2.1 人與宇宙的連結 天文學 2 2.2 仰望穹蒼 解讀天象 2.3 認識星空與星空的規律變化宇宙中的地球 2.4 宇宙的本質與宇宙中的地球
2.1 人與宇宙的連結 天文學 2.1.1 天文學的誕生 2.1.2 天文學的進展
2.1.1 天文學的誕生 宇宙是什麼? 古代中國哲人提出 上下四方曰宇, 往古來今曰宙 天文學研究的宇宙不只是時空, 還有存在於時空中的物質與能量
西方天文學如何誕生? 有系統的星空觀測可推溯到古希臘時期 西元前一百多年的依巴谷 (Hipparchus) 將恆星依亮度分為六個等級 西元 2 世紀托勒密 (Ptolemy) 建立地心說的世界模型, 解釋了天體運行的現象, 也主導了之後一千多年的宇宙觀
16 世紀哥白尼提出日心說模型取代地心說 17 世紀初伽利略 (Galileo Galilei) 利用望遠鏡發現木星四顆衛星, 藉由衛星繞著木星運行的現象, 打破了當時認為地球是眾星圍而拱之的迷思 圖片來源 : 康熹編輯部
克卜勒 (Johannes Kepler, 1571 1630) 利用天文學家第谷 (TychoBrahe1546 1601) 留下的大量觀測數據, 推論出太陽系內主要星體的運動規則 ; 而這些星體的運動規則其實都受到約百年之後牛頓 (Isaac Newton,1642 1727) 發現的萬有引力所規範
2.1.2 天文學的進展 18 世紀起望遠鏡開始成為天文觀測上不可或缺的工具 例如威廉. 赫歇爾就曾建造出當時世界上最大的望遠鏡 圖 2.3 1970 年英國郵政為紀念皇家天文學會成立 150 週年所發行的郵票, 其創辦人威廉. 赫歇爾手中還拿著顯示天王星及其兩顆衛星的圖示
哈柏 (Edwin Powell Hubble,1889 1953) 得以研究銀河系外的星系, 除了將星系依形態分類, 也發現了宇宙的膨脹 螺旋星系 橢圓星系 哈柏序列的音叉圖 圖片來源 http://zh.wikipedia.org/zhtw/%e6%98%9f%e7%b3%bb%e5%88%86%e9%a1%9e 棒旋星系
19 世紀末無線電波的發現及二次大戰時雷達的發明, 帶動了電波天文學的發展 全世界口徑最大的無線電望遠鏡, 直徑 300 公尺, 位於波多黎各的阿瑞西伯 (Arecibo) 山谷 圖片來源 :google earth
中美合作的 宇宙微波背景輻射陣列 (AMiBA), 由我國主導研製的活動平台式毫米波望遠鏡, 命名為 李遠哲陣列 圖片來源 :http://www.phy.bris.ac.uk/groups/astrophysics/gifs/amiba_x3.jpg
20 世紀中葉之後, 天文學家的眼光放寬到非肉眼可見的宇宙, 在人造衛星升空後, 陸續將望遠鏡或觀測儀器放到大氣層之外 課本圖 2.5 在大氣層外的哈柏太空望遠鏡
2.2 仰望穹蒼 解讀天象 2.2.1 天文學的第一步 : 觀測 可見與看不見的宇宙 2.2.2 隱藏在星光中的奧秘
2.2.1 天文學的第一步 : 觀測 可見與看不見的宇宙 我們真的看見了宇宙嗎?
