第3章 從地球看星空 第三章 0 從地球看星空 學習目標 3-1認識星空 3-1.1 星座 3-1.2 天球座標與星圖 3-2物換星移 知道星座的由來 知道天球的概念與使用星圖 知道星空具有規律性的變化 3-2.1 星體的運動 知道日照時間因季節變化 3-2.3太陽與星星的軌跡與日照時間 知道恆星看起來的亮度與其發光能 3-3 星星的亮度與顏色 3-4 天文望遠鏡裡的大千世界 3-4.1 星系 力及距離有關 知道恆星的顏色與其表面溫度有關 知道浩瀚的宇宙中 除了太陽系之 3-4.2 星團與星雲 3-4.3 億億萬萬個世界 外 還有星雲 星團 星系等 知道哈伯望遠鏡觀測到更多的星系 朝天球赤道方向拍攝的星跡 不是流星雨
1 第三章 從地球看星空 你是否曾經在滿天星斗之下 對天地的廣闊與美麗產生感動及好奇 天文學家們為了滿足人類最初的好奇心 嘗試去解讀星星 月亮 太陽看似 規律的運行 並利用各種望遠鏡 觀察並推論這些天體 天象的種類與成因 甚 至於尋找外太空文明 經過幾千年來的觀測與記錄 天文學已逐漸從哲學思想走 入了科學研究的領域 讓人類的智慧擴展到全宇宙 銀河中心附近 由許多恆星 星團 星雲 塵埃 黑暗物質等所組成
3 2 3-1 3-1 3-1.1 89 306 1930International Astronomical UnionIAU88 88 3-1.2 3-1
3 +90900 024 115 3.1 3-1 3-2
第3章 從地球看星空 4 圖3-1 天球 天球座標系 黃道 與黃道十二宮示意圖 圖3-2 在阿里山所拍到的北極方向的星跡 最接近圓 圖3-3台北都 市中的天 蠍座 都市 夜間因為 光 心的就是北極星 其他星星像是在繞北極星旋轉 其實 害 肉眼雖然看得到天蠍座 但看不到銀河 天蠍 是地球在自轉 在台灣看不到南極附近的星座 座是在南邊的方向 星座之連線係人為劃上的 百寶箱3-3 百寶箱3-4 地 球自 轉 軸 的 變 動 地球的自轉軸傾角若發生改變 則地球上所看到 星星的位置 亦會隨之發生變化 已知地球自轉軸會 有些短週期的小幅變化以及長週期的大幅變化 因月 球的攝動以及地球非正圓球形所造成的轉軸變化幅度 很小 約一百年不到百分之一度 大幅變化源於地球 的自轉軸每兩萬六千多年會像個超大型的陀螺 慢慢 地繞著公轉軸畫圈圈 此種運動方式稱為進 動 進動 不僅會造成天球北極位置的改變 也會造成黃道十二 宮的日期與三 四千年前古巴比倫時代的日期不同 而是往前移了一個星座 此種現象又稱為歲 差 認 識星 圖 與 四 季 星空 在88個星座中 黃道十二宮所 對應的十二個星座 是最為一般大 眾所熟悉的星座 這88個星座都可 以在北天球星圖與南天球星圖 圖 3-4 上找得到 要認識星空 建議 不妨由北天球星圖上所標示的幾個 特殊星座入門 例如 要找到北極 星 的話 春 天常 用 北 斗 七星 來 尋 找 秋 天 常 用的 則 是 Ｗ 形的 仙 后 座 牧夫座 室女座 獅子座的主 要亮星 形成春天裡很容易分辨的 春 三角 中國神話中的牛郎星 織 女星 與天鵝座尾部的天津四 一 起組成有名的夏 三角 夏天南邊可 看到天蠍座 圖3-3 秋季 四 邊 形 是由飛馬座的肚子所構成 冬天的 獵戶座腰帶上有三顆星排成一列 非常好認 還有明亮的天狼星所在 的大犬座 並排而立的雙子座 一 串 葡萄 鑽 飾 般的 昴 宿 星 團七 姊 妹 等 也都是秋冬星空中肉眼可見的 主要星星
5 地球自轉軸進動示意圖 圖3-4 北天球星圖與南天球星圖
3 6 3-5 3-2 3-2.1 24 1 151 360/365 302 3-2.2
