宇宙的觀測與結構 項少龍 老師
構構構成成成成繞行主題一 : 宇宙的觀測與結構 一 天文望遠鏡 1. 天文望遠鏡之觀察波段可分為 : (1) 無線電波望遠鏡 (2) 紅外線望遠鏡 (3) 可見光光學望遠鏡 (4) 紫外光望遠鏡 (5) X 射線望遠鏡 (6) γ 射線望遠鏡 2. 思考 : 宇宙中的電磁波除可見光與無線電波段外, 其他波段之電磁波皆會因大氣 吸收作用而不易到達地面 因此其它波段之觀測必須仰賴太空望遠鏡之觀測 ( 如哈伯太空望遠鏡便是進行紅外線至紫外線之波段觀測 ) 二 天文學中的長度單位 1. 天文學中常用長度單位 : 8 (1) 1 天文單位 (1AU ) 地球繞太陽運行之平均軌道半徑 1.5 10 km (2) 1 光年 (1Ly ) 光走一年之距離 9.46 10 m = 9.46 10 15 12 km O (3) 1 秒差距 (1pc ) 長 1AU 之圓弧, 對圓心張角為 1 秒 (1 / 3600 '' 或 1 ) 時, 所對應之圓弧 半徑 13 3.1 10 km 三 宇宙中的各種結構與尺度 1. 宇宙龍骨圖 : 彗星 繞行 構恆星繞行 星團 星系 星系團 宇宙 行星 衛星 1
2. 衛星 : 以固定軌道繞行星運轉, 無自行發光能力 ( 藉由反射恆星之星光而被看見 ) 3. 行星 : 以固定軌道繞恆星運轉, 無自行發光能力 ( 藉由反射恆星之星光而被看見 ) 4. 彗星 : 由冰, 塵埃與稀薄氣體所構成, 接近太陽時因高溫而使冰晶氣化噴出氣體與微粒而導致看起來有如拖著一條尾巴 ( 又稱掃帚星, 越近日, 尾越長 ) 5. 恆星 : 有自行發光能力 ( 藉由星體內部核融合反應 ) 之星體, 如太陽 天狼星... 6. 星系 : 由數十億至數千億顆恆星與星際氣體與塵埃所組成, 如銀河系, 仙女座星系... 7. 思考 : 本星系團 ( 群 ): 銀河系與其附近 40 多個星系 ( 如仙女座星系 ) 所組成 銀河系屬於星系的一種, 內部約有一千億顆恆星, 直徑約十萬光年, 由側面觀看其外形為中央較厚而邊緣較薄 ( 荷包蛋狀 ), 由正面觀看則為擁有許多旋臂之圓盤 ( 螺旋星系或盤狀星系 ) 太陽系也是銀河系的一份子, 位於盤面較薄處, 距銀河系中心約 2 萬 8 千光年 夜晚肉眼可見之星星, 大都為銀河系中之恆星 銀河系中心核球區之恆星分佈較密集, 且年齡較大 恆星內部的核反應主要是進行氫融合成氦的反應, 且恆星的顏色主要是受溫度所影響, 溫度高的恆星呈現藍白色, 溫度低的恆星呈現紅色 太陽系是以太陽 ( 恆星 ) 為中心, 其有以八大行星以及其它小行星繞行所構成 木星 ( 行星 ) 較天狼星 ( 恆星 ) 看起來更亮, 主要原因為木星距離較近 流星 : 太陽系中之塵埃, 受地球引力而進入大氣層, 並與大氣摩擦所引起的發光現象, 而未燃燒完之碎片掉落地面稱為隕石 ( 月球表面無大氣, 故無流星 ) ( 流星雨 ( 有週期 ) 為彗星軌道上塵埃大量進入大氣 ) 星雲 : 主要由塵埃與氣體組成, 主要成份為氫氣, 其次為氦氣 2
