二 你一定要認識的幾顆星 1. 北斗七星 A. 目前的北斗七星 七顆星排列像個杓子 由杓口算起依次為天樞 Dubhe 天璇 Merak 天璣 Phecda 天權 Megrez 七顆星中 最暗 玉衡 Alioth 開陽 搖光 Alkaid B. 其中開陽是很有名的雙星 在它的旁邊有一顆伴星 中國古名為

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1 呂恬萱 你知道全天空共有幾個星座嗎 當你抬頭仰望夜空時 你知道耀眼在你 面前的是哪顆星星嗎 現在就讓我們來大略的認識 我們看的到的 星空吧 春季星空 杓子與鑽石的樂章 一 包含哪些星座 主要星座 大熊座 牧夫座 室女座 獅子座 其他星座 烏鴉座 獵犬座 北冕座 圖一 春季星空

2 二 你一定要認識的幾顆星 1. 北斗七星 A. 目前的北斗七星 七顆星排列像個杓子 由杓口算起依次為天樞 Dubhe 天璇 Merak 天璣 Phecda 天權 Megrez 七顆星中 最暗 玉衡 Alioth 開陽 搖光 Alkaid B. 其中開陽是很有名的雙星 在它的旁邊有一顆伴星 中國古名為 輔 開陽雙星是人類用肉眼發現的第一顆雙星 圖二 大熊座 Ursa Major 2. 牧夫座的大角星 Alpha Bootis Arcturus A. 牧夫座的主星大角星 是全天第四亮的恆星 B. 可以由北斗七星的杓柄往南 約 45 度 順著弧度延伸而找到 圖三 牧夫座 Bootes

3 3. 獅子座的軒轅十四 Alpha Leonis Regulus 到五帝座一 Beta Leonis Denebola A. 在羅馬時代時軒轅十四被稱之為 獅子的心 B. 全天空中位於黃道上唯一的一等亮星 所以經常被月球 行星所遮掩 C. 通常我們在看獅子座的時候 都會先找到軒轅十四才找到五帝座一 D. 五帝座一在獅子座的尾巴 是獅子座的β星 位於軒轅十四的東方 稍 偏北 我們可以利用獅子屁股的小直角三角形來尋找 圖四 獅子座 Leo 4. 室女座的角宿一 Spica A. 春夜裡晚上 9 點鐘左右 抬頭仰望偏南處的亮星大概就是角宿一了 它是全天第十五顆亮星 B. 大角星和角宿一被稱為春夜裡的夫妻星 因為當大角星由東方升起一 小時後 就可以看到角宿一在稍南的地方冉冉升起

4 圖五 室女座 Virgo 5. 北冕座的貫索四 Alpha Coronae Borealis Gemma 貫索四是由北冕座的七顆星中 由西邊算來的第三顆 它是北冕座 的α星 看起來向皇冠上的珍珠 也是全天第六十六亮恆星 在春夜這 個亮星稀少的夜空裡 很容易辨認 圖六 北冕座 Corona Borealis

5 三 如何尋找春季星空 1. 利用北斗七星找北極星 北斗七星裡的天璇指向天樞的方向 延伸約 5 倍長 就可以找到北極星 了 2. 春天的大曲線 順著北斗七星柄杓的尾端 畫出一個經過大角星 角宿一 然後抵達烏 鴉座的一個大曲線 我們就稱之為春季大曲線 3. 春季大三角 大角星 角宿一和五帝座一連起來的三角形 即為春季大三角

6 夏季星空 牛郎與織女之間 其實一點都不寂寞 一 包含哪些星座 主要星座 天鵝座 天琴座 天鷹座 人馬座 天蠍座 其他星座 武仙座 魔羯座 圖七 夏季星空

7 二 你一定要認識的幾顆星 1. 天鵝座的天津四 Alpha Cygni Dened 天鵝座最亮的星 也是全天第十九亮的恆星 圖八 天鵝座 Cygnus 2. 天琴座的織女星 Alpha Lyrae Vega A. 天琴座的主星 全天第五亮的恆星 B. 北天三大亮星之一 北天三大亮星 織女星 五車二 大角星 圖九 天琴座 Lyra

8 3. 天鷹座的牛郎星 Alpha Aquilae Altair 天鷹座的主星 表面呈現黃色 全天第十二亮恆星 圖十 天鷹座 Aquila 4. 天蠍座的心宿二 Alpha Scorpii Antares A. 全天兩顆最紅的星體之一 另一顆為火星 B. 心宿二是全天第十七亮的恆星 表面呈深紅色 我們又稱它為天蠍的 心臟 圖十一 天蠍座 Scoepius

9 三 如何尋找夏季星空 1. 夏季 直角 三角形 Summer Triangle A. 找到夏季星空最明顯的三顆亮星 並將他連成一個直角三角形 B. 位於直角處的那顆星就是織女星 C. 另外兩顆星 與織女星相隔較遠的是牛郎星 另一顆則為天津四 夏季星空在天氣很好的時候可以看見的星星非常多 實際觀測時會難以 辨認星星 可見銀河

10 秋季星空 不耀眼 卻如童話故事般的神秘動人 一 包含哪些星座 主要星座 飛馬座 仙后座 仙王座 仙女座 英仙座 雙魚座 其他星座 寶瓶座 南魚座 三角座 圖十二 仙后座 Cassiopeia 圖十三 秋季星空

11 二 你一定要認識的幾顆星 1. 飛馬座和仙女座的壁宿二 Alpha Andromedae Alpherate A. 飛馬四邊形靠東邊最亮的那一顆星 就是壁宿二了 B. 壁宿二是仙女座的α星 圖十四 飛馬座 Pegasus 圖十五 仙女座 Andromeda 2. 英仙座的大陵五 Beta Persei 和天船三 Alpha Persei A. 大陵五是英仙座的β星 一顆食變星 B. 主星天船三 位在仙后座和御夫座之間 圖十六 英仙座 Perseus

12 3. 仙王座的造父一 Delta Cephei 仙王座沒有特別亮的亮星 但δ星 造父一 是很出名的變星 圖十七 仙王座 Cepheus 4. 南魚座的北落師門 Alpha Piscis Austrini Fomalhaut A. 北落師門是秋夜中 南方的一顆亮星 南魚座的α星 B. 利用秋季四邊形靠西方的兩顆星 向南延伸約 3.5 倍長 看到一顆很亮 的星那就是北落師門了 5. 鯨魚座的土司空與芻蒿增二 Omicron Ceti A. 最亮的星是β星 土司空 可由四邊形靠近東邊的兩顆星向南延伸找 到 B. 鯨魚座的ο星 英文名 Mira 也就是米拉變星 是天空中三大變星之 一 C. 米拉變星是因為本身的膨脹收縮而改變光度的恆星

13 三 如何尋找秋季星空 1. 秋季四邊形 Great Square of Pegasus A. 飛馬座四邊形的大小 大約是把手伸直手掌撐開的大小 B. 秋季的亮星比較不多 要有訣竅的找到四邊形才比較好認出其他星 座 2. 利用仙后座找北極星 A. 仙后座的 W 形在秋空中相對容易辨認 我們可以利用它找出北極星 B. 利用仙后座找北極星的方法 如圖十二

14 冬季星空 一個乾淨 清晰的夜空 愛上夜空的第一步 一 包含哪些星座 主要星座 獵戶座 大犬座 小犬座 金牛座 御夫座 雙子座 其他星座 天兔座 南船座 圖十八 冬季星空

15 二 你一定要認識的幾顆星 1. 獵戶座的參宿四 Alpha Orionis Betelgeuse 和參宿七 Beta Orionis Rigel 找到獵戶座的腰帶後 就可以在其東北方找到獵戶座的紅色α星 參 宿四 和在西南方的藍白色β星 參宿七 圖十九 獵戶座 Orion 2. 大犬座的天狼星 Alpha Canis Mauoris A. 獵戶座的腰帶連線 往東南方的方向可以找到天狼星 B. 天狼星 -1.5 等 是全天空最亮的恆星 太陽除外 獵戶座的α星 圖二十 大犬座 Canis Major

16 3. 小犬座的南河三 Alpha Canis Minoris 小犬座在獵戶座的東方 他的主星南河三是全天第八亮的恆星 圖二十一 小犬座 Canis Minor 4. 雙子座的北河三 Beta Geminorum Pollux 和北河二 Alpha Geminorum Castor A. 北河二是雙子座的α星 較北 北河三是β星 較南 B. 其中北河三比北河二要亮 這兩顆星如同雙子座裡兄弟的頭 圖二十二 雙子座 Gemini

17 5. 御夫座的五車二 Alpha Aurigae Capella A. 御夫座西北角最亮的一顆星 也就是它的主星五車二 B. 南邊和金牛座共用的亮星為五車五 已被劃入金牛座 圖二十三 御夫座 Auriga 6. 金牛座的畢宿五 Alpha Tauri Aldebaran 和昴宿星團 Pleiades A. 金牛座的α星畢宿五 橘紅色 冬夜裡最早出現在東方地平線的亮星 B. 在畢宿五的西北方 可以先用餘光看 可以看到昴宿星團 也就是俗 稱的七姊妹 天氣很好 眼睛很好的話真的可以數到七顆 圖二十四 金牛座 Taurus

18 7. 南船座的老人星 Alpha Carinae Canopus A. 南船座被分成船底 船帆 船艫和船檣四個星座 B. 船底座是最南也最出名的星座 因為它包含了全天第二亮星 老人星 老人星在天狼星的南方 通常可以在南方地平線附近找到 三 如何尋找冬季星空 1. 冬季大三角 Winter Triangle 由參宿四 天狼星 南河三組成的冬季大三角 似正三角形 2. 冬季大橢圓 從獵戶左腳的參宿七開始 把參宿七 天狼星 南河三 北河三 北河 二 五車二 畢宿五接起來 再連回參宿七就是一個冬季大橢圓了 參考資料 1.天文觀星圖鑑 / 里德帕斯 Ian Ridpath 著 / 貓頭鷹出版 2.星星的運動與四季星空

19 蔡舜宇 一 太陽系的結構 與太陽距離 公轉週期 (天文單位) 軌道 表面 最亮 最大 離心率 溫度 星等 視直徑 分 ( ) 太陽 水星 日 ~ 秒 金星 日 秒 地球 日 ~ 火星 日 ~ 秒 小行星帶 灶神星 穀神星 5.4 等 0.48 秒 木星 K 420~ 秒 秒 年 土星 年 (環) 天王星 年 秒 海王星 年 秒 柯伊伯帶 39.5~48 -- 大 -230 冥王星 鬩神星 15 等 0.04 秒 彗 短周 柯伊伯帶以 200 年以 星 期 下 內 大 長週 奧爾特雲以 200 年以 極大 甚至 -- 期 外 上 為拋物線 5~10 萬 奧爾特雲 --

20 二 太陽系概論 太陽系屬於一單恆星系統 也就是說 太陽系中只有一個恆星 或許 你會覺得這句話沒什麼重點 太陽系不是一顆恆星要不然幾顆 這你就錯 了 銀河系中 雙星系統比單恆星系統要來的多 而在雙星系統中 各行 星的軌道很不穩定 有時要繞這顆恆星公轉 有時又要繞那顆恆星公轉 導致他們的日夜變化 四季交替 自轉軸傾角都不固定 甚至三天兩頭就 有隕石來造訪 所以在那樣的系統中 生命較難形成 這是現在科學家認 為太陽系中能有高等智慧生物的原因之一 太陽系的結構以太陽為中心 接著是行星 最外圍是奧爾特雲 太陽 的質量佔整體的 以上 是太陽系的重力中心 也就是說 今天在 太陽系中的各個天體之所以會有緣聚在一起 全是因為太陽引力的原故 在太陽外一層的物質因重力吸引而形成一顆顆的行星 矮行星 小行星與 彗星 而在更外一層 由於物質密度過低 沒有聚集成較大的天體 也就 是奧爾特雲 就是 歐特雲 Oort cloud 啦 只是我喜歡叫它奧爾特雲 裡面廣布著彗星的種子 當這些種子往太陽飛進來時 就是彗星了 出了 奧爾特雲後 就是真正的 外太空 那裡的環境溫度可以低到 3K 以下 也就是宇宙真正的溫度 物質密度也接近絕對真空 而距離我們最近的恆 星系統 是在四點三光年外 一個三星系統中的南門二 不過你可千萬別以為太陽系中有多熱鬧 就舉地球與月球來說吧 不 知道在你的想像中 地球與月球有多近呢 地球直徑 公里 月球 3476 公里 而兩者的平均距離是 公里 經過簡單的換算 如果 你把地球縮小成一顆乒乓球 月球就只有一顆彈珠左右的大小 而兩者的 距離卻有 90 公分 夠遠了吧 以下這個網站 可以計算縮小的太陽系模 型 只要輸入你想要的太陽直徑 就可以算出來各行星的大小與距離囉 關於行星的分佈 可以依公轉軌道分為在地球以內的內行星 以及在 地球以外的外行星 除此之外 也可以依性質分為與地球類似的類地行星 和與木星類似的類木行星

21 三 太陽系的形成 太陽系的形成跟太陽的形成基本上是同一件事 簡單來說就是一團雲 氣因重力塌陷成一顆太陽 當太陽還沒完全形成時 整個太陽系就好像一 個荷包蛋一樣 蛋白的部分是還沒被吸進去的雲氣 蛋黃是太陽 整個荷 包蛋繞著共同的旋轉中心自轉 太陽在形成時就已經開始吹出太陽風 把 蛋白中的氣體往外吹 留下密度大的石質 被吹到外為的氣體就聚集成一 顆顆的類木行星 而留在內部的石質則聚集成類地行星 這個行成理論可 以解釋至少以下幾個目前觀測到的現象 1. 密度較大的類地行星都分佈在內層 2. 八大行星的公轉軌道面都很接近 3. 八顆行星的運行軌道離心率都很小 在類木行星的外圍 還有些密度更低的塵埃聚集 但由於密度過低 重力不足 不會形成像類木行星一般大的行星 於是形成佈滿小行星的柯 伊柏帶 剛剛說的蛋白就是所謂的吸積盤 蛋黃是原始恆星 除此之外 在整個荷包蛋外還有一個殼層 物質組成也是一些氣體與塵埃 在太陽系 形成的過程中 有些被吸到盤面上成為恆星 其他的則被太陽風往外吹 與從盤面被吹出來的物質組成奧爾特雲 所以奧爾特雲並非像柯伊柏帶一 樣是帶狀 而是一個殼層 在距離太陽五到十萬個天文單位處 等到原始恆星開始氫融合反應後 正式形成恆星 盤面上的行星也大 致成形 太陽系也就算是形成了

22 四 太陽系的成員 1. 太陽 太陽的結構可概略分為內部結構與大氣結構 而兩個結構又可再細分成 六個結構 太陽基本物理量 年齡(年) 45 億 赤道半徑(km) 赤道半徑(地球= 1) 質量(kg) 1.989e+30 質量(地球 = 1) 赤道自轉一周時間(地球日) 25.4 極區自轉一周時間(地球日) 36 平均密度(克/立方厘米) 1.41 自轉軸傾斜率(度) 7.25 平均表面溫度(攝氏) 5770 度 核心溫度(攝氏) 度 光度(千瓦特) 3.9e+27 絕對星等 在地球可見最大光度 逃脫速度(km/sec) 恆星類型 G2V

23 A. 內部結構 i. 核心 中心 25 太陽半徑 此處溫度達 1500 萬 K 氣壓為 2500atm 密度為 150g/cm3 在這 種高溫高壓的環境下 原本需要四千萬度才能反應的氫融合反應可以順 利進行 成為太陽系能量的主要來源 氫融合反應是核融合的一種 它 除了讓太陽發光以外 也因為它是一個很強大的爆炸 所以提供了一個 向外炸開的力 抵抗太陽強大的重力而不至於使太陽整個塌掉 簡單來 說 這個反應是 4 個氫 1 個氦+能量+ 2 個微中子 那個 能量 就是 太陽光 不過要特別注意的是 這個光不是可見光而是γ射線 而且這 個光很辛苦 它必須經過一百萬年的舟車勞頓才能抵達太陽表面 而且 能量已經大幅減少 少到溫度只剩六千度左右 成為我們所看的見的可 見光 核心每秒有 公斤的氫反應 其中 0.7 的直量會轉換成 能量 也就是 434 萬公噸 經由質能轉換公式 核心功率為 W ii. 輻射層 25 至 75 太陽半徑 此處能量主要以輻射方式傳遞 幾乎沒有對流產生 密度也下降特 別快 從 20 g/cm3 到 0.2 g/cm3 光子在此處幾乎每跑一公分就會碰到 物質粒子 被物質粒子吸收 使物質粒子升溫 然後物質粒子再放出自 己的輻射光 這樣輻射光的光能因物質粒子的層層吸收而下降 輻射層 的溫度也從七百萬度降到兩百萬度 另外值得一提的是 輻射層和下一 層的對流層之間有個過渡帶 因為輻射層沒什麼對流 所以自轉速度一 致 而對流層都在對流 自轉速度不一 中間便形成一個不連續的過度 面 裡面的液態金屬氫在此流動 有就產生了強大的太陽磁場 iii. 對流層 75 ~接近表面 此處相對於輻射層 能量主要以對流的方式向外傳遞 而因此溫度 下降很快 對流層底部約有兩百萬度 到表面時接近六千度 且其成分 雖為氣體 卻完全不透明 使能量幾乎無法以輻射傳送 傳遞速度較上 一層慢許多

24 B. 大氣結構 i. 光球層 此處的氣體開始變得透明 太陽光可以直線向外傳送 光球層的溫 度約為 5800K 在這個溫度下黑體輻射極大值呈黃色 也就造成太陽的 顏色 此層被視為太陽的表面 即我們現在所看見的太陽 而在此表面 上有些特徵值得注意 太陽黑子 太陽是氣體 表面的自轉 速度不一 因此造成太陽磁場 的磁力線扭曲 當磁力線在某 個範圍內特別集中時 會產生 黑子爆炸 形成太陽黑子 此 區域的溫度特別低 約 3800K 故相對看起來是黑的 黑子有 本影區和半影區 且通常成對 出現 一個為 N 極 另一個為 S 極 由於太陽的磁場每十一 年倒轉一次 黑子分佈的變化 也就每十一年為一週期 另外 要特別注意 磁場每十一年倒 轉一次 也就是每二十二年才會回到原本的磁場 黑子的變化也是如 此 米粒組織 這個組織來自於下方對流層對流的結果 從表面看起來就好像米粒 或是湧泉一樣

25 ii. 色球層 此處開始溫度隨高度升高而升高 密度隨高度升高而降低 色球層 的密度僅為光球層的萬分之一 故只有在日全蝕時可見 此處距離太陽 表面遠 電漿粒子所受到的磁力線束縛也降低 故溫度可以升高到幾萬 K 在色球層有兩個常見的現象 日珥和閃焰 日珥是太陽表面的電漿 受到黑子磁力線的影響衝出表面 再從另一個黑子回到表面 看起來就 像一個耳朵 閃焰是小區域內溫度特別高的大氣產生的爆炸 爆炸大的 時候會放出特別多的太陽風 影響地球的通訊 iii. 日冕層 這裡的密度比色球更低 溫度比色球更高 密度平均只有 10-9atm 而溫度甚至可高達 300 萬 K 同樣的 日冕也只有在日全蝕時可見 而其厚度可達太陽半徑的 1.3 倍 日冕層向外會吹出每秒一百萬噸的太 陽風 成分為帶電粒子組成的電漿以及少許的塵埃 當這些太陽風吹到 行星的磁場中時 會在磁極處進入大氣 並摩擦產生極光

26 2. 行星 A. 水星 平均日距 km (0.38 AU) 赤道半徑 km 平均體積(地球=1) 平均質量(地球=1) 平均密度 5.43 g/cm3 表面重力(地球=1) 脫離速度 4.25km/sec 赤道傾斜角 0 公轉周期 地球日 自轉周期 地球日 視半徑 5.49 極大光度 -2.4 表面溫度 -173 C(夜晚) ~ 430 C(白天) 表面特性 氧化矽 大氣成份 微量鈉蒸氣 衛星數 0

27 水星是太陽系體積最小 質量最小 離太陽最近以及密度最大的行 星 除此之外 它的表面佈滿隕石坑 繞行太陽的軌道也特別扁 因此 科學家推測 水星在形成之初 質量其實是現在的 2.5 倍 但不久後被 一顆直徑一百公里的小行星撞擊 損失了大部份的質量 軌道也被撞歪 了 才有現在的結果 另外我們也推測 水星有一個超級大鐵核 約佔 水星的三分之二到四分之三 而表面的矽酸鹽只是一層薄薄的殼 另外 我們發現 水星有微弱的磁場 約為地球的 1.1 故猜測內部可能存 在液態的鐵 由於水星的引力太小 表面的大氣很快就逸散了 只剩下現今極為 稀薄的大氣 且常常受到隕石撞擊而佈滿坑洞 除此之外 質量小的水 星熱容量也小 所以冷卻的特別快 進而產生劇烈的收縮 據估計 水 星的體積收縮了 5 表面上因此裂開了許多峽儲谷與峭壁 水星的晝夜溫差從 430 到-170 是太陽系中日夜溫差最大的行 星 不過在兩極有些巨大的環形山 直徑約有一百公里 那裏終年不受 日照 又從那裏觀測到強大的雷達回波 因此推斷那裏可能有冰 可以 作為接下來移民時的目的地 除此之外 水星的公轉週期為自轉週期的 二分之三倍 也就是說 在水星上看到兩次日出之間的時間 等於水星 的兩年

28 B. 金星 平均日距 km (0.72 AU) 赤道半徑 km 平 均 體 積 ( 地 球=1) 平 均 質 量 ( 地 球=1) 平均密度 5.24 g/cm3 表 面 重 力 ( 地 0.91 球=1) 脫離速度 10.36km/sec 赤道傾斜角 公轉周期 地球日 自轉周期 地球日 視半徑 極大光度 -4.7 表面溫度 472 C 衛星數 0

29 金星的表面溫度為行星之最 雖然它不是離太陽最近的行星 金星 表面大氣壓為 90atm 且含有 96 的二氧化碳 因此造成超級無敵溫室 效應 溫度超過四百度 除此之外 金星是一顆還沒冷卻的行星 表面 火山活動劇烈 地熱也不斷加溫 而火山噴出的硫氧化物在天上形成濃 厚的硫酸雲 注意 在這個大氣壓下水的沸點約三百度 故早就蒸乾了 無法成雲 這個硫酸雲使金星看起來是黃色的 並且擁有四分之三的 超級反照率 有了這樣的反照率 再加上他是距離地球最近的行星 使 他成為夜空中視星等僅次於月亮的星星 最亮可達-4.5 等 金星的自轉軸傾斜 度 也就是說他們家的太陽是從西邊出來 的 而且由於自轉方向與公轉方向相反 自轉週期又接近公轉週期 所 以說 金星上的一年只有兩天 古時候的人看金星 當金星在東天時 日出前會看到它 當金星在 西天時 日落後會看到它 古代人以為他是兩顆星 於是把黎明的那顆 叫啟明星 黃昏的那顆叫長庚星 另外金星還有一個大家耳熟能詳的古 稱 就是太白

30 C. 地球 平均日距 km (1.00 AU) 赤道半徑 km 平均體積 km3 平均質量 kg 平均密度 5.22 g/cm3 表面重力 m/s2 脫離速度 11.18km/sec 赤道傾斜角 公轉周期 地球日 自轉周期 地球日 視半徑 極大光度 表面溫度 -40 ~ 45 C 衛星數 1 地球在太陽系中密度僅次於水星 體積與質量則為類地行星之冠 另外值得一提的是 地球上的水實在多得不太正常 科學家認為這些是 被彗星帶來的 地球有一顆全太陽系第五大的衛星 它的潮汐力可以穩 定地球自轉軸的擺動 使四季穩定 而關於月球的起源 目前一般認為 是地球在形成時 有一顆火星大小的小行星撞擊 被撞出地球的碎石凝 聚而成的

31 D. 火星 平均日距 km (1.52 AU) 赤道半徑 3 397km 平 均 體 積 ( 地 球=1) 平 均 質 量 ( 地 球=1) 平均密度 3.93g/cm3 表 面 重 力 ( 地 0.38 球=1) 脫離速度 5.02km/sec 赤道傾斜角 公轉周期 地球日 自轉周期 地球日 視半徑 8.94 極大光度 -3 表面溫度 -140 ~ 20 C 衛星數 2

32 火星表面上發現了很多水流沖蝕過的痕跡 表示曾經有水 另外 火星大氣中甲烷的分佈和水氣接近 代表火星上很可能還存在著生命 但儘管如此 火星的環境仍然非常嚴苛 它和水星一樣 是一顆已經冷 卻的類地行星 而且氣壓低 只有 700Pa 大氣主要成分與金星一樣 二氧化碳占了 95.3 使的天空呈粉紅色的 火星的軌道很扁 因此近 日點與遠日點接收到的日照強度差了 45 氣候變化惡劣 又因火星 不像地球有月球這樣大顆的衛星提供潮汐力 他的地軸擺動達約十度 四季變化亦劇烈 火星表面上佈滿含有氧化鐵的沙漠 使的他看起來是 紅色的 而在夏天時 這些沙漠會隨著強大的對流氣流吹起全球性的沙 塵暴 連南北極的冰冠也會被蓋住 整顆火星顏色接近黃色 火星上有太陽系最大的水手大峽谷以及最高的奧林帕斯火山 水手大峽谷深 2~7 公里 長約四千公里 即為腰斬美國的長度 奧林帕 斯火山的山頂比旁邊的地面高出兩萬四千公尺 且光一個火山口直徑就 達六百公里 而旁邊的地面又比地表高出六千公尺 整座山看起來就像 是高出火星表面三十公里 擺在地球上 已經在平流層中間了

