沿 用 舊 有 分 類 的 名 稱 與 命 名 規 則 公 元 2006 年 8 月 24 日 之 前 的 太 陽 系 分 類 : Planets( 行 星 ) Terrestrial planets( 類 地 行 星 ) Jovian planets( 類 木 行 星 ) Gas giants( 氣 體 行 星 ) Ice giants( 冰 巨 星 ) Comets( 彗 星 ) 週 期 彗 星 短 週 期 彗 星 長 週 期 彗 星 非 週 期 彗 星 Minor planets( 小 行 星 ) Asteroids( 傳 統 的 小 行 星 ) Main belt asteroids( 主 帶 小 行 星 ) Near-Earth objects, NEOs( 近 地 小 行 星 ) Trojans( 特 洛 伊 小 行 星 ) Cis-Neptunian objects Centaurs( 半 人 馬 小 行 星 ) Neptune trojans( 海 王 星 特 洛 伊 ) Trans-Neptunian object, TNOs( 超 海 王 星 天 體 ) Kuiper belt objects, KBOs( 庫 伯 帶 天 體 ) 107

108 Classical kuiper belt objects, CKBOs Plutinos Scattered disc objects, SDOs( 黃 道 離 散 天 體 ) extended scattered disc objects, E-SDOs Oort cloud objects, OCOs( 歐 特 雲 ) Hills cloud objects Resonant trans-neptunian objects 公 元 2006 年 8 月 24 日 之 後 的 太 陽 系 分 類 : Planets( 行 星 ) Dwarf planets( 矮 行 星 ) Plutoids Small solar system bodies( 太 陽 系 小 天 體 ) 小 行 星 的 命 名 臨 時 編 號 新 發 現 疑 似 小 行 星 的 天 體, 會 在 通 報 後 獲 得 一 組 臨 時 編 號, 例 如 2003 UB313, 臨 時 編 號 的 格 式 由 發 現 年 月 份 與 順 序 所 組 成,2003 即 為 發 現 的 公 元 年 份, 後 接 的 第 一 個 英 文 字 母 代 表 發 現 的 日 期 所 在 範 圍, 以 半 個 月 為 單 位, 依 序 以 英 文 字 母 A 排 列 至 Y, 共 24 個 半 月, 其 中 英 文 字 母 I 不 使 用 避 免 與 數 字 的 1 有 所 搞 混, 如 U 代 表 這 顆 小 行 星 是 在 十 月 下 旬 發 現 的, 各 日 期 對 應 的 字 母 如 Table.3 Table.3 英 文 字 母 對 應 的 發 現 日 期 A 01 月 01 日 ~ 01 月 15 日 G 04 月 01 日 ~ 04 月 15 日 B 01 月 16 日 ~ 01 月 31 日 H 04 月 16 日 ~ 04 月 30 日 C 02 月 01 日 ~ 02 月 15 日 J 05 月 01 日 ~ 05 月 15 日 D 02 月 16 日 ~ 02 月 29 日 K 05 月 16 日 ~ 05 月 31 日 E 03 月 01 日 ~ 03 月 15 日 L 06 月 01 日 ~ 06 月 15 日 F 03 月 16 日 ~ 03 月 31 日 M 06 月 16 日 ~ 06 月 30 日 N 07 月 01 日 ~ 07 月 15 日 T 10 月 01 日 ~ 10 月 15 日 O 07 月 16 日 ~ 07 月 31 日 U 10 月 16 日 ~ 10 月 31 日 P 08 月 01 日 ~ 08 月 15 日 V 11 月 01 日 ~ 11 月 15 日 Q 08 月 16 日 ~ 08 月 31 日 W 11 月 16 日 ~ 11 月 30 日 R 09 月 01 日 ~ 09 月 15 日 X 12 月 01 日 ~ 12 月 15 日 S 09 月 16 日 ~ 09 月 30 日 Y 12 月 16 日 ~ 12 月 31 日 緊 接 著 的 第 二 個 英 文 字 母 ( 與 前 一 個 字 母 之 間 無 需 空 格 ) 與 其 後 的 數 字 ( 下 108

109 標 ) 表 示 新 天 體 在 該 半 個 月 的 發 現 順 序,A 為 該 月 的 第 一 顆 依 序 至 Z, 但 英 文 字 母 I 仍 不 使 用, 共 25 個 字 母, 當 沒 英 文 字 母 可 用 時, 則 再 回 頭 使 用 A 但 是 後 面 加 上 一 個 下 標 1, 代 表 已 經 一 輪 了, 上 例 中 的 B313 即 為 第 7827 顆, 其 公 式 可 以 表 達 成 (B 為 第 二 個 字 母 ), 計 算 時 切 記 英 文 字 母 I 並 不 使 用 上 述 是 今 日 使 用 的 小 行 星 臨 時 編 號 系 統 始 於 公 元 1925 年, 在 此 之 前 是 以 英 文 字 母 A 加 上 年 份 正 式 編 號 與 名 稱 小 行 星 的 正 式 表 示 為 正 式 編 號 加 上 正 式 名 稱, 如 Haumea 或 (136108) Haumea, 與 大 多 數 的 太 陽 系 天 體 命 名 方 式 相 同, 當 小 行 星 的 軌 道 參 數 被 確 定 後 且 能 再 度 觀 測 到 這 顆 小 行 星 時, 即 有 可 能 獲 得 正 式 編 號 與 正 式 名 稱, 這 個 編 號 即 是 所 謂 的 小 行 星 編 號, 僅 僅 依 照 數 字 順 序 排 列, 由 於 小 行 星 的 數 量 過 於 龐 大, 除 了 早 期 發 現 的 小 行 星 擁 有 正 式 名 稱 外, 近 年 來 只 有 特 別 意 義 的 新 天 體 能 獲 得, 其 中 也 有 少 數 的 小 行 星 是 以 古 今 人 名 與 地 名 作 為 名 稱, 基 本 上 命 名 方 式 則 根 據 以 往 小 行 星 的 命 名 習 慣 而 定, 如 特 洛 伊 小 行 星 則 以 特 洛 伊 戰 爭 史 詩 的 人 物 命 名, 古 典 庫 伯 帶 天 體 以 各 神 話 創 造 之 神 命 名 等 矮 行 星 IAU 於 公 元 2006 年 8 月 24 日 在 捷 克 首 都 布 拉 格 舉 行 的 第 26 屆 會 員 大 會 (GA26) 上, 重 新 討 論 行 星 的 定 義, 最 終 將 太 陽 系 的 天 體 重 新 分 為 三 大 類, 即 行 星 矮 行 星 (Dwarf planet) 與 太 陽 系 小 天 體 (Small Solar System Body), 矮 行 星 一 詞 正 式 進 入 天 文 學 的 領 域, 起 初 歸 類 為 矮 行 星 的 天 體 有 冥 王 星 穀 神 星 與 2003 UB313( 今 日 的 鬩 神 星 ) 公 元 2008 年 6 月 11 日,IAU 再 度 根 據 GA26 的 決 議, 定 義 了 矮 行 星 的 首 個 子 分 類,Plutoid, 至 公 元 2009 年 元 旦 為 止, 矮 行 星 數 量 已 達 五 顆, 分 別 為 冥 王 星 穀 神 星 (Ceres) 鬩 神 星 (Eris) 鳥 神 星 (Makemake) 與 妊 神 星 (Haumea) 歷 史 意 義 如 果 說 小 行 星 是 第 一 次 行 星 大 戰 的 產 物, 矮 行 星 就 是 第 二 次 行 星 大 戰 的 產 物, 在 公 元 1801 年 至 公 元 1851 年 之 間 的 50 年, 天 文 學 家 一 共 發 現 16 顆 新 的 行 星, 使 得 歷 史 上 曾 出 現 太 陽 系 二 十 三 大 行 星, 其 中 一 顆 即 是 海 王 星, 但 其 餘 的 15 顆 行 星 體 積 小 且 多 分 佈 在 火 星 與 木 星 軌 道 之 間, 這 使 得 當 時 天 文 學 家 不 得 不 重 新 定 義 行 星, 最 後 在 公 元 1851 年 天 文 學 家 達 成 共 識 將 火 星 與 木 星 之 間 的 行 星 稱 作 小 行 星 (Asteroid), 直 至 今 日 在 這 個 範 圍 內 已 發 現 近 七 十 萬 顆 小 行 星 伊 琉 沙 2013/7/19 所 查 小 行 星 中 心 資 料 : 已 確 認 Minor Planet 總 數 為 顆 ( 包 含 一 千 多 顆 TNO, 關 於 TNO 請 見 後 文 ) 隨 著 觀 測 技 術 的 進 步, 公 元 1930 年 美 國 天 文 學 家 湯 姆 鮑 (Tombaugh) 首 先 在 海 王 星 軌 道 外 發 現 了 新 的 行 星, 冥 王 星, 最 初 天 文 學 家 都 以 為 冥 王 星 也 是 如 同 類 木 行 星 一 樣 的 大 行 星, 自 此 太 陽 系 九 大 行 星 一 詞 誕 生, 但 是 每 次 新 的 觀 測 都 109

110 顯 示 冥 王 星 並 未 預 期 的 大, 甚 至 比 我 們 的 衛 星 月 球 還 小, 直 徑 僅 有 2300 公 里 左 右 在 冥 王 星 發 現 的 62 年 後, 公 元 1992 年 在 冥 王 星 外 的 第 一 顆 太 陽 系 天 體 被 發 現, 被 命 名 為 1992 QB1, 不 如 以 往 的 是,1992 QB1 的 直 徑 只 有 冥 王 星 的 1/6, 大 略 與 小 行 星 的 大 小 相 似, 所 以 尚 未 被 列 為 行 星, 在 此 之 後 的 十 幾 年 間, 仿 佛 重 演 十 九 世 紀 上 半 葉 的 戲 碼 一 般, 又 在 海 王 星 的 軌 道 外 發 現 許 多 相 似 的 天 體, 這 類 天 體 被 統 稱 為 超 海 王 星 天 體 (Trans-Neptunian object), 簡 稱 TNO, 儘 管 如 此, 米 高. 布 朗 (Michael E. Brown) 及 其 團 隊 於 公 元 2002 年 時, 發 現 了 一 顆 直 徑 可 能 為 冥 王 星 一 半 的 TNO,Quaoar, 是 十 年 來 發 現 最 大 的 TNO, 許 多 傳 媒 開 始 以 第 十 大 行 星 稱 之, 同 時 也 漸 漸 動 搖 冥 王 星 的 行 星 地 位, 翌 年, 布 朗 團 隊 再 度 發 現 另 一 顆 直 徑 逼 近 冥 王 星 2/3 的 TNO,Sedna, 第 十 行 星 的 風 波 再 起 Senda 的 風 波 尚 未 結 束, 又 有 另 一 波 發 現, 公 元 2005 年 7 月 29 日,Jose-Luis Ortiz 公 開 發 表 一 顆 新 發 現 的 大 型 TNO,2003 EL61, 這 顆 TNO 最 特 別 的 它 的 形 狀 為 橢 球 形, 最 長 的 一 邊 將 近 2000 公 里, 同 時 還 有 兩 顆 衛 星 環 繞 著 它, 另 一 方 面, 布 朗 團 隊 也 在 同 一 天 發 表 兩 顆 新 發 現 的 TNO, 分 別 為 2003 UB313 與 2005 FY9, 其 中 2005 FY9 的 平 均 直 徑 預 估 有 1500 公 里, 而 另 一 顆 2003 UB313 預 估 的 直 徑 至 少 有 2400 公 里, 比 當 時 已 知 的 第 九 顆 行 星 冥 王 星 還 大, 這 使 得 冥 王 星 作 為 行 星 的 地 位 受 到 挑 戰, 天 文 學 家 唯 有 兩 種 途 徑, 一 是 將 2003 UB313 列 為 行 星, 反 之 就 是 冥 王 星 重 行 星 的 資 格 上 除 名, 無 論 那 種 結 局 都 會 使 太 陽 系 九 大 行 星 的 說 法 走 入 歷 史, 最 終 結 果 於 公 元 2006 年 8 月 24 日 由 IAU 會 員 投 票 決 議, 冥 王 星 與 2003 UB313 連 同 穀 神 星 成 為 第 一 批 的 矮 行 星 矮 行 星 的 定 義 根 據 IAU 於 2006 年 8 月 24 日 做 出 最 新 的 決 議, 當 一 顆 太 陽 系 的 天 體 滿 足 下 列 所 有 條 件 時 即 為 一 顆 矮 行 星 環 繞 太 陽 運 行 的 天 體 質 量 必 須 大 得 使 其 自 身 的 重 力 足 以 抵 抗 剛 體 結 構 強 度, 使 球 體 維 持 靜 態 平 衡 ( 近 乎 圓 球 形 ) 的 外 型 無 法 清 除 軌 道 鄰 近 區 域 中 的 物 質 不 是 衛 星 符 合 矮 行 星 定 義 的 太 陽 系 天 體,IAU 目 前 認 定 的 有 五 顆 : 穀 神 星 冥 王 星 鬩 神 星 鳥 神 星 妊 神 星 但 還 有 不 少 的 TNO 以 及 最 大 的 幾 顆 小 行 星 符 合 此 條 件 110

111 Plutoid 的 定 義 IAU 於 2008 年 6 月 11 日 於 挪 威 首 都 奧 斯 陸 開 會 討 論 在 6a 決 議 案 中, 提 出 一 個 以 冥 王 星 為 原 型 的 TNO 分 類, 最 終 討 論 結 果 此 類 天 體 稱 作 Plutoid, 同 時 IAU 聲 明 了 一 顆 太 陽 系 天 體 必 須 符 合 以 下 條 件, 才 可 以 獲 得 Plutoid 的 命 名, 並 且 不 會 與 其 他 太 陽 系 天 體 擁 有 相 同 的 名 稱 必 須 是 一 顆 矮 行 星 ( 符 合 矮 行 星 的 所 有 定 義 ) 軌 道 半 長 軸 要 超 越 海 王 星 (30AU 以 上 ) 絕 對 星 等 H 必 須 小 於 1( 目 前 最 亮 為 賽 德 娜 的 1.8) 符 合 Plutoid 定 義 的 太 陽 系 天 體,IAU 目 前 認 定 的 有 四 顆 冥 王 星 鬩 神 星 鳥 神 星 妊 神 星 其 餘 TNO 因 絕 對 星 等 大 於 1 而 未 被 列 入, 其 中 最 亮 的 為 Sedna, 絕 對 星 等 達 到 1.6 等, 以 下 四 顆 是 最 有 可 能 在 未 來 考 慮 列 入 Plutoid 的 TNO (90377) Sedna( 塞 德 娜 ) (225088) 2007 OR10(Snow White) (50000) Quaoar( 創 神 星 ) (90482) Orcus( 亡 神 星 ) 關 於 Plutoid 的 中 文 譯 名, 目 前 尚 未 統 一, 一 般 常 出 現 的 有 Plutoid 類 冥 行 星 類 冥 天 體 與 類 冥 王 星 天 體, 伊 琉 沙 認 為 後 三 者 容 易 與 另 一 種 天 體 Plutino 的 中 譯 混 淆, 這 是 由 於 Plutino 的 譯 名 可 以 為 後 三 者, 但 是 不 能 為 前 者, 因 此 在 伊 琉 沙 的 所 有 文 章 中, 均 使 用 原 文 字 Plutoid, 除 非 必 要 才 使 用 中 文 譯 名 Plutoid Plutino 是 TNO 中 與 海 王 星 的 軌 道 擁 有 2:3 共 振 的 天 體, 因 冥 王 星 為 Plutino 的 典 型 代 表 為 名 伊 琉 沙 小 提 示 : 行 星 科 學 近 年 研 究 迅 速, 引 用 請 留 意 資 料 的 更 新, 本 文 最 後 修 訂 2013/7/19 111

112 太 空 科 技 吳 紹 銘 一 摘 要 太 空 科 技 是 近 年 來 人 類 為 了 觀 察 宇 宙 而 研 究 出 來 的 的 技 術, 從 二 次 大 戰 開 始, 由 戰 爭 用 的 火 箭, 經 過 冷 戰 時 的 軍 備 競 賽, 火 箭 的 技 術 逐 漸 成 熟, 最 後 人 們 終 於 能 將 物 體 送 往 太 空 中, 現 在 火 箭 是 太 空 科 學 研 究 重 要 的 一 部 分, 現 代 各 國 都 在 開 發 太 空 計 畫, 其 中 不 但 有 老 成 員 美 國, 俄 國, 還 又 日 本 中 國 印 度, 各 國 互 相 合 作, 國 際 太 空 站 就 是 一 個 極 佳 的 例 子, 未 來 的 太 空 科 技 還 會 朝 著 更 加 面 向 大 眾 的 方 向 發 展, 如 太 空 飛 機, 太 空 旅 遊 等, 相 信 在 不 久 的 未 來 能 夠 實 現 二 太 空 科 技 太 空 科 技 可 以 簡 單 的 分 類 成 三 個 部 分, 地 面 站 火 箭 太 空 飛 行 器 : 1. 地 面 站 指 揮 中 心, 負 責 接 收 任 務 時 的 所 得 到 的 資 訊 及 傳 輸 命 令 到 太 空 飛 行 器 上 2. 火 箭 推 進 的 原 理 火 箭 的 運 動 原 理 是 利 用 牛 頓 第 三 運 動 定 律, 作 用 力 等 於 反 作 用 力, 燃 料 經 過 燃 燒 式 的 燃 燒 後, 產 生 高 溫 高 壓 的 氣 體, 並 將 氣 體 經 過 一 個 特 殊 的 噴 嘴 排 氣 到 外 界, 藉 由 反 作 用 力 推 進 火 箭 的 歷 史 火 箭 原 本 在 中 國 的 三 國 時 期 就 出 現 了, 但 當 時 的 定 義 是 於 箭 上 點 火 而 叫 火 箭, 到 了 約 10 世 紀 時 發 明 出 了 以 火 藥 推 動 箭 的 方 式 的 火 箭, 但 之 後 中 國 就 沒 有 繼 續 鑽 研 這 門 學 問, 所 以 直 到 20 世 紀 初, 俄 羅 斯 的 火 箭 之 父 - 齊 奧 爾 科 夫 斯 基 (Konstantin Eduordovich Tsiolkovsky), 計 算 出 火 箭 推 進 的 公 式, 並 構 想 出 利 用 火 箭 脫 離 地 球 的 方 法, 而 之 後, 美 國 的 現 代 火 箭 之 父 - 羅 伯 特 哥 達 德 博 士 (Dr.Robert Hutchings Goddard), 改 良 了 火 箭 的 結 構, 變 成 了 現 代 火 箭 的 基 礎 圖 一 中 國 古 代 火 箭 的 設 計 Copyright wiki 圖 二 哥 達 德 博 士 和 第 一 枚 液 態 火 箭 Copyright NASA 112

