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第 5 單元：宇宙 1 行星與恆星. 202 10460. 演化 宇宙. 人. 物理系 侯維恕. 物理系 侯維恕. 本著作除另有註明外，採取 創用 CC 「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣 2.5 版 授權釋出. 本作品由 Princeton University Press 同意課程：演化、宇宙、人使用，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。. 開場：創世可以有所不同嗎？ 第一段：從大爆炸到生命層 行星與恆星 生命與自覺意識 原子、星星、銀河 銀河之上 銀河系之前 黑洞與時光機
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第5單元：宇宙1 行星與恆星 202 10460 演化 宇宙 人 物理系 侯維恕 物理系 侯維恕 本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出
本作品由Princeton University Press 同意課程：演化、宇宙、人使用，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。 • 開場：創世可以有所不同嗎？ • 第一段：從大爆炸到生命層 • 行星與恆星 • 生命與自覺意識 • 原子、星星、銀河 • 銀河之上 • 銀河系之前 • 黑洞與時光機 • 第二段：起初與末了 • 減速抑加速？ • 很久以後： • 事情的起頭 ― 頭一毫秒 • 第三段：基要與臆測 • 穹蒼與微觀世界 • 多重宇宙與人本論證 Our Cosmic Habitat Paperback, 224 pages Princeton University Press (2003) 已獲作者同意爲授課做中文翻譯 自己組織起來去買
I.從大爆炸到生命圈 1. 行星與恆星 • 太陽 達爾文vs凱耳文；能源；生命歷程 • 其他太陽系 行星形成；偵測 • 其他地球 搜尋地球型行星
202 10460 太陽 太陽爲什麼放光？ 這麼久！﹖ 「這顆行星循著恆常的重力週而復始運行時， 從如此簡單的開始，最絢麗的形體 ... 曾經、也正在演化出來。」 達爾文《物種源始》 演化是很慢、很慢的 ...
Darwin’s home 千萬代的人類 ClemRutter Weald of Kent 肯特森林地 ~ 3億年 (從侵蝕率) 地質學
達爾文 凱耳文 Lord Kelvin(1824-1907) 22歲物理教授 (0∘C≅ 273 ∘K) ca. 1860, 51歲 Weald of Kent 肯特森林地 ▶ 地球融鎔核心的熱能只要 ~幾百萬年便會冷卻掉 ▶ 太陽因輻射快速失去熱能 ~千萬年便會扁掉 ~ 3億年 (從侵蝕率) 地質學 「除非在創造的大倉庫裡有我們 現今所不知道的新源頭 ...」 WilliamThomson, “On the Age of the Sun’s Heat”, Macmillan’s Magazine, (March 5) 1862, 5, 388 1859
▶ 神秘的放射線：原子內潛藏著 未知的能量 ▶ 地球核心的放射衰變所產生的 能量，可添補所散失的熱能！ ⇨太陽的能源!﹖ Dmitri Ivanovich Mendeléev 門得列夫 Henri Becquerel 1903 諾貝爾獎 (1900：Röntgen) 貝克芮於1896年發現 鈾鹽可以隔著不透光 的黑紙讓底片感光， 但不能穿透金屬。 林勇智
巨大能量 ▶ 神秘的放射線：原子內潛藏著 未知的能量 ▶ 地球核心的放射衰變所產生的 能量，可添補所散失的熱能！ E = mc2 但！ 氦核質量 < 2x質子質量 + 2x中子質量 ⇨太陽的能源！ Fastfission 1900-1930：量子物理 ⇨ 解釋了元素週期表 ▶ 原子序 =質子數 =電子數 ▶ 原子 ~ 10-10 m (Å) 原子核 ~ 10-15 m (fm) ▶ 原子核：質子、中子 構成 例如，氫核 = p 氦核 = 2p + 2n 核反應釋放的能量是化學反應的百萬倍 林勇智
巨大能量 ▶ 神秘的放射線：原子內潛藏著 未知的能量 ▶ 地球核心的放射衰變所產生的 能量，可添補所散失的熱能！ E = mc2 但！ 氦核質量 < 2x 質子質量 + 2x 中子質量 ⇨太陽的能源！ 太陽主要能源：pp循環或鏈 Fastfission 氫 氘 1900-1930：量子物理 ⇨ 解釋了元素週期表 ▶ 原子序 =質子數 =電子數 ▶ 原子 ~ 10-8 m (Å) 原子核 ~ 10-15 m (fm) ▶ 原子核：質子、中子 構成 例如，氫核 = p 氦核 = 2p + 2n p n 氦-3 氦 台大物理系 侯維恕 4p → 4He + 2e+ + 2n + 2g + energy
HansBethe的Los Alamos工作證 ▶ pp如何克服庫倫斥力(異性相斥)？ 1928伽茂夫:高溫與量子「穿隧」 ⇨ 太陽內部 ~ 1700萬度 太陽的能源 ▶ 詳細核反應：1938年漢斯•貝特 ⇨1967諾貝爾物理獎 [貝特於2005年過世，享壽99歲] 極慢的核融合反應 George Gamow (1904-1968) 太陽主要能源：pp循環(或鏈) 氫 氘 氚 p n 在創造的大倉庫裡有凱耳文所不知道的新源頭 氦 台大物理系 侯維恕 4p → 4He + 2e+ + 2n + 2g + energy
太陽 太陽爲什麼放光？ 這麼久！﹖ 「這顆行星循著恆常的重力週而復始運行時， 從如此簡單的開始，最絢麗的形體 ... 曾經、也正在演化出來。」 達爾文《物種源始》 演化是很慢、很慢的 ...
