普通天文學 陳文屏 ( 科四館 906 室 ) wchen@astro.ncu.edu.tw x 65960 Office Hours Mon 2-3 pm; Thu 1-3 pm 探討宇宙天體的現象與原理 授課 討論 期中考 (30%); 期末考 (35%); 作業 報告 其他 (35%) 作業一定要交, 不可抄襲 http://www.astro.ncu.edu.tw/~wchen/courses/ast101/ What Do You Think? 你怎麼想? 怎麼樣的理論算是科學理論? 天文學家做哪些事情? 為什麼學天文學? 北極星是天上最亮的星嗎? 何謂 星座? 造成四季更迭的原因為何? 黃道十二宮? 白天看得到月亮嗎? 月亮圓缺, 缺 了什麼? 浩瀚的宇宙 什麼叫做 浩瀚? 天體地球月球太陽木星 太陽系最大的行星冥王星 曾經是最遠的行星半人馬座 α 星 最近的恆星 相對距離尺度桌上的一粒鹽 ;0.3 mm 一指外的胡椒 門口 (4 公尺 ) 的番茄 大樓口 (20 公尺外 ) 的木瓜子隔棟大樓 (150 公尺外 ) 的一粒細沙馬尼拉的番茄! 光速為 300,000 公里 / 秒 這樣的距離相當於繞地球七圈半 這樣的速度到月球只需一秒多 ( 眨眼的時間 ) 到太陽需約五百秒 (~ 下課的時間 ) 到半人馬座 α 星須 4.3 年 (~ 讀大學的時間 ) 跨越銀河系約需 5~10 萬年 ( 人類演化的時間 ) 到最近的星系費時數百萬年 ( 大地演化的時間 ) 而目前已知的星系超過數億個 雲氣聚集, 是恆星誕生之處 仙女座星系, 由千億顆恆星聚集 宇 ( 上下四方 ) 宙 ( 古往今來 ) 空間時間 我們的銀河系外表可能就這個樣 星系聚集, 構成星系團 宇宙中物質與能量, 循著一定的因果關係, 彼此交互作用 有關宇宙最不可理解的一件事情, 就是宇宙是可以理解的 愛因斯坦 天文學家以科學手段, 試圖瞭解宇宙天體的本質, 解答天地萬物的來源 演化與衰亡 1
Q: 以目前一般噴射客機速率, 若要前往最近的恆星, 至少需要多少年? 1. 100,000 2. 1,000,000 3. 10,000,000 4. 100,000,000 要回答這個問題, 需要知道什麼? 怎麼知道? 怎麼猜? 時間 = 距離 速率 Commercial jet planes, speed ~800-1000 km/h or 1000 km/h x 24 h/day x 365 d/year ~ 9 x 10 6 km/year ~ 10 7 公里 / 年 Distance ~ 4 light years = 4 years x 365 days/year x 86400 s/d x 300,000 km/s ~ 4 x 10 13 km 時間 ~4 x 10 13 / 10 7 ~ 4 x 10 6 year 距離 ~ 4 x 365 x 24 x 60 x 60 x 300,000 速率 ~ 1000 x 24 x 365 時間 ~4 x 10 13 / 10 7 ~ 4 x 10 6 year Q: 以目前一般噴射客機速率, 若要前往最近的恆星, 至少需要多少年? 1. 100,000 2. 1,000,000 3. 10,000,000 4. 100,000,000 放眼望去, 一半是天! 天地輪遞, 一半是夜! 天上星星數不盡 只有暗夜看得清 為什麼學天文學? 不知生 焉知死? 不知天 焉知地! 瞭解宇宙是人類最根本的好奇心, 也是最終極的目標 天文學是應用科學 論台灣天文教育, 物理雙月刊,1999 http://www.astro.ncu.edu.tw/faculty/wp_chen/essay/astedu.htm 利用最新的科技與設備 ( 望遠鏡 偵測儀器 電腦 ) 探討宇宙與天體的本質與變化 宇宙天體炫目而神秘, 為進入探討大自然奧秘殿堂之有效台階 2
以有涯探無涯 人類到底有多不自量力? 在空間的這個小角落, 在時間的這個剎那 就我們目前所知, 宇宙其他角落包含一樣的化學物質, 遵循一樣的物理定律 我們甚至開始探討宇宙現況 起源, 及最終命運 對, 我們不該太驕傲, 但也不要妄自菲薄, 我們已經起步了.. 下一步呢? 天球 (celestial sphere) 角度 (angle) 距離 ( 深度 沿視線方向 ; 徑向 ) zenith 可以不當科學家 ( 科學家有什麼好? 有什麼不好?) 