33 E. 木星 平均日距 km (5.20 AU) 赤道半徑 km 平 均 體 積 ( 地 球=1) 平 均 質 量 ( 地 球=1) 平均密度 1.33g/cm3 表 面 重 力 ( 地 2.37 球=1) 脫離速度 59.53km/sec 赤道傾斜角 3.1 公轉周期 地球日 自轉周期 地球日 視半徑 極大光度 -2.8 表面溫度 -110 C 衛星數 63 木星的成分與太陽接近 四分之三的氫與四分之一的氦 而木星內 部的氫受到高溫高壓的作用 液化成性質接近金屬的液態金屬氫 當它 流動時 便產生電流與磁場 此為類木行星的磁場來源 木星的磁場特 別強 為地球的兩萬倍 而它所造成的極光 在地球上也能透過望遠鏡 觀測到 木星的質量為行星中最大 是其他行星總合的 2.5 倍 若是在 大八十倍 則它的核心會發生核融合反應而形成恆星 另外 木星的體 積每年縮小兩公分 據理論計算 木星的直徑曾經達到七十萬公里 在 縮小的同時 位能轉換成熱能釋放出來 因此我們探測到木星在單位時 間內所放出的能量為其從太陽光吸收到能量的四倍 木星有一顆至少被

34 觀測三個世紀都沒消失的大紅斑 是一個超級大颱風 面積由三個地球 大 為什麼木星上會有這麼大的風暴 原因目前還沒有定論 至於為什 麼是紅色的 科學家推斷應該是紅磷的顏色 此外 木星上有橫條紋 是木星內部對流的結果 其中寬帶顏色較淺 是熱對流上升處 窄帶顏 色較深 為下降處 木星還擁有全太陽系最多的衛星另外木星的特徵莫過於他的四大 衛星 又稱為伽利略衛星 i. 木衛三甘尼米德 太陽系最大的衛星 擁有稀薄的大氣 成分與歐羅 巴一樣為氧氣 另外有微弱磁場 推論擁有液態鐵核 ii. 木衛四卡里斯多 木星第二大衛星 擁有海洋鹽 造成區域性的磁性 然而不足以成為磁場 它也有稀薄的大氣 主要成分為二氧化碳 和 甘尼米德與歐羅巴不同的地方是 它的表面不是單純的矽酸鹽石質 而是含有 40 的冰 構造也較簡單 iii. 木衛一埃歐 木星第三大衛星 與其他三顆衛星最大的不同是 它的 表面到處都是活火山 這是因為它的位置位於三顆衛星與木星之間 受到的潮汐力不小 在自轉的同時地殼內部產生的摩擦使岩石熔解 它也有稀薄大氣 成分是火山噴出的二氧化硫 iv. 木衛二歐羅巴 木星第四大衛星 比月球小 性質與甘尼米德類似 也有氧氣為主的稀薄大氣 另外結冰的表面下還有海洋 其溫暖處很 可能有生物

35 F. 土星 平均日距 km (9.54 AU) 赤道半徑 km 平均體積 755 (地球=1) 平均質量 (地球=1) 平均密度 0.69g/cm3 表面重力 0.94 (地球=1) 脫離速度 35.48km/sec 赤道傾斜 26.7 角 公轉周期 地 球日 自轉周期 地球日 視半徑 9.71 極大光度 -0.5 表面溫度 -180 C 衛星數 61 土星的密度是行星中最低的 比水還低 也就是說你把它丟到水裡 它會浮起來 土星的形狀也特別扁 赤道軸比極軸長了 11 觀測它 時透過望遠鏡很輕易的就能看出來 土星的環是行星中最亮也最多的 主要成分為塵埃 沙子與冰晶 另外土星還有一顆土衛六泰坦 他是太 陽系中唯一有濃厚大氣的衛星 地表氣壓達 1.5atm 且主要成分與地球 一樣為氮氣 使得此處也被認為是很有可能有生命的地方

36 G. 天王星 平均日距 km ( AU) 赤道半徑 km 平 均 體 積 63 (地球=1) 平 均 質 量 (地球=1) 平均密度 1.27g/cm3 表 面 重 力 0.89 (地球=1) 脫離速度 21.29km/sec 赤 道 傾 斜 97.9 角 公轉周期 地球 日 自轉周期 地球日 視半徑 1.93 極大光度 5.3 表面溫度 -221 C 衛星數 17 天王星是一顆很光滑的行星 表面沒有像木星與土星般的橫條紋 也沒有像木星與海王星的大紅斑或大黑斑 是一顆顏色單純的綠色行星 綠色的原因是因為他的大氣中有 2 的甲烷 會濾掉其他顏色的光 另 外天王星還有一大特徵是它的自轉傾斜角達九十八度 幾乎是躺著轉的 除了赤道附近能感受到快速的晝夜交替外 其他地方的一天都等於一年 光個白天就可以有 42 個地球年 天王星也有環 且豐富僅次於土星

37 值得一提的是 據探測 天王星的核應該為矽酸鹽的石質 因此它 的磁場應該來自於函的液態金屬氫 而不像木星與土星是來自於核 它 的磁偏角也特別大 與自轉軸夾角達六十度 H. 海王星 平均日距 km (30.06 AU) 赤道半徑 km 平 均 體 積 58 (地球=1) 平 均 質 量 (地球=1) 平均密度 1.64g/cm3 表 面 重 力 1.11 (地球=1) 脫離速度 23.49km/sec 赤 道 傾 斜 27.8 角 公轉周期 地球日 自轉周期 地球日 視半徑 1.17 極大光度 7.8 表面溫度 -216 C 衛星數 8 海王星的發現過程是天體物理學計算的結果 因為當時大家發現天 王星的軌道與理論值越差越多 推斷應該外面還有顆行星影響它的軌道 於是先計算出了這顆行星的位置與質量 再將砲口全部對準那裡 果然 找到海王星

38 要特別注意的是 海王星體積比天王星小 但質量卻比它大 海王 星擁有類木行星中最大的密度 而在海王星的表面發現了大黑斑 也是 一個大颱風 不過他不像大紅斑一樣永垂不朽 有時候這個大黑斑會不 見 過幾年才再出現 海王星上吹著太陽系中最強的風 時速達 2000 公 里 也就是兩個小時可以逛完水手大峽谷 另外他的大氣中還有比天王 星還濃的甲烷 使得成色為藍色 3. 小行星帶 太陽系的小行星主要集中在兩處 火星和木星之間的小行星帶與海 王星外的柯伊柏帶 組成分子均是形狀不一定規則的小行星體 而柯伊 柏帶上因為溫度低 還會出現大冰塊參雜灰塵等小行星 小行星帶的發現來自於波德-題丟斯定律(Titius-Bode law) r= n 其中 r 為行星到太陽的距離 單位為天文單位 n 帶入以下的數字 可以很規律的算出每顆行星的距離 天體 n 定律解 實際距離 ＡＵ 誤差 水星 金星 地球 火星 小行星帶 木星 土星 天王星 海王星 古柏帶)

39 這個公式只是經驗公式 沒有任何物理意義 其中 n 帶 3 的地方原 本還沒發現任何行星 當時的人就認為那裡應該要有個東西 於是大家 就又把砲口全部對準那邊 還真的找到了一顆穀神星 但是過不久 又 有人在同樣的距離上方現了智神星 灶神星 婚神星等小行星 才發現 那裡不是一顆行星 而是一群星帶 這些小行星之所以沒有形成一顆行星的原因 是因為木星 火星與 太陽的引力拉扯下 潮汐力太強 沒辦法凝聚成一顆行星 除此之外 小行星也可以出現在其他行星的軌道上 也就是拉格朗日點上 隨著行 星繞著太陽運行 4. 彗星 彗星是軌道特別扁的太陽系天體 主要成分為冰參雜塵埃 稱為髒 雪球 在進入海王星軌道時 會被吹出兩條彗尾 一條是離子尾 受到 太陽風的吹拂而存在 故永遠背向太陽 另一條是塵埃尾 受到慣性的 作用而飄在彗核後面 彗星可分為週期彗星與非週期彗星 而週期彗星 又可分為長週期與短週期 長週期彗星的來源為柯伊柏帶之外的奧爾特 雲 短週期則是在柯伊柏帶之內 五 系外行星 在太陽系外是否存在著與地球相似的行星 同於孕育著外星生命 為 了解答這個疑問 天文學家過去便已透過地面望遠鏡搜尋浩瀚星河中有可 能存在生命跡象的星球 為了擺脫地面望遠鏡的限制 2009 年台灣時間三 月六號美國航空暨太空總署 ＮＡＳＡ ) 發射克卜勒太空望遠鏡 以解答 這長期以來的疑問 究竟地球是否為這宇宙中唯一能孕育生命的星球 天文學家普遍相信太陽系外存在其他行星 然而此一信念 直至西元 1990 年代發現了第一顆系外行星才被證實 一般而言 偵測系外行星最大 的挑戰來自於其亮度會較其母恆星黯淡許多 在這裡對幾種偵測方法做簡 略的介紹

40 1. 天體測量法 這是最早用來搜尋系外行星的方法 若一顆恆星具有行星 則會因 行星重力的影響 繞著與行星的共同質心進行一微小半徑的軌道運動 但因此軌道半徑極小 不易被偵測到 若使用地面望遠鏡是很難測量到 此一恆星的運轉變化 故成功率極低 2. 視向速度法 此一方法與天體測量法相似 均是利用恆星受行星作用影響而繞一 小半徑軌道運轉的特性 但是測量的為此恆星遠離地球與接近地球時的 速度 也就是運用都卜勒效應的原理 從該恆星的光譜譜線中推測出來 是目前最成功的方法 3. 凌星法 上述所提方法 能偵測的行星的質量 但對於行星的實際大小卻無 法獲得 凌星法則可用來測得行星的大小 但其先決條件是 該行星須 能通過其母恆星與地球的連線 凌星法是利用如在地球上觀測水星 金 星凌日的現象 當行星通過恆星表面時 恆星的光度會有所改變 藉此 方法可以估計出此行星的大小 但有其缺點 行星通過恆星表面又能從 地球上觀測的機會不大 且當此行星軌道過大時機率更是降低很多 故 若使用此方法搜尋行星 需搭配其他方法加以驗證 然而使用凌星法的 好處 便是當行星掠過恆星表面時 該恆星光線經過行星表面大氣 藉 由分析此時的恆星光譜 可獲得該行星的大氣性質 進而推估該行星適 居與否 搜尋系外行星並不是使用單一方法即可證實 隨著科技的進步與技 術的發展 系外行星的搜尋往往是用多種搜尋方法加以校正證實 隨著 系外行星的發現 科學家可以更具體地探討是否在這些行星中存在著生 命 目前所發現的系外行星多為體積大於木星的氣體行星 一般認為生 命無法在該環境下生存 為了尋找可能具生命生存的系外行星 2009 年 3 月發射的克卜勒望遠鏡便有能力搜尋類似地球大小的行星

41 參考資料 1.光與物質小站 2.教育部學習加油站 太陽 3.CCC Heep Who College 天文組 4.台北市立天文科學教育館 5.國立成功大學 6.太陽 7.太陽系小百科 8.維基百科 9.宇宙新事實 新 太陽系全解/井田茂 中本泰史 著

42 蘇志騰 一 何謂深空天體 1.深空天體 (Deep Sky objects) 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.深空天體目錄有下列三種 A. 梅西爾天體列表 指由 18 世紀法國天文學家梅西爾所編的 星雲星團表 中列出的 約一百個天體 梅西爾本身是個彗星搜索者 他結集這個天體目錄是為 了把天上形似彗星而不是彗星的天體記下 以方便他尋找真正的彗星時 不會被這些天體混淆 現在知道 梅西爾天體中有星系 星雲和星團 但是對於僅僅對尋找彗星有興趣的梅西耶 統統把它們歸成一類 即類 似彗星的天體 1774 年發表的 星雲星團表 第一版記錄了 45 個天體 編號由 M1 到 M 年增加至 M70 翌年發表的 星雲星團表 最終版 共收集了 103 個天體至 M103 現時梅西爾天體有 110 個 M104 至 M110 是後人把由梅西爾及他朋友皮埃爾 梅香 Pierre Méchain 所發 現而未被編入 星雲星團表 的天體所加入的 B. NGC 天體列表 星雲和星團新總表 New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars NGC 是在天文學上非常著名的深空天體目錄 它收錄了 7,840 個天體 星雲和星團新總表是最大的綜合目錄 它包含所有類型的深空 天體 C. IC 天體列表 星雲星團新總表續編(IC) 也稱為星雲總表 它實際上是星雲星團 新總表(NGC)的補遺

43 二 深空天體的分類 1. 2.星雲(Nebula):星雲是由宇宙中的氣體和塵埃微粒組成的天體 雖然它們 密度低 但由於星雲體積龐大 所以總質量很大 組成星雲的氣體是氫 A. 按形態區分 星雲有 i. 瀰漫星雲(diffuse nebula) 瀰漫星雲呈不規則形狀 廣闊稀薄 它們的 直徑在幾十光年左右 密度平均為每立方厘米 個原子 著名的 瀰漫星雲有獵戶座大星雲 馬頭星雲等 ii. 行星狀星雲(planetary nebula)和 行星狀星雲則呈圓 橢圓或環狀 中 央有高溫的核心星 在小質量星球接近死亡時 核心會大量向外擴散 氣體和塵埃 它們吸了當中的高能量就形成能發出光芒的星雲 iii. 超新星殘骸(supernova remnants) 超新星遺跡是由超新星爆發後拋出 的氣體形成 最有名超新星遺跡是金牛座中的蟹狀星雲 M1

44 B. 按發光性質分類 星雲可分為 i. 發射星雲(emission nebula) 發射星雲即星雲內的氣體吸收到中心或附 近高溫恆星的紫外輻射 使星雲能發光 例子有 M42 獵戶座大星雲 ii. 反射星雲(reflection nebula) 反射星雲即星雲因散射(scattering)或 反射(reflection)附近低溫恆星的輻射而成為光度較發射星雲暗弱的星 雲 iii. 暗星雲(dark nebula) 前兩類均為亮星雲 要借助其他星體才能 發 光 暗星雲和亮星雲並沒有本質的差別 只是在暗星雲附近沒有亮星 提供紫外輻射 因此它既不發光 也沒有光供它反射 要吸收和散射 來自它後面來自恆星密集的銀河以及瀰漫星雲的光線 才可以被發現 著名的暗星雲有獵戶座裏的馬頭星雲 3.星團 cluster 是指一群群聚集的恆星 它們有共同的起源 並沿著相同 方向運動 恆星是在星雲中誕生的 而一般星雲在形成恆星時 常是一 大群一起形成的 這樣就形成了星團 據星團中的恆星數目和疏密程度 星團可分為疏散和球形星團兩種 A. 疏散星團 (open cluster)沒有特別的形狀 其直徑亦不很大 星星的數 目由數十至數百顆不等 它們疏落不規則地分佈著 它們大部分都是 分佈在銀道面上(銀河系的旋臂) 金牛座的 M45 七姊妹星團就是疏散 星團 B. 球形星團(globular cluster)的星數較多 較大的球狀星團的恆星數能達 數十萬 百萬顆 球狀星團是在銀河誕生之初就開始形成 當時物質 仍然均勻的分佈在整個銀河系中 所以球狀星團也是均勻的散佈在銀 河的各個角落 它們組成的恆星較老 所有的恆星均繞著其中心而運 轉

45 4.星系 (Galaxy)由恆星 塵埃和氣體組成的最大集團叫做星系 星系依外 形大致可分成橢圓星系 旋渦星系和不規則星系三種 A. 橢圓星系(Elliptical Galaxies)是幾乎不帶星際氣體 並多是由年老星球組 成的的星系 外觀呈橢圓 有些位於星系團中心的橢圓星系會吞沒它 周圍的星系 成為更大星系 B. 螺旋星系是大多數星系的外型 它們又被稱為漩渦星系(Spiral Galaxies) 這種星系是由旋轉的巨大氣體形成 它們的一個中心區域 叫核球 包含著許多恆星 團繞它的是一個圓盤 這種天體圓盤的旋臂很發達 有著豐富的氣體 每通過旋臂重力界面就成為星系衝擊波並被壓縮 促進星球的形成 因此螺旋星系的旋臂部位集中了很多年輕新形成的 星球 C. 不規則星系則是成長特別慢的星系 這些星系並仍在緩慢地大量繁衍 著幼星 因為不規則星系內部擁有雖慢但卻很劇烈的恆星形成活動 所以天文學家會研究它們以進一步得知恆星是如何形成的 三 電波望遠鏡及觀測天體 觀測深空天體時 可直接以肉眼觀測 也可透過光學望遠鏡觀測 另 外亦可以無線電望遠鏡觀測 1.電波望遠鏡 電波望遠鏡是主要接收天體無線電波段輻射的望遠鏡 電 波望遠鏡的外形差別很大 有固定在地面的單一口徑的球面電波望遠鏡 有能夠全方位轉動的類似衛星接收天線的電波望遠鏡 有電波望遠鏡陣 列 還有金屬桿製成的電波望遠鏡 1931 年 美國貝爾實驗室的央斯基 用天線陣接收到了來自銀河系中心的無線電波 隨後美國人格羅特 雷伯 在自家的後院建造了一架口徑 9.5 米的天線 並在 1939 年接收到了來自 銀河系中心的無線電波 並且根據觀測結果繪製了第一張無線電天圖 知名電波望遠鏡如 ALMA 2.觀測波段 無線電波波段中 比較重要的是 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 MHz 相當 於在太空中波長 公分 在電磁波譜上的位置是微波 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

46 四 觀測成果 因為電波望遠鏡 20 世紀 60 年代的天文學有了四大發現 其中脈衝 星 類星體與電波望遠鏡有密切相關 1.脈衝星 脈衝星是中子星的一種 為會週期性發射脈衝信號的星體 2.活動星系核 AGN 是一類中央核區活動性很強的河外星系 AGN 在各無線電波段都發出很 強的輻射類星體發現以來 又相繼發現了許多具有類似特徵的天體 都 是系外星系 統稱為活躍星系核 A. 明亮的緻密核區 B. 光譜具有很高的紅位移 表明距離遠在宇宙學尺度上 同時光度很高 遠遠高於普通的星系 C. 具有快速的光變 光變時標從數小時到到數日不等 顯示其尺度只佔 整個星系的很小一部分 D. 光譜中有非常寬的發射線 E. 具有非熱輻射譜 F. 具有光學或無線電的噴流現象

47 劉醇宇 一 史前時代的星空信仰 1. 因努伊特人(Inuit)的月亮精靈代表了他們 對月亮的崇拜 因為身處北極圈所以終 年陽光與星星都難以觀察到 在他們的 文化中 月亮取代太陽擁有崇高的地 位 2. 納斯卡草原(Nazca Lines)上 150 英尺長的 蜘蛛圖案是其中最特殊的一景 在大草 原上有各式各樣的線條與幾何圖形 其 中少數帶有天文意義的但宗教意義才是 主要目的 二 古代的天文學發展 1. 最早的天文學紀錄出現在美索不達米亞平原 (Mesopotamia) 在漢摩拉比王朝(Hammurabi)時期的 觀測紀錄 當時使用陰曆去觀測天象 以今日科技 去推算當時的天文現象 我們可以得知此朝代大約 是西元前 1700 年到 1500 年

48 2. 最早完整的天文學論述出現於西元前 兩世紀 由希臘化時期的著名學者托 勒密(Claudius Ptolemy A.D.90~A.D168) 完成的 天文學大成 也可譯為 至 大論 (他住在著名的希臘化城市埃及 的亞歷山卓(Alexandria) 與統治埃及 的托勒密王朝並沒有血緣關係) 托勒密的天文學大成中提出了偏心點理論 他是指說地球並不在太陽所 圍繞的中心上 而是離中心有一段距離 此理論讓模型接近是一個橢圓 形 依據托勒密提出的理論建立出的模型 從中心到外圍依序是 地球 月亮 水星 金星 太陽 火星 木星 土星 3. 泛希臘化時代結合了天文學結合幾何學 發展成為一門科學 其中兩個 案例如下: A. 阿里斯塔克(Aristarchus)量測了 日月的距離 B. 埃若塔色尼茲 (Eratosphenes) 利用陽光的偏差角度 去推算地球半徑

49 阿里斯塔克第一次提出地球繞日說 他認為太陽以及恆星都是固定 的 而地球是在環繞太陽的軌道上運行 太陽是軌道的中心 但是人們 為何看不到恆星對地球的運動呢 對此 阿里斯塔克認為是因為地球軌 道半徑比起地球和恆星的距離來說太小了 讓我們無法產生視差的變 化 4. 總結 古代人對於天文現象的觀察可以皆由他們對於日月的宗教信仰展現 出來 這也是為什麼在四大古文明中都有出現有關於日月的神祉的原因 到了希臘化時代 希臘人藉由引進幾何學和數學的方法將天文學的許多 數據進行分析 雖然所得到的數據因為當時測量工具並不精準而有所偏 差 不過其原理仍與現代測量無異 是相當難得的古代科學成就 三 中古時代(Middle Ages) 1. 對中古時代的定義 A. 羅馬帝國滅亡到君士坦丁堡陷落 B. 西方世界大多數人都不懂希臘文 2. 中古時代的學者貢獻 A. 將希臘文(古代學者專用)翻譯成 拉丁文(當時的通俗語言 B. 阿拉伯宮廷在巴格達成立智慧 宮翻譯西方著作 C. 神學家將希臘時代的學說融入 基督教的觀點 加強神的權威並 且使用神學的觀點解釋宇宙的 星體運動 以加強教會權威

50 D. 中世紀的發明 星盤 為了在海上的航行可以辨識方向而 發明 在夜晚時可以藉由及星的位置取 得自身的緯度 此圖為航海用的星盤 採用中空的構造減少星盤自身造成的風 阻 並在下方增加重量以穩定星盤 E. 中世紀末的偉大天文學家 哥白尼(Nicolaus Copernicus) 1473 年出生在波蘭土倫 1491 年進入克拉 科夫大學 1497 年三月第一次記錄他的觀 測成果 哥白尼的著作 天體運行論 哥白尼對偏心點的批評 未能發現宇宙真 正的結構以及其個部份的真正對稱 互相 並不匹配 哥白尼眼中的太陽系圖依序是太陽 水星 金 星 地球 火星 木星 土星 3. 總結 中古時代因為歐洲的戰亂許多的古代著作都失傳了 其中阿拉伯 人還有東羅馬帝國保存了許多的著作 阿拉伯人將希臘文著作翻譯成阿 拉伯文 在中世紀後期被再度翻譯成拉丁文 促成文藝復興的開始 中 世紀歐洲在天文上並沒有重大的發現 但是在阿拉伯人的天文學因為翻 譯希臘語著作而進步 在曆法上不斷精進 也發現了許多天文現象

51 四 文藝復興時期 1. 第古 布拉赫(Tycho Brahe)記錄下大量的數 據以及改良望遠鏡用於觀測 2. 第古所有記錄的資料被他的徒弟約翰尼斯 克普勒(Johannes Kepler)所用 克普勒依照了 過往的觀測成果提出了克古勒三大定律 A. 行星的軌道是個橢圓形 而太陽位於其中 的一個焦點上 B. 行星的繞軌道速度與太陽之間的距離平 方成反比(V 正比於 1/R^2) 意即掃面積速 率相等 C. 各行星繞太陽公轉周期的平方與他們橢 圓軌道的半長軸立方成正比 克普勒的假設完全是基於觀察的數據還有大量的基本運算得來 在 他的年代驗證克普勒定律所需要的數學工具還沒有出現 也就是說 在 此定律發現之初我們只知道它會這樣 但是我們不知道它為何會這樣 3. 伽利略 伽利萊(Galileo Galilei) 1564 年出生 1610 年使用望遠鏡發現驚 人成果 1632 年在出版了 關於兩大世界體系的對話 後遭到監禁直到 去世

52 伽利略發現了月亮表面的變化 月亮表面的坑洞是有規律地變化 而太陽黑子的發現讓伽利略知道太陽是會旋轉的 4. 總結 文藝復興時代的天文學家提出了日 心說 已經逐漸改變千年來教會以及前人 的地心說觀點 此時的許多天文學知識都 是以歸納法所提出 許多的現象以及定律 都非常原始且不具備物理解釋 一直要等 到啟蒙時代的眾多大師才能解開這些天文 物理上的意義 五 啟蒙時代(Age of Enlightenment) 1. 啟蒙時代的天文學快速發展的原因如下 A 年戰爭後 教會無力再限制思想 B. 觀測儀器的精準度提高 C. 眾多數學工具的出現(ex.微積分 冪級數 拉氏轉換)

53 2. 羅伯特 虎克(Robert Hooke)的三種假設 A. 所有的天體不管是哪一種(恆星 行星 衛星)皆有一種引力或稱重力指 向該物體的質心 這種力量會吸引住天體本身防止他們飛離 B. 所有天體都會沿著直線方向運動直到他受到了其他作用力才會彎曲或 是進行圓周運動 C. 物體離引力中心越近 所受引力越大 虎克所提出的假設許多並不合現今我們所知道的物理概念 在他稍 後的牛頓所提出的三大運動定律中有些與虎克假設相近的概念 是近代 靜力學與動力學中最主要的定律 而牛頓三大運動定律為克普勒定律提 供了完整的物理解釋 並且廣泛應用各類工程 3. 在此我們總結啟蒙時代的天文學發展 A. 惠更斯(Christiaan Huygens)發現土星的最大衛星 泰坦 B. 哈雷(Edmond Halley)精準的預測了哈雷彗星的回歸 C. 牛頓(Isaac Newton)提出三大運動定律 D. 拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace)把所有的發現總結 寫下 天 體力學 總結啟蒙時代的天文學成果 4. 總結 到此天文學發展已經進入了現代的階段 各種先進光學儀器的運 用讓人類可以看到肉眼無法看到的各種星球 宗教所扮演的角色已經不 再影響著天文學家 科學時代在此正式來臨

