天問 Mysteries of the Cosmos 朱明中香港中文大學物理系 mcchu@phy.cuhk.edu.hk http://www.phy.cuhk.edu.hk/gee/mctalks/mctalks.html
天問 宇宙深處 : 時空遊 為甚麼星星發光? 為甚麼星星發熱 ( 能量 )? 星星會否死亡 ( 停止發光發熱 )? 為甚麼有星團 星系 星系團? 為甚麼整個宇宙在發光 ( 微波背景輻射 )?
希望大家學到甚麼? 宇宙大結構的基本認知 恆星物理入門 物理學家問些甚麼問題 物理探究的方法及過程 好奇心的重要性
因光速有限, 訊號從距離為 d 的物體傳播到觀察者需時 t > d/c Starry starry night t t o 現在接收到的訊號必為早前已發出的 看得愈 x = ct 遠, 見到愈早 Keck Telescopes 10m x 2 你看得多遠? d 光的軌跡 ( 速度 c) 因光速有限, 你看見得到的, 都是歷史! x
原始火球 T ~ 3000 K, t ~ 400,00 年 100 light years, ~ 100 years 原始火球照亮早期宇宙 Coma Cluster 后髮座星系團 1.5x10 9 km, ~ 2.8x10 8 光年 ~ 5,000 s M3 球狀星團 ~ 30,000 光年渦旋星系 ~ 3.7x10 7 光年 1.5x10 8 km, ~ 500 s 黑暗時期 (dark ages) 幾億年 4x10 5 km, ~ 1.3 s 指環星雲 ~ 2,000 光年 看得愈遠最遠星系 ~ 1.3x10, 看到愈早的事物 10 l.y.s 10 km, ~ 1/30,000 s Photo credit: O. Lopez-Cruz (INAOEP et al., AURA, NOAO, NSF
Penzias and Wilson (Nobel Prize 1978) 約 1% 雪花由宇宙微波背景輻射引起
1. 為甚麼星星發光?
Twinkle twinkle little stars how I wonder what you are 光是甚麼? 光是電磁場的波動 Maxwell 麥斯維
電荷 (electric charge) 電力 (electric force) 電場 (electric field) 磁場 (magnetic field) 電場磁場 正電荷 負電荷 Figures from Wikipedia http://www.colorado.edu/physics/2000/waves_particles/wavpart2.html http://www.cco.caltech.edu/~phys1/java/phys1/efield/efield.html
電磁波 (electromagnetic waves) 電磁場波動 : 電荷振動令電磁場波動, 以光速傳播 電磁波 (EM waves) Maxwell 麥斯維數學證明有電磁波赫斯 (Hertz) 以一連串實驗驗證 無線電通訊 http://www.colorado.edu/physics/2000/waves_particles/wavpart4.html Hertz
赫斯 (Hertz) 的實驗 Hertz 的實驗装置 Hertz 的實驗 "It's of no use whatsoever," he replied. "This is just an experiment that proves Maestro Maxwell was right - we just have these mysterious electromagnetic waves that we cannot see with the naked eye. But they are there." "So, what next?" asked one of his students. Hertz shrugged. He was a modest man, of no pretensions and, apparently, little ambition. "Nothing, I guess." http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/hertz.htm
熱輻射 Thermal radiation 5,800 K 6,000 o C 提升温度 3,000 o C 藍光紅光物體受熱 粒子動能增加 碰撞增加 斷加 / 減速電荷加速 放射電磁波 ( 光 ) 温度愈高 加速愈大 輻射愈高能量 愈光, 愈藍
你 (~ 30 o C) 亦在發光! 紅外線 (infrared) Photos courtesy NASA http://coolcosmos.ipac.caltech.edu//cosmic_classroom/ir_tutorial/what_is_ir.html
星雲的熱輻射 M42 M20 M57 嘩咁靚, 唔知邊個影嘅呢? 於香港中文大學拍攝 M8
太陽表面温度差異 平均 5,800 K 低温區 4,000 K 高温區 > 10 4 K 米粒組織 冷氣體下沉 熱氣體上升
2. 為甚麼星星發熱 ( 能量 )?