113 火 箭 的 分 類 火 箭 的 推 進 是 利 用 火 箭 的 發 動 機 來 作 用, 其 會 依 不 同 的 能 源 而 做 不 同 的 設 計, 大 致 分 成 化 學 火 箭 核 火 箭 電 火 箭 等, 在 此 介 紹 比 較 基 本 的 兩 種, 液 態 燃 料 火 箭 和 固 態 燃 料 火 箭 : (1) 固 態 燃 料 火 箭 固 態 火 箭 發 動 機 的 燃 料 是 直 接 安 裝 在 火 箭 的 後 部, 使 用 的 時 候 利 用 點 火 器 引 發 燃 料 燃 燒, 產 生 推 力 推 送 火 箭 燃 料 成 分 : 聚 酯 橡 膠 順 丁 橡 膠 氧 化 鋁 粉 聚 氨 酯 聚 二 烯 等 優 點 : 構 造 上 簡 單, 重 量 輕, 燃 料 配 方 容 易, 具 穩 定 性 及 方 便 性 缺 點 : 無 法 馬 上 更 換 燃 料 量 導 致 推 力 固 定 (2) 液 態 燃 料 火 箭 液 態 火 箭 發 動 機 是 指 產 生 推 力 的 燃 料 和 氧 化 劑 是 以 液 態 的 方 式 儲 存, 使 用 的 時 候 才 以 氣 態 的 方 式 混 合, 燃 燒 產 生 推 力 燃 料 成 分 : 液 態 氫 液 態 氧 偏 二 甲 肼 四 氧 化 氮 等 優 點 : 質 能 比 大, 亦 即 可 以 少 質 量 放 出 較 多 的 能 量 缺 點 : 引 擎 構 造 複 雜, 必 須 將 高 壓 低 溫 的 不 同 液 態 物 質 以 一 定 比 例 混 合 燃 燒, 絕 熱 和 防 漏 處 理 特 別 重 要, 危 險 性 也 較 高 另 外 火 箭 也 分 為 單 節 火 箭 和 多 節 火 箭 : (1) 單 節 火 箭 通 常 為 戰 爭 用 火 箭, 無 法 加 速 到 第 一 宇 宙 速 度, 即 脫 離 速 度 (2) 多 節 火 箭 可 由 多 節 推 進 器 組 成, 由 於 有 很 多 節, 因 此 可 以 配 合 高 度 而 做 出 適 用 於 不 同 情 況 之 推 進 器, 其 每 用 完 一 節 即 可 捨 棄 用 完 的 推 進 器 以 減 少 質 量 3. 太 空 飛 行 器 可 分 為 無 人 太 空 飛 行 器 及 載 人 飛 行 器 無 人 太 空 飛 行 器 (1) 人 造 衛 星 依 功 能 分 為 科 學 衛 星, 應 用 衛 星, 用 飛 行 高 度 可 以 分 為 高 軌 道 衛 星, 中 軌 道 衛 星, 低 軌 道 衛 星 : 科 學 衛 星 : 可 用 來 觀 測 氣 候 或 拍 攝 天 文 現 象 應 用 衛 星 : 可 以 用 來 傳 遞 電 話 電 視 網 路 等 訊 號, 或 者 用 來 進 行 位 置 定 位 的 GPS 衛 星, 應 用 衛 星 算 是 和 人 們 生 活 有 關 的 衛 星 (2) 探 測 器 用 於 探 測 地 球 以 外 天 體 和 星 際 空 間 的 無 人 太 空 飛 行 器 探 測 器 通 常 用 於 執 行 某 一 特 定 探 測 或 調 查 的 任 務, 會 攜 帶 相 應 的 特 殊 設 備 由 於 離 地 球 較 遠 通 信 不 暢, 太 空 探 測 器 通 常 有 較 完 備 的 自 動 化 系 統, 具 有 人 工 智 慧, 以 便 在 無 人 控 制 的 情 況 下 按 實 際 情 況 來 進 行 任 務 113

114 圖 三 MILSTAR 通 訊 衛 星 Copyright wiki 圖 四 探 測 器 伽 利 略 號 Copyright wiki 載 人 飛 行 器 (1) 太 空 梭 太 空 梭 是 一 種 有 翼 可 重 複 使 用 的 太 空 器, 由 輔 助 的 運 載 火 箭 發 射 脫 離 大 氣 層, 作 為 往 返 於 地 球 與 外 太 空 間 的 交 通 工 具 只 有 美 國 和 蘇 聯 有 成 功 發 射 過, 但 自 蘇 聯 解 體 後, 由 於 沒 有 經 費, 所 以 只 剩 下 美 國 有 能 力 開 發, 但 美 國 所 有 的 太 空 梭 都 在 2011 年 7 月 22 日 退 役 美 國 曾 有 2 次 太 空 梭 發 射 失 敗 事 件, 分 別 是 挑 戰 者 號 跟 哥 倫 比 亞 號, 挑 戰 者 號 在 1986 年 1 月 28 日 第 10 次 任 務 升 空 後 73 秒 爆 炸, 起 因 為 右 側 固 態 火 箭 推 進 器 上 一 個 O 形 環 失 效, 機 上 的 7 名 太 空 人 全 部 喪 生 ; 哥 倫 比 亞 號 在 2003 年 2 月 1 日, 第 28 次 任 務 重 返 大 氣 層 時 與 控 制 中 心 失 去 聯 繫, 不 久 後 被 發 現 在 德 克 薩 斯 州 上 空 爆 炸 解 體,7 名 太 空 人 全 數 罹 難 由 於 危 險 性 高, 且 經 費 上 有 問 題, 所 以 美 國 於 2011 年 將 太 空 梭 除 役 (2) 太 空 站 太 空 站 是 指 運 行 在 外 太 空 的 人 造 太 空 艙 太 空 站 有 適 合 人 類 長 時 間 居 住 的 設 計, 可 以 作 為 太 空 人 在 太 空 停 留 和 工 作 的 場 所 和 平 號 太 空 站 蘇 聯 所 建 造, 服 役 長 達 15 年, 由 多 個 模 塊 在 軌 道 上 組 裝 而 成 1986 年 2 月 19 日 發 射 升 空 通 常 會 有 3 名 太 空 人 常 駐 在 上 面, 最 多 時 有 6 人 後 來 俄 羅 斯 聯 邦 太 空 局 因 和 平 號 部 件 老 化 且 缺 乏 維 修 經 費, 決 定 於 2001 年 3 月 23 日 墜 毀 入 地 球 大 氣 層, 碎 片 落 入 南 太 平 洋 海 域 中 如 今 任 務 由 國 際 太 空 站 所 取 代 114

115 國 際 太 空 站 在 近 地 軌 道 建 造 運 行 的 太 空 站, 此 計 畫 由 六 個 國 際 太 空 機 構 合 作, 分 別 是 : 美 國 國 家 航 空 暨 太 空 總 署 (NASA) 俄 羅 斯 聯 邦 太 空 局 (Roscosmos) 日 本 宇 宙 航 空 研 究 開 發 機 構 (JAXA) 加 拿 大 太 空 局 (CSA) 歐 洲 太 空 總 署 (ESA) 巴 西 太 空 局 (AEB) 分 成 多 個 部 分 由 不 同 國 家 分 工 完 成, 由 太 空 梭 多 次 載 運 組 裝 而 成 1998 年 11 月 20 日 第 一 個 部 件 曙 光 號 功 能 貨 艙 發 射 升 空, 並 於 2011 年 全 面 落 成, 預 計 運 作 至 2020 年 或 更 久 以 後, 額 定 乘 員 6 人, 主 要 功 能 是 作 為 在 微 重 力 環 境 下 的 研 究 實 驗 室 圖 五 和 平 號 太 空 站 圖 六 國 際 太 空 站 Copyright wiki Copyright wiki (3) 航 空 太 空 飛 機 簡 稱 空 天 飛 機, 具 有 飛 機 及 火 箭 兩 種 發 動 機, 可 作 為 飛 機 使 用 或 太 空 飛 行 器 使 用 可 以 載 人, 也 可 重 複 利 用 為 新 的 機 型 處 於 研 發 階 段, 目 前 中 國 與 美 國 已 經 研 發 成 功, 並 已 於 2010 年 試 飛 圖 七 美 波 音 X-37B 無 人 太 空 飛 機 三 宇 宙 速 度 高 中 都 學 過 萬 有 引 力 公 式 : Copyright NASA 其 中 F 為 力 (N),G 為 重 力 常 數 ( 質 量 (kg),r 為 兩 物 間 距 離 (m) ),M m 為 兩 物 115

116 只 要 能 克 服 地 球 對 物 體 的 萬 有 引 力, 物 體 便 能 脫 離 地 球 的 引 力 影 響, 以 下 分 為 兩 種 情 況 : (1) 若 一 物 體 要 像 衛 星 一 般 繞 著 地 球 轉, 則 其 像 一 個 人 手 上 拿 著 一 條 繩 子 的 一 端, 另 一 端 綁 著 物 體 甩 動, 軌 跡 成 圓 形, 此 時 物 體 會 受 到 一 向 心 力 ( 地 心 引 力 ) 作 用 及 一 離 心 力 作 用, 只 要 兩 者 合 力 為 零 時, 就 可 以 作 軌 道 運 動, 如 果 要 在 地 球 表 面 上 作 圓 周 運 動, 則 所 需 速 度 約 為 每 秒 7.9 公 里 左 右, 達 到 這 個 速 度 後, 物 體 便 能 脫 離 地 球, 這 稱 為 第 一 宇 宙 速 度 以 下 為 公 式 : 圖 八 圓 周 運 動 Copyright (2) 若 物 體 要 脫 離 地 球 引 力 的 範 圍, 則 假 設 無 窮 遠 處 的 位 能 為 零, 地 球 表 面 的 位 能 則 為, 若 要 脫 離 地 球, 則 需 要 的 動 能 來 脫 離, 此 時 所 需 速 度 稱 第 二 宇 宙 速 度, 所 以 : 其 中 萬 有 引 力 常 數 地 球 質 量 地 球 半 徑 藉 由 上 述 兩 種 情 況 可 知, 四 太 空 任 務 (1) 阿 波 羅 計 畫 (Project Apollo) 1961 年 5 月 29 日 美 國 總 統 甘 迺 迪 (John F. Kennedy) 宣 布 支 持 此 計 畫, 接 著 NASA 從 1961 到 1972 年 有 一 系 列 載 人 太 空 飛 行 任 務, 在 60 年 代 的 十 年 中 主 要 116

117 致 力 於 完 成 載 人 登 月 和 安 全 返 回 的 目 標, 總 共 耗 資 約 240 億 美 元 此 任 務 讓 人 們 對 月 球 有 更 深 入 的 認 識, 包 含 月 球 表 面 特 性 物 質 化 學 成 份 光 學 特 性, 此 外 也 探 測 了 月 球 重 力 磁 場 月 震 等 此 計 畫 一 共 有 11 次 載 人 任 務, 從 阿 波 羅 7 號 一 直 到 阿 波 羅 17 號, 取 得 了 巨 大 的 成 功 其 中 最 著 名 的 任 務 為 阿 波 羅 11 號 第 五 次 的 載 人 任 務, 這 是 人 類 第 一 次 踏 上 月 球, 降 落 地 點 在 寧 靜 海, 登 月 準 確 時 間 是 1969 年 7 月 20 日 下 午 4 時 17 分 43 秒 ( 休 斯 頓 時 間 ), 阿 姆 斯 壯 (Neil Armstrong) 的 左 腳 踏 上 了 月 球 另 一 有 名 的 任 務 是 阿 波 羅 13 號 第 七 次 的 載 人 任 務, 當 時 發 生 了 服 務 艙 的 氧 氣 罐 爆 炸 意 外, 幸 好 是 發 生 在 去 月 球 途 中, 資 源 還 算 充 足, 三 位 太 空 人 把 登 月 艙 當 成 救 生 艇, 順 利 返 回 地 球 獲 救 圖 九 阿 波 羅 11 號 的 太 空 人 左 起 : 阿 姆 斯 壯 科 林 斯 奧 爾 德 林 Copyright NASA 圖 十 阿 姆 斯 壯 踏 上 月 球 表 面 的 第 一 步 Copyright NASA 圖 十 一 裝 載 著 阿 波 羅 11 號 的 土 星 5 號 Copyright NASA (2) 火 星 計 畫 挑 戰 月 球 成 功 後, 人 類 開 始 計 畫 研 究 火 星 從 年 代 NASA 的 水 手 計 畫, 一 直 到 近 十 年 來 各 式 的 火 星 探 測 車, 例 如 :2004 年 登 陸 的 火 星 探 測 車 機 會 號 (Opportunity) 精 神 號 (Spirit) 最 近 的 事 件 則 是 2011 年 11 月 發 射 的 火 星 探 測 車 好 奇 號 (Curiosity) (3) 獵 戶 座 太 空 船 (Orion) 原 為 星 座 計 畫 (Project Constellation) 中 發 展 新 式 太 空 船, 但 2010 年 美 國 總 統 歐 巴 馬 由 於 經 費 關 係 凍 結 了 此 計 劃, 故 NASA 就 終 止 了 計 畫, 但 獵 戶 座 號 太 空 117

118 船 (Orion) 將 繼 續 發 展 成 為 往 返 太 空 的 交 通 工 具, 要 求 有 更 高 的 安 全 性, 且 希 望 能 做 商 業 化 運 輸 未 來 NASA 想 做 的 事 大 致 有 實 現 人 們 太 空 旅 遊 的 夢 想, 商 業 化 的 太 空 運 輸 ; 登 陸 火 星, 在 火 星 上 建 造 科 學 實 驗 室 五 阿 雷 西 波 訊 息 於 1974 年, 為 慶 祝 阿 雷 西 博 無 線 電 望 遠 鏡 完 成 改 建, 而 創 作 的 無 線 電 信 息, 並 以 距 離 地 球 25,000 光 年 的 球 狀 星 團 M13 為 目 標, 把 信 息 透 過 該 望 遠 鏡 射 向 太 空 此 訊 號 採 二 進 位 制, 包 含 : 地 球 上 習 慣 用 十 進 位 ; 組 成 人 體 元 素 氫 碳 氮 氧 磷 等 的 原 子 序 ; 遺 傳 基 因 DNA 的 雙 股 螺 旋 結 構 核 苷 酸 數 目 等 ; 人 類 身 高 長 相, 位 於 太 陽 系 的 第 三 顆 行 星 地 球 上 ; 以 及 我 們 望 遠 鏡 的 樣 子 圖 十 二 阿 雷 西 波 訊 息 Copyright wiki 參 考 資 料 : 1. 維 基 百 科 2. 中 國 古 代 火 箭 3. 固 態 火 箭 燃 料 成 分 118

119 恆星演化前期 劉明威 預備知識 赫羅圖(H-R Diagram) 赫羅圖是由丹麥天文學家 Ejnar Hertzsprung 和美國天文學家 Henry Norris Russell 各自獨力提 出的座標系統 主要用於星體分類 與演化過程上面 縱軸為光度 (luminosity)和絕對星等(absolute magnitude) 橫軸為星體表面溫度 和光譜分類(spectral class) 其中 星體表面溫度可依據韋恩位移定 律(Wien s displacement law) 韋恩位移常數 λ 從星體光譜求得 而常見 的恆星光譜分類是由美國 哈佛大學設計出來的摩根 肯那光譜分類法 此光譜 分類將恆星溫度由高到低 依序分為 OBAFGKM(Oh!Be A Fine Girl/guy Kisses Me!) 星際介質(interstellar medium, ISM) 星際介質主要分布 於恆星與恆星之間 成分主要由塵埃 (dust)或雲氣(gas) 所組成 星際介質較 密集的區域會形成 分子雲(molecular cloud) 而經過觀測 119

120 發 現, 這 些 分 子 雲 內 會 有 許 多 亮 點, 經 過 測 量 發 現 來 源 OB 恆 星, 因 此 科 學 家 推 斷 分 子 雲 正 是 恆 星 的 出 生 地 熱 傳 遞 熱 傳 遞 的 方 式 可 以 分 為 三 種, 傳 導 對 流 與 輻 射, 而 在 天 文 學 上, 輻 射 與 對 流 的 影 響 較 為 明 顯 輻 射 的 特 性 就 是 不 需 要 介 質 即 可 傳 遞, 因 此 幾 乎 所 有 的 天 體 都 會 靠 熱 輻 射 來 傳 遞 熱 能, 只 不 過 因 為 輻 射 可 能 會 被 遮 蔽, 因 此 若 星 體 被 塵 埃 包 覆 時, 傳 遞 效 率 就 會 大 打 折 扣, 基 本 上 主 要 的 星 體 輻 射 都 發 生 在 星 體 表 面 附 近 相 對 於 輻 射, 對 流 的 限 制 就 比 較 多, 不 僅 需 要 介 質, 而 且 還 必 須 有 足 夠 大 的 溫 差, 才 有 可 能 驅 動 對 流 運 動, 但 是 也 因 為 對 流 可 以 移 動 介 質, 因 此 他 的 熱 傳 遞 效 率 比 輻 射 高 很 多, 而 對 流 發 生 區 域 主 要 分 布 在 星 體 內 部 分 子 雲 聚 合 理 論 值 接 下 來, 既 然 我 們 已 經 知 道 恆 星 的 原 料 是 分 子 雲, 那 麼 我 們 就 會 問 : 到 底 要 多 少 分 子 雲 才 能 形 成 恆 星 呢? 事 實 上 天 文 學 上 有 非 常 多 的 理 論 在 討 論 這 個 問 題, 像 是 英 國 物 理 學 家 James Jeans 提 出 的 理 論, 最 後 他 得 出 Jeans Mass: 假 設 當 分 子 雲 在 不 受 外 力 的 情 況 之 下, 發 生 自 發 性 重 力 塌 縮 現 象 的 最 小 質 量, 為 一 萬 倍 太 陽 質 量 而 這 很 明 顯 只 是 個 假 設 性 的 理 論, 因 為 實 際 上 宇 宙 是 開 放 的, 而 且 天 文 學 家 也 發 現 很 多 與 Jeans Mass 相 差 甚 多 的 行 星 質 量 等 級 恆 星, 因 此 很 明 顯 的 必 然 存 在 其 他 外 在 因 素 影 響 恆 星 的 誕 生 120

121 加 速 變 因 加 速 分 子 雲 收 縮 的 方 式 有 很 多 種, 而 主 要 原 理 都 是 形 成 一 個 擾 動 (disturbance), 使 分 子 雲 內 質 量 分 布 產 生 不 均 勻, 進 而 產 生 重 力 塌 縮 (gravitational collapse) 主 要 加 速 因 素 有 : 1. 超 新 星 爆 炸 (Supernova explosion): 當 分 子 雲 附 近 發 生 超 新 星 爆 炸 時, 爆 炸 會 產 生 震 波 (shock waves), 此 震 波 會 壓 縮 分 子 雲, 使 分 子 雲 內 密 度 上 升, 誘 發 重 力 塌 縮 2. OB 星 劇 烈 的 恆 星 風 (Stellar wind): 因 為 OB 星 的 溫 度 很 高, 活 動 非 常 劇 烈, 經 常 拋 射 出 高 能 量 的 恆 星 風, 而 這 些 恆 星 風 會 把 分 子 雲 吹 亂, 產 生 不 均 勻 分 布, 此 區 域 會 有 大 量 恆 星 誕 生 3. 分 子 雲 互 相 碰 撞 (collision): 當 兩 個 運 動 中 的 分 子 雲 對 撞 時, 碰 撞 區 域 會 受 壓 縮 產 生 高 密 度 分 子 雲, 因 而 導 致 塌 縮 現 象 開 始 4. 星 系 懸 臂 (spiral galaxy) 壓 縮 : 星 系 懸 臂 在 旋 轉 時 會 產 生 密 度 波, 當 此 密 度 波 經 過 分 子 雲 時 會 產 生 壓 力, 迫 使 分 子 雲 塌 縮 減 速 變 因 然 而, 並 不 是 所 有 的 外 在 變 因 都 可 以 加 速 分 子 雲 的 聚 合, 有 些 變 因 甚 至 會 阻 止 分 子 雲 的 聚 合, 導 致 恆 心 的 形 成 失 敗 1. 熱 擾 動 (Thermal disturbance): 當 氣 體 的 溫 度 不 為 絕 對 零 度 時, 氣 體 分 子 會 進 行 無 規 熱 運 動, 進 行 無 數 次 的 相 互 碰 撞, 而 且 即 使 在 室 溫, 一 立 方 公 分 的 氣 體, 在 一 秒 鐘 內, 分 子 碰 撞 次 數 就 會 高 達 10 的 29 次 方 以 上 因 此, 若 溫 度 為 數 千 度, 則 內 部 就 會 形 成 一 種 抵 抗 壓 縮 的 熱 膨 脹 壓, 因 此 就 會 降 低 分 子 雲 的 收 縮 速 率 2. 分 子 雲 旋 轉 : 幾 乎 所 有 的 分 子 雲 都 會 進 行 旋 轉, 當 分 子 雲 收 縮 時, 為 了 符 合 角 動 量 守 恆, 分 子 雲 旋 轉 的 速 度 就 會 越 來 越 快, 而 這 就 會 形 成 離 心 力, 因 此 就 會 阻 止 分 子 雲 的 收 縮 3. 星 際 介 質 的 磁 場 : 大 部 分 星 際 介 質 都 會 產 生 磁 場, 這 些 磁 場 會 使 帶 電 粒 子 產 生 偏 折, 會 增 加 分 子 雲 收 縮 所 需 的 時 間 分 子 雲 收 縮 過 程 分 子 雲 收 縮 的 過 程 主 要 可 以 被 分 為 兩 階 段, 快 收 縮 階 段 與 慢 收 縮 階 段 1. 快 收 縮 : 分 子 雲 開 始 產 生 自 發 性 重 力 塌 縮 (Spontaneous gravitational collapse) 此 時 的 分 子 雲 內 物 質 間 距 非 常 大, 氣 壓 很 低, 溫 度 也 很 低, 因 此 121

