宇宙的本質

[阿暪]

看到最近沒甚麼新主題的,所以我把我兩年前上過的一個course 的 講義放上來,看看大家有沒有興趣:


http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/Edu...verse/framed_c/



↓簡潔版(內容一樣的)
http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/Edu...ar_c/index.html

這是關於宇宙,從太陽系到全宇宙.並不需要很多數學或物理知識,對於對宇宙有興趣的版友,應該會覺得不錯的.

(我讀這course時是用英文的,這是中文版本.)

(或許一些版友之前也見過)





香 港 大 學 物 理 系 提 供 數 個 天 文 學 入 門 課 程 ﹐ 課 程 名 稱 是 「 宇 宙 的 本 質 I 」 和 「 宇 宙 的 本 質 II 」 。 這 網 頁 是 課 程 的 講 義 ﹐ 並 由 香 港 太 空 館 翻 譯 成 中 文 。 讀 者 無 需 任 何 天 文 學 、 物 理 學 或 高 等 數 學 的 知 識 也 能 明 白 這 些 講 義 。

講 義 分 兩 部 分 ： 上 學 期 及 下 學 期 。 上 學 期 主 要 集 中 在 觀 測 天 文 學 和 我 們 的 太 陽 系 ﹐ 下 學 期 討 論 我 們 的 太 陽 ﹐ 恆 星 及 它 們 的 演 化 ﹐ 星 系 和 宇 宙 學 。



本篇文章已被 阿暪 於 Dec 9 2005, 15:43 編輯過

[阿暪]

其中一些比較有趣的章節:最好看看原頁,那裡有圖片:

http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/Edu...res/chap01.html

宇 宙 的 本 質
第 一 章

天 文 常 用 單 位
首 先 我 們 會 介 紹 一 些 天 文 學 家 使 用 的 「 最 」 基 本 量 度 單 位 。 長 度 的 單 位 是 米 、 時 間 則 用 年 或 秒 表 示 。 我 們 亦 會 介 紹 一 個 天 文 學 上 非 常 重 要 ， 但 日 常 生 活 很 少 接 觸 到 的 概 念 ─ 角 距 和 角 大 小 。
長 度
誰 說 大 小 不 重 要 ？ 不 少 天 體 的 體 積 非 常 龐 大 ， 超 出 我 們 日 常 生 活 經 驗 以 外 ， 單 看 那 些 數 字 ， 根 本 感 受 不 到 它 們 實 際 上 有 多 大 。 在 這 裡 ， 我 們 列 舉 了 一 些 典 型 天 體 的 大 小 距 離 ， 讓 你 比 較 一 下 。 你 會 發 現 ， 原 來 太 陽 和 地 球 在 比 例 上 的 大 小 差 距 ， 和 人 類 相 對 於 蜜 蜂 差 不 多 。
長 度 (米) 例 子
> 10^26 整 個 宇 宙
10^26 類 星 體 和 地 球 的 距 離 ( 著 名 類 星 體 3C273 . 鳴 謝︰ NOAO/NSF.)
10^24 星 系 團 ( 星 系 團 其 中 一 個 例 子 ﹐ 在 3C324 附 近. 鳴 謝︰ STScI.)
10^21 星 系 ( 典 型 星 系 M31. 鳴 謝︰ 美 國 太 空 總 署 (NASA).)
10^18 球 狀 星 團 ( 典 型 球 狀 星 團 M80. 鳴 謝︰ STScI.)
10^16 星 雲 ( 氣 體 塵 埃 團 ) ( 馬 頭 星 雲, © Anglo-Australian Observatory and Photograph by David Malin.), 光 年
10^13 太 陽 系
10^9 太 陽
10^7 地 球
10^6 萬 里 長 城 總 長
10^2 一 般 建 築 物 高 度
10^0 1 米 ( 長 度 基 本 單 位 ) ， 人 類
10^-2 錢 幣 、 蜜 蜂 、 昆 蟲
10^-4 頭 髮 直 徑
10^-5 紅 血 球
10^-6 細 菌
10^-7 病 毒
10^-8 大 分 子
10^-9 小 分 子
10^-10 原 子
10^-14 原 子 核 、 中 子 、 質 子


時 間
宇 宙 年 齡 有 多 大 ？ 和 人 類 的 年 歲 相 比 又 相 差 多 少 ？
時 間 事 件
1.5x1010 年 以 前 宇 宙 誕 生
1010 年 以 前 星 系 形 成
4.6x109 年 以 前 太 陽 系 形 成
3x109 年 以 前 單 細 胞 生 物 出 現
6x108 年 以 前 寒 武 紀 ( 出 現 複 雜 的 硬 體 動 物 )
0.65 - 2.5x108 年 以 前 恐 龍
3x106 年 以 前 早 期 人 猿 ( 哺 乳 類 動 物 化 石 )
3x105 年 以 前 智 人 ( 第 一 個 「 真 人 」 出 現 )
5x103 年 以 前 人 類 信 史 開 始
102 年 人 的 一 生
1 年 地 球 繞 太 陽 一 周
1 日 有 些 昆 蟲 的 一 生
1 小 時 電 視 片 集 的 長 度
10 秒 閱 讀 這 句 子 所 需 時 間
10-17 秒 光 橫 越 一 顆 原 子 所 需 時 間


角 距 和 角 大 小
物 件 離 我 們 越 近 ， 看 來 便 會 越 大 ； 當 物 體 和 我 們 的 距 離 減 半 ， 物 體 看 來 便 會 大 了 一 倍 。 在 天 文 學 上 ， 我 們 習 慣 上 會 用 角 距 來 表 示 兩 個 天 體 之 間 的 距 離 ， 而 天 體 的 大 小 則 用 角 大 小 、 視 直 徑 或 視 半 徑 ( 以 角 度 為 單 位 ) 表 示 。 假 設 遠 方 有 甲 乙 兩 點 ， 那 麼 甲 乙 之 間 的 角 距 便 是 它 們 和 觀 察 者 之 間 夾 角 的 角 度 。
一 個 全 圓 有 360 度 (°) ﹐ 一 度 有 60 角 分 (') 而 一 分 可 再 細 分 為 60 角 秒 ('') 。 從 地 球 看 來 ， 月 球 的 視 直 徑 ( 即 月 面 最 遠 兩 點 的 角 距 ) 約 為 0.5 度 。


1°= 60',1'= 60''
雖 然 每 個 人 的 手 臂 長 度 都 不 同 ， 但 由 於 手 臂 較 長 的 人 ， 手 掌 通 常 亦 較 大 ， 所 以 當 我 們 將 手 伸 直 ， 手 掌 看 來 的 大 小 會 差 不 多 。 換 句 話 說 ， 我 們 可 以 用 自 己 的 手 作 量 角 器 ， 量 度 天 體 的 大 小 或 距 離 。



將 手 伸 直 後 ， 拳 頭 的 角 大 小 約 為 10 度 ， 手 指 約 為 1 度 ， 若 把 手 掌 張 開 ， 由 拇 指 尖 至 小 指 尖 的 角 距 則 約 為 20 度 。 你 會 發 現 ， 月 亮 其 實 看 來 比 手 指 更 小 。

本篇文章已被 阿暪 於 Dec 9 2005, 15:37 編輯過

[阿暪]

宇 宙 的 本 質
第 二 章

天 體 運 動
在 這 一 章 內 ， 我 們 會 討 論 天 體 的 視 運 動 ， 明 白 為 甚 麼 太 陽 、 月 球 及 行 星 會 在 天 球 上 「 移 動 」 ， 但 恆 星 則 好 像 永 恆 不 變 。

恆 星 的 運 動
太 陽 每 天 東 升 西 落 ， 可 說 人 盡 皆 知 。 但 較 少 人 注 意 到 的 是 ， 原 來 差 不 多 所 有 天 體 ， 包 括 月 球 、 行 星 和 所 有 恆 星 ， 皆 同 樣 會 東 升 西 落 。 事 實 上 ， 天 體 當 然 不 會 真 的 每 天 巴 巴 繞 著 地 球 旋 轉 ， 這 個 假 像 其 實 是 由 於 地 球 自 轉 所 造 成 的 。
我 們 可 以 把 天 空 幻 想 成 一 個 稱 為 天 球 的 大 玻 璃 球 ， 而 所 有 天 體 包 括 太 陽 星 星 等 皆 鑲 嵌 在 天 球 上 ， 而 地 球 則 孤 懸 於 天 球 的 中 央 。 當 地 球 自 西 向 東 自 轉 ， 身 處 地 球 上 渺 小 的 人 類 ， 當 然 感 覺 不 到 地 球 的 運 動 ， 反 而 覺 得 整 個 天 球 皆 自 東 向 西 繞 著 地 球 旋 轉 ， 造 成 太 陽 及 其 他 天 體 每 天 東 升 西 落 的 錯 覺 。

在 圖 中 ， 你 會 發 覺 接 近 天 球 北 極 的 星 永 遠 不 會 下 山 ， 我 們 稱 這 些 星 為 拱 極 星 。 著 名 的 北 極 星 雖 然 只 是 眾 多 拱 極 星 中 的 一 顆 ， 但 由 於 它 非 常 接 近 天 球 北 極 ， 所 以 看 來 似 乎 永 遠 靜 止 不 動 。


北 極 星 相 對 於 地 面 的 位 置 取 決 於 觀 測 者 所 在 地 的 緯 度 ﹐ 例 如 在 香 港 ﹐ 北 極 星 會 在 正 北 ﹐ 離 地 面 22.4 度 。

同 樣 道 理 ， 有 些 星 永 遠 不 會 東 升 。 居 住 在 北 半 球 的 人 永 遠 看 不 到 接 近 南 天 極 的 星 ， 而 居 住 在 南 半 球 的 人 同 樣 也 看 不 到 接 近 北 天 極 的 星 。 可 惜 的 是 ， 天 球 南 極 附 近 沒 有 光 星 ， 所 以 沒 有 「 南 」 極 星 為 南 半 球 居 民 引 路 。


這 三 幅 模 擬 圖 例 顯 示 在 北 半 球 可 以 見 到 的 恆 星 運 動 ﹐ 第 一 幅 指 向 天 球 北 極 方 向 ( 你 會 發 現 其 實 北 極 星 並 不 是 完 全 固 定 不 動 的 ) ﹐ 第 二 及 第 三 幅 分 別 指 向 南 方 及 東 方 。




太 陽 的 運 動
在 天 球 上 ， 恆 星 的 相 對 位 置 是 固 定 不 變 的 ， 假 若 我 們 撇 除 由 於 地 球 自 轉 所 造 成 的 東 升 西 落 運 動 ， 恆 星 在 天 球 的 位 置 可 說 是 不 變 的 ( 註 ： 事 實 上 ， 恆 星 在 天 球 上 的 位 置 其 實 是 會 變 化 的 ， 我 們 稱 恆 星 在 天 球 上 的 運 動 為 自 行 ， 但 恆 星 的 移 動 非 常 非 常 緩 慢 ， 非 要 經 過 數 十 年 的 時 間 ， 再 加 上 精 確 的 量 度 ， 才 能 夠 偵 測 出 來 ) 。
雖 然 太 陽 亦 只 不 過 是 一 顆 普 通 的 恆 星 ， 但 由 於 地 球 的 公 轉 運 動 ， 太 陽 在 天 球 上 的 位 置 皆 時 時 刻 刻 自 西 向 東 移 動 ， 每 年 環 繞 天 球 一 周 。 太 陽 在 天 球 上 的 軌 跡 稱 為 黃 道 ， 在 黃 道 上 的 星 座 稱 為 黃 道 十 二 宮 。 ( 註 ： 其 實 現 在 的 黃 道 還 會 經 過 蛇 夫 座 ， 但 根 據 傳 統 的 習 慣 ， 我 們 通 常 不 會 將 它 列 入 黃 道 星 座 之 內 ) 。 黃 道 十 二 宮 源 自 古 老 的 占 星 術 ， 不 少 人 以 為 太 陽 周 年 運 動 時 ， 逗 留 在 每 一 宮 的 時 間 是 一 樣 的 ， 但 可 惜 這 個 「 常 識 」 是 錯 的 。



問 ： 甚 麼 是 一 天 ？
答 ： 我 們 通 常 以 為 太 陽 回 到 相 對 於 地 面 同 一 位 置 便 是 一 天 ， 例 如 由 中 午 至 另 一 個 中 午 。 用 這 種 方 法 定 義 的 一 天 稱 為 太 陽 日 ， 利 用 太 陽 投 影 位 置 量 度 時 間 的 日 晷 ， 便 是 根 據 這 個 定 義 運 作 的 計 時 儀 器 。 另 一 個 較 鮮 為 人 知 的 定 義 ， 便 是 以 星 星 返 回 天 空 同 一 位 置 為 一 天 ， 稱 為 恆 星 日 。 由 於 地 球 公 轉 的 關 係 ， 一 個 太 陽 日 比 一 個 恆 星 日 長 。 一 年 中 大 約 有 365 個 太 陽 日 ， 但 卻 有 366 個 恆 星 日 ， 你 知 道 原 因 嗎 ？



很 多 人 都 知 道 ， 較 準 確 的 說 法 是 一 年 有 365.2422 太 陽 日 。 為 了 避 免 長 久 累 積 這 0.2422 日 而 出 現 誤 差 ， 我 們 有 4 年 一 閏 的 解 決 辦 法 ， 普 通 年 是 365 日 ， 但 閏 年 則 有 366 日 ， 而 多 出 的 一 天 便 安 插 在 2 月 最 後 一 天 之 後 。 心 思 細 密 的 讀 者 會 注 意 到 ， 四 年 一 閏 即 每 年 平 均 有 365.25 日 ， 比 一 年 的 真 實 日 數 多 了 0.0078 日 ， 誤 差 雖 小 ， 但 數 百 年 累 積 下 來 便 不 得 了 ， 所 以 曆 法 規 定 ， 可 以 被 100 除 盡 的 年 份 不 置 閏 ( 例 如 1700 、 1800 、 1900 ) ， 但 可 以 被 400 除 盡 的 年 份 則 保 持 置 閏 ( 例 如 2000 、 2400 、 2800 ) ， 因 此 ， 每 400 年 便 少 了 3 個 閏 年 ， 即 平 均 一 年 少 0.0075 日 ， 每 年 誤 差 為 0.0003 日 ， 或 每 3000 年 誤 差 不 多 於 一 天 。 這 種 曆 法 稱 為 公 曆 或 格 里 哥 曆 。

月 球 的 視 運 動 和 太 陽 相 若 。 兩 個 滿 月 之 間 相 差 29.5 日 ， 稱 為 一 個 盈 虧 月 。 要 注 意 的 是 ， 中 國 人 使 用 的 農 曆 其 實 已 考 慮 了 太 陽 及 月 球 的 運 動 ， 所 以 正 確 來 說 是 陰 陽 合 曆 。

由 於 地 球 的 自 轉 軸 相 對 於 公 轉 軌 道 平 面 傾 斜 了 23.5 度 ， 再 加 上 地 球 的 繞 日 運 動 ， 所 以 太 陽 東 升 的 方 位 角 會 隨 日 子 改 變 。



