chapter3

1. chapter3 從地球看星空

2. 3-1認識星空 • 恆星的亮度與顏色 • 視星等—相對星等:為了比較各種天體的亮度，我們把看到的亮度用視星等表示。 • 將織女星的亮度定為0等，星星愈亮，則星等愈小。北極星是2等星，而肉眼所能見到最暗的約是6等星 。 • 視星等的數字愈小，表示亮度愈亮。 • 視星等並非表示星星本身的發光強度（光度），因為還與觀察距離有關係。 • 絕對星等--要比較實際光度，必須放在相同的距離比較， • 例如夜空中最亮的天狼星，視星等為 －1.5，太陽的視星等則為 －26.7等。從地球上看來，太陽比天狼星明亮許多，但是若將兩者放在相同距離，就會發現天狼星的實際光度約是太陽的25倍。 • 在地球上觀看天體的亮度，會與天體的光度成正比，與天體的距離平方成反比。 • 絕對星等是假定各天體距離地球32.6光年時所測得的視星等，因為距離相同，所以能比較恆星的實際光度大小。

3. 圖3-1 視星等的數字愈小，表示亮度愈亮。

4. 3-1認識星空 • 恆星的亮度與顏色 • 恆星之所以會呈現出不同的顏色，與其表面溫度有關。 • 藍色恆星表面溫度較高，白色次之，然後依序是黃色及紅色的恆星。 • 例如看起來是藍白色的天狼星，表面溫度較高；而獵戶座中的參宿四 及天蝎座中的心宿二 皆偏紅色，表面溫度較低。 • 行星與衛星不會自行發光，而是反射恆星的光。 • 不同化學成分所反射及吸收的光不同，造成行星與衛星的特有顏色，例如在太空中看到的地球主要是藍色和白色，是因為有海洋和雲，而火星之所以呈現火紅色，就是因為表面富含氧化鐵的關係。

5. 圖3-2 天狼星是夜空中看起來最亮的恆星，它和南河三、參宿四組成明顯的冬季大三角。 圖3-3 天蝎座，白色箭頭所指為心宿二，顏色偏紅。

6. 3-1認識星空 • 天球與星座 • 如何觀測星空？ • 天球說--天空像個巨大的空心半圓球般籠罩著地面，而一閃一閃的星星就像鑲嵌在這個黑色的球狀布幕上，我們把這個假想的球面稱為天球 。 • 從前的人認為太陽、月球和星星都固定在天球上，規律的繞著地球轉動。雖然現在我們已經知道星星與地球的距離遠近不同，而且也不是繞著地球轉，但是仍沿用天球的概念，用來標示出天體在天空中的位置。 • 地球赤道延伸與天球的交線稱為天球赤道。天球上的坐標以赤經及赤緯表示。 • 星空的劃分—星座 • 天球上的坐標有如地球儀上的經緯度，而用星座劃分天域就像是地表的國家劃分。 • 在古埃及和巴比倫時期，就已經有星座的概念，古人根據想像，把鄰近的亮星連成各種器具、人物或動物的形狀，對於當時的方位判斷、曆法與占星學都有不小的影響。 • 同星座的成員間其實可能相距甚遠，彼此也沒有關聯，它們只不過是投影在天球上的位置很接近而已，例如北斗七星的天璇和瑤光分別距離地球62光年和110光年。