~ 一千四百萬度的核子熔爐, 太陽能量之源 光 ( 輻射 ) 把能量傳至星球表面 太陽
太陽 能量之源 地球主宰 27/2/03
原子核 Atomic nucleus 原子 + 核子 + - 質子中子 電子 如 : 氫原子 Hydrogen = 1 質子 proton + 1 電子 electron
核融合 (Nuclear Fusion) 兩原子核結合成新原子核, 合成的原子核質量比原來的兩粒為輕, 質量轉換成能量 (E = mc 2, c ~ 3x10 8 m/s) 例如太陽內部把四粒質子合成為氦 (Helium) 核子, 質量差約為 3% 質子質量 但原子核帶正電 互相排斥 repulsive 需高溫, 約束 (confinement) 每克物質 = 9x10 13 焦耳 (Joules)! ~ 二千萬公斤黃色炸藥
融合能源 清潔低輻射大量燃料安全 燃料 一兆瓦發電廠 煤 D-T 融合 廢料
怎樣知道恆星以核融合產生能 源的理論正確?
Prof. Hans Bethe
1. 實驗驗證核融合的可行 Tokamak 激光核融合 磁場核融合 2. 計算太陽核心核融合產生能量, 與觀測比較
3. 量度太陽核心核融合產生的中微子 (neutrinos) 數量, 與理論比較 Homestake mine 1970-1995 Raymnd Davis Jr. ν 100,000 gallon of cleaning chemical 37 37 e + Cl Ar + e - for pioneering contributions to astrophysics, in particular for the detection of cosmic neutrinos Photos from Brookhaven National Lab http://www.bnl.gov/bnlweb/raydavis/
Kamiokande 神岡宇宙素粒子研究中心 41.1m 地下一公里 Masatoshi Koshiba 39.3m 五萬噸純水 for pioneering contributions to astrophysics, in particular for the detection of cosmic neutrinos Drawing from Superkamiokande http://dumand.phys.washington.edu/~superk/
SuperKamiokande 光電管 純水 Photo from Superkamiokande http://dumand.phys.washington.edu/~superk
温度達三億度! 核能
3. 星星會否死亡? 大部份恆星核心極之穩定, 可維持幾十至幾百億年, 但表面可能很活躍
太陽大氣 太陽風暴
極光
太陽風暴 Taken in CUHK on 29/11/2003 24/10/2003 25/10/2003 27/10/2003 31/10/2003 06/11/2003 04/11/2003 23/10/2003 29/10/2003 01/11/2003 26/10/2003 30/10/2003 28/10/2003 Taken03/11/2003 02/11/2003 in CUHK on 25/11/2003 05/11/2003
太陽與地球氣候 太陽周期 (11 年 ) 地球氣候周期 陽光強度稍弱 (~3%) 地球冰封
質量大的恆星死亡前的狀況 既然恆星以核子反應產生能量, 當核燃料耗盡便死亡 恆星內部把輕原素融合成重原素, 到達鐵 (Iron) 時便不能再以融合產生能量 太陽壽命約一百億年, 已過了約四十五億年
怎樣知道恆星演化及死亡的理 論正確? 觀測其他衰老 / 已死亡的恆星
距離約 8000 光年, 質量約一百倍太陽 一百五十年前曾有大爆炸, 成為當時天空最光亮的恆星 L ~ 5x10 6 L o Eta Carina Photo courtesy HST
Ring Nebula Photo courtesy HST/NASA 指環星雲 Ring from CUHK
4. 為甚麼有星團 星系 星系團? 因為有萬有引力 (gravitational force) 以及有大量暗物質 (dark matter)
暗物質 只有重力作用, 沒有電磁作用 不能靠電磁波 ( 如光 ) 觀測
v 后髮座星系團 Coma Cluster R >1000 光亮星系, 密度最高之星系團 距離約二億八千萬光年 需有大量物質 (>> 可見物質 ) 才可維持星系團 Photo credit: O. Lopez-Cruz (INAOEP) et al., AURA, NOAO, NSF http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap020203.html