7 這些同心圓軌跡皆平行於天球赤道 並以天球北 極或天球南極為共同圓心 圖3-5 對北半球的 觀測者而言 同心圓軌跡在天球北極到地平線之間 的星星 都都不會落入地平面之下 因為天球北極 與北方地平線的夾角 仰角 與觀測地點的地理 緯度相同 所以緯度愈高 不落入地平面之下的星 星也越多 若不考慮大氣的折射效應 日照時間的長短可 由太陽停留在地平線上方的時間來決定 因此台灣 夏天的日照時間比冬天長 台灣與加拿大相比 台 灣冬天的日照時間比加拿大長 但夏天的日照時間 卻比加拿大短很多 在赤道地區 日照時間全年皆 為12小時 在北緯66.5度以上的北極圈內 夏至時 百寶箱3-6 追 蹤天 體 在晴朗的夜空 對著星空長期 曝光所拍攝的天文照片 可以記錄 下 不同 方 位 的星 星 移 動 軌跡 圖 3-2 這些星跡是地球自轉所造成 的星星的周日 運 動 使用天文望遠 鏡鎖定一個天體做長時間的觀察時 如觀看星星或做太陽黑子記 錄 地球自轉的效應會導致目標持 續的移位 造成觀測上的不便 在 天文望遠鏡上加裝赤 道 儀 如下 圖 就可解決這個問題 赤道儀的 原理就是利用一個與地球自轉速率 相同但轉向相反的馬達 將轉軸對 準天球北極或南極 如此就可以自 動追蹤星星了 太陽終日都不會落入地平線之下 是為永晝 冬至 時太陽終日都不會出現在地平線之上 是為永夜 動動腦3-2 算算看在台灣地區 春分 夏至 秋分 冬至時 白天 日照 時間有多長 圖3-5 四個不同緯度地區所看到的星跡與太陽的軌跡 圖中深紅色區域表示在地平面之上 黃色張角涵蓋天球南北緯23.5度的範圍 即北回及南回歸線之間 比較地平面上 掃過北 緯23.5度的軌跡線與南緯23.5度的軌跡線 可知為何夏至日照時間長 冬至日照時間短
第3章 從地球看星空 8 3-3 星星的亮度與顏色 藉由長時間曝光的照片 圖3-6 我們可以看出星 星的顏色不大相同 每條星跡的粗細也不相同 天文學 家可以從星星的外觀顏色 進而推論星球表面溫度的高 低情形 表面溫度愈高 星星的顏色會愈偏藍色 最高 45,000oK 表面溫度愈低 星星的顏色會愈偏紅色 最 圖3-6 全天魚眼相機所拍 攝的星跡 低2,500oK 太陽的顏色為黃色 表面溫度約為6,000oK 天文照片中 較亮的星星比較容易讓底片感光 造 成比較大的星點或比較粗的星跡 星星的明暗與星星本 百寶箱3-7 身的發光能力以及星星與我們之間的距離有關 星星看 星 等與 亮 度 古人將夜晚所見最亮與 最暗的星星亮度分為六個等 級(1 至6等 6等為肉眼所能看 到最暗的星) 後來天文學家以 儀器測量 發現1等星比6等星 大約亮100倍 即每個星等間 0.2 的亮度差約2.512 100 倍 太陽的視星等為-26.8等 滿月 的視星等為-11等 除了太陽之 外 全天第一亮的恆星-天狼星 的視星等為-1.4等 但太陽系 內的行星由於距離地球較 近 有機會比天狼星還亮 起來之明暗程度 亮度 稱為視星等或星等 視星等 的數字愈小 表示星星亮度愈大 看起來愈亮 如果我 們要比較星星本身發光能力的強弱 光度 就必須將 星星置於與地球相距32.6光年之處 比較其明暗程度 稱 為絕對星等 絕對星等的數字愈小 表示星星本身的發 光能力愈強 絕對星等與星體發出的輻射能量有關 太 陽的視星等為-26.8等 而絕對星等為4.8等 一個穩定發光的恆星 質量愈大 表面溫度愈高 輻射能量也愈高 因此絕對星等值愈小 顏色愈偏藍 3-4 天文望遠鏡裡的大千世界 星空中 除了一顆顆閃亮的星星外 還有一些迷濛發 亮的區域 看起來很像是一團發亮的碎鑽或雲氣 比方 說 銀河是橫過星空最大一片迷濛發亮的區域 在乾爽 的的秋冬星空中 也可以在仙女座 圖3-7 金牛座 獵戶座附近看到一團團較小的迷濛發亮區域 我們都知 圖3-7 仙女座M31螺旋大星 系 距離我們230萬光年 M31 上方為M32星系 下方為M110 星系 這兩個矮橢圓星系都是 M31的衛星星系 道 在顯微鏡底下 一滴池塘的水所呈現出的景象 通 常是一個非常複雜的生物世界 同樣的 透過大型天文
