( 一 ) 星 體 觀 測 與 哈 伯 定 律 : A 人 類 對 星 體 的 觀 測 : (1) 古 希 臘 時 期 : 甲 最 早 以 科 學 方 法 研 究 天 體 現 象 與 運 動 起 始 於 古 希 臘 文 明 以 後 乙 畢 達 哥 拉 斯 : 以 月 相 圖 變 化, 推 測 月 球 為 球 狀 ; 並 進 一 步 地 推 測 地 球 及 其 他 星 球 形 狀 也 是 圓 球 狀 丙 柏 拉 圖 : 發 現 天 體 運 行 的 規 律 性, 使 人 類 有 計 時 的 概 念 丁 亞 里 斯 多 德 : 提 出 地 心 說 的 宇 宙 觀 戊 托 勒 米 : 認 為 所 有 星 球 以 完 美 的 圓 形 軌 道 繞 著 地 球 運 行, 此 理 論 符 合 以 地 球 為 中 心 的 宗 教 思 維, 並 可 解 釋 當 時 觀 測 到 的 行 星 逆 行 現 象 己 哥 白 尼 : 提 出 日 心 說, 認 為 太 陽 是 太 陽 系 的 中 心, 行 星 繞 著 太 陽 運 行, 月 球 繞 著 地 球 運 行, 而 恆 星 則 是 在 相 當 遙 遠 的 地 方 結 束 了 科 學 的 黑 暗 期 (2) 近 代 天 文 學 的 進 展 : 甲 第 谷 : 畢 生 致 力 於 天 文 觀 測, 其 詳 細 的 紀 錄, 作 為 克 卜 勒 天 文 研 究 的 基 礎 資 料 乙 克 卜 勒 : 整 理 第 谷 詳 細 的 天 文 資 料, 獲 得 重 要 的 行 星 運 動 定 律, 被 尊 為 天 文 的 立 法 者 丙 伽 利 略 : 最 早 自 製 望 遠 鏡 觀 測 天 體 運 動, 觀 測 木 星 周 圍 的 衛 星 運 動, 並 發 現 太 陽 黑 子 月 球 上 的 山 脈 深 谷, 以 及 金 星 的 盈 虧 現 象 丁 牛 頓 : 發 現 反 射 式 天 文 望 遠 鏡 提 出 萬 有 引 力 定 律, 說 明 克 卜 勒 的 行 星 規 律, 奠 定 天 文 學 的 理 論 基 礎 戊 愛 因 斯 坦 : 提 出 廣 義 相 對 論, 影 響 天 文 學 理 論 做 了 重 大 的 修 正 (3) 天 文 觀 測 儀 器 : 甲 折 射 式 天 文 望 遠 鏡 : 1. 為 凸 透 鏡 所 構 成, 由 於 透 鏡 容 易 產 生 像 差 變 形, 因 此 需 以 不 同 透 鏡 組 合 2. 為 避 免 不 同 波 長 的 光 波 在 焦 點 附 近 產 生 色 差, 因 此 焦 距 需 增 長, 鏡 筒 亦 較 長 3. 為 使 光 線 能 清 晰 透 過, 需 使 用 質 地 優 良 的 玻 璃 磨 製 透 鏡, 因 此 價 錢 高 出 甚 多 乙 反 射 式 天 文 望 遠 鏡 : 1. 以 拋 物 面 鏡 構 成, 依 反 射 原 理 成 像, 不 易 產 生 像 差 2. 任 何 波 長 的 光 皆 可 聚 焦 於 同 一 點, 不 會 產 生 色 差 3. 鏡 筒 短, 操 作 方 便, 造 價 便 宜 4. 國 外 的 天 文 台 觀 測 多 用 反 射 式 望 遠 鏡, 由 於 鏡 面 大, 集 光 能 力 強, 因 此 能 觀 測 較 遠 的 距 離 1