8. 宇宙均勻性 : 大尺度 ( 約 200Mpc 以上 ) 的宇宙, 宇宙中物質是屬於均勻分佈, 亦即宇宙中沒有一處較其它處來的特殊 四 宇宙膨脹論與哈伯定律 1. 光譜之紅移 : 當我們分析遙遠星系之光譜時, 發現光譜線有紅位移之現象, 如此意味著遙遠之恆星有遠離我們的傾向, 並可由光波之都卜勒效應推知星體之遠離速度 因此我們推測宇宙是處於一膨脹之狀態 2. 哈伯定律 : 物理學家哈伯藉由光譜分析發現, 光譜紅移的程度與星系和我們的距離成正比, 亦即星系遠離地球之速率 v, 與地球和星系的距離 r 成正比 3. 思考 : 6 H 稱為哈伯常數, 約為 22 10 km / s ly ( 或 70 km / s Mpc ) 哈伯定律可以氣球膨脹之概念來說明, 如果把宇宙想像成氣球之表面, 其上分佈著 各種星系, 則當氣球膨脹時, 所有星系皆發現其他星系正在遠離自己, 且距離愈遠 之星系, 遠離速率愈快 由哈伯定律可反推宇宙之年齡 : T r 1 1 = = = v H 6 km 1Ly 365 24 60 60s 22 10 12 s Ly 9.46 10 km 1年 8 =136.4 10 年 140 億年 3
<~/~ 獵殺新物理 > 1. 天文學家使用各種波段的望遠鏡進行天文觀測, 例如可見光望遠鏡 無線電波望遠鏡 紅外線望遠鏡等 有些望遠鏡安置在環繞地球的軌道中, 有些望遠鏡則安置在地面上 下列哪一選項中的望遠鏡, 一定要安置在太空中運作? 96 學測 (A) 可見光望遠鏡 紅外線望遠鏡 (B) 無線電波望遠鏡 X 光望遠鏡 (C) 紅外線望遠鏡 γ 射線望遠鏡 (D) X 光望遠鏡 γ 射線望遠鏡 (E) 無線電波望遠鏡 紫外線望遠鏡 2. 某星與地球的距離約為 24 光年, 則 : (A) 該星的光傳至地球約需 24 年 (B) 該星與地球的距離約為光走 24 年的距離 (C) 目前我們所看到的星光約為 24 年前的景象 (D) 目前的太空船從地球至該星約需花 24 年飛行 (E) 該星目前發生的事, 地球需 24 年後才看的得到 3. 若一星球之壽命為 50 億年, 而地球與它相距 70 億光年, 則 : (A) 地球上的人不可能發現該星球的存在 (B) 該星球若爆炸, 地球上的人即可立刻發覺 (C) 地球上的人看見該星球時, 其實它已不存在了 (D) 該星球的光無法照射至地球 4. (1) 宇宙的組成結構由小而大排列, 下列何者正確? (A) 星系團 星系 恆星 (B) 星系團 恆星 星系 (C) 星系 恆星 星系團 (D) 星系 星系團 恆星 (E) 恆星 星系 星系團 (2) ( 甲 ) 宇宙 ;( 乙 ) 仙女座星系 ;( 丙 ) 室女座星系團 ;( 丁 ) M 13星團, 上列依空間尺寸由 小而大排列應為? (A) 甲乙丙丁 (B) 乙丁丙甲 (C) 丁丙乙甲 (D) 丁乙丙甲 (E) 丁甲乙丙 (3) 下列有關宇宙組成結構的大小, 由小而大排序何者正確? (A) 太陽系 銀河系 星團 星系團 宇宙 (B) 恆星 星團 星系 星系團 宇宙 (C) 恆星 星系 星系團 星團 宇宙 (D) 恆星 星系 太陽系 銀河系 宇宙 4
5. 當我們在晴朗的夜晚仰望天空, 看見滿天繁星, 其中幾乎都是恆星, 只有少數幾顆是行星 古今對恆星與行星的定義不同, 古人如何判斷哪些光點是行星? <101 學測 > (A) 由顏色判斷, 恆星的顏色與行星不同 (B) 恆星本身發光, 而行星本身不發光 (C) 恆星本身發光, 而行星是反射陽光 (D) 由它們在天上移動的軌跡來判斷 (E) 恆星都比較暗, 行星都比恆星亮 6. 如圖是一幅使用哈伯望遠鏡拍攝的影像, 呈現甲 乙兩個星系與散布在圖面上的恆星 試根據圖形 回答問題 93 學測 (1) 下列有關影像中的恆星與甲 乙兩星系的敘述, 哪一選項是正確的? (A) 恆星分別屬於甲或乙星系 (B) 恆星與甲 乙兩星系都屬於我們銀河系 (C) 甲 乙兩星系不屬於我們銀河系, 而是與我們銀河系差不多的系統 (D) 甲星系屬於我們銀河系, 乙星系則不是 (2) 下列有關地球與甲 乙兩星系遠近的敘述, 哪一個選項是正確的? (A) 甲星系比較近, 因為所有星系體積大小都差不多 (B) 甲星系比較近, 因為距離愈遠的星系, 我們觀測到的體積愈小 (C) 乙星系比較近, 因為距離愈遠的星系, 我們觀測到的體積愈小 (D) 無法由圖得知, 須由其他方法才能判斷星系的距離 7. 