54 謝郁柔 一 天文世紀大辯論&哈伯定律 1. 宇宙規模 (Scale of the Universe)世紀大辯論 Heber D. Curtis

55 提出觀點 Heber D. Curtis Harlow Shapley 漩渦星雲是遠在銀河系 銀河系的中心不是 以外 與銀河系相似的 太陽系 太陽系其 恆星系統 實處在銀河系的邊 Now 緣 太陽位置 太陽僅是位於相對小的 太陽距離星系核心 太陽位於離銀 星系中心附近 約 3 萬光年遠 河中心約三萬 光年遠的地方 (直徑)60 Kpc 銀河系大小 ( K=103 (直徑)10 Kpc (直徑)約 10 萬 光年(約 30Kpc) 1pc(秒差距)=3.26 光年) Curtis 所認為島宇宙模式中 漩渦狀星雲(圖 1)是巨大且轉動的恆星 系統 這個辯證在暗示銀河外物質的存在 Shapley 認為漩渦狀星雲 (spiralnebulae)相當小且距離不遠 像球狀星團一樣散佈在銀河系的四周 還利用大麥哲倫星雲中造父變星的觀測結果中 發現太陽不在銀河中心 也發現了光度變化週期和光度的大小關係 這可以做為距離指標 等到了 1930 年代 我們更可以知道銀河系的雲氣狀組成和太陽並不 是位在銀河系核心的附近 而 Shapley 也正確地描述了我們銀河系的大小 和太陽位置 太陽確實不在銀河系的中央 但他對漩渦狀星雲的看法卻 是錯的 漩渦狀星雲和銀河系一樣是個巨大的恆星系統 Curtis 則正確說 出我們的宇宙是由許多的星系所組成的 螺旋狀星雲描繪出銀河的形 狀 而在這個 1920 年大辯論的時代 光學望遠鏡的解析度並不足夠 等 到哈伯(Edwin Hubble)用反射式胡克耳望遠鏡(直徑 2.5 公尺 當時世界上 最大的)觀測仙女座星系的旋渦壁上有明亮的造父變星 並亮度變化周期 才推測我們和 M31 的距離(200 百萬光年)比 Shapley 所假設的大星系還要

56 遠 這也就表示出 M31 不是我們銀河系內的星系 是一個銀河系外的巨 大恆星系統 也證明了銀河外物質的存在 渦狀星雲 NGC300 2.哈伯定律(Hubble s law) 1929 年 美國天文學家哈伯在星系光譜上 發現遙遠的星系在光譜 上呈現紅移現象 這表示方向是遠離我們而去 且距離愈遠的星系遠離 的速度越大 因此兩者關係成正比 因為是由哈伯發現的 而被命名為哈伯定律 這被視為是宇宙擴展 空間(metric expansion of space)第一個觀察的依據 現今被用來支持大霹 靂(Big Bang)的一個重要證據 v= H0 D v=徑向遠離速率(radial velocity) 單位 km/s D=相對於地球的距離(Distance) 單位 Mpc H0=哈伯常數(Hubble s Constant) 單位 km s-1 Mpc-1

57 哈伯的照片 現今的宇宙朝向四面八方均勻的膨脹 但是宇宙中的每一點並非是 以同樣的速度向外遠離 而是距離某一個較遙遠的物體 遠離的速度就 會越來越大 之後天文學家也發現哈伯常數不單單只是用來測量宇宙膨 脹的參數 也和宇宙模型理論中的物質密度有關係 科學家用哈伯常數的倒數來推算宇宙年齡 認為目前的年齡大概是 137 億年 哈伯定律 (說明 觀測到星系的距離放橫軸 遠離的速度放縱軸 作出不同斜率的 直線 代表不同的哈伯常數 )

58 二 1960 年代天文學四大發現簡介與其發展 1960 年代 微波背景輻射 脈衝星 類星體和星際有機分子並稱為 天 文學四大發現 1.微波背景輻射 早在 1929 年哈伯(Edwin Hubble)在分析星系光譜時 便發現遙遠的星 系在光譜上呈現紅移 並推測出宇宙正在膨脹 是支持大霹靂(The Big Bang)的一項重要證據 1964 年 Arno Penziaz & Robert Wilson 在無意中測量到宇宙微波背景 輻射的信號 他們一起做了一台微波接收器用來做一些銀河系中天體的 測量 而在測量的過程中 發現太空中有些無法解釋的背景雜音 在尋 找這個雜音的來源的過程中 才知道這個是宇宙大爆炸後的 餘音 他 們這次測量到的微波背景輻射溫度很接近黑體輻射溫度 3K 的訊號 因此 也稱 3K 背景輻射 根據維因定律(Wien law) 把兩人測到訊號的波長代入 便可得到此 訊號相當於絕對溫度 3K 物理所發出的熱輻射 維因定律(Wien law) 2.脈衝星 1967 年的夏天 一位劍橋大學文迪斯實驗室(Cavendish Laboratory) 的女研究生-伯內爾 在檢測電波望遠鏡收到的訊號時 無意中發現這些 訊號具有規律脈衝 脈衝的週期是 秒且十分穩定 她將此觀察結果 告訴她的指導教授-休伊斯教授 到了 11 月初 有些脈衝信號變得很強 於是伯內爾便開始找以前的 實驗記錄 從中發現也有相同的脈衝信號 因此在接下來的時間 又陸 續發現了數個脈衝信號 因此他們認為這是一個新天體- 脈衝星

59 1968 年時 有人提出脈衝星是中子星 中子星具有強磁場 運動的 帶電粒子會發出同步輻射 形成和中子星一起快速轉動的電波束 但是 中子星的自轉軸和磁軸不重合 只要電波束掃過地球時 地球便會收到 一個脈衝 脈衝星的週期可以推測其年齡 因為它的輻射電波會消耗自轉動能 因此會越轉越慢 但是這種變化很緩慢 從此可知周期愈短越年輕 1974 年 美國普林斯頓大學的赫爾斯&泰勒發現第一顆無線電脈衝 雙星 是兩顆互相環繞的脈衝星 其週期是 7.75hr 軌道偏心率為 當兩顆星靠得很近時 極強的引力輻射會使它們的距離更加靠近 軌道 週期會逐漸變短 而從軌道週期的變化可以間接證明引力波的存在 對 廣義相對論的驗證有很大的貢獻 脈衝星的主要特徵: A. 多數脈衝星每秒自轉一次或多次 自轉速度比太陽系中轉速最快的木 星還快 B. 體積小 密度大 是由中子密集在一起的超高密度星體 C. 溫度極高 壓強極大 比太陽高 3 億倍 D. 強引力作用 引力強過地球 10 億倍 E. 強磁場 大多數約有 1012 高斯的磁場 是地球的 1000 億倍 3.類星體 1960 年 天文學家利用 5 米口徑的反射望遠鏡 發現射電源 3C 48(視 星等=16 等)有很奇怪的譜線 這些譜線是向著光譜紅端移動了一段距離 的氫譜線 之後有這些特徵的類天體 則被稱為 類星體 類星體具有很大的紅移 這表示它以飛快的速度遠離地球 可能是 人類到目前為止所觀測到最遙遠的天體 但距離地球如此遙遠的類星體 卻是高光度和強射電的天體 它比星系小很多 但所釋放的能量卻是星 系的千倍以上 因此天文學家才能夠發現它的存在

60 就目前所知道最遠的類星體大約 150 億光年 2001 NASA 發現由 18 個類星體組成的類星體星系 規模最大(65 億光年) 2003 以色列拉維夫大學&美國哈佛大學 發現類星體周圍存在暗物質運的證據 2006 歐洲科學家說發現了 孤兒 類星體 2007 科學家首次發現類星體三胞胎 初次發現漢妮天體(Hanny Voorwerp) 2008 科學家發現可以製造 X 射線的類星體 2011 科學家用哈伯望遠鏡拍攝到*漢妮天體的照片和 X 光觀測數據 *漢妮天體(Hanny Voorwerp) Hanny Voorwerp 是個已經死亡的類星體 科學家當時認為漢妮天體 所發出的光來自於 IC2497 的相鄰星系的輻射 被推測 IC2497 裡面有一個 巨大的黑洞 吞噬了許多氣體和星體 並且釋放兩種相反的炙熱氣體和 高能輻射 而當輻射擊中氣體雲時 會激發氧原子 使氣體雲發出綠色 的光芒 美國耶魯大學天文科家 Kevin Schawinski 透過 X 光觀測 發現此類星 體不再活躍 科學家推測可能是因為它中央的黑洞沒有東西可吃了 但 是漢妮天體現在依然還在發光 因此推測出應該才剛死亡不久 在 2010 年 4 月由哈伯望遠鏡觀測到的結果也證實了死亡類星體的假說 Hanny Voorwerp

61 4.星際有機分子 Interstellar molecules 星際有機分子指的是存在於星際間的有機分子 原本天文學家認為 宇宙除了恆星 行星 星雲之類的天體物質外 星際空間是一片真空 直到後來才發現 宇宙充滿各種微小的塵埃 氣體 宇宙射線及粒子流 並從中發現大量有機分子 轟動那時的天文學界 1930 年 美國天文學家特朗普勒(R.J. Trumpler)藉由對銀河星團的研 究 證實了星際之間的確存在著星際物質 其中 90%以上是氣體 剩下 的是塵埃 溫度通常在攝氏零下 200 度 C 下 用光學望遠鏡根本觀測不 到 1944 年 荷蘭天文學家范德胡斯特(H.C van dehulst)推斷星際氫原子 會發射波長 21 厘米的電磁波 果真在 1951 年用射電望遠鏡探測到了 1957 年 美國物理學家湯斯(C.H.Townes)提出了宇宙空間可能存在 17 種星際分子 並提出探測的方法 之後科學家們 1963 年在仙后座探測到了羥基(OH) 1968 年在銀河系中心區探測到了氨(NH3)&水 1969 年發現了甲醛(HCHO) 1991 年陸續發現超過 100 種星際分子 加拿大河茨拜格天體物理研究所在金牛座的星際雲中發現一種有九 個原子的有機分子- HC7N 分子量達 99 這種含有長碳鏈的直鏈分子結 構較複雜 雖然接近有機化合物 2010 年地球上的天然化合物尚未發現 它的存在 在 1977 年 5 月英國化學家克羅托等人用人工的方法合成它 之後 加拿大阿爾貢天文台報說 又發現一種十一個原子的有機分 子-HC9N(氰基辛炔) 結構式為 HC C C C C C C C C N 分子量達 123 是目前人類發現最重的星際有機分子

62 三 天文學家最近在研究的課題 1.暗物質 大多數的星系就像銀河系一樣 有數十個衛星繞著他們運行 可是 這些衛星都極其黯淡 只有繞行著銀河系以及在附近的仙女座星系 距 離最近而且最亮的星系才能被觀測到 可是那些矮星也不是恣意繞行 它們全都位在一個側向的平面上 這種位置的排列出人意料之外 模擬星系演化的電腦模型早已顯示 天空中任一方向上的矮星系數量應該大概相同 長期以來 天文科學家 認為這種球狀分布是暗物質導致的結果 暗物質是一種只透過重力和普 通物質作用的神祕物質 因此他們認為宇宙瀰漫著暗物質 並在星系的 形成和宇宙膨脹的過程中扮演重要角色 可是矮星系的位置排列之謎 使一些天文學家開始質疑暗物質是否 存在 這時萊 貝 斯 凱 德 Noam I. Libeskind 提 出 另 一 種 觀 點 嘗 試用遠比銀河系巨大的宇宙暗物質之網 就足以說明這些衛星星 系在天空中獨特的排列方式 在 1930 年 代 天 文 學 家 茲 威 基 (Franz Zwicky)想 要 測 量 后 髮 座 星系團的質量 首先他測量這星系團內每個星系的速度 他發現 這些星系的速度有每秒數千公里 足以撕裂整個星系團 但是這 個 星 系 團 卻 沒 有 被 撕 裂 於 是 Zwicky 推 斷 星 系 團 裡 面 一 定 充 滿 一 些看不到的物質 利用重力緊抓這這些星系 之後這種看不見的 物 質 被 命 名 為 暗 物 質 首次提出這個說法後 天文學家在我們銀河系裡 從觀察星 系外緣的恆星運動中 也推論出暗物質的存在 但是這些恆星的 速度太快 我們能觀測到的根本不可能抓住它們 且在周圍的矮 行星 似乎有更大比例的暗物質 從 1970 年 開 始 研 究 人 員 便 嘗 試 利 用 電 腦 模 擬 宇 宙 的 歷 史 至今這項研究方法雖然複雜許多 但卻已經成為研究個別星系的

63 有效方法 其中也產生了一些問題 比如說 電腦模擬顯示出 繞行在銀河系周圍的暗物質結構 應當會把氣體和塵埃拉近個別 的團塊中 因重力而塌縮 最後形成許多恆星和矮星系 而這些 暗物質無所不在表示我們應該可以觀測到許多的小型衛星星系 可是我們卻只能觀測數十個衛星星系 到 了 1990 年 代 天 文 學 家 首 次 確 定 無 法 找 到 這 麼 多 的 矮 星 系 之 後 便 被 稱 為 失 蹤 的 衛 星 星 系 問 題 2.重力波 今年美東時間 3 月 17 日 台籍科學家郭兆林與其所屬的*南極 BICEP2 研究團隊 在哈佛史密森尼天體物理中心 Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics 宣布觀測到 原始重力波 的存在證據 (*跑到南極觀測 是因為空氣稀薄 乾燥 儀器不會受到大氣中的水氣影響) 這證實了美國科學家愛因斯坦在 1916 年時從 廣義相對論 中提出 的重力波 並說明宇 宙 *暴脹 Inflation 理論是正確的 在那時愛因斯坦就意識到 重力是具有質量的物體彎曲時空結構的 表現 如果有物理激烈的晃動 時空也會跟著晃動起來 並且產生重力 波 可是那時他認為重力波很微弱 沒有辦法觀測到 一直是個謎 (*暴脹是指宇宙大爆炸後 秒內 從一小點突然暴增到原本體積 的 1025 倍大 宇宙在連一秒都不到的時間內 從一個原子大小變成太陽 系這麼大 ) 而與郭兆林長期合作的台灣科學家-吳俊輝表示 暴脹會讓宇宙中的 物質分布不均勻 有些地方密 有些地方疏 密的地方物質逐漸聚集在 一起 形成星星 月亮和萬物 疏的地方則變成太空 若沒有暴脹 宇 宙就會變成什麼都沒有 只有均勻分布氫氣和氦氣的虛無空間

64 3.星族(population I& II) A. 簡介 銀河系年齡 化學組成 空間分佈 和運動特性比較接近的恆星集 合 在 1944 年由美國天文學家沃爾特巴德將銀河系中的恆星分成現在 的三族恆星(第一星族 第二星族和第三星族) 而分族的數字(一 二 三)不代表是世代交替 只是區分彼此間的年齡 B. 特點 各星族的年齡相差很大 暈星族最老 從中介星族Ⅱ 盤星族和中 介星族Ⅰ到最年輕的旋臂星族 年齡依次遞減 各個星族在化學組成上也有差別 可以用恆星演化過程解釋 越是 年輕的恆星 包含的重元素就越多 C. 過程(提出) 星族的概念 最早是由 1927 年布魯根克特在 星團 一書中提出 來的

65 1944 年 巴德將觀測星系 M31 和 M33 的核心部分 畫出亮星的赫 羅圖 之後發現這個赫羅圖和銀河系球狀星團的赫羅圖很像 星系外圍 部分的亮星的赫羅圖與銀河星團赫羅圖比較接近 因此 巴德重新提出 了星族的概念 星族Ⅰ和星族Ⅱ在空間分佈和運動特性方面也有不同 星族Ⅰ的恆 星集中於星系外圍旋臂區域內 銀面聚度大 星族Ⅱ的恆星則主要集中 在星系核心部分 銀面聚度小 1957 年 在梵蒂岡舉行的星族討論會上 將銀河系裡的恆星劃分為 五個星族 現在已經被各國天文學家普遍接受 星族概念是從赫羅圖和 物理特性上著手的 而子系 次系概念則著重於空間分佈和空間運動的 特徵 星族 I&星族 II 比較表: 星族一 星族二 位置 星系盤面 星系核心 恆星顏色 藍色 黃色 恆星年齡 年輕 年老 恆星金屬豐度 豐富 稀少 4.微中子 A. 特性 i. 非常輕 ii. 輕易穿透物質 iii. 不帶電荷 iv. 不能用來建構原子 v. 不與其他物質發生作用 vi. 反應活性最差的次原子粒子 vii. 有多種型態 可在飛行途中轉換型態

66 B. 提出: 微中子是物理學家包立(Wolfgang Pauli) 在 1930 年所提出來的想法 為了解釋β衰變的實驗結果 在β衰變的實驗中 大部分的電子並沒有帶 走這麼多的能量 導致能量不守恆的結果 但若最後的反應產生出第三 個粒子-微中子 有它帶走部分能量 就可以解釋當初能量不守恆的結 果了 舉例來說 在一個輻射核中 中子在靜態時衰變 放出一個質子和 一個電子 因為動量守恆定律 所以衰變產生的總動量必須為零 但是 所放出的質子和電子明顯的沒有守恆 因此假設有一個微中子被釋放出 來 帶走一部分能量 便可以達到守恆 C. 發現: 在 2002 年諾貝爾基金會頒發獎項給 Ray Davis&小柴昌俊 Davis 偵 測到太陽微中子 那時人們第一次看見來自外太空的微中子 小柴昌俊 則發現了 1987 年超新星爆發所釋放出來的微中子 D. 應用: 現在微中子除了還是科學家探究的目標 微中子也變成探索宇宙的 實用工具 設計和製造出巨大的微中子望遠鏡 可以拍攝到成千上萬的 微中子 太陽的影像 還有能力可以做到把來自地球以外 以及與源自 地球高層大氣的微中子區隔開來 我們可以透過微中子看到太陽中心的 核融合引擎 也可以透是超新星內部 γ 射 線 的 恆 星 爆 炸 事 件 以 及 圍繞著超大質量黑洞周邊的氣盤

67 5.系外行星 所謂的系外行星 是指圍繞著太陽之外恆星公轉的行星 最常見的系 外行星 通常是巨大的行星 比如說木星或者海王星 但是相對下來 大質量的行星比較容易被觀察到 但有一些質量輕 質量只有地球的幾 倍大的系外行星 數量卻超過巨大的行星 在 1995 年 10 月 6 日 Michel Mayor 及 Didier Queloz 首次發現一顆普 通的主序星-飛馬座 51 的行星 這項發現表示出太陽系外行星確實是存在 的 也讓天文學家可以藉由行星對母星的重力影響 間接探測到系外行 星的存在 也是有因為行星經過母星前面 讓母星的光度減弱而被發現 的 系外行星歷年來的發現 1996 大熊座 47b 1999 仙女座υ HD b 2002 天龍座ιb 2003 PSR B c 2004 天壇座μd 2M1207b 2005 葛利斯 876d HD B HD Ab 2006 OGLE-2005-BLG-390Lb HAT-P-1b 2009 柯洛 7b 葛利斯 581e 室女座 61 HD 1461 GJ1214b 2010 葛利斯 581g 克卜勒 9 HIP 13044b 2011 開普勒 11 開普勒 16b 克卜勒 20 克卜勒 22b 2012 HIP 克卜勒 47 半人馬座α B 目前發現最靠近太陽系的系外行星-半人馬座α B 星 由瑞士日內瓦 大學等所組成的研究團隊發現繞著南門二 B 公轉的系外行星

68 歐洲南方天文台所繪的半人馬座 αbb 想像圖 因為搭載望遠鏡上的 HARPS 光譜儀能夠精確地測到恆星譜線的變化 而恆星受到公轉行星重力的影響 位置來回些微的擺動 讓光譜譜線呈 現來回擺動的現象 這種測定的方法也可以稱為都卜勒效應(Doppler effect method) 或者是稱為擺動法(wobble method) 經過解析後得知此 顆行星的質量和地球差不多 是目前所發現在類太陽恆星周圍公轉的系 外行星中最輕的一顆

69 都卜勒計畫的成果 2010 年 4 月 1 日 2011 年 12 月 第一個主要的研究結果 最初發現的行星都是短週期行 星 之後才有更多長週期行星逐漸被發現 共有 2326 顆候選行星被發現 其中 207 顆和地球大小相 似 680 顆是超級地球 1181 顆是海王星的大小 203 顆為 木星的大小 55 顆比木星還更大 都卜勒太空望遠鏡團隊估計大概 5.4%的恆星擁有地球大 小的行星候選 而 17%恆星多顆行星 2011 年 12 月 2013 年 兩顆候選行星都卜勒 20e 和都卜勒 20f 被證實是系外行星 加州理工學院在 1 月發表研究成果 銀河系擁有 1000 億 ~4000 億顆行星 指的是每一顆恆星至少擁有 1 顆系外行 星 此研究結果 銀河系中的恆星有行星環繞是很普遍的 1 月 7 日又發現 461 顆系外行星候選者 KOI 是一顆適合生命存在的區域 環繞著與太陽相 似恆星的類地球系外行星 可能存在著外星生命的 主要 候選者 2014 年 2 月 26 日 從數據中證實 15 顆新的系外行星 發現所運 用的新方法稱為 多重性確認

70 六 參考資料 1.科學人雜誌(書面 or 網路 2.牛頓科學雜誌(Newton)-66 號 有關系外行星的文章 3.網路資源: Google Wikipedia 科技大觀園(科普知識) AEEA 天文教育資訊網 台灣醒報 4. research/observatories/26inch/history/curtis.php 5. pley_curtis.html 6. m ate-intergalactic-space-blob-what-is-it n_of_the_planet_around_alpha_centauri_b_(annotated).jpg

71 梁閎翔 outline 一 多波段觀測 二 地面上的天文台 望遠鏡 三 太空中的天文台 望遠鏡 四 火箭原理與發展史 太空探索史 五 運輸火箭的結構與任務議程 六 未來展望(新載具與殖民)

72 一 多波段觀測----大氣窗介紹 1. 由於大氣層的散射和吸收作用 使得太陽輻射的各個波段受到輕重不同 的衰減作用 因而各波段的滲透率也不相同 為了遙測的目的 我們只 能選擇穿透力較高的波段 才能取得該波段的地面影像 因此對於這種 大氣衰減作用較弱 穿透大氣層能力很強的波段就叫做大氣窗 (Atmospheric Window) 2. 地面遙測所使用的大氣窗如下 波段 波長範圍(10^-6m) 輻射源 遙測所測量的電 磁波輻射性質 紫外線 0.3~0.4(10^-6m) 太陽 物體對太陽的反 射 可見光 0.4~0.7(10^-6m) 太陽 物體對太陽的反 射 近紅外線 0.7~1.1(10^-6m) 太陽 物體對太陽的反 射 短紅外線 1.1~1.35(10^-6m) 太陽 物體對太陽的反 射 1.4~1.8(10^-6m) 2~2.5(10^-6m) 中紅外線 遠紅外線 微波 3~4(10^-6m) 太陽及 物體對太陽的反 4~4.5(10^-6m) 物體本 射 身 自身輻射 8~9.5(10^-6m) 物體本 自身輻射 10~14(10^-6m) 身 1mm~1m 物體本 自身輻射 身 雷達 1mm~1m 人造波 物體反射雷達波

73 A. 紫外線 可見光與近紅外線都可利用攝影取得影像 稱為可攝影視窗 本窗口的穿透率高於九成 B. 短紅外線視窗必須利用掃描的方式取得影像 本窗口的穿透率將近八 成 C. 中紅外線與遠紅外線可合稱熱紅外線窗口 電磁波來源主要為物體本 身輻射 其能量與溫度有關 由於臭氧 二氧化碳及水氣等三種氣體 的共同影響 此窗口的穿透率只有 60~70% 此外 熱紅外線在 9.6(10^-6m)時受到臭氧強烈的吸收 因此衛星遙測只利用 10~14(10^-6m)的窗口 D. 微波窗口對電磁波而言是完全透明的 穿透率幾乎是百分之百 完全 不受大氣層的影響 3. 大氣窗口示意圖 縱軸為阻擋率 橫軸為波長

74 二 天文台 因為天文學是一門研究 極端 的科學 全人類所知的最熱的 最冷 的 最遙遠的天體都是在天文學的範疇 由於每個物體都會因著自身溫度 不同而散發出不同波段的電磁波 例如寒冷的星體會發射出無線電波 高 溫的星體會發射可見光或紫外線 再加上許多在太空深處發生事件多半會 發射出人眼不可見的 Gamma Ray 或 X Ray 因此我們需要以不同波段的天 文台來觀測宇宙深處的天文現象 1. 無線電波天文台 專門觀測無線電波段的天文現象 由於相同口徑下 光學望遠鏡的 解析度比無線電波望遠鏡的解析度高 因此他的口徑通常較為巨大 之 後更發展出以干涉的方式 組成望遠鏡陣列 使得此陣列的解析度相當 於口徑等同於該陣列直徑的單一無線電望遠鏡 A. VLA Very Large Array 甚大天線陣 興建於 1981 年 在美國新墨 西哥州 海拔 2124 公尺的聖阿古 斯丁高原 有著 27 台 25 公尺口 徑的天線組成的無線電望遠鏡陣 列 是世界上最大的綜合孔徑無 線電望遠鏡 最高的解析度可以 達到 0.05 角秒 與地面大型光學 望遠鏡相當 B. 阿雷西博天文台 Arecibo Observatory 在波多黎各的西雷西沃山谷 中 有著全世界最大口徑的單一無 線電望遠鏡 達到 350 公尺

75 C. ALMA (阿塔卡馬大型毫米波/次毫米波陣列) 是多個國家 地區的研究機構合作建造的一台大型無線電望遠鏡陣 列 由 66 台口徑為 12 米的拋物面天線組成 捕捉毫米波和亞毫米波 解析度可達 0.01 角秒 為研究宇宙中分子氣體 大爆炸輻射以及星際塵 埃提供更精確數據 2. 光學天文台 A. 甚大望遠鏡 Very Large Telescope VLT 為歐洲南方天文台在智利帕瑞那山所建造的大型光學望遠鏡 由 4 台相同的 8.2 公尺口徑望遠鏡組成 組合的等效口徑可達 16 公尺 4 台 望遠鏡既可以單獨使用 也可以組成光學干涉儀進行高解析度觀測 甚 大望遠鏡位於智利安托法加斯塔以南 130 公里的帕瑞納天文台 海拔高 度為 公尺 這裡氣候乾燥 一年當中晴夜數量多於 340 個 如果說 月球上有一亮著大燈的車子 VLT 能以其強大的觀測能力 分辨車上每個燈的發光點