電磁波接近地球時, 哪些波段可以穿透大氣層? 只有可見光 少許的紅外線及某些波段的無線電波可以透過, 對生物有害的 X 射線 紫外線等無法通過 課本圖 2.4
天體發出的光 ( 即電磁波 ) 從波長最短的伽瑪射線到電波波段都有可能, 而可見光只占整個電磁波的頻率範圍中的一小部分, 怎麼辦? 需透過不同觀測波長的望遠鏡來協助我們觀測看不見的宇宙 由於大氣窗的限制, 不少望遠鏡需藉由氣球 火箭 飛機和人造衛星送達高空或太空來進行觀測
2.2.2 隱藏在星光中的奧祕 天體的亮度 視星等與絕對星等 18 世紀起望遠鏡開始成為天文觀測上不可或缺的工具 例如威廉. 赫歇爾就曾建造出當時世界上最大的望遠鏡
赫歇爾所製造的最大望遠鏡, 鏡面口徑為 1.2 米 該望遠鏡非常笨重, 需要四個人來操作 圖片來源 :http://tw.myblog.yahoo.com/gogoanimalzoo-gogoanimalzoo/article?mid=538
2.2.2 隱藏在星光中的奧祕 天體的亮度 視星等與絕對星等 視星等 : 天體對地球的照度, 也就是看起來的明亮程度 越亮的星, 星等越大還是越小? 越亮的星, 星等越小, 如全天最亮的恆星 - 天狼星, 其星等為 -1.44 等 圖片來源 : 康熹編輯部
星球的亮度 視星等 ( 星等 ) 定義星等 : 每相差 5 等, 亮度差 100 倍 星等每相差 1 等, 亮度約相差 2.512 < 解 > 設每差一等相差 a 倍, 則 1 a 2 a 3 a 4 a (A) 相差 5 等共相差 5*a=100,a=20 倍 (B) 相差 5 等共相差 a*a*a*a*a=a 5 =100 a=2.512 5 a 6 倍 錯誤! 正確!
星球的亮度 視星等 ( 星等 ) 公式 :a 等星的亮度約為 b 等星的 (2.5) b-a 倍 例 :1 等星的亮度約為 6 等星的 (2.5) 6-1 倍 -2 等星的亮度約為 4 等星的 (2.5) 4-(-2) 倍
星本身真的較亮嗎? 想一想 : 看起來較亮的 圖 2.6 具有不同指標性的天體星等以及大致而言, 各種望遠鏡所能觀測到的最暗星等 ( 注意 : 數字愈小代表愈亮 )
( 光度 ) 絕對星等 v.s. 視星等 ( 亮度 ) 視星等除了與星球本身的發光強度 ( 光度 ) 成正比 也與距離的平方成反比 圖片來源 : 康熹編輯部
絕對星等 v.s. 視星等 將星星放在距離地球 32.6 光年 (10 秒差距 ) 處測得的視星等 ( 明亮程度 ) 稱為絕對星等 A B C A B C 視星等 -26.7 0.0 1.3 絕對 A B C 星等 4.8 0.45-7.15 太陽織女星天津四 26.5 光年 1600 光年 A. 太陽 B. 織女星 C. 天津四 32.6 光年圖片來源 : 康熹編輯部
星星的指紋 光譜與顏色 為何星星有不一樣的顏色? 圖片來源 : 康熹編輯部 課本圖 2-18
恆星的顏色各有不同, 主要是因為它們表面溫度高低不同所造成的 圖片來源 : 康熹編輯部 鐵棒的顏色隨著溫度變化圖
恆星的顏色和表面溫度 表面溫度越高越偏藍色, 表面溫度越低越偏紅色 圖片來源 : 康熹編輯部 恆星的顏色所對應的溫度
圖 2.7 太陽表面約 5800K 的高熱氣體輻射出不同波長的光, 其強度分布如圖中黑線所示 紅色的星星只發出紅色的光? 偏藍 偏黃 偏紅 恆星主要由高熱的氣體所組成, 溫度愈高時, 釋放出愈多具高能 ( 或短波長 ) 的光子, 因此光子的能量分布的峰值便朝短波長靠近! 各種顏色都有!