7. 圖3-4 (a)天空看來就像個圓形的半球狀天幕； 圖3-4 (b)天球是個假想的球面，以地球為圓心。

8. 天球模型是以地球為中心的假想球，由地球赤道延伸出去的平面在這天球上的交界線稱為天球赤道，而太陽在天球上運行的軌跡稱為黃道。

9. 北斗七星這七顆星星離地球遠近不一，只是由地球看去，天球上的投影恰巧形成一個勺子形狀。

10. 3-1認識星空 • 星座概說 • 中國、埃及和美索不達米亞平原等古文明，對於星座各有不同的劃分與名稱： • 例如中國的北斗七星，就是西方大熊座的一部分。 • 為了統一星座的名稱，國際天文聯合會（IAU）在1930年時，把全天球劃分成88個星座，也定出各自的範圍。 • 各星座所涵蓋的天域大小不同，而且星星的個數、明亮程度也不同。有些星座明顯易認，適合做為認識星空的入門， • 例如春季夜空的獅子座、夏夜南方的天蝎座 及天頂的天鵝座 、秋天的仙后座 圖、冬季的獵戶座等 。另外有些星座則因為亮星較少，不易辨認，例如巨蟹座。 • 個別星星的命名，則是以星座名稱為主，大致依照亮度分別加上希臘字母，最亮的為α，次亮的為β，依此類推 。例如天琴座α就是我們所稱的織女星；天鷹座α俗稱牽牛星或牛郎星，在中國天文學中的正式名稱是河鼓二。而對於為數愈來愈多的暗星，則採取系統性命名，例如依照位置順序來編號等。

11. 圖3-6 天鵝座。

12. 圖3-8 同一星座的成員與地球的距離可能各不相同，但因為投影而使得位置看起來相近；以想像力將相鄰恆星連成獵人形狀，成為獵戶座。

13. 3-2觀察星空 • 天體的運行—週日運動 • 在同一個夜晚觀察天空一段時間，會發現星星隨著時間慢慢向西移動 ，而且和太陽、月亮一樣有東升西落的現象。 • 由長時間曝光的星空照片 看來，所有恆星都繞著天球北極轉，一天繞一圈，這樣的現象稱為周日運動。 • 事實上真正在轉動的不是天上的星星，而是我們自己。地球以貫穿南北極的自轉軸為軸心，每天由西向東自轉一圈，但在地球上的人不會感覺自己在轉，而以為是整個天球由東向西轉 。 • 北極星位在極軸附近，因此看起來幾乎沒有移動。

14. 圖3-9 6月中旬大約晚上9點鐘，觀測者面向東方，看到夏季大三角恰好從東方地平線升起；一個鐘頭以後，同樣三顆星升到仰角更高處。

15. 圖3-10 星的周日運動：由長時間曝光的照片可以看出，天空中的星星都繞著天球北極轉。你能指出哪一顆是北極星嗎？這張照片大約拍攝了多久呢？

16. B A’ B’ A 30∘ 30∘ 天北極 東 → ← 西 北 朝向北極星的周日運動

17. 圖3-11 我們跟著地球繞自轉軸由西向東自轉，因此天上的天體看起來便像是繞著極軸由東向西轉，一天繞一圈。恆星在天空中的軌跡會隨著觀測地點的緯度而不同。你能看出如何判斷各地的恆星軌跡嗎？

18. 不同緯度所見星空不同

19. 3-2觀察星空 • 天體的運行—週年運動 • 除了一天中的變化之外，星空也因季節而改變，這是地球繞太陽公轉的緣故 。 • 面對太陽時，因為陽光太強看不到天空中的星星，所以地球上的人只在自轉到背對太陽時的夜晚才看到星星。 • 地球公轉到軌道上不同位置時，便看到不同方向的星空，稱為周年運動。 • 地球的自轉與公轉都是逆時鐘方向，使得同一顆恆星每天會提早四分鐘出現在天空中相同的位置。 • 為了呈現星空因周日、周年運動而產生的變化，我們可以將該地緯度所能看到的天區製成星座盤。內盤隨著時間改變而轉動時，呈現在外盤圓圈內（表示地平面以上）的星空範圍也會隨之改變。此外，在不同緯度看到的星空範圍不同，所以使用的星座盤也不一樣。

20. 圖3-13 地球繞太陽公轉，造成在不同月分看到的星空有所不同（非實際比例）。

23. 3-2觀察星空 • 太陽在天球上的軌跡 • 地球繞太陽公轉的軌道並非正圓，而是略呈橢圓形，因此地球與太陽的距離並非保持一定。 • 每年約在1月2日時，地球距離太陽最近，該位置稱為近日點，此時是北半球的冬季；約7月4日時，地球距離太陽最遠，稱為遠日點，此時反而是北半球的夏季。由此可見，距離太陽的遠近並不是造成季節的主要因素。 • 事實上，地球與太陽的距離在遠日點時只比近日點多了約3％，但陽光的直射與斜射使日照的分配遠超過距離所造成的差別 。 • 地球自轉軸相對於公轉軸傾斜23.5°，公轉時，自轉軸的指向維持不變 ，因此地球公轉一圈的過程中，陽光會直射地表不同緯度。 • 太陽在天球上的位置也會不斷改變 。太陽在天球上的運行軌跡稱為黃道，與天球赤道交角23.5°。 • 每年春分時節（約3月21日），太陽在天球上的位置通過天球赤道，位於春分點，此時太陽直射地球赤道。接著，陽光直射區域逐漸北移，直到夏至（約6月21日）時直射北回歸線，太陽在天球上的位置抵達天球赤道北方23.5°的夏至點。然後太陽直射區域南移，秋分時（約9月23日）再次直射赤道，太陽在天球上的位置為秋分點。秋分之後，陽光直射區域繼續南移，冬至（約12月23日）時直射南回歸線，太陽在天球上的位置則在天球赤道南方23.5°的冬至點。