76 B. 歐洲極大望遠鏡 European Extremely Large Telescope E-ELT E-ELT 也是歐洲南方天文台即將在智利帕瑞納山所建造的地面光學 天文台 其主鏡直徑為 39.3 米 由 798 個六角形小鏡片拼接而成 集光 面積達到了 978 平方米 建造完成後將成為世界上最大的光學望遠鏡 E-ELT 的直徑約等於半個足球場的面積 集光能力比現在最大的光學望遠 鏡強 15 倍 比單架甚大望遠鏡強 26 倍 比當年伽利略製造的望遠鏡強 8 百萬倍 比人類肉眼強 1 億倍 C. 鹿林天文台 鹿林天文台位於鹿林前山 隸屬於國立中央大學 為目前台灣最大 的天文台 該天文台擁有一座 1 公尺口徑卡塞格林反射鏡 Cassegrain reflector 40cm 16 吋 RC 望遠鏡 slt 以及 TAOS50cm 自動望遠 鏡 4 部

77 3. 太空天文台 A. 康普頓伽瑪射線天文台 Compton Gamma Ray Observatory CGRO 美國 NASA 於 1991 年發射的一顆伽 瑪射線天文衛星 是大型軌道天文台計 劃的第二顆衛星 它以在伽瑪射線領域 做出重要貢獻的美國物理學家康普頓的 名字命名 目的是觀測天體的伽瑪射線 輻射 康普頓伽瑪射線天文台於 1991 年 4 月 5 日由亞特蘭蒂斯號太空梭 搭載升空 運行在 450 公里高的近地軌道上 為的是避免范艾倫輻射帶 的影響 康普頓伽瑪射線天文台重約 17 噸 其中天文儀器重約 7 噸 在當 時是用太空梭發射的最重的民用太空飛行器 衛星上搭載的主要觀測儀 器有 爆發和瞬變源試驗設備 BATSE 定向閃爍光譜儀 OSSE 康普頓成像望遠鏡 COMPTEL 高能伽瑪射線試驗望遠鏡 EGRET B. 錢卓拉 X 射線天文台 Chandra X-ray Observatory CXO 1999 年 7 月 23 日 美國太空 總署(NASA)依據電磁波段著手進行 太空天文觀測 4 大天文台(Great Observatories)計畫中的第 3 顆觀測 衛星錢卓拉 X 光天文台(Chandra X-ray Observatory CXO 上圖照是

78 已裝載於太空梭內部的 CXO 照片)搭載哥倫比亞號太空梭(shuttle Columbia)在執行 STS-93 執行太空任務時順利升空 進入運行在近地點為 1 萬公里 遠地點為 14 萬公里的一條橢圓軌道上 軌道周期為 64 小時 這顆以印度裔美國籍物理學家蘇布拉馬尼揚 錢卓拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar )命名 具極高的空間解析度和 光譜解析度的太空天文台 被認為是 X 光天文學進入了光譜時代具有里 程碑意義的太空望遠鏡 CXO 是大型軌道天文台計劃之一總重約 4.8 噸 主鏡為 4 台套筒式 沃爾特型掠射式 X 光望遠鏡(Wolter telescope) 每台口徑 1.2 公尺 焦距 為 10 公尺 接受面積達 0.04 平方公尺 關鍵主要設備有由 10 台 CCD(電 子耦合裝置)組成 觀測能量波段在 0.2~10 kev 的進階 CC 成像頻譜儀 (Advanced CCD Imaging Spectrometer ACIS) 由 2 台微電路板探測器組 成 觀測能量波段在 0.1 ~ 10 kev 時間解析度達 秒的高解析度照 相機( High Resolution Camera HRC) 觀測能量波段在 0.4 ~ 10 kev 光 譜解析度為 60 ~1000 的高能透射光柵攝譜儀(High Energy Transmission Grating Spectrometer HETGS 能夠與 ACIS 和 HRC 結合觀測能量波段 在 0.09 ~ 3 kev 光譜解析度為 40 ~ 2000 的兩台低能透射光柵攝譜儀(Low Energy Transmission Grating Spectrometer LETGS 等科學儀器 錢卓拉 X 光天文台是 21 世紀初 X 光天文觀測的主要設備且已獲得 大批重要的研究成果 包括首度偵測到金星大氣層螢光效應的太陽 X 光 散射 Cassiopeia A 超新星爆發的 X 光輻射 在星暴星系 M82 裡發現了 中等質量黑洞(black holes)的證據 發現伽瑪射線爆(gamma-ray burst) GRB 中的 X 光輻射 觀測到銀河系中心超大質量黑洞 天蠍座 A (Sagittarius A*) 的 X 光輻射 物質從原恆星盤落入恆星時輻射出的 X 光 Abell2142 星系互碰的過程 發現繞著雙星系統的棕矮星 TWA5B 量測 到哈柏常數(Hubble constant)為 76.9km/s/Mpc 超大星系團的碰撞等等

79 C. 史匹哲太空望遠鏡 Spitzer Space Telescope SST 2003 年 8 月 25 日升空加入美國航 空暨太空總署(NASA)壯大太空觀測行 列的 史匹哲(Spitzer)太空望遠鏡(簡稱 Spitzer) 原名為太空紅外望遠鏡設備 Spitzer 於 2003 年 12 月經過公眾 評選 該衛星以太空望遠鏡概念的提出 者 美國天文學家萊曼 史匹哲( Lyman Strong Spitzer )的名字命名 Spitzer 是 NASA 在太空中新的一架大型天文望遠鏡 以 取代先前的紅外線天文衛星 IRAS 當然 它所裝置的紅外光偵測裝備 的靈敏度和圖像的解析能力會是之前所有的太空望遠鏡的裝置所不及 因此 天文學家對 Spitzer 觀測任務充滿著更大的期望 史匹哲太空望遠鏡(Spitzer)主要任務 是在 3 微米至 180 微米的紅 外光波段的範圍廣泛的全面探究宇宙 史匹哲太空望遠鏡總長約 4 公尺 質量為 950 公斤 主鏡口徑為 85 厘米 用鈹製作 除此之外還有 3 台 主要觀測儀器 分別為 i. 涵蓋波頻在 3.6 微米(測量溫度 T ~ 805 K) 4.5 微米(T~ 644 K) 5.8 微米 (T ~ 500 K)和 8.0 微米(T ~ 362 K) 4 波頻的 紅外陣列相機(Infrared Array Camera IRAC) 大小為 畫素(pixel) ii. 由 微米 低解析度 微米 高解析度 微米 低 解析度 和 微米 高解析度 等 4 個模塊 組成一套在 微米波長(測量溫度 T ~ K)的適中解析度紅外攝譜儀 (Infrared Spectrograph IRS) iii. 由 3 個偵測器陣列組成 涵蓋波頻在 24 微米(測量溫度 T ~ K 畫素) 70 微米(T ~ 41.4 K 畫素)和 160 微米(T ~ 18 K 2 20 畫素)波頻在遠紅外波段的多波頻成像光度計(Multiband Imaging Photometer MIPS)

80 為避免望遠鏡本身發出的紅外光干擾 主鏡溫度冷卻到絕對溫度 5.5K Spitzer 望遠鏡本身還裝有一個保護罩 用於避免太陽和地球發出 的紅外光干擾 Spitzer 集中地觀測棕矮星 太陽系外行星 行星的形成 初期之原行星 (protoplanetary) 環繞行星週遭的碎片盤面(disks) 極端 明亮泛紅的星系 活躍的星系 以及早期宇宙 目前的成果是已經留下 了鉅大量的觀測資料尚等待分析和專有的建檔 D. 哈伯太空望遠鏡 Hubble Space Telescope HST 哈柏太空望遠鏡是位於距 離地表 600 公里高處環繞地球 運行和進行天文觀測的望遠鏡 名字的源由是為了紀念 20 世紀 初觀測天文學家哈柏 Edwin P. Hubble 他首度 指出銀河中看似微弱的星雲其實是位在距離我們有幾百萬光年的其它 星系中 他的研究有助於天文學家了解宇宙的浩瀚 將哈柏太空望遠鏡 置放於大氣層外的原因 是為了免除地球混濁大氣層中氣體對於入射光 的散射所造成的視野干擾 以及臭氧層對於高能光子如紫外光 X 射線 γ射線的吸收 哈柏太空望遠鏡是有始以來最具威力的 望遠鏡 它讓我 們觀看宇宙的視野起了革命性的改變 哈柏太空望遠鏡已成為今日最具 威力的望遠鏡之一 上圖是在距離地表 600 公里高處環繞地球運行的哈 柏太空望遠鏡圖示 有配備多種觀測設施 可免除了地球的混濁大氣 層的視野干擾 在外太空主要進行探究宇宙大小的 遙遠距離觀測 1990 年升空的 HST 上面的裝備在設計當時可算是一時最佳的選擇 然而隨著升空的延後與至今早已超過執行任務 10 年的設計規劃 所以 HST 的電子設備和電腦運作已遠遠落後地面上的科技進展 以致於經常 出現以新一代的太空望遠鏡替換 HST 的聲音 美國太空總署(NASA)太空 望遠鏡科學研究機構(STScI)目前的作法 已決定不再延用派遣太空梭前 往替換電子套件 加添最新光學設施

81 三 火箭原理 1. 牛頓第三運動定律 最基本的原理在於作用力與反作用力 當火箭內的推進劑被燃燒 可 能為液化氫和液化氧 會產生相當大量的廢氣 火箭便是利用噴出廢氣 所產生的反作用力進行加速 2. 動量守恆 當系統不受外力的情況下 系統動量守恆 在發射火箭的過程中 若將火箭所排放出的廢氣與本體視為一個系統 不計空氣阻力 則動量 守恆 但是單看火箭本體 因本體質量在加速過程中不斷地減輕 所以 速度便會一直增加 3. 小實驗 準備一 4 公升的寶特瓶 與一個瓶蓋容量的酒精 將酒精倒入寶特 瓶中並拴緊 待酒精在瓶中揮發為氣體之後 於瓶口以打火機點燃 便 可產生炫目的燃燒效果 此實驗可簡單的示範液體燃料火箭的工作原 理 4. 多節火箭 由於單節火箭在飛行的過程中 火箭內部儲存的燃料逐漸減少 剩 餘的結構與儲存槽便成為多餘的重 量 降低往後階段的加速度 所以 拋棄無用的構造後本身重量減輕 有利於提供更好的加速度 5. 史上最大的火箭 農神五號 是美國 NASA 所使用的多節載運火箭 它的高度達 公尺 質量 公斤 是史上最高 最重 推力也最強的火箭 它最知名的 任務是阿波羅計劃以及天空實驗室計劃 目前農神五號已退役

82 四 火箭結構 以中國長征三號甲為例 三節火箭

83 五 太空探索進程 1. 揭開序幕 史普尼克 1 號 俄語 Спутни к 原意 旅行者 諸多歐洲語言音譯及 英語 Sputnik 於 1957 年 10 月 4 日於拜 科努爾太空中心發射升空 雖然此一小鋼 球以現在看來並不起眼 也不像現在的衛 星有這麼多樣功能 僅僅利用其軌道變化 研究高層大氣濃度 研究電離層以及作隕 石的研究 不過身為人類發射的第一顆人 造衛星意義重大 也令美國感到相當的緊 張 華爾街甚至還發生了小股災 2. 動物當先鋒 在太空競賽展開序幕前 就有動物 上過太空的例子 那是在 1946 年由美國 發射由德國繳獲的 V2 火箭 火箭上搭載 著作為科學用途的果蠅 是史上第一個 上太空的動物 蘇聯在發射完史普尼克 1 號在太空 競賽上搶得先機之後 當然想要趁勝追 擊 於是 在同年 1957 年 蘇聯又發 射了史普尼克 2 號 並且載著一名乘客 萊卡 一隻狗 成為了 第一個上太空的哺乳類動物 只是牠後來死於神經緊張與高溫 往後蘇聯在 1960 年再度發射了兩隻小狗 Belka 和 Strelka 並成功返回 地球 之後在 1966 年更發射了探測器五號帶著一隻海龜環繞月球 是第 一隻環繞月球的動物 美國在發射太空船前至少將兩隻非洲大猩猩送上太空

84 3. 我的一小步 是人的一大步 1961 年 4 月 12 日蘇聯太空人尤 里 加加林乘坐東方一號在太空停 留了 108 分鐘 成為第一位上太空 的人類 美國眼見蘇聯在太空競賽中取 得領先 特別是加加林進入太空之 後 當時的美國總統甘迺迪與副總 統詹森想要提出一個能夠成為大眾 矚目的計劃 也就是後來的阿波羅 計劃 阿波羅計劃不是一開始就相 當的順利 例如阿波羅一號 在發 射前的測試就發生電線產生火花造 成火災的悲劇 經歷過一些改善測 試與阿波羅 4 10 號的航行之後 終於讓阿波羅 11 號登上月球表面 往 後的 12 14~17 號也登上月球完成了不同的科學研究與實驗 阿波羅計 劃讓美國在太空競賽中逆轉領先 4. 太空競賽結束 隨著冷戰的降溫 再加上行太科技的高科 技與高成本 各國漸漸 倾向國際合作 太空競 賽已然成為歷史名詞 在 1975 年阿波羅-聯盟 測試計劃 是人類第一次由兩個國家所進行的載人太空任務 兩國的太 空船在太空中進行對接 兩國的太空人互相握手 參觀對方的太空船 以及共同進餐 兩船告別後 兩國各自朝自己的目標發展 但是競爭的 形態已然不再

85 5. 太空梭計劃 太空梭主要分為三個部分 A. 軌道器 為太空梭最主要的部分 即長得 很像飛機的部分 是太空人主要生活 的空間 以及籌載貨物的空間 B. 外部燃料槽 為發射時太空梭最大的部分 功 能為提供軌道器主引擎燃料 在燃料 使用完畢後會脫離軌道器 並且在返 回大氣層中破碎 C. 固體燃料推進器 SRB 為裝置在外部燃料槽兩邊的白 色火箭 提供太空梭在發射前兩分鐘的動力 之後脫離太空梭墜落海面 由拖船拖回後可重複使用 6. 國際太空站 國際太空站 英語 International Space Station ISS 俄語 Междуна ро дная косм и ческая ста нция М КС 是一個在近地軌道上 運行的的科研設施 是人類 歷史上第九個載人的太空站 由於大氣阻力和重新啟動等因素的影響 國際太空站軌道的實際高度常發生漂移 太空站的主要功能是作為在微 重力環境下的研究實驗室 研究領域包括生物學 物理學 天文學 地 理學 氣象學等 目前由六個國家或地區合作運轉 包括美國國家航空 暨太空總署 俄羅斯聯邦太空局 日本宇宙航空研究開發機構 加拿大

86 太空局 巴西太空局和歐洲太空總署 成員國英國 愛爾蘭 葡萄牙 奧地利和芬蘭沒有參加國際太空站計劃 希臘和盧森堡則是在計劃開始 之後加入歐洲太空總署的 中國曾表達參與國際太空站建設的意向 但由於諸多因素限制最終被排斥在外 迄今為止 已有來自多國的太空 人登上國際太空站執行任務 但均為美國或俄羅斯主導的太空計劃 其 中還包括七名太空遊客 從 1998 年 11 月 20 日國際太空站第一個部件曙光號功能貨艙發射升 空到 2010 年 6 月太空站已經在軌道上環繞地球運轉了 圈 預計其 將運作至 2015 年或以後 國際太空站原計劃在 2020 年後結束使命 脫 離軌道 直接墜入大海 負責國際太空站與地面之間運輸的飛行器有聯 盟號 進步號 自動運載飛船 H-II 龍飛船 發現號太空梭 奮進號太 空梭等 目前國際太空站仍在建設之中 最多可承載六名乘員 大部分 實驗設施也已經投入使用 六 未來展望 1. 登陸火星 如果只有單程票 你願意去嗎 一家民間公司荷蘭的私人公司 Mars One 宣稱該公司主導了一個 移民火星的計畫 旨在於火星建設人類的永久殖民地 並且公開徵求四 位太空人並各提供一張單程票前往火星 作為第一批移民火星的人類 這個看似自殺的太空任務卻吸引了來自全世界上萬人的報名 要是你的 話 你願意承受零下 55 度的低溫 高濃度的二氧化碳 以及這輩子無法 返家的思鄉情愁 只為了一圓自己的太空夢嗎

87 2. 飛出太陽系 目前航海家一號 Voyager I 為人類有史以來飛行最遠的太空 船 除了在航行途中傳回了木星 土星與其他衛星的照片 並且還 身兼人類與外星文明的信使者的 任務 美國國家航空暨太空總署 參與 航海家 項目的科學家埃 德 斯通說 人類向星際空間派 出的首個使者已在太陽系邊緣 而它一旦進入星際空間 就將需要 4 萬年的時間才能抵達下一個行星系 此外 關於 航海家 1 號 上的鈈電池 科學家說這兩枚核電池能夠保 證航海家號上搭載的科學儀器繼續工作至 2025 年 而到 2036 年 連訊 號傳輸的電力都將消耗殆盡 一旦電池耗盡 航海家 1 號 將繼續向銀 河系中心前進 再也不會向地球發回數據了 其中 兩艘航海家太空船都背負著一片金唱片 上面收錄著代表地 球生命 文化的圖像與聲音 依照目前航海家太空船飛行的速率 大概 需要 年才可以到達下一個行星系 3. 離子推力器 其原理是先將氣體電離 然後用 電場力將帶電的離子加速後噴出 以 其反作用力推動火箭 這是目前已實 用化的火箭技術中 最為經濟的一種 因為只要調整電場強度 就可以調整 推力 由於比衝(specific impulse)遠大 於現有的其它推進技術 因此只需要少量的推進劑就可以達到很高的最 終速度 而既然太空船本身不需要攜帶太多燃料 總重量大幅減少後就 可以使用較小而經濟的運載火箭 節省下來的燃料更是可觀

88 缺點是它的推力很小 目前的離子推進系統只能吹得動一張紙 無 法使太空船脫離地表 而且也需要很長的時間進行加速 離子推力器目 前只能應用於真空的環境中 在經過很長時間的持續推進後 將會獲得 比化學推進快很多的速度 這使得離子推力器被用在遠距離的航行中 目前這樣的技術已經在日本的隼鳥號 與美國的深空一號任務上得到了 驗證 4. 反物質引擎 利用物質與反物質相遇後湮滅所產生的巨大能量 反物質發動機從理論上提 出了存在反物質的假說 認為 存在和構成普通物質的基本粒 子質量相等但電荷相反的基本 粒子 並有由這樣的基本粒子 構成的反物質 4 年後 這個假 說就得到驗證 反物質發動機 一個好處是反物質的湮滅可以 自發產生 不需要像核發動機中的核反應那樣需要許多條件 所以就不 需要很大的反應堆 可以減輕飛船重量 A. ICAN-II ICAN-II(ion compressed antimatter nuclear II)是由賓州州立大學的反 物質太空推進小組(Antimatter Space Propulsion team)設計的 這種方式 使用了反物質和核裂變的結合 用反物質來引發裂變 方法是讓反質子 撞擊裂變物質的原子核 並同原子核裡面的質子湮滅 產生的能量將使 原子核分裂 其最終產生的能量要比普通的核裂變要大 估計去火星旅 行一番需要 140 毫微克(1 毫微克等於 10 億分之 1 克)的反物質 遠遠少 於粒子束核心反物質發動機的消耗量 B. AIM 之星 AIM 是反質子觸發微裂變/ 聚變的縮寫(Antiproton Initiated Microfission/fusion) 按照賓州州立大學的設想 如果有了比 ICAN-II 中

89 能得到的稍微多一點的反物質 就可以朝粒子束核心反物質發動機的方 向前進一步 用反物質來加強裂變 從而加熱聚變燃料引發聚變 這種 發動機對反物質的需要量增加了 但需要的裂變物質比較少 而且有比 ICAN-II 更高的比衝量 大約在 秒左右 他們把按這種方式設計 的飛船稱為 AIM 之星(AIMStar) 如果能有 微克(1 微克等於 1/1000 毫克)的反物質 AIM 之星探測飛船能在 50 年內飛到歐特雲 若反物質引擎成真 那麼人類就能夠以 0.7 倍的光速飛離地球 我 們便能夠在有生之年造訪我們附近的恆星系 甚至是與外星文明進行交 流 參考資料 : 1. 潘國樑 遙測學大綱 頁 26~ _electromagnetic_opacity.svg/1650px-atmospheric_electromagnetic_opacit y.svg.png 3. %9C%E9%95%9C %AD th_record_cover_-_gpn jpg 9. %9B%E5%99%A

90 陳彥宏 一. 古文明 1. 歐帕茲 Out-of-place artifact OOPArt ----不應該出現的物品 主要針對近些年來從古老地層中掘出的 已如動植物化石般的懷疑 人造物品 意即在不該出現的地方出土的加工物 日本稱為 時代錯誤 遺物 因為時空錯誤 也有人認為是的外文明所遺留下的產物 不過 大多屬皆已被證實為誤會跟騙局 A. 巴格達電池 Baghdad Battery 巴格達電池是一種出現在兩河文明的 人造工藝品 這件物品由約 130 毫米 約 5 英寸 高的陶瓦廣口瓶 有一個半英寸 的開口 和一個用捲起來的銅片做成的銅 柱組成 銅柱的裡面還有一條鐵棒 在頂 端 鐵棒和銅柱被用瀝青做成的塞子分離 開來 鐵棒和銅柱在廣口瓶的開口內被緊緊的安裝好 廣口瓶的外壁的 中間部分向外突出 由於銅柱是捲成的 且不能將液體隔離開 因此 巴格達電池的三種零件 陶制器皿 鏽蝕的銅管和鐵棒 當廣口瓶被裝滿含檸檬酸的液體之後 鐵棒的周圍也將充滿這種液體 有學者推測 這極有可能是用來給銀器鍍金的 這種解釋直到現在仍然 被認為是一個假設的可能性 如果它是正確的話 這件物品將比亞歷山 卓 伏打於 1800 年發明的電化電池早一千多年 有可能是地外高等文明 留下來的產物 B. 哥斯大黎加巨型石球 Stone spheres of Costa Rica 對巨型石球做過周密調查的考古學家們都確認 這些石球的直徑誤 差小於 1/100 準確度接近於球體的真圓度 從大石球精確的曲率可以 知道 製作這些石球的人員必須具備相當豐富的幾何學知識和高超的雕 鑿加工技術 還要有堅硬無比的加工工具及精密的測量裝置 然而 打

91 磨如此碩大的石球必須付出艱鉅的勞 動 從採石 切割到打磨 每一道工 序都要求不斷地轉動石塊 要知道這 些石球重達幾十噸 這無論如何不是 一件容易的事 僅憑一些簡陋的原始 工具能完成嗎 據考查 這些謎一樣的石球 差 不多都是用堅固美觀的花崗岩製成 令科學家和考古工作者迷惑不解的是 這些石球所在地的附近並沒有花 崗岩石料 在其他地方也找不到任何原始製作者留下的痕迹 至今對石 球的說法眾說紛紜 哥斯大黎加的史冊中並未記載 16 世纪西班牙曾入 侵此地 但西班牙人並不知道這裡有大石球 所以有人說是人類後來假 造的 也有可能巨石是真的由古人留下 但是一部分被後人假造的 後 人的製造方式為鍍膜 一定會很圓的 因為不是每顆巨石的直徑誤差都 很小 2. 印度古文明 印度史前核子大戰 在古印度經籍中 摩訶婆羅多的詩歌裏 有一 些描述得栩栩如生的章節 似乎是親眼所見的核子經驗 不要認為摩訶 婆羅多是一本沒有用處的古書 摩訶婆羅多對於印度的哲學和宗教有很 重要的作用 其中第六章中的 薄伽梵歌 已經成為印度教的經典 所 以相對的 這本書所敘述的事 引起後人的興趣加以研究 下面摘錄的一段文字 描寫距我們的核子世紀數千年之前的一場古 代大戰 在我們看來竟是這樣熟悉 令人有點毛骨悚然 書中的事情是 發生在距今約五千多年前了 書中的第一次戰爭是這樣描述的 英勇的阿特瓦坦 穩坐在維馬 納 類似飛機的飛行器 內降落在水中 發射了 阿格尼亞 一種類 似飛彈武器 能在敵方上空産生並放射出密集的光焰之箭 如同一陣暴

92 雨 包圍了敵人 威力無窮 刹那間 一個濃厚的陰影迅速在潘達瓦上 空形成 上空黑了下來 黑暗中所有的羅盤都失去作用 接著開始刮起 猛烈的狂風 呼嘯而起 帶起灰塵 砂礫 鳥兒發瘋地叫 似乎天崩地 裂 太陽似乎在空中搖曳 這種武器發出可怕的灼熱 使地動山搖 在廣大地域內 動物灼斃變形 河水沸騰 魚蝦等全部燙死 火箭爆發 時聲如雷鳴 把敵兵燒得如焚焦的樹幹 第二次戰爭的描寫更令人毛骨悚然 古爾卡乘著快速的維馬納 向敵方三個城市發射了一枚飛彈 此飛彈似有整個宇宙力 其亮度猶如 萬個太陽 煙火柱滾升入天空 壯觀無比 屍體被燒得無可辨認 毛髮和指甲脫落了 陶瓷器爆裂 飛翔的鳥類被高溫灼焦 爲了逃脫死 亡 戰士們跳入河流清洗自己和武器 後來考古學家在發生上述戰爭的恒河上游發現了衆多的已成焦土的 廢墟 這些廢墟中大塊大塊的岩石被粘合在一起 表面凸凹不平 要能 使岩石熔化 最低需要攝氏一千八百度 一般的大火都達不到這個溫度 只有原子彈的核爆炸才能達到 在德肯原始森林裏 人們也發現了更多的焦地廢墟 廢墟的城牆被 晶化 光滑似玻璃 建築物內的石制家具表層也被玻璃化了 除了在印 度外 古巴比倫 撒哈拉沙漠 蒙古的戈壁都發現了史前核戰的廢墟 廢墟中的 玻璃石 都與今天的核子試驗場的 玻璃石 一模一樣 據 推測極有可能是地外高等文明留下來的產物 3. 埃及古文明 金字塔的偉大不僅在於宏偉壯闊 的外觀 更在於設計構造的精密準確 以及其中令人難以置信的數學 幾何學 天文學等知識 甚至一些現代人都無法 理解的神奇特性 導致人們認為金字塔 是外星文明的產物