地 球 有 赤 道 ， 天 球 上 亦 有 天 球 赤 道 。 天 球 赤 道 和 黃 道 的 交 角 是 23.5 度 ， 而 相 交 的 兩 點 分 別 稱 為 春 分 點 及 秋 分 點 。 此 外 ， 在 黃 道 上 距 離 春 分 和 秋 分 點 最 遠 處 則 稱 為 夏 至 和 冬 至 點 。 每 年 3 月 21 日 、 6 月 21 日 、 9 月 21 日 和 12 月 21 日 前 後 ， 太 陽 便 會 分 別 運 行 至 黃 道 上 的 春 分 點 、 夏 至 點 、 秋 分 點 和 冬 至 點 的 位 置 。 在 夏 至 日 ， 日 長 夜 短 ， 太 陽 會 直 射 北 半 球 ， 由 於 北 半 球 會 獲 得 較 多 的 陽 光 ， 所 以 天 氣 會 變 得 炎 熱 ， 南 半 球 的 天 氣 則 剛 好 相 反 ， 此 時 正 值 隆 冬 時 分 。

在 夏 至 日 ， 太 陽 東 升 的 位 置 ， 是 全 年 最 偏 北 的 ； 在 冬 至 日 時 ， 則 在 全 年 最 偏 南 之 處 升 起 ， 造 成 北 半 球 夏 天 日 長 夜 短 、 冬 天 日 短 夜 長 的 天 文 現 象 。






行 星 的 運 動
對 於 古 代 人 來 說 ， 行 星 是 會 在 天 球 上 四 處 闖 蕩 的 「 星 」 ， 現 在 我 們 知 道 ， 它 們 會 四 處 亂 闖 ， 是 由 於 它 們 和 地 球 一 樣 ， 皆 會 繞 日 公 轉 。 太 陽 系 有 九 大 行 星 ： 水 星 、 金 星 、 地 球 、 火 星 、 木 星 、 土 星 、 天 王 星 、 海 王 星 和 冥 王 星 。 除 了 九 大 行 星 外 ， 更 有 不 少 細 小 的 天 體 繞 著 太 陽 旋 轉 ， 包 括 小 行 星 、 週 期 彗 星 等 。
由 於 水 星 和 金 星 的 軌 道 在 地 球 軌 道 之 內 ， 所 以 稱 為 內 行 星 。 從 地 球 看 來 ， 它 們 和 太 陽 永 遠 形 影 不 離 ， 由 太 陽 東 面 走 到 太 陽 西 面 ， 再 回 到 東 面 。 由 於 它 們 和 太 陽 靠 得 很 近 ， 所 以 我 們 只 能 在 日 出 前 或 黃 昏 後 看 到 它 們 。 金 星 光 芒 萬 丈 ， 是 天 空 中 除 了 太 陽 及 月 亮 之 外 第 三 顆 最 光 亮 的 天 體 ， 在 日 出 前 出 現 的 金 星 ， 我 們 稱 為 晨 星 ， 這 個 階 段 約 維 持 一 百 天 ， 之 後 金 星 會 在 日 落 後 才 出 現 ， 這 時 便 稱 為 昏 星 。





其 他 行 星 ( 火 星 、 木 星 、 土 星 、 天 王 星 、 海 王 星 和 冥 王 星 ) 稱 為 外 行 星 。 由 於 它 們 亦 會 繞 日 公 轉 ， 所 以 在 天 球 上 的 運 動 ， 基 本 上 是 由 西 向 東 移 動 ﹐我 們 稱 之 為 順 行 。 但 由 於 地 球 的 公 轉 速 度 較 快 ， 所 以 它 們 有 時 被 地 球 「 趕 過 」 ， 這 時 在 地 球 看 來 ， 它 們 在 天 球 的 運 動 會 完 全 倒 轉 ， 變 成 自 東 向 西 ， 我 們 稱 之 為 逆 行 。 ( 內 行 星 也 有 順 行 和 逆 行 。 ) 通 常 ， 外 行 星 每 次 會 逆 行 數 星 期 至 數 月 不 等 ， 所 以 你 不 可 能 一 夜 間 看 到 外 行 星 順 行 、 逆 行 再 順 行 的 運 動 。

[阿暪]

宇 宙 的 本 質
第 四 章

天 文 簡 史
每 一 個 時 代 ， 真 理 常 與 謬 論 並 存 ， 只 有 時 間 才 能 篩 走 糟 粕 ， 釐 清 對 錯 。 回 首 歷 史 ， 「 真 知 」 當 然 重 要 ， 但 「 謬 論 」 卻 能 映 襯 出「 真 知 」 的 真 ， 讓 我 們 更 清 楚 了 解 它 們 對 在 哪 裡 。
早 期 天 文 學 的 發 展
每 個 民 族 都 有 一 套 解 釋 天 空 和 眾 星 的 理 論 和 神 話 。 對 古 代 的 中 國 人 來 說 ， 「 天 」 是 重 要 而 神 秘 的 。 所 以 ， 中 國 人 很 早 已 經 對 天 象 作 認 真 而 細 緻 的 觀 測 ， 更 留 下 了 大 量 詳 細 的 天 象 記 錄 。 可 惜 的 是 中 國 人 在 天 文 理 論 方 面 卻 十 分 粗 疏 ， 知 其 然 卻 從 不 深 究 其 所 以 然 。
早 在 公 元 前 600 年 ， 在 現 代 文 明 之 源 希 臘 ， 生 於 米 利 都 的 希 臘 哲 學 家 塔 利 斯 已 經 提 出 宇 宙 自 有 其 規 律 並 可 為 人 所 了 解 。 大 約 公 元 前 400 年 ， 帕 拉 圖 相 信 宇 宙 是 完 美 的 ， 而 正 圓 是 最 完 美 的 圖 形 ， 所 以 所 有 天 體 皆 應 以 正 圓 運 行 ， 而 地 球 則 處 於 宇 宙 的 中 心 ， 這 是 地 心 說 的 濫 觴 。

由 於 早 期 的 地 心 說 解 釋 不 了 行 星 逆 行 的 現 象 ， 所 以 在 公 元 140 年 ， 托 密 勒 提 出 他 的 改 良 版 地 心 說 ( 他 提 出 了 不 少 修 訂 ， 但 我 們 只 會 簡 述 他 的 學 說 ) 。



根 據 托 密 勒 的 宇 宙 觀 ， 行 星 皆 以 一 個 稱 為 均 輪 的 軌 跡 運 動 ， 而 均 輪 的 中 心 則 依 著 一 個 稱 為 本 輪 的 大 正 圓 繞 著 地 球 旋 轉 。 水 星 和 金 星 的 均 輪 中 心 ， 和 地 球 及 太 陽 中 心 永 遠 連 成 一 條 直 線 。 眾 星 則 依 附 在 一 個 最 外 層 的 大 天 球 上 。

這 個 理 論 所 預 測 的 行 星 位 置 ， 和 實 際 位 置 的 誤 差 在 數 度 之 內 。 當 時 的 人 對 此 已 心 滿 意 足 ， 結 果 托 密 勒 地 心 說 主 宰 了 西 方 世 界 約 一 千 五 百 年 。


哥 白 尼

鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA).
波 蘭 天 文 學 家 哥 白 尼 (1473-1543) 提 出 日 心 說 ， 認 為 太 陽 才 是 宇 宙 的 中 心 ， 而 地 球 只 不 過 是 圍 繞 太 陽 的 其 中 一 顆 行 星 ，自 此 人 類 喪 失 了 處 於 宇 宙 中 心 的 特 殊 地 位 。 這 個 理 論 簡 單 而 精 彩 ， 亦 成 功 解 釋 行 星 的 逆 行 現 象 。 可 惜 的 是 ， 日 心 說 預 測 天 體 運 動 的 準 確 性 和 地 心 說 只 是 不 相 伯 仲 ， 並 未 為 當 時 的 人 普 遍 接 受 。




伽 利 略

鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA).
兩 件 事 實 ：
望 遠 鏡 不 是 意 大 利 天 文 學 家 伽 利 略 (1564-1642) 發 明 的 ， 事 實 上 ， 望 遠 鏡 的 發 明 者 是 誰 仍 有 爭 論 。
伽 利 略 的 罪 名 是 「 研 究 科 學 」 ， 肯 定 的 是 他 並 沒 有 被 教 廷 活 活 燒 死 。
簡 單 來 說 ， 伽 利 略 和 梵 蒂 岡 的 衝 突 源 於 伽 利 略 以 觀 測 和 實 驗 來 尋 找 真 理 ， 但 僵 化 的 教 廷 卻 認 為 真 理 可 以 在 信 心 中 獲 得 。 宗 教 裁 判 所 最 後 作 出 判 決 ， 把 伽 利 略 終 生 監 禁 ， 伽 利 略 被 幽 禁 在 一 間 村 屋 之 中 ， 度 過 了 他 人 生 中 最 後 的 十 年 。

伽 利 略 是 日 心 說 的 忠 實 擁 護 者 ， 也 是 世 上 第 一 個 利 用 望 遠 鏡 窺 探 天 空 的 人 ， 這 是 人 類 首 次 在 天 文 上 利 用 儀 器 增 強 自 己 的 觀 測 能 力 。


伽 利 略 有 四 個 主 要 發 現 ：


月 球 上 有 山 脈 地 形 。
太 陽 黑 子 。
這 兩 個 發 現 證 明 天 空 並 不 是 完 美 的 。
繞 著 木 星 旋 轉 的 四 顆 衛 星 。 顯 示 宇 宙 有 其 他 的 「 中 心 」 ， 這 四 顆 衛 星 現 在 稱 為 伽 利 略 衛 星 。
金 星 亦 有 盈 虧 ， 證 明 它 必 定 是 環 繞 太 陽 運 行 ， 而 不 是 均 輪 的 中 心 。


開 普 勒

鳴 謝﹕ JPL / 美 國 太 空 總 署 (NASA).
16 世 紀 末 ， 丹 麥 天 文 學 家 第 谷 (1546-1601) 孜 孜 不 倦 ， 每 日 量 度 天 空 中 行 星 的 位 置 ， 累 積 了 大 量 的 天 文 數 據 。 這 使 得 他 的 助 手 兼 接 任 者 德 國 天 文 學 家 開 普 勒 發 現 了 著 名 的 開 普 勒 三 大 定 律 。

開 普 勒 第 一 定 律 ： 所 有 行 星 皆 以 橢 圓 形 軌 道 環 繞 太 陽 運 行 ， 而 太 陽 則 處 於 橢 圓 其 中 一 個 焦 點 之 上 。 繪 畫 橢 圓 形 其 中 一 個 方 法 是 固 定 一 條 繩 子 的 兩 端 ， 然 後 用 筆 把 繩 繃 緊 ， 在 繩 子 拘 束 之 下 ， 筆 所 繪 出 來 的 圖 形 便 是 一 個 橢 圓 ， 而 繩 子 兩 個 固 定 點 則 是 橢 圓 的 兩 個 焦 點。



開 普 勒 第 二 定 律 ： 假 若 在 行 星 和 太 陽 之 間 畫 一 條 直 線 ， 無 論 行 星 在 甚 麼 位 置 ， 在 同 等 時 間 之 下 ， 這 條 直 線 所 掃 過 的 面 積 皆 會 相 等 。 簡 言 之 ， 行 星 越 接 近 太 陽 ， 運 行 速 度 越 高 。



開 普 勒 第 三 定 律 ： 行 星 公 轉 周 期 的 平 方 和 其 與 太 陽 平 均 距 離 的 立 方 成 正 比 。


(公 轉 周 期)2 = (常 數) x (平 均 距 離)3
公 式 中 常 數 的 數 值 ， 對 所 有 行 星 以 至 一 切 環 繞 太 陽 運 動 的 人 造 或 天 然 物 體 皆 適 用 。 假 若 以 地 球 取 代 太 陽 ， 例 如 研 究 月 球 或 地 球 人 造 衛 星 時 ， 我 們 會 發 覺 上 式 的 常 數 會 有 所 變 更 。

牛 頓

鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA).
開 普 勒 只 是 從 數 據 中 發 現 了 這 些 關 係 ， 但 他 卻 其 實 並 不 了 解 其 背 後 的 原 因 。 英 國 物 理 學 家 牛 頓(1642-1727) 終 能 探 本 窮 源 ， 建 立 出 一 套 能 解 釋 這 些 關 係 的 物 理 理 論 。 牛 頓 偉 大 的 地 方 是 他 能 用 建 基 於 更 少 假 設 的 理 論 ， 自 然 推 導 出 開 普 勒 及 其 他 定 律 。
牛 頓 可 以 說 是 現 代 物 理 的 建 基 者 。 雖 然 蘋 果 掉 在 牛 頓 頭 上 ， 令 他 悟 出 萬 有 引 力 定 律 的 軼 事 ， 很 有 可 能 是 杜 撰 的 ， 但 無 論 如 何 ， 萬 有 引 力 定 律 無 疑 是 牛 頓 芸 芸 成 就 中 其 中 一 個 重 要 發 現 。

牛 頓 認 為 萬 物 皆 會 互 相 吸 引 ， 例 如 原 子 筆 掉 到 地 上 ， 便 是 由 於 原 子 筆 和 地 球 互 相 吸 引 。 假 若 兩 件 物 體 的 質 量 分 量 為 M1 及 M2 ， 而 它 們 之 間 的 距 離 為 r ， 那 麼 它 們 之 間 的 吸 引 力 F 為


F = G M1 M2 / r2
公 式 中 的 G 被 稱 為 引 力 常 數 ， 是 一 個 非 常 小 的 數 目 ， 所 以 當 物 體 的 質 量 很 小 的 時 候 ， 它 們 之 間 的 引 力 便 微 不 足 道 ， 我 們 看 不 到 日 常 的 物 件 會 互 相 吸 引 ， 例 如 兩 個 人 由 於 萬 有 引 力 而 互 相 碰 撞 ， 便 是 這 個 原 因。




現 在 ， 我 們 終 於 明 白 為 甚 麼 月 球 會 環 繞 地 球 運 行 。 如 果 地 球 不 存 在 ， 月 球 便 會 以 直 線 運 行 ， 飛 向 宇 宙 深 處 。 由 於 地 球 和 月 球 互 相 吸 引 ， 月 球 便 向 地 球 靠 攏 ， 月 球 不 斷 向 地 球 方 向 落 下 ， 而 落 下 的 距 離 剛 好 和 月 球 飛 離 地 球 的 距 離 抵 銷 ， 結 果 月 球 便 能 夠 以 接 近 圓 形 的 軌 道 繞 著 地 球 運 行 。 地 球 和 其 他 行 星 也 是 這 樣 不 斷 向 太 陽 落 下 ， 才 會 以 現 時 的 軌 道 繞 日 運 行。



牛 頓 的 引 力 定 律 亦 斷 言 ， 星 體 的 軌 跡 除 了 以 直 線 前 進 外 ， 也 會 是 四 種 圓 錐 截 線 ─ 圓 形 、 橢 圓 形 、 拋 物 線 或 雙 曲 線 ─ 中 其 中 一 種 。 我 們 稱 這 四 種 形 狀 為 圓 錐 截 線 ， 是 由 於 以 不 同 方 法 切 割 圓 錐 體 ， 便 可 以 得 到 這 些 形 狀 。 太 陽 系 大 部 分 成 員 以 橢 圓 形 繞 日 運 行 ， 但 有 些 彗 星 的 軌 道 則 為 拋 物 線 或 雙 曲 線 。




結 語
牛 頓 定 律 是 理 論 天 文 發 展 上 一 個 輝 煌 的 序 曲 ， 之 後 是 一 時 的 沉 寂 ， 直 至 他 的 出 現 ：


鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA).