2.3 認識星空與星空的規律變化 2.3.1 天體在夜幕上的位置 2.3.2 天象的模型 星空的週期變化
2.3.1 天體在夜幕上的位置 古代各民族觀測天象時, 便注意到除了五大行星外, 恆星就像是鑲在天空布幕上的寶石, 彼此的相對位置不會改變 自古以來不同民族為了辨識天體 找尋星星和記憶上的方便, 發揮想像力將天上群星劃分出許多區域並賦予名稱, 於是 星座 就這麼形成了 圖片來源 :http://www.tas.idv.tw/ 馬頭星雲 Astro-Physic's Starfire 130 EDT F/8 refractor, F/6, Composite of two 45 minute exposures, Gashypersensitized Fujicolor Super HG 400, 07:36 UT and 08:26 UT, November 9, 1993, November 9, 1993 Photo:Jerry Lodriguss
西方星座 獵戶座 中國星座 參宿 參宿四 參宿 名稱之由來 圖 2.8 西方獵戶座與中國 參宿 參宿七
國際天文聯合會統一星座的名稱和範圍, 全天共分為 88 個星座 由於組成星座的亮星僅是位於同一天區 方向的相鄰恆星, 但彼此之間大多數並無物理上的關聯 ( 例如 : 彼此間的引力影響 ), 因此星座在天文研究中扮演的角色只是作為天空方向或天區的大略指標
中國的北斗七星與西洋的大熊座有何關聯? 北斗七星在中國屬於紫微垣, 在西方屬於大熊星座的一部分 圖片來源 : 康熹編輯部
--- 星座彼此互相關聯嗎? 北斗七星中的恆星有近有遠 本無關聯, 只是由地球看來恰巧投影成一個斗杓的形狀 圖片來源 : 康熹編輯部
為何會有黃道十二宮? 地球自轉又公轉 ---> 周年運動 下個月份是什麼座? 冬 秋 夏 這個月份是什麼座的? 春 四季位置? 課本圖 2.9
1. 你能指出地球自轉軸嗎? 2. 天球赤道與地球自轉軸的關係? 3. 請模擬出周日運動 4. 太陽如何繞地球? 地球自轉軸 參考 : 電子星座盤
5. 黃道與天球赤道的關聯? 6. 指出北半球四季的成因 7. 請模擬出 天球坐標系統 : 冬 春 ( 升交點 ) 秋 周年運動 23.5 夏
( 仰角 ) ( 方位角 ) 座標原點 ( 赤經 0h, 赤緯 0 ) 課本圖 2.10
天球坐標系統 : 8. 請標出春分 夏至 秋分 冬至的座標 冬 ( 赤經 18h, 赤緯 -23.5 ) ( 赤經 12h, 赤緯 0 ) 秋春 ( 赤經 0h, 赤緯 0 ) 夏 ( 赤經 6h, 赤緯 23.5 )
距離為何? 只能用角度描述! 天文學家將天體投影到天球上, 天球上兩天體間的距離 天體的大小, 乃至於天體移動的速度, 都用角度的概念來描述 課本圖 2.11
北極星真的不會轉嗎? 天北極就是地球自轉軸指的方向, 在這個方向, 選取附近的亮星作為 北極星 北天極附近的星稱為拱極星, 長時間的觀測或天文攝影, 可看出它們明顯地圍繞著極點做為期一日的運行 課本圖 2.12
周日運動 : 因地球自轉, 自轉軸朝向北極星, 所以星星看起來似乎繞著北極星轉 問題挑戰 : 你能指出照片中的方位嗎? 北極星 ( 二等星 ) 西圖片來源 http://www.tas.idv.tw/photo/cn.htm# 北北天日週運動 1998 年 9 月 20 日, 1 時 40 分, 露出 25 分, F5.6 35mm(F2) Nikon newfm2, Kodak E100VS(4 倍増感 ) 池停車場 Photo: 渡部剛 東 撮影地 / 乗鞍鶴
問題挑戰 : 你能看出星跡長度 弧度有何規律性? 離北極星越遠, 星跡長度越長, 但弧度都一樣 北極星 ( 二等星 )
問題挑戰 : 你能算出星星每小時轉動幾度? 360 度 /24 小時 =15 度 / 小時 北極星 ( 二等星 )
周日運動 : 因地球自轉, 自轉軸朝向北極星, (1) 所以星星看起來似乎繞著北極星轉北極星幾乎不動 (2) 其他星星東昇西落 (3) 每隔一小時, 星星繞北極星反時鐘 ( 向西 ) 旋轉 15 北極星 ( 二等星 )
90 度 問題挑戰 :A C 需多少小時? 90/15=6 小時
在不同地區北極星的仰角都一樣嗎? 參考 : 不同緯度的星空 課本圖 2.13 北極星的仰角 = 當地緯度! 參考 : 北極星的仰角
康熹編輯部 觀測者所在位置的緯度, 就是往北觀測北極星的仰角!