9 3-8 3-4.1 3-8 1925 3-3-93-10 3-113-12 3-8 3-3 3-8
第3章 從地球看星空 10 百寶箱3-9 本 星系 的 小 檔 案 太陽所在的銀河系直徑約 10萬光年 圖3-8 中央核 球 直徑約2萬光年 銀河系中心 約在人馬座的方向 在直徑約 30億公里的範圍內 約土星公 轉軌道的大小 集中了一群 擁擠高溫的恆星 總質量約50 萬個太陽的質量 放出強烈的 無 線 電 波 及紅 外 線 正中心 可能有個大黑 洞 銀河盤面上 的恆星 星雲 星團都繞著銀 河中心打轉 愈靠中心公轉週 期越短 但是切線速率未必比 較快 這是因為銀河系的質量 不是完全集中於銀河中心 而 是分散於核球與盤面上之故 螺旋星系的外觀結構像是一個荷包蛋 圖3-8 中央的核球是一個恆星密集的區域 外圍的盤面是由明 亮的漩渦臂與高密度暗塵氣體所構成 星系盤面上 下方的空間稱為銀暈 銀暈中散布著稀疏點點的球狀 星團 各以不同的旋轉面繞著核球打轉 若兩個星系相 撞 圖3-9 可能會改變原來星系的結構 造成另一 個複雜的立體星系結構 棒旋星系 圖3-10 也有漩渦臂與高密度暗塵氣 體 但是核球結構比較複雜 成因仍是目前的研究課題 橢圓星系 圖3-11 只有中央的核球 沒有明亮的 漩渦臂 也缺乏吸光的高密度暗塵氣體 不規則星系沒有明顯核球結構 距離我們很近的 大 小麥哲倫雲星系 圖3-12 就屬於不規則星系 動動腦3-4 太陽離銀河中心3萬光年 以每秒約250公里的切線速率繞 著銀河中心打轉 算算看太陽繞 銀河中心公轉一圈約須多少 年 百寶箱3-10 常用 天文 距 離單 位 光速 每秒約30萬公里 1光年 光速在一年所走的距離 1AU 一 個 天 文 單 位 地球與 太陽的平均距離 若是以光速來 走 約需8分 鐘 1pc 一 個 秒差 距 以地球最長 的天文觀測底線 2AU 觀測視 差角達到兩角秒的天體距離 一 個秒差距約相當於3.26光 年 角 度 換 算 1度=6角分=3600角 秒 圖3-9 獵犬座M51螺旋星系與 其伴侶NGC5195星系 距離地 球約 2500光年 圖 3-11 室 女 座 橢 圓 星 系 M87 是室女座星系團中最大 的一個 距離我們約四千萬 光年 圖 3-10 天 爐 座 棒 漩 星 系 NGC 1365是個巨大的棒漩星系 距 離我們約六千萬光年 圖3-12大麥晢倫雲星系 泰半 位在劍魚座 是很靠近我們的 不規則星系 與我們的銀河系 同屬於本星系群
11 3-4.2 3-133-14 3-1 3-13 3-213-22 3-23 3-3-21 3-143-20 3-23-23 3-173-183-19 3-153-16