丙 哈 伯 望 遠 鏡 : 1.1990 年 升 空 的 反 射 式 天 文 望 遠 鏡, 位 於 地 表 600 公 里 的 軌 道 上 環 繞 地 球 運 行, 進 行 從 紅 外 線 到 紫 外 線 波 段 的 觀 測, 可 免 除 大 氣 層 的 視 野 干 擾 2. 主 要 進 行 宇 宙 大 小 的 遙 遠 距 離 觀 測, 經 多 次 太 空 梭 維 修, 儀 器 早 已 落 後 地 面 觀 測 的 科 技 進 展, 如 今 即 將 除 役 丁 韋 伯 太 空 望 遠 鏡 : 1. 為 計 劃 中 的 紅 外 線 太 空 天 文 望 遠 鏡, 預 計 將 於 2018 年 發 射, 放 置 於 地 球 與 太 陽 中 第 二 個 拉 格 朗 日 點, 繞 太 陽 運 行 2. 主 要 任 務 是 調 查 作 為 大 爆 炸 理 論 的 殘 餘 紅 外 線 證 據 ( 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 ), 即 觀 測 今 天 可 見 宇 宙 的 初 期 狀 態 B 宇 宙 中 的 各 種 結 構 : (1) 宇 宙 可 以 分 成 行 星 層 次 恆 星 層 次 星 系 層 次 星 系 團 層 次 和 超 星 系 團 層 次 等 結 構 (2) 恆 星 : 能 自 行 發 光 的 星 球, 稱 為 恆 星 (3) 太 陽 系 : 甲 太 陽 為 恆 星, 藉 著 內 部 的 核 融 合 反 應, 產 生 極 高 的 溫 度, 太 陽 表 面 溫 度 約 6000, 太 陽 內 部 的 溫 度 超 過 1000 萬 度 乙 太 陽 周 圍 的 行 星, 受 太 陽 的 引 力 作 用, 以 橢 圓 形 軌 道 環 繞 太 陽 運 行, 形 成 以 太 陽 為 中 心 的 太 陽 系 丙 距 離 太 陽 最 近 的 恆 星 為 半 人 馬 座 的 比 鄰 星 ; 夜 空 中 最 亮 的 恆 星 為 天 狼 星 ; 北 極 星 距 離 太 陽 約 430 光 年 (4) 星 系 : 甲 在 宇 宙 間 相 鄰 的 數 十 億 顆 恆 星 與 分 布 於 其 間 的 星 際 氣 體 及 塵 埃, 佔 據 了 上 萬 光 年 的 空 間 距 離, 統 稱 為 星 系 ; 天 文 學 家 估 計 宇 宙 間 的 星 系 可 能 高 達 一 千 億 個, 因 此 星 系 可 說 是 宇 宙 最 基 本 的 巨 大 結 構 乙 哈 伯 根 據 星 系 的 外 觀, 將 星 系 分 為 螺 旋 星 系 棒 旋 星 系 橢 圓 星 系 與 不 規 則 星 系 等 四 大 類 丙 星 系 的 形 狀 會 隨 著 年 齡 而 改 變, 年 輕 的 星 系 變 化 較 大, 形 狀 較 不 規 則, 如 : 大 小 麥 哲 倫 星 雲 ; 成 熟 的 星 系 一 般 成 漩 渦 狀, 如 : 本 銀 河 系 ; 年 老 的 星 系 則 多 呈 橢 球 狀 丁 在 無 光 害 的 夜 空, 有 時 可 見 一 條 模 糊 光 帶, 俗 稱 銀 河 戊 太 陽 所 在 的 星 系 通 稱 為 銀 河 系, 約 有 兩 千 億 顆 恆 星, 屬 於 棒 狀 星 系, 由 上 向 下 俯 視, 可 見 直 徑 約 10 萬 光 年 的 圓 盤 面, 太 陽 位 於 盤 面 較 薄 處, 距 中 心 約 3 萬 光 年 己 距 離 本 銀 河 系 最 近 的 星 系 為 仙 女 座 星 系, 距 離 約 200 萬 光 年, 目 前 能 偵 測 最 遠 的 星 系, 距 離 超 過 100 億 光 年 庚 通 常 鄰 近 的 幾 十 億 至 幾 千 億 顆 恆 星 與 星 際 氣 體 及 塵 埃 組 成 星 系, 數 十 個 至 數 千 個 星 系 組 成 星 系 團, 數 十 個 星 系 團 又 組 成 超 星 系 團 2