24. 圖3-16 a和其他恆星不同，太陽在天球上的位置會改變；夏至時在天球赤道以北，春、秋分時在天球赤道上，冬至時位在天球赤道以南，b因此太陽在天空中的軌跡會隨日期而改變，圖為嘉義地區太陽軌跡的變化情形。

25. 太陽在天空中的位置 • 對於站在北回歸線上的人來說，方位如下圖虛線所示。 • 以夏至時為例，陽光直射北回歸線（圖中紅線）。對A點的人來說，日出時太陽在1為東偏北；正午時，太陽在2為頭頂；日落時，太陽在3為西偏北。

26. 東方 圖3-18 此照片是由不同時間拍攝的三張照片拼成，合成後照片的中央為東方。春、秋分時太陽由正東方（圖片中央）升起，夏至時太陽由東偏北（圖左）升起，冬至時則是由東偏南（圖右）升起。

27. 3-2觀察星空 • 太陽在天球上的軌跡 • 太陽和銀河系中其他恆星都繞著銀河中心公轉，但兩億多年才轉一圈，因此短時間內，天空中恆星彼此間相對位置的改變並不明顯，所以星座大致維持一定的形狀。 • 但過了數萬年以上，因為相對位置改變明顯，星座的形狀也可能會改變 。 • 行星則因為距離我們較近，有各自不同的公轉速度，造成行星在天空中相對於恆星的位置會不斷改變。

28. 圖3-19 a恆星各自的運動快慢、方向不同，恆星間的相對位置，經過很長的時間後，會有顯著的改變。b北斗七星10萬年後構成的圖樣。

29. 3-2觀察星空 • 天文觀測 • 星星發出的光經過遙遠距離到達地球，因此光線微弱，所以我們藉助望遠鏡來研究它們。 • 望遠鏡可以聚集光線，來觀察昏暗的天體。例如肉眼可見最暗天體為6等星，而大口徑的望遠鏡搭配靈敏的儀器，可以看到最暗天體的星等為二十幾等，太空望遠鏡甚至可以達到將近30等 。 • 天體發出的電磁波經過地球大氣層時遭到氣體吸收，只有極少部分的波段能夠到達地面 ，因此要觀測某些波段就必須在高海拔地點或太空中觀測。 • 大氣對天文觀測的影響，除了波段限制以外，還包括空氣流動所造成的影像模糊。。

30. 圖3-30 電磁波在進入大氣時，大多會被大氣吸收或反射，只有可見光、 無線電波以及部分紅外線得以抵達地表。

31. 3-2觀察星空 • 天文觀測 • 觀測星星宜在光害小、海拔高、晴天率高且氣流穩定的地點，因此在玉山國家公園旁便建有「鹿林天文臺」，進行觀測研究工作 。 • 此外，我們也利用人造衛星，因為其具備跨國界、無地理障礙，以及長時間觀測的優點，也適用於天文研究。將望遠鏡置於太空，是減少大氣干擾最好的辦法，但是花費昂貴，且技術上也較困難。 • 除了軌道上的望遠鏡 ，科學家也發射太空船前往太陽系其他天體，就近觀察、研究。例如1977年發射升空的航海家一號，傳回許多關於類木行星的資料，目前仍持續向外飛行，距離太陽已經超過100 AU，是目前飛行最遠的人造物體。 • 阿波羅任務在1969年成功登陸月球，揭開月球長久以來的神祕面紗，也帶回月球的岩石標本。 • 2004年發射的羅塞塔太空船，預計2014年降落在彗星上，飛行的過程中，也對小行星進行觀測。