範圍內的星星不會掉入地平線
2.3.2 天象的模型 星空的週期變化 日出日落 月盈月虧, 以及四季交替都是大自然周而復始的變化, 為什麼會有這些規律的現象呢? 為何星星 月亮 太陽會東昇西落 ( 周日運動 )? 向西 ) 旋轉 15 地球本身的自轉 圖片來源 :http://www.tas.idv.tw/ 馬頭星雲 Astro-Physic's Starfire 130 EDT F/8 refractor, F/6, Composite of two 45 minute exposures, Gashypersensitized Fujicolor Super HG 400, 07:36 UT and 08:26 UT, November 9, 1993, November 9, 1993 Photo:Jerry Lodriguss
四季星空都一樣嗎? 為何會物換星移? 地球自轉又公轉 ---> 周年運動 圖片來源 : 康熹編輯部
月相的變化週期約為一個月, 是月球繞地球公轉以及兩者與太陽的相對位置改變所形成的, 地 月與太陽的相對位置不同, 使得在地球上看見月球受太陽照射的面積大小有一個月左右的週期變化 圖片來源 : 康熹編輯部
為何太陽升至最高點的仰角會隨著季節改變?地球自轉軸與公轉面的傾斜角, 造成太陽每日在天空中的軌跡也有周年的規律變化, 以及四季的變化 課本圖 2.15
直射赤道 黃赤道不平行造成? 直射赤道 課本圖 2.16 北回歸線觀測者所看到太陽投影在天空上的位置變化
第一天恆星出現的時間? 中午 12:00 第二天恆星出現的時間也是中午 12:00? 較早正午到正午, 地球自轉了 361 度 360 x 多轉 1 度 = 分? 365天 第一天 第二天 正午 正午 X X 1 / 天 15 度 =1 小時 =60 分 1 度 =4 分 課本圖 2.17 恆星信號每天提 早四分鐘出現!
周年運動的現象 北極星幾乎不動 星座每天會提早 4 分鐘出現, 因此隔天的星座會漸漸向西邊偏移 每隔一個月, 恆星提早 2 小時升起, 一年之後又在同一時間升起 同一時刻觀星, 每隔一個月恆星以北極星為中心, 反時鐘 ( 向西 ) 偏移 30
2.4 宇宙的本質與宇宙中的地球 2.4.1 宇宙的起源 2.4.2 宇宙的結構 2.4.3 來自地外影響地球環境的因素
2.4.1 宇宙的起源 在第一章中我們探討了地球的起源, 但在這之前, 地球所處的宇宙又是如何開始的?
宇宙中所有的物質與能量約於 137 億年前, 隨著空間的膨脹開始由一點向四面八方擴散 ( 稱做 大霹靂 ) 自由電子劇減, 輻射不再與物質發生交互作用, 而能向外傳遞, 這是偵測到宇宙中最古老的光 宇宙微波背景輻射 到了大霹靂發生的三分鐘後, 宇宙中含量最多的元素 : 氫與氦, 已製造出來了 又過了 38 萬年, 溫度低到足以讓電子開始與氫原子核結合 課本圖 2.18
當溫度降低到 3000K 以下, 宇宙充滿著肉眼所看不見的紅外線, 而進入了 宇宙的黑暗時期 直到約 3 億年後, 當宇宙中的第一批恆星誕生後, 才將光明 ( 可見光 ) 重新帶回宇宙 課本圖 2.18
在膨脹的宇宙中, 物質主要藉著重力的吸引, 而開始形成我們現在所看到形形色色的各類天體與宇宙結構 宇宙誕生時的高溫輻射, 隨著宇宙的膨脹, 溫度降低到 3K 左右 充滿各處的 3K 熱輻射, 被稱作 宇宙微波背景輻射 課本圖 2.18
2.4.2 宇宙的結構 在人類社會中, 常見到有因志同道合等原因而結黨成群的現象, 宇宙中的天體也有類似的成團現象
2.4 宇宙的結構 你能就下列結構舉例嗎? 本超星系團 星系團 本星系群 本銀河系 離開請按 : 星團 恆星 獵戶星雲 太陽系 地球 月球 冥王星