C 宇 宙 中 常 用 的 天 文 單 位 : (1) 光 年 (ly): 甲 光 行 進 一 年 所 走 的 距 離 乙 1 ly=(3x10 8 ) x 86400 x 365=9.5x10 15 m=9.5 x10 12 km (2) 天 文 單 位 (AU): 甲 地 球 到 太 陽 的 平 均 距 離, 即 為 地 球 繞 太 陽 橢 圓 形 軌 道 的 長 軸 半 長 乙 1AU=1.5 x 10 11 m=500 光 秒 (3) 秒 差 距 (pc): 甲 1 秒 差 距 3.26 光 年 乙 地 球 到 太 陽 的 距 離 : 恆 星 到 地 球 的 距 離 == 1AU = 1 度 = 1 ( ) L 3600 3600 180 rad L=1AU x 3600 x 180 π=1.5x10 11 x3600 x 180 π=3.1x10 16 m=3.26 光 年 D 哈 伯 定 律 : (1) 紅 位 移 現 象 : 甲 天 文 學 家 分 析 星 球 的 光 譜, 可 以 推 測 恆 星 表 面 的 組 成 元 素 乙 天 文 學 家 發 現 遙 遠 星 系 的 星 光, 在 可 見 光 範 圍 的 吸 收 光 譜, 有 向 波 長 大 或 頻 率 低 的 紅 光 偏 移 的 趨 勢, 將 此 現 象 稱 為 紅 位 移 ; 當 星 球 運 動 的 速 率 愈 快 時, 偏 向 的 位 移 愈 明 顯 丙 紅 位 移 為 都 卜 勒 效 應 的 結 果, 表 示 星 系 正 在 遠 離 我 們 (2) 哈 伯 定 律 : 甲 1929 年, 美 國 哈 伯 發 現 : 從 各 方 向 所 觀 察 到 的 遙 遠 星 系, 皆 遠 離 地 球, 而 光 譜 紅 位 移 的 現 象, 隨 著 星 系 與 地 球 間 距 離 的 增 大 而 變 大, 因 此 提 出 哈 伯 定 律 : 1. 星 系 至 太 陽 的 距 離 (d) 與 星 系 遠 離 的 速 率 (v) 成 正 比, 稱 為 哈 伯 定 律 2. 關 係 式 : v = H0d v: 星 球 遠 離 速 率 d: 星 球 與 地 球 距 離 H0: 哈 伯 常 數 = 22 km s 100萬 光 年 即 : 每 增 加 100 萬 光 年, 星 系 的 遠 離 速 率 會 增 加 22 km/s 每 增 加 326 萬 光 年, 星 系 的 遠 離 速 率 會 增 加 70 km/s 每 增 加 100 萬 秒 差 距, 星 系 的 遠 離 速 率 會 增 加 70 km/s 3
(3) 宇 宙 膨 脹 : 甲 哈 伯 定 律 顯 示 星 系 之 間 的 相 對 運 動 為 互 相 遠 離, 亦 即 整 個 宇 宙 如 同 吹 氣 中 的 氣 球, 正 在 膨 脹 ; 而 各 星 系 間 的 距 離 處 於 膨 脹 的 狀 態 乙 星 系 在 膨 脹 的 宇 宙 中 就 好 比 在 氣 球 表 面 上 的 紅 色 標 記 當 氣 球 膨 脹 時, 兩 個 星 系 遠 離 對 方 的 速 度 與 它 們 之 間 的 距 離 成 正 比 丙 宇 宙 年 齡 指 宇 宙 從 誕 生 到 目 前 所 經 歷 的 時 間 假 設 宇 宙 膨 脹 的 速 率 為 定 值, 則 依 哈 伯 定 律 發 1 現, v= H0d, 則 T = d v = H = 宇 宙 年 齡, 0 4 15 22 326萬 ly 326 10 (9.5 10 m) 3.1 10 m 17 10 T= = = = 4.4 10 秒 = 1.4 10 年 3 4 70km 70 10 m 7 10 m s s s 略 估 宇 宙 年 齡 約 為 140 億 年 例 1. 