被 譽 為 二 十 世 紀 最 偉 大 的 物 理 學 家 ─ 愛 恩 斯 坦 。 他 從 最 根 本 的 地 方 檢 視 了 牛 頓 理 論 ， 然 後 提 出 劃 時 代 的 廣 義 相 對 論 。 現 在 ， 我 們 相 信 廣 義 相 對 論 仍 不 是 終 極 真 理 。 科 學 發 展 的 規 律 一 向 如 是 ， 有 人 提 出 理 論 ， 假 若 它 和 實 驗 結 果 吻 合 ， 我 們 便 會 接 受 這 個 理 論 ， 但 當 日 後 出 現 更 佳 的 儀 器 ， 發 現 理 論 與 新 實 驗 結 果 有 所 偏 差 ， 這 個 理 論 便 須 要 再 度 修 正 ， 然 後 再 進 行 實 驗 ， 循 環 不 息 。

[阿暪]

宇 宙 的 本 質
第 十 一 章

太 陽
太 陽 位 於 太 陽 系 的 中 心 ， 它 亦 是 地 球 上 差 不 多 所 有 生 物 的 能 量 來 源 ， 難 怪 所 有 早 期 文 明 皆 會 以 不 同 的 方 式 膜 拜 太 陽 。 在 天 文 學 上 ， 太 陽 是 最 接 近 地 球 的 恆 星 ， 亦 是 唯 一 可 以 讓 人 類 詳 細 研 究 的 恆 星 。 雖 然 太 陽 對 人 類 來 說 十 分 重 要 ， 但 在 無 限 的 宇 宙 ， 太 陽 也 只 不 過 是 一 顆 不 起 眼 的 普 通 恆 星 。
原 子
在 我 們 詳 細 探 討 太 陽 之 前 ， 先 要 了 解 一 下 原 子 ﹐ 它 們 在 恆 星 的 能 量 產 生 和 演 化 中 都 很 重 要 。 一 顆 典 型 的 原 子 大 小 約 為 10-10 米 ， 包 括 中 心 的 原 子 核 和 圍 繞 核 心 運 行 的 電 子 ， 差 不 多 整 個 原 子 的 質 量 皆 集 中 在 大 小 約 為 10-14 米 的 原 子 核 上 ( 到 此 為 止 ， 原 子 就 好 像 一 個 小 型 太 陽 系 ) ， 原 子 核 由 質 子 和 中 子 組 成 ， 帶 正 電 質 子 的 數 目 ， 決 定 了 該 原 子 的 化 學 特 性 ， 例 如 它 會 否 和 其 他 原 子 結 合 成 分 子 等 。 沒 有 帶 電 的 中 子 則 在 化 學 反 應 上 不 會 扮 演 甚 麼 重 要 角 色 。 質 子 和 中 子 的 質 量 差 不 多 相 等 。
最 簡 單 的 原 子 為 氫 原 子 ， 它 的 核 心 只 有 一 顆 質 子 ， 化 學 上 記 為 1H 。 其 他 在 天 文 學 上 重 要 的 原 子 包 括 ： 核 心 由 一 顆 中 子 及 一顆 質 子 組 成 的 2H ( 上 標 的 數 字 2 是 質 子 和 中 子 的 數 目 總 和 ) 、 兩 顆 質 子 和 一 顆 中 子 組 成 的 3He ( 氦-3 ) 和 由 中 子 及 質 子 各 兩 顆 組 成 的 4He ( 氦-4 ﹐ 請 參 閱 上 圖 ) 。若 以 重 量 計 算 ﹐ 太 陽 中 七 成 是 氫 ﹐ 其 餘 主 要 是 4He 。 我 們 會 看 到 氫 是 太 陽 中 心 核 反 應 的 原 料 ﹐ 而 氦 則 是 核 反 應 的 產 物 ﹐ 但 應 注 意 太 陽 中 的 氦 大 部 分 不 是 由 太 陽 產 生 的 ﹐ 它 們 在 太 陽 誕 生 時 已 經 存 在 。


太 陽 的 外 部 結 構
太 陽 是 一 團 靠 自 身 重 力 束 縳 的 雲 團 ， 主 要 成 分 是 氫 。 太 陽 核 心 的 溫 度 及 壓 力 異 常 大 ， 足 以 產 生 核 聚 變 ， 釋 放 出 大 量 能 量 。 下 圖 顯 示 了 在 可 見 光 波 段 下 的 太 陽 ， 日 面 上 有 不 少 黑 子 。


鳴 謝﹕ NOAO/NSF.

太 陽 的 半 徑 大 約 有 700,000 公 里 ﹐ 是 地 球 的 110 倍 ， 質 量 則 大 約 有 2x1030 千 克 ﹐ 約 為 地 球 的 3.3x105 倍 。 當 我 們 望 向 太 陽 ， 看 到 是 太 陽 的 光 球 層 ， 這 是 太 陽 大 氣 中 非 常 薄 的 一 層 ， 厚 度 只 有 500 公 里 。 我 們 可 以 看 見 光 球 層 ， 原 因 是 它 的 氣 體 密 度 剛 剛 好 ， 在 它 之 下 的 氣 體 密 度 太 大 ， 光 線 不 能 通 過 ； 在 它 之 上 的 氣 體 則 足 夠 稀 薄 ， 能 讓 光 球 層 發 出 的 光 線 順 利 通 過 。 所 以 ， 光 球 層 界 定 了 肉 眼 可 見 的 太 陽 「 表 面 」 ， 它 的 溫 度 約 為 絕 對 溫 度 6000 度 。 絕 對 溫 度 是 科 學 界 最 通 用 的 溫 度 單 位 ， 只 要 將 它 減 去 273 ， 便 可 轉 化 為 攝 氏 度 ， 例 如 絕 對 溫 度 300 度 ， 相 等 於 攝 氏 27 度 。 絕 對 零 度 是 低 溫 的 極 限 ， 沒 有 任 何 物 體 可 以 更 冷 。



光 球 層 之 下 的 氣 體 溫 度 比 光 球 層 高 ， 就 好 像 沸 騰 的 水 ， 底 層 的 氣 體 會 向 上 升 ， 當 這 些 熾 熱 氣 體 把 能 量 釋 放 後 ， 便 會 變 冷 變 暗 ， 然 後 沉 降 回 光 球 層 之 下 ， 這 種 對 流 運 動 產 生 了 稱 為 米 粒 組 織 的 太 陽 表 面 特 徵 。 通 過 望 遠 鏡 ， 我 們 可 以 看 到 太 陽 表 面 上 有 很 多 比 較 暗 區 域 圍 繞 的 光 斑 ， 每 一 個 米 粒 約 能 維 持 二 十 分 鐘 ， 大 小 則 約 為 地 球 的 十 分 之 一 。





鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA).

在 光 球 層 之 上 ， 是 一 層 約 為 二 千 公 里 厚 的 色 球 層 。 它 的 溫 度 比 光 球 層 更 高 ， 很 多 時 為 105 度 。 有 趣 的 是 ， 它 相 對 來 說 比 光 球 層 暗 ， 所 以 通 常 只 能 在 日 全 食 時 才 能 看 見 它 。 色 球 層 並 不 是 渾 圓 的 ， 而 是 有 很 多 稱 為 針 狀 體 的 細 小 突 起 ， 這 些 都 可 以 在 下 圖 清 楚 看 到 。



鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA).

日 冕 是 太 陽 大 氣 的 最 外 層 ， 和 色 球 層 相 類 ， 亦 是 通 常 只 能 在 日 全 食 時 才 看 得 見 。 日 冕 密 度 非 常 低 ， 但 範 圍 可 延 伸 至 達 太 陽 半 徑 十 倍 之 遠 ， 溫 度 更 高 達 106 度 。 為 甚 麼 日 冕 和 色 球 層 的 溫 度 可 以 比 光 球 層 更 高 ， 仍 是 天 文 學 上 一 個 未 解 之 謎 。



鳴 謝﹕ 香 港 太 空 館 , 葉 賜 權 攝 影.

日 冕 亦 是 太 陽 風 的 源 頭 ， 太 陽 風 主 要 是 飛 離 太 陽 的 質 子 和 電 子 ， 當 太 陽 風 強 勁 的 時 候 ， 在 地 球 兩 極 有 可 能 看 見 極 光 。


太 陽 黑 子 及 其 他 太 陽 活 動
日 珥 ( 如 下 圖 所 示 ) 是 被 太 陽 磁 場 困 著 的 表 面 氣 體 爆 發 ， 很 多 時 可 以 噴 發 至 數 個 地 球 大 小 的 高 度 。 耀 斑 則 是 更 猛 烈 的 爆 發 ， 會 放 射 出 強 烈 的 X 射 線 、 紫 外 線 、 可 見 光 及 太 陽 風 。 日 珥 和 耀 斑 都 明 顯 地 和 太 陽 的 磁 場 有 關 ﹐ 但 形 成 的 詳 細 機 制 仍 有 待 進 一 步 研 究 。


鳴 謝﹕ NOAO/NSF.


版 權 所 有 Carnegie Institution of Washington.
太 陽 黑 子 是 太 陽 的 黑 暗 區 域 ， 溫 度 只 有 約 4000 度 ， 由 於 相 對 來 說 它 們 比 光 球 層 其 他 地 方 「 冷 」 ， 產 生 的 光 亦 較 少 ， 所 以 看 來 較 暗 。 它 們 的 大 小 足 以 和 地 球 匹 敵 ， 很 多 時 黑 子 是 整 群 出 現 的 。

黑 子 生 命 短 暫 ， 只 有 少 於 數 天 至 約 三 星 期 的 壽 命 。 太 陽 黑 子 的 多 寡 變 化 有 一 個 十 一 年 的 周 期 ， 在 周 期 之 始 ， 黑 子 基 本 上 出 現 在 緯 度 較 高 的 地 方 ( 即 離 太 陽 赤 道 較 遠 ) ， 接 著 太 陽 黑 子 數 目 會 不 斷 增 多 ， 並 且 會 向 赤 道 靠 攏 。 假 若 我 們 以 圖 顯 示 黑 子 位 置 與 時 間 的 關 係 ， 便 會 得 出 著 名 的 「 蝴 蝶 圖 」 。




鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA).

利 用 光 譜 分 析 ， 科 學 家 得 知 太 陽 黑 子 的 磁 場 相 當 強 ， 比 太 陽 平 均 磁 場 強 上 千 倍 。 黑 子 經 常 成 雙 成 對 出 現 ， 每 對 皆 由 極 性 相 反 的 黑 子 組 成 ， 若 一 個 為 磁 北 ， 另 一 個 必 為 磁 南 ， 由 此 我 們 估 計 每 對 黑 子 皆 由 磁 力 線 所 連 繫 ， 強 大 的 磁 場 牽 制 著 光 球 層 上 的 氣 體 ， 並 阻 止 了 下 層 較 熾 熱 的 氣 體 上 升 至 黑 子 範 圍 ， 結 果 黑 子 比 太 陽 表 面 其 他 地 方 溫 度 較 低 。 最 後 值 得 一 提 的 是 ， 黑 子 的 數 目 和 地 球 的 氣 候 有 微 妙 的 關 係 ， 研 究 顯 示 在 地 球 上 一 次 冰 河 期 時 ， 太 陽 黑 子 的 數 目 異 常 地 少 。





太 陽 的 內 部 結 構
在 探 討 太 陽 內 部 結 構 之 前 ， 有 一 個 關 於 太 陽 的 現 象 實 在 不 可 不 提 ， 原 來 太 陽 的 自 轉 速 度 在 不 同 地 方 是 不 同 的 ， 簡 單 來 說 ， 赤 道 附 近 轉 得 最 快 ， 愈 接 近 兩 極 則 轉 得 愈 慢 ， 我 們 稱 之 為 較 差 自 轉 。 我 們 相 信 太 陽 黑 子 和 不 少 太 陽 的 活 動 ， 皆 是 由 較 差 自 轉 所 造 成 的 。 對 此 有 興 趣 的 讀 者 可 參 考 課 本 的 討 論 。 ( 你 可 知 道 如 何 證 實 較 差 自 轉 ？ )


看 不 到 的 太 陽 內 部 可 以 分 為 三 個 部 分 ： 核 心 ( 熱 核 反 應 發 生 處 ) 、 輻 射 層 ( 能 量 以 輻 射 方 式 傳 播 的 區 域 ) 和 對 流 層 ( 能 量 以 對 流 方 式 傳 播 ) 。 我 們 將 會 逐 一 介 紹 它 們 。



能 量 產 生 的 機 制 ： 太 陽 靠 甚 麼 發 光 發 熱 ？ 這 個 問 題 一 直 以 來 引 起 無 數 人 的 好 奇 和 揣 測 。 有 人 提 出 太 陽 的 能 源 來 自 化 學 能 、 重 力 能 等 等 ， 由 於 這 些 能 源 皆 不 可 能 維 持 太 久 ， 終 被 科 學 界 一 一 否 定 。 真 正 的 答 案 是 一 種 稱 為 p-p 鏈 ( 或 質 子 ─ 質 子 鏈 ) 的 核 聚 變 ， 這 種 機 制 包 括 一 連 串 的 核 反 應 ( 有 興 趣 的 讀 者 可 參 考 課 本 較 詳 細 的 討 論 ) ， 但 總 結 果 是 四 顆 氫 原 子 熔 合 為 一 顆 氦 原 子 ， 過 程 中 會 以 發 放 伽 瑪 射 線 ( 光 子 ) 及 其 他 粒 子 的 形 式 釋 放 出 大 量 能 量 。 ( 註 ： 光 子 是 組 成 光 的 粒 子 。 p-p 鏈 產 生 的 其 中 一 種 粒 子 是 中 微 子 ﹐ 它 是 零 質 量 和 不 帶 電 ﹐ 我 們 會 在 第 十 六 章 再 詳 細 討 論 。 )


4 1H -> 4He + 光 子 + 其 他 粒 子
核 聚 變 要 在 非 常 極 端 的 環 境 下 才 能 發 生 ， 到 目 前 為 止 科 學 家 仍 無 法 在 地 球 的 實 驗 室 內 穩 定 地 製 造 出 所 需 情 況 。 首 先 核 聚 變 需 要 極 高 的 溫 度 ， 讓 氫 原 子 核 能 有 足 夠 的 能 量 克 服 原 子 核 之 間 的 電 排 斥 力 ， 此 外 亦 需 要 極 高 的 密 度 去 增 加 粒 子 碰 撞 的 機 會 ， 所 以 核 聚 變 只 能 在 溫 度 高 達 107 絕 對 溫 度 的 太 陽 核 心 內 發 生 。

能 量 傳 播 ： 光 子 在 太 陽 核 心 產 生 後 ， 如 何 走 到 太 陽 的 表 面 呢 ？ 光 子 走 了 不 足 一 厘 米 後 ， 便 會 被 其 他 物 質 ( 主 要 是 電 子 和 其 他 原 子 核 ) 吸 收 ， 這 些 物 質 會 把 吸 收 的 能 量 以 多 顆 光 子 的 形 式 釋 放 出 來 ， 這 些 隨 機 向 四 方 發 射 的 光 子 會 較 原 本 的 光 子 有 更 長 的 波 長 ， 亦 即 能 量 亦 較 低 。 這 種 能 量 傳 播 方 式 稱 為 輻 射 傳 播 ， 一 顆 在 核 心 內 產 生 的 光 子 ， 需 要 數 千 萬 年 才 能 以 數 千 顆 低 能 量 、主 要 是 可 見 光 的 光 子 的 形 式 到 達 太 陽 表 面 。