除了太陽及衛星,2006 年國際天文聯合會所定義的三大類太陽系內天體 質量夠大! 主要集中在火星 木星間的小行星帶, 柯伊伯帶 歐特雲 太陽系小天體 繞著太陽運行 球形外型 乾淨的運行軌道 表 2.2
小行星 圖片來源 http://www.gcsanbi.com/a/zui/tianwen/20091111/17418.html
矮行星 目前已知的矮行星包括小行星帶中的穀神星, 柯伊伯帶上的冥王星及更外面的鬩神星 (Eris, 比冥王星大 ) 2009 年, 又發現了兩顆較大型的柯伊伯帶天體, 此時便自動歸類為太陽系矮行星 : 鳥神星及妊神星
太陽系 康熹編輯部
獵戶座大星雲 M 42 所在 體聚集之處, 也是恆星誕生的 星雲 ( 分 子雲 ) 是 星際塵埃與氣 甘經和
獵戶座星雲 (a): 透過哈柏望遠鏡, 天文學家發現裡面有許多新誕生的恆星, 周圍環繞著盤狀的灰塵雲氣 ( 如 4 個小圖所示 ) 這些盤狀雲氣, 可能等同於早期太陽系的太陽星雲 (b) 課本圖 2.19
馬座 ω 星 團 ) 球狀 星團 ( 半人 疏散星團 ( 英仙座 h-χ 雙星團 ) 甘經和 星團是由許多恆星所組成的集團, 各成員受到彼此之間重力的約束 甘經和
形形色色的星系 本銀河系 仙女座大星系 M31 康熹編輯部 http://www.nasa.gov/
D. Marlin, AAO 小麥哲倫星系 大麥哲倫星系 D. Marlin, AAO
什麼是星系? 星系是由恆星 星團 星雲及星際介質等所組成的大集團, 有大有小, 平均約有數百億顆恆星, 是構成宇宙的基本單位, 太陽系所屬的星系稱銀河系 為 康熹編輯部
本銀河系的結構 本銀河系是一個 漩渦狀星系, 組成的恆星在 一千億顆以上 銀河系直徑大約 十萬光年, 太陽位於其中一個旋臂上, 距離銀河系中心約 28000 光年 康熹編輯部
本銀河系的結構 銀河系大致可分為銀河盤面 ( 銀盤 ) 中央核球 ( 銀核 ) 銀暈三部分 銀河系的主要成員除了恆星之外, 還有星雲及星團 康熹編輯部 星系中心通常有一超大質量 ( 太陽質量的數百萬到數十億倍 ) 的黑洞
在銀河盤面上均可見到星雲 疏散星團 球狀星團, 猜猜看, 誰的位置可以分佈在盤面上下的球狀區域 ( 銀暈 ) 內? 甘經和 甘經和 甘經和
銀盤面上 : 星雲 疏散星團 球狀星團 銀暈 : 球狀星團 疏散星團的恆星數目較少, 範圍較小, 形狀不規則 ; 球狀星團則恆星數目較多, 範圍較大, 結構緊密成球形
本星系群 : 銀河系和四十多個鄰近星系所形成的集團, 直徑約三百萬光年 康熹編輯部
天龍座內的星系團 Abell 2218, 距地球 30 億光年 還有更多不會發光 ( 或者所發出的光是我們目前還測不到的 ) 的物質存在宇宙中, 稱之為暗物質 圖片來源 : http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/mirrors/apod/ap080210.html
本超星系團 康熹編輯部
宇宙 宇宙 課本圖 2-1
2.4.3 來自地外影響地球環境的因素 在宇宙中要有適當時空環境才能有孕育生命的機會, 太早誕生的恆星, 會缺乏重元素來形成類地行星, 星際空間中也無法有水以及組成生命的大分子 ( 如氨基酸 ) 具有液態水及生命的行星也必須與其太陽保持適當的距離, 才能獲得適量的能量來滋養萬物
對太陽演化的了解, 得知從過去的 35 億年到未來的 40 億年內, 我們所居住的地球是一個可供生命體適居的環境 但在這段太平的歲月中, 就沒有其他威脅了嗎? 及 仍潛伏著 : 包括撞擊的威脅 小天體 高能輻射 與粒子
太陽透過輻射傳遞適當的能量到地球, 但這其中包含了一些較高能量的光子, 如紫外線或更高能的光子, 對生物有害, 為何生物不滅亡? 地球大氣層阻隔了大部分的紫外線!