32. 圖3-21 鹿林天文臺海拔2862公尺，當地天氣晴朗，氣流穩定，適合進行天文觀測。照片中遮罩內為口徑一公尺之光學望遠鏡。

33. 圖3-22 將望遠鏡發射到太空中，避免大氣阻隔與影響，可以清晰觀測到更遙遠的天體。圖中為哈伯太空望遠鏡。

34. 補充—天文望遠鏡原理 • 天文望遠鏡種類 ： • 1. 折射式天文望遠鏡：最早期的天文望遠鏡是折射式, 它由簡單的透鏡所組成。 • 2. 反射式天文望遠鏡：它的構造簡單,主要是由底部的一面反射鏡和另一組次鏡所組成. 由於反射鏡片研磨容易, 光線又不通過鏡片內部, 價錢比同口徑的折射鏡片便宜好多, 所以成為天文望遠鏡的主流. • 3. 折反射式天文望遠鏡：折反射式天文望遠鏡是在鏡筒前端裝上一片修正鏡, 再加上反射鏡和次鏡所組成. 它具有口徑大, 焦距長, 筒身短的優點.

35. 折射式

36. 反射式

37. 補充—天文望遠鏡原理 • 選擇天文望遠鏡的考量 ： • 聚光能力(light gathering power)與望遠鏡的口徑的平方成正比，也就是望遠鏡的口徑愈大， 望遠鏡的聚光能力愈強。集光力 = 口徑2(以 mm 計)／49 。 • 解析能力 (resolving power)可解析角度 與望遠鏡的口徑的成反比，也就是望遠鏡的口徑愈大， 可解析角度愈小，解析能力愈強。可解析角度(秒角)：α= 1.22 λ/D。λ是光的波長，D式望遠鏡的口徑 • 放大能力(magnification)：MM = 物鏡焦距/目鏡焦距：放大率為物鏡焦長與目鏡焦長比。

38. 3-3浩瀚的宇宙 • 宇宙的結構 • 透過望遠鏡觀察，我們發現夜空中除了恆星之外，還有許多星團、星雲和星系。 • 千億顆恆星因萬有引力聚集在一起構成星系，有著明顯外形，我們的太陽以及夜空中看到的恆星都是位在稱為銀河系的星系內 。 • 銀河系的外形呈現螺旋狀，大多數恆星聚集在盤面上，整個盤面直徑約10萬光年。 • 太陽距離中心約3萬光年，由太陽系往銀河系盤面看去，會看到恆星與雲氣密集分布的帶狀，有如銀白色的河流，稱為銀河 。

39. 圖3-23 銀河系示意圖。圖是斜向俯視圖，可以看到銀河盤面上的螺旋臂結構。圖是側視圖，星球與星際塵氣分布在扁平的盤狀結構中。銀河盤的上下四周則散布一些大型球狀星團，各自包含數十萬到數百萬顆恆星。

40. 3-3浩瀚的宇宙 • 宇宙的結構 • 星系中除了恆星，還有星團、星雲。 • 星團是指一群恆星因引力聚集在一起，可分為球狀星團與疏散星團: 球狀星團由成千上萬的恆星密集形成，外觀呈現球狀對稱的形狀 ；疏散星團則由約數百到上千顆恆星聚集，結構較為鬆散 。 • 星雲為散布在恆星之間的塵埃和氣體。根據是否發光，分為亮星雲與黑暗星雲 。 • 恆星是由星雲收縮而形成，藉由核融合反應產生能量，當中心的燃料用完，無法再進行核反應來對抗向內收縮的萬有引力時，恆星就會快速向內收縮，終致爆發，將核反應所製造出的複雜元素散布到太空中，成為製造下一代恆星的材料。。

41. b a • 圖3-25 (a) 球狀星團M15，包含了約百萬顆恆星；(b)昴宿星團，俗稱「七姊妹」星團屬於疏散星團，約有100多顆恆星。

42. 圖3-26 星際雲氣由氣體及塵埃組成。(a)有些雲氣當中的濃厚塵埃遮蔽後方的恆星或亮星雲，成為黑暗星雲。圖中的黑暗星雲，位於獵戶座方向，恰巧形成像馬頭的形狀，故稱為「馬頭星雲」；(b)有些雲氣反射鄰近亮星的光線，或受星光激發而發光。