如圖分別是昴宿星團 仙女座大星系 M 31 天琴星座的影像 下列選項何者正確 (A) 仙女座大星系 M 31屬於銀河系, 是三者中最大的系統 (B) 仙女座大星系 M 31不屬於銀河系, 是三者中最大的系統 (C) 昴宿星團屬於銀河系, 是三者中最大的系統 (D) 昴宿星團不屬於銀河系, 是三者中最大的系統 (E) 天琴星座中, 肉眼可見的恆星都屬於銀河系 (F) 天琴星座中, 肉眼可見的恆星有些不屬於銀河系 97 學測 5
8. (1) 關於銀河系的敘述, 下列何者正確? (A) 側面觀察銀河系時, 可以看到銀河系有如扁平而中央凸起的圓盤, 很像荷包蛋 (B) 太陽系位於銀河系的中心 (C) 銀河系內的恆星都是繞著太陽系旋轉 (D) 銀河系內恆星的分布很均勻 (2) 下列有關恆星性質的敘述, 下列何者錯誤? (A) 恆星的主要成分氫和氦 (B) 夜空中閃爍的星體大多是恆星 (C) 天文學上使用 光年 來表示恆星發亮的程度 (D) 恆星所發出的光和熱來自恆星內部的核融合反應 (3) 下列敘述何者正確? (A) 銀河系外型呈現圓盤狀, 中央較厚而邊緣較薄 (B) 在天空中漆黑的區域, 沒有星體存在 (C) 當我們觀測的範圍愈大, 宇宙中物質的分布愈均勻 (D) 銀河系與仙女座星系屬於本星系群 9. 星球所發出的電磁波總量稱為光度, 而在地球上收到星球的能量稱為亮度 下列敘述何者正確? (A) 星球的亮度一樣, 它們距地球就一樣遠 (B) 星球的亮度一樣, 它們的顏色會一樣 (C) 星球的亮度不一樣, 它們的光度就不一樣 (D) 星球的亮度不一樣, 它們的光度有可能會一樣 10. (1) 哈伯定律 ( Hubble ' s Law ) 告訴我們 : (A) 宇宙不斷在膨脹 (C) 宇宙是有限而且有一天會回縮的 (E) 距離愈遠的星系, 奔離的速度愈大 (2) 關於哈伯定律, 下列敘述何者正確? (B) 我們銀河是宇宙膨脹的中心點 (A) 宇宙膨脹速度正比於星系的互繞速度 (C) 恆星離地球愈遠, 遠離速度愈慢 (D) 所有的遙遠星系都以很高的速度離開我們 (B) 星系離地球愈遠, 遠離速度愈快 (D) 哈伯定律適用於星系等級 6
11. 當我們從銀河系觀察遙遠的星系時, 會發現所有的星系都遠離我們而去, 而且星系奔離的速度與其距我們的距離 ( 簡稱距離 ) 成正比, 此稱為哈伯定律, 可以用數學式表 示為 v 0 = H d, 其中 v 與 d 分別為星系的奔離速度與距離, H 0 為一比例常數, 稱為 哈伯常數 另外, 依據愛因斯坦的相對論, 沒有任何物質的速度會比光速更快, 所以星系奔離的速度不可能大於光速 甲 乙 丙三個人聚在一起討論遙遠星系的運動, 他們的論點分別如下 : 甲 : 依據哈伯定律, 當一個星系極其遙遠時, 這個星系的奔離速度會比光速快, 因此哈伯定律違反愛因斯坦的相對論 乙 : 哈伯定律並不違反愛因斯坦的相對論, 因為我們所觀測到的星系奔離速度永遠比光速小 丙 : 愛因斯坦的相對論是說, 沒有任何 物質 的速度會比光速更快 星系並不是物質, 所以星系的奔離速度可以比光速快 試問下列敘述, 何者正確? (A) 甲並沒有明確地說哈伯定律一定是錯誤的 (B) 乙認為在銀河系可以觀測到奔離速度比光速快的星系 (C) 丙認為在銀河系一定不可能觀測到奔離速度比光速快的星系 (D) 乙與丙對星系奔離速度與光速孰大孰小的論點是一致的 90 學測 12. 