122 主 要 的 輻 射 波 段 在 遠 紅 外 光 (Far Infrared) 2. 慢 收 縮 : 當 分 子 雲 收 縮 後, 物 質 因 重 力 而 向 內 加 速, 在 向 內 運 動 的 過 程 中, 物 質 之 間 會 相 互 碰 撞 而 產 生 熱 能, 分 子 雲 的 溫 度 就 會 上 升, 並 且 在 中 心 形 成 一 顆 炙 熱 的 原 恆 星 (protostellar) 而 原 恆 心 外, 尚 未 掉 落 進 來 的 分 子 雲 會 在 原 恆 星 外 圍 形 成 薄 薄 的 拱 星 外 層 (envelope), 而 這 個 拱 星 外 層 會 像 壓 力 鍋 一 樣, 將 原 恆 星 的 輻 射 遮 蔽 起 來, 內 部 的 溫 度 就 會 越 來 越 高, 最 後, 分 子 雲 的 收 縮 會 受 到 熱 膨 脹 壓 與 光 輻 射 壓 而 減 速 但 是, 雖 然 原 恆 星 的 溫 度 非 常 的 高 溫, 但 是 此 階 段 核 融 合 反 應 還 是 尚 未 啟 動 恆 星 演 化 軌 跡 因 為 恆 星 在 演 化 的 過 程 中, 光 度 與 溫 度 都 會 改 變, 因 此 會 在 赫 羅 圖 上 形 成 一 段 演 化 軌 跡 1. 林 忠 四 郎 軌 跡 (Hayashi track) 星 體 再 度 受 到 遮 蔽, 表 面 變 成 不 透 明, 因 為 無 法 輻 射 熱 能 出 去, 因 使 內 部 會 被 局 部 加 熱, 形 成 溫 度 梯 度, 產 生 熱 對 流 因 為 星 體 輻 射 受 到 遮 蔽, 因 此 會 形 成 一 條 溫 度 不 變, 但 光 度 下 降 的 垂 直 軌 跡 最 後 收 縮 達 成 平 衡, 開 始 點 燃 核 融 合 反 應 但 是, 若 星 體 質 量 過 小, 無 法 形 成 恆 星, 因 此, 林 忠 四 郎 軌 跡 的 右 側 為 林 忠 四 郎 禁 區 (Hayashi forbidden zone), 在 此 區 域 內 無 法 形 成 恆 星 2. 亨 軌 跡 (Henyey track) 當 星 體 質 量 大 於 0.4 太 陽 質 量 時, 因 為 溫 度 夠 高, 輻 射 能 夠 強, 能 將 外 層 雲 氣 吹 散, 因 此 不 會 受 到 遮 蔽 因 為 輻 射 不 會 受 到 遮 蔽, 因 此 星 體 光 度 不 變, 但 溫 度 上 升, 因 此 會 產 生 水 平 軌 跡 恆 星 演 化 分 類 現 在 的 天 文 學 將 演 化 前 的 恆 星 進 行 系 統 化 的 分 類, 依 據 它 特 徵 與 輻 射 光 譜 可 被 分 為 四 個 種 類, 而 此 時 的 中 心 星 體 被 稱 為 幼 星 體 (young stellar object, YSO) 122

123 1. 第 零 類 (Class 0) 分 子 雲 開 始 產 生 自 發 性 塌 縮, 但 中 心 尚 未 形 成 任 何 星 體 因 為 此 時 分 子 雲 溫 度 非 常 低, 因 此 很 難 用 望 遠 鏡 觀 測 到 如 上 圖 的 a 和 b 2. 第 一 類 (Class I) 分 子 雲 收 縮 形 成 高 溫 的 原 恆 星 (protostellar), 同 時 因 為 原 恆 星 的 光 輻 射 壓 而 減 速 收 縮 的 分 子 雲 會 形 成 由 塵 埃 與 雲 氣 組 成 扁 平 的 拱 星 外 層 在 拱 星 外 層 內, 物 質 在 掉 落 至 原 恆 星 的 過 程 中, 因 為 分 子 雲 自 身 旋 轉 產 生 的 離 心 力, 所 以 分 子 雲 會 在 原 恆 星 外 形 成 吸 積 盤 (accretion disc) 部 分 幸 運 的 分 子 雲 會 掉 落 至 原 恆 星, 但 因 為 離 心 力 過 大, 因 此 最 後 物 質 會 向 兩 極 高 速 噴 發 出 去, 形 成 雙 極 噴 流 (bipolar outflow), 這 個 噴 流 噴 發 後 會 在 星 體 的 兩 極 附 近 形 成 明 顯 的 雲 氣 帶, 而 這 也 是 天 文 學 家 用 來 尋 找 原 恆 星 的 方 法 之 一 在 這 階 段, 因 為 原 恆 星 被 拱 星 外 層 遮 蔽, 因 此 觀 測 上 只 能 測 量 到 由 拱 星 外 層 表 面 輻 射 出 來 的 遠 紅 外 光 如 上 圖 的 c 3. 第 二 類 (Class II) 拱 星 外 層 慢 慢 的 消 失 後, 中 心 星 體 終 於 可 以 出 來 露 臉 了, 而 此 時 的 中 心 星 體 被 稱 為 前 主 序 星 (pre-main-sequence stars) 因 為 拱 星 外 層 的 消 失, 前 主 序 星 的 表 面 熱 輻 射 可 以 被 直 接 觀 測 到, 但 因 為 在 它 中 為 還 是 有 吸 積 盤 得 遮 蔽 影 響, 因 此 主 要 的 輻 射 為 近 紅 外 光 如 上 圖 的 d 4. 第 三 類 (Class III) 之 後, 吸 積 盤 也 漸 漸 的 被 吸 收 被 吹 散, 甚 至 開 始 形 成 行 星, 因 此 吸 積 盤 變 的 非 常 稀 薄, 而 且 前 主 序 星 的 溫 度 越 來 越 高, 最 後, 當 星 體 到 達 臨 界 溫 度, 核 融 合 反 應 就 被 啟 動, 星 體 終 於 開 始 燃 燒, 恆 星 終 於 誕 生 了 此 時, 因 為 已 經 沒 有 拱 星 外 層 或 吸 積 盤 的 遮 蔽, 我 們 們 可 以 直 接 觀 測 到 前 主 序 星 的 表 面 輻 射, 主 要 的 輻 射 為 可 見 光 如 上 圖 的 e f 雙 極 噴 流 當 物 質 掉 落 入 星 體 時, 重 力 位 能 會 轉 變 為 動 能, 因 此 物 質 的 速 度 會 越 來 越 快, 而 因 為 角 動 量 守 恆 的 關 係, 越 靠 近 中 心 物 質 旋 轉 的 速 度 越 快, 這 就 會 產 生 極 大 的 離 123

124 心 力, 而 當 此 離 心 力 過 大 時, 部 分 的 物 質 會 被 拋 射 出 去 形 成 噴 流 這 種 噴 流 速 度 非 常 快, 速 度 可 高 達 秒 速 數 百 公 里, 因 此 會 形 成 一 段 非 常 長 的 雲 氣 帶, 此 雲 氣 帶 被 稱 為 赫 比 格 - 哈 羅 天 體 (Herbig-Haro object) 吸 積 盤 物 質 掉 落 靠 近 星 體 後, 因 為 離 心 力 與 重 力 達 成 平 衡, 因 此 會 在 星 體 外 側 旋 轉, 因 此 最 後 會 形 成 吸 積 盤, 而 這 可 也 是 行 星 的 出 生 地 參 考 資 料 1. 簡 明 天 文 學 周 體 建 著 2. 類 日 恆 星 誕 生 過 程 沈 家 賢 & 茅 耀 元 著 3. 穿 越 星 空 百 億 年 曾 耀 寰 著 星 空 之 子 天 文 營 講 義 星 空 之 子 天 文 營 講 義 星 空 之 子 天 文 營 講 義 7. 天 體 物 理 及 恆 星 演 化 參 考 講 義 王 嘉 偉 著 8. International Student Edition for Foundations of Astronomy,11ed,Seeds&Backman,p.210~p Wikipedia 124

125 恆 星 演 化 後 期 詹 凱 勳 一 前 言 : 恆 星 是 由 一 團 宇 宙 間 的 塵 埃 所 形 成, 且 恆 星 的 演 化 過 程 和 其 質 量 有 密 切 相 關, 不 同 的 質 量 恆 星 在 其 生 命 後 期 中 也 有 不 同 的 演 化 過 程 二 主 序 星 之 後 : ( 一 ). 核 融 合 反 應 : 圖 一 表 二 : 各 種 核 融 合 反 應 主 要 反 應 條 件 主 要 發 生 處 p-p 鍊 反 應 ν M < 1.3~1.5 M CNO 循 環 M > 1.3~1.5 M 三 氦 過 程 M > 0.26~0.5 M 碳 燃 燒 過 程 C C e e M > 3 M 氖 燃 燒 過 程 e e M > 8 M 125

126 e e 氧 燃 燒 過 程 Si e M > 8 M 矽 燃 燒 過 程 Si e S M > 8~11 M S e e Ca Ca e i i e C 5 C e e e e 5 5 i 質 子 - 質 子 鍊 反 應 (p-p chain) 與 碳 氮 氧 循 環 (CNO cycle) 為 恆 星 中 氫 進 行 核 融 合 之 主 要 機 制, 而 可 以 從 圖 二 中 ( 橫 軸 為 溫 度 ; 縱 軸 為 產 熱 功 率 ) 可 看 出, 它 們 兩 者 的 啟 動 溫 度 差 了 近 五 倍, 而 在 某 一 特 定 溫 度 後,CNO cycle 的 產 熱 功 率 開 始 超 越 p-p chain, 因 此 在 此 溫 度 後 CNO cycle 成 了 恆 星 構 造 與 後 續 演 化 方 式 的 主 要 關 鍵 雖 然 控 制 恆 星 內 部 溫 度 的 因 子 相 當 的 多, 但 主 要 仍 取 決 於 質 量, 而 CNO cycle 產 熱 功 率 開 始 超 越 p-p chain 所 對 應 的 恆 星 質 量 大 約 是 1.3~1.5 M, 我 們 的 太 陽 的 內 部 結 構 如 圖 三 所 示, 因 為 太 陽 是 1 M, 因 此 是 以 p-p chain 為 主 要 燃 氫 方 式, 也 因 為 這 樣, 因 此 太 陽 核 心 外 是 先 以 輻 射 為 熱 傳 播 的 方 式, 外 層 再 以 熱 對 流 的 方 式 傳 播 圖 二 圖 三 熱 輻 射 熱 對 流 傳 播 功 率 對 流 > 輻 射 主 控 制 因 子 傳 遞 電 磁 波 之 介 質 的 透 明 度 氣 體 分 子 移 動 的 難 易 程 度 熱 梯 度 較 小 較 大 表 三 126

127 由 上 表 中 可 以 看 到, 熱 對 流 的 傳 播 功 率 是 大 於 熱 輻 射 的, 但 熱 對 流 取 決 於 氣 體 是 否 容 易 移 動, 而 在 恆 星 的 核 心 處, 因 為 重 力 相 當 大, 因 此 氣 體 的 移 動 較 受 侷 限, 因 此, 恆 星 質 量 小 於 1.3~1.5 M 時, 核 心 外 以 熱 輻 射 為 主 要 傳 播 之 方 式, 但 當 恆 星 質 量 大 於 1.3~1.5 M 時,CNO cycle 的 產 熱 功 率 開 始 超 越 p-p chain, 而 因 為 CNO cycle 的 功 率 與 溫 度 是 17 次 方 的 關 係, 因 此 在 高 溫 的 條 件 下,CNO cycle 的 產 熱 功 率 是 相 當 大 的, 因 此 核 心 溫 度 相 當 的 高, 導 致 氣 體 分 子 的 動 能 大 幅 上 升, 使 得 熱 對 流 變 得 較 為 容 易, 又 因 熱 對 流 傳 播 功 率 較 高, 因 此 在 恆 星 質 量 大 於 1.3~1.5 M 時, 核 心 外 不 再 是 以 熱 輻 射, 而 是 以 熱 對 流 為 主 要 傳 播 方 式, 而 到 了 外 層 則 以 熱 輻 射 為 主, 與 太 陽 的 狀 況 完 全 相 反 ( 二 ). 恆 星 質 量 M 介 於 0.08M 和 0.26M 1 間 此 類 恆 星 在 主 序 星 時 被 稱 為 紅 矮 星 紅 矮 星 雖 可 引 發 氫 核 融 合 反 應, 但 因 質 量 過 小, 內 部 氣 體 壓 力 不 大, 所 以 能 量 傳 播 方 式 以 對 流 為 主 由 於 恆 星 內 部 為 完 全 的 對 流, 物 質 均 勻 分 布, 所 以 不 會 分 出 層 次, 也 因 此 讓 恆 星 中 的 氫 幾 乎 完 全 轉 換 成 氦, 整 個 恆 星 逐 漸 變 成 氦 球, 但 其 壓 力 溫 度 卻 不 足 以 引 發 氦 核 融 合 反 應, 使 整 個 恆 星 缺 乏 與 重 力 相 抗 衡 的 因 素 塌 縮, 而 物 質 在 不 斷 被 壓 縮 的 過 程 中, 裡 頭 的 電 子 受 不 了 巨 大 的 壓 力, 而 轉 變 為 簡 併 態, 並 產 生 向 外 的 壓 力, 到 了 最 後 恆 星 形 成 氦 白 矮 星 一 般 狀 態 簡 併 態 什 麼 是 簡 併 態 呢? 如 表 四 所 示, 電 子 或 電 子 可 以 自 由 在 能 階 間 進 行 躍 遷 電 子 只 能 待 在 最 低 能 階 中 子 這 種 粒 子 非 常 的 麻 煩, 因 為 在 同 一 個 能 態 下 只 喜 歡 和 一 個 電 子 同 居, 所 以 同 一 能 態 最 多 只 有 2 個 電 子, 當 壓 力 很 大 時, 就 會 把 電 子 從 高 能 態 壓 往 低 能 態, 一 直 要 到 最 低 能 態 都 存 在 2 個 電 子, 但 上 面 還 是 一 直 壓 迫, 所 以 電 子 就 會 產 生 一 股 力, 反 抗 外 力 的 作 用, 這 種 狀 態 稱 為 簡 併 態 表 四 ( 三 ).0.26M <M<1.5M 1 M 為 太 陽 質 量 127

128 此 類 恆 星 和 紅 矮 星 不 同 的 是 : 其 質 量 比 較 大, 但 內 部 能 量 的 供 給 情 況 類 似, 使 中 心 氣 體 被 壓 住, 較 難 移 動, 所 以 恆 星 內 部 的 熱 會 以 輻 射 為 主 要 的 傳 播 方 式 而 輻 射 並 不 能 讓 物 質 均 勻 分 布, 所 以 當 恆 星 中 心 區 的 氫 經 由 核 融 合 反 應 轉 變 成 氦 後, 由 於 壓 力 溫 度 不 足 以 引 發 氦 核 融 合 反 應, 所 以 氦 會 囤 積 在 中 心 形 成 氦 球, 此 時 核 融 合 反 應 會 暫 時 停 止 內 部 物 質 因 為 本 身 重 力 往 內 塌 縮, 使 壓 力 溫 度 增 加, 塌 縮 到 某 一 階 段 時, 附 在 中 心 氦 球 的 氫 薄 球 殼 會 引 發 氫 核 融 合 反 應 形 成 氦, 而 形 成 的 氦 不 斷 囤 積 在 核 心 氫 核 融 合 短 暫 停 止 內 部 物 質 塌 縮 此 狀 況 不 斷 循 環, 中 心 氦 球 不 斷 變 大, 氫 燃 燒 層 不 斷 向 外 擴 展, 讓 恆 星 外 殼 因 核 融 合 所 得 到 更 多 能 量 而 受 熱 膨 脹, 表 面 膨 脹 則 溫 度 下 降, 但 表 面 積 增 加 使 光 度 也 增 加, 恆 星 逐 漸 往 紅 巨 星 發 展, 脫 離 主 序 星 的 位 置 此 時 整 個 恆 星 由 兩 個 性 質 不 同 的 兩 部 分 組 成 : 外 部 低 溫 稀 薄 的 氫 氦 混 合 氣 體 ; 內 部 為 高 溫 高 密 的 氦 球 中 心 氦 球 在 不 斷 變 大 的 情 況 下, 因 為 溫 度 壓 力 不 斷 的 增 加, 核 心 物 質 會 逐 漸 形 成 簡 併 態, 到 了 某 一 臨 界 點 ( 溫 度 約 1 億 K), 中 心 就 會 引 發 更 劇 烈 的 氦 核 融 合 反 應, 並 放 出 大 量 能 量, 此 過 程 稱 為 氦 閃 12 什 麼 是 氦 閃? 氦 閃 的 形 成 條 件 為 氦 核 融 合 反 應 成 碳, 此 反 應 產 能 的 強 度 和 溫 度 的 37 次 方 成 正 比, 所 以 內 部 溫 度 上 升 2%, 產 能 速 率 就 會 加 倍!! 而 在 簡 併 態 氦 球 中, 能 量 不 易 傳 遞 出 去 反 而 在 中 心 累 積, 所 以 溫 度 不 斷 上 升, 產 能 速 率 也 呈 爆 炸 性 的 上 升, 極 大 的 能 量 讓 氦 球 產 生 小 型 爆 炸, 稱 為 氦 閃 氦 閃 極 為 短 促, 有 些 科 學 家 認 為 氦 閃 大 約 只 有 幾 小 時, 甚 至 幾 分 鐘, 也 有 人 認 為 會 維 持 幾 千 年, 但 不 論 結 果 如 何, 相 對 於 恆 星 的 生 命, 此 為 一 短 暫 的 爆 炸 性 事 件 氦 閃 的 同 時, 極 大 量 的 氦 被 融 合 成 碳, 產 生 的 能 量 會 把 簡 併 態 氦 球 炸 鬆, 使 簡 併 態 物 質 回 到 一 般 狀 態, 但 氦 繼 續 燃 燒 直 到 變 成 完 全 的 碳 球 此 時, 內 部 核 融 合 停 止 使 物 質 向 內 塌 縮, 直 到 內 部 剩 餘 的 氫 層 和 氦 層 交 替 產 生 核 融 合 反 應, 讓 外 部 再 度 膨 脹, 第 二 次 進 入 紅 巨 星 階 段, 但 此 時 其 能 量 的 產 生 不 穩 定, 讓 外 部 氣 體 不 斷 向 外 拋 出, 且 由 於 氣 體 被 拋 出 後, 溫 度 下 降, 使 原 本 游 離 的 電 子 和 離 子 結 合 成 中 性 原 子 釋 放 能 量, 此 能 量 轉 變 為 原 子 動 能, 所 以 即 使 被 拋 出 的 外 殼 很 難 被 內 部 加 熱, 還 是 有 足 夠 的 能 量 向 外 釋 出, 形 成 所 謂 的 行 星 狀 星 雲 為 什 麼 被 稱 為 行 星 狀 星 雲 ( 如 圖 四 )? 因 為 古 人 在 觀 察 此 天 體 時, 誤 以 為 是 氣 體 行 星, 所 以 被 稱 為 行 星 狀 星 雲, 但 其 形 成 與 行 星 沒 有 關 係 而 星 雲 內 的 氣 體 受 到 白 矮 星 釋 放 的 電 磁 波 游 離, 而 此 游 離 的 氣 體 會 依 據 原 子 的 特 性 釋 放 出 各 式 電 磁 波, 所 以 行 星 狀 星 雲 通 常 帶 有 豐 富 的 色 彩 外 殼 被 拋 出 後, 內 層 因 為 沒 有 繼 續 核 融 合, 所 以 會 坍 縮 形 成 簡 併 態 的 碳 氧 白 矮 星, 雖 然 白 矮 星 理 論 上 沒 有 產 生 核 融 合 反 應, 但 因 為 白 矮 星 為 原 恆 星 的 核, 所 以 溫 度 很 高, 也 會 向 外 界 放 出 電 磁 波 降 溫 直 到 最 後 128 圖 四