電磁波接近地球時, 哪些波段可以穿透大氣層? 被大氣擋住了! 只有可見光 少許的紅外線及某些波段的無線電波可以透過, 對生物有害的 X 射線 紫外線等無法通過 課本圖 2.4
太陽除了發出光和熱以外, 高能電子和質子持續地自太陽最外層的日冕脫離, 以平均每秒 450 公里的速度奔向地球, 稱之為太陽風 可怕的太陽風掃到地球時為何生物不會滅亡? 地球磁層可以擋住 99% 的太陽風, 使其無法直接進入地球表面, 是地球大氣最外面的保護層 磁層會被太陽風壓縮 圖片來源 : 康熹編輯部
帶電的高能粒子持續地自太陽最外層的日冕脫離而以平均每秒 450 公里的速度奔向地球, 稱為 太陽風 課本圖 2.20a
大多數高能粒子會被地球磁層所阻擋, 地球磁層因此變形, 少部分高能粒子沿著地磁的磁力線進入南 北磁極附近, 撞擊該區距地面 100 公里以上的大氣粒子 ( 氧 氮 ) 激發出某些特定波長譜線, 呈現出絢爛的 極光 現象 課本圖 2.20b
來自太陽的高能粒子撞擊氧 氮等大氣粒子造成出現在地球磁極附近的極光現象 課本圖 2.21
太陽有為期約 11 年的活動週期, 當較為活躍時, 太陽的黑子數增加, 高溫的日冕也有較劇烈的活動 圖片來源 :http://ircamera.as.arizona.edu/natsci102/natsci102/lectures/sun.htm
太陽閃焰及日冕拋射物發生的次數以及釋放的能量增加, 因而產生更多高能輻射與粒子, 嚴重時會影響到地球上的通訊 圖片來源 :http://www.noaa.gov/features/economic_0708/images/solarflare2.jpg
太空人面臨的危險!? 在星際間穿梭的高能粒子稱為宇宙射線, 會危害人體生命 宇宙射線主要來自太陽風, 少部分來自於銀河系內其他星體, 或銀河系外較活躍的星系 缺乏地球磁場保護的太空人便要注意到宇宙射線帶來的危害
天外訪客的降臨!? 小行星 : 直徑在 1 公里以上, 來自在火星 木星間的小行星帶 當海王星軌道外的小天體因互撞等因素而掉入太陽系內部, 靠近太陽時形成彗星 課本圖 2.22a
海爾波普彗星 圖片來源 : 王為豪
有些小天體便直接撞上太陽, 而有些脫軌的小天體則會與地球發生近距離接觸, 而撞擊地球 當這些天體在進入地球大氣後, 大多數會與大氣中的粒子摩擦而燃燒, 而大大減少了它們撞擊地球所造成的影響 課本圖 2.22
漫遊於地球附近的小天體 (a) 可能造成過去與未來地球上生命的大滅絕 地球上還可看見它們造訪後所遺留下的痕跡, 如兩萬年或更早以前小天體撞擊美國亞利桑納州所留下的隕石坑 (b), 以及發生於 20 世紀初在西伯利亞上空的大爆炸所造成的大量樹木傾倒 (c) 課本圖 2.22 天外訪客的降臨
誰在保護地球 - 連連看! 太陽風 宇宙射線 紫外線 X 射線 伽瑪射線 隕石撞擊 電離層磁層臭氧層大氣層
若將宇宙 137 億年的歷史壓縮成一年來看, 則在這 宇宙曆 中, 一小時約為 156 萬年, 而一秒鐘等同於 400 多年 大霹靂! 課本圖版三
課本圖版三
人類數千年的燦爛文明僅剛剛發生在除夕夜的最後幾秒鐘的瞬息之間 人類及地球的命運會走向何種結局? 課本圖版三
圖 2.23 太陽演化到末期將會形成如圖中哈柏望遠鏡所觀測到的行星狀星雲 課本圖 2.23
地球的命運還有另一種可能, 便是在次年的 6 月, 銀河系將與鄰近的仙女座星系撞擊 進而合併, 銀河系中心的超大質量黑洞可能又將活躍起來, 而將地球帶入一個難以預測的結局 課本圖 2.24