太陽的一生 雲氣重力收縮 ⇨ 增溫 ⇨ 點燃核融合 平衡：核反應率 ~表面散失之熱能 約45億歲 NASA/ESA 紅巨星 台大物理系 侯維恕 Eagle Nebula
1 AU = 日地距離 ▶ 核心的氫已耗盡 ⇨ 氦核收縮增溫， 點燃外面一層的氫； 較高的核心溫度導致 較高的反應速率 ⇨ 亮度增千、萬倍 外層膨脹如右 表面溫度下降 ∴「紅巨星」,約五億年 太陽成為紅巨星 ⇒ 直徑約2倍日地距離 ▶ 所有的氫幾乎耗盡 ⇨ 核心收縮、增溫 ⇨ 氦核點燃 (約一億度) 可能「氦閃」多次 最後炸掉外層(行星狀星雲) 裡頭留下「白矮星」 太陽當今直徑約日地距離1% NASA/ESA Mysid 行星狀星雲 紅巨星 白矮星
太陽的一生 中 途 約45億歲 紅巨星 白矮星 台大物理系 侯維恕
b c HR 8799 d 其他太陽系 行星如何形成？ 如何偵測？ 129光年外，飛馬(Pegasus)座 2008年夏威夷Keck望遠鏡紅外影像，使用「適應光學」
450光年外，金牛座 ~ 20光年 獵戶大星雲 獵戶座 行星如何形成？ 原始行星盤proplyd: protoplanetarydisks 一個巨大分子雲，受擾動(譬如鄰近之超新星爆炸)導致 一個區塊因重力而塌陷。多數質量集中到中心形成太陽 (星球)，但部分質量因角動量(旋轉)的緣故形成盤面。 盤面有許多大小 石塊「微行星」， 互擊累積成行星。 Mouser NASA proplyd with “jet” NASA proplyds NASA NASA/ESA NASA
(行星)如何偵測？ 變高 低 ▶ 用都卜勒Doppler效應偵測： 「救護車鳴笛聲」 紅 變藍 1995年Michel Mayor & Didier Queloz 首次偵測到似太陽星球 51 Pegasi (飛馬51)之 木星大小行星： 變紅 行星 ~ 50 km/s 恆星~ 50 m/s 變藍 質心 (不動) 質比~ 1/1000 巨蟹座 ▶ 至今已發現400多顆 數組已有直接顯影！ 55 Cancri已發現5顆行星 55 Cancri f 軌道在合適區 用「凌星」(擋光)偵測法 的刻卜勒太空望遠鏡已在 2009年3月初發射升空
Exoplanet Discovery by year [Extrasolar planet] 視線速度法(都卜勒效應) 「凌星」(擋光)偵測法 「微透鏡」法 波霎計時法 直接顯影 ▶ 至今已發現400多顆 數組已有直接顯影！ 用「凌星」(擋光)偵測法 的刻卜勒太空望遠鏡已在 2009年3月初發射升空
刻卜勒太空望遠鏡的觀測視野 凌星(擋光)偵測法 http://www.nasa.gov/pdf/189566main_Kepler_Mission.pdf 織女 NASA NASA NASA
其他地球 搜尋地球型行星 這個方法篩選的是木星型行星 地球型行星太沒「份量」了 NASA
愛丁頓 Eddington，歐洲太空署ESA 搜尋50萬顆星，尋找 小至火星大小的行星 取 消 ESA
地球型行星搜尋者 Terrestrial Planet Finder NASA 歸零式多望遠鏡干涉儀 藉干涉技術將中央星減 弱亮度百萬至十億倍， 好讓微弱的地球型行星 顯影。 無 限 期 展 延 太 陽 NASA • 歐洲類似的達爾文任務 的開發也停頓了 無論如何，人類會繼續下去 • 還有一些其他的新穎方案 ... 如New World Mission