129 變 成 不 發 光 的 黑 矮 星 ( 四 ).M>4M 當 恆 星 質 量 超 過 1.5 M 時, 如 我 們 前 面 所 討 論 過 的, 恆 星 內 部 會 以 CNO cycle 為 主 要 燃 氫 機 制, 因 此 內 部 以 對 流 為 主 物 質 分 布 較 為 均 勻 科 學 家 推 論,> 1.5 M 的 恆 星 並 不 會 有 氦 閃 的 產 生, 因 為 氦 開 始 燃 燒 時, 氦 核 並 還 不 會 達 到 簡 併 態, 而 約 在 3~8 M 的 恆 星 中, 氦 燃 燒 所 產 生 的 碳 核, 則 會 達 到 簡 併 態 而 產 生 與 氦 閃 類 似 的 反 應, 稱 為 碳 閃, 但 由 於 碳 閃 較 氦 閃 更 為 激 烈, 因 此 在 發 生 碳 閃 發 生 時 會 造 成 類 似 超 新 星 爆 炸 的 現 象, 可 能 會 將 整 顆 恆 星 摧 毀, 只 留 下 核 心 成 為 氧 鎂 氖 白 矮 星 超 過 8 M 的 核 星 則 大 多 會 一 直 燃 燒 至 鐵 ( 下 圖 五 ), 但 是 鐵 已 是 恆 星 核 融 合 反 應 的 結 尾, 這 是 由 於 鐵 的 束 縛 能 * 是 所 有 原 子 中 最 高 的 ( 由 圖 中 可 看 出 ), 因 此 當 鐵 產 生 核 融 合 反 應 時, 反 而 需 要 吸 收 能 量, 因 此 並 沒 有 辦 法 提 供 恆 星 支 撐 重 力 所 需 要 的 熱 * 束 縛 能 : 當 恆 星 內 部 完 全 沒 有 任 何 燃 料 即 一 個 核 子 ( 質 子 中 子 ) 被 加 入 原 子 核 時 所 釋 後, 恆 心 會 產 生 如 洋 蔥 般 的 分 佈 ( 如 圖 放 出 來 的 能 量 六 ), 也 會 因 為 其 巨 大 的 重 力 而 塌 縮, 外 部 的 物 質 瞬 間 撞 擊 中 央 的 鐵 核 而 遭 到 反 彈, 在 即 短 的 時 間 內 便 會 向 外 彈 出, 產 生 超 新 星 爆 炸, 最 後 在 核 心 處 留 下 中 子 星 或 是 黑 洞 圖 五 圖 六 而 所 謂 的 超 新 星 爆 炸 主 要 分 為 兩 類, 一 類 為 I 型 超 新 星 爆 炸, 一 類 為 II 型 超 129

130 新 星 爆 炸 I 型 超 新 星 爆 炸 為 在 中 質 量 恆 星 留 下 的 碳 氧 白 矮 星, 在 其 質 量 超 過 上 限 ( 錢 德 拉 塞 卡 極 限 ) 後, 就 無 法 藉 由 電 子 的 簡 併 壓 來 承 受 自 身 的 重 力, 使 白 矮 星 塌 縮, 引 發 一 部 分 物 質 的 核 融 合 反 應, 釋 放 足 夠 大 的 能 量 後, 就 產 生 I 型 超 新 星 爆 炸, 此 時 恆 星 的 光 度 有 顯 著 的 增 加, 絕 對 星 等 為 -19.3, 且 在 短 時 間 內 都 會 維 持 此 亮 度, 之 後 就 會 平 穩 下 降 II 型 超 新 星 則 是 指 大 質 量 恆 星 在 演 化 末 期 時 的 超 新 星 爆 炸, 主 要 是 因 為 反 彈 激 波 將 恆 星 物 質 整 個 炸 開 後, 亮 度 顯 著 增 加, 但 比 I 型 大 約 暗 1~2 星 等, 且 亮 度 會 迅 速 下 降, 但 往 往 會 在 達 到 一 個 次 高 峰 後, 才 逐 漸 平 穩 下 降 ( 五 ). 超 新 星 爆 炸 後 超 新 星 爆 炸 後, 會 產 生 向 外 過 散 的 震 波, 此 震 波 據 研 究 可 達 5000~20000 公 里 / 秒, 約 為 光 速 的 2% 震 波 可 影 響 的 範 圍 很 大, 可 能 對 周 圍 的 恆 星 造 成 影 響, 或 是 遇 到 了 一 些 塵 埃, 則 震 波 可 做 為 擾 動 的 來 源, 使 塵 埃 再 度 演 化 成 原 恆 星 內 部 則 剩 下 一 核 心 ( 但 如 果 爆 炸 的 效 果 過 於 猛 烈, 則 可 能 會 只 剩 下 殘 骸 碎 屑 ) (a). 中 子 星 超 新 星 爆 炸 後, 核 心 受 到 巨 大 的 壓 力, 使 得 電 子 簡 併 壓 不 足 以 承 受, 使 電 子 被 壓 入 質 子 中 變 成 中 子, 產 生 中 子 簡 併 壓 來 對 抗 自 身 重 力, 此 為 一 中 子 星 中 子 星 的 密 度 很 大, 一 立 方 公 分 的 物 質 就 有 十 億 噸, 其 外 殼 可 能 有 很 薄 的 一 層 鐵 殼, 內 部 為 中 子 簡 併 態 物 質, 但 詳 細 的 情 形 還 很 不 清 楚, 只 能 用 些 許 的 理 論 來 推 測 因 為 中 子 星 承 接 了 原 恆 星 的 角 動 量 和 磁 場, 所 以 相 對 於 恆 星, 如 此 微 小 的 中 子 星, 其 磁 場 及 轉 速 是 非 常 快 速 的 據 科 學 家 推 論, 如 果 太 陽 坍 縮 成 一 顆 中 子 星, 則 半 徑 會 由 公 里 變 為 10 公 里, 而 磁 場 由 10-4 特 斯 5 拉 變 為 5 10 特 斯 拉, 自 轉 週 期 由 27 天 縮 減 -4 為 5 10 秒 如 果 自 轉 軸 和 極 軸 又 不 吻 合 時, 就 會 形 成 所 謂 的 脈 衝 星, 因 為 磁 場 在 旋 轉 時 會 產 生 電 磁 波, 而 對 於 地 球 的 觀 察 者, 此 電 圖 七 磁 波 會 隨 著 自 轉 週 期 一 明 一 暗, 由 於 此 " 訊 號 週 期 " 短 促, 起 初 還 以 為 是 外 星 人 傳 遞 的, 但 後 來 發 現 是 中 子 星 所 發 出 的, 卻 也 間 接 證 明 了 脈 衝 星 的 存 在 圖 七 為 中 子 星 想 像 圖 (b). 黑 洞 但 中 子 簡 併 壓 也 有 其 上 限, 假 如 核 心 質 量 大 於 3.2M ( 歐 本 海 默 極 限 ), 則 中 子 簡 併 物 質 會 崩 解, 直 到 坍 縮 至 黑 洞 130

131 黑 洞 是 一 個 萬 分 特 別 的 天 體, 因 為 它 有 非 常 強 大 的 重 力 場, 此 重 力 場 強 大 到 將 時 空 嚴 重 扭 曲, 使 得 距 離 黑 洞 中 心 小 於 一 特 定 值 ( 史 瓦 希 半 徑 or 事 象 地 平 面 ) 時, 任 何 輻 射 和 物 質 都 無 法 脫 逃 當 然 如 果 不 離 他 太 靠 近, 黑 洞 其 實 只 是 一 個 天 體, 我 們 可 以 藉 由 他 對 周 圍 星 光 的 扭 曲 ( 重 力 透 鏡 現 象 ), 或 者 是 在 雙 星 系 統 中 的 周 期 等, 研 究 黑 洞 的 諸 多 特 性 圖 八 為 黑 洞 想 像 圖 參 考 資 料 1. 簡 明 天 文 學, 周 體 健 著, 凡 異 出 版 社, 民 國 八 十 四 年 八 月 初 版 圖 八 2. 註 : 恆 星 演 化 氦 閃 白 矮 星 中 子 星 黑 洞 超 新 星 131

132 一 前 言 行 星 地 質 學 羅 仲 宏 天 文 的 領 域 之 廣, 進 至 月 球 遠 至 無 窮 遠 的 宇 宙 深 處, 舉 凡 包 括 太 陽 系 的 生 成 恆 星 的 演 化 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 宇 宙 大 尺 度 結 構 暗 能 量 暗 物 質 等 許 多 令 人 著 迷 ( 亦 或 是 說 頭 痛 XD) 的 課 題, 天 文 學 其 實 算 是 走 在 時 代 尖 端 的 科 學, 他 是 現 代 物 理 數 學 化 學 等 基 礎 學 科 之 母, 位 在 歐 洲 的 大 型 強 子 對 撞 機 是 為 了 證 明 所 謂 的 希 格 斯 粒 子 ( 造 就 物 質 質 量 的 基 本 粒 子 ), 這 是 標 準 模 型 的 一 部 分, 而 標 準 模 型 就 是 為 了 統 一 強 力 弱 力 及 電 磁 力 的 理 論, 解 開 這 些 力 量 背 後 的 奧 秘 乃 是 天 文 學 的 終 極 目 標 之 一 這 些 是 物 理 範 圍, 我 相 信 另 外 一 個 引 人 注 意 的 題 目 是 有 沒 有 外 星 人 呢? 說 到 外 星 人, 是 許 許 多 多 人 疑 惑 的 題 目, 本 章 節 將 利 用 太 陽 系 的 形 成 來 闡 述 生 命 形 成 的 條 件, 進 而 了 解 我 們 的 地 球 是 如 此 珍 貴 的 寶 物 二 大 霹 靂 (Big Bang) 相 信 這 個 理 論 大 家 一 定 都 聽 到 爛 掉 了, 宇 宙 是 由 一 個 質 量 無 限 大 能 量 無 限 大 體 積 無 限 小 的 奇 異 點 爆 炸 而 成, 一 開 始 的 高 能 量 輻 射 經 過 150 億 年 的 時 間, 已 經 變 成 了 所 謂 的 宇 宙 微 波 背 景 輻 射, 並 充 滿 了 整 個 宇 宙, 這 也 是 為 什 麼 夜 晚 天 空 看 起 來 是 黑 的, 人 的 眼 睛 只 能 看 見 可 見 光, 而 宇 宙 '' 微 波 '' 背 景 輻 射 就 是 微 波 的 一 種, 我 想 大 家 應 該 沒 看 過 你 家 的 微 波 爐 發 光 吧, 你 看 到 的 光 還 是 可 見 光, 他 是 提 醒 你 現 在 微 波 爐 正 在 發 出 微 波, 所 以 不 要 搞 混 囉 現 在 來 說 說 為 什 麼 我 們 會 知 道 一 開 始 的 高 能 量 輻 射 就 是 宇 宙 微 波 背 景 輻 射, 你 有 沒 有 聽 過 救 護 車 或 是 火 車 靠 近 你 的 時 後 發 出 警 笛 聲 會 讓 你 感 到 刺 耳, 這 就 是 都 卜 勒 效 應 (Doppler effect) 也 就 是 我 們 所 說 的 紅 移 or 藍 移 圖 一 圖 一 中 的 左 手 邊 是 藍 移, 右 手 邊 是 紅 移 132

133 我 們 觀 察 發 現, 天 空 中 的 星 星 大 多 是 以 紅 移 的 方 式 遠 離 我 們, 我 們 推 算 回 去 發 現 原 來 一 開 始 宇 宙 是 一 個 點, 大 霹 靂 理 論 便 也 這 樣 確 立 下 來, 而 一 開 始 的 高 能 量 輻 射 也 因 為 經 過 宇 宙 擴 展 而 慢 慢 紅 移 成 我 們 所 知 道 的 背 景 輻 射 囉 ~ 三 元 素 生 成 物 質 有 四 態 : 固 液 氣 電 漿, 而 所 謂 的 電 漿 態 就 是 原 子 核 與 電 子 之 間 沒 有 束 縛 力, 使 得 在 太 陽 核 心 裡 原 子 核 容 易 吸 收 質 子, 往 更 重 的 原 子 核 邁 進 一 開 始 的 大 霹 靂 只 做 出 了 氫 氦 兩 種 元 素 而 已, 因 為 大 霹 靂 後 的 餘 溫 不 足 以 提 供 要 在 往 上 做 出 元 素 的 溫 度, 所 以 後 來 的 元 素 都 在 恆 星 的 肚 子 裡 面 生 成, 而 恆 星 的 肚 子 也 只 能 生 成 鐵 ( 原 子 序 56), 再 下 去 就 會 吸 收 能 量, 無 法 供 應 能 量, 恆 星 失 去 能 量 來 源, 便 發 生 爆 炸, 使 得 恆 星 的 核 心 被 炸 爛, 裡 頭 的 鐵 原 子 核 飛 出, 途 中 撞 到 很 多 中 子, 也 就 造 就 了 鐵 以 後 的 元 素, 這 個 過 程 我 們 稱 做 中 子 捕 獲 133

134 圖 二, 核 融 合 反 應 核 融 合 的 條 件 如 果 要 進 行 核 融 合 反 應, 首 先 就 必 須 提 高 物 質 的 溫 度, 使 原 子 核 和 電 子 分 開, 處 於 這 種 狀 態 的 物 質 稱 為 電 漿 plasma 顧 名 思 義, 核 力 是 一 種 非 常 強 大 的 力 量, 而 其 力 量 所 及 的 範 圍 僅 止 於 10^-10-10^-13 米 左 右, 當 質 子 和 中 子 互 相 接 近 至 此 範 圍 時, 核 力 就 會 發 揮 作 用, 因 而 發 生 核 融 合 反 應 但 由 於 原 子 核 帶 正 電, 彼 此 間 會 互 相 排 斥, 所 以 很 難 使 其 彼 此 互 相 接 近 若 要 克 服 其 相 斥 的 力 量, 就 必 須 適 當 地 控 制 電 漿 的 溫 度 密 度 和 封 閉 時 間 維 持 時 間, 此 三 項 條 件 缺 一 不 可 由 於 提 高 物 質 的 溫 度 可 以 使 原 子 核 劇 烈 轉 動, 因 此 溫 度 升 高, 密 度 變 大, 封 閉 的 時 間 越 長, 彼 此 接 近 的 機 會 越 大 由 於 電 漿 很 快 就 會 飛 散 開 來, 所 以 必 須 先 將 其 封 閉 用 來 使 電 漿 封 閉 的 方 法 有 許 多 種, 太 陽 內 部 是 利 用 巨 大 重 力 使 電 漿 封 閉, 而 在 地 球 上 則 必 須 採 取 別 的 方 法, 磁 場 的 利 用 便 是 其 中 一 種 當 電 漿 帶 電 時, 電 荷 被 捲 在 磁 力 線 上, 因 此 只 要 製 造 出 磁 場, 就 能 夠 將 電 漿 封 閉, 使 它 們 懸 浮 在 真 空 中 中 子 捕 獲 分 成 兩 種 : 快 作 用 (rapid-process) 緊 接 在 核 塌 縮 超 新 星 之 後, 有 高 溫 和 一 股 強 大 的 中 子 通 量 ( 大 約 有 中 子 每 公 分 ² 每 秒 鐘 ), 因 此 中 子 捕 獲 不 僅 進 行 的 速 率 遠 比 β 衰 變 為 快, 並 且 穩 定 134

135 慢 作 用 (slow-process) 或 稱 為 慢 中 子 捕 獲 過 程, 是 發 生 在 相 對 來 說 中 子 密 度 較 低 和 溫 度 中 等 條 件 下 的 恆 星 進 行 核 合 成 過 程 在 這 樣 的 條 件 下, 原 子 的 核 心 進 行 中 子 捕 獲 的 速 率 相 較 之 下 就 低 於 β 負 衰 變 穩 定 的 同 位 素 捕 獲 中 子 ; 但 是 放 射 性 同 位 素 在 另 一 次 中 子 捕 獲 前 就 先 衰 變 成 為 穩 定 的 子 核, 這 樣 經 由 β 穩 定 的 過 程, 使 同 位 素 沿 著 同 位 素 列 表 的 槽 線 移 動 S- 過 程 大 約 創 造 了 另 一 半 比 鐵 重 的 元 素, 因 此 在 星 系 化 學 演 化 中 扮 演 著 很 重 要 的 角 色 S- 過 程 與 更 快 速 的 r- 過 程 中 子 捕 獲 不 同 的 是 它 的 低 速 率 135

136 一 前 言 宇 宙 論 林 家 暉 仰 望 夜 空, 繁 星 點 點, 千 百 年 來 人 們 為 宇 宙 的 浩 瀚 所 著 迷, 同 時 也 好 奇 著 頂 上 的 星 空, 人 們 開 始 運 用 想 像 力 構 築 他 們 心 目 中 的 宇 宙, 嘗 試 回 答 他 們 心 中 的 疑 惑 隨 著 時 間 推 移, 天 文 觀 測 儀 器 及 方 法 的 長 足 發 展 不 斷 的 把 我 們 的 視 野 像 宇 宙 深 處 拓 展, 太 空 中, 哈 伯 太 空 望 遠 鏡 高 速 運 作, 日 以 繼 夜 地 拍 攝 遙 遠 天 體 的 影 像 ; 地 面 上, 巨 大 的 天 文 望 遠 鏡 在 夜 空 下 搜 索 蒼 穹, 屢 屢 為 我 們 翻 開 宇 宙 奧 秘 的 新 頁 接 下 來 將 由 各 個 古 文 明 的 宇 宙 觀 介 紹 起, 觀 察 數 千 年 前 的 人 們 如 何 解 釋 跟 現 今 差 異 無 幾 的 星 空 二 古 人 對 夜 空 的 想 像 ( 一 ) 古 印 度 古 印 度 人 認 為 大 地 是 由 四 頭 大 象 背 著, 大 象 又 站 在 一 隻 巨 龜 的 背 上 圖 1. 古 印 度 人 的 宇 宙 觀 而 在 古 印 度, 佛 教 的 世 界 觀 影 響 也 很 大, 佛 經 中, 大 的 空 間 叫 佛 剎 虛 空, 小 的 叫 微 塵, 統 稱 為 三 千 大 千 世 界 佛 教 宇 宙 觀 主 張 宇 宙 係 有 無 數 個 世 界 集 一 千 個 小 世 界 稱 為 小 千 世 界, 集 一 千 個 小 千 世 界 稱 為 中 千 世 界, 集 一 千 個 中 千 世 界 稱 為 大 千 世 界 ; 合 小 千 中 千 大 千 總 稱 為 三 千 大 千 世 界 華 嚴 經 稱 : 知 一 世 界 即 是 無 量 無 邊 世 界, 知 無 量 無 邊 世 界 即 是 一 世 界, 知 無 量 無 邊 世 界 入 一 世 界, 知 一 世 界 入 無 量 無 邊 世 界 ( 二 ) 古 中 國 1. 蓋 天 說 蓋 天 說 是 中 國 最 古 老 的 討 論 天 地 結 構 的 體 系 早 期 的 蓋 天 說 認 為 : 天 136