93 曾經有一位法國參觀者 Antoine Bovis 注意到大金字塔的墓室中有一 具貓屍並未腐化 因而認為金字塔具有保存屍體的神秘力量 Antoine Bovis 的觀察使得金字塔能量學說快速躥起 如果這些誤闖金字塔的動物跟木 乃伊一樣不會腐爛 那他們不就很可憐 屍體的腐爛就跟木乃伊能保存至今 關鍵在其製做技術而非金字塔 的能量 如果真的有效 何以相關產品未被廣泛採用?例如用金字塔替代 冰箱?很多有機物 只要環境適當 便會逐漸脫水乾燥 反之則容易腐敗 一切操之在環境 與金字塔無關 許多實驗也已證實金字塔的保鮮作用 是鬼話連篇 實驗過程可以在 MBFC(MythBusters Fan Club)中證實 徹底 終結了金字塔能量的神話 放在金字塔模型中的蘋果鮮花一樣腐壞 牛 奶還長出許多活蹦亂跳的蛆 刮鬍刀經電子顯微鏡檢查顯示 金字塔毫 無作用 東西會不會腐敗 環境比型狀更重要... 許多人認為金字塔是外星人探索宇宙的天文臺 他們以高超的建築 技術 將天文學知識和太陽系密碼濃縮於金字塔中 有人不認同這些說法 斥之為 偽科學 和 現代迷信 他們認 為金字塔蘊含的數學和天文學知識 只有一小部分是巧合的事實 大部 分是不符合實際的主觀臆測 事實上任何一個數字乘以一定比例都可以 得到神奇的數目 所謂的 金字塔能 更是經不起推敲的奇談怪論 世界上根本不存這樣一種奇怪的能量 4. 馬雅古文明 馬雅有著先進天文及數學知識是其他文明無法相比的 馬雅稱年為 哈普 一年有十八個月 每個月有二十天 每年另加五天 三百六 十天為一 吞 七千二百天即二十吞 為 卡吞 二十卡吞即十四 萬四千天 為一 邦吞 最大的單位是 亞勞吞 共六千三百多萬 年 即二百三十億四千天萬天

94 馬雅除了是世上最先發明 0 的概念外 其數學的知識亦準確得令 人咋舌 單以金星曆來計算 馬雅人定金星曆為每年五百八十四天 而 現今的天文學家的計算為五百八十三點九二天 誤差為每月六分鐘 在 當時並沒有精密的儀器時 他們到底是怎樣準確地計算出金星曆 這是 多麼的不可思議 從很多古文明中 有許多圖像或壁紙上 似有似無的透漏著他們與 戲外生命的聯繫 左下圖是馬雅城邦 帕倫克 巴加爾國王石棺蓋板的圖案 上頭 的人類被引申為了太空人乘坐著太空船 更有人把它做成 3D 的模型 右 下圖為 馬雅太空船 的想像畫

95 下圖為馬雅太空船的 3D 模型

96 而反對者提出以信論點 反駁太空船的說法 圖騰中央十字狀 是馬雅人認知的 世界樹 (world tree) 馬雅人相 信世界是由 世界樹 所支撐 神聖的力量透過 世界樹 流動在上界 中界 下界 上界 是天堂 中界 是人界 下界 則是地獄 彎曲的 部份 是馬雅雕飾中常見的雙頭蛇 代表黃道(天文學的名詞)與王權 仰 臥在中界的人 是巴加爾國王 他擺出象徵 重生 的姿勢 世界樹 的底部 是 Quadripartite 神 祂是下界(地獄)的神之一 世界樹 的頂 端 則是馬雅的聖鳥 金剛鸚鵡 二. 外星接觸事件 年鳳凰城幽浮事件 1997 年美國亞利桑納州鳳凰城 晚上夜空中出 現的呈現 5-6 個巨大光點 當時目擊者起碼有幾百 人 後來被幽浮迷們說成是一起重大的幽浮事件 實際上正確訊息是該 6 個光點在鳳凰城上空停留了 大約 10 分鐘左右就消失了 人們用攝影機拍到這些 呈 V 字形排列的光點 認為是一艘大型的 V 字形狀 的外星飛船 這起事件是軍方在當地高空釋放的特種照 明彈 而這種照明彈比較特殊的是配戴有降落 傘 所以能以緩慢的速度整齊有序的慢慢隨風 漂浮下降 當時被眾多目擊者看到時以為是艘 大型 V 字幽浮 世人透過新聞媒體報導只看到 起初排列在上空的 V 型光點 但卻沒有看到後來降落在山脈的片段 這 種"斷章取義"式的報導 也難怪會被世人認為是一起 UFO 事件 對 UFO 持懷疑態度的研究者詹姆斯麥可嘉哈 James McGahah 曾和投下照明 彈的飛行員談過 那時大約是晚上 10 點 15 分 他們還剩下 9 顆照明彈

97 但是要回去卻不能帶著隨時會爆炸的爆裂物回去 於是他們決定一次投 下 9 顆照明彈後再回去基地 2. 帕斯卡古拉事件 希克森和派克在 1973 年 10 月 11 日晚上去帕斯卡古拉的一處廢棄舊 造船廠釣魚 之後 希克森聽到了某種聲音 像是嗡嗡或呼呼聲 接著 很快這聲音出現在他後面處 希克森於是轉身後發現某種物體懸浮在離 地面約 公分高度 離他們釣魚的小碼頭右後方距離約 30 公尺左 右 而該發藍光的物體呈灰色圓頂橄欖球狀 估計長度約 英尺 高度約 8 10 英尺 大小約一輛大卡車 在飛行物機 身上有兩個大大藍色似窗燈的東西 並且發出嗡嗡的噪 音 然後從該物體飄出來 3 個身高大約 150 公分的 類 人 他們沒有脖子 皮膚是灰色 有皺紋 耳朵很小 眼睛是瞇成小小的裂縫 尖尖的小鼻子下面有個像投幣孔的開口 手指 的部位像是螃蟹的爪子 沒有腳趾 腿和腳像連在一起很粗糙 看起來 像大象的腳 他們滑向希克森和派克 而其中一個發出噪音 另外兩個 則沒有聲音 希克森事後描述該類人發出的好像是機械聲 如右圖 其中一個類人飄向派克 並且用手觸摸他後 使得派克因為驚嚇過度 而昏厥過去 而希克森則被另外 2 個類人舉起來送進去那個飛行物裡面 該類人抓住希克森的時候 他感到左臂有刺痛感 然後感到麻木和癱 瘓 根據希克森的回憶 當時好像是用滑的進去 感覺都沒有重量 飛行物裡面很亮 但是無法看到光線是發自哪裡 由於身體完全不能動 彈 漂浮在半空中只有自己的眼球可以轉動 他注意到前面出現了一個 足球般大小 像大眼睛的不明東西從牆裡出現 在他的周圍由上至下 不斷地跑遍他全身 當時希克森就好像是在做身體掃瞄檢查一樣被翻來 翻去的 掃瞄後這大眼睛就消失在牆裡 然後那幾個類人離開他 約 20 分鐘後又回來再用那類似大眼睛的儀器再次檢查希克森一遍 當時希克

98 森曾經嘗試對類人發聲說話 但是類人只有簡短的發出嗡嗡聲 繼續他 的工作也不理會希克森 後來希克森只知道恢復知覺後 只是見見派克 一個人站在碼頭旁 臉上的表情是恐懼的 肢體也癱瘓了 由於希克森 雙腿無力於是用爬的爬到派克身邊 並且將派克搖醒後 派克哭泣了並 且祈禱 但是希克森發覺那橄欖球狀不明飛行物早就已經不見了 雖然事件的陳述只是派克和希克森兩人所單方向的陳述 但是他之所 以讓人所信服是因為 事發後兩人向警察報案 他們所做的偵訊內容 和偵訊完後的測試謊言 尤其是測謊 成為一項極可信的證據之一 3. 羅斯威爾外星飛碟墜毀事件 美國新墨西哥州的羅斯威爾 7 月 8 日 在距滿佈金屬碎片的布萊索農 場西邊五公里的荒地上 住在梭克羅 Socorro 的一位土木工程師葛拉 第 Grady L. 發現一架金屬碟形物的殘骸 直徑約九米 碟形物裂開 有好幾個屍體分散在碟形物裡面及外面地上 這些屍體體型非常瘦小 身長僅 100 到 130 公分 體重只有 18 公斤 無毛髮 大頭 大眼 小嘴 巴 穿整件的緊身灰色制服 同一時間 美軍馬上進駐發現殘骸的兩地 封鎖現場 軍方公關部軍官瓦特 韓特 Walter Haut 向當地兩家電台和兩家報 社發佈一篇新聞稿 羅斯威爾 每日紀事報 於 7 月 9 日以頭條新聞刊 載 宣稱空軍軍方發現飛碟 墜落羅斯威爾附近的布萊索農場 而且被 軍方尋獲 軍方人員表示這個墜落物已被發現 正在接受檢查 並將送 到俄亥俄州作更進一步的檢查 這一則消息引起各界的好奇 馬上傳達 至各地 引起極大的轟動 但是 六小時後軍隊指揮官羅傑 雷米 Roger Ramey 將軍接手負責 這個事件 他給馬西爾少校一些氣象球的碎片 急忙安排一個記者招待 會 將軍說他的軍官犯了錯誤 根本沒有飛碟這回事 墜毀的物體只不 過是帶著雷達反應器的氣象球而已 推翻以前的說法 所以事情就結束 了 稍早 廣播電臺的經理朱 羅伯茲 Judd Roberts 也馬上接到華盛頓

99 來的命令 不得播報這則飛碟的消息 因此 隔日報紙特別提出澄 清 墜落的不明物體是一個氣象球 而不是外星來的飛碟 由於事件轉變太快 使大眾懷疑當中有隱情 不少人相信氣象球的說 法是經過修正後的聲明 到了 1997 年 美國軍方再辯稱所謂的外星人只 是做為飛行彈跳測試用的假人 但世界各地的人都認為只是再次的隱 瞞 紐約大學的一個研究小組 1947 年 6 7 月間曾在現場附近的阿拉莫 戈多陸軍航空兵基地以及懷特桑靶場 進行施放高空氣球的試驗 這一 活動涉及當時屬於國家機密的 優先順序一Ａ 代號為 Mogul project 當時曾打算利用高空氣球探測蘇聯核試驗所產生的沖擊波 報告具體介紹了該計畫的詳情 當時 由於蘇聯邊境處於封閉狀態 美國政府始終致力開發遠距離偵察核爆的技術 利用氣球探測核爆炸產 生的低頻聲波 這一建議被採納後 紐約大學的研究小組受命負責研製 高空氣球和遙測裝置 哥倫比亞大學的一個小組則負責試製音響傳感器 當時 釋放了許多用氯丁橡膠製成的高空氣球 氣球下懸掛著雷達靶 標 及用於音響傳感器的螺旋漿等實驗裝置 這些裝置都不進行回收 有關專家認為 曾經在羅斯威爾事件中被視作飛碟殘骸的 鋁紙片 損壞的大樑 以及氣球橡膠碎片 等物 極有可能就是上述高空氣球的 殘骸 另據資料記載 1947 年 6 月紐約大學的研究小組施放過一隻代號 飛行器四號 的探空氣球 事後沒有進行回收 該報告最後做出如下結論 所有可得到的資料顯示 並沒有涉及羅 斯威爾事件本身 但是從羅斯威爾牧場回收的殘骸 極有可能來源於莫 古爾計畫所施放的氣球 這幾個與外星接觸事件 只是冰山一角 除了這些 還有更多無法解 釋的現象 雖然官方說法可以解釋大部分的細節與結果 但還是有那麼 一絲絲的疑問與奇怪的地方 每次官方一做出報告 就會有更大批的民

100 眾 更熱衷於飛碟學 更想與外星人接觸 而造成了更多假造跟誤會出 現 只要看到天上有亮點 就拍攝下來 誤以為是飛碟 這也證明了官 方的報告 無法讓人徹底的信服 所以才會造成此現象 所以外星人的 存在 還是引起眾人的懷疑 三. 外星生物存在的可能性與條件 地球之外存在生命有著很簡單的事實的支持 僅僅在銀河系中就有 2000 億至 4000 億顆恆星 而銀河系只是宇宙中超過 1000 億星系中的一員 據估計至少有十分之一的類似太陽的恆星具有行星系統 因此外星生物的 存在的可能性是非常大的 只是我們的科技無法擴展到太陽系以外所以無 法證實 一般常說生命的生存條件即是 陽光 水 空氣 特別是水 水對地 球生命體內各種化學反應提供了場所 所以相對的 外星生物也是跟地球 人一樣 需要這些東西嗎 有人批評這樣以地球生物為藍本的先入為主的 觀點阻礙了外星生命的探索 這些以人類為中心的思想限制了我們對於地 外生命可能性的想像 我們地球生物的起源 是大海 於是我們可以推論 有生命的星球上 一定要有液態水 在一大氣壓下 液態水的的熔點為 0 C 而沸點為 100 C 因此我們了解水的特性 大致上可以了解一個有生命的星球上 他的大氣 壓力 及溫度 這是在人類有限知識下的推斷 所以人類積極的尋找下一 個適合居住的星球 首先的條件一定是有水 如果有水 大氣壓力及溫度 離適合人類居的環境就相去不遠了 照著這個想法 人類積極地找尋系外行星 Kepler-186 位在天鵝座方 向 距離地球約 500 光年 其母恆星是顆溫度比太陽還低的 M1 型紅矮星 大小和質量都僅有太陽的一半左右 找一個適合人類居住的行星 近期天 文學家發現第一顆大小和地球非常相近 而且位在其母恆星適居區 habitable zone 內的系外行星 這表示如果這顆行星是岩質行星 而且 表面有水 則能以液態水的方式存在於行星上 這對生命生存發展是非常

101 有利的狀況 但這不代表天文學家證實在這顆系外行星上發現外星生命 因此這項發現讓天文學家朝著找到第二顆地球的目標又邁進了一大步 四. 外星人是否來過地球 很多人認為 外星人來過地球 而也有人認為 外星人就算來過 地 球人也不會發現 外星人要達到足夠發達的文明程度才能完全脫離自己生 存的星際環境 如果他們的科技水平程度不夠 根本無法跨越重重阻隔 到達地球 如果具備來地球的能力 那麼這些外星人的智慧就遠遠超出我 們的想象 如果具備這種科技水平的外星人想探測地球 無論他們做什麼 地球人都不會發現 當外星人來地球時 一定會先經過那沒有重力的宇宙 他們來地球的 這段路程 我們需要探討 他們要怎麼克服這段路程上 所造成的困擾 在太空中 怎麼喝水 怎麼吃東西 怎麼刷牙 怎麼洗臉 而洗臉需要擰 毛巾 這些平常在我們生活中很容易做到的事 到了無重力的世界 一切 都變得不一樣了 而在這無重力的狀況下 他們的身體會變大嗎 在太空中沒有任何壓 力 所以假設他們不穿任何保護衣物 體內的壓力會不斷向外迫 繼而到 達身體結構支持不住的程度 身體不是變大而是會爆裂 在幽浮學上 人與外星生物的接觸 Close Encounter 是指人類與外 星物或不明飛行物體所發生的不同程度接觸 外星生物接觸現時共分五類 名為 J. Allen Hynek 的天文學家和其他不明飛行物體研究者於 1972 年 推出的著作 經歷 UFO 科學調查 The UFO Experience: A Scientific Inquiry 中首次提出首三種類別的接觸 其餘兩種的類別則是後人所增添的 但這 些額外增添的類別並沒有普遍的被不明飛行物研究者所接受

102 第一類接觸 目擊一個或多個不明飛行物體 飛碟 奇怪光體 不屬於人類科技 技術的飛行物體 第二類接觸 目擊一個或多個不明飛行物體 並給目擊者及週遭環境帶來 相關的物理反應 其中包括 熱力或輻射 地形損毀 身體麻痺 使動物 受驚嚇 干擾引擎或電視及電台的接收 使目擊者失去目擊不明飛行物那 段時間的記憶 第三類接觸 目睹一個有生命的個體 其包括一不明飛行物體目擊個案 不明飛行物體研究者 Ted Bloecher 提議了第三類接觸的七種次分類 A. 目睹一個外星實體在 UFO 內出現 B. 目睹一個外星實體在 UFO 內及外出現 C. 目睹一個外星實體在 UFO 附近 但沒有進出 D. 目睹一個外星實體 目擊者沒有目睹不明飛行物體 但是該地區在那 個時候有 UFO 出現的報告 E. 目睹一個外星實體 目擊者沒有目睹不明飛行物體 而該地區在那個 時候也沒有 UFO 出現的報告 F. 沒有目睹外星實體或不明飛行物體 但有一種與智慧生命溝通的經 驗 G. 被綁架 等同第四類接觸 第四類接觸 人類直接與 UFO 或外星生物接觸 其方式有被劫持 被檢查 被進行實驗等 此種類型的外星生物接觸是不包括於海尼克原先的分類方 法上 第五類接觸 透過人類自發或雙方合作 以一種有意識 自願性和積極主 動的方式與外星文明溝通 此種類型的外星生物接觸是不包括於 Hynek 原 先的分類方法上

103 五. 地外文明留下的遺跡 1. 麥田圈 (Crop circle) 麥田圈 Crop circle 是在麥田或其他農田上 透過某種力量把農作 物壓平而產生出的幾何圖案 麥田圈的麥田周圍沒有任何足跡 調查傾 倒的麥稈 土壤的狀況 麥稈的彎曲方式 發現傾倒的麥稈並沒有明顯 的損傷 可以斷定不是用腳壓出的 現場輻射量較大 確定這些是由強 大的能量作用產生的 麥田圈是如何形成的 誰做的 為何 這些能源何來 非常複雜 深奧及美麗的麥田圈圖形 已經證實有部分的麥田圈為人為的 但有些 人認為全部的麥田圈皆為人為的 支持麥田圈只有部分人為的論點 A. 人造麥田圈只是具備一個或幾個真正的麥田圈才有的特徵 比如 或 是規模龐大 或是製做時間短 圖案複雜等 但並非完全 同時具備 與真正麥田圈一致的全部要素 B. 真正的麥田圈中被壓倒的植物莖節點的燒焦痕跡並不是人力壓平所能 做到 且每根植物根根如此 莖節點爆炸的植物仍能繼續生長 至今 以科學的方法還無法做到 C. 在真正的麥田圈中 電子產品可能受到不同程度的影響 比如收音機 發出異聲 數位相機不能正常工作等 D. 麥田圈現象一般發生在深夜至凌晨 在黑暗無光環境下 完成極為複 雜 精密 巨大的幾何圖形 且製作過程中始終不被人察覺打斷 況 且在世界範圍內從未被人中途察覺並打斷 以人為的力量要同時達成 以上所有條件是難以想像的

104 支持麥田圈皆為人為的論點 A. 麥田圈製作完成後 麥桿仍繼續生長 形成交叉疊壓糾結的模樣 B. 有些麥田主人為了增加收入 宣稱在黑暗無光之下 麥田圈瞬間形成 以增添神秘感 卻從未有旁人目擊過 偷偷製作麥田圈的人通常不能 公開承認 因為農場主人有權控告製作者入侵私人農地 毀壞農作物 賠償損失並負法律責任 C. 麥田圈圖案隨著時間愈來愈複雜 可以視為逐漸進步的惡作劇或行為 藝術的輔助證據 若是高超的外星人製作的 不可能有逐漸進步的現 象 應該在 1970 年代或更早 就出現極為複雜 超出理解的麥田圈 讓當時人們無法仿造 事實卻是沒有 D. 目前最複雜的麥田圈 以及最大的麥田圈 皆是人類製造的 若出現 更大或更複雜的麥田圈 才能考慮是非人為的 下圖(左) 從外觀上分析 這個麥田圈圖案展示給我們的是太陽系 包括 中間的太陽和九大行星 內環四個軌道的行星 研究發現 這個麥田圈 所示九大行星位置與 2012 年 12 月 21 日 冬至 我們宇宙中太陽系行星 位置圖完全吻合 見右下圖 也就是說 這個麥田圈提示的信息是指明 了一個具體時間 即 2012 年 12 月 21 日 對古瑪雅文明熟悉的人對這一 時間可能並不陌生 對照西曆 瑪雅人長曆法(Long Count Calendar)中本 次人類文明結束的日子正是 2012 年 12 月 21 日

105 麥田圈有數多種類型 大致可粗分為六種不同類型 第一類 基本型 又可細分為七種 第二類 由第一類演變出來 加有衛星圈 第三類 稱作小葡萄射出型 由直徑兩公尺以下的小型麥田圈構成 可 分 為圖案中心有較大麥田圈和中心沒有麥田圈兩類 有如星座 可能 具特殊含義 第四類 宇宙原理型 可能暗示著某些宇宙原理 在 1987 年左右首次 出現 第五類 代表著太陽神或者地球女神 可能和宗教相關 在 1990 年首 度出現 第六類 由更大 更複雜 非對稱的圓圈所組成 可能代表著太陽系內 的星球 六. 外星人的載具與飛行方式 1. 地球人對其他星球來說也是一種外星人 如果我們有能力到別的星球 去看看別的星球的生物 那一定跟我們長的也不太一樣 地球的生存環 境 讓適合這個環境的人生存下來 一大氣壓 地球的重力 這都是形 成我們外型的原因 而如果不是在一大氣壓 一個Ｇ值下的生物 會長成什麼樣子呢 舉一個簡單的例子 大象一定要有大象腿 這句話就可以證明這個 現象 如果大象 他的腳是人類的腳 那會發生什麼事 成年大象的平 均體重是６ ８噸 已經知道人類腳上的骨骼 跳躍所施的力約為 2-3 倍自身體重(2-3 倍的重力) 約 公斤左右 而且不能維持長時間 如果大象那以噸計重的身軀 配上人類的腳 很明顯的就會被壓斷了 如果人類到達一個星球 那個星球的大氣壓力遠超過一大氣壓 如果脫 下那太空衣 人類的皮膚無法適應下 很快的就被壓死了 如果那星球 上的Ｇ值 遠高於地球 那會發生什麼事呢 那個人會很快的被自己的

106 體重給壓死 最後變成一攤屍水 所以太空人登上星球時 是十分危險 的 不明飛行物體是指在空中或地上看到的一種物體 它的外形 飛行和發 光情形 無法得到一般的合理解釋 研究飛碟報告的人不難發現大多數 均為圓盤形 中央較突出 2. 在許多地方 常常傳出會有幽浮 飛碟的蹤跡 過去二十年來 大多數 的不明飛行物體都是誤認的 不過去除掉這些有可能是飛鳥 飛機降落 燈等等 剩下討論的都是來自更高等文明的飛行器 而除掉這些誤認的 可以找到原因解釋的 我們還是累積了大量的證據 足以證明飛碟的存 在不只是合理的懷疑而已 這些眾說紛紜的現象 任何人只要接觸到龐 大的目擊報告 便不得不相信這個現象的確存在 時至今日 關於飛碟 的研究已正式成為一門學科 飛碟學 (Ufology)可在學術界佔一席之 地 有許多解釋此一神秘現象的理論 心理幻覺 錯誤的自然現象 外 星球訪客 而最常聽到的 即是認為飛碟為外星球訪客 有些飛碟報告提到飛碟駕 駛員的模樣 這些報告可以歸納出 小綠人 正常身材 高大 等 三種飛碟人模樣 而這些他們的外型特徵上頭大 雙眼突出 四肢削瘦 沒有鼻樑只有鼻孔 嘴巴小或只有裂縫 都顯示著他們不是地球人 3. 訪問地球的 UFO 類型將目擊者所看到的飛碟以大小來分類 從小型迷你 型飛碟到大型飛碟形狀各異 飛碟如果是外星人所乘坐的飛行器的話 那麼可能依照用途的不同 而有各種形狀 大小的分別 依照目擊案例 可由大小分類如下 A. 超小型無人探測機 直徑 30 公分左右較多 大的飛碟會飛進房屋內 在標準大小 UFO 出現前先發現此大小飛碟的情況居多 通常為球型或 圓舟型 (在馬來西亞也曾發現迷你型 UFO 載有體型小的外星人的報導 所以也不能斷定迷你型 UFO 為無人探測機 )

107 B. 小型偵察機 直徑在 1 到 5 公尺左右 曾有人目擊到此大小的飛碟著 陸 並由飛碟中直出外星人 外星人還在降落點周圍進行各項調查 (圖 a.) C. 標準型聯絡船 直徑在 7 到 10 公尺以上 以圓盤型較多 像最常見的 UFO 可能是民外太空及地面調查的飛碟互相聯絡用 地球人被綁架到 飛碟的事件 也幾乎都是此型飛碟的傑作 (圖 b.) D. 大型母船 直徑由幾百公尺到幾千公尺以上大小的飛碟 以圓筒型及 圓盤型居多 由幾千公尺到 1 至 2 萬公尺高度被看到的情況較多 降 落在地面的目擊案例則沒有 FROM: FROM: http://hk.apple.n extmedia.com/realtime/china 0608/5 / / 除了上述形狀的以外 還有類似直 升機形的飛碟 最近並有雲狀 UFO 或發光體型 UFO 在世界各地出現 假若 UFO 是我星人飛行器的話 那以此形狀的飛碟應是最適合宇宙飛行 的 所以從事研究的人很多 七. 地球發出的對外訊息 我們地球人一直在使用無線電波 這些電波不斷地向外傳送 地球 是 藏不住的 美國在 1972 年和 1973 年分別發送太空探測器 先鋒 10 號 (Pioneer 10)和 先鋒 11 號 (Pioneer 11) 上面載著幾塊匾牌 畫 有一男一女的裸體圖像 和一些希望能傳達地球和太陽位置的符號 航海家 1 號 Voyager 1 是第一個離開太陽系的人造飛行器 進入 星際空間 之後將需要 4 萬年的時間才能抵達下一個行星系 科學家說 這兩枚核電池能夠保證航海家號上搭載的科學儀器繼續工作至 2025 年