哈 伯 定 律 在 宇 宙 中, 是 說 明 下 列 哪 一 種 現 象? (A) 宇 宙 在 最 初 時 為 溫 度 極 高 密 度 極 大 的 一 團 火 球, 在 瞬 間 產 爆 炸 (B) 星 球 發 射 光 譜 中 最 大 強 度 的 波 長 與 與 絕 對 溫 度 成 正 比 (C) 距 離 地 球 愈 遠 的 天 體, 遠 離 速 率 愈 快, 且 遠 離 速 率 與 距 離 成 正 比 (D) 距 離 地 球 愈 遠 的 天 體, 遠 離 速 率 愈 快, 且 遠 離 速 率 與 距 離 平 方 成 正 比 (E) 宇 宙 中 距 離 地 球 愈 遠, 蘊 藏 黑 暗 物 質 與 黑 暗 能 量 愈 多 ( 二 ) 宇 宙 起 源 : A 大 霹 靂 宇 宙 說 : (1) 由 於 宇 宙 正 在 膨 脹, 科 學 家 推 測 若 將 時 間 倒 流, 宇 宙 空 間 將 比 現 在 的 距 離 還 短 (2) 俄 國 加 莫 夫 於 1946 年 提 出 大 霹 靂 宇 宙 說, 認 為 宇 宙 在 最 初 為 密 度 極 大 (10 15 g/cm 3 以 上 ) 溫 度 極 高 ( 大 於 10 12 K 以 上 ) 的 一 團 火 球, 在 某 一 瞬 間 產 生 大 爆 炸, 而 後 宇 宙 的 空 間 隨 著 時 間 逐 漸 膨 脹, 一 直 至 今 (3) 大 霹 靂 說 的 過 程 : 4
甲 宇 宙 誕 生 : 宇 宙 起 源 於 高 能 量 高 密 度 的 奇 異 點, 瞬 間 產 生 大 爆 炸, 生 成 了 時 空 乙 粒 子 生 成 ( 宇 宙 誕 生 初 期 ): 1. 大 霹 靂 發 生 的 10-5 秒 後, 宇 宙 溫 度 降 到 10 10 K( 約 為 太 陽 核 心 溫 度 的 1000 倍 ) 2. 巨 大 能 量 形 成 基 本 粒 子, 如 夸 克 及 電 子 等 3. 大 霹 靂 發 生 的 3 分 鐘 後, 夸 克 在 極 高 溫 下, 合 成 質 子 和 中 子, 而 質 子 中 子 高 1 速 碰 撞, 經 核 融 合 成 氫 核 1 H 2 氘 核 1 H, 再 經 核 融 合 成 為 氦 核 ; 此 二 元 素 大 約 占 了 全 宇 宙 元 素 質 量 的 75% 及 25% 大 霹 靂 理 論 可 以 圓 滿 解 釋 這 個 數 據 丙 原 子 生 成 ( 宇 宙 誕 生 30 萬 年 ): 1. 宇 宙 溫 度 降 到 約 4000 K, 電 子 與 原 子 核 停 止 游 離 狀 態, 組 成 穩 定 的 中 性 原 子 2. 宇 宙 背 景 輻 射 逐 漸 減 弱, 不 再 與 物 質 交 互 作 用 3. 溫 度 逐 漸 降 低, 輻 射 波 長 逐 漸 增 加 丁 引 力 結 合 ( 宇 宙 誕 生 100 萬 年 ): 1. 溫 度 降 至 更 低, 電 磁 力 與 萬 有 引 力 的 持 續 作 用 下, 逐 漸 形 成 星 球 星 系 戊 宇 宙 成 形 :( 宇 宙 誕 生 後 20 億 年 ): 1. 原 始 恆 星 出 現, 宇 宙 大 致 成 形, 各 星 系 隨 著 宇 宙 膨 脹, 依 然 持 續 遠 離 2. 