137 圓 如 張 蓋, 地 方 如 棋 局, 天 就 像 一 個 扣 著 的 大 鍋 覆 蓋 著 棋 盤 一 樣 的 大 地 這 樣 的 天 地 形 狀 很 容 易 讓 人 們 產 生 疑 問 : 圓 形 的 天 怎 麼 能 夠 與 方 形 的 大 地 合 攏 呢? 隨 後, 蓋 天 家 又 主 張 : 天 像 圓 形 的 斗 笠, 地 像 扣 著 的 盤 子, 兩 者 都 是 中 間 高 四 周 低 的 拱 形 這 種 蓋 天 說 即 能 克 服 天 圓 地 方 說 的 缺 點, 也 能 解 釋 很 多 天 象 共 工 怒 觸 不 周 山 和 女 媧 補 天 的 神 話 正 是 以 此 為 依 據 的 圖 2. 蓋 天 說 2. 渾 天 說 張 衡 在 渾 天 儀 注 一 文 中 寫 道 : 渾 天 如 雞 子, 天 體 圓 如 彈 丸 地 如 雞 子 中 黃, 孤 居 於 內, 天 大 地 小 天 之 包 地 如 殼 之 裹 黃 天 就 像 一 個 雞 蛋, 大 地 像 其 中 的 蛋 黃, 天 包 著 地 如 同 蛋 殼 包 著 蛋 黃 一 樣 渾 天 說 在 中 國 天 文 學 史 上 佔 有 重 要 的 地 位, 對 中 國 古 代 天 文 儀 器 的 設 計 與 製 造 產 生 了 重 大 的 影 響, 如 渾 天 儀 圖 3. 渾 天 說 3. 宣 夜 說 蓋 天 說 和 渾 天 說 中 的 日 月 星 辰 都 有 一 個 可 供 附 著 的 天 殼, 蓋 天 說 的 附 著 在 天 蓋 上, 渾 天 說 的 附 著 在 像 蛋 殼 一 樣 的 天 球 上, 都 不 用 擔 心 會 掉 下 來 但 是 後 來 人 們 觀 測 到 日 月 星 辰 的 運 動 各 自 不 同, 有 的 快 有 的 慢, 有 的 甚 至 在 一 段 時 間 中 停 滯 不 前, 根 本 就 不 像 附 著 在 一 個 東 西 上 所 以 就 又 產 生 了 一 種 新 的 理 論 宣 夜 說 137

138 宣 夜 說 主 張 : 天 是 無 邊 無 涯 的 氣 體, 沒 有 任 何 形 質, 我 們 之 所 以 看 天 有 一 種 蒼 蒼 然 的 感 覺, 是 因 為 它 離 我 們 太 深 遠 了 日 月 星 辰 自 然 地 漂 浮 在 空 氣 中, 不 需 要 任 何 依 託, 因 此 它 們 各 自 遵 循 自 己 的 運 動 規 律 宣 夜 說 打 破 了 天 的 邊 界, 為 我 們 展 示 了 一 個 無 邊 無 際 的 廣 闊 的 宇 宙 空 間 傳 說 春 秋 戰 國 杞 國 有 一 個 人 聽 說 天 是 由 氣 體 形 成 的, 日 月 星 辰 就 漂 浮 其 中 之 後, 他 非 常 擔 心 天 體 會 掉 下 來, 讓 他 無 處 躲 藏, 於 是 整 日 憂 心 忡 忡, 茶 飯 不 思 即 為 杞 人 憂 天 的 由 來 ( 三 ) 古 希 臘 在 古 典 希 臘, 天 文 學 是 數 學 的 一 個 分 支, 天 文 學 家 的 研 究 目 的 是 創 造 可 以 模 擬 天 體 運 動 現 象 的 幾 何 模 型 這 個 傳 統 始 於 畢 達 哥 拉 斯 學 派 1. 阿 里 斯 塔 克 斯 : 公 元 前 3 世 紀, 阿 里 斯 塔 克 斯 提 出 了 另 外 一 種 宇 宙 學 一 個 太 陽 系 的 日 心 說 模 型, 把 太 陽 而 非 地 球 放 置 在 已 知 宇 宙 的 中 心 ( 因 此 有 時 他 也 被 稱 為 古 希 臘 的 哥 白 尼 ) 但 他 的 天 文 學 觀 點 並 不 被 廣 泛 接 受, 只 有 少 數 簡 略 的 描 述 流 傳 下 來 阿 里 斯 塔 克 擁 有 另 一 項 天 文 成 就, 測 量 太 陽 地 球 和 月 亮 的 距 離, 當 從 地 球 上 看 月 亮 處 於 半 暗 半 亮 的 時 刻, 太 陽 月 亮 和 地 球 正 好 組 成 一 個 直 角 三 角 形, 月 亮 處 於 直 角 的 頂 點, 可 從 地 球 上 測 得 月 地 和 日 地 的 夾 角, 雖 然 當 時 的 儀 器 無 法 測 量 的 很 精 確, 但 是 他 的 方 法 很 正 確, 在 得 出 相 對 距 離 後, 推 測 出 太 陽 和 月 亮 的 實 際 大 小, 也 因 此 得 出 太 陽 比 地 球 大, 正 因 為 如 此, 所 以 他 才 有 理 由 推 測 出 地 球 繞 著 太 陽 轉 的 事 實 畢 竟 大 的 物 體 繞 小 的 物 體 轉 動 不 是 一 件 自 然 的 事 而 近 2000 年 後, 哥 白 尼 才 繼 承 他 的 理 念 2.. 托 勒 密 : 他 於 西 元 2 世 紀 提 出 的 天 文 學 大 成 是 西 方 天 文 學 史 上 最 具 影 響 力 的 著 作 之 一 在 書 中, 托 勒 密 通 過 引 入 一 個 新 的 數 學 工 具 偏 心 勻 速 點 解 釋 了 行 星 運 動 的 預 測 方 法 天 文 學 大 成 是 一 部 系 統 性 的 天 文 學 論 著, 綜 合 了 許 多 前 人 的 地 理 模 型 和 觀 測 結 果 這 可 能 正 是 使 得 它 得 以 流 傳 下 來, 而 不 像 其 他 專 門 性 著 作 一 樣 被 忽 視 和 失 傳 的 原 因 古 希 臘 天 文 學 大 成 的 托 勒 密 以 地 球 為 宇 宙 中 心 的 地 心 體 系 示 意 圖 圖 4. 地 心 說 圖 5. 本 輪 138

139 古 希 臘 天 文 學 是 近 代 天 文 學 的 直 接 淵 源 認 識 了 以 上 三 個 文 明 宇 宙 觀 的 同 時, 也 需 要 了 解 我 們 現 在 對 宇 宙 間 認 知, 其 實 只 是 長 遠 以 來, 人 類 與 時 俱 進 的 宇 宙 觀 念 中 的 一 個 環 節 而 已 我 們 現 在 的 認 知 不 是 真 理, 以 後 也 不 會 是, 因 為 科 學 的 世 界 中 沒 有 真 理, 只 有 現 象 和 解 釋 現 象 的 理 論 模 型 印 度 的 龜 馱 象 說 中 國 的 渾 天 說 希 臘 的 日 心 說, 現 在 都 已 成 了 科 學 發 展 的 軼 聞 和 掌 故 的 確, 千 百 年 前 人 對 宇 宙 的 描 述, 今 天 我 們 稱 作 神 話, 但 卻 是 當 年 他 們 的 科 學 ; 我 們 又 怎 麼 知 道, 今 天 我 們 的 科 學 不 會 變 成 明 天 的 神 話? 三 宇 宙 的 大 小 公 元 100 年 左 右 的 東 漢 時 代, 當 時 科 學 家 張 衡 最 早 提 出 過 此 而 往 者, 未 知 或 知 也 未 知 或 知 者, 宇 宙 之 謂 也 和 宇 之 表 無 極, 宙 之 端 無 窮 的 觀 點 明 確 提 出 由 空 間 和 時 間 構 成 的 宇 宙 大 小 是 無 限 的 觀 念 目 前 關 於 宇 宙 是 否 無 限 的 問 題 還 有 爭 議 如 果 整 個 宇 宙 的 空 間 部 分 是 有 限 的, 那 麼 可 以 用 一 個 距 離 來 表 示 對 於 均 勻 各 向 同 性 的 宇 宙 來 說, 這 就 是 三 維 空 間 的 曲 率 半 徑 但 是, 即 使 宇 宙 整 體 是 無 限 的, 宇 宙 的 可 觀 測 部 分 仍 是 有 限 的 (460 億 光 年 ): 由 於 相 對 論 限 定 光 速 為 宇 宙 中 信 息 傳 播 的 最 高 速 度, 如 果 一 個 光 子 從 大 爆 炸 開 始 傳 播, 到 今 天 傳 播 的 固 有 距 離 為 930 億 光 年, 由 於 宇 宙 在 膨 脹, 相 應 的 距 離 約 為 其 3 倍, 具 體 數 值 與 宇 宙 學 參 數 有 關, 這 一 距 離 稱 為 今 天 宇 宙 的 粒 子 視 界 另 一 個 在 物 理 學 數 量 級 估 計 中 常 用 來 表 示 宇 宙 大 小 的 距 離 稱 為 哈 伯 距 離, 是 哈 伯 常 數 [ 註 1] 的 倒 數 乘 以 光 速, 其 數 值 約 為 1.29 x 厘 米, 也 約 為 930 億 光 年 科 普 和 科 技 書 籍 中 所 指 宇 宙 的 大 小 常 指 這 個 數 值 哈 伯 距 離 可 理 解 為 四 維 時 空 的 曲 率 半 徑 大 霹 靂 學 說 認 為 宇 宙 有 限 但 無 界, 如 同 沿 地 球 表 面 直 走 最 後 會 回 到 原 處 [ 註 1]: 哈 伯 常 數 為 星 系 遠 離 地 球 的 速 度 和 星 系 與 地 球 的 距 離 的 比 值 (H=V/D) By the way 測 定 天 體 距 離 的 方 法 : 1. 視 差 法 : 透 過 背 景 恆 星, 可 以 測 量 出 不 同 兩 地 觀 測 同 一 天 體 之 θ 角 ( 稱 為 視 差 角 ), 進 而 確 定 這 個 直 角 三 角 形 的 各 邊 比 例 關 係 再 量 出 兩 地 長 ( 稱 為 基 線 ), 即 可 求 得 星 球 距 離 此 法 適 用 於 較 近 地 球 之 天 體 139

140 圖 6. 視 差 法 2. 都 普 勒 紅 位 移 法 : 藉 由 觀 察 天 體 之 光 譜 測 得 其 紅 位 移 大 小, 藉 此 量 得 其 遠 離 地 球 之 速 率, 並 利 用 哈 伯 定 律 求 得 距 離 ( 由 於 哈 伯 定 律 可 能 會 隨 時 間 距 離 而 改 變, 因 此 此 法 僅 能 粗 略 估 計 天 體 之 距 離 ) 圖 7. 紅 位 移 法 3. 造 父 變 星 法 : 因 造 父 變 星 變 光 的 光 度 和 脈 動 週 期 有 著 非 常 強 的 直 接 關 聯 性, 因 此 可 藉 由 測 量 脈 動 週 期 ( 光 度 變 化 週 期 ) 得 到 其 絕 對 星 等, 在 比 較 絕 對 星 等 與 視 星 等 之 關 聯 性 求 出 距 離 圖 8. 造 父 變 星 週 期 與 光 度 之 關 係 140

141 四 宇 宙 的 年 齡 ( 一 ) ΛCD 模 型 (ΛCD odel/lambda-cdm Model) Λ- 冷 暗 物 質 (Cold Dark Matter) 模 型 的 簡 稱 它 在 大 爆 炸 宇 宙 學 中 經 常 被 稱 作 索 引 模 型, 這 是 因 為 它 嘗 試 解 釋 了 對 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 宇 宙 大 尺 度 結 構 以 及 宇 宙 加 速 膨 脹 的 超 新 星 觀 測 它 是 當 前 能 夠 對 這 些 現 象 提 供 融 洽 合 理 解 釋 的 最 簡 單 模 型 Λ 意 為 宇 宙 學 常 數 ( 又 稱 宇 宙 常 數, 由 愛 因 斯 坦 提 出 ), 是 解 釋 當 前 宇 宙 觀 測 到 的 加 速 膨 脹 的 暗 能 量 項 宇 宙 學 常 數 經 常 用 表 示, 含 義 是 當 前 宇 宙 中 暗 能 量 相 對 於 一 個 平 直 時 空 的 宇 宙 的 能 量 所 佔 的 比 例 現 在 認 為 這 個 數 值 約 為 0.74, 即 宇 宙 中 有 74% 左 右 的 能 量 是 暗 能 量 ( 稍 後 將 介 紹 ) 的 形 式 冷 暗 物 質 是 一 種 暗 物 質 ( 稍 後 將 介 紹 ) 模 型, 即 它 認 為 在 宇 宙 早 期 輻 射 與 物 質 的 能 量 分 布 相 當 時 暗 物 質 的 速 度 是 非 相 對 論 性 的 ( 遠 小 於 光 速 ), 因 此 暗 物 質 是 冷 的 ; 同 時 它 們 是 非 重 子 構 成 的 ; 不 會 發 生 碰 撞 ( 指 暗 物 質 的 粒 子 不 會 與 其 他 物 質 體 子 發 生 重 力 以 外 的 基 本 交 互 作 用 ) 或 能 量 損 耗 ( 指 暗 物 質 不 會 以 光 子 的 形 式 輻 射 能 量 ) 的 冷 暗 物 質 佔 了 當 前 宇 宙 能 量 密 度 的 22% 剩 餘 的 4% 的 能 量 構 成 了 宇 宙 中 所 有 的 由 重 子 ( 以 及 光 子 等 規 範 玻 色 子 ) 構 成 的 物 質 : 行 星 恆 星 以 及 氣 體 雲 等 ( 二 ) 宇 宙 年 齡 的 測 定 測 定 宇 宙 年 齡 的 問 題 與 測 量 宇 宙 學 參 數 的 問 題 密 切 相 關, 當 今 能 夠 包 含 這 一 問 題 解 答 的 即 是 ΛCD 模 型, 它 認 為 宇 宙 包 含 有 通 常 的 重 子 物 質 冷 暗 物 質 輻 射 ( 包 括 光 子 和 微 中 子 ) 以 及 一 個 宇 宙 學 常 數 ( 暗 能 量 ) 其 中 每 一 種 物 質 所 佔 的 比 例 由 ( 重 子 + 暗 物 質 ) ( 輻 射 ) ( 宇 宙 學 常 數 ) 分 別 表 示 宇 宙 年 齡 亦 與 哈 伯 常 數 有 關, 還 記 得 物 理 教 的 因 次 分 析 (Dimension Analysis) 嗎? 哈 伯 常 數 的 因 次 為 (1/T), 沒 錯, 正 是 時 間 的 倒 數! 當 然 我 們 不 能 因 此 就 說 哈 伯 常 數 的 倒 數 就 等 於 宇 宙 的 年 紀, 這 之 間 牽 涉 到 許 多 原 因 (ΛCD 模 型 中 的 參 數 等 等 ) 可 能 很 難 接 受 的 一 點, 就 是 我 們 連 哈 伯 常 數 是 不 是 常 數 都 還 不 明 瞭, 是 否 隨 時 間 位 置 改 變, 仍 待 物 理 學 家 進 一 步 研 究 目 前 較 被 普 遍 接 受 的 宇 宙 年 齡 為 140 億 年, 因 為 空 間 膨 脹 的 關 係, 可 觀 測 的 宇 宙 為 半 徑 460 億 光 年 的 球 體 五 宇 宙 的 組 成 了 解 我 們 所 存 在 的 宇 宙 一 直 都 是 人 類 的 夢 想, 也 許 你 會 問, 以 目 前 的 科 技 所 了 解 的 宇 宙 是 由 哪 些 東 西 所 組 成 的 呢? 根 據 最 新 的 觀 測 數 據 顯 示, 其 實 我 們 常 在 望 遠 鏡 中 看 到 的 星 星 以 及 日 常 生 活 所 接 觸 到 的 物 質, 實 際 上 只 占 宇 宙 總 能 量 的 百 分 之 五, 其 中 有 百 分 之 141

142 四 是 充 滿 星 際 非 常 非 常 稀 薄 的 自 由 氫 原 子, 百 分 之 0.5 的 物 質 形 成 了 我 們 所 熟 悉 的 星 星, 有 百 分 之 0.3 的 物 質 是 不 愛 與 其 他 物 質 作 用 的 微 中 子, 剩 下 約 百 分 之 0.03 的 物 質 則 是 組 成 行 星 ( 如 地 球 ) 的 重 元 素. 除 了 我 們 所 熟 知 的 物 質 以 外, 目 前 還 有 百 分 之 二 十 五 的 能 量, 是 由 物 理 學 家 仍 然 不 十 分 了 解 的 暗 物 質 所 組 成 的, 占 有 25% 的 能 量, 暗 物 質 參 與 重 力 的 作 用, 與 物 質 的 作 用 十 分 微 弱, 目 前 除 了 宇 宙 背 景 輻 射 的 觀 測 數 據 外, 沒 有 其 他 直 接 的 證 據 觀 測 到 暗 物 質, 也 是 目 前 天 文 粒 子 物 理 的 重 要 研 究 方 向. 很 意 外 的 占 宇 宙 中 能 量 最 大 部 分 的, 是 物 理 學 家 們 最 不 了 解 的 暗 能 量, 使 得 我 們 目 前 所 存 在 的 宇 宙 加 速 膨 脹, 許 多 天 文 觀 測 計 畫 與 計 算 都 與 暗 能 量 有 關, 新 鮮 刺 激 的 研 究 仍 然 在 進 行 中 伊 琉 沙 小 提 示 : 根 據 2013 年 3 月 21 日 發 佈 的 普 朗 克 衛 星 最 新 的 觀 測 結 果 顯 示, 宇 宙 的 年 齡 從 億 年 修 正 為 億 年, 黑 暗 能 量 比 例 下 修 為 68.3%, 黑 暗 物 質 上 修 為 26.8%, 一 般 物 質 則 為 4.9% 圖 9. 宇 宙 組 成 ( 一 ) 暗 物 質 雖 然 人 們 已 經 對 暗 物 質 作 了 許 多 天 文 觀 測, 其 組 成 成 份 至 今 仍 未 能 全 然 瞭 解 早 期 暗 物 質 的 理 論 著 重 在 一 些 隱 藏 起 來 的 一 般 物 質 星 體, 例 如 : 黑 洞 中 子 星 衰 老 的 白 矮 星 褐 矮 星 等 這 些 星 體 一 般 歸 類 為 暈 族 大 質 量 緻 密 天 體 (MAssive Compact Halo Objects,MACHOs) 然 而 多 年 來 的 天 文 觀 測 無 法 找 到 足 夠 量 的 MACHOs 一 般 認 為, 難 以 探 測 的 重 子 物 質 ( 如 MACHOs 以 及 一 些 氣 體 ) 確 實 貢 獻 了 部 分 的 暗 物 質, 但 證 據 指 出 這 類 的 物 質 只 佔 了 其 中 一 小 部 分 而 其 餘 的 部 分 稱 作 非 重 子 暗 物 質 此 外, 星 系 轉 速 曲 線 [ 註 2] 重 力 透 鏡 宇 宙 結 構 形 成 重 子 在 星 系 團 中 的 比 例 以 及 星 系 團 豐 度 ( 結 合 獨 立 得 到 的 重 子 密 度 證 據 ) 等 觀 測 數 據 也 指 出 宇 宙 中 85-90% 的 質 量 不 參 與 電 磁 作 用 這 類 非 重 子 暗 物 質 一 般 猜 測 是 由 一 種 或 多 種 不 同 於 一 般 物 質 ( 電 子 質 子 中 子 微 中 子 等 ) 的 基 本 粒 子 所 構 成 142