第3章 從地球看星空 12 圖 3-15 天 琴 座 M57 環狀星雲 這個行星 狀星雲是一顆正在邁 向死亡中的恆星噴發 出氣體的現象 藍色 的部份是氦氣 綠色 圖3-14金牛座疏散星團-的部份是離子化的氧 昴宿星團M45 俗稱 昴 氣 離中心最遠紅色 宿七姊妹 距離我們約 的部份是離子化的氮 410光年 氣 圖3-16 天龍座 NGC6543貓眼星 雲 這可能是一個雙 星系統的新星爆炸所 產生的行星狀雲氣 圖3-17 金牛座 M1蟹狀星雲 是 宋朝時期所觀測 到的超新星 晝可 見 爆炸的遺跡 圖3-18 天鵝座NGC 6992 面紗星雲 是超新星爆炸後 的遺跡 圖3-19 獵戶座旁的巴納德環 為超新星爆炸的遺跡 圖3-20 人馬座M20三裂星 雲 直徑50光年 距離地球 3000光年 圖3-21 獵戶座馬頭暗星雲 直徑約3光年 此暗影是因高 密度暗塵氣體遮住背景之紅 色發射星雲的光線而形成的 有趣圖案 圖3-22 獵戶座鳥狀星雲 M42 鳥身 與M43 鳥頭 中心 有恆星誕生的區域 圖3-23 天鵝座NGC 7000 北美洲星雲
13 3-4.4 億億萬萬個世界 西元1990年 聞名全球的美國哈伯太空望遠鏡發射 升空 是一具口徑2.4公尺的反射式望遠鏡 置於地球 低衛星軌道上(600公里高空) 由地面控制 由於哈伯 望遠鏡置於大氣層之外 可以提供比地面的望遠鏡高十 倍的攝影品質 達到0.1角秒解析度 提供了許多鮮艷 的太空天體照片 也提供許多前所未有的遙遠宇宙的天 體影像 圖3-24 擴大了人類對宇宙的視野 西元1929年 美國天文學家哈伯觀測發現 距離我 們愈遠的星系 遠離我們的速率愈快 且遠離速度與距 離成正比 證明了宇宙正在膨脹之中 哈伯太空望遠鏡 就是為了紀念哈伯這項重要發現而命名 目前天文學家 估計宇宙中的星系數量約有五百億個以上 比早期科學 家估計的多上五倍 而星系又有成團聚集的情形 通常 由一百個至上千個左右的星系構成星系團 數十個星系 團又集合成超星系團 宇宙究竟有多大 有多少超星系 團 有多少看不見的物質 有多少未知的能量 這些都 是目前科學家努力想要探究的迷團 圖3-24 哈伯望遠鏡所拍攝的北 天 深 空 影 像 (左圖)與南 天 深 空 影 像 (右圖) 影像中 星系或正面或側面向著我們 其中有些光譜顏色偏紅 正在遠離我們 這兩張深空影像皆 拍攝到距離約120億光年的星系 當時的宇宙還在襁褓之中 呢 百寶箱3-11 尋 找外 太 空 的 文 明 宇宙中的星體 星系除 了發出可見光之外 也發出 各種肉眼偵測不到的電磁 波 其中無線電波波長最 長 輻射源能量較低 有可 能來自外太空的文明 一向 為科學家或科幻電影用來尋 找 地 球 外 生 命 ET Extra-Terrestrial 或為未明飛 行 體 UFO Unidentified Flying Object 來源的工具 1980年 美國新墨西哥州設 立世界上最大的 孔徑合成 無線電望遠鏡 叫做 巨大 天線陣 見下圖 無線 電望遠鏡利用干涉原理 可 以分成許多小天線 並散開 很遠 以增加解析的能力 巨大天線陣 最大的觀測 能力為直徑36公里 所能達 到的最好的解析率是0.05角 秒 已觀測到許多強烈的無 線電波源 推論都是中子 星 黑洞等核心 但是 尚 未有證據指出外太空文明存 在
3 14 1. 8888 2. 0 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.
15 1-2 1-2 () () () 500 8.6 11 0.4-1.5 0.4 1. (A) (B) (C) (D) 2. (A) (B) (C) (D) 3. 40 4. (A) (B) (C) (D) 5. (A)0 0 (B)120 (C) 18+23.5 (D)18-23.5 6. (A) (B) (C) (D) (E) 7. (A) (B) (C) (D) (E) 8. (A) (B) (C) (D) 9. (A) (B) (C) (D) 10. (A) (B) (C) (D)