除 了 最 原 始 的 氫 氦 以 及 其 他 輕 元 素 外, 這 世 界 上 其 他 的 物 質 元 素 都 是 恆 星 製 造 出 來 的 B 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 : (1) 維 因 位 移 定 律 : 甲 宇 宙 間 的 星 球 本 身 發 光, 而 不 反 射 其 他 光 源, 如 同 黑 體 輻 射 一 般, 因 此 可 將 恆 星 視 為 黑 體 乙 1893 年, 維 因 發 現, 黑 體 輻 射 能 量 輻 射 光 譜 中, 具 有 最 大 能 量 的 波 長 為 λmax, 會 隨 著 溫 度 T 的 增 加 而 減 少, 利 用 此 關 係, 可 測 得 光 源 的 表 面 溫 度 -3 丙 關 係 式 : T= 定 值 = 2.9 10 m k max (2) 宇 宙 背 景 輻 射 : 甲 宇 宙 形 成 時, 殘 存 的 能 量 充 滿 在 整 個 宇 宙 中, 這 些 輻 射, 稱 為 宇 宙 背 景 輻 射 乙 如 今 宇 宙 的 溫 度 降 至 約 2.7K, 此 時 相 對 應 的 電 磁 波 輻 射 為 微 波 波 段, 因 此 一 般 稱 2.7K 的 宇 宙 背 景 輻 射 為 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 丙 目 前 所 測 得 的 背 景 輻 射 波 長 為 1 mm, 因 此 相 對 應 的 溫 度 : 1x10-3 x T = 2.9x10-3 T=2.9 K 丁 1964 年, 潘 則 斯 威 爾 遜 意 外 地 從 天 線 接 收 到 四 處 瀰 漫, 且 強 度 極 弱 的 背 景 雜 訊, 後 來 發 現, 這 個 雜 訊 為 宇 宙 大 爆 炸 後 殘 留 的 熱 輻 射 所 造 成 ; 此 值 與 理 論 值 預 測 相 差 不 多, 且 背 景 輻 射 分 布 極 為 均 勻 戊 宇 宙 背 景 輻 射 為 支 持 大 霹 靂 說 最 有 利 的 證 據 之 一 比 較 : 二 十 世 紀 中 宇 宙 學 發 展 最 重 要 的 兩 個 學 說 : (1) 宇 宙 膨 脹 論 : 遠 處 星 系 光 譜 的 紅 位 移 現 象 (2) 大 霹 靂 說 : 甲 宇 宙 膨 脹 論 乙 宇 宙 2.7K 微 波 背 景 輻 射 (3) 氫 核 與 氦 核 的 總 質 量 佔 宇 宙 間 所 有 元 素 質 量 的 75 % 與 25 % 5
1. 若 電 磁 波 輻 射 光 譜 中 具 有 最 大 能 量 強 度 的 波 長 λ, 對 應 絕 對 溫 度 T, 其 關 係 式 為 λt=2.9 10-3 m.k 假 設 宇 宙 大 爆 炸 後 的 三 十 萬 年, 輻 射 溫 度 為 4000K, 試 推 算 此 時 的 輻 射 波 長 為 多 少 埃 (Å )? (A)725 (B)900 (C)3625 (D)7250 (E)9000 2. 新 聞 上 聽 過 中 央 氣 象 局 發 布 獵 戶 座 流 星 雨 所 謂 獵 戶 座 流 星 雨 指 的 是? (A) 造 成 流 星 的 外 太 空 塵 來 自 獵 戶 座 (B) 流 星 未 燃 盡 的 碎 塊 將 掉 入 獵 戶 座 (C) 太 陽 表 面 噴 發 的 物 質 集 中 在 獵 戶 座 的 方 向 (D) 流 星 發 生 的 月 份 是 獵 戶 座 (E) 產 生 流 星 的 輻 射 點 來 自 於 獵 戶 座 3. 