離 核 心 越 遠 ， 氣 體 溫 度 越 低 ﹐ 開 始 變 得 不 透 明 ﹐ 光 子 很 容 易 被 吸 收 ， 輻 射 傳 播 的 效 率 因 而 很 低 ， 因 此 在 太 陽 外 層 ， 對 流 取 代 了 輻 射 成 為 傳 播 能 量 至 太 陽 表 面 更 重 要 的 方 式 。

穩 定 性
在 一 顆 恆 星 形 成 初 期 ， 引 力 是 演 化 的 主 導 力 量 ， 令 恆 星 不 斷 收 縮 。 隨 著 恆 星 不 斷 收 縮 ， 核 心 氣 體 的 溫 度 及 密 度 亦 不 斷 上 升 ， 直 至 燃 點 起 熱 核 反 應 ， 所 產 生 的 能 量 會 造 成 兩 種 向 外 的 壓 力 ， 對 抗 向 內 的 萬 有 引 力 。 最 後 向 內 的 引 力 和 向 外 的 壓 力 會 達 致 平 衡 ， 讓 恆 星 可 以 長 時 間 保 持 穩 定 ( 由 數 百 萬 至 數 百 億 年 不 等 ) 。 無 庸 多 言 ， 就 是 因 為 太 陽 能 長 期 穩 定 地 發 出 光 和 熱 ， 地 球 上 的 生 物 才 能 生 生 不 息 ， 不 斷 茁 壯 成 長 。
第 一 種 向 外 壓 力 是 恆 星 物 質 所 造 成 的 氣 體 壓 力 ， 溫 度 越 高 、 物 質 越 多 ， 氣 體 壓 力 便 越 大 。 第 二 種 向 外 壓 力 是 光 子 所 造 成 的 輻 射 壓 力 ， 這 種 壓 力 亦 會 隨 溫 度 上 升 。

無 論 是 哪 一 種 壓 力 ， 力 量 都 源 自 太 陽 核 心 所 產 生 的 能 量 ， 一 旦 核 心 的 核 聚 變 停 止 ， 恆 星 便 會 開 始 塌 縮 。


太 陽 觀 測
注 意 ： 在 沒 有 適 當 減 光 設 備 的 情 況 下 直 接 觀 看 太 陽 ， 可 能 會 導 致 失 明 ！
有 兩 種 安 全 的 方 法 觀 測 太 陽 ：


投 影 法 ： 我 們 可 以 利 用 望 遠 鏡 把 太 陽 的 影 像 投 影 在 熒 幕 上 ， 然 後 觀 看 熒 幕 上 的 影 像 。
太 陽 濾 鏡 ： 另 一 個 方 法 是 在 望 遠 鏡 上 安 裝 特 別 設 計 的 太 陽 濾 鏡 ， 以 減 低 太 陽 的 光 度 。 一 般 來 說 ， 鏡 前 減 光 比 鏡 後 減 光 安 全 。
緊 記 ， 以 下 並 不 是 觀 測 太 陽 的 安 全 方 法 ：


以 肉 眼 直 接 觀 看 太 陽 ；
透 過 太 陽 眼 鏡 、 完 全 曝 光 底 片( 俗 稱 盲 片 ) 、 燻 黑 的 玻 璃 或 擺 放 在 目 鏡 上 的 小 型 太 陽 濾 鏡 觀 看 太 陽 ；
觀 看 太 陽 在 水 中 或 墨 水 中 的 倒 影 。
小 心 駛 得 萬 年 船 ， 只 要 你 不 肯 定 方 法 是 否 安 全 ， 就 絕 不 要 冒 險 嘗 試 ！


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本篇文章已被 阿暪 於 Dec 9 2005, 15:38 編輯過

[阿暪]

宇 宙 的 本 質
第 十 四 章

恆 星 的 誕 生
相 對 於 恆 星 的 一 生 ， 人 類 的 生 命 實 無 異 於 曇 花 一 現 。 要 以 有 涯 逐 無 涯 ， 人 類 唯 有 研 究 大 量 的 恆 星 ， 再 嘗 試 找 出 恆 星 的 演 化 過 程 ， 赫 ─ 羅 圖 便 是 最 重 要 的 研 究 工 具 。 簡 單 來 說 ， 赫 ─ 羅 圖 把 大 量 恆 星 的 絕 對 星 等 和 表 面 溫 度 ( 或 譜 型 ) 關 係 以 圖 表 方 式 顯 示 出 來 。 由 赫 ─ 羅 圖 推 導 ， 天 文 學 家 才 得 知 原 來 恆 星 一 生 90% 的 時 間 ， 都 在 主 序 階 段 渡 過 。

恆 星 的 誕 生
宇 宙 中 星 羅 棋 佈 著 由 氣 體 及 塵 埃 等 細 小 粒 子 所 組 成 的 星 際 雲 ， 假 若 這 些 星 際 物 質 可 以 看 得 到 ， 我 們 便 稱 之 為 星 雲 ， 下 圖 是 著 名 的 鷹 星 雲 ：


© Anglo-Australian Observatory and Photograph by David Malin.



鳴 謝﹕ STScI.

星 際 雲 可 以 極 度 龐 大 和 擁 有 極 大 質 量 ， 直 徑 可 達 一 千 光 年 ， 質 量 相 等 於 十 個 至 一 千 個 太 陽 質 量 ( 以 太 陽 的 質 量 為 比 較 標 準 ， 是 天 文 學 家 常 用 的 恆 星 質 量 單 位 ﹐ 大 約 等 於 2x1030 千 克 ) 不 等 。如 上 一 章 所 述 ， 這 些 星 際 雲 密 度 很 低 ， 成 分 主 要 是 氫 。

在 不 受 干 擾 的 情 況 下 ， 這 些 星 際 雲 可 以 千 載 不 變 。 但 是 ， 在 宇 宙 中 又 有 誰 可 獨 善 其 身 ？ 這 些 干 擾 可 以 來 自 星 系 碰 撞 、 處 身 星 系 所 產 生 的 密 度 波 、 超 新 星 爆 發 的 激 波 ， 甚 或 在 附 近 誕 生 的 恆 星 。





鳴 謝﹕ STScI.

星 際 雲 中 輕 微 的 密 度 變 化 ， 皆 會 引 致 星 雲 產 生 重 力 收 縮 ， 最 後 形 成 一 個 稱 為 原 恆 星 的 球 體 。 由 於 在 原 恆 星 的 核 心 尚 未 發 生 核 聚 變 ， 它 們 仍 不 能 稱 為 真 正 的 恆 星 。 相 等 於 十 至 二 十 個 太 陽 質 量 的 大 質 量 恆 星 ， 需 要 大 概 一 萬 年 才 能 收 縮 至 太 陽 系 般 大 小 ， 再 成 為 O 或 B 型 星 。 較 小 質 量 恆 星 會 成 為 金 牛 座 T 型 星 ， 這 類 星 最 後 會 演 化 為 G 、 K 或 M 型 恆 星 ， 金 牛 座 T 型 星 為 表 面 溫 度 低 而 非 常 年 青 的 恆 星 ， 四 周 被 星 雲 所 圍 繞 ， 所 以 這 種 星 顏 色 偏 紅 ， 較 容 易 在 紅 外 線 波 段 找 到 ( 一 個 普 遍 的 原 則 是 ， 如 果 活 動 越 激 烈 ， 則 所 放 出 的 光 波 波 長 越 短 ， 主 要 會 為 伽 瑪 或 X 射 線 ； 如 果 活 動 溫 和 ， 則 會 發 放 出 如 無 線 電 波 或 紅 外 線 等 長 波 長 電 磁 波 ) 。



原 恆 星 的 理 論 模 型 顯 示 它 們 會 有 吸 積 盤 和 噴 流 ， 這 些 噴 流 不 會 長 久 存 在 ， 只 維 持 約 十 萬 年 左 右 ， 假 若 氣 體 和 塵 埃 把 新 生 恆 星 完 全 覆 蓋 ， 我 們 便 看 不 到 中 心 的 恆 星 ， 而 只 能 看 到 噴 流 在 兩 邊 所 造 成 的 雲 團 。



鳴 謝﹕ STScI.

如 果 一 顆 原 恆 星 的 質 量 只 是 比 行 星 大 少 許 ， 它 的 中 心 便 不 能 產 生 熱 聚 變 ， 成 為 一 顆 昏 暗 而 難 以 被 發 現 的 棕 矮 星 。 如 果 原 行 星 質 量 足 夠 大 ( 下 限 約 為 0.1 個 太 陽 質 量 ， 要 注 意 的 是 ， 不 同 的 理 論 模 型 會 給 出 不 同 的 下 限 ) ， 原 恆 星 會 不 斷 變 熱 ， 直 至 核 心 部 分 足 夠 熱 和 高 壓 ， 令 氫 原 子 核 克 服 質 子 間 的 電 排 斥 力 ， 產 生 核 聚 變 ， 成 為 一 顆 真 正 的 恆 星 。 恆 星 所 產 生 的 光 和 熱 ， 會 推 開 四 周 的 氣 體 和 塵 埃 ， 吸 積 盤 會 斷 續 存 在 ， 最 後 塌 縮 成 圍 繞 這 顆 恆 星 運 行 的 行 星 。 我 們 在 數 年 前 才 發 現 到 這 些 原 恆 星 的 吸 積 盤 。



鳴 謝﹕ STScI.



鳴 謝﹕ STScI.

恆 星 內 部 所 產 生 的 高 溫 ， 會 令 粒 子 急 劇 運 動 ， 產 生 向 外 的 氣 體 壓 力 ， 再 加 上 光 子 的 輻 射 壓 力 ﹐ 抵 消 掉 向 內 的 引 力 ， 令 恆 星 保 持 穩 定 ， 進 入 主 序 星 階 段 。

主 序 階 段 的 赫 ─ 羅 圖
我 們 可 以 把 恆 星 的 演 化 軌 跡 繪 畫 在 赫 ─ 羅 圖 上 ， 你 將 會 發 現 恆 星 的 質 量 是 主 宰 其 命 運 的 決 定 性 因 素 。
在 星 際 雲 收 縮 之 前 ， 它 非 常 冰 冷 ， 所 以 在 這 個 階 段 ， 星 際 雲 會 位 於 赫 ─ 羅 圖 上 一 個 極 右 的 位 置 。 當 星 際 雲 收 縮 ， 它 會 變 得 越 來 越 熱 ， 而 它 在 赫 ─ 羅 圖 上 的 位 置 亦 會 向 左 移 動 ( 注 意 ： 恆 星 在 赫 ─ 羅 圖 上 的 位 置 顯 示 了 它 們 的 物 理 特 性 ， 而 非 其 在 天 空 的 位 置 ) 。 每 單 位 面 積 的 光 度 會 隨 著 恆 星 的 溫 度 增 加 而 上 升 ， 但 假 若 恆 星 / 原 恆 星 質 量 不 足 ， 它 的 光 度 會 由 於 星 體 體 積 下 降 過 速 而 不 升 反 減 。 這 個 收 縮 過 程 需 要 十 萬 至 一 億 年 ， 才 能 演 化 成 一 顆 主 序 星 。 一 般 恆 星 會 在 主 序 星 階 段 逗 留 一 百 萬 至 一 百 億 年 。

在 原 恆 星 階 段 ， 星 體 的 能 量 主 要 來 自 星 際 雲 引 力 塌 縮 時 所 釋 放 的 位 能 ， 猶 如 樹 上 的 蘋 果 會 向 下 掉 一 樣 。 只 要 星 體 進 入 主 序 星 階 段 ， 能 量 轉 為 來 自 核 聚 變 ( 相 反 地 ﹐ 地 球 上 的 核 電 廠 使 用 的 是 核 裂 變 ， 即 大 原 子 核 分 裂 為 眾 多 小 原 子 核 ， 過 程 中 釋 放 能 量 的 機 制 ) 。

若 星 體 質 量 小 於 太 陽 質 量 的 1.1 倍 ， 星 體 中 心 的 溫 度 將 會 少 於 一 千 五 百 萬 絕 對 溫 度 ， 核 聚 變 主 要 以 p-p 鏈 進 行 ， 將 四 顆 氫 原 子 核 結 合 為 一 顆 氦 原 子 核 ， 恆 星 會 有 輻 射 核 心 和 一 個 對 流 外 殼 ﹐ 就 像 我 們 的 太 陽 。 ( 請 參 閱 第 十 一 章 ) 。



假 若 星 體 質 量 更 大 ， 核 聚 變 便 會 主 要 以 碳 氮 氧 循 環 ( CNO 循 環 ) 的 方 式 進 行 ， 這 循 環 所 造 成 的 結 果 和 質 子 ─ 質 子 鏈 沒 有 分 別 ， 都 是 把 四 顆 氫 原 子 核 結 合 為 一 顆 氦 原 子 核 ﹐ 碳 的 作 用 猶 如 催 化 劑 。 但 因 碳 原 子 核 帶 的 電 荷 是 氫 原 子 核 的 六 倍 ﹐ 碳 氮 氧 循 環 需 要 只 有 質 量 大 星 體 所 能 提 供 的 較 高 溫 度 和 壓 力 才 能 維 持 。 ( 有 興 趣 的 讀 者 可 參 閱 課 本 中 關 於 質 子 ─ 質 子 鏈 和 碳 氮 氧 循 環 的 詳 細 討 論 。 )

碳 氮 氧 循 環 的 反 應 比 較 快 ， 可 以 產 生 更 多 能 量 ﹐ 而 只 有 對 流 核 心 能 將 這 些 多 的 能 量 有 效 地 傳 遞 出 去 。 在 這 些 星 體 較 外 層 的 氣 體 仍 然 很 熱 和 比 較 透 明 ﹐ 所 以 輻 射 傳 播 是 一 個 有 效 的 傳 遞 方 法 ﹐ 結 果 是 這 些 恆 星 會 有 一 個 對 流 核 心 和 輻 射 外 殼 。

恆 星 一 生 大 部 分 時 間 都 在 主 序 階 段 度 過 。 對 於 大 質 量 的 恆 星 ， 由 於 它 們 的 核 反 應 速 率 很 快 ， 大 約 一 百 萬 年 便 會 把 核 心 的 燃 料 耗 盡 ； 而 較 小 質 量 恆 星 的 壽 命 便 長 得 多 ， 可 達 數 百 億 年。


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[阿暪]

宇 宙 的 本 質
第 十 五 章

小 質 量 恆 星 之 死
恆 星 一 生 90% 的 時 間 皆 會 在 主 序 星 階 段 渡 過 ， 在 這 個 階 段 ， 核 心 中 的 氫 原 子 核 不 斷 熔 合 成 氦 原 子 核 。 最 常 見 的 謬 誤 是 以 為 大 質 量 恆 星 有 更 多 燃 料 ， 所 以 可 以 有 更 長 的 壽 命 ， 但 事 實 上 ， 由 於 大 質 量 恆 星 的 核 心 較 熱 和 密 度 較 高 ， 它 們 燃 燒 氫 氣 的 速 度 更 高 ， 所 以 生 命 反 而 較 短 。
大 質 量 恆 星 壽 命 較 短 的 直 接 證 據 可 以 在 星 團 中 找 到 。 在 第 十 三 章 ， 我 們 曾 經 提 到 星 團 內 的 成 員 星 是 同 時 誕 生 的 ， 所 以 年 紀 亦 理 應 差 不 多 ， 那 麼 它 們 最 主 要 的 分 別 便 只 剩 下 質 量 。 換 句 話 說 ， 星 團 內 壽 命 短 的 星 應 該 已 經 死 去 ， 當 我 們 把 星 團 內 的 星 以 赫 ─ 羅 圖 的 形 式 繪 畫 出 來 時 ， 我 們 發 覺 位 於 圖 中 左 上 角 的 大 質 量 恆 星 果 然 已 經 步 入 死 亡 階 段 ， 離 開 了 主 序 星 的 行 列 。 而 在 主 序 轉 捩 點 上 的 則 為 即 將 死 亡 的 恆 星 。 由 以 下 兩 幅 赫 ─ 羅 圖 中 ， 我 們 可 斷 言 右 圖 表 示 的 星 團 比 較 年 老 。