43. 圖3-27 蟹狀星雲是恆星爆發所產生的雲氣。

44. 3-3浩瀚的宇宙 • 宇宙的結構 • 星系的形狀有許多種，有些看起來像橢圓球體 ，有些呈螺旋狀 ，有的形狀不規則 ，有些星系除了螺旋結構，在核心還有棒狀結構 。 • 我們位在銀河系內，無法得知銀河系的外觀，但根據研究得知，銀河系的外觀應和仙女座星系 一樣屬於螺旋狀星系。大麥哲倫雲與小麥哲倫雲 為銀河系周圍的衛星星系，屬於不規則星系，距離銀河系只有十幾萬光年。 • 銀河系有兩個小型星系相伴，稱為大麥哲倫雲及小麥哲倫雲，見於南半球夜空，因當年跟隨麥哲倫環球探險的船員，返鄉後向友人敘述這兩團「雲」而得名。 • 星系並非均勻分布在太空中，而常集結成群，依星系數量多寡稱為星系群或星系團 。 • 銀河系所屬的本星系群，有數十個成員，包括大麥哲倫星系、小麥哲倫星系和仙女座星系在內。有些星系團包含多達上千個星系。星系團又會群聚，構成超星系團或更大尺度的結構。目前天文學家利用望遠鏡偵測到上億個星系，但也只是宇宙的一個小角落

45. 圖3-28 星系有不同的外形：橢圓星系；螺旋星系；不規則星系；棒旋星系。

46. 圖3-29 仙女座星系位於仙女座方向，是大型星系。外觀、大小、質量皆和銀河系相當，也有螺旋結構。周圍兩個橢圓光團則為兩個小型星系，是仙女座星系的衛星星系。

47. 從我們的銀河系看出去，最明亮的星系是大麥哲倫星雲 (LMC)。 通常只有住在地球南半球居民才看得到的大麥哲倫星雲 ，是離我們第二近的星系，它也是小麥哲倫星雲 (SMC)的近鄰。在繞著銀河系公轉的11個矮星系中，大麥哲倫星雲也是其中之一。 大麥哲倫星雲是個不規則星系，它有個由年老紅色恆星所組成的棒狀核心，外面環繞著年輕的的藍色恆星，以及靠近上面這張影像頂端的明亮紅色恆星形成區 - 蜘蛛星雲。 近代最明亮的超新星SN1987A，就是發生在大麥哲倫星雲裡。

48. 葡萄牙航海探險家麥哲倫以及他的船員，在他們第一次的地球環繞航行中，擁有不少的時間研究 南半球的天空。 因此，在南半球星空仰望中、特別容易找到的兩大星空奇景就稱為麥哲倫星雲。 現在已經瞭解到這些宇宙雲是不正常矮星系，也就是我們較大螺旋銀河星系的衛星。 上圖所示的小麥哲倫星雲事實上延展了起碼15,000光年長，並且包含了幾億顆的星星。 與杜鵑星座距離約210,000光年之遠，他是第四座靠近銀河的已知衛星星系，繼小犬星座、人馬矮星系以及大麥哲倫星雲之後。 此壯觀的圖片還包還了兩個球狀前景，星群NGC362（上左）以及杜鵑47。 壯麗的杜鵑47僅僅13,000光年遠，並且從此圖看來位在小麥哲倫星雲的右邊。

49. 3-3浩瀚的宇宙 • 宇宙的結構 • 至今觀測到最遙遠的星系，距離地球超過100億光年，因此推估宇宙的大小至少有100億光年。 • 也因為這些光需旅行100億年，才能抵達地球而被觀測到，可見宇宙的年齡至少有100億年。 • 目前人類登陸最遠至月球；飛行最遠的太空船「航海家一號」旅行了26年，距離地球「僅」約0.0015光年，浩瀚的宇宙還有許多神祕的未知等著我們去發掘。

50. 圖3-31 深邃的太空中有數以千億計的星系，有些群聚在一起構成星系團，此處所示為室女座星系團，包含了數千個星系，距離我們約6000萬光年。 • 圖3-32 將視野由地球不斷向外延伸，由地球到太陽系，再到鄰近恆星，擴展到銀河系以及本星系群，即使再向外放大300倍，仍僅是浩瀚宇宙的一個小角落。