若經由天體觀測, 得出星體遠離速度與其距離的關係 約呈現一直線, 則 : (1) 哈伯常數約為多少公里 / 秒 光年? 2 (2) 今若量測某一星系正以 5 10 公里 / 秒的速率遠離 地球, 請估算此星系和我們的距離為多少光年? r 5 ( 10 ly) 200 100 250 500 v(km/s) 13. 在地面進行天文觀測, 所運用的望遠鏡必須選擇特定的電磁波波段才能夠觀測天體 試選出下列哪些波段是較適合地面天文觀測?( 應選二項 ) (A) 紫外線 (B) 可見光 (C) 紅外線 (D) 微波 (E) 無線電波 94 學測 14. 下列何者為我們要到太空去作天文觀測之主因? (A) 因大氣層吸收特定波長的光, 影響整體電磁光譜的觀測 (B) 因氣流擾動, 所以影像不穩 (C) 因在太空觀測可不受天候之影響 (D) 因在太空中, 任何時間皆可以進行觀測 7
15. 天狼星距地球約 8.7 光年, 由此可知光從天狼星到地球需時多少年? 12 12 8.7 (9.46 10 ) (A) 8.7 (B) 8.7 (9.46 10 ) (C) (D) 12 (9.46 10 ) 8.7 16. 若將宇宙中各組成星體 :( 甲 ) 銀河系 ;( 乙 ) 太陽系 ;( 丙 ) 球狀星團 ;( 丁 ) 星系團 ;( 戊 ) 地球 若依大小排列, 則下列何者正確? (A) 甲 > 丁 > 丙 > 乙 (B) 甲 > 丙 > 丁 > 乙 > 戊 (C) 丁 > 甲 > 丙 > 乙 > 戊 (D) 丁 > 丙 > 甲 > 乙 > 戊 17. 下列敘述何者正確? (A) 太陽系及銀河系皆屬於星系 (B) 太陽屬於自行發光 發熱的恆星 (C) 地球與太陽 彼此距離相當遠, 必須利用光年來表示 (D) 小行星 彗星都是太陽系的成員 18. 有關恆星的敘述何者正確? (A) 每一顆恆星都會自行發光 (B) 每一顆恆星都繞著太陽運轉 (C) 每一顆恆星到地球的距離都一樣 (D) 宇宙中每一顆恆星都在銀河系內 19. 星球的顏色與下列何者密切相關? (A) 星球的大小 (B) 星球的溫度 (C) 星球的亮度 (D) 星球的遠近 83 學測 20. 太陽 天狼星 月亮三種天體的原因為何? (A) 三者自己都會發光 (B) 太陽會發光 天狼星 月亮則反射太陽 (C) 太陽 天狼星 月亮三者皆不會發光, 都是反射其他的光 (D) 太陽 天狼星自己會發光, 月亮則反射太陽光 21. 右圖所示為銀河系的示意圖, 則太陽系的位置在圖示何處? (A) A (B) B (C) C (D) D D A B C 8
22. 下列何者為宇宙正在膨脹的證據? (A) 光譜線有藍移的現象 (B) 光譜線有紅移的現象 (C) 宇宙射線強度有變弱的現象 (D) 宇宙射線強度有變強的現象 (E) 光譜線的強度變弱 23. 由某恆星光波波長移位現象 ( 都卜勒效應 ) 可以估算恆星遠離速率, 已知某一恆星以 2.147 10 8 m/s 速率遠離地球, 利用哈伯定律 v = H 0 d( 哈伯常數 H 0 =21.47 mm/s.ly) 估計此恆星與地球距離為 (A) 10 7 (B) 10 8 (C) 10 9 (D) 10 10 (E) 10 12 光年 24. 