主 序 星 的 光 度 和 大 小 十 分 穩 定 ， 或 者 你 可 以 說 相 對 於 恆 星 的 死 亡 舞 曲 ， 主 序 階 段 相 當 「 沈 悶 」 。 我 們 已 經 探 討 過 質 量 如 何 影 響 恆 星 的 誕 生 ， 現 在 我 們 會 看 看 質 量 又 如 何 影 響 一 顆 恆 星 的 死 亡 過 程 。 在 這 一 章 內 ， 我 們 會 討 論 質 量 比 太 陽 少 或 和 太 陽 相 若 的 恆 星 的 命 運 。


和 太 陽 質 量 相 約 的 恆 星 之 死
當 核 心 氫 氣 燃 燒 殆 盡 之 後 ， 質 子 ─ 質 子 鏈 便 會 停 止 ( 還 記 得 約 相 等 於 一 個 太 陽 質 量 的 恆 星 是 用 質 子 ─ 質 子 鏈 把 氫 原 子 核 轉 化 為 氦 原 子 核 嗎 ？ 而 更 大 質 量 的 恆 星 則 主 要 使 用 碳 氮 氧 循 環 ) 。 剩 下 的 氦 核 心 便 會 開 始 塌 縮 並 產 生 熱 ， 緊 鄰 核 心 的 氫 外 殼 會 被 加 熱 而 開 始 有 熱 核 反 應 ﹐ 恆 星 亦 同 時 膨 脹 。 由 於 總 表 面 面 積 的 增 加 ，恆 星 會 變 得 極 之 光 亮 。 雖 然 核 心 仍 保 持 熾 熱 ，但 膨 脹 令 表 面 溫 度 下 降 ， 結 果 星 光 變 紅 ， 最 後 演 化 為 一 顆 紅 巨 星 。


當 我 們 的 太 陽 演 化 為 一 顆 紅 巨 星 的 時 候 ， 它 會 漲 大 到 地 球 現 時 的 位 置 ﹐ 而 把 地 球 吞 噬 。 下 圖 顯 示 了 地 球 、 現 在 的 太 陽 和 典 型 紅 巨 星 的 大 小 比 較 。



所 有 紅 巨 星 都 是 變 星 ， 當 外 殼 不 斷 膨 脹 ， 氦 核 心 同 時 不 斷 收 縮 加 熱 ， 直 至 足 以 燃 燒 氦 ( 我 們 稱 之 為 氦 閃 ) 為 止 ， 即 把 三 顆 氦 原 子 核 結 合 為 一 顆 碳 原 子 核 。 由 於 這 時 燃 燒 氫 和 氦 以 產 生 能 源 的 過 程 並 不 穩 定 ， 星 體 除 了 會 不 斷 脈 動 外 ， 更 會 產 生 強 勁 的 恆 星 風 把 外 殼 「 吹 掉 」 。 最 後 整 個 外 殼 會 被 拋 出 外 太 空 ， 成 為 行 星 狀 星 雲 。 下 圖 是 M57 戒 指 星 雲 ─ 一 個 能 用 小 型 望 遠 鏡 輕 易 看 到 的 深 空 天 體 。 以 下 的 行 星 狀 星 雲 則 是 哈 勃 太 空 望 遠 鏡 的 傑 作 。



鳴 謝﹕ 李 啟 明。



鳴 謝﹕ STScI.

由 於 核 心 熱 力 不 足 以 把 碳 燃 點 起 來 ， 所 以 當 所 有 氫 和 氦 皆 告 用 罄 時 ， 恆 星 便 會 開 始 收 縮 ， 並 變 得 越 來 越 暗 ， 最 後 成 為 白 矮 星 。 這 時 候 ， 電 子 簡 併 壓 力 ( 雖 然 過 於 簡 略 和 不 準 確 ， 但 電 子 簡 併 壓 力 可 勉 強 看 成 是 來 自 電 子 擠 至 互 相 觸 碰 時 所 造 成 的 抵 抗 力 ) 成 為 了 抵 抗 恆 星 進 一 步 塌 縮 的 主 要 力 量 。 電 子 簡 併 壓 力 並 非 來 自 任 何 核 反 應 ﹐ 所 以 它 能 永 遠 抵 抗 恆 星 的 引 力 。

一 顆 典 型 的 白 矮 星 比 地 球 略 小 ， 但 質 量 卻 和 太 陽 差 不 多 ， 密 度 是 岩 石 的 30 萬 倍 。 當 白 矮 星 把 所 有 能 量 輻 射 完 畢 ， 它 便 會 成 為 黑 矮 星 。 但 這 個 過 程 所 需 時 間 比 宇 宙 現 在 的 年 齡 更 長 ， 所 以 我 們 相 信 宇 宙 中 仍 沒 有 黑 矮 星 的 存 在 。 下 圖 勾 勒 出 一 顆 相 等 於 一 個 太 陽 質 量 恆 星 的 演 化 路 徑 。



在 以 下 的 赫 ─ 羅 圖 中 ， 太 陽 正 位 於 主 序 上 。 五 十 億 年 之 後 ， 太 陽 將 會 演 化 為 一 顆 紅 巨 星 ， 這 個 階 段 的 恆 星 十 分 不 穩 定 ， 最 終 將 會 把 外 殼 拋 掉 ， 形 成 行 星 狀 星 雲 。 最 後 ， 太 陽 會 迅 速 沿 著 演 化 曲 線 變 成 位 於 圖 中 左 下 角 的 白 矮 星 。



低 質 量 恆 星 之 死
一 顆 小 於 太 陽 質 量 0.4 倍 的 恆 星 ， 它 的 一 生 是 非 常 平 靜 的 。 它 會 穩 定 地 把 氫 轉 化 為 氦 ， 然 後 安 靜 的 死 去 ， 成 為 白 矮 星 。 我 們 將 在 下 一 章 探 討 大 質 量 恆 星 和 超 新 星 的 種 種。


新 星
以 上 所 說 的 種 種 情 況 ， 較 適 用 於 單 獨 的 恆 星 。 在 雙 星 系 統 裡 ， 有 可 能 其 中 一 顆 恆 星 已 演 化 為 白 矮 星 ( 參 閱 (a) 圖 至 (d) 圖 ) ， 但 另 一 顆 恆 星 只 達 紅 巨 星 階 段 ， 而 它 們 之 間 的 距 離 和 地 月 距 離 差 不 多 ( 參 閱 (d) 圖 至 (f) 圖 ) 。 當 紅 巨 星 的 表 面 引 力 比 白 矮 星 弱 時 ， 部 分 物 質 會 盤 旋 流 進 白 矮 星 內 ， 當 足 夠 的 物 質 積 聚 在 白 矮 星 表 面 ， 便 會 燃 點 起 熱 核 反 應 ， 產 生 出 巨 大 的 能 量 ， 這 種 爆 發 會 維 持 下 去 ， 直 至 所 有 氫 氣 耗 盡 。 這 便 是 我 們 常 說 的 新 星 現 象 ， 恆 星 的 光 度 可 以 暴 增 10 萬 倍 ， 這 種 爆 發 通 常 不 會 對 這 個 雙 星 系 統 造 成 大 影 響 ， 所 以 新 星 爆 發 可 以 在 同 一 系 統 內 重 複 發 生 。





宇 宙 的 本 質
第 十 五 章

小 質 量 恆 星 之 死
恆 星 一 生 90% 的 時 間 皆 會 在 主 序 星 階 段 渡 過 ， 在 這 個 階 段 ， 核 心 中 的 氫 原 子 核 不 斷 熔 合 成 氦 原 子 核 。 最 常 見 的 謬 誤 是 以 為 大 質 量 恆 星 有 更 多 燃 料 ， 所 以 可 以 有 更 長 的 壽 命 ， 但 事 實 上 ， 由 於 大 質 量 恆 星 的 核 心 較 熱 和 密 度 較 高 ， 它 們 燃 燒 氫 氣 的 速 度 更 高 ， 所 以 生 命 反 而 較 短 。
大 質 量 恆 星 壽 命 較 短 的 直 接 證 據 可 以 在 星 團 中 找 到 。 在 第 十 三 章 ， 我 們 曾 經 提 到 星 團 內 的 成 員 星 是 同 時 誕 生 的 ， 所 以 年 紀 亦 理 應 差 不 多 ， 那 麼 它 們 最 主 要 的 分 別 便 只 剩 下 質 量 。 換 句 話 說 ， 星 團 內 壽 命 短 的 星 應 該 已 經 死 去 ， 當 我 們 把 星 團 內 的 星 以 赫 ─ 羅 圖 的 形 式 繪 畫 出 來 時 ， 我 們 發 覺 位 於 圖 中 左 上 角 的 大 質 量 恆 星 果 然 已 經 步 入 死 亡 階 段 ， 離 開 了 主 序 星 的 行 列 。 而 在 主 序 轉 捩 點 上 的 則 為 即 將 死 亡 的 恆 星 。 由 以 下 兩 幅 赫 ─ 羅 圖 中 ， 我 們 可 斷 言 右 圖 表 示 的 星 團 比 較 年 老 。



主 序 星 的 光 度 和 大 小 十 分 穩 定 ， 或 者 你 可 以 說 相 對 於 恆 星 的 死 亡 舞 曲 ， 主 序 階 段 相 當 「 沈 悶 」 。 我 們 已 經 探 討 過 質 量 如 何 影 響 恆 星 的 誕 生 ， 現 在 我 們 會 看 看 質 量 又 如 何 影 響 一 顆 恆 星 的 死 亡 過 程 。 在 這 一 章 內 ， 我 們 會 討 論 質 量 比 太 陽 少 或 和 太 陽 相 若 的 恆 星 的 命 運 。


和 太 陽 質 量 相 約 的 恆 星 之 死
當 核 心 氫 氣 燃 燒 殆 盡 之 後 ， 質 子 ─ 質 子 鏈 便 會 停 止 ( 還 記 得 約 相 等 於 一 個 太 陽 質 量 的 恆 星 是 用 質 子 ─ 質 子 鏈 把 氫 原 子 核 轉 化 為 氦 原 子 核 嗎 ？ 而 更 大 質 量 的 恆 星 則 主 要 使 用 碳 氮 氧 循 環 ) 。 剩 下 的 氦 核 心 便 會 開 始 塌 縮 並 產 生 熱 ， 緊 鄰 核 心 的 氫 外 殼 會 被 加 熱 而 開 始 有 熱 核 反 應 ﹐ 恆 星 亦 同 時 膨 脹 。 由 於 總 表 面 面 積 的 增 加 ，恆 星 會 變 得 極 之 光 亮 。 雖 然 核 心 仍 保 持 熾 熱 ，但 膨 脹 令 表 面 溫 度 下 降 ， 結 果 星 光 變 紅 ， 最 後 演 化 為 一 顆 紅 巨 星 。


當 我 們 的 太 陽 演 化 為 一 顆 紅 巨 星 的 時 候 ， 它 會 漲 大 到 地 球 現 時 的 位 置 ﹐ 而 把 地 球 吞 噬 。 下 圖 顯 示 了 地 球 、 現 在 的 太 陽 和 典 型 紅 巨 星 的 大 小 比 較 。



所 有 紅 巨 星 都 是 變 星 ， 當 外 殼 不 斷 膨 脹 ， 氦 核 心 同 時 不 斷 收 縮 加 熱 ， 直 至 足 以 燃 燒 氦 ( 我 們 稱 之 為 氦 閃 ) 為 止 ， 即 把 三 顆 氦 原 子 核 結 合 為 一 顆 碳 原 子 核 。 由 於 這 時 燃 燒 氫 和 氦 以 產 生 能 源 的 過 程 並 不 穩 定 ， 星 體 除 了 會 不 斷 脈 動 外 ， 更 會 產 生 強 勁 的 恆 星 風 把 外 殼 「 吹 掉 」 。 最 後 整 個 外 殼 會 被 拋 出 外 太 空 ， 成 為 行 星 狀 星 雲 。 下 圖 是 M57 戒 指 星 雲 ─ 一 個 能 用 小 型 望 遠 鏡 輕 易 看 到 的 深 空 天 體 。 以 下 的 行 星 狀 星 雲 則 是 哈 勃 太 空 望 遠 鏡 的 傑 作 。



鳴 謝﹕ 李 啟 明。



鳴 謝﹕ STScI.

由 於 核 心 熱 力 不 足 以 把 碳 燃 點 起 來 ， 所 以 當 所 有 氫 和 氦 皆 告 用 罄 時 ， 恆 星 便 會 開 始 收 縮 ， 並 變 得 越 來 越 暗 ， 最 後 成 為 白 矮 星 。 這 時 候 ， 電 子 簡 併 壓 力 ( 雖 然 過 於 簡 略 和 不 準 確 ， 但 電 子 簡 併 壓 力 可 勉 強 看 成 是 來 自 電 子 擠 至 互 相 觸 碰 時 所 造 成 的 抵 抗 力 ) 成 為 了 抵 抗 恆 星 進 一 步 塌 縮 的 主 要 力 量 。 電 子 簡 併 壓 力 並 非 來 自 任 何 核 反 應 ﹐ 所 以 它 能 永 遠 抵 抗 恆 星 的 引 力 。

一 顆 典 型 的 白 矮 星 比 地 球 略 小 ， 但 質 量 卻 和 太 陽 差 不 多 ， 密 度 是 岩 石 的 30 萬 倍 。 當 白 矮 星 把 所 有 能 量 輻 射 完 畢 ， 它 便 會 成 為 黑 矮 星 。 但 這 個 過 程 所 需 時 間 比 宇 宙 現 在 的 年 齡 更 長 ， 所 以 我 們 相 信 宇 宙 中 仍 沒 有 黑 矮 星 的 存 在 。 下 圖 勾 勒 出 一 顆 相 等 於 一 個 太 陽 質 量 恆 星 的 演 化 路 徑 。



在 以 下 的 赫 ─ 羅 圖 中 ， 太 陽 正 位 於 主 序 上 。 五 十 億 年 之 後 ， 太 陽 將 會 演 化 為 一 顆 紅 巨 星 ， 這 個 階 段 的 恆 星 十 分 不 穩 定 ， 最 終 將 會 把 外 殼 拋 掉 ， 形 成 行 星 狀 星 雲 。 最 後 ， 太 陽 會 迅 速 沿 著 演 化 曲 線 變 成 位 於 圖 中 左 下 角 的 白 矮 星 。



低 質 量 恆 星 之 死
一 顆 小 於 太 陽 質 量 0.4 倍 的 恆 星 ， 它 的 一 生 是 非 常 平 靜 的 。 它 會 穩 定 地 把 氫 轉 化 為 氦 ， 然 後 安 靜 的 死 去 ， 成 為 白 矮 星 。 我 們 將 在 下 一 章 探 討 大 質 量 恆 星 和 超 新 星 的 種 種。


