| 長 度 (米) | 例 子 |
|---|---|
| > 1026 | 整 個 宇 宙 |
| 1026 | 類 星 體 和 地 球 的 距 離 ( 著 名 類 星 體 3C273 . 鳴 謝︰ NOAO/NSF.) |
| 1024 | 星 系 團 ( 星 系 團 其 中 一 個 例 子 ﹐ 在 3C324 附 近. 鳴 謝︰ STScI.) |
| 1021 | 星 系 ( 典 型 星 系 M31. 鳴 謝︰ 美 國 太 空 總 署 (NASA).) |
| 1018 | 球 狀 星 團 ( 典 型 球 狀 星 團 M80. 鳴 謝︰ STScI.) |
| 1016 | 星 雲 ( 氣 體 塵 埃 團 ) ( 馬 頭 星 雲, (C) Anglo-Australian Observatory and Photograph by David Malin.), 光 年 |
| 1013 | 太 陽 系 |
| 109 | 太 陽 |
| 107 | 地 球 |
| 106 | 萬 里 長 城 總 長 |
| 102 | 一 般 建 築 物 高 度 |
| 100 | 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 | 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 |
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 。
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 。
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 。
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 。
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 。
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 。
天 空 把 我 們 四 方 八 面 包 圍 著 ， 對 我 們 來 說 ， 可 以 把 天 空 幻 想 成 一 個 被 稱 為 天 球 的 玻 璃 球 ， 而 地 球 就 孤 懸 在 這 個 天 球 中 央 。 所 有 的 天 體 看 來 皆 處 於 天 球 表 面 之 上 。
每 個 家 庭 都 有 一 個 地 址 ， 固 定 在 天 球 上 的 星 星 亦 需 一 套 座 標 系 統 來 標 示 它 們 在 天 球 上 的 位 置 。 這 套 座 標 系 統 和 地 球 上 慣 用 的 經 緯 度 座 標 十 分 相 似 。 只 要 我 們 將 地 球 的 自 轉 軸 無 限 延 長 ， 便 會 穿 過 假 想 天 球 的 兩 極 ， 我 們 稱 之 為 天 球 北 極 和 天 球 南 極 。 而 把 地 球 的 赤 道 投 射 到 天 球 上 ， 便 成 為 天 球 赤 道 。
赤 經 的 算 法 較 特 別 ， 和 地 球 經 度 ( 由 -180 度 至 +180 度 ) 的 算 法 不 同 ， 赤 經 是 在 天 球 赤 道 自 西 向 東 由 0 小 時 至 24 小 時 。 和 時 間 一 樣 ， 赤 經 的 每 小 時 可 分 為 60 分 ， 每 分 可 再 細 分 為 60 秒 ( 註 ： 赤 經 的 分 秒 並 不 等 如 角 度 用 的 角 分 角 秒 ﹐ 你 能 指 出 他 們 的 分 別 嗎 ？ ) 。 赤 經 計 算 的 起 點 為 春 分 點 ， 相 信 你 仍 記 得 春 分 點 是 天 球 赤 道 和 黃 道 的 其 中 一 個 相 交 點 。
附 註 ：
黃 道 在 天 球 上 經 過 不 少 星 座 ， 統 稱 為 黃 道 十 二 宮 ， 這 些 星 座 是 較 重 要 和 較 為 人 所 熟 識 的 ( 蛇 夫 座 不 算 是 黃 道 星 座 之 一 ， 請 參 看 第 二 章 ) 。 每 年 一 月 前 後 ， 太 陽 便 會 進 入 人 馬 座 ， 在 晚 上 九 時 左 右 ， 我 們 可 以 看 見 金 牛 座 、 雙 子 座 等 高 掛 夜 空 ， 由 於 一 月 是 冬 季 ， 這 時 看 到 的 星 空 稱 為 冬 季 星 空 。 同 理 ， 在 其 他 季 節 我 們 可 以 看 到 其 他 季 節 的 星 座 。
但 當 我 們 使 用 星 圖 時 ， 我 們 須 要 把 星 圖 高 舉 過 頭 ， 仰 首 望 之 。 你 可 有 留 意 ， 星 圖 上 的 東 西 方 向 和 普 通 地 圖 相 反 。
星 圖 種 類 繁 多 。 以 下 的 星 圖 摘 錄 自 香 港 太 空 館 的 網 頁 。 這 幅 星 圖 顯 示 了 某 時 某 地 所 看 到 的 星 空 ， 星 座 加 了 連 線 ， 是 為 了 方 便 使 用 者 辨 認 星 座 。 較 大 的 黑 點 不 表 示 那 顆 星 星 的 體 積 較 大 ， 只 表 示 那 顆 星 星 較 光 亮 ， 我 們 會 在 以 後 章 節 討 論 到 星 星 的 亮 度 。
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| 鳴 謝﹕ 香 港 太 空 館. |