某生測量 A B C 三個星系的後退速率 v 及星系與我們的距離 d 的關係, 其結果如圖所示, 下列有關此關係圖敘述何者正確? (A) 三個星系的後退速率為 A>B>C (B) 三個星系與我們的距離為 C >B>A (C) 三個星系發光光譜紅位移大小 C>B>A (D) 由三個星系後退速率 v 及距離 r 的關係推算宇宙年齡 C>B>A (E) 由三個星系後退速率 v 及距離 r 的關係推算宇宙年齡 A>B>C 25. 1920 年哈伯由許多星系的光譜分析發現它們都呈紅移, 推論星系在遠離我們而去, 可以 寫成哈伯定律 此光譜的紅移現象與星系退行速率之關係可以下列哪一定律求得? (A) 韋恩定律 (B) 普朗克定律 (C) 都卜勒效應 (D) 法拉第定律 26. 宇宙 之意義為 (A) 我們所能觀測的時間與空間 (B) 我們所能觀測的物質 (C) 我 們所能觀測的能量 (D) 我們所能觀測的交互作用 27. 西元 1990 年, 美國太空船發現者號載著一具太空望遠鏡進入太空中, 且命名為哈伯太空望遠鏡, 這是為了紀念哈伯哪一項偉大成就? (A) 發現地球繞太陽運行 (B) 發現銀河系是由恆星組成 (C) 發現宇宙在膨脹擴大中 (D) 發現月球為地球衛星 (E) 發現行星繞恆星公轉三大運動定律 9
<~*~ 試題簡答 > 1. (D) 2. (A)(B)(C)(E) 3. (C) 4. (1)(E) (2)(D) (3)(B) 5. (D) 6. (1)(C) (2)(D) 7. (B)(E) 8. (1)(A) (2)(C) (3)(A)(C)(D) 9. (D) 10. (1)(A)(D)(E) (2)(B)(D) 11. (A) 12. (1) 5 2.5 10 ( km / s ly) 7 (2) 2 10 ( ly) 13. (B)(E) 14. (A)(B)(C)(D) 15. (A) 16. (C) 17. (B)(D) 18. (A) 19. (B) 20. (D) 21. (B) 22. (B) 23. (D) 24. (B)(C) 25. (C) 26. (A) 27. (C) <~,~ 試題解析 > 可可光 紅外光 x ray 1. (D) 到達地表之光 : > > 無無無無 紫外光 r ray 2. (D) 目前太空船無法以光速飛行 5. (A)(B)(C) 古人皆未了解箇中之差異 7. 星團 : 一坨恆星 ; 星系 : 星團組成 ; 星座 : 恆星連無 v 250( km / s) 12. (1) 由 v = H r H = = = r 5 100 10 ( ly ) 2 v 5 10 km / s (2) 由 v = H r r = = H 5 km 2.5 10 S. ly 5 2.5 10 ( km / s. ly) 7 = 2 10 ( ly) 13. 可可光與無無無無較不易被大氣所吸收, 故選 (B)(E) 15. 1 光年就是光走 1 年的距離, 以光速走 8.7 光年遠, 表光需走 8.7 年 17. (A) 太陽系不屬於星系 (C) 只需以 AU 為單位便可 20. 太陽 天狼星皆為恆星, 故可自行發光而月亮為衛星, 故只能反射太陽光 23. 8 v 2.147 10 m / s 1000mm d = = H 2.147 mm / s ly 1m 0 10 = 10 ly 24. (A) VA < VB < Vc (D)(E) 根據哈伯定律, t A = t B = t C 26. 按古籍所載 : 四方上下日宇, 往古來今日宙 10