143 在 眾 多 可 能 是 組 成 暗 物 質 的 成 分 中, 最 熱 門 的 要 屬 一 種 被 稱 為 大 質 量 弱 交 互 作 用 粒 子 (Weakly Interacting Massive Particle,WIMP) 的 新 粒 子 了 這 種 粒 子 與 普 通 物 質 的 作 用 非 常 微 弱, 以 致 於 他 們 雖 然 存 在 於 我 們 周 圍, 卻 從 來 沒 有 被 探 測 到 過 此 外 惰 性 微 中 子 (sterile neutrino) 及 超 對 稱 粒 子 ( 以 下 的 弦 論 介 紹 中 會 提 到 ) 也 是 暗 物 質 的 候 選 者 歷 史 上, 人 們 將 可 能 的 暗 物 質 分 為 三 個 大 類 : 冷 暗 物 質 溫 暗 物 質 熱 暗 物 質 這 個 分 類 並 非 依 照 粒 子 的 真 實 溫 度, 而 是 依 照 其 運 動 的 速 率 1. 冷 暗 物 質 : 在 古 典 速 度 下 運 動 的 物 質 2. 溫 暗 物 質 : 粒 子 運 動 速 度 足 以 產 生 相 對 論 效 應 3. 熱 暗 物 質 : 粒 子 速 度 接 近 光 速 [ 註 2] 星 系 轉 速 曲 線 : 依 照 牛 頓 力 學, 越 接 近 旋 轉 中 心 的 物 體 其 速 率 越 快, 但 經 由 觀 察 發 現 一 星 系 中 不 同 半 徑 處 的 恆 星 速 率 卻 異 常 相 近, 對 於 較 外 側 的 恆 星, 提 供 其 向 心 力 的 軌 道 內 側 總 質 量 遠 超 過 可 觀 察 的 物 質 質 量 總 和, 因 此 推 論 星 系 空 間 中 必 定 有 無 法 觀 察 卻 擁 有 質 量 的 物 質, 也 就 是 暗 物 質 ( 二 ) 暗 能 量 1. 靜 態 宇 宙 觀 在 19 世 紀 初, 德 國 天 文 學 家 海 因 裡 希 奧 伯 斯 (Heinrich Olbers) 首 先 以 邏 輯 論 證 的 方 式, 指 出 了 宇 宙 必 須 是 有 限 的 他 認 為, 如 果 宇 宙 是 無 限 的, 而 且 在 大 範 圍 上, 恆 星 在 宇 宙 中 分 佈 均 勻, 那 麼 我 們 的 視 線 在 任 何 一 個 方 向 最 終 都 會 碰 上 恆 星, 雖 然 恆 星 越 遠 看 起 來 越 小, 但 是 恆 星 表 面 亮 度 不 變 因 此, 如 果 宇 宙 無 限 大, 那 麼 即 使 在 黑 夜, 天 空 看 起 來 也 應 該 像 星 星 表 面 一 樣 亮 這 顯 然 和 我 們 日 常 經 驗 不 符, 所 以, 奧 伯 斯 認 為 宇 宙 是 有 限 的 當 然, 奧 伯 斯 在 推 論 時, 假 定 了 宇 宙 是 穩 定 靜 態 ( 不 收 縮 也 不 膨 脹 ) 的 但 那 時 候, 人 們 覺 得 這 是 不 言 而 喻 的 運 用 稍 微 嚴 格 的 數 學 推 理, 由 奧 伯 斯 的 假 定 可 以 得 出 結 論, 如 果 宇 宙 無 限 大, 天 空 的 亮 度 應 該 無 限 大 靜 態 宇 宙 被 接 受, 很 大 程 度 上 是 因 為 符 合 了 人 們 的 經 驗, 可 是 要 仔 細 推 敲 起 來, 即 使 在 奧 伯 斯 的 年 代, 還 是 存 在 不 小 的 問 題 因 為 當 時 牛 頓 的 萬 有 引 力 定 律 已 經 被 建 立 起 來 了, 按 照 這 個 理 論, 宇 宙 中 的 物 質 會 互 相 吸 引, 如 果 宇 宙 是 有 限 的, 宇 宙 應 當 有 收 縮 的 傾 向, 最 後 會 坍 塌, 所 以 一 個 有 限 的 宇 宙 應 當 是 不 穩 定 的 當 愛 因 斯 坦 運 用 他 的 廣 義 相 對 論 來 研 究 宇 宙 時, 他 發 現, 由 他 的 理 論 得 出 宇 宙 的 解, 要 麼 膨 脹 要 麼 收 縮 可 是 他 當 時 也 認 為 宇 宙 應 該 是 靜 態 的, 因 此 他 在 理 論 裡, 人 為 的 加 上 了 一 個 所 謂 的 宇 宙 常 數 ( 他 後 來 認 為 那 是 他 一 生 中 最 大 的 錯 誤 ), 在 宇 宙 大 尺 度 上 抵 消 了 引 力, 從 而 得 到 了 一 個 靜 態 的 宇 宙 143

144 2. 賦 予 宇 宙 常 數 新 的 意 義 ---- 暗 能 量 在 物 理 宇 宙 學 中, 暗 能 量 是 一 種 充 溢 空 間 的 增 加 宇 宙 膨 脹 速 度 的 難 以 察 覺 的 能 量 形 式 暗 能 量 假 說 是 當 今 對 宇 宙 加 速 膨 脹 的 觀 測 結 果 的 解 釋 中 最 為 流 行 的 一 種 在 宇 宙 標 準 模 型 中, 暗 能 量 佔 據 宇 宙 73% 的 質 能 ( 宇 宙 膨 脹 指 的 是 空 間 膨 脹, 因 此 並 無 絕 對 中 心 ) 暗 能 量 現 有 兩 種 模 型 : 宇 宙 學 常 數 ( 即 一 種 均 勻 充 滿 空 間 的 常 能 量 密 度 ) 和 純 量 場 ( 即 一 個 能 量 密 度 隨 時 空 變 化 的 動 力 學 場, 如 第 五 元 素 和 模 空 間 ) 對 宇 宙 有 恆 定 影 響 的 純 量 場 常 被 包 含 在 宇 宙 常 數 中 宇 宙 常 數 在 物 理 上 等 價 於 真 空 能 量 在 空 間 上 變 化 的 純 量 場 很 難 從 宇 宙 常 數 中 分 離 出 來, 因 為 變 化 太 緩 慢 了 對 宇 宙 膨 脹 的 高 精 度 測 量 可 以 使 我 們 對 膨 脹 速 度 隨 時 間 變 化 有 更 深 入 的 理 解 在 廣 義 相 對 論 中, 膨 脹 速 度 的 變 化 受 宇 宙 狀 態 方 程 式 的 影 響 確 定 暗 物 質 的 狀 態 方 程 式 是 當 今 觀 測 宇 宙 學 的 最 主 要 問 題 之 一 加 入 宇 宙 學 常 數 後, 依 照 宇 宙 學 標 準 中 的 羅 伯 遜 - 沃 爾 克 度 規 可 以 導 出 Λ- 冷 暗 物 質 模 型 ( 參 見 前 頁 ΛCD 模 型 ), 後 者 因 與 觀 測 結 果 的 精 確 吻 合 而 被 稱 為 宇 宙 標 準 模 型 暗 物 質 被 認 為 是 當 今 形 式 化 宇 宙 迴 圈 模 型 的 至 關 重 要 的 一 個 因 素 有 些 富 有 創 意 的 科 學 家 提 出 若 發 現 暗 物 質 並 且 能 掌 控 它 的 話, 將 之 塗 抹 於 太 空 船 尾, 藉 著 暗 物 質 能 使 空 間 膨 脹 的 特 性 推 進 太 空 船, 並 且 不 受 光 速 限 制 ( 空 間 膨 脹 速 率 大 於 光 速 並 無 違 背 相 對 論 ) 六 宇 宙 的 演 化 三 度 空 間 質 子 的 質 量 比 電 子 大 重 力 反 比 於 距 離 平 方 等 等 我 們 今 天 認 為 理 所 當 然 的 現 象 是 如 何 被 決 定 的 呢? 換 句 話 說, 為 什 麼 宇 宙 會 演 化 成 我 們 現 在 看 到 的 樣 子? 為 了 找 到 這 些 問 題 的 答 案, 物 理 學 家 試 圖 了 解 宇 宙 的 起 源, 提 出 了 種 種 的 推 論, 其 中 又 以 大 霹 靂 理 論 最 廣 為 接 受, 並 且 已 有 許 多 的 觀 測 證 據 作 為 支 撐 圖 10. 宇 宙 的 演 化 144

145 ( 一 ) 大 霹 靂 : 1929 年, 美 國 物 理 學 家 哈 伯 通 過 觀 測 發 現, 從 地 球 到 達 遙 遠 星 系 的 距 離 正 比 於 這 些 星 系 的 紅 移, 也 就 是 愈 遙 遠 的 星 系 遠 離 地 球 的 速 度 越 快, 他 假 設 銀 河 系 並 非 宇 宙 眾 多 星 系 中 特 別 的 星 系, 因 此 每 個 星 系 都 是 彼 此 相 互 遠 離 的, 因 此 若 把 時 間 往 前 回 溯, 宇 宙 中 所 有 星 系 應 該 是 通 通 擠 在 一 起 ( 稱 為 奇 異 點 ), 然 而 愛 因 斯 坦 似 乎 不 認 同 這 種 說 法, 他 認 為 每 個 星 系 都 有 微 量 的 側 向 速 度, 因 此 並 不 會 撞 在 一 起, 但 是, 我 們 現 在 透 過 微 波 背 景 的 觀 測 顯 示 宇 宙 密 度 曾 經 高 達 每 立 方 英 吋 噸, 其 實 廣 義 相 對 論 也 預 言 了 宇 宙 始 於 大 霹 靂, 但 愛 因 斯 坦 本 人 卻 不 喜 歡 這 個 想 法 根 據 大 霹 靂 理 論, 時 間 和 空 間 都 是 從 大 爆 炸 那 點 開 始 的 ( 二 ) 普 朗 克 時 期 ( 從 大 霹 靂 開 始 至 秒 ): 充 滿 未 知 的 怪 異 的 物 理 定 律 它 的 溫 度 高 到 足 以 讓 四 種 基 本 力 - 電 磁 力 重 力 弱 核 力 和 強 核 力 - 都 統 合 成 一 種 基 本 力 ( 三 ) 大 一 統 時 期 ( 從 大 霹 靂 之 後 秒 至 秒 ): 大 一 統 時 期 開 始 於 重 力 從 其 它 自 然 力 中 的 分 離 ( 統 一 強 力 弱 力 和 電 磁 力 的 理 論 稱 為 大 一 統 理 論 ); 結 束 於 強 力 進 一 步 與 電 弱 力 分 離, 在 此 時 期, 物 質 與 反 物 質 保 持 平 衡 圖 11. 大 一 統 理 論 ( 四 ) 電 弱 時 期 ( 從 大 霹 靂 之 後 秒 至 秒 ): 此 時 宇 宙 主 要 由 夸 克 與 反 夸 克 所 主 宰, 暴 脹 ( 大 霹 靂 之 後 秒 至 秒 ) 也 是 發 生 於 電 弱 時 期, 一 般 認 為 在 暴 脹 的 階 段, 宇 宙 的 尺 度 膨 脹 了 倍 左 右 ( 五 ) 夸 克 時 期 ( 大 霹 靂 之 後 秒 至 10 6 秒 ): 當 電 弱 對 稱 ( 也 就 是 電 磁 力 與 弱 力 分 離 ) 被 破 壞 時, 電 弱 時 期 就 結 束 了 重 力 電 磁 力 強 力 和 弱 力 都 形 成 現 在 的 形 式, 但 是 宇 宙 的 溫 度 還 是 太 高, 以 至 於 不 允 許 夸 克 束 縛 在 一 起 形 成 強 子 ( 質 子 中 子 等 ) 145

146 ( 六 ) 強 子 輕 子 時 期 ( 大 霹 靂 之 後 10 6 秒 至 10 秒 ): 正 反 粒 子 互 相 湮 滅 產 生 光 子, 留 下 少 量 正 粒 子, 在 此 時 期 夸 克 組 成 介 子 和 重 子 ( 七 ) 大 霹 靂 之 後 10 秒 至 3 分 鐘 : 質 子 和 中 子 結 合, 形 成 氫 氦 鋰 氘 的 原 子 核 ( 八 ) 大 霹 靂 之 後 3 分 鐘 至 38 萬 年 : 物 質 與 輻 射 開 始 出 現 耦 合, 出 現 第 一 批 穩 定 原 子 ( 九 ) 宇 宙 放 晴 (( 大 霹 靂 之 後 38 萬 年 ): 在 強 子 輕 子 時 期 產 生 的 光 子 頻 繁 的 和 帶 電 的 質 子 電 子 和 可 能 存 在 的 少 量 核 子 進 行 交 互 作 用, 造 成 宇 宙 不 透 明 或 是 " 霧 狀 " 的 雖 然 有 光 線, 但 是 沒 有 光 線 可 以 抵 達 望 遠 鏡 因 此 當 核 子 與 電 子 形 成 穩 定 原 子 後, 光 子 便 可 以 自 由 的 移 動, 宇 宙 因 而 變 得 透 明, 宇 宙 放 晴 前 統 稱 為 黑 暗 時 期 (Dark ages) ( 十 ) 大 霹 靂 之 後 38 萬 年 至 10 億 年 : 物 質 叢 聚 形 成 似 星 體 恆 星 和 原 星 系, 恆 星 內 部 開 始 合 成 較 重 的 原 子 核 ( 十 一 ) 大 霹 靂 之 後 10 億 年 至 137 億 年 : 新 星 系 形 成, 其 中 有 行 星 系 出 現 於 恆 星 周 圍 原 子 互 相 結 合, 形 成 複 雜 的 生 命 分 子 七 萬 有 理 論 (The theory of everything) 宇 宙 如 何 誕 生? 又 是 否 有 終 結 的 一 天? 種 種 的 疑 惑 困 擾 著 物 理 學 家, 他 們 認 為 萬 有 理 論 可 能 為 這 些 古 老 的 問 題 帶 來 解 答, 也 將 為 我 們 揭 開 宇 宙 的 奧 秘 英 國 宇 宙 學 家 史 蒂 芬 霍 金 在 接 受 劍 橋 大 學 盧 卡 遜 數 學 講 座 職 位 時 以 理 論 物 理 學 的 終 結 是 否 已 近 在 眼 前 為 題 發 表 就 職 演 講, 雄 心 勃 勃 地 宣 稱, 物 理 學 家 已 經 瞥 見 了 一 種 終 極 理 論 的 輪 廓, 該 理 論 可 以 把 所 有 自 然 規 律 都 以 一 個 單 一 的 優 美 的 數 學 模 型 表 示 出 來, 也 許 它 將 簡 潔 到 在 一 件 T 恤 衫 上 就 能 打 印 出 來 萬 有 理 論 為 試 圖 統 一 自 然 界 四 種 基 本 相 互 作 用 : 萬 有 引 力 強 相 互 作 用 弱 相 互 作 用 和 電 磁 力 成 一 體 的 理 論 是 在 電 磁 力 和 弱 相 互 作 用 力 成 一 體 的 電 弱 作 用 統 一 理 論 和 加 入 強 相 互 作 用 成 一 體 的 大 統 一 理 論 基 礎 上, 對 統 一 自 然 界 基 本 力 的 進 一 步 努 力 一 個 萬 有 理 論 必 須 是 唯 一 的, 否 則 它 就 不 是 萬 有 的, 因 為 它 不 能 解 釋 它 為 何 是 這 樣 而 不 是 那 樣 萬 有 理 論 中 應 該 沒 有 任 何 自 由 參 數 ; 而 弦 論 即 滿 足 此 一 性 質 因 此 目 前 被 認 為 最 有 可 能 成 功 的 萬 有 理 論 即 是 超 弦 理 論 ( 一 ) 四 大 基 本 力 146

147 基 本 交 互 作 用 為 物 質 間 最 基 本 的 交 互 作 用, 常 稱 為 自 然 界 四 力 或 宇 宙 基 本 力 迄 今 為 止 觀 察 到 的 所 有 關 於 物 質 的 物 理 現 象, 在 物 理 學 中 都 可 藉 助 這 四 種 基 本 交 互 作 用 的 機 制 得 到 描 述 和 解 釋 圖 12. 四 基 本 力 之 統 一 過 程 1. 重 力 : 在 古 典 力 學 中, 重 力 被 認 為 來 自 於 質 量 與 重 力 場 之 間 的 交 互 作 用 ; 在 廣 義 相 對 論 上, 重 力 被 認 為 來 自 於 質 量 與 彎 曲 時 空 之 間 的 交 互 作 用 在 量 子 重 力 理 論 中, 重 力 子 被 假 定 為 重 力 的 傳 送 媒 介 2. 電 磁 力 : 電 力 與 磁 力 有 著 緊 密 關 係, 馬 克 斯 威 爾 方 程 式 便 是 結 合 電 力 和 磁 力 的 理 論 電 磁 力 是 我 們 生 活 中 最 常 接 觸 的 力, 影 響 我 們 的 生 活 至 深 且 廣, 除 了 電 器 外, 球 棒 將 球 擊 出 衣 服 的 纖 維 及 我 們 的 感 覺 都 與 電 磁 力 相 關, 誇 張 一 點, 少 了 電 磁 力, 我 們 甚 至 不 能 思 考 在 原 子 的 尺 度 時, 我 們 必 須 用 量 子 化 的 電 磁 場 來 描 述, 這 種 描 述 法, 就 是 把 兩 粒 子 之 間 的 作 用 看 成 是 在 交 換 光 子 其 實 光 就 是 一 種 電 磁 波, 量 子 化 的 電 磁 效 應 也 就 是 光 電 效 應 這 樣 的 描 述 在 1950 年 代 就 已 發 展 得 相 當 完 善 了, 稱 作 量 子 電 動 力 學 此 外, 電 磁 力 是 僅 次 於 強 力 第 二 大 的 力, 電 子 受 到 的 電 磁 力 甚 至 比 重 力 強 上 42 個 數 量 級 以 上, 這 也 就 是 為 什 麼 我 們 可 以 輕 易 的 用 一 小 塊 磁 鐵 吸 起 一 串 鑰 匙, 也 就 是 克 服 一 整 個 地 球 對 鑰 匙 的 吸 引 力 147