108 而到 2036 年 連訊號傳輸的電力都將消耗殆盡 一旦電池 耗盡 航海家 1 號 將繼續向銀河系中心前進 再也不會 向地球發回數據了 他就將成為太空裝的時空膠囊 等待外 星生命去發掘 阿雷西博天文台 Arecibo Observatory 是世界上最大 的單面口徑電波望遠鏡 直徑達 305 米 後擴建為 350 米 為慶祝改造完成 阿雷西博望遠鏡向距離地球 光年 的球狀星團 M13 發送了一串由 個二進制數字組成的信號 稱為 阿雷西博訊息 如果信息被地外智慧生命所接收並正確解讀 會得到如 右圖所示的信息 從上到下依次為 用二進制表示的 1-10 十個數字 DNA 所包含的化學元素序號 核苷酸的化學式 DNA 的雙螺旋形狀 人 的外形 太陽系的組成 望遠鏡的口徑和波長 向球狀星團 M13 發送信 息的原因是其中的恆星分布比較密集 被地外智慧生命接收的可能性較 大 除了地球發出地對外訊息外 在地球 我們也接收到疑似外太空的 信息 Wow!訊號是 Jerry R. Ehman 在 1977 年 8 月 16 日檢測到的一個明 顯的窄頻無線電訊號 當時他使用的是 搜尋地外文明計劃 的巨耳無 線電望遠鏡 這個信號的特徵顯示並非是來自類地行星和太陽系內的信 號 並且大耳朵完整且持續觀測了 72 秒鐘 但是之後再也沒有收到這 種訊號 圈起來的字母代碼 6EQUJ5 描述信號變化的強度 每一個空隔表示 介於 0 至 數字 1-9 表是相對應地帶編號的強度 從 到 強度在 10.0 以上的用字母來表示 A 相當於強度在 10.0 到 B 是 11.0 至 依此類推 因此 U 的數值在 30.0 至 是這架望遠鏡曾經檢測到的最大值 在這種情況下的強度是 無單位的信噪雜訊比 是在數分鐘之前這個頻帶上的平均值

109 兩 個 不 同 的 數 值 的 頻 率 分 別 是 : MHz(J. D. Kraus) 和 MHz(J. R. Ehman), 兩 者 與 氫 線 MHz 的 差 異 都 小 於 50KHz 參 考 資 料 : %9A%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%8F%B0 6. tamweb.tam.gov.tw/v3/tw/content.asp?mtype=c2&idx= dpbs

110 李賦美 一 恆星的分類 1. 光譜型:OBAFGKM(速記法 Oh Be A Fine Girl/Guy. Kiss Me) 譜線特徵 2. 赫羅圖:橫軸縱軸介紹 各類恆星簡介與圖中位置(主序星 白矮星 巨星 超巨星) 史蒂芬 波茲曼定律 I = σt4 光度 L = 4πR2 σt4 這些關係式在 赫羅圖上的應用 二 恆星的誕生與主序星階段 1. 原料:星際介質 2. 恆星的誕生過程:觸發恆星誕生的機制(超新星爆炸震波 恆星風...) 誕生 過程(星際介質 >星雲 >原恆星:吸積盤與兩極噴流 >點燃氫核融核反 應進入主序帶) 棕矮星(無法進入主序帶的原恆星) 3. 主序星階段:兩種氫核融合過程(p-p chain CNO cycle) 恆星穩定(重力 vs 氣壓+輻射壓) 質量與主序星階段壽命的關係 三 後主序帶的演化 1. 小質量恆星(<0.4M ):氫融合 >白矮星 2. 中質量恆星(0.4M ~8M ):氫融合~碳融合(變星) >行星狀星雲與白矮星 3. 大質量恆星(>8M ):氫融合~鐵融合 >超新星爆炸 >中子星或黑洞 四 恆星的死亡(緻密星體) 1. 白矮星:白矮星與黑矮星 天狼伴星 錢氏極限 2. 中子星:發現波霎(脈衝星) 燈塔模型 3. 黑洞:史瓦西半徑 奇異點 尋找黑洞

111 一 恆星的分類 1. 光譜型 到底什麼是 O B A F G K M?! 恆星可根據表面溫度及譜線特 徵 分成 O B A F G K M 七個主要類型 溫度由 O 到 M 遞減 2. 赫羅圖 說到恆星演化 就一定要介紹一下這張很厲害的圖!

112 赫羅圖 Hertzsprung-Russel diagram 簡寫為 H-R diagram 是丹麥 天文學家 Hertzsprung 及由美國天文學家 Russel 分別於 1911 年和 1913 年 各自獨立提出的 赫羅圖的縱軸是光度(或絕對星等) 橫軸為溫度(或光譜 型)(注意橫軸方向!) 將恆星依照這兩種數據放在圖上 便形成一張可供 研究恆星演化的赫羅圖 A. 主序星(main sequence star):赫羅圖中左上至右下有一條明顯的主序帶 這類恆星約佔所有恆星的 90% 是恆星的青壯年時期 B. 白矮星(white dwarf):分布在赫羅圖的左下角 溫度高 顏色偏白 但 光度很低 意謂著他們的半徑很小 約佔所有恆星的 10% C. 巨星(giant):分布在赫羅圖的右上角 溫度較低 但亮度高 意即它們 的半徑很大 D. 超巨星(supergiant):分布在赫羅圖的最上方 特徵與巨星類似 但半徑 要比巨星再大十倍以上 二 恆星的誕生與主序星階段 1. 恆星的誕生過程(進入正題啦~) 巨大 低密度的冷星雲(分子雲)經由重力塌縮 將位能轉變成熱能 當核心的溫度昇高到可以觸發氫融合反應 恆星就誕生了 並變成小而 密度高的熱星 A. 星際介質(interstellar media):雖然宇宙間是幾近真空的 但仍有一些密 度非常低的星際介質分布其中 在重力作用下 他們有機會聚集在一 起而形成密度較高的星雲 若再受到外力影響(例如超新星爆炸的震波) 便能藉由重力塌縮 形成原恆星 B. 原恆星(protostar):星雲開始塌縮後 會進一步分裂許多成較小的雲團 每個雲團會繼續塌縮 使得內部溫度升高 當溫度高到可以產生紅外 線輻射時 即成為原恆星 然而原恆星仍不能稱為真正的恆星 C. 吸積盤(accretion disk)與雙極流(bipolar flow):原恆星的理論模型顯示它 們會有吸積盤和噴流 恆星在重力塌縮的過程中 中央部份形成原恆

113 星 較邊緣的物質則塌縮形成一個盤狀構造 即為吸積盤 而雙極流 則是由原恆星兩極拋射出的物質噴流 可帶走一部份能量與動量 以 利其他物質進一步收縮 D. 觸發氫融合:接下來 當原恆星質量逐漸增加 核心溫度也隨著不斷升 高 當溫度超過 便會觸發氫融合反應 進入主序帶 至此 一顆新的恆星便誕生了 E. 棕矮星(brown dwarf):然而 並不是所有原恆星都能成為主序星 根據 理論推算 質量小於 0.08 倍太陽質量的原恆星 它的核心溫度永遠無 法升高到可觸發氫融合 而這一類的星體便稱為棕矮星 2. 主序星階段 A. 恆星百分之九十的精華歲月都在這裡! B. 形成零齡主序星後 恆星會用上百分之九十的歲月在主序帶上 不停 的進行氫核融合反應 讓自己發光發熱 C. 核融合的兩種過程:質子 質子 鏈(p-p chain) 碳氮氧循環(CNO cycle): D. 這兩種核融合過程都會將四個 氫融合成一個氦 其中損耗的 0.7%質量就會轉變成能量而發 光 而主序星到底用哪一種作為 主要發光過程 則要視質量而定 以我們的太陽為例 超過 90% 的能源來自 p-p chain 而質量超過 1.3~1.5M 的恆星 其 CNO cycle 的 產熱功率就會開始超越 p-p chain 了!

114 p-p chain: CNO cycle: E. 恆星穩定(重力 vs 氣壓+輻射壓):內部發生驚天動 地核融合反應的一顆星球要如何維持穩定?在星 球的內部 越接近核心重力越大 而溫度也隨之 變高 在這樣的情況下 重力會與氣壓和輻射壓 達到平衡 達到穩定 另外 核心物質的氣壓 與電離氣體的庫侖斥力所生的壓力 對抵抗重力 塌縮也都有小量的貢獻

115 F. 質量與主序星階段壽命的關係:主序星用完它的燃料要多久 在主序帶 上的壽命就多長 因此其壽命 t 應為:(燃料量/消耗率) 而其中燃料量 正比於質量 M 消耗率正比於光度 L 因此又可表示為: t M 另外 L 透過主序星光度約與其質量的 3.5 次方成正比 並用太陽的主序星壽命 為基本單位 我們可以再改寫其他恆星主序星壽命的表示式: t t ( M / M ) 2.5 我們可以由此看出 質量越大的恆星 其主序星階 段的壽命越短 3. 後主序帶的演化 恆星在後主序帶的演化過程與其質量有很大的關係 因此在這裡我 們將把恆星依質量分為大 中 小質量三類來討論 A. 小質量恆星(<0.4M ) 一生都非常平靜 連死亡都安安靜靜的 這類恆星無輻射層 以對流的方 式傳輸能量 因此恆星物質的分佈很 均勻 氫融合反應速率非常緩慢 恆 星的主序星生命期非常長 宇宙誕生 初期所產生的這類型恆星 尚在主序 帶上 低質量恆星在氫融合反應終止後 會進行重力塌縮 體積變小 而重力位能轉成核心熱能 但未高到能夠 觸發氦核融合的溫度 當重力位能耗盡後 最後會以白矮星終老 B. 中質量恆星(0.4M ~8M ) 紅巨星?行星狀星雲?他們都是中質量恆星老年期的過程之ㄧ! 當核心氫氣燃燒殆盡之後 p-p chain 便會停止 剩下的氦核心便會開 始塌縮並產生熱 緊鄰核心的氫外殼 會被加熱而開始有核融合反應 恆星

116 亦同時膨脹 由於總表面面積增加 恆星會變得極光亮 雖然核心仍保 熾熱 但膨脹令表面溫度下降 結果星光變紅 最後演化成一顆紅巨星 接著核心溫度會升高到足以點燃氦融合反應 開始進行碳和氧的合成 若恆星質量夠大 核心溫度夠高 便會進行碳融合反應 而碳燃料用完 之後 核心的核反應就永遠停止了 核心的核融合反應停止後 核心因為缺少輻射壓力 會收縮成白矮 星 收縮造成的高溫會產生強勁的恆星風吹開外層氣殼 形成行星狀星 雲(planetary nebula) 恆星在演化的過程中 外層結構不穩定 氣殼會發生週期性的脹縮 形成光度有週期性變化的變星(variable star) C. 大質量恆星(>8M ) 大質量恆星擁有最精采絢爛的晚年! 大質量恆星離開主序帶後 會經歷與中質量恆星類似的一系列的核 融合反應 演化成超巨星 其結構如洋蔥般一層一層的 由內到外依序 為:鐵鎳核心 矽融合層 氧融合層 氖融合層 碳融合層 氦融合層及 氫氣層 在這一系列的核融合過程中 最終將止於鐵元素 這是因為鐵具有 最高的束縛能 要讓鐵進行核融合反應是需要吸收能量的 因此在恆星 演化過程中 無法進一步進行鐵融合反應 而當鐵開始在核心堆積 鐵核 心也會收縮升溫 最後溫度會高至 讓鐵原子核分解 接下來在不到一 秒的時間內 鐵核心就轉換成完全 由中子組成的核心 外部物質則因 為巨大的重力而塌縮 當核心密度 高到和原子核密度一樣高時 物質 就無法再被壓縮而劇烈的反彈 造

117 成向外傳播的爆震波 將外層物質拋射出去 產生超新星爆炸(supernova exlposion) 4.恆星的死亡(緻密星體) A. 白矮星(white dwarf) 中 小質量恆星的生命盡頭 上一段曾經提過小質量恆星會以白矮星終老 其實 成為行星狀 星雲的中質量恆星 它的核心最後也會漸漸冷卻 縮小 成為高密度 的白矮星 白矮星的體積約與地球差不多大小 表面溫度在數萬到數 十萬度之間 在觀測上看起來是白色的 因此稱為白矮星 在天文史 上 天狼星的伴星是人類發現的第一顆白矮星 而白矮星在慢慢輻射 出餘熱 逐漸變暗之後 會變成一顆黝黑冰冷的黑矮星 B. 中子星(neutron star) 發出神祕訊號的超高密度天體! 大質量恆星發生超新星爆炸之後 核心以外的物質會被拋射出去 留下一個完全由中子所構成的中子星 在這個過程中 由於遵守了角 動量守恆 因此中子星會高速旋轉 中子星的磁場約是地球十億倍 因此磁極區附近會產生很強的電磁輻射 若自轉軸與磁軸的指向不同 時 便會形成 燈塔模型 1967 年天文學家觀測到某個天體會發出 規律性的訊號 當時便將這種神祕的天體稱為波霎 而目前天文學家 認為波霎很有可能就是高速旋轉的中子星 中子星的質量可能約在太陽的二到三倍之間 但由於它具有超高 密度(和原子核物質差不多 1017kg/m3) 因此它的體積只有約一座中 等城市大小 直徑 20 公里 真的是超乎想像! C. 黑洞(black hole) 最神秘未知的天體 大質量恆星經過超新星爆炸後 如果留下來的中子星質量是太陽 的三倍以上 則它將進一步塌縮下去 隨著恆星體積越來越小 表面

118 重力越來越強 當它縮小到即使粒子以光速運動也無法逃離它的表面 時 這種新天體 黑洞 的半徑就稱為史瓦西半徑 而再黑洞的中 心會有一個奇異點 在這點的潮汐力會是無窮大 任何物質來到這裡 都會被扯碎 在天文觀測上 由於黑洞不發光 只會吞噬周遭的物質和輻射 因此天文學家只能透過間接觀測的方式來尋找黑洞的存在

119 黃伯凱 早在 18 世紀時 人們在浩瀚的宇宙裡發現模糊的天體 並稱之為 星雲 最初科學家觀察漩渦星系後 認為可能是類似銀河系的恆星系統 此即為 島 宇宙假說 斯圖爾特 沙普利 Stewart Sharpless 經過研究後一直反對 島宇宙 的 論點 他認為漩渦星雲應該是屬於銀河系內的氣體星雲 另外 希伯 柯蒂斯 Heber Doust Curtis 觀察藉由Ｍ31 內的 12 顆新星證明Ｍ31 屬於系外星系 便成為 島宇宙 的擁護者 於是 美國國家科學院在華盛頓舉辦了一場著 名的辯論 史稱 沙普利-柯蒂斯之爭 但這場辯論最終卻以無結論收場 若那些星體是獨立星 系 那麼他們距離我們 8 10 光年 這是不可能 的 Stewart Sharpless 我假設 M31 內的 12 顆新星與 銀河系內的一些新星絕對星等 一樣 但我發現銀河系內的視 星等實在大太多了 Heber Doust Curtis

120 不久後 天文學家哈伯 Edwin Powell Hubble 從Ｍ31 裡辨認出銀河系 之外的(1)造父變星 因此確認了Ｍ31 的距離 也證實了系外星系的存在 就 在此時 星系探索之旅也因此展開 註 造父變星 一種非常明亮的變星 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 造父變星是建立銀河和河外星系距離標尺的可靠 且重要的標準燭光 一 星系的分類 1. 橢圓星系 (Elliptical Galaxies) 接近球形 幾乎沒有氣體或塵埃 星球密集的圍繞在星系中心 且 多數的星球都很老 依照扁平程度分成 E0 E1 E7 等 E0 是球形的 也 可以當作是巨大的球狀星團 E7 則是像鐵餅的形狀 數字越大 星系越 扁平 位於室女座的 M89 屬於 E0 位於室女座的 M87 M31 的衛星星系 M32 屬於 E1 屬於 E2 位於室女座的 M86 位於鯨魚座的 NGC584 位於室女座的 M59 屬於 E3 屬於 E4 屬於 E5

121 位於仙女座的 M110 屬於 E6 2. 透鏡狀星系 透鏡星系有 S0 的代號 星系呈盤狀但無旋轉臂的外觀 螺旋星系用 盡或丟失了大部分的星際物質後 只剩下少部分的星際物質正在進行恆 星的合成 到最後他會變成跟橢圓星系類似 只有年老的恆星存在 這 就是透鏡狀星系的由來 透鏡狀星系的塵埃多數都只在接近核心的區域 因為它們沒有可以明 確定義的螺旋臂 如果傾斜者以正面朝像我們 就很難將它們和橢圓星 系區分 車輪星系 S0 從正 面看的樣子 位於天龍座的 NGC5866 紡錘星系 S0 從側面看的樣子 位於劍魚座的 NGC1533 S0 從 正面看的樣子

122 3. 螺旋星系 (Spiral Galaxies) 扁平且有明顯的盤狀結構 盤面含有豐富的塵埃和氣體 星球和氣 體都以近乎圓形的軌道環繞中心 而其中星球又有年經與年老 亮與暗 熱或冷等各式各樣的恆星 這種星系又依他的核心大小與漩渦臂的緊密 程度再分成 Sa Sb Sc 等三種 Sa - 懸臂緊纏且光滑 核心大且明亮 Sb - 懸臂較明確 但是比 Sa 的還要鬆散 核心較 Sa 小 Sc - 懸臂比 Sb 還要鬆散 核心也比 Sb 還要小 位於獅子座的 M65 屬於 Sa 位於獅子座的 M66 屬於 Sb 位於獵犬座的 M51 屬於 Sc 4. 棒旋星系 (Barred-Spiral Galaxies) 此種星系與螺旋星系相似 唯一差異就是他有著棒狀的核心 旋臂 也是從棒狀的兩端直接延伸出來 而他也可以依照核心大小與漩渦臂的 緊密程度再分成 SBa SBb SBc 等三種 SBa 有明亮的何核心以及緊纏的懸臂 SBb 懸臂比 Sba 更明確 但結構較疏散 SBc 懸臂更加疏散 且中央核心也比較黯淡

123 位於雙魚座的 NGC660 屬於 SBa 位於獅子座的 M95 屬於 SBb 位於大熊座的 M109 屬於 SBc 5. 不規則星系 (Irregular Galaxy) 與以上三種不一樣 沒有特定的形狀 一般認為是因為兩個以上的 星系因為相遇而劇烈扭曲 這類星系也有各式各樣的恆星 大麥哲倫星系 環繞著銀河系運轉的不規則星系 位於大熊座的 M82 屬於不規則星系

124 6. 哈伯音叉圖 右圖中 左邊一支是橢 圓星系 沒有 旋臂 與 盤 的結構 右邊兩支是 無棒 或 有棒 的漩渦星系 且 越往右旋臂結構越明顯 哈 伯還進一步認為不同形態 的星系之間存在演化序列 即漩渦星系的旋臂是依圖示順序漸次長出的 他於是將橢圓星系稱為 早型 而將漩渦星系稱為 晚型 在哈伯之後 又有不少新的星系形態學分類的嘗試 雖然 哈伯音 叉 的經典思路都或多或少的被繼承了下來 但對星系動力學的新知識 不斷改進著既有的星系分類體系 van den Bergh 1976 改進版哈伯音叉

125 Kormendy 和 Bender 1996 改 進 版 哈 伯 音 叉 球 狀 大 氣 小 體 亮 度 旋 轉 速 度 atlas3d 巡 天 計 畫 2011 改 進 版 哈 勃 音 叉

126 二 星系的演化 1. 古今宇宙的差異 在宇宙大霹靂之前 宇宙只是一個重力奇點 大爆炸後不到一秒的 時間內 宇宙的尺度迅速膨脹 也產生了質子 中子 (1)重子與(2)暗物 質等 微中子在此時分離出來 產生類似於以後發散出來的宇宙微波背 景輻射 以下有兩點古今差異特別明顯 A. 過去 宇宙的密度相當平均 還沒有星系或星球的存在 現在 星系中心的密度是宇宙的 1011 倍 地球密度是宇宙的 1019 倍 B. 過去 重子與暗物質平均散佈在整個宇宙 現在 暗物質暈包圍重子而形成緊密的集團 這個集團就是星系 這樣的差異就是星系形成的重要線索 註 i. 重子 重子是強子的一種 而受到強作用力影響的粒子皆為強子 重 子屬於複合粒子 所以不是基本粒子 最常見的重子就是質子跟中子 且質子是唯一獨立穩定的重子 ii. 暗物質 無法通過電磁波的觀測進行研究的物質 人們目前只能通過 重力產生的效應得知 而且已經發現暗物質佔了宇宙中的 26.8% 暗 物質對宇宙結構的形成非常關鍵 但始終是一個大謎題

127 2. 重子與暗物質 最初 重子跟暗物質均勻分散 (1)重子的塌縮 在宇宙裡 就像將奶粉倒入裝 地球大氣層高處空氣較稀 滿水的杯子裡 但奶粉總有地 薄 空氣碰撞機會少 因此壓力及 方因為沒有攪拌均勻而密度 能量都較小 同時 所受重力也較 較高 重子及暗物質在當時的 小 反之 地表的壓力以及重力都 宇宙亦是如此 大 此即為流體靜力平衡 壓力與 重力的平衡 重子受到重力因此壓縮互相 受到宇宙膨脹的影響後 流體 碰撞而產生熱能交換能量 最後像 逐漸變稀薄 就像把上述杯子 大氣層一樣達成流體靜力平衡 越 裡的水倒進大鍋子裡 原本稀 內圈密度越大 越外圈則越小 薄的地方稀釋得更快 但原本 結塊的地方並沒有馬上融 化 重子及暗物質也沒有馬上 (2)暗物質的塌縮 暗物質本來就不太容易與其 混和均勻 他粒子交互作用 所以它塌縮的方 式與重子完全不一樣 最後 因為這些區域的密度比 周遭高出太多 向內收縮的重 力逐漸強過宇宙膨脹給予的 力 於是開始 (註) 塌縮 這個系 暗物質不斷上升又下降 藉此 改變本身的速度 這樣的變化讓一 些粒子獲得能量 一些失去能量 最後讓所有的粒子能量平衡 稱為 均功平衡 目前徹底的分析尚 統此時正在達成某種平衡 這 個階段稱為 原星系 未完成 只觀察出這樣的特性

128 3. 原星系的形成 自開始塌縮過一段時間之後 重子因輻射電磁 波而冷卻下來 同時 暗物質形成暗物質暈 包覆 著重子 達成平衡的系統 原星系 電磁波 附近的原星系會互相吸引 提供力量導致他們 旋轉起來 也可能會合併成更大的結構 重子 4. 星系的誕生 暗物質 原星系合併 再次經過塌縮的過程後 星系帶有一些力量繼續旋 轉 就像溜冰的人把手縮起來可以轉得比較快一樣 星系內的氣體冷 卻之後逐漸收縮到中心 最後氣體因為快速旋轉而變得扁平 形成螺 旋星系圓盤狀的懸臂 而星球也從圓盤內逐漸形成 螺旋星系就誕生 了 5. 星系的死亡 A. 星系融合 當兩個星系接近時 彼此的引力會互相吸引 最後由較大的星系繼承 為更大的新的星系 B. 星系衰亡 當星系內的氣體消耗殆盡後 將無法再形成新的恆星 此時星系將無 法再發出光線 即為死亡 只留下黑洞 白矮星 中子星以及塵埃 三 星系間的交互作用 1. 多數的暗物質暈最後都帶有角動量 為什麼還會有橢圓星系 兩個螺旋星系合併時 劇烈的重力場會將圓盤都摧毀 星系內的星 球較分散不會直接相撞 所以合併過程有點像暗物質的塌縮過程 原先 大半的氣體因為失去角動量而掉到中心 密度增加而形成大量的星球 合成星球的效率很高 相當於每年產生 2000 顆類似太陽的恆星 相比之 下 像銀河系這樣的星系每年只能夠產生一顆類似太陽的恆星 這也說 明了為什麼橢圓星系缺少氣體

129 2. 銀河系將與仙女系合併 經過一個世紀的觀察 仙女座星系(M31)確定在未來與銀河系碰撞融 合 仙女系的辦星系 M33 也會加入這一合併碰撞當中 經過科學家長期 的計算與模擬 如果計算正確 太陽系與地球不會遭受撞擊 但會被拋 到距離星系核心更遠的地方 兩星系合併時的模擬圖 3. 史帝芬五重星系

130 4. 星系合併的階段 A. 靠近階段 位於摩羯座的 HCG87 由三個星系 組成 B. 碰撞階段 位於大犬座 的 NGC2207 和 IC2163 他們的碰撞 才剛開始 數十億年後 他會變成橢 圓星系

131 C. 重力反應階段 位於后髮座 的 NGC4676 又稱雙鼠星 系 兩條尾巴 是潮汐作用 的結果 是由 重力差造成 D. 合併階段 位於烏鴉座 的 NGC4038 和 NGC4039 又 稱觸鬚星系

132 E. 平靜階段 位於蛇夫座 的 NGC6240 又稱海星星 系 四 活躍星系核 有小部分的橢圓星系相當奇特 因為它有著極亮的點狀核心 稱為 活 躍星系核 ( AGN ) 最罕見也最極端的 AGN 例子就是 類星體 因為它 有著能夠比下整個星系的亮度 即使類星體離我們相當遙遠 但它看起來 卻跟銀河系裡的恆星一樣亮 這說明了類星體內部有極強的能量 所以科 學家一般認為 AGN 的動力來自黑洞 而掉入這些星體的氣體大約會輻射出 內在能量的 10% 足夠讓在宇宙另一端的人偵測到的信號燈 目前科學家認清 AGN 是星系形成時不可或缺的腳色 AGN 活動的高峰 是在宇宙目前年齡的 1/4 時 也是橢圓星系形成的時候 一般認為 橢圓 星系和螺旋星系裡不管有沒有 AGN 都有超大質量黑洞