新 星
以 上 所 說 的 種 種 情 況 ， 較 適 用 於 單 獨 的 恆 星 。 在 雙 星 系 統 裡 ， 有 可 能 其 中 一 顆 恆 星 已 演 化 為 白 矮 星 ( 參 閱 (a) 圖 至 (d) 圖 ) ， 但 另 一 顆 恆 星 只 達 紅 巨 星 階 段 ， 而 它 們 之 間 的 距 離 和 地 月 距 離 差 不 多 ( 參 閱 (d) 圖 至 (f) 圖 ) 。 當 紅 巨 星 的 表 面 引 力 比 白 矮 星 弱 時 ， 部 分 物 質 會 盤 旋 流 進 白 矮 星 內 ， 當 足 夠 的 物 質 積 聚 在 白 矮 星 表 面 ， 便 會 燃 點 起 熱 核 反 應 ， 產 生 出 巨 大 的 能 量 ， 這 種 爆 發 會 維 持 下 去 ， 直 至 所 有 氫 氣 耗 盡 。 這 便 是 我 們 常 說 的 新 星 現 象 ， 恆 星 的 光 度 可 以 暴 增 10 萬 倍 ， 這 種 爆 發 通 常 不 會 對 這 個 雙 星 系 統 造 成 大 影 響 ， 所 以 新 星 爆 發 可 以 在 同 一 系 統 內 重 複 發 生 。

[阿暪]

宇 宙 的 本 質
第 十 七 章

黑 洞
在 超 新 星 爆 發 後 ， 如 果 恆 星 剩 餘 質 量 超 過 二 或 三 個 太 陽 質 量 ， 中 子 簡 併 壓 力 亦 不 足 以 抵 抗 向 內 的 引 力 ， 這 時 在 已 知 的 物 理 理 論 裡 面 ， 再 沒 有 更 強 的 力 能 足 以 與 引 力 一 決 雌 雄 ， 恆 星 只 可 以 不 斷 塌 縮 ， 成 為 黑 洞 。
黑 洞
如 我 們 把 一 顆 石 塊 向 上 拋 ， 它 會 很 快 跌 回 地 面 ， 我 們 用 點 勁 拋 ， 它 會 飛 得 高 一 點 ； 假 若 再 加 把 勁 ， 令 石 塊 向 上 速 度 達 逃 逸 速 度 ， 它 便 會 直 衝 出 宇 宙 ， 一 去 不 返 。
恆 星 質 量 越 大 ， 體 積 越 小 ， 引 力 的 羈 絆 便 越 大 ， 所 需 逃 逸 速 度 亦 越 高 。 另 一 方 面 ， 愛 恩 斯 坦 的 相 對 論 斷 言 宇 宙 中 最 高 的 速 度 便 是 光 速 ， 所 以 如 所 需 的 逃 逸 速 度 大 於 光 速 ， 那 麼 宇 宙 中 包 括 光 在 內 的 一 切 都 不 可 能 逃 離 引 力 的 魔 掌 ， 這 顆 恆 星 便 成 為 黑 洞 。

不 了 解 廣 義 相 對 論 ， 便 不 能 真 正 了 解 黑 洞 。 廣 義 相 對 論 的 中 心 思 想 是 質 量 會 扭 曲 其 附 近 的 時 空 ， 質 量 越 大 ， 影 響 越 明 顯 。 牛 頓 力 學 認 為 月 球 繞 地 球 旋 轉 ， 是 因 為 月 球 受 到 地 球 引 力 的 吸 引 ； 但 廣 義 相 對 論 的 說 法 則 是 地 球 的 質 量 扭 曲 了 附 近 的 時 空 ， 月 球 在 不 平 坦 的 時 空 以 最 自 然 的 方 式 運 行 ， 結 果 走 出 了 一 條 繞 著 地 球 轉 的 曲 線 ， 情 況 就 如 彈 珠 在 不 平 坦 的 地 面 走 ， 會 左 搖 右 擺 一 樣 。 同 樣 道 理 ， 光 線 在 通 過 大 質 量 物 質 附 近 時 ， 亦 不 會 以 直 線 運 行 。




黑 洞 是 引 力 極 強 之 地 ， 光 線 路 徑 扭 曲 的 程 度 ， 足 以 令 光 線 無 法 逃 跑 。 在 黑 洞 附 近 ， 光 線 ( 包 括 宇 宙 所 有 其 他 物 質 ) 能 否 逃 離 的 分 水 嶺 稱 為 事 件 穹 界 。 為 甚 麼 叫 事 件 穹 界 呢 ？ 原 因 很 簡 單 ， 由 於 在 事 件 穹 界 之 內 的 一 切 皆 不 能 逃 離 ， 所 以 在 這 個 界 限 以 內 發 生 的 一 切 ， 將 永 遠 不 能 為 人 所 知 ， 事 件 穹 界 便 是 事 件 能 為 人 所 探 知 的 極 限 。 對 於 一 個 史 瓦 西 黑 洞 ﹐ 即 一 個 並 不 自 轉 和 不 帶 電 的 黑 洞 ﹐ 事 件 穹 界 的 半 徑 稱 為 史 瓦 西 半 徑 (RS) ， 數 值 的 大 小 只 取 決 於 黑 洞 的 質 量 。


R S = 2 G M / c 2
公 式 中 的 M 是 黑 洞 的 質 量 ， G 是 引 力 常 數 ， c 是 光 速 。 太 陽 質 量 的 黑 洞 的 史 瓦 西 半 徑 約 為 3 公 里 。 在 史 瓦 西 半 徑 以 內 的 範 圍 ， 被 定 義 為 黑 洞 所 佔 有 的 空 間 。



我 們 稱 黑 洞 中 心 為 奇 點 ， 很 多 人 以 為 奇 點 是 一 個 半 徑 等 於 零 但 密 度 無 限 大 的 地 方 。 其 實 ， 比 較 正 確 的 說 法 是 我 們 根 本 不 知 道 那 裡 是 甚 麼 一 回 事 ， 因 為 我 們 所 知 的 一 切 物 理 定 律 根 本 不 適 用 於 情 況 如 此 極 端 的 地 方 。

在 事 件 穹 界 之 外 ， 有 一 個 稱 為 光 子 球 層 的 球 狀 區 域 。 在 這 裡 ， 只 要 光 線 是 以 切 線 方 式 擦 過 光 子 球 層 ， 便 會 被 黑 洞 引 力 俘 獲 ， 沿 著 這 球 層 像 衛 星 一 樣 永 遠 繞 著 黑 洞 旋 轉 。 黑 洞 的 可 怕 引 力 會 隨 著 距 離 遞 減 ， 事 實 上 假 若 我 們 的 太 陽 突 然 變 成 一 個 黑 洞 ， 地 球 並 不 會 感 到 太 陽 的 引 力 有 甚 麼 不 同 ， 仍 舊 會 依 著 同 一 軌 道 繞 著 太 陽 旋 轉 。



假 若 有 人 跌 進 了 黑 洞 ， 會 發 生 甚 麼 事 呢 ？ 首 先 ， 如 你 在 遠 處 看 著 這 個 不 幸 的 太 空 人 ， 你 會 發 覺 開 始 時 就 如 一 切 向 下 跌 的 物 體 一 樣 ， 他 跌 進 黑 洞 的 速 度 會 越 來 越 快 ， 當 他 接 近 黑 洞 ， 奇 怪 的 事 開 始 發 生 ， 你 會 發 覺 他 開 始 減 速 ， 越 接 近 事 件 穹 界 ， 他 的 速 度 便 越 慢 ， 一 切 變 得 像 慢 動 作 影 片 ， 最 後 更 彷 似 停 留 不 動 ， 永 遠 不 能 到 達 事 件 穹 界 ！



但 對 這 個 不 幸 的 太 空 人 來 說 ， 情 況 便 完 全 不 同 。 當 然 我 們 先 要 假 設 這 個 太 空 人 有 超 人 般 的 身 體 ， 不 會 被 黑 洞 的 引 力 殺 死 。 當 他 越 來 越 接 近 黑 洞 ， 黑 洞 看 來 會 越 來 越 大 ， 更 開 始 包 圍 著 他 ﹐ 只 剩 太 空 船 的 尾 窗 仍 可 看 到 外 面 的 宇 宙 ， 但 除 此 之 外 ， 倒 沒 有 甚 麼 特 別 ， 之 後 在 極 短 極 短 的 時 間 之 內 ， 他 便 會 撞 上 黑 洞 的 奇 點 。


旋 轉 黑 洞
旋 轉 黑 洞 又 稱 為 克 爾 黑 洞 ， 它 們 的 特 性 和 以 上 所 說 的 靜 止 黑 洞 很 不 同 。 旋 轉 黑 洞 有 外 內 兩 個 事 件 穹 界 ， 而 它 們 之 間 的 區 域 稱 為 能 層 。 在 能 層 內 的 物 質 會 被 黑 洞 自 轉 所 帶 動 ， 但 仍 有 機 會 逃 離 黑 洞 的 魔 掌 。 內 事 件 穹 界 才 是 真 正 的 死 亡 線 ， 一 旦 進 入 便 永 無 翻 身 之 日 。
理 論 上 ， 我 們 是 可 以 從 黑 洞 中 搾 取 它 的 自 轉 能 。 方 法 是 把 一 件 物 體 放 進 能 層 ， 然 後 把 物 體 分 成 兩 部 分 ， 讓 一 部 分 墮 進 黑 洞 ， 另 外 一 部 分 逃 離 黑 洞 ﹐ 若 我 們 適 當 地 選 擇 它 們 的 質 量 、 分 離 的 時 間 等 等 ﹐ 便 可 以 讓 逃 離 的 部 分 以 更 高 速 度 ( 即 更 高 能 量 ) 離 開 黑 洞 。 或 者 在 茫 茫 宇 宙 ， 確 有 先 進 的 天 外 文 明 ， 利 用 這 個 方 法 抽 取 黑 洞 的 能 量 呢 ！





尋 找 黑 洞
理 論 上 ， 我 們 永 遠 看 不 到 黑 洞 ， 但 這 不 表 示 我 們 沒 有 辦 法 找 到 它 們 。 普 遍 原 則 是 找 一 些 黑 而 密 度 高 的 物 體 。
在 事 件 穹 界 之 外 ， 開 普 勒 定 律 ( 請 參 閱 第 四 章 ) 仍 勉 強 適 用 。 我 們 可 以 量 度 繞 著 懷 疑 黑 洞 轉 的 氣 體 的 速 度 ( 利 用 多 普 勒 效 應 ､ 請 參 閱 第 五 章 ) ， 然 後 利 用 開 普 勒 定 律 ， 計 算 出 中 心 物 體 的 質 量 下 限 。 假 若 質 量 超 過 三 個 太 陽 質 量 ， 而 且 它 非 常 細 小 又 漆 黑 一 片 ， 我 們 便 很 有 理 由 相 信 這 是 黑 洞 。

通 常 ， 黑 洞 會 被 吸 積 盤 所 環 繞 ， 兩 極 更 有 噴 流 。 當 物 質 流 入 黑 洞 ， 會 發 射 出 強 烈 的 X 射 線 。 找 尋 這 些 X 射 線 源 亦 是 尋 找 黑 洞 ( 或 中 子 星 ) 的 重 要 方 法 。

天 鵝 座 X-1 便 是 最 早 發 現 的 懷 疑 黑 洞 。 這 物 體 的 伴 星 是 一 顆 O 型 星 ， 質 量 下 限 是 七 個 太 陽 質 量 ， 並 會 放 射 出 X 射 線 。 一 切 證 據 都 顯 示 它 極 有 可 能 是 黑 洞 。


非 星 體 黑 洞
理 論 上 ， 黑 洞 是 沒 有 質 量 的 上 下 限 。 它 們 可 以 超 乎 想 像 的 大 和 重 ， 我 們 稱 這 種 黑 洞 為 特 大 質 量 黑 洞 。 我 們 在 不 少 星 系 中 心 都 找 到 這 種 黑 洞 。 例 如 在 M87 星 系 的 核 心 內 便 有 一 個 質 量 為 3x109 個 太 陽 質 量 ， 但 直 徑 只 有 數 光 星 期 之 內 的 物 體 ， 只 有 黑 洞 才 可 能 這 麼 重 而 同 時 又 這 麼 細 小 。


鳴 謝﹕ STScI.

星 系 NGC4261 是 另 一 個 例 子 。 吸 積 盤 的 質 量 不 計 在 內 ， 星 系 中 心 物 體 的 質 量 為 1.2x109 個 太 陽 質 量 ， 大 小 卻 只 和 太 陽 系 相 若 ， 唯 一 解 釋 便 是 它 是 一 個 特 大 質 量 黑 洞 。



鳴 謝﹕ STScI.


知 多 一 點 點
「 黑 洞 沒 有 毛 髮 」 原 理 ： 十 年 之 前 ， 我 們 相 信 黑 洞 是 一 個 很 簡 單 的 物 體 ， 三 個 物 理 參 數 ─ 質 量 、 角 動 量 (如 要 求 不 嚴 謹 ， 可 把 它 看 成 為 自 轉 速 度 ) 和 電 荷 ─ 便 決 定 了 它 的 一 切 ， 兩 個 黑 洞 只 要 它 們 這 三 個 參 數 相 同 ， 物 理 特 性 便 完 全 一 樣 ， 黑 洞 最 初 由 甚 麼 物 質 所 造 成 是 無 關 宏 旨 的 ， 由 於 黑 洞 是 這 樣 「 單 純 」 ， 光 禿 禿 沒 有 甚 麼 特 徵 ， 所 以 天 文 學 家 謔 稱 「 黑 洞 沒 有 毛 髮 」 。 對 於 真 正 的 黑 洞 ， 由 於 它 的 強 大 引 力 足 以 離 子 化 附 近 的 物 質 ， 然 後 把 自 己 中 和 ， 所 以 應 該 沒 有 黑 洞 是 帶 電 的 。 但 我 們 最 近 發 現 ， 在 非 常 特 殊 的 條 件 下 ， 黑 洞 可 能 有 其 他 可 觀 測 的 物 理 特 性 ， 由 於 這 牽 涉 高 深 物 理 ， 在 這 裡 不 再 作 進 一 步 的 探 討 。
霍 金 蒸 發 ： 到 目 前 為 止 ， 我 們 不 斷 強 調 事 件 穹 界 是 一 條 不 歸 路 。 但 真 的 沒 有 東 西 可 逃 出 黑 洞 嗎 ？ 著 名 英 國 天 文 學 家 霍 金 得 出 了 一 個 驚 人 的 結 論 ， 他 發 現 理 論 上 黑 洞 亦 會 如 普 通 黑 體 一 樣 發 出 輻 射 ， 這 便 是 霍 金 蒸 發 理 論 。 原 來 黑 洞 亦 有 溫 度 ， 而 它 的 溫 度 和 它 的 質 量 成 反 比 ， 即 質 量 越 大 ， 溫 度 越 低 。 普 通 星 體 所 形 成 的 黑 洞 的 溫 度 低 至 根 本 無 法 量 度 ， 但 只 要 我 們 能 夠 找 到 小 型 黑 洞 ， 其 蒸 發 過 程 卻 是 可 以 觀 測 得 到 的 。