148 3. 強 力 : 強 交 互 作 用 是 作 用 於 強 子 之 間 的 力, 是 四 大 基 本 作 用 力 中 最 強 的, 也 是 作 用 距 離 第 二 短 的 ( 大 約 在 m 範 圍 內, 只 比 弱 交 互 作 用 的 範 圍 大 ) 核 子 間 的 核 力 就 是 強 交 互 作 用, 它 抵 抗 了 質 子 之 間 的 強 大 的 電 磁 力, 維 持 了 原 子 核 的 穩 定 強 力 大 小 約 為 電 磁 力 的 100 倍 4. 弱 力 : 次 原 子 粒 子 的 放 射 性 衰 變 就 是 由 它 引 起 的, 在 粒 子 的 β 衰 變 中 最 為 明 顯, 恆 星 中 氫 融 合 的 過 程 也 是 由 它 啟 動 的 弱 交 互 作 用 會 影 響 所 有 費 米 子, 即 所 有 自 旋 為 半 奇 數 的 粒 子 火 山 爆 發 也 是 由 粒 子 衰 變 的 能 量 所 引 起, 因 此 可 以 說, 我 們 使 用 的 地 熱 能 源 即 是 源 自 於 弱 力 ( 二 ) 超 弦 理 論 (Superstring): 在 奇 異 點 因 為 具 有 相 當 大 的 質 量 壓 縮 在 非 常 小 的 體 積 因 此 必 須 同 時 使 用 廣 義 相 對 論 及 量 子 力 學 才 能 描 述 當 時 的 情 況, 然 而 廣 義 相 對 論 與 量 子 力 學 卻 存 在 相 當 的 矛 盾, 因 此 許 多 物 理 學 家 試 圖 找 出 一 個 理 論 統 一 這 兩 大 理 論, 一 般 稱 為 萬 有 理 論, 而 目 前 超 弦 理 論 正 是 候 選 理 論 1. 發 展 過 程 : 最 早 期 的 弦 論 叫 做 玻 色 弦 理 論, 由 南 部 陽 一 郎 所 提 出, 玻 色 弦 理 論 是 最 簡 單 的 一 個 弦 論 的 模 型, 它 最 重 要 的 物 理 圖 像 是 認 為 物 理 粒 子 不 是 單 純 的 點 粒 子, 而 是 由 於 弦 的 振 動 產 生 的 激 發 態 顯 然 它 有 很 大 的 缺 點, 其 一 是 它 只 簡 單 描 述 純 量 玻 色 子, 沒 有 將 費 米 子 引 入 框 架 內 ; 其 二 沒 有 包 含 一 般 量 子 場 論 中 的 規 範 對 稱 性 ; 其 三 是 當 研 究 它 的 質 量 譜 時 候 發 現, 它 的 真 空 態 是 一 組 質 量 平 方 小 於 零 的 不 穩 定 快 子 這 些 缺 點 使 得 此 理 論 沒 有 被 多 數 物 理 學 家 重 視, 取 而 代 之 的 是 量 子 色 動 力 學 雖 然 屬 於 冷 門 研 究 領 域, 弦 論 還 是 不 斷 發 展, 真 正 的 轉 捩 點 ( 第 一 次 超 弦 革 命 ) 是 將 超 對 稱 性 [ 註 3] 加 入 弦 論 後, 發 展 而 成 的 超 弦 理 論 ( 這 也 是 超 字 的 由 來 ), 因 為 它 能 夠 成 功 描 述 四 大 基 本 力, 很 有 可 能 會 成 為 萬 有 理 論 弦 理 論 也 可 能 是 量 子 重 力 的 解 決 方 案 之 一 因 此 它 又 再 度 受 到 科 學 界 的 注 意, 也 吸 引 更 多 科 學 家 研 究 超 弦 理 論 弦 論 家 將 M 理 論 加 入 後, 更 加 提 升 了 超 弦 理 論 成 為 萬 有 理 論 的 可 能, 因 此 M 理 論 的 加 入 被 稱 為 第 二 次 超 弦 革 命 2. 基 本 概 念 : 弦 論 的 出 發 點 是, 如 果 我 們 有 更 高 精 密 度 的 實 驗, 也 許 會 發 現 基 本 粒 子 其 實 是 條 線 這 條 線 或 許 是 一 個 線 段, 稱 作 開 弦 (open string), 或 是 一 個 迴 圈, 稱 作 閉 弦 (closed string) 不 論 如 何, 弦 可 以 振 動, 而 不 同 的 振 動 態 會 在 精 密 度 不 佳 時 被 誤 認 為 不 同 的 粒 子 各 個 振 動 態 的 性 質, 對 應 到 不 同 粒 子 的 性 質 為 了 方 便 想 像, 我 們 把 三 維 世 界 投 影 到 二 維 膜 上, 弦 ( 開 放 弦 ) 的 兩 端 黏 在 膜 148

149 上, 就 像 是 小 提 琴 的 弦 兩 端 固 定 在 琴 身 一 樣, 琴 弦 的 震 動 會 產 生 節 點, 節 點 數 的 不 同 也 就 構 成 了 各 式 各 樣 的 基 本 粒 子, 以 下 將 介 紹 開 放 弦 和 封 閉 弦 的 不 同 (1) 開 放 弦 : 構 成 除 重 力 子 外 的 基 本 粒 子, 因 為 兩 端 皆 黏 在 膜 上 所 以 無 法 此 膜 世 界 (2) 封 閉 弦 : 構 成 重 力 子, 可 以 逃 到 其 他 膜 世 界 ( 至 較 高 維 度 空 間 ), 也 因 此 重 力 較 其 他 三 種 基 本 力 弱 非 常 多 圖 13. 超 弦 理 論 3. M 理 論 (M-theory): 至 1995 年, 一 共 有 五 種 已 知 的 自 洽 超 弦 理 論 ( 本 文 此 後 均 稱 之 為 超 弦 理 論 ), 分 別 稱 為 I 型 弦 理 論 IIA 型 弦 理 論 IIB 型 弦 理 論, 混 和 SO(32)(HO 弦 理 論 ) 理 論, 及 混 和 E8 E8(HE 弦 理 論 ) 理 論 這 五 種 理 論 都 有 共 同 的 理 論 基 礎 特 色, 因 而 它 們 的 理 論 名 稱 裡 面 都 含 有 弦 理 論 每 一 種 弦 理 論 的 共 同 基 礎 都 是 基 於 一 種 大 小 約 在 一 維 普 朗 克 長 度 上 的 震 動 弦 計 算 顯 示 所 有 的 弦 理 論 都 需 要 多 於 正 常 四 維 的 時 空 維 度 ( 雖 然 所 有 的 額 外 維 度 都 實 際 上 是 空 間 ) 當 這 些 理 論 進 行 細 部 分 析 的 時 候, 許 多 巨 大 的 不 同 性 就 顯 現 出 來 了, 因 此 需 要 一 個 理 論 整 合 這 五 種 弦 論 M 理 論 由 愛 德 華 維 騰 提 出, 原 始 M 理 論 的 M 字 是 取 自 於 膜 (membrane), 膜 理 論 是 一 個 統 一 化 弦 理 論 當 中 的 建 設 性 設 計 方 案 不 過, 由 於 維 騰 比 他 的 同 行 們 更 加 懷 疑 膜 理 論 的 真 確 性, 他 最 後 選 擇 了 M 理 論 而 非 膜 理 論 作 為 理 論 名 稱 (M 有 Magic( 魔 術 理 論 ) Mystery( 神 祕 理 論 ) 及 Mother( 源 母 理 論 ) 等 意 ). M 理 論 中 指 出, 描 述 完 整 的 物 理 世 界 一 共 需 要 十 一 個 維 度, 其 維 度 超 過 弦 理 論 所 需 要 的 十 維, 更 加 入 了 難 以 想 像 的 p 維 膜 (p 從 0 到 9), 我 們 之 所 以 看 不 到 額 外 維 度, 是 因 為 他 們 捲 曲 到 極 小 的 狀 態, 捲 曲 的 方 式 端 視 內 空 間 而 定,M 理 論 的 解 答 容 許 個 內 空 間 存 在, 這 意 味 著 有 個 外 觀 法 則 不 同 的 宇 宙 存 在! 149

150 圖 14. M 理 論 超 弦 理 論 被 猛 烈 抨 擊 缺 乏 可 預 測 性 及 無 法 驗 證, 質 疑 M 理 論 者, 大 多 數 是 術 有 專 精 的 實 驗 物 理 學 家 雖 然 進 一 步 的 研 究 不 斷 地 加 入 周 邊 相 關 理 論 的 數 學 架 構, 目 前 所 理 解 的 M 理 論 是 否 是 個 成 功 的 理 論 則 是 大 受 質 疑, 特 別 是 其 理 論 的 不 完 備 性 預 測 能 力 有 限, 此 外 物 理 詮 釋 方 向 可 任 人 觀 點 而 異, 而 不 具 備 科 學 的 實 證 客 觀 性 可 以 說 超 弦 理 論 目 前 還 在 發 展 的 階 段, 雖 然 仍 存 在 許 多 難 題 需 要 克 服, 但 無 可 否 認 得 是, 如 果 此 理 論 被 證 明 是 正 確 的, 那 是 比 會 對 人 們 的 宇 宙 觀 造 成 巨 大 的 改 變 [ 註 3] 費 米 子 和 玻 色 子 互 為 超 對 稱 粒 子, 理 論 上 每 一 種 基 本 粒 子 都 有 與 之 對 應 的 超 對 稱 粒 子, 因 此 有 些 尚 未 被 發 現 的 基 本 粒 子 被 認 為 是 組 成 暗 物 質 的 粒 子 之 一 費 米 子 : 形 成 物 質 的 基 本 粒 子, 自 旋 量 為 奇 數 的 一 半 (1/2 3/2 5/ ), 如 : 電 子 夸 克 玻 色 子 : 傳 遞 力 的 基 本 粒 子, 自 旋 量 為 整 數 (0 1 2 ), 如 光 子 重 力 子, 其 中 自 旋 量 為 0 者 為 希 格 斯 粒 子 (Higgs boson) 八 相 關 大 型 計 畫 ( 一 ) LHC: 大 型 強 子 對 撞 機 (Large Hadron Collider,LHC) 是 一 座 位 於 瑞 士 日 內 瓦 近 郊 歐 洲 核 子 研 究 組 織 (CERN) 的 對 撞 型 粒 子 加 速 器, 作 為 國 際 高 能 物 理 學 研 究 之 用 LHC 已 經 建 造 完 成,2008 年 9 月 10 日 開 始 試 運 轉, 並 且 成 功 地 維 持 了 兩 質 子 束 在 軌 道 中 運 行, 成 為 世 界 上 最 大 的 粒 子 加 速 器 設 施 150

151 圖 15. 大 型 強 子 對 撞 機 ( 二 ) ILC: 國 際 直 線 對 撞 機 (International Linear Collider, ILC) 這 個 對 撞 機 的 技 術 實 現 方 法 已 於 2004 年 8 月 決 定, 但 其 地 址 還 沒 有 決 定 國 際 直 線 對 撞 機 與 大 型 強 子 對 撞 機 是 互 相 補 充 的 實 驗 設 備, 大 型 強 子 對 撞 機 適 合 用 來 尋 找 新 的 粒 子, 而 國 際 直 線 對 撞 機 則 適 合 用 來 精 確 地 測 量 這 些 粒 子 的 特 性 ( 發 現 定 律 ) 圖 16. 國 際 直 線 對 撞 機 ( 三 ) ALMA: 阿 塔 卡 瑪 大 型 毫 米 波 天 線 陣 (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array,ALMA) 是 多 個 國 家 地 區 的 研 究 機 構 在 智 利 北 部 合 作 建 造 的 一 台 大 型 無 線 電 望 遠 鏡 陣 列, 由 64 台 口 徑 為 12 米 的 天 線 組 成, 工 作 在 毫 米 波 和 亞 毫 米 波 151

152 圖 17. 阿 塔 卡 瑪 大 型 毫 米 波 天 線 陣 ( 四 ) LISA: 雷 射 干 涉 空 間 天 線 (Laser Interferometer Space Antenna,LISA) 是 一 個 由 美 國 國 家 航 空 暨 太 空 總 署 (NASA) 和 歐 洲 太 空 總 署 (ESA) 合 作 的 重 力 波 探 測 計 劃, 目 前 仍 在 設 計 階 段, 計 劃 於 2015 年 投 入 運 行, 這 將 是 人 類 第 一 座 太 空 中 的 重 力 波 天 文 台 LISA 將 利 用 雷 射 干 涉 的 方 法 精 確 測 量 信 號 相 位, 從 而 對 於 來 自 宇 宙 間 遙 遠 的 引 力 波 源 的 低 頻 且 微 弱 的 引 力 波 進 行 探 測 這 將 對 重 力 波 天 文 學 的 理 論 和 實 驗 研 究, 廣 義 相 對 論 的 一 些 實 驗 觀 測 以 及 早 期 宇 宙 的 天 體 物 理 學 和 宇 宙 學 研 究 有 重 要 意 義 圖 18. 雷 射 干 涉 空 間 天 線 ( 五 ) 超 級 神 岡 探 測 器 (Super-Kamiokande): 是 日 本 東 京 大 學 建 造 的 大 型 微 中 子 探 測 器, 最 初 目 標 是 探 測 質 子 衰 變, 也 能 夠 探 測 太 陽 地 球 大 氣 和 超 新 星 爆 發 產 生 的 微 中 子 它 位 於 日 本 岐 阜 縣 飛 騨 市 神 岡 町 ( 舊 吉 城 郡 ) 神 岡 礦 山 的 一 個 深 達 1000 米 的 廢 棄 砷 礦 中 152

153 圖 19. 超 級 神 岡 探 測 器 九 結 語 當 我 們 在 閱 讀 本 章 講 義 時, 哈 伯 太 空 望 遠 鏡 正 不 斷 地 搜 索 最 遙 遠 的 宇 宙, 位 於 太 陽 系 邊 緣 的 航 海 家 一 號 正 以 每 秒 17 公 里 的 速 度 遠 離 地 球, 太 陽 正 以 每 秒 六 億 噸 的 速 率 燃 燒 氫 氣, 宇 宙 正 以 每 秒 74 公 里 的 速 度 膨 脹, 浩 瀚 的 宇 宙 即 使 到 今 天 仍 然 不 斷 改 變 其 面 貌, 人 類 雖 然 形 體 渺 小, 追 求 宇 宙 的 心 卻 無 遠 弗 屆, 在 這 顆 不 大 的 藍 色 星 球 上, 漸 漸 描 繪 出 蒼 穹 宇 宙 的 輪 廓 十 參 考 網 址 絕 對 好 奇 霍 金 的 宇 宙 優 雅 的 宇 宙 與 摩 根. 弗 里 曼 一 起 穿 越 蟲 洞 十 一 參 考 書 目 大 設 計 : 史 蒂 芬. 霍 金 (Stephen Hawking) 雷 納. 曼 羅 迪 諾 (Leonard Mlodinow)/ 著, 郭 兆 林 周 念 縈 / 譯, 大 塊 文 化 / 出 版, 出 版 日 期 :2011 年 03 月 02 日 胡 桃 裡 的 宇 宙 作 者 : 史 蒂 芬. 霍 金 (Stephen Hawking)/ 著, 葉 李 華 / 譯, 大 塊 文 化 / 出 版, 出 版 日 期 :2001 年 11 月 26 日 宇 宙 簡 史 : Joseph Silk 著, 林 鼎 章 / 譯, 遠 哲 / 出 版, 出 版 日 期 :1999 年 10 月 30 日 Newton 牛 頓 科 學 雜 誌 (4 月 號 /2013 第 66 期 ): 牛 頓 媒 體 / 出 版, 出 版 日 期 :2013 年 04 月 01 日 153

154 天 文 攝 影 丁 聿 懷 1. 固 定 攝 影 : 把 相 機 固 定 著 進 行 曝 光 的 一 種 攝 影 法 器 材 : 相 機 腳 架 快 門 線 ( 閃 光 燈 遮 光 罩 ) 對 象 : 星 軌 包 括 肉 眼 看 得 見 的 天 象 如 星 座 流 星 人 造 衛 星 銀 河 2. 直 焦 攝 影 : 利 用 望 遠 鏡 當 作 相 機 鏡 頭, 加 上 赤 道 儀 的 追 蹤 攝 影 器 材 : 相 機 快 門 線 望 遠 鏡 赤 道 儀 ( 導 星 望 遠 鏡 星 圖 紅 色 手 電 筒 ) 對 象 : 較 黯 淡 的 星 體 154

155 3. 擴 大 攝 影 :: 在 望 遠 鏡 與 相 機 之 間 裝 上 目 鏡, 曝 光 時 間 比 較 短 器 材 : 相 機 快 門 線 望 遠 鏡 赤 道 儀 目 鏡 對 象 : 太 陽 月 亮 行 星 感 光 元 件 : CCD(Charge-coupled Device), 是 一 種 積 體 電 路, 上 有 許 多 排 列 整 齊 的 電 容, 能 感 應 光 線, 並 將 影 像 轉 變 成 數 字 訊 號 經 由 外 部 電 路 的 控 制, 每 個 小 電 容 能 將 其 所 帶 的 電 荷 轉 給 它 相 鄰 的 電 容 原 理 : 光 電 效 應 ( 物 質 吸 收 光 子 並 激 發 出 自 由 電 子 的 行 為 ) 曝 光 : 155

156 光 圈 : 若 光 圈 值 的 大 小 為 n, 則 實 際 大 小 為 : n,f 為 焦 距 ISO 值 : ISO 越 高, 噪 訊 越 高 影 像 處 理 : 減 少 大 氣 光 害 等 影 響 Dark Frame: 溫 度 雜 訊 和 宇 宙 輻 射 等 都 會 影 響 CCD 表 面 的 像 素, 為 去 除 背 景 雜 訊, 要 先 在 快 門 關 閉 時 取 影 像 訊 號 的 平 均 值, 即 為 dark frame 打 開 快 門, 取 得 影 像 後 減 去 dark frame 的 值, 濾 除 系 統 雜 訊, 就 可 得 到 更 清 晰 的 細 節 156

157 望 遠 鏡 原 理 吳 冠 昱 望 遠 鏡 原 理 1. 甚 麼 是 望 遠 鏡 望 遠 鏡, 是 通 過 光 學 成 像 的 方 法 使 人 看 到 遠 處 的 物 體, 並 且 顯 得 大 而 近 的 一 種 儀 器 但 是 隨 著 近 代 科 技 的 發 展, 望 遠 鏡 能 夠 觀 測 的 已 經 突 破 了 可 見 光 波 段, 從 無 線 電 到 伽 瑪 射 線 的 各 種 波 段 的 輻 射 都 可 以 通 過 不 同 類 型 的 望 遠 鏡 收 集 然 而, 大 部 分 的 光 學 望 遠 鏡 都 是 觀 測 可 見 光 的 圖 一 位 於 澳 大 利 亞 帕 克 斯 天 文 台 的 無 線 電 波 望 遠 鏡 光 學 望 遠 鏡 是 用 於 收 集 可 見 光 的 一 種 望 遠 鏡, 並 且 經 由 聚 焦 光 線, 可 以 直 接 放 大 影 像 進 行 目 視 觀 測 或 者 攝 影 等 等, 特 別 是 指 用 於 觀 察 夜 空, 固 定 在 架 台 上 的 單 筒 望 遠 鏡, 也 包 括 手 持 的 雙 筒 鏡 我 們 以 天 文 社 上 的 望 遠 鏡 來 舉 例 圖 二 單 筒 望 遠 鏡 (PENTAX 折 射 式 望 遠 鏡 ) 圖 三 雙 筒 望 遠 鏡 ( 雙 筒 12X80) 157