133 蘇哲廣 一 古人眼中的宇宙 各古文明眼中之宇宙 歐洲之天文學發現 相對論體系下之宇宙 哈柏之發現 二 宇宙的起源與歷史 BIG BANG 暴漲理論 宇宙年史 三 宇宙未來之命運 宇宙大小與年齡 宇宙未來發展 暗能量 宇宙組成 四 物理學理論 基本粒子 自然交互作用 物理理論之統一 超弦理論

134 一 歷史演化下之宇宙觀 1. 各古文明眼中之宇宙 如同我們會對宇宙有所想像 古代人也會好奇 在大陸之遠 大洋之 外 會有什麼樣的事物 在夜晚仰望天空 那不斷繞轉的亮光又是何物, 因此各古文明都對宇宙有不同的看法與解釋 A. 古埃及宇宙觀 古埃及認為是一塊長方體 中央凹陷 天空由四座大山所撐起 而 天上星點則由天空垂吊下來 周圍圍繞著一條大河 而太陽則每日繞著 這條河一圈 B. 中國古文明觀 中國古代學說分為渾天說 蓋天說 宣夜說 其中渾天說的觀點認為 天地 就像一顆雞蛋 而我的大地就 像蛋黃 被天空所環繞包圍

135 C..印度宇宙觀 古印度認為世界是一顆半球 而這顆半球由一群大象所撐起 大象被烏龜背 著 再被巨蛇背著 烏龜巨蛇反覆循環 2. 歐洲之天文學發現 A. 托勒密地心說 托勒密觀察一些天文文獻 發表日心說 日心說認為 世界中心為地球 所有事物 都要繞著地球而轉 包括太陽 月亮 和 天上恆星 然而在遇到行星的部分卻遇到 了問題 當伽利略發現木星之衛星時 正 式敲響了日心說之喪鐘 B. 哥白尼日心說 哥白尼質疑地心說 而將不動點改為太 陽 發表日心說 認為太陽才是宇宙之中 心 一切萬物都繞著太陽轉動 然而這樣 的模型卻不受到教會之喜好 因為此模型 違反教會之定義 因而日心說受到教會破 壞許久才終於發揚光大

136 3. 相對論體系下之宇宙 就在當確認銀河系不是唯一的星系 宇宙的觀念也大約確定後 一 篇驚世的論文改變是人對世界的看法 這理論自然就是鼎鼎大名的廣義 相對論啦 乖乖在大學痛苦的學相對論吧~! By 愛因斯坦 往仙女座的特快車? 狹義相對論告訴我們 資訊再怎麼傳遞 也不會快過光速 換句話 說 如果你突發奇想 想去離我們最近的星系去參觀一下 不花個 250 萬年是不可能的 另外廣義相對論重新描述了時空結構的舞台 空間不 再不變 而是會被質量扭曲 時間也會因重力而甚至停滯 重力被描述 成質量與時空結構的交互作用 這件是大幅改變人們對時空的看法 在相對論前 時空與物體就像兩條不交會的平行線 彼此互不相犯 但在廣義相對論後才發現 時空根本就和質量糾結在一起 如同兩個在 舞會裡相伴的舞者 緊緊糾結在一起 再扭曲時空運動的物體 雖然想走直線 但礙於被扭曲 的時空 他所走的路徑就右圖 的衛星就這樣 在扭曲時空 路徑產生彎曲 而一頭栽到地 球上

137 愛因斯坦嘗試根據他的廣義相對論 推出能描述宇宙的模型 但是他卻發現 他推出的宇宙模型會隨時間收縮!愛因斯 坦也如前人般 於是他將他的廣義相對論 加入一個常數項 讓空間有自發性膨脹的 特質 這樣他的模型所描述的宇宙就是一 個穩定的宇宙 在相對論前 時空與物質之關 係就如同舞者與舞台般 但在這時代中 卻有一人願意相信宇 宙是真的在變動 佛羅倫斯將廣義相對論代入時空 並且帶入兩個假設 : A. 宇宙在各方向觀測起來皆相似 B. 上述假設在任一點還是成立 靠著上述兩項假設(還挺合理的) 我們可以推出三個宇宙模型 下方為將三為宇宙壓縮至二為宇宙後之模擬圖: 分別為: 1. 封閉宇宙(曲率大於 1) 球狀 2. 開放宇宙(曲率小於 1) 馬鞍狀 3. 平坦宇宙(曲率等於 1) 平坦狀

138 這時可能會有人好奇 明明我們的宇宙不是球狀 也不是馬鞍狀 怎麼可能我們宇宙會是那樣呢? 事實上 因為宇宙的大小和其彎曲的程度相比 實在太大了 就像 我們在地球表面 也不會感覺到地球是一顆球壯 而會認為地面是平坦 的 而宇宙的大小又更為龐大 所以我們根本難以辨認 有趣的是 佛羅倫斯的三種模型象徵三種不同的變動宇宙 關於這 點 將會在後來的章節介紹 4. 哈伯之發現 在這時期 沒有人想到宇宙會在變動 畢竟 如果宇宙有個開頭 那再開頭之前有那麼久的時間 為何宇宙偏偏選在此刻開始 但如果宇 宙沒有開頭 那竟然以前有無限久的時間 那為何又不是所有事都發生 過呢? 這樣的問題曾被討論很多次 大部分物理學家都不喜歡時間有個開 端端的說法 畢竟宇宙創生帶有神學的意味 因此包括愛因斯坦在內 大部分科學家都支持穩態宇宙論 然而 在 1929 年卻發生一件破天荒的事情~ 哈伯觀測各星系之紅移 若為穩態宇宙 則理應有相同數量之紅移星系與藍移星 系 但哈伯發現 近乎全部星系都有紅移 更神奇的是 紅位移與星系距離成正比相 關

139 大部分星系正比正比於我們距離之速度遠離我們 v = H0 D 如果絕大部分的星系都在遠離我們 而且速度還正比於距離 那讓 我們延時間倒著走 我們會看到 所有的星系像我們會聚過來 宇宙的 大小也會越來越小 直到某一刻 星系全數聚為一體 那一刻也將是宇 宙的創生點 大霹靂理論(Big Bang) 由於我們的宇宙溫度會與宇宙體積反比 當宇宙的體積越小 它的 溫度也會越高 當我們回朔到宇宙高誕生那一刻 宇宙的溫度將會極端 極端的高 這時我們所熟悉的物理定律將不再適用 這這樣高能的情形 下 粒子會表現出新的特性 為了介紹這樣的宇宙 我們將先介紹關於 宇宙的一些物理知識

140 二 宇宙的起源與歷史 在第一章 我們在最後提到 我們的宇宙很可能是起源於一個非常 小 非常熱 時空非常扭曲的一個點 我們的時間很可能是從此刻開始 並從那時的宇宙逐漸演化為我們熟悉的宇宙 像這樣的理論 我們稱呼 他為 BIG BANG(大霹靂) 為何我們要相信有大霹靂呢?許多的科學家並不喜歡這樣的想法 因 為這似乎給了上帝創生世界的想法 宗教領袖倒是舉雙手歡迎 但是在 現在大部分的科學家都接受了大霹靂模型 其中關鍵證據有三 : A. 我們發現時空正在擴張 代表過去曾有一刻他們聚的非常近 α B. 大霹靂模型可以解釋為何宇宙中的氦(與其他重元素)含量如此的豐 富 β C. 我們可以從任何角度觀察到微波背景輻射 γ

141 α : 哈伯發現宇宙正在膨脹的事實 既然離我們遙遠之星系都已正比於 我們距離之速度遠離我們 那當我們沿著時間軸倒著回去 就可以發現 星系逐漸往著某一點靠攏 當我們一直持續下去 就會發現宇宙中所有 星系都聚在一塊體積極小 溫度極熱 密度極大的點上 β : 現在我們的宇宙可觀測的物質裡 氦約占了 20%~30% 其餘的大 約是氫 然而這卻出現一個問題 這麼大量的氦是從哪來的?如果僅僅只 靠恆星燃燒來製造氦 以現在所觀測到的恆星數量仍不足以形成這麼龐 大的氦 因此氦氣應該會有其他的來源 而大霹靂正好能解釋這個現象 我們稱他為太初核合成(big bang nucleosynthesis) 太初核合成發生在大霹靂剛發生沒多久時 那時宇宙還處於非常高 溫的狀態 在這樣的高溫下 氫核可以彼此融合 成為氘或氦 但為何 我們沒看到更重的元素呢?那是因為太初核合成持續時間很短 僅持續約 17 分鐘 因此確保沒有更重的元素被大量產生

142 γ : 微波背景輻射(Cosmic microwave background)為可從天空中任何 方向都能觀測到之微波背景 其特點為光譜圖類似 3K 之物體發出之黑體 輻射 並且有約十萬分之一的微小起伏 其真實面目為大霹靂時期所留下來之熱輻射 當大霹靂剛發生時 宇宙充滿許多高溫輻射 他們會與原子互相作用 打散原子 然後再由 原子放射出去 然而隨著宇宙降溫 原子與輻射不在頻繁作用 因此當 時的高溫熱輻射便得以保存下來 然後隨著宇宙擴張 而使熱輻射之波 長被拉長 而成為我們線所看到之微波背景 1. 暴漲理論 大爆炸理論有個疑問點 若宇宙的確起源於奇異點 那根據量子起 伏效應 宇宙在一開始應該會有微小的起伏 這些微小的起伏會隨著宇 宙擴張演化 慢慢變成結構上巨大的差異 但我們除了在微波背景輻射 上看到那微小的起伏外 並沒有看見很大的差別 這顯然不太合理 這到底是為甚麼呢?為了解釋這樣的事情 理論學家認為 宇宙在 早期很可能發生一段加速膨脹的情形 被稱為暴漲(inflation) 暴漲是什麼呢?先讓我們來看看經濟學上的暴漲吧 德國曾在一戰 戰敗後 發生極為嚴重的通貨膨脹 紙鈔價值極速下降 今天能買一台

143 車的前 隔天就只能買條麵包 短短九年內 貨幣價值就貶了七千兩百 六十一倍 在通貨末期 甚至還有要 300 家造紙廠以讓 150 家印鈔場 用 2000 台印鈔機瘋狂印鈔 2008 年 辛巴威政府頒發 100 兆面額紙 鈔 但那筆錢連買三顆茶葉蛋都不夠 但相比於宇宙暴漲 這些都微乎 其微 我們的宇宙在最初的暴漲裡 至少讓體積提升了一兆兆兆倍 經歷如此強烈的加速膨脹 那些宇宙出奇的微小起伏 還沒來的及 發展 就被完全扯平 就如同皺縮的氣球 你將它快速的吹漲 上面的 皺紋就會被拉平 宇宙曾歷經如此強烈的膨漲 讓現在的宇宙在各方向 上都看起來一樣 暴漲的宇宙將初期的瑕疵全數拉平 造就出我們現在的宇宙 (講課時可用氣球示範)

144 2. 宇宙早期之歷史 對於過去的宇宙 我們要如何去了解呢 畢竟我們不像都拉 A 夢有時 光機 能回到過去? 為了瞭解過去的宇宙 我們可以以過去光椎去觀察 根據相對論 資 訊傳播的速度並不會快過光速 換句話說 如果有外星人為了毀滅我們在 現在拿走太陽 我們也要等到 8 分 31 秒後(光從太陽到達地球之時間)才會 知道末日降臨 同樣的 距離我們 30 萬光年遠的恆星所發出之光芒也要 經過 30 萬年才會到達我們(實際上 因為宇宙膨脹之關係 光要花更多時 間來到我們這) 換句話說 我們現在所觀看的恆星的光芒 其實是他們在 久遠之前所發出的光 同樣的 我們也可藉由觀測遠方之星體去了解宇宙以前的樣子 藉由 觀察深空之情況 我們就能看到以前的情形 但這方法真的完美無瑕嗎?事實上 如果你一直往過去深入 你最後會 遇到一個阻礙 也就是宇宙微波背景輻射 這到底是為甚麼呢?似乎是因為 宇宙曾經有段不透明的時刻 這個時刻裡 光沒辦法自由傳遞 換句話說 在過去的宇宙充滿了一層霧 我們沒辦法直接觀察 只能以溫度推算那時 的情形 利用過去光椎與溫度推算 我們將宇宙過去的歷史大致分為三大類 : A. 無法以過去光椎進行直接觀測 基本作用力也還未分開之時期 B. 基本作用力已統合 但原子尚未形成 宇宙還未放晴 過去光椎仍無法 使用之時期 C. 基本作用力已統合 原子也已經統合之時期 宇宙已放晴之時期

145 A. 無法以過去光椎進行直接觀測 基本作用力也還未分開之時期 普朗克時期:宇宙誕生~10 43 秒 這時期 宇宙能量密度極高 四種基本交互作用統整在一起 這時的宇 宙所運行的法則還未被發現 大統一時期: 10 43秒~10 36秒 此時重力已從四種基本交互作用中分離出來 而強力 弱力 電磁力上 還在統一的情形 此時的宇宙可由大統一理論去描述 電弱時期: 10 36秒~10 12秒 此時強交互作用也已經分離出來 電磁力與弱交互作用還偶合在一起 此時期之宇宙可由電弱理論去描述 B. 基本作用力已統合 但原子尚未形成 宇宙還未放晴 過去光椎仍無法 使用之時期 夸克時期: 10 12秒~10 6秒 此時期四種基本交互作用力已分開 已變成類似我們現在之宇宙 但由 於溫度還是太高 夸克間無法束縛彼此形成質子中子等 此時期主要粒 子為夸克 重子輕子時期:10 12秒~10秒 此時期正粒子與反粒子互相撞擊消逝為能量 由於溫度下降 夸克能夠 結合彼此成為質子中子等重子 光子時期(黑暗時期): 10 12秒~10秒 此時期由於溫度還太高 遠子何無法捕捉電子行程原子 光沒辦法在宇 宙裡正常傳遞 如同整個宇宙充滿了濃厚的霧般 整個宇宙幾乎是不透 明的狀態 黑暗時期持續到宇宙降溫使原子形成時 在其晚期所形成的 輻射就是微波背景輻射

146 C. 基本作用力已統合 原子也已經統合之時期 宇宙已放晴之時期 這時期 隨著宇宙降溫 世界變的透明 但由於沒有任何光源 而 且熱輻射已冷卻 宇宙還處於黑暗無光的情形(非黑暗時期) 在長遠的 等待中 氣體塵埃逐漸靠近聚集 並發展成為第一顆恆星 而恆星又漸 漸發展出星系 大約在 46 億年時 我們熟悉之太陽系已形成 25 億年前時 宇宙大致上之結構已分佈完成 目前所看到之星系團等 都已形成

147 三 宇宙未來之終極命運 1. 宇宙大小與年齡 這個宇宙到底有多大呢?事實上 這個問題連科學家們都回答不太出 來 雖然對於時間起點已有共識 但是講到全部宇宙的大小 依然還是 沒有統一的共識 然而 講到可觀測的宇宙 我們就有把握確定宇宙的 大小 可觀測的宇宙的半徑大小約為 460 億光年 到底可觀測宇宙是什麼 呢 又與全部宇宙有什麼分別 事實上 在膨脹的宇宙中不可能所有地 點發出的光都能到達我們的眼中 當離我們超過 460 一年之恆星 他發 出的光芒依然會朝我們前進 但是我們之間空間產生的速度卻快過光傳 遞的速度 就像是跑在一條為會自己增加長度的跑道上 那裡的光線永 遠到達不了我們這 那我們可以使用別的觀測方式啊?但是由於相對論限制資訊傳遞速 度 沒有東西跑的比光快 因此光到達不了 我們也無法觀測更外側的 宇宙 既然已經得知可觀測宇宙的大小了 那宇宙的年齡呢? 根據哈伯定律 v = H0 𝐷 我們可以推測宇宙之年齡 先忽略星系間重力之影響 各星系間之速度為常數 不隨時間改變 則當我們到著時間轉 距離我們 D 距離之星系以 v 之速度樣我們靠近 D 需要花 v = H0 1 之時間 時間正好就等於哈伯常數之倒數 而哈伯常數之 因次也恰好等於T 1 正巧等於時間的倒數 在實際宇宙中 我們並不能忽略重力效應 在考量到重力效應後 2 我們所得到的時間年齡會變為3 𝐻0 1 < 𝑇 < 𝐻0 1 大約為 137 億年

148 2. 宇宙未來之發展 在哈伯發現星系遠離我們後 人們開始了解到我們存在之宇宙微變 動之宇宙 因此開始思考到底宇宙最後之命運為何 我們能用類似上一小章的推導方式去推導宇宙未來發展之行為 假設宇宙大小有限且半徑為 r 並且物質密度為ρm0 之質量為ρm0 4π 3 GMm r 而重力位能為 r 3 1 = Gρm0 我可以推出宇宙中 4π 2 r m 3 1 而星系之動能為2 mv 2 = 2 m(h0 r)2 若星系之動能大於重力位能 則宇宙能無限減速膨脹 反之則宇宙最後 會崩墜為一點 3H2 此臨界密度ρm0 為8πG0

149 3H2 對於物質密度ρm0 > 8πG0 之宇宙 物質間強大的重力吸引戰勝了空間 膨脹的能量 一開始宇宙會減速膨脹 然後到達最大點時 重力開始將 各星系拉回 距離靠近之星系彼此碰撞融合 形成超大質量黑洞 這樣 的模型 會對應到佛羅倫斯的封閉宇宙模型 : 3H2 另一種情況則是物質密度ρm0 8πG0 在這樣的情況下 我們的宇宙 會一直減速膨脹 但永遠不會停止 這樣的宇宙空間是無限大的 時間 也不會有終點 其對應的佛羅倫斯模型分別為平坦與開放的宇宙 : 像這樣的宇宙最後會發生什麼事呢? 在這樣的宇宙中 由於時間沒有終點 在1014 年後 幾乎所有恆星 都會燃燒殆盡 要不就變成黑矮星 中子星 要不就成為黑洞 宇宙會 在這樣的時期經過許久的時間 然後大部分宇宙中的元素會漸漸的被弱 力衰變為鐵 因為鐵為最穩定的元素 在最後 根據大統一理論 就連 質子也會在1040 填後全部衰變 成為輻射 在1040 ~10150 年間 宇宙僅僅剩下黑洞 輕子 光子存在 但就連 黑洞也會因霍金輻射而在10150 年後全數消失 那時的宇宙將會變得寒冷 空蕩蕩 變成完全死寂的宇宙

150 在1014 年後 所有的恆星都將熄滅 那時我 們的宇宙將會變得冷清空蕩 沒有光也沒有 熱 更沒有一切生命活動 3. 暗能量 宇宙組成 原本我們預測宇宙應該會是減速膨脹 然而在 1998 年的觀測 卻跌 破大夥的眼鏡 我們發現 原本該減緩的膨脹速度 反而是在上升 這 似乎暗示了我們 或許空間真的會有自我膨脹的性質 是否真的存在一 個宇宙常數?

151 為了去解釋膨脹現象 我們將這樣推動宇宙膨脹的能量稱為暗能量 (Dark Energy) 暗能量一樣帶有質量 但他卻帶有負壓的性質 會想把 空間推廣開來 可以把暗能量想像成發酵麵包裡的二氧化碳 隨著二氧化碳被加熱 麵包也會因此被撐大 不同的是 暗能量並不會隨宇宙大小變化而改動 而且暗能量也不會讓宇宙變得比較好吃 除了暗能量 宇宙裡也存在一些我們無法直接觀測的物質 被我們 稱為暗物質 他們沒有電磁交互作用 換句話說 他們就像玻璃一般 我們沒辦法去偵測他們所發出的電磁波 但他們還是帶有質量 因此我 們可以藉由彎曲時空的效應去偵測他們 在包含案能量在內的宇宙 我們以觀測數據去推知 這個宇宙裡有 約 70%的物質是暗能量 25%的物質為暗物質 而僅僅約 5%是我們所 認識的普通物質 在有宇宙常數的模型下 宇宙的膨脹將變得非常劇烈 空間產生的 速度將隨時間越來越快 在這樣的情況下 我們周圍的星系發出來的光 會越來越難靠近我們 我們可以看到的宇宙也會越來越小 到最後 我 們可能會看到夜空中沒有半點光芒

152 當膨脹速度進一步加快時 太陽系可能會是去引力的束縛 接著行 星與恆星本身也被摧毀 甚至到達最後 連原本本身也無法存在 被扯 裂成夸克 電子等基本粒子

153 江宜庭 一 前言 1. 望遠鏡: 一種利用光學成像技術使遠處物體放大的儀器 隨著科學的進步 天文望遠鏡可以觀測範圍不再限於可見光 藉由電腦的輔助 從無線電 波到伽瑪射線 都可用來一窺宇宙的奧秘 但多數天文望遠鏡仍是以可 見光為主 天文望遠鏡主要分類: A. 光學望遠鏡:以收集可見光範圍波長為主的望遠鏡 B. 無線電波望遠鏡:觀察所有無線電波 補充: 為什麼多數天文望遠鏡是以觀測可見光為主? 1. 因為人類肉眼可見範圍為可見光 2. 在地表上的觀測限制:大氣會吸收 or 反射多數電磁波 造成在地表 僅能接收部分波段 由下圖 可見可見光及無線電波可穿透較多 至地表 所以地表觀測較不會受到大氣影響 而其他波段的電磁 波則須借助太空望遠鏡逕行觀測

154 2. 光學物理: 在討論望遠鏡前有一些簡單的光學物理需要先知道! A. 反射原理: 反射角 θr 等於入射角 θi B. 折射原理: 波動由一種介質斜射入另一種介質造成速度改變 引起角度上的偏移 這種現象稱為折射現象 其入射角與折射角之間的關係可以司乃耳定律 Snell's Law(又名折射定 律)表示𝑛1 𝑠𝑖𝑛𝜃1 = 𝑛2 𝑠𝑖𝑛𝜃2 (n1 和 n2 分別為兩介質之折射率) C. 色散: 不同波長的光線在介質中 由於介 質對色光的不同彎曲能力 會有不等的 折射(波長短的紫色光折射得最大 而紅 色光最小) 造成色散 紅光(長波)偏折 角最小 紫光偏折角最大 (與原本光線 路徑相比偏折的角度稱為偏折角 )

155 二 單筒的構造與光學原理 單筒望遠鏡是將遠處景物放大與改善成像的一種折射望遠鏡 使用單 筒望遠鏡將遠處的影像放大 成像會是 2 維平面(雖然有一些只是讓物體 看來比較接近) 物鏡 標號１ 遙遠的星光 近似平行光 在經 過物鏡的折射後 會聚 組合 成可見的影像 稜鏡 標號２ 如果只有物鏡和目鏡 那麼望遠 鏡產生的影像會成倒立狀 這對 於觀看天文並不會產生影響 因 為在太空中的物體是不分正立倒立和左右的 但有時正立的影像卻是必需 像是在觀鳥或是觀看棒球賽事 所以會加入稜鏡將成像調整為正立 目鏡 標號３ 放大影像以利觀察 三 雙筒的構造與光學原理 雙筒望遠鏡也是一種折射望遠鏡 且運用 相同的光學原理 但雙筒將兩個獨立的單筒望 遠鏡以平行的方式連接在一起 每一個結合在 一起的部份都必須經過精密的校對而構成 因 為用雙眼觀察 所以成像會是 3 維影像 擁有 立體感 讓觀察者估計距離

156 四 望遠鏡的分類與發展 年代 事蹟 創造了第一台 折射式透鏡望遠鏡 首次用它看到了太 1609 伽利略 陽黑子 月球上的群山陰影 木星較大的 4 個衛星以及 金星的面相 1668 牛頓 創第一架反射式面鏡望遠鏡 清楚地觀看出木星的 8 個 較大衛星 以框架吊長焦距望遠鏡筒減少了風阻的影響 首度描繪 1659 惠更斯 出土星光環 且修正了 土星是由 3 個行星 組成的錯 誤 造了一座精巧時控台座可追蹤星體移動的望遠鏡 使天 1826 弗朗哈佛 文學家能繪製出天空星群分布的天體圖 清楚顯示形成 銀河系的串列星群 加州巴洛馬山的 起 赫爾望遠鏡 電腦輔助 多面反射鏡組成 1977 單一影像 電子藕合裝置 CCD 拼嵌式望遠鏡 架設於美國加州巴洛馬山 具有直徑 5 公尺反射鏡的赫 爾望遠鏡 對於可見宇宙之較外邊緣如仙女座星系 做 非常仔細觀測 將電腦應用於望遠鏡所有的設計 架構與操作的各個階 段 由於電腦的輔助 自多片反射鏡反射的影像可結合成單 一影像 聚集光線效果如同使用直徑更大的反射鏡 電子藕合裝置的電子感應器可感測到最微弱的光學訊 號 或偵測許多不同種類的輻射 訊號被電腦整理與加 強後 傳遞了被地球大氣掩藏 以致肉眼看不到的資訊 拼嵌式望遠鏡具有成本低廉 修補時易移動的優點 在距離地表 600 公里處環繞地球運行和觀測 排除了大 1990 哈柏太空望遠鏡 氣的干擾 視相度絕佳 幫助解決了一些長期困擾天文 學家的問題 對宇宙的擴張速率 估計宇宙年齡 證實 黑洞的存在都有顯著的貢獻