小 型 黑 洞 ： 到 目 前 為 止 ， 所 談 及 的 黑 洞 形 成 機 制 只 能 產 生 質 量 大 於 太 陽 質 量 三 倍 的 黑 洞 。 我 們 相 信 小 型 黑 洞 只 能 在 宇 宙 初 開 頭 一 秒 內 的 極 端 環 境 下 誕 生 ， 現 在 仍 有 小 型 黑 洞 存 在 嗎 ？ 理 論 上 是 可 能 的 ， 但 目 前 仍 是 疑 案 。

黑 洞 的 歸 宿 ： 若 黑 洞 會 產 生 輻 射 ， 它 便 會 逐 漸 失 去 質 量 ， 當 所 有 質 量 皆 蒸 發 掉 時 會 發 生 甚 麼 事 ？ 我 們 不 知 道 ， 科 學 家 仍 需 努 力 。

蟲 洞 ： 在 科 幻 小 說 裡 ， 我 們 經 常 可 以 看 到 作 者 利 用 蟲 洞 作 為 連 接 宇 宙 兩 處 地 方 的 捷 徑 。 小 說 中 的 英 雄 只 要 走 進 蟲 洞 ， 便 可 瞬 間 穿 梭 時 空 。 到 目 前 為 止 ， 蟲 洞 只 存 在 於 理 論 當 中 ， 作 為 時 空 隧 道 它 有 極 大 的 缺 點 ， 它 的 兩 個 出 口 皆 是 黑 洞 ！ 當 勇 敢 的 太 空 人 穿 越 蟲 洞 後 ， 他 會 發 覺 自 己 被 困 在 另 一 個 黑 洞 中 ， 他 或 許 可 在 剎 那 間 看 到 宇 宙 另 一 處 的 景 像 ， 但 會 立 即 撞 進 奇 點 而 死 亡 。



http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/Edu...res/chap17.html

[阿暪]

宇 宙 的 本 質
第 十 八 章

星 系
在 討 論 過 恆 星 演 化 之 後 ， 我 們 會 討 論 一 些 更 大 的 天 體 ─ 星 系 。 星 系 是 可 見 宇 宙 結 構 的 基 本 單 位 ， 例 如 人 類 、 太 陽 以 至 整 個 太 陽 系 便 皆 處 身 於 我 們 稱 為 銀 河 系 的 一 個 典 型 旋 渦 星 系 裡 面 。
銀 河 系
銀 河 系 包 含 了 2000 億 顆 恆 星 ， 大 部 分 皆 位 於 銀 盤 內 ， 事 實 上 ， 差 不 多 所 有 我 們 肉 眼 可 見 的 星 皆 處 身 銀 河 系 之 內 。 銀 河 系 直 徑 十 萬 光 年 ， 厚 度 卻 只 有 一 千 光 年 ， 換 言 之 ， 銀 河 系 是 十 分 薄 的 ， 下 圖 事 實 上 誇 張 了 銀 河 系 的 厚 度 。


位 於 銀 河 系 中 心 的 是 一 個 半 徑 約 二 萬 光 年 的 銀 核 ， 整 個 銀 盤 連 同 銀 核 被 一 個 比 銀 盤 更 大 的 球 狀 銀 冕 所 包 圍 。 銀 冕 內 主 要 為 年 老 的 星 ， 它 們 有 些 在 球 狀 星 團 內 ， 有 些 則 在 星 際 物 質 中 遊 蕩 。

銀 河 系 另 一 個 重 要 的 特 徵 便 是 它 的 旋 臂 ， 這 些 旋 臂 由 中 心 延 展 至 銀 盤 邊 緣 ， 包 含 了 無 數 年 青 的 恆 星 。 有 趣 的 是 ， 根 據 力 學 定 律 ， 這 些 旋 臂 是 不 穩 定 的 ， 由 於 外 圍 恆 星 比 近 核 心 恆 星 走 得 慢 ， 最 終 會 使 旋 臂 結 構 毀 滅 。

旋 臂 為 甚 麼 仍 能 存 在 呢 ？ 最 廣 為 天 文 學 界 所 接 受 的 說 法 是 密 度 波 理 論 。 這 個 理 論 認 為 雖 然 恆 星 會 以 不 同 速 度 移 動 ， 但 星 際 物 質 的 密 度 會 產 生 波 動 ， 在 密 度 最 高 的 波 陣 面 會 催 生 出 新 的 恆 星 ， 這 解 釋 了 為 何 通 常 在 旋 臂 會 找 到 新 生 恆 星 ， 而 在 其 他 地 方 只 有 古 老 恆 星 的 原 因 。


太 陽 位 於 銀 河 系 的 獵 戶 臂 ， 距 離 銀 心 約 為 半 徑 的 三 分 之 二 。 要 了 解 銀 河 系 的 旋 臂 結 構 一 點 也 不 容 易 ， 原 因 有 二 ：


正 所 謂 「 不 識 廬 山 真 面 目 ， 只 緣 身 在 此 山 中 。 」 我 們 身 處 在 銀 河 系 中 ， 不 能 從 遠 方 把 銀 河 系 結 構 看 清 楚 ；
散 佈 在 銀 河 系 中 的 大 量 氣 體 塵 埃 ， 阻 礙 了 我 們 的 視 線 。
為 了 把 旋 臂 的 結 構 勾 勒 出 來 ， 方 法 是 找 出 旋 臂 中 特 別 豐 富 的 氫 氣 分 佈 情 況 。 在 旋 臂 中 的 氫 氣 分 子 雲 ， 會 發 射 出 波 長 為 21 厘 米 的 無 線 電 波 ， 只 要 探 測 這 些 無 線 電 波 在 天 空 中 的 強 度 分 佈 ， 便 可 推 算 出 旋 臂 的 結 構 。 另 外 ﹐ 其 他 分 子 發 出 的 無 線 電 波 也 可 幫 助 我 們 找 尋 旋 臂 的 所 在 。


從 地 球 遙 望 天 際 ， 銀 河 彷 彿 是 一 條 鑲 滿 繁 星 的 雲 帶 。 由 於 銀 河 上 的 星 星 實 在 太 密 太 多 ， 古 人 以 為 銀 河 是 一 條 天 河 。 銀 河 系 中 心 方 向 位 於 夏 季 星 座 人 馬 座 附 近 ， 所 以 夏 天 比 冬 天 的 銀 河 更 璀 璨 而 美 麗 。 要 欣 賞 「 銀 河 落 九 天 」 的 景 象 ， 便 要 在 晴 朗 的 日 子 ， 找 一 處 遠 離 城 市 燈 光 的 地 方 觀 看 。 假 若 你 有 幸 看 見 漂 亮 的 銀 河 ， 可 別 忘 了 找 出 塵 埃 線 ， 這 些 暗 黑 區 域 是 塵 埃 阻 掩 背 後 星 光 所 造 成 的 。



© Anglo-Australian Observatory and Photograph by David Malin.

除 了 可 以 看 得 見 的 部 分 ， 我 們 相 信 銀 河 系 有 不 少 天 體 是 不 發 光 的 ，統 稱 為 暗 黑 物 ?/B> ， 雖 然 它 們 肉 眼 不 能 見 ， 但 引 力 卻 暴 露 了 它 們 的 存 在 。 天 體 的 公 轉 速 度 ， 取 決 於 在 它 軌 道 內 的 物 質 的 總 質 量 ， 如 果 所 有 物 質 都 是 看 得 見 的 ， 那 麼 繞 著 銀 河 系 旋 轉 的 軌 道 ， 理 應 如 紅 線 所 示 ， 但 是 天 文 學 家 卻 發 覺 它 們 比 想 像 中 走 得 更 快 ， 暗 示 銀 河 系 的 質 量 比 所 見 的 大 。 我 們 相 信 暗 黑 物 質 不 僅 存 在 於 銀 河 系 中 ， 並 且 充 斥 整 個 宇 宙 ， 這 些 物 質 究 竟 是 甚 麼 東 西 ， 可 惜 到 目 前 仍 然 所 知 有 限 。




星 系 的 分 類
宇 宙 中 約 有 1000 億 個 星 系 ， 若 我 們 把 所 有 可 見 星 系 在 天 空 的 方 向 繪 在 圖 上 ， 我 們 會 得 到 以 下 結 果 ：


圖 中 中 間 的 水 平 線 標 示 出 銀 河 系 平 面 ， 銀 河 系 的 氣 體 塵 埃 除 了 掩 蓋 了 背 景 星 光 ， 亦 同 時 遮 蔽 了 遙 遠 的 星 系 ， 撇 除 了 這 個 因 素 ， 我 們 會 發 覺 星 系 在 天 空 的 分 佈 是 頗 為 平 均 的 。

其 它 星 系 是 甚 麼 模 樣 的 呢 ？ 星 系 有 不 同 的 大 小 和 形 狀 ， 可 以 分 為 三 種 類 型 ： 橢 圓 星 系 、 旋 渦 星 系 和 不 規 則 星 系 。



© Anglo-Australian Observatory and Photograph by David Malin.

橢 圓 星 系 ： 圖 中 的 是 M87 星 系 ， 是 一 個 典 型 的 橢 圓 星 系 。 它 們 通 常 包 含 較 年 老 的 恆 星 ， 有 些 矮 橢 圓 星 系 只 有 約 一 千 萬 顆 星 ， 和 大 球 狀 星 團 相 差 不 遠 。 在 不 久 之 前 ， 我 們 相 信 這 是 最 普 遍 的 星 系 ， 但 現 在 我 們 認 為 不 規 則 星 系 才 是 最 普 遍 的 星 系 。



鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA).

旋 渦 星 系 ： 旋 渦 星 系 同 時 擁 有 年 老 和 年 青 的 恆 星 ， 它 們 通 常 比 橢 圓 星 系 光 。 旋 渦 星 系 可 細 分 為 兩 種 ： 普 通 的 旋 渦 星 系 和 棒 旋 星 系 。 棒 旋 星 系 的 核 球 呈 長 型 ， 有 點 像 一 根 棒 ， 這 是 棒 旋 星 系 名 稱 的 由 來 。 上 圖 為 M31 仙 女 座 大 星 系 ， 它 是 一 個 普 通 的 旋 渦 星 系 ， 距 離 地 球 只 有 二 百 萬 光 年 ， 下 圖 的 是 一 個 棒 旋 星 系 。



鳴 謝﹕ STScI.

不 規 則 星 系 ： 顧 名 思 義 ， 這 種 星 系 形 狀 是 不 規 則 的 ， 近 南 天 極 的 大 小 麥 哲 倫 雲 是 銀 河 系 的 伴 星 系 ， 雖 然 它 們 肉 眼 可 見 ， 可 惜 位 於 北 半 球 的 香 港 看 不 見 。



© Anglo-Australian Observatory/Royal Observatory, Edinburgh
and Photograph from UK Schmidt plates by David Malin.



© Anglo-Australian Observatory/Royal Observatory, Edinburgh
and Photograph from UK Schmidt plates by David Malin.

橢 圓 及 旋 渦 星 系 皆 可 根 據 天 文 學 家 哈 勃 首 創 的 方 法 再 細 分 為 次 型 ， 有 如 下 圖 所 示 。 要 注 意 的 是 不 要 以 為 這 圖 顯 示 了 星 系 的 演 化 方 式 ， 事 實 上 我 們 對 星 系 如 何 演 化 仍 不 大 了 解 。




星 系 的 距 離
二 十 年 代 之 前 ， 人 類 並 不 知 道 星 系 是 非 常 遙 遠 的 天 體 ， 還 以 為 它 們 只 不 過 位 於 銀 河 系 之 內 。 今 天 ， 我 們 主 要 用 兩 種 方 法 量 度 星 系 的 距 離 ， 第 一 種 是 我 們 在 第 十 三 章 已 談 過 的 造 父 變 星 ， 而 另 一 種 便 是 依 靠 I 型 超 新 星 。 還 記 得 I 型 超 新 星 是 足 以 令 中 心 白 矮 星 炸 毀 的 新 星 爆 發 嗎 ？ 科 學 家 發 現 原 來 所 有 這 種 超 新 星 爆 發 的 光 度 都 是 差 不 多 的 ， 所 以 我 們 只 要 找 到 這 種 超 新 星 ， 便 可 以 由 它 的 視 亮 度 推 算 出 它 和 地 球 的 距 離 ， 從 而 得 知 它 所 處 身 星 系 的 距 離 。
I 型 超 新 星 比 造 父 變 星 光 亮 ， 所 以 能 夠 量 度 更 遙 遠 星 系 的 距 離 ， 唯 一 缺 點 是 不 經 常 有 I 型 超 新 星 爆 發 。 基 本 上 這 兩 種 量 度 星 系 距 離 的 方 法 有 各 自 的 優 缺 點 ， 無 論 如 何 ， 它 們 都 是 天 文 學 家 不 可 或 缺 的 量 天 尺 。


星 系 碰 撞
星 系 的 平 均 距 離 是 它 們 大 小 的 20 - 40 倍 ( 相 對 於 恆 星 距 離 和 大 小 的 比 例 是 數 千 萬 ) ， 因 此 星 系 發 生 碰 撞 的 機 會 十 分 大 。
即 使 星 系 發 生 碰 撞 ， 它 們 之 間 的 恆 星 會 發 生 碰 撞 的 機 會 差 不 多 等 於 零 ， 但 相 互 的 引 力 作 用 會 改 變 了 恆 星 的 分 佈 。 大 量 恆 星 會 隨 噴 流 拋 出 ， 而 兩 個 星 系 最 終 會 結 合 為 一 ， 有 些 擁 有 多 重 星 系 核 的 星 系 ， 可 能 便 是 過 去 星 系 碰 撞 所 造 成 的 結 果 。 星 系 碰 撞 也 會 催 生 新 的 恆 星 。



鳴 謝﹕ STScI.



鳴 謝﹕ STScI.