但怎麼能原諒自己不懂科學 ( 方法 ) horizon ( 地球 ) 赤道 天球赤道 天球北極 天球南極 ( 地球 ) 北極 ( 地球 ) 南極 Measuring the Sky 距離的單位 公分 公里 1 astronomical unit (AU) 天文單位 =149.6 x 10 6 km 約一億五千萬公里地球與太陽的平均距離 1 light year (ly) 光年 ( 常用 ) =9.460 x 10 12 km ~ 6x 10 4 AU 角度的單位 1 degree = 60 minutes of arc (arcminutes) = 60 1 arcminute 角分 = 60 arcseconds = 60 角秒 一角秒 (one arcsecond or one second of arc) 是多大 ( 小 ) 的角度? 一個五元銅板直徑有多長? 伸直手臂, 拿著看五元銅板, 張角有多大? 在多遠的距離, 五元銅板的張角差不多為 1? 隨身方便的量角器 rule of thumb 3
在 1 秒差距 (parsec, pc) 之處,1 AU 的張角為 1 角秒 1 pc 3.26 ly 1 AU 1 1 pc = 206265 AU 2 x 10 5 AU 一角秒 (one arcsecond or one second of arc) 是多大 ( 小 ) 的角度? 一個五元銅板直徑有多長? 伸直手臂, 拿著看五元銅板, 張角有多大? 在多遠的距離, 五元銅板的張角差不多為 1? 1 π rad = 180 deg 2 cm x 2 x 10 5 4 km 5 圓 2 cm 北斗七星 Q: 太陽的盤面 ( 張角 ) 有多大? 月亮呢? Q: 為什麼地平線上的太陽 ( 月亮 ) 特別大 (moon illusion)? http://domino.research.ibm.com/comm/pr.nsf/pages/news.20000103_moon_illusion.html Q: 為什麼月亮會跟著我們走? 太陽的張角也差不多是半度, 月亮也是 4
比比看哪個遠?小北斗 25 度 10 度 大北斗 北極星 Polaris 大北斗 周日運動 隨著地球自轉, 一夜當中星星似乎繞著天極運動, 其實星星並沒有動 北極星 天體的視運動 Earth Rotation 地球自轉 從北向南看, 逆時鐘轉 ( 西 東 ); 一天當中, 日 月 星辰東升西落 公轉亦是如此方向 ( 何謂 一天?) 自轉軸向外延伸, 與天球相交而為天 ( 球 ) 北極 (north celestial pole; NCP) 看起來不轉, 其他所有天體則繞著 NCP ( 北半球 ) 或 SCP ( 南半球 ) 轉 北極星 (Polaris): 目前最接近天北極的亮星 三千年前巴比倫人 360 o 圓周 360 天 太陽繞地球 一圈 ( 其實是地球繞太陽轉 ) 5
Parallax 若觀測者移動, 較遠的物體似乎往同方向移動 何謂 一天? 以誰為準? 視差現象 以太陽為準 的一天比 以遙遠恆星為準 的一天來得長長了約 4 分鐘 同樣星星比前一天提早約 4 分鐘升起 Sidereal Time ( 恆星時 ) Time as measured by reference to the stars = hour angle of the vernal equinox = right ascension of stars currently on the observer s meridian Solar Time ( 太陽時 ) Time with respect to the sun = hour angle of the sun plus 12 hours apparent solar time true sun, irregularly 日常鐘錶的時間以太陽為參考 第二天看到相同星星在同樣位置時, 手錶還沒到那個時間 mean solar time for timekeeping Solar time loses about 4 minutes a day against sidereal time; a star rises 4 minutes earlier a day 何謂一天? 星期的說文解字, 台北天文館刊, 1996 http://www.astro.ncu.edu.tw/faculty/ wp_chen/essay/weekdays.pdf 時間這個東西 大地地理雜誌,2000.01 http://www.astro.ncu.edu.tw/faculty/ wp_chen/essay/time.htm 地球 ( 表面 ) 的座標系統 經度與緯度 緯 經 6