恆 星 都 會 發 出 光 芒, 其 發 光 的 原 因 為 何? (A) 其 內 部 正 進 行 著 氫 分 裂 成 氦 的 核 反 應 (B) 其 內 部 正 進 行 著 氫 融 合 成 氦 的 核 反 應 (C) 其 內 部 大 量 放 射 性 元 素 持 續 放 出 高 能 量 (D) 其 內 部 熱 源 使 電 子 躍 遷 至 高 能 階 軌 域, 電 子 重 回 低 能 階 軌 域 時 放 出 光 芒 (E) 內 部 的 熱 源, 導 致 星 球 表 面 物 質 不 斷 燃 燒 4. 下 列 哪 一 項 是 宇 宙 膨 脹 學 說 的 依 據? (A) 分 析 遠 處 的 星 系 所 發 射 的 光 譜 線, 發 現 普 遍 都 有 偏 向 紅 光 的 趨 勢 (B) 在 地 球 上 觀 測 銀 河 系 內 的 恆 星, 發 現 並 非 剛 好 以 北 極 星 為 中 心 在 環 繞 (C) 分 析 遠 處 星 系 所 發 出 的 光 譜 線, 發 現 所 有 的 波 長 都 有 變 短 的 現 象 (D) 觀 測 到 太 陽 表 面 的 溫 度 有 逐 年 下 降 的 趨 勢 5. 在 地 球 上 觀 測 太 陽 系 內 的 行 星 運 動, 會 發 現 有 行 星 逆 行 的 現 象, 此 現 象 應 如 何 解 釋? (A) 行 星 在 軌 道 上 的 運 行 方 向 會 隨 時 間 改 變 (B) 行 星 在 遠 處 做 半 徑 很 小 的 圓 周 運 動 (C) 行 星 邊 做 小 半 徑 的 圓 周 運 動, 邊 繞 太 陽 公 轉 (D) 地 球 與 其 他 行 星 公 轉 速 率 不 同 所 造 成 的 視 覺 效 應 (E) 行 星 繞 行 太 陽 的 方 向, 與 其 他 行 星 繞 行 太 陽 的 方 向 相 反 6. 有 關 哈 伯 定 律 敘 述, 何 者 正 確? (A) 恆 星 的 光 譜 紅 位 移 量 正 比 於 恆 星 與 地 球 的 距 離 (B) 星 系 距 離 地 球 的 距 離 愈 遠, 遠 離 地 球 的 加 速 度 愈 大 (C) 星 系 離 地 球 愈 遠, 遠 離 地 球 速 度 愈 快 (D) 宇 宙 膨 脹 速 度 正 比 於 星 系 的 大 小 (E) 恆 星 離 地 球 愈 遠, 遠 離 地 球 速 度 愈 慢 7.(85 推 甄 ) 距 離 地 球 600 公 里 高 空 環 繞 地 球 的 哈 伯 望 遠 鏡 進 行 太 空 觀 測, 下 列 何 者 錯 誤? (A) 因 不 停 的 環 繞 地 球, 故 可 以 持 續 進 行 觀 測 (B) 在 太 空 中, 可 以 紫 外 線 波 段 進 行 天 文 觀 測 (C) 能 降 低 大 氣 擾 動 影 響 或 散 射 光 所 造 成 的 干 擾 (D) 可 獲 得 遠 比 地 面 上 觀 測 較 清 晰 的 影 像 題 組 (93 學 測 ) 右 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 右 圖 回 答 第 (1) (2) 題 : 8. 有 關 影 像 中 的 恆 星 與 甲 乙 兩 星 系 的 敘 述, 哪 一 選 項 正 確? (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 9. 下 列 有 關 地 球 與 甲 乙 兩 星 系 遠 近 的 敘 述, 哪 一 選 項 正 確? (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 6