星 系 碰 撞 亦 可 能 形 成 了 活 動 星 系 ， 這 種 不 尋 常 的 星 系 會 由 星 系 中 心 放 射 出 大 量 的 紅 外 線 、 紫 外 線 及 X 射 線 ， 所 以 我 們 稱 它 的 核 心 為 活 動 星 系 核 。 其 實 我 們 仍 不 大 清 楚 活 動 星 系 的 形 成 過 程 ， 亦 不 知 道 星 核 放 射 出 大 量 輻 射 的 機 制 。 最 流 行 的 理 論 是 星 系 中 心 有 一 個 特 大 質 量 黑 洞 ， 當 星 系 物 質 流 進 黑 洞 的 時 候 ， 就 會 產 生 出 大 量 的 能 量 ， 而 中 心 內 的 黑 洞 可 能 便 是 星 系 碰 撞 時 形 成 的 。

另 一 類 有 趣 的 天 體 便 是 類 星 體 ， 在 可 見 光 波 段 看 來 ， 它 們 非 常 細 小 及 暗 淡 ， 有 如 普 通 恆 星 一 樣 ， 但 是 在 紅 外 線 及 無 線 電 波 段 ， 它 們 卻 很 光 亮 。 它 們 的 頻 譜 有 極 大 的 紅 移 ﹐ 顯 示 它 們 離 我 們 極 之 遙 遠 ( 請 參 閱 第 十 九 章 ) ﹐ 我 們 可 以 肯 定 它 們 所 發 出 的 能 量 非 常 驚 人 ， 甚 至 比 附 近 的 活 動 星 系 更 厲 害 ， 它 們 可 能 是 中 心 有 特 大 質 量 黑 洞 的 年 青 星 系 。



鳴 謝﹕ NOAO/NSF.


http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/Edu...res/chap18.html

[阿暪]

宇 宙 的 本 質
第 十 九 章

宇 宙 學
在 這 最 後 一 章 ， 我 們 將 會 研 究 宇 宙 本 身 ， 嘗 試 了 解 宇 宙 何 時 誕 生 ？ 如 何 誕 生 ？ 何 時 死 亡 ？ 如 何 死 亡 ？ 宇 宙 之 外 是 甚 麼 ？ 研 究 這 些 問 題 的 學 問 稱 為 宇 宙 學 。
宇 宙 學 原 理
從 實 際 觀 察 之 中 ， 我 們 得 出 了 三 個 有 關 宇 宙 的 基 本 假 設 ， 我 們 稱 之 為 宇 宙 學 原 理 。 憑 此 ， 我 們 才 能 建 立 一 個 簡 單 的 宇 宙 模 型 ， 當 然 它 不 能 百 分 百 準 確 描 述 我 們 的 宇 宙 ， 但 只 要 比 較 模 型 和 真 實 之 間 的 差 異 ， 我 們 便 可 逐 漸 得 知 問 題 出 在 哪 裡 。
宇 宙 一 致 性 原 理 ： 這 是 最 基 本 的 假 設 ， 基 本 得 很 多 書 已 把 它 當 成 太 理 所 當 然 而 不 被 列 出 。 我 們 假 設 人 類 所 知 的 物 理 定 律 ， 亦 普 遍 適 用 於 宇 宙 任 何 一 個 角 落 ， 沒 有 了 這 個 假 設 便 萬 事 皆 休 ， 甚 麼 天 文 物 理 便 會 失 去 一 切 意 義 。 遙 遠 恆 星 和 星 系 的 研 究 結 果 仍 然 支 持 這 個 假 設 。

均 勻 性 原 理 ： 這 個 原 理 假 設 宇 宙 的 物 質 是 均 勻 地 散 佈 在 整 個 宇 宙 內 。 若 我 們 只 看 宇 宙 局 部 地 方 ， 這 個 假 設 當 然 不 對 ， 例 如 在 太 陽 系 內 大 部 分 的 物 質 集 中 在 太 陽 身 上 ； 銀 河 系 內 大 部 分 的 恆 星 集 中 在 銀 盤 上 。 那 麼 究 竟 這 個 假 設 是 不 是 完 全 錯 誤 呢 ？



銀 河 系 是 本 星 系 團 其 中 一 員 ， 這 個 星 系 集 團 包 括 了 M31 仙 女 座 大 星 系 、 大 麥 哲 倫 雲 和 小 麥 哲 倫 雲 等 星 系 。 一 個 典 型 的 星 系 團 大 小 約 一 百 萬 秒 差 距 ， 包 含 大 約 1000 個 星 系 。 眾 多 星 系 團 又 再 組 成 一 個 橫 跨 1 億 秒 差 距 、 包 含 100 個 星 系 團 的 超 星 系 團 。 本 星 系 團 和 例 如 室 女 座 星 系 團 等 附 近 星 系 團 ， 便 組 成 了 稱 為 本 超 星 系 團 的 超 星 系 團 。

從 更 大 尺 度 來 看 ， 最 近 的 星 系 研 究 顯 示 ， 星 系 分 佈 有 天 文 學 家 稱 為 「 長 城 」 和 「 空 洞 」 的 大 尺 度 結 構 。 難 道 我 們 的 宇 宙 並 不 是 均 勻 的 ？ 雖 然 最 新 的 研 究 結 果 皆 顯 示 了 宇 宙 大 尺 度 結 構 的 存 在 ， 但 我 們 的 答 案 依 然 是 「 不 」 ， 我 們 仍 懷 疑 宇 宙 物 質 的 分 佈 在 更 大 更 大 尺 度 的 層 面 可 能 是 均 勻 的 。 無 論 如 何 ， 均 勻 性 原 理 大 大 簡 化 了 我 們 的 宇 宙 模 型 ， 讓 我 們 無 須 迷 失 於 複 雜 的 運 算 中 。



各 向 同 性 原 理 ： 這 個 原 理 假 設 無 論 我 們 向 宇 宙 哪 一 個 方 向 觀 察 ， 所 看 到 的 皆 會 差 不 多 。 各 向 同 性 和 均 勻 性 不 同 ， 宇 宙 可 以 是 均 勻 但 不 是 各 向 同 性 ， 或 各 向 同 性 但 不 是 均 勻 的 。


宇 宙 微 波 背 景 輻 射
1965 年 ， 科 學 家 發 現 天 空 任 何 方 向 皆 可 偵 測 到 微 波 ， 這 是 一 個 重 要 的 天 文 發 現 ， 但 研 究 員 卻 懵 然 不 知 ， 後 來 才 知 道 這 些 微 波 來 自 宇 宙 ， 而 這 些 輻 射 的 光 譜 對 應 於 絕 對 溫 度 為 3K 的 黑 體 輻 射 。 經 過 合 理 的 修 正 ， 天 文 學 家 發 覺 這 些 輻 射 顯 示 了 高 度 的 均 勻 性 和 各 向 同 性 。 我 們 相 信 它 們 是 宇 宙 初 開 後 所 殘 留 的 輻 射 。 這 個 發 現 ， 增 加 了 我 們 對 宇 宙 學 原 理 的 信 心 。


鳴 謝﹕ STScI.


奧 伯 斯 佯 謬
不 要 被 這 個 名 稱 嚇 跑 ， 這 個 佯 謬 其 實 很 簡 單 ─ 「 為 甚 麼 天 會 是 黑 的 呢 ？ 」 如 果 宇 宙 是 無 限 而 且 恆 星 的 分 佈 是 均 勻 的 ， 那 麼 無 論 我 們 望 向 哪 一 方 ， 只 要 看 得 夠 遠 ， 視 線 最 終 總 會 碰 到 一 顆 恆 星 ， 換 言 之 ， 天 空 將 會 和 白 晝 一 樣 光 亮 ！
有 很 多 人 用 了 簡 單 的 方 法 回 答 這 個 問 題 ， 但 可 惜 絕 大 部 分 是 錯 的 。 正 確 的 解 答 應 該 是 由 於 光 線 需 要 時 間 到 達 地 球 ， 當 我 們 望 向 宇 宙 深 處 ， 我 們 其 實 不 單 止 在 看 一 些 遙 遠 的 物 體 ， 我 們 其 實 正 同 時 窺 伺 著 宇 宙 的 過 去 ， 結 果 只 要 超 越 某 一 距 離 仍 看 不 見 星 星 ， 那 麼 更 遠 之 處 亦 不 可 能 會 有 ， 因 為 在 這 之 前 宇 宙 中 還 末 有 恆 星 誕 生 ， 這 樣 便 能 解 決 奧 伯 斯 佯 謬 。 問 題 是 我 們 怎 麼 知 道 宇 宙 的 年 齡 是 有 限 的 呢 ？


宇 宙 紅 移 和 哈 勃 定 律
天 文 學 家 發 現 絕 大 部 分 星 系 皆 有 紅 移 現 象 ， 即 星 系 的 輻 射 向 長 波 長 方 向 偏 移 。
我 們 通 常 用 z 來 表 示 紅 移 的 幅 度 ：


z = 波 長 的 變 化 / 原 本 波 長 。
例 如 某 星 系 的 某 一 譜 線 波 長 為 515 納 米 ， 但 在 地 球 上 ， 同 一 譜 線 的 波 長 卻 為 500 納 米 ， 那 麼 波 長 的 變 化 為 15 納 米 ， 原 本 波 長 為 500 納 米 ， 所 以 紅 移 量 z 等 於 0.03 。

紅 移 是 由 多 普 勒 效 應 造 成 的 ， 所 以 星 系 紅 移 越 大 ， 表 示 它 正 以 更 高 的 速 度 遠 離 我 們 。 若 紅 移 z 比 1 少 得 多 ﹐ 則 我 們 便 可 用 以 下 公 式 找 出 星 系 的 退 行 速 度 v ：


v = z c
公 式 中 的 c 為 光 速 ， 即 約 3x108 米 / 秒 。 把 數 值 代 入 ， 便 可 以 得 出 以 上 例 子 的 星 系 退 行 速 度 為 每 秒 九 千 公 里 。

假 若 星 系 運 動 的 方 向 是 隨 機 的 ， 那 麼 應 該 有 一 半 的 星 系 正 在 遠 離 我 們 ， 另 一 半 則 接 近 我 們 ， 但 結 果 實 在 出 人 意 表 ， 哈 勃 發 現 不 單 絕 大 部 分 星 系 正 在 遠 離 我 們 ， 而 且 它 們 的 退 行 速 度 和 與 地 球 的 距 離 成 正 比 ， 這 個 關 係 可 以 下 式 表 示 ：


v = H d
公 式 中 的 H 是 一 個 比 例 常 數 ， 我 們 稱 之 為 哈 勃 常 數 ， 而 這 個 定 律 稱 為 哈 勃 定 律 。 簡 單 來 說 ， 這 個 定 律 說 星 系 離 我 們 越 遠 ， 遠 離 我 們 的 速 度 越 高 。 哈 勃 常 數 可 能 是 最 難 以 量 度 的 天 文 參 數 ， 不 同 的 天 文 學 家 用 不 同 的 方 法 ， 得 出 不 同 的 結 果 ， 計 算 出 的 數 值 由 50 公 里 / 秒 / 百 萬 秒 差 距 至 100 公 里 / 秒 / 百 萬 秒 差 距 不 等 ， 現 在 最 被 廣 泛 接 受 的 數 值 約 為 60 公 里 / 秒 / 百 萬 秒 差 距 。 假 若 我 們 可 以 準 確 得 出 哈 勃 常 數 ， 那 麼 我 們 便 可 以 輕 易 利 用 它 計 算 出 星 系 的 距 離 。 例 如 上 例 中 的 星 系 ， 如 果 哈 勃 常 數 是 60 的 話 ， 它 便 距 離 地 球 150 百 萬 秒 差 距 。




大 爆 炸 理 論
在 以 上 章 節 我 們 已 羅 列 了 不 少 有 關 宇 宙 的 觀 測 結 果 ， 現 在 我 們 將 要 討 論 一 個 廣 為 科 學 界 所 接 受 的 宇 宙 演 化 理 論 ─ 大 爆 炸 理 論 ﹐ 它 是 一 個 既 簡 單 又 符 合 觀 測 結 果 的 理 論 。 宇 宙 不 是 無 紿 無 終 的 ， 它 亦 有 一 個 起 源 ， 一 個 誕 生 點 ， 當 宇 宙 的 年 齡 只 有 1 微 秒 的 時 候 ， 宇 宙 的 一 切 皆 擠 壓 在 一 個 細 小 、 高 密 度 的 熾 熱 火 球 內 ， 溫 度 達 1012 K 。 由 誕 生 開 始 ， 宇 宙 便 不 斷 膨 脹 ， 溫 度 亦 同 時 不 斷 下 降 ， 現 在 的 溫 度 只 剩 下 3 K ， 這 便 是 3K 背 景 輻 射 的 由 來 。
某 程 度 上 來 說 ， 宇 宙 的 演 化 有 如 烘 葡 萄 乾 麵 包 ， 隨 著 麵 包 不 斷 脹 大 ， 葡 萄 乾 的 距 離 亦 不 斷 增 加 。 假 若 你 是 其 中 一 顆 葡 萄 乾 上 的 螞 蟻 ， 你 會 看 見 所 有 葡 萄 乾 皆 離 你 越 來 越 遠 ， 同 時 ， 離 你 越 遠 的 葡 萄 乾 ， 離 開 你 的 速 度 亦 越 快 。



大 爆 炸 理 論 亦 解 釋 了 宇 宙 紅 移 。 一 個 遙 遠 的 星 系 ， 由 於 它 的 光 線 需 要 更 長 的 時 間 才 能 到 達 地 球 ， 在 光 線 進 行 的 時 間 裡 ， 宇 宙 的 膨 脹 會 把 光 子 的 波 長 拉 長 。



利 用 大 爆 炸 理 論 亦 可 以 估 算 宇 宙 的 年 齡 ， 由 於 我 們 知 道 星 系 的 退 行 速 度 ， 只 要 我 們 來 一 個 倒 鏡 ， 計 算 所 有 星 系 回 到 原 點 所 需 的 時 間 ， 便 可 得 出 宇 宙 的 年 齡 ， 結 果 是 大 約 有 150 億 年 ( 1.5x1010 年 ) 。


宇 宙 的 演 化 與 未 來
究 竟 一 個 熾 熱 、 高 密 度 而 細 小 的 火 球 怎 樣 可 以 成 為 現 今 的 宇 宙 ， 一 直 是 天 文 學 上 的 一 個 大 課 題 。 我 們 仍 未 弄 清 宇 宙 的 大 尺 度 結 構 和 星 系 是 怎 樣 形 成 的 ， 但 我 們 相 信 在 最 初 的 數 百 萬 年 ， 宇 宙 中 充 滿 著 光 子 ， 數 量 可 比 其 他 物 質 多 ， 再 經 過 約 數 百 萬 年 ， 物 質 才 成 為 宇 宙 的 主 要 成 分 ， 並 開 始 形 成 了 大 尺 度 結 構 和 星 系 。


宇 宙 的 質 量 密 度 決 定 了 宇 宙 的 命 運 ， 假 若 質 量 密 度 大 過 某 一 稱 為 臨 界 密 度 的 數 值 ， 引 力 便 足 以 使 宇 宙 停 止 膨 脹 ， 並 令 它 重 新 收 縮 ， 這 稱 為 封 閉 宇 宙 ； 若 質 量 密 度 比 臨 界 值 少 ， 宇 宙 便 會 無 休 止 地 膨 脹 ， 我 們 稱 之 為 開 放 宇 宙 ； 最 後 若 密 度 和 臨 界 值 一 樣 ， 便 會 得 出 一 個 平 坦 而 開 放 的 宇 宙 。



封 閉 宇 宙 就 好 像 球 體 的 表 面 ， 大 小 有 限 但 無 邊 。 開 放 宇 宙 是 無 限 大 的 ， 而 它 的 幾 何 特 性 和 雙 曲 面 相 似 。 宇 宙 的 幾 何 特 性 會 影 響 三 角 形 的 內 角 和 ， 但 這 牽 涉 到 非 歐 幾 理 得 幾 何 ， 篇 幅 所 限 ， 我 們 不 能 作 深 入 探 討 。



要 準 確 量 度 宇 宙 的 質 量 密 度 非 常 困 難 ， 最 大 的 障 礙 來 自 宇 宙 的 黑 暗 物 質 ， 這 些 物 質 眼 不 能 見 ， 我 們 仍 無 法 準 確 估 計 它 們 的 數 量 ， 引 力 透 鏡 效 應 雖 然 對 估 計 宇 宙 空 間 物 質 的 質 量 有 點 幫 助 ， 但 仍 不 足 夠 。 另 一 個 大 難 題 是 究 竟 中 微 子 有 沒 有 質 量 ？ 由 於 宇 宙 有 大 量 中 微 子 ， 即 使 每 顆 中 微 子 的 重 量 微 不 足 道 ， 但 累 積 起 來 的 數 目 卻 絕 不 能 小 覷 。



總 括 來 說 ， 雖 然 最 新 的 研 究 表 示 我 們 可 能 在 一 個 開 放 的 宇 宙 內 ﹐ 但 我 們 仍 不 能 肯 定 ﹐ 天 文 學 家 仍 需 努 力 。


http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/Edu...res/chap19.html