157 1. 若以望遠鏡的光學原理大約可分三類 A. 折射式望遠鏡 集光方法是以一透鏡使光線折射聚焦 再經目鏡放大後將遙遠的星體 成像在眼睛 優點 缺點 1. 折射式望遠鏡鏡筒通常是密閉的 可以 1.光線要穿過透鏡關係 所以要採用清晰度 避免了空氣對流現象 所以成像穩定 高 質地優良的玻璃 所以通常全部完成 2.且因為鏡筒密封 不易被汙濁空器損毀 後的價錢也比同一口徑的反射鏡貴數倍至 折 射 式 望 遠 鏡 所以容易保養 十數倍 2.因不同波長的光波在透鏡中有不同的路 徑 所以望遠鏡出現彩色光環圍繞成像 3.為了消除色差 設計望遠鏡時就要把焦距 儘量增長 約主鏡口徑的十五倍 造成鏡 筒偏長 B. 反射式望遠鏡 內部主要是利用凹面鏡來 反射聚集光線 產生曲折 而聚焦成像

158 優點 缺點 1.因為任何可見光均聚焦於一點 所以沒有 1.對角鏡放在主鏡前 會把部份入射光線遮 色差問題 反 射 式 望 遠 鏡 掉 而且對角鏡的支架會繞射光線 2.相較起折射式望遠鏡 反射式望遠鏡鏡筒 2.開放式的鏡筒容易產生對流現象 造成影 長度通常只有主鏡的八倍 折射式約主鏡 像不穩定 口徑的十五倍 所以有鏡筒短的優勢 3.主鏡表面的鍍膜 鋁或銀 受空氣污染 3.因為是利用反射原理 所以不需考慮折射 影響 要半年再鍍一次 率的問題 所以造價較低 反射式望遠鏡根據第二反射鏡的位置及選用不同的反射鏡而有不同的 設計 i. 牛頓式反射望遠鏡 ii. 蓋賽格林式反射望遠鏡 iii. 內史密斯式反射望遠鏡 內氏望遠鏡的設計與卡塞格 林望遠鏡相似 只是主鏡上 無需穿洞 取代的是用第三 反射鏡將光線反射到側面

159 C. 折反射式望遠鏡 折反射望遠鏡的設計結 合了面鏡和透鏡 呈現了 完美的影像品質及解晰 度 融合了折射式與反射 式的優點 但副鏡仍會阻 擋部分進入鏡筒的光線 五 色像差與解決方式 像差是指對單一透鏡成像 實際成像與理論成像的差異 造成像差的原因又可分為 1.色(暈像)差 光通過玻璃透鏡時的色散現象 我們把它稱為色差 色差是透鏡特有的 現象 因為不等的折射而在觀測點產生焦點不一的帶有色暈模糊現象 這就是色像差

160 2.單色像差又可分為: A. 球面像差 發生在經過透鏡折射或面鏡反射的光線 接近中心與靠近邊緣的 光線不能將影像會聚在理論焦點的現象 因為透鏡的邊緣折射的比較 厲害 而聚焦於一個球面 造成影像模糊 一個理想的鏡面(上方) 能經所有入射的光線匯聚在光軸上的一個 點 但一個真實的鏡面(下方)會有球面像差 靠近光軸的光線會比離光 軸較遠的光線較為緊密的匯聚在一個點上 因此光線不能匯聚在一個 理想的焦點上 一個點光源在負球面像差 無球面像差(中) 和正球面像差的系統 中的成像情形 左邊的影相是在焦點內成像 右邊是在焦點外的成像

161 B. 彗星(型)像差 拋物面鏡或透鏡使無窮遠的恆星看起來不再是一圓點 而像彗星 拖著尾巴 而拋物面鏡或透鏡上有時候會有慧形像差 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) 但是偏 離光軸方向的光線 經過透鏡的不同區域折射的光卻不能匯聚在相同 的焦點上 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 補充: 多數面(透)鏡會做成 拋物面 而非 球面 是因為光線經過球面鏡 (透)鏡反(折)射後會無法會聚在同一點如下 而根據拋物線公式(𝑦 𝑘)2 = 4𝑐(𝑥 ℎ)可知平行光會會聚在焦點(h k) 但是由於拋物面造價較高 故有時再曲率不大的鏡片仍會以求面代 替

162 C. 畸變 像的不規則扭曲 中間ｏｒ邊緣 在消除色像差的方法各有不同 目前針對消除色暈色差可裝上 消 色差透鏡 消色差透鏡 是兩片透鏡組合而成 一片的色差由另一 片消除 來達到降低色差的效果 而球面像差及彗星像差則可藉由改 變鏡面取率來修正到最小值 六 望遠鏡結構 (本圖為史密特 - 卡塞格林式折反望遠鏡) 1. 主鏡筒 主鏡筒是觀測星體的主體 2. 尋星鏡(天文望遠鏡獨有) 尋星鏡是架在主鏡筒上 並指向相同方向的小型輔助望遠鏡 尋星鏡 的放大倍率通常比主要的望遠鏡小了許多(視野大) 因此可以看見更廣 闊的天空範圍 這有助於在夜空中尋找到所需的天體 一些尋星鏡距 有十字絲用來確定主鏡可以看見的物體

163 3. 目鏡 如果一部天文望遠鏡缺少了目鏡 就沒有辦法看星星. 目鏡的功用在 於放大之用. 通常一部望遠鏡都要配備低 中和高倍率三種目鏡. 4. 赤道儀/經緯儀 赤道儀與經緯儀除了轉動方式與採用的座標不同之外 事實上是類似 的東西 都是可以跟蹤星星 長時間觀測星星的裝置 赤道儀有許多 種類 ex:經常看到的德式赤道儀 5. 追蹤馬達 赤經追蹤馬達功用為驅動赤經軸 讓赤經軸以跟地球自轉相同的角速 度轉動 跟蹤星體 將星體長時間保持在視野中觀測 此外 也可以 利用較快的速度尋找欲觀測的星體 或以增減速來做天文攝影的功能 赤緯追蹤馬達的功用是當觀測中的星體偏離視野中心 尋找星體和天 文攝影時 做調整及修正之用 一般赤道儀應僅有赤經馬達 若需要 長時間的攝影 就同時需要赤經和赤緯馬達 6. 三腳架台和腳架 三腳架台是承接赤道儀和鏡筒 以連接腳架 腳架是承載望遠鏡和赤 道儀 並且做為支柱 小型赤道儀通常使用三腳架 較重的赤道儀 則為單柱腳 7. 赤道儀控制盒和電源 赤道儀要能運轉 就必須要使用電源 驅動追蹤馬達工作 一般可攜 帶型式的赤道儀 都要購置乾電池或蓄電池 適合野外山區的使用 赤道儀的控制盒設計有許多種功能 如此才能滿足觀測星體 尋找星 體和從事天文攝影等的需求

164 三 經緯儀&赤道儀介紹 經緯儀是用來測量水平或豎直角度的儀器 根據角度測量原理製成 是一種重要的大地測量儀器 將經緯儀裝置在望遠鏡上可幫助我們輕易調 整望遠鏡至我們想要的位置 若配合地平座標系 甚至可以標訂 找尋星 星位置 利用經緯儀 我們可以配合用地平座標系統做出的星圖 從夜空 中找到標示在星圖上的星星 赤道儀是一種可以跟蹤星星 長時間觀測星星的裝置 赤道儀分成赤 經軸 赤緯軸 在使用上 必須將赤經軸軸心對準天球北極點(為了方便赤 經軸對準北極星 在赤經軸中心裝置了一支小望遠鏡 叫極軸望遠鏡 ) 搭配一個追蹤馬達 讓這根軸的旋轉以 23 小時 56 分鐘旋轉一周(旋轉方向 與地球相反) 就可以很精確的與天空視周日運動同步的拍攝星體 補充: 地平座標系 地平座標系是天球座標系統中的一種 以觀測者所在地為中心點 所在 地的地平線作為基礎平面 將天球適當的分成能看見的上半球和看不見 (被地球本身遮蔽)的下半球 上半球的頂點(最高點)稱為天頂 下半球的 頂點(最低點)稱為天底

165 補充: 天球坐標系統 為了描述星體的位置 天文學家制訂了一套坐標系統來標示星體在天球 上的位置 這套坐標系統和地球上慣用的經緯度坐標十分相似 赤經: 功用與地理座標中的經度相同 但零點為天球赤道和黃道的焦點(春分 點) 赤緯: 赤緯是緯度在添球上的投影 所以觀測者天頂的赤緯緯度應與地理緯度 相同 四 望遠鏡參數 為了表式望遠鏡的性能通常會有下列參數 1. 口徑 望遠鏡的有效口徑(通光直徑)越大 集光能力越好 集光力影響視野 亮度 望遠鏡的型號一般會明確標示出望遠鏡的口徑(鏡片直徑)與焦距 例如 105/1000 折射式望遠鏡 數字 105 表示望遠鏡的口徑為 105mm 後組數字則是焦距為 1000mm

166 2. 倍率 望遠鏡的倍率計算方法 物鏡焦距 目鏡焦距 例如 102/1000 的望 遠鏡 主鏡焦距為 1000mm 在採用 10mm 焦距目鏡時 其倍率為 = 100 倍 極限倍率是望遠鏡能得到最大的有效放大倍率 一般我們 認為極限倍率為望遠鏡口徑的 2 倍 3. 焦比 focus ratio 表示望遠鏡的焦距與口徑的比值 通常記為 f/ 焦距 1 口徑 焦比 焦比 f/ = 因為影像明亮度 2 所以不管望遠鏡的口徑及 焦距大小如何 若是有相同焦比的望遠鏡在相同的曝光時間內就可拍到 相同明亮度的照片 4. 極限星等 極限星等影響望遠鏡能看到最暗的天體星等 望遠鏡口徑越大 極 限星等就越大 5. 解析度 望遠鏡解析度則與望遠鏡的口徑反比 與光的波長成正比 望遠鏡 越大 解析度越高 傳統的大型光學望遠鏡 其主要目的不是觀測天體 的細節 而是利用其集光力 觀測更黯淡的天體 6. 視場 視場就是我們觀察物景的範圍 這個數值指的是距離 1000 米時所 看到的範圍 視場越大 觀測範圍越大 視場與放大率成反比 放大率 越大 視場越小 7. 適眼距 適眼距是目鏡到後方仍能清晰看見影像時 所能允許的眼睛與目鏡 間的最大距離 且在這個距離之內看見的影像沒有暈散開的現象 通常 目鏡的焦距越長 適眼距也會越長

167 五 望遠鏡使用方法及步驟 1. 支架及主鏡安裝 A. 展開三腳架 調整高度 B. 赤道儀本體與三腳架台連結 C. 安裝重錘桿和鏡筒環 D. 旋緊赤經 赤緯固定鈕 安裝鏡筒和重錘 E. 赤經 赤緯軸平衡 調整重錘位置及數量平衡赤經軸 松開鏡筒環調 整鏡筒位置平衡赤緯軸 兩軸平衡很重要 否則輕則影響跟蹤精度 重則可能損壞赤道儀內的齒輪 F. 連接跟蹤馬達控制器 電源 G. 對極軸 2. 主鏡與尋星鏡同軸調整 A. 主鏡裝上低倍目鏡 任意找一目標(例如樓房 樹 天線等)將其調整至 視野中央 B. 調整尋星鏡支架上的固定螺絲 使主鏡所對準的目標也位於尋星鏡十 字交叉處 C. 檢查主鏡視場 若目標有偏移 重新調整至視場中央 再調整尋星鏡 重復上述過程直到主鏡與尋星鏡視場中心重合無偏移 主鏡與尋星鏡處於同軸狀態後 尋找天體目標就很方便了 先通過尋 星鏡 調整望遠鏡對準目標所在的大致方向 再通過微調將天體目標 導入目鏡視場

168 參考資料 １. ２. 為基百科 %B7%AE ３. ４. AEEA 天文教育資訊網 ５. ６ /魏榮君老師/天文科學探索/望遠鏡原理.ppt ７ /STAR/lulin/林啟生 04%20 望遠鏡及使用.doc ８. %E6%B8%AC%E5%AE%B6/2010%E5%A4%A9%E6%96%87%E8%A7%80%E 6%B8%AC%E5%AE%B6/%E5%A4%A9%E6%96%87%E8%AC%9B%E7%BE%A 9/%E8%AA%8D%E8%AD%98%E6%9C%9B%E9%81%A0%E9%8F%A1.pdf ９. １０. １１. １２. １３. e.svg １４ jpg １５. １６. １７.

169 游鈞量 一 前言 天文攝影大致上依照拍攝的模式 大致可以分為下面三種 １. 固定攝影 拍攝時利用腳架將相機固定 星軌 因為地球自轉的關係 星點無時無 刻都在移動 長時間下來就會形成一條軌 跡 稱為星軌(拍攝簡介在後文有述) ２. 直接焦點攝影 赤道儀追蹤 望遠鏡直 接做為主焦點拍攝目標 又稱星野攝影 既然地球會自轉 拍攝暗 淡的天體的時候就要利用赤道儀來追蹤 而望遠鏡則能夠把微小的天體放大 讓我 們順利拍到星系 彗星 星雲 ３. 擴大攝影 直接焦點攝影+目鏡 市面上並沒有焦距常到能夠清楚放大月球 表面坑洞 行星(如木星)的表面 所以要 透過目鏡讓目標放得更大 以上種種需要的技巧 後製 器材等都略有不同 無論如何一定要記得 做好規畫

170 行動前要弄清楚這些 目標 拍月食 時間要是滿月 上網查詢全食帶選擇地點 拍彗星 星系 星雲 選擇地點會不會擋到? 光害 都市大光砲 配合目標不同盡量避免面向都市 月相 當目標不是月球時 越接近農曆初一越好 天氣 雲 霧等小地點的天氣可說是影響攝影甚深的因素 練習看晴天鐘或中央氣象局(cwb)的雲圖 各地測站 器材 星軌 腳架 快門線等 星野 赤道儀 望遠鏡等 平常看月亮可能覺得不怎麼亮 但天文攝影時候就會形成強大的光害 而除了厚雲會擋住星光 薄雲也可能會使光害暈開 這兩個光害都可能會 讓你的照片失敗 出發前務必要查清楚如此一來才不會讓動輒半小時 一 小時的拍攝時間浪費掉 二 基本知識 光從望遠鏡/鏡頭進來之後會打到感光元件(底片/CCD/ CMOS) 感光元 件記錄下收到的資訊後形成影像 要掌控拍出來的照片型態 要先來學學 基本的攝影知識 我會從接收到光的地方出發 延著光往回走 最後再回 頭介紹照片從處理器到記憶卡的過程 1. 機身/感光元件介紹 A. 感光元件 CCD CMOS 比一比 i. CCD 又稱感光耦合元件 是一種能感應光線後將影像轉變成數字訊 號的積體電路 處理上 會先統合所有相源上的資訊再一起進入處理 器(電荷放大器)處理

171 ii. CMOS 一個像元的彩色感光顏色分布 又稱互補式金屬氧化物半導 體 也是利用光電效應儲存資訊 但製程比較接近電腦晶片 處理上 每個像元有各自的處理器 CCD CMOS 運作原 所有像元資訊統合 每個像元各自處理 理 處理 優點 感光度高 雜訊低 數據處理快 像元不互 相影響 便宜 CMOS 每個像元旁邊都有一個處理器 所以 實際能感光的面積比 CCD 小 因此 CCD 的感光度比較好 另外 凡是有電 就有熱 所以 CMOS 會因處理器就在旁邊 產生比較多的雜訊 然而 每個像元獨立處理 的優勢就是數據處理比較快 而且不會像 CCD 可能在訊號傳輸到處理器的過程中互相干 擾 造成影像失真 缺點 貴 雜訊可能較多 現今的 CMOS 越來越進步 又因為 CMOS 製 程較便宜 同等價位下有時 CMOS 還比 CCD 好 因此成為主流 使用範圍 冷卻型 CCD 早期 DSLR 最近的 DSLR

172 B. 機身比一比 冷卻型 CCD 和數位單眼相機(DSLR) i. 冷卻型 CCD 顧名思義就是一塊可以冷卻的 CCD 內建冷卻的系統使 得相機中因熱所產生的雜訊少很多 大 多數的冷卻型 CCD 為單色機種 也就 是說要分別對 R G B 三色各曝光一 次 才能得到彩色照片處理時比較麻煩 使用上則直接接在目鏡上 圖中看到是後面加個風扇降溫 大型天 文台則直接用液態氮 ii. 數位可交換鏡頭式單眼相機(DSLR) 構造以及進光路線如下所示 屬於最通用的天文攝影機身類型 可以接相機鏡頭或是透過轉接環 接天文望遠鏡 接一般相機鏡頭 拆下鏡頭 透過轉接環接天文望遠鏡 光從鏡頭進來之後 透過反光鏡反射最後通過觀景窗進入人眼 當 我們按下快門時 反光鏡會升起 快門打開 讓光跑到感光元件上 記 錄影像

173 下面表格整理一下兩種機型的差異 注意我讓兩種 CCD 來比較 是 為了要凸顯機身的機械性質差異 感光元件(CCD/CMOS)的差異就不再贅 述 優點 冷卻型 CCD DSLR 靈敏度 (量子效率)和畫素數(視野)佳 操控性強 用途廣 其實冷卻型 CCD 中的感光元件並不是一定比 DSLR 強 因為相機要一次 得到 彩色 的照片 會加一片 Bayer Array 濾鏡 這會使得靈敏度 (量 子效率)下降 而一般拍照時熱雜訊的影響遠小於被攝體 多數 DSLR 都沒有內建冷卻系統 但冷卻型 CCD 有降溫系統 缺點 貴 要透過改裝才能拍到特定波段 我們都知道光是連續的波段 星雲中有一種稱為 Hα 的波段1 這種 波段會被大部分 DSLR 內部有的濾鏡濾掉 要透過改裝才能夠呈現 注: 量子效率: 光打到感光元件上會有一定的損耗和流失 同面積下量子 效率越高代表照片越明亮清楚 冷卻型 CCD 買了之後就是以天文攝影為主 但 DSLR 還可以記錄生活 同時 DSLR 的相機進步速度比起較冷門的冷卻型 CCD 快很多 而且同等 級的價差約兩到三倍 須要在追求品質和實用性兩方面做出一個取捨 iii. 一般小 DC 上述兩種器材屬於進階玩家的 範疇 進入門檻也比較高 若是各位手上有 右圖這種小型的消費型數位相機 千萬不要 讓他們睡著了 加個簡單的小鐵架(俗稱八 爪魚) 也能拍下漂亮地景與星座 1 2 這個波段通常可以顯示雲氣的形狀 超級漂亮阿!!!!! 只要是能拉長快門到 3 秒左右的相機都可以辦得到 八爪魚則大概 30 塊就 有了 2

174 2. 曝光原理 前面依序介紹了感光元件 機身 再來沿著光 的路徑往回走 就是決定影像亮度多寡(曝光量)的 三個要件 A. 快門 快門簾打開時 感光元件開始記錄光線 關閉時則停止 快門越快越不易 晃到 快門 越慢則更能充足曝光 重要名詞 長快門 天文攝影多是黯淡天體 需要透過增長快門簾的開啟 增加曝光 (一般數位相機最多到 30 秒) B 快門 可自由控制快門時間 按著快門釋放鈕快門簾就一直開 直到你放開 T 快門 同上 但操作不同 按過一次後 等你下一次再按 快門簾才關閉 (注 利用電子快門線(後面有介紹) 可以精準控制 B 快門的長度) B. 光圈 在望遠鏡上稱為焦比 同樣用 F 來代表 焦比 F= 焦距 f / 口徑 D 一般攝影時 光圈大小會影響 景深 但對天文攝影來說影響的是進 光量的多寡 所以 F 越小越好 C. ISO 加強電子訊號的程度 數值越大越亮 雜訊越多 1/10 F7.1 ISO 100 1/1000 F7.1 ISO 注意這裡的快門速度 右邊的比左邊的快了 100 倍 兩張亮度才差不多

175 3. 鏡頭 再從快門沿著光來的路徑走出去 就是鏡頭 簡單來說 光要從我們看到的地方擠 進小小的感光元件 須要經過縮小處哩 但是我們學過 折射後的光會產生像差 所以一個值得信賴的好廠鏡頭/望遠鏡都 會有特殊的鍍膜 光學處理 給我們好的 影像

176 前面談到的曝光三角中的 光圈 和影響光圈的兩個要素 焦距 口徑 就是由鏡頭決定的 A. 焦距 不同的焦距會讓影像有不同放大倍率 18mm 24mm 35mm 50mm 70mm 140mm 不同焦距有不同放大率 了解其放大的程度 可以幫助大家構圖(見星野 攝影)

177 B. 口徑 一般攝影中 透過改變口徑在固定焦距下改變光圈 影響景深 35mm 下的大口徑 小口徑 大口徑 F1.8_淺景深 小口徑 F10_深景深 但在天文攝影中沒有景深的問題 所以口徑越大進光量越多就越好 C. RAW 檔 現在讓我們回到處理器 接收了感光元件的資訊後 處理器若不經 任何壓縮處理 直接把檔案存進記憶卡 我們稱這種檔案為 RAW 檔 在影像後製時 有 RAW 檔會非常方便進行轉換 調整 所以天文攝影 時大多會用這個格式 對於影像的後製處理 必須要了解 RAW 檔的產出過程 才能夠修 掉不必要的雜訊 大致可以把受到的干擾寫成這樣的式子 原始影像= 平場*曝光時間*天體亮度+偏壓+暗電流 而我們只想要天體亮度 天體亮度正比於(原始影像-偏壓-暗電流)/平場.(頭暈了吼 XD) 總而言之 記得在拍攝時記得拍以下這三種照片 然後丟進 DeepSkyStacker 這個軟體就可以進行處理

178 i. 暗電流(DARK) 熱所造成的雜訊 拍攝方法 蓋上鏡頭蓋 用完全同樣的設定在拍一張 P.S. 大部分 DSLR 都有內建 長時間曝光降噪 其實就是在拍暗電流 然後減掉 但這可能會耗費很多好天氣時間 要自行考慮是否要用 ii. 平場(FLAT) 每個感光元件對光的感度有所不同 拍攝方法 對亮度均勻的地方拍 如 白晝的天空的不同角度 iii. 偏壓(BIAS) 影像讀出時產生的雜訊 拍攝方法 在拍攝被攝體前 用極短時間曝光 然後取平均 通常不 用特別去拍 因為在拍暗電流的時候就有拍了 除非天體與暗電流影 像拍攝時間不同 D. 器材選購 敗家錢坑之所在... 腳架 長時曝光的必備良伴 要注意 自己負重能力 腳架 雲台負重 地點 機車?肩背?汽車? 撐得住鏡頭? 夠穩?可加重物? 一般來說建議買 三 or 四節式 (比較穩 性價比比較高)+ 球型雲台 (重量考量) 要是沒有考慮好 放著放著相機掉下去 風一來倒下去 就會看到幾百 個小朋友從你眼前飛走 不可不慎

179 i. 雲台 比較高階的腳架都不會附雲台 要另外買 最常用有兩種: 三向雲台 比較穩 球型雲台 操作方便 ii. 快門線 建議使用有液晶銀幕 可以設排程的那種快門 線(價錢 NTD 都有) 設定完之後就可去旁邊玩 手機 看星星 P.S. Nikon 較新機種(D300s 以後)都有內 建間隔攝影(高中低階皆有) 所以只是要定點攝影的話 最慢 30 秒快門+疊圖也可以拍出不錯的作品 iii. 望遠鏡 需求就是 焦距夠長 影像夠大 口徑夠大 影像夠亮 也就是 F(前面提到的光圈 焦比)越小 無論如何請記得 總而言之 口徑決定一切 其他詳見望遠鏡概論講義~ iv. 赤道儀 因為地球會自轉 若要長時間拍一個天體 就需要赤道儀去 追 那個天體 採購最重要的重點當然是載重量 另外馬達的精度 操控功能多寡 是否有內建極軸望遠鏡 自動導入 追蹤 導星輔助 都可以是考量的點 v. 防霧裝置 在濕度高的寒冷地區 鏡頭會起霧 可使用電子發熱線或 暖暖包包在鏡片兩側加熱使水氣不至於凝結 vi. 濾鏡 這裡介紹 3 種常用的濾鏡 a. 直切式濾鏡 就是在一定波長之下的光全部濾掉 例如 今天我們想要拍雲氣 可是星點很多很雜 這時候就可以用 SC64 壓縮星光

180 使用前 使用後(翻攝自星野攝影第二版_王為 豪) 可以發現星光變暗不少 b. 光害濾鏡 利用薄膜之間產生破壞性干涉 消除光害 沒加 曝光兩分鐘 LPS-P2 曝光兩分鐘 LPS-V3 曝光兩分鐘 c. 窄波段濾鏡 固定的波段才能通過 通常用來拍雲氣 d. 其他 電源 電腦等等

181 三 固定攝影 1. 器材 腳架 快門線 紅色頭燈 黑卡3 濾鏡4 備用電池 2. 事前規畫 基本款的天氣 月相 光害方向等 要了解清楚 而在固定攝影當 中 地面的風景可說是美感的關鍵 才能拍出好照片 最好要先找好中 意的地方 準備好需要的器材 以免向隅 3. 拍攝時的大小事 A. 對焦 利用 Live View 找天空中的亮星 接著在手動對焦模式下調整焦距 直到 星點最小 B. 電量 通常要拉出星軌起碼要半個小時才會明顯 快門線 相機都要準備備用 電池 3 固定攝影中非常重要的就是地景 有時候不希望地景過曝的情況下拍到更 多星星 就可以使用黑卡 擋 掉太強的光亮 4 通常若是只搖黑卡 曝一張星軌就要搖到好幾十分鐘 所以很多人會上濾 鏡 而且成品不太一樣

182 4. 後製 可用 Startrails 進行疊圖 即可簡單完成 從這裡匯入星軌 暗電流檔 按下 Startrails 就會幫你弄好囉! 注意 Startrails 只接受 JPG 或 TIFF 檔 建議先用軟體把 RAW 檔轉城 TIFF(16 位元) 有時候有光害的影響就要再倚賴 Photoshop 或 Lightroom 至於要不要拍 DARK 那些 就看個人需求 我們通常會用的功能是拉曲線 將曲線向內推壓 將曲線向外拉開 將曲線向上拉 將曲線向下拉 相片反差會提高 相片反差會下降 相片亮度會提高 相片亮度會下 降