經緯度 Greenwich longitude = 0 格林威治當地時間 (local time) = Universal Time (UT; 國際標準時 ) 台灣時間 =UT+8 hr The date line 國際換日線 赤道 latitude = 0 北極 : 北緯 90 度 ; 南極 :90 o S or 90 o N 大圓 (great circle) Earth s Revolution 地球公轉 從台北飛到美國洛杉磯或紐約的飛行路線? TPE-LAX 太陽 地球 切面通過球心大圓是球面上兩點之間最短路徑 TPE-NYC 黃道 黃道面 地球繞著太陽公轉, 軌跡稱為 黃道 (ecliptic), 所在的平面稱為 黃道面 (ecliptic plane) 黃道面 : 太陽在天空走過的面 ( 實際上是地球公轉軌跡面 ), 與天球赤道成 23.4 度 Q: 怎麼在天上指認出黃道面? 7
子午線 黃道 地平線 秋分 夏至 天球赤道 把地球的 經度 緯度 投影到天球 赤經 (right ascension) 赤緯 (declination) 冬至 天球赤道 春分 = 赤經坐標起點 星座 (constellations) --- 星球 看起來 形成的圖樣, 其實彼此可能遠近不同而毫無關連 亮星 看起來 構成特殊圖樣, 此處所示為春季夜空的 獅子 (Leo) 天空共有 88 個天區, 以星座命名 星座不只是個圖騰, 或某幾顆星, 而是個 天區 此處所示為獅子座附近的星圖 8
仙后座 天鵝座 ( 天文攝影照片 ) 注意星星的顏色 夏季大三角 織女星 Vega 距離地球 25 光年 天鵝座 ( 繪製的天圖 ) 天津四 Deneb 距離地球約 1500 光年 牛郎星 Altair 距離地球 16 光年 織女星 小犬座 北河三 北河二 雙子座 五車二 御夫座 冬季星空 參宿四 銀河 畢宿五 獵戶座 金牛座 天鵝座 天鷹座 天狼星 大犬座 參宿七 星圖 夏季星空 For constellation maps see http://www.hawastsoc.org/deepsky/constellations.html 9
五車二 北河二 北河三 昴宿星團 畢宿五 南河三 參宿七 天狼 Orion 獵戶座 http://www.allthesky.com/constellations/orion/mainm.html 黃道十二宮 (zodiac sign) 同個晚上不同時間 不同月份看到不同星空 astronomy( 天文學 ) vs astrology ( 占星術 ) 黃道十二宮 (zodiac)? 太陽每日東升西落的軌跡 蛇夫座 太陽其實走過 13 個星座, 且因為各個星座在天球上範圍大小不同, 太陽通過的時間長短也不同 10
這個區域星球東升西落 這個區域星球永不 下山 Summer Milky Way 這個區域星球永不 升起 Winter Milky Way Wang Wei-Hao Wang Wei-Hao A nice night-sky simulator --- Stellarium http://www.stellarium.org/zh/ 11
全年可看天區取決於 所在地的緯度 位於北極 全年可看的天區 http://hal.physast.uga.edu/%7ejss/1010/ch2/3fig2-11.jpg 位於赤道 全年可看的天區 位於中緯度 全年可看的天區 北半球 日期 時間以及所在地的緯度 星星如何升落 在 北 極 所 見 天 體 運 動 12
在赤道所見天體東升西落 北半球中緯度之天體東升西落 Q: 造成四季變化的原因為何? 1. 太陽表面的黑子活動 2. 地球自轉軸的傾斜 3. 太陽距離的遠近 4. 大氣流動的週期變化 春分 (vernal equinox) 夏至 (summer solstice) 秋分 (autumn equinox) 冬至 (winter solstice) 太陽約每年三月廿一日行至春分點 太陽直射 夏天 ; 白天較夜晚長 南北半球相反 春 秋分時, 日夜一樣長 地球季節與日距無關 ( 實際差距只有 2%) 事實上一月時地球在 近日點 (perihelion) ; 七月時走過 遠日點 (aphelion) 13
Q: 造成四季變化的原因為何? 遠日點 ~ 4 July 1. 太陽表面的黑子活動 2. 地球自轉軸的傾斜 3. 太陽距離的遠近 4. 大氣流動的週期變化 近日點 ~ 3 Jan 地球軌道的進動 ( 歲差運動, precession) 地球歲差運動週期約 26,000 年 轉動角動量 vs 外加力距 13000AD 當時北極星 現在北極星 http://calgary.rasc.ca/images/precession.gif 5000 年前北極星 α Leo d=300 ly 14