158 補 充 : 為 什 麼 大 部 分 的 望 遠 鏡 都 是 觀 測 可 見 光 的? 1. 最 基 本 的 答 案 : 人 眼 只 能 看 到 可 見 光 2. 觀 測 條 件 的 限 制 : 見 圖 四, 大 氣 層 會 吸 收 許 多 波 段 的 光,X 軸 為 波 長 Y 軸 為 吸 收 率, 只 有 可 見 光 和 無 線 電 波 的 吸 收 率 比 較 小, 所 以 在 地 表 觀 測 可 見 光 和 無 線 電 波 教 不 會 受 到 影 響 其 他 波 段 諸 如 紫 外 光 X 射 線 伽 瑪 射 線 等 等 必 須 使 用 太 空 望 遠 鏡 才 能 觀 測, 因 為 在 地 表 上 就 算 有 儀 器 也 會 因 為 被 大 氣 吸 收 而 看 不 到 圖 四 : 無 線 電 波 譜 與 吸 收 率 2. 望 遠 鏡 的 構 造 原 理 與 發 展 A. 光 學 物 理 再 談 望 遠 鏡 之 前, 有 些 光 學 物 理 必 須 先 提 一 下 我 們 都 知 道, 凸 透 鏡 以 及 凹 面 鏡 都 有 放 大 的 效 果 事 實 上, 我 們 就 是 借 助 這 些 將 光 線 聚 集 放 大 的 光 學 元 件 來 製 造 出 望 遠 鏡 的 第 一 個 要 帶 過 的 是 基 本 的 反 射 定 律, 我 想 大 家 應 該 都 沒 有 問 題 158

159 圖 五 : 反 射 定 律 第 二 個 要 說 的 是 折 射 定 律 當 光 波 從 一 種 介 質 傳 播 到 另 一 種 具 有 不 同 折 射 率 的 介 質 時, 會 發 生 折 射 現 像, 其 入 射 角 與 折 射 角 之 間 的 關 係, 可 以 用 司 乃 耳 定 律 (Snell's Law) 來 描 述 司 乃 耳 定 律 是 因 荷 蘭 物 理 學 家 威 理 博 司 乃 耳 而 命 名, 又 稱 為 折 射 定 律 其 中 n1 和 n2 分 別 為 兩 介 值 之 折 射 率 又 我 們 定 真 空 中 的 折 射 率 n=1, 光 從 真 空 進 入 某 種 介 質 發 生 折 射 時, 入 射 角 的 sin 值 跟 折 射 角 的 sin 值 比, 等 於 這 種 介 質 的 折 射 率 公 式 如 下 : 圖 六 : 折 射 定 律 第 三 個 要 講 的 的 是 透 鏡 與 色 散 圖 七 : 色 散 159

160 大 家 都 知 道 光 通 過 三 菱 鏡 會 產 生 色 散, 與 原 本 光 線 路 徑 相 比 偏 折 的 角 度 稱 為 偏 折 角 其 中 紅 光 ( 長 波 ) 偏 折 角 最 小, 紫 光 偏 折 角 最 大 事 實 上, 光 通 過 所 有 介 質 都 會 產 生 色 散, 因 為 各 個 色 光 在 每 種 介 質 中 的 行 進 速 率 不 同, 所 以 折 射 角 度 和 折 射 率 也 都 不 相 同 關 於 透 鏡 的 成 像 原 理 機 制, 此 處 略 過 不 提 光 通 過 玻 璃 透 鏡 時 也 會 有 色 散 現 象, 我 們 把 它 稱 為 色 差 色 差 是 透 鏡 特 有 的 現 象, 在 面 鏡 中 ( 我 們 等 等 會 提 到 ) 沒 有 色 差 的 問 題 而 色 差 在 觀 測 上 會 很 嚴 重 的 影 響, 如 下 圖 所 示 圖 八 色 差 的 情 況 圖 九 : 產 生 色 差 的 星 點 上 圖 是 正 確 的 影 像, 下 圖 是 有 色 差 的 影 像 色 差 使 物 件 編 原 模 糊 變 形 變 色 注 意 影 像 的 右 邊 有 明 顯 的 藍 紫 色 光 的 色 差 一 般 而 言, 照 片 中 高 對 比 區 域 的 邊 緣 就 是 最 容 易 出 現 色 散 的 地 方, 通 常 會 看 到 紫 藍 色 或 黃 綠 色 的 線 條, 紅 色 也 有 可 能 出 現 但 不 常 見 再 來 我 們 要 講 面 鏡 以 及 像 差 凹 面 鏡 與 凸 透 鏡 有 非 常 相 似 的 光 學 性 質 我 們 也 可 以 使 用 凹 面 鏡 來 成 像 凹 面 鏡 可 以 分 成 兩 種 : 球 面 鏡 與 拋 物 面 鏡 拋 物 面 鏡 圖 11 拋 物 面 鏡 與 成 像 情 況 160

161 顧 名 思 義, 拋 物 面 鏡 就 是 鏡 面 為 一 拋 物 曲 線 的 面 鏡 根 據 拋 物 線 的 幾 何 性 質, 所 有 的 平 行 入 射 光 都 會 會 聚 在 焦 點 上 所 以 拋 物 面 鏡 的 成 像 很 銳 利 完 美 但 是 在 製 作 望 遠 鏡 時, 精 確 的 拋 物 線 面 鏡 是 相 當 難 做 到 的, 只 要 有 一 點 瑕 疵, 光 就 無 法 會 聚 在 一 點 也 就 無 法 獲 得 清 晰 的 影 像 而 複 雜 困 難 的 製 作 鏡 片 手 續 也 大 幅 提 高 了 拋 物 面 鏡 的 成 本 球 面 鏡 圖 12 球 面 鏡 與 成 像 情 形 球 面 鏡 顧 名 思 義 就 是 鏡 面 是 一 個 球 面 的 凹 面 鏡 事 實 上 球 面 鏡 是 拋 物 面 鏡 的 一 種 近 似, 所 以 也 具 有 相 同 的 功 能 而 球 面 相 對 拋 物 面 更 容 易 來 精 密 製 作, 成 本 也 更 低, 所 以 現 在 很 多 望 遠 鏡 都 用 製 程 較 為 簡 單 的 球 面 鏡 取 代 拋 物 鏡 將 大 幅 減 低 成 本 但 是 球 面 鏡 的 成 像 如 上 圖 所 示 : 我 們 可 以 發 現 反 射 光 並 非 聚 集 在 一 點 焦 點 上!!! 這 就 是 所 謂 的 球 面 像 差 在 光 學 中, 通 常 是 發 生 在 經 過 面 鏡 反 射 的 光 線 ( 有 時 也 會 因 透 鏡 折 射 產 生 ), 接 近 中 心 與 靠 近 邊 緣 的 光 線 不 能 將 影 像 聚 集 在 一 個 點 上 的 現 象 圖 13 球 面 像 差 這 就 是 一 張 球 面 像 差 的 極 端 例 子, 這 台 相 機 已 經 準 確 對 焦, 但 影 像 可 能 整 個 161

162 都 是 模 糊 的, 因 為 球 面 像 差 造 成 光 現 不 能 準 確 會 聚 在 焦 點 上 最 後 我 們 要 介 紹 另 一 種 像 差 : 彗 形 像 差 而 拋 物 面 鏡 或 透 鏡 上 有 時 候 會 有 彗 形 像 差 彗 形 像 差, 又 稱 彗 星 像 差, 來 自 於 視 野 中 心 區 域 的 點 光 源 ( 像 是 恆 星 ) 可 以 很 好 的 匯 聚 在 面 鏡 的 焦 點 上 ( 不 同 於 球 面 鏡, 來 自 於 鏡 子 周 圍 部 分 的 光 線 只 是 接 近 焦 點 球 面 像 差 ) 但 是, 來 自 於 偏 離 光 軸 方 向 的 光 線, 自 鏡 子 的 不 同 區 域 反 射 的 光 卻 不 能 匯 聚 在 相 同 的 焦 點 上 這 樣 的 結 果 導 致 不 在 視 野 中 心 的 光 看 起 來 是 楔 形 的 問 題, 而 且 離 軸 越 遠, 這 個 現 象 越 明 顯 這 使 得 星 點 看 起 來 有 著 彗 星 的 形 狀, 因 而 得 名 圖 14 彗 形 像 差 的 光 徑 圖, 注 意 成 像 出 來 的 圖 形 與 光 行 進 路 徑 的 關 係 圖 15 彗 形 像 差 的 實 際 比 較, 左 為 正 常, 右 為 彗 形 像 差 B. 望 遠 鏡 的 重 要 參 數 1. 口 徑 : 物 鏡 口 徑 與 望 遠 鏡 的 集 光 力 有 直 接 的 關 係 望 遠 鏡 的 口 徑 越 大, 收 集 到 的 光 越 多, 從 而 能 夠 看 到 越 為 暗 弱 的 天 體 2. 倍 率 : 放 大 倍 數 的 計 算 公 式 如 下 : 其 中 M 表 示 放 大 倍 數,F 表 示 物 鏡 的 焦 距,f 表 示 目 鏡 的 焦 距 162

163 望 遠 鏡 的 放 大 倍 數 通 常 刻 在 鏡 身 上, 用 倍 數 物 鏡 口 徑 來 表 達 比 如 8 30, 表 示 該 望 遠 鏡 放 大 倍 數 為 8 倍, 物 鏡 口 徑 為 30 毫 米 在 倍 率 的 計 算 中, 通 常 物 鏡 的 焦 距 是 固 定 的, 而 變 換 不 同 的 目 鏡, 就 可 以 使 用 多 種 不 同 的 倍 率 觀 測 星 星. 放 大 倍 率 越 大, 看 到 的 範 圍 就 越 小. 3. 解 析 力 : 天 文 望 遠 鏡 中 剛 剛 好 能 夠 區 分 開 兩 個 星 點 的 角 距 離 叫 做 分 辨 角, 用 希 臘 字 母 δ 表 示, 採 用 弧 度 做 單 位 分 辨 角 越 小, 表 示 越 能 分 辨 出 靠 得 近 的 天 體 分 辨 角 與 物 鏡 口 徑 的 關 係 ( 瑞 利 關 係 ) 是 : 其 中 λ 是 入 射 光 的 波 長,D 是 望 遠 鏡 的 物 鏡 口 徑 從 上 式 中 可 以 看 出, 物 鏡 口 徑 越 大, 分 辨 角 越 小, 望 遠 鏡 的 解 析 力 越 高, 分 辨 出 天 體 細 節 的 能 力 越 強 4. 適 眼 距 適 眼 距 是 望 遠 鏡 顯 微 鏡 或 雙 筒 望 遠 鏡 等 儀 器, 在 使 用 者 能 清 楚 的 看 見 影 像 時, 所 能 允 許 的 眼 睛 與 目 鏡 間 的 最 大 距 離 光 學 設 計 不 良 的 系 統, 會 強 迫 使 用 者 的 眼 睛 必 須 貼 近 目 鏡 以 避 免 影 像 週 邊 的 暈 像 產 生, 也 會 造 成 光 線 的 浪 費 和 影 像 變 得 黯 淡 5. 焦 比 焦 距 決 定 瞭 望 遠 鏡 在 配 上 目 鏡 普 通 底 片 後 可 能 觀 看 的 視 野 大 小 望 遠 鏡 的 焦 比 ( 焦 距 比 或 f 數, 即 攝 影 術 語 之 光 圈 ) 是 焦 長 和 物 鏡 口 徑 ( 直 徑 ) 比 值 因 此 當 口 徑 ( 集 光 力 ) 不 變 時, 焦 比 低 的 視 野 較 大 6. 集 光 力 一 架 望 遠 鏡 的 集 光 力 直 接 與 物 鏡 ( 透 鏡 或 鏡 片 ) 的 直 徑 ( 即 口 徑 ) 有 關 要 注 意 圓 面 積 與 半 徑 的 平 方 成 正 比, 因 此 當 望 遠 鏡 的 鏡 片 直 徑 增 加 三 倍 時, 集 光 力 會 增 加 九 倍, 口 徑 越 大 收 集 的 光 線 越 多 7. 極 限 星 等 : 星 等 越 大, 代 表 星 星 越 暗, 一 台 天 文 望 遠 鏡 能 看 到 多 暗 的 星 星 是 有 一 定 的 限 制, 所 以 每 台 天 文 望 遠 鏡, 都 有 這 一 台 望 遠 鏡 的 極 限 星 等. 譬 如 說, 一 台 望 遠 鏡 只 能 看 到 13 等 的 星 星, 它 就 看 不 到 15 等 的 星 星 163

164 C. 單 筒 望 遠 鏡 的 演 化 史 : 1. 折 射 式 望 遠 鏡 的 出 現 1609 年 初 夏 義 大 利 的 科 學 家 伽 俐 略 改 良 前 人 設 計 (Galileo Galilei) 將 凸 凹 透 鏡 各 一 面, 裝 在 一 條 長 二 十 英 吋 的 鉛 管 裏, 這 個 望 遠 鏡 可 將 物 體 放 大 三 倍, 其 效 果 相 當 於 一 具 廉 價 的 小 型 雙 眼 望 遠 鏡 這 就 是 當 年 的 望 遠 鏡 結 構 圖 16 伽 利 略 式 望 遠 鏡 光 徑 圖 這 種 形 式 的 望 遠 鏡 就 稱 為 伽 利 略 式 望 遠 鏡 伽 利 略 望 遠 鏡 的 影 像 是 正 立 的, 但 視 野 受 到 限 制, 有 球 面 像 差 和 色 差, 適 眼 距 也 不 佳 1611 年, 克 普 勒 改 良 伽 利 略 的 設 計 : 克 普 勒 式 望 遠 鏡 是 由 凸 透 鏡 作 目 鏡 的, 今 天 所 有 的 折 射 式 望 遠 鏡 都 採 用 這 個 方 式, 用 克 普 勒 式 望 遠 鏡 所 看 到 的 物 體 的 上 下 左 右 會 跟 實 際 相 反 這 種 設 計 可 以 達 到 更 高 的 倍 率, 有 較 大 的 視 野 和 更 大 的 適 眼 距 圖 17 克 普 勒 式 望 遠 鏡 光 徑 圖 到 了 20 世 紀 大 型 折 射 式 望 遠 鏡 漸 由 反 射 式 所 取 代, 主 要 原 因 為 物 鏡 的 口 徑 大, 玻 璃 的 厚 度 就 必 須 相 對 的 增 加, 同 時 玻 璃 越 厚 被 吸 收 的 光 線 也 越 多, 由 於 物 鏡 大, 重 量 也 大, 造 成 鏡 筒 容 易 彎 曲 2. 反 射 式 望 遠 鏡 的 發 明 1688 年 牛 頓 發 明 牛 頓 式 反 射 望 遠 鏡 牛 頓 式 反 射 望 遠 鏡 是 使 用 一 面 凹 的 拋 物 面 164

165 鏡, 將 光 線 反 射 回 鏡 筒 前 方 並 曲 折 聚 焦, 然 後 在 鏡 筒 前 方 用 另 一 面 橢 圓 形 平 面 鏡 ( 副 鏡, 又 稱 斜 鏡 ), 將 光 線 以 90 角 反 射 出 鏡 筒 外, 在 這 個 光 路 射 出 的 位 置 上 放 置 對 焦 座 及 目 鏡 座 以 方 便 觀 看 這 種 焦 點 位 置 在 鏡 筒 前 方 開 口 側 邊 的 反 射 鏡 就 稱 為 牛 頓 式 反 射 望 遠 鏡 牛 頓 式 反 射 望 遠 鏡 製 造 容 易 重 量 輕 成 本 低, 因 而 成 為 業 餘 天 文 望 遠 鏡 的 主 流 商 品 圖 18 牛 頓 式 望 遠 鏡 之 外 觀 與 光 徑 圖 在 1672 年, 羅 蘭 卡 塞 格 林 首 先 發 展 出 另 一 種 反 射 式 望 遠 鏡, 稱 為 卡 塞 格 林 式 望 遠 鏡, 主 鏡 是 拋 物 凹 面 鏡, 次 鏡 是 雙 曲 凸 面 鏡, 兩 個 鏡 片 對 稱 的 排 列 在 光 軸 上, 主 鏡 的 中 心 通 常 會 穿 孔 以 讓 光 線 通 過 而 到 達 目 鏡 照 相 機 或 感 光 器 材 圖 19 卡 塞 格 林 式 望 遠 鏡 光 徑 圖 卡 塞 格 林 望 遠 鏡 有 拋 物 面 鏡 的 主 鏡, 和 雙 曲 面 的 次 鏡 將 光 線 反 射 並 穿 過 主 鏡 中 心 的 孔 洞, 折 疊 光 學 的 設 計 使 鏡 筒 的 長 度 緊 縮 在 小 望 遠 鏡 和 照 相 機 的 鏡 頭, 次 鏡 通 常 安 裝 在 封 閉 望 遠 鏡 鏡 筒 的 透 明 光 學 玻 璃 板 上 的 光 學 平 台 這 樣 的 裝 置 可 以 消 除 蜘 蛛 型 支 撐 架 造 成 的 " 星 狀 " 散 射 效 應 封 閉 鏡 筒 雖 然 會 造 成 集 光 量 的 損 失, 但 鏡 筒 可 以 保 持 乾 淨, 主 鏡 也 能 得 到 保 護 我 們 可 以 做 以 下 總 結 : 早 期 的 望 遠 鏡 分 折 射 式 和 反 射 式 兩 種 分 別 有 色 差 與 像 差 的 問 題 後 來 的 人 為 了 解 決 這 些 問 題 而 改 進 這 些 望 遠 鏡 165

166 對 於 色 差 的 改 良 : 消 色 差 望 遠 鏡 : 消 色 差 的 折 射 鏡 是 在 1733 年 由 一 位 英 國 律 師 切 斯 特 穆 爾 霍 爾 發 明 的, 這 項 設 計 使 用 兩 片 有 不 同 色 散 度 的 玻 璃 做 物 鏡, 降 低 了 色 差 和 球 面 像 差 兩 兩 片 玻 璃 的 每 一 個 面 都 要 拋 光, 然 後 組 合 在 一 起 消 色 差 透 鏡 可 以 讓 兩 種 不 同 波 長 ( 通 常 是 紅 色 和 藍 色 ) 的 光, 都 能 聚 焦 在 相 同 的 平 面 上 高 度 消 色 差 折 射 鏡 高 度 消 色 差 折 射 鏡 使 用 特 別 的 材 料, 特 別 低 色 散 度 的 材 料, 來 製 造 物 鏡 他 的 設 計 能 讓 三 種 不 同 的 顏 色 ( 通 常 是 紅 色 綠 色 和 藍 色 ) 匯 聚 在 相 同 的 焦 平 面 上, 顏 色 的 殘 差 錯 誤 比 消 色 差 透 鏡 少 了 一 個 數 量 級 這 種 望 遠 鏡 的 主 鏡 是 螢 石 或 超 低 色 散 玻 璃 的 透 鏡, 產 生 非 常 清 晰 沒 有 色 差 的 影 像 對 於 像 差 的 改 良 : 施 密 特 修 正 版 施 密 特 修 正 板 是 伯 恩 哈 德 施 密 特 在 1930 年 發 明 的, 它 是 用 來 修 正 反 射 望 遠 鏡 的 球 面 鏡 所 產 生 的 球 面 像 差 的 透 鏡 這 個 修 正 透 鏡 被 安 置 在 望 遠 鏡 前 端, 光 線 進 來 的 路 徑 上 施 密 特 修 正 板 的 中 央 和 邊 緣 比 較 厚 實, 這 改 正 了 光 線 的 路 徑, 使 得 鏡 子 外 緣 的 光 線 和 中 心 的 光 線 都 能 匯 聚 在 相 同 的 點 上 施 密 特 修 正 板 不 會 改 變 系 統 的 焦 距, 只 是 修 正 球 面 像 差 圖 20 施 密 特 修 正 版 圖 21 球 面 像 差 修 正 之 前 圖 22 修 正 後 之 球 面 像 差 另 一 種 處 理 色 差 與 像 差 的 折 衷 辦 法 : 折 反 射 式 望 遠 鏡 的 出 現 施 密 特 - 卡 塞 格 林 式 望 遠 鏡 即 卡 塞 格 林 式 望 遠 鏡 再 加 上 施 密 特 修 正 版 遠 鏡 光 徑 圖 166 圖 23 施 密 特 - 卡 塞 格 林 式 望