室女座星系團 Virgo Cluster M87 最近地球之星系團 ( 六千萬光年 ) 超過二千個星系 銀河系以每秒幾百公里速度被吸去 5 o 視角 Photo credit: Digitized Sky Survey, Palomar Observatory, STScI
暗物質的發現 證據二 : 星系自轉速度分佈 (galactic rotation curve) 若果沒有暗物質, 星系會飛散 r v (r) Photo credit: NASA/ STScI
暗物質的發現證據三 : 星系團熱氣體 普遍有大量熱氣體包圍星系團, 溫度達一億度, 放射 X 光, 氣體總質量 > 恆星 Visible light Radio 例 : 3C295 X-ray 2M l.y.s http://chandra.nasa.gov/ Photo Courtesy NASA 熱氣體質量約九倍恆星質量 Photo credit: NASA
后髮座星系團 Coma Cluster X- 射線影像 氣體溫度約一億度 需有大量暗物質提供足夠引力 Photo credit: Chandra X-ray Observatory http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap020203.html 一百五十萬光年 http://chandra.harvard.e du/photo/2002/0150/
暗物質的發現 若沒有暗物質 : 包圍星系團的熱氣體會散失 不會形成星系團 星系亦不能凝聚 必須有大量暗物質才能由均勻演化出大小結構! 仍要有暗物質的直接證據
暗物質的直接證據 光線扭曲 重力分佈 質量分佈 以重力透鏡效應 ( 質量 / 橙色顯示質量 Picture by Tyson et al. 重力扭曲光線 ) 觀測 Abell 2218
- 由兩個星系團碰撞而成 - 紅色部份為熱氣體 (X- 光望遠鏡拍攝 ) - 藍色是大部份質量所在 ( 重力透鏡效應觀測 ) - 暗物質沒有阻力 比熱氣體快暗物質的直接證據 星系團 1E 0657-556 ( 子彈星系團 ) Credit: X-ray: NASA/CXC/M.Markevitch et al. Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/galaxy/2006/39/image/a/
5. 為甚麼整個宇宙在發光 ( 微波背景 輻射 )?
宇宙微波背景輻射 (Cosmic Microwave Background)? 觀測 宇宙膨脹已維持了起碼幾十億年 既然宇宙膨脹了那麼多, 早期密度及温度必然很高 熱輻射 (Gamow 1948) 大爆炸理論 (Big Bang) http://map.gsfc.nasa.gov/m_uni.html
自由光波波長隨宇宙膨脹而增加 宇宙從 t ~ 400,000 年至今膨脹了約一千倍 : 紅光 微波 為甚麼 為甚麼是微波? a(t) λ 6 10 m 從而得知宇宙年齡為 137 億年! λ 1 mm
t ~ 400,000 年 : 宇宙由不透明變為透明 宇宙早期温度密度高, 不透明 宇宙膨脹 温度密度下降 物質成為氣態 透明 t ~ 400,000 年 t 宇宙膨脹 温度密度下降 物質 ( 氣態 ) 愈來愈稀疏, 輻射微弱 t > 400,000 年
原始火球餘光 黑暗時代 宇宙簡史 膨脹加速 暴脹 量子波動 第一代星 Figure courtesy NASA/WMAP 大爆炸膨脹
宇宙微波背景輻射的觀測 : 1. 證明宇宙曾經温度密度很高 2. 證明宇宙膨脹了約一百四十億年 3. 支持大爆炸理論 (Big Bang Theory) 4. 帶有宇宙早期物理狀態的資料 研究一百四十億年前的宇宙! 宇宙學新紀元!
Nobel Prize in Physics 2006 "for their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation" John C. Mather George F. Smoot COBE http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/ http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/index.html
天問 宇宙深處 : 時空遊 為甚麼星星發光? 為甚麼星星發熱? 星星會否死亡 ( 停止發光發熱 )? 為甚麼有星團 星系 星系團? 為甚麼整個宇宙在發光 ( 微波背景輻射 )?
希望大家學到甚麼? 宇宙大結構的基本認知 恆星物理入門 物理學家問些甚麼問題 物理探究的方法及過程 好奇心的重要性
天問 Mysteries of the Cosmos 朱明中香港中文大學物理系 mcchu@phy.cuhk.edu.hk http://www.phy.cuhk.edu.hk/gee/mctalks/mctalks.html