這 幅 星 圖 只 是 讓 你 們 見 識 一 下 專 業 的 星 圖 是 甚 麼 模 樣 ， 它 與 現 時 所 印 製 的 星 圖 中 最 詳 盡 的 相 似 。 這 幅 星 圖 看 似 很 大 ， 其 實 只 顯 示 了 以 上 簡 單 星 圖 中 紅 色 圈 中 的 星 區 而 已 。
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 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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 ：
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| 鳴 謝﹕ JPL / 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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 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 。
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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
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 。
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| 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 。
除 此 之 外 ，大 口 徑 望 遠 鏡 亦 會 提 供 更 佳 的 分 辨 率 ， 就 算 用 和 小 口 徑 望 遠 鏡 一 樣 的 倍 率 ， 影 像 看 來 也 較 細 緻 和 清 晰 。
基 本 來 說 ， 望 遠 鏡 主 要 有 三 大 類 ： 折 射 望 遠 鏡 、 反 射 望 遠 鏡 和 折 反 射 式 望 遠 鏡 。 折 射 式 望 遠 鏡 利 用 一 塊 凸 透 鏡 作 主 鏡 ， 以 收 集 及 屈 折 光 線 到 焦 點 上 。 反 射 式 望 遠 鏡 則 使 用 一 塊 凹 鏡 作 主 鏡 。 顧 名 思 義 ， 折 反 射 式 則 在 入 口 處 有 一 塊 稱 為 修 正 鏡 的 透 鏡 及 在 底 部 有 一 塊 凹 鏡 。 以 下 是 三 類 望 遠 鏡 的 構 造 圖 。
通 常 來 說 ， 除 了 一 塊 主 鏡 之 外 ， 望 遠 鏡 內 有 很 多 其 他 透 鏡 及 反 射 鏡 ， 把 光 線 導 引 及 屈 折 到 一 個 方 便 觀 看 的 位 置 上 ， 就 有 如 下 圖 所 示 。
常 見 的 誤 解 ：
除 了 我 們 討 論 過 的 可 見 光 望 遠 鏡 外 ， 有 些 望 遠 鏡 是 用 來 觀 測 無 線 電 波 、 紅 外 線 、 X 射 線 或 伽 瑪 射 線 的 。 望 遠 鏡 亦 可 固 定 在 地 面 或 在 太 空 中 繞 地 球 運 行 。 太 空 望 遠 鏡 其 中 一 個 好 處 是 不 受 大 氣 層 ( 如 密 雲 或 大 氣 擾 動 ) 的 影 響 ， 下 圖 是 位 於 波 多 黎 各 一 個 山 谷 中、世 界 上 口 徑 最 大 、 直 徑 300 米 的 阿 雷 西 博 射 電 望 遠 鏡 。
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光 的 顏 色 是 由 光 的 頻 率 所 決 定 。
可 見 光 的 波 長 介 乎 400 納 米 至 700 納 米 之 間 ( 一 納 米 相 等 於 10-9 米 ) ， 相 較 於 可 見 光 ， 紅 外 線 及 無 線 電 波 的 波 長 較 長 ， 而 頻 率 亦 較 低 ， 而 紫 外 光 及 伽 瑪 射 線 則 波 長 短 頻 率 高 。 下 圖 顯 示 了 地 球 大 氣 層 對 不 同 波 長 的 電 磁 波 的 阻 光 性 ， 雖 然 可 見 光 基 本 上 可 暢 通 無 阻 ， 伽 瑪 射 線 卻 會 被 大 氣 層 所 阻 隔 ， 所 以 伽 瑪 射 線 望 遠 鏡 必 須 要 放 入 太 空 軌 道 才 能 發 揮 功 用 。
怎 樣 可 以 產 生 光 ？ 我 們 不 是 上 帝 ， 當 然 不 可 以 說 一 聲 ： 「 要 有 光 」 ， 便 可 把 光 製 造 出 來 。 其 實 要 製 造 光 倒 不 難 ， 只 要 我 們 把 一 些 物 件 加 熱 便 行 。 溫 度 低 時 發 放 的 是 紅 外 線 ， 但 當 溫 度 繼 續 上 升 ， 物 件 會 首 先 燒 得 通 紅 ， 發 出 紅 光 ， 然 後 是 黃 光 、 白 光 ， 最 後 是 藍 光 。
事 實 上 ， 只 要 溫 度 高 於 絕 對 零 度 ， 物 體 皆 會 放 出 不 同 頻 率 的 電 磁 波 。 若 我 們 以 輻 射 的 強 度 為 縱 軸 ， 輻 射 頻 率 為 橫 軸 ， 繪 畫 出 一 幅 圖 表 ， 我 們 會 得 出 輻 射 的 光 譜 ， 這 圖 表 又 稱 為 黑 體 輻 射 光 譜 。 對 於 溫 暖 的 物 體 ，光 譜 的 峰 值 為 紅 光 ； 較 熾 熱 的 物 體 ， 峰 值 會 移 至 黃 光 ， 如 此 類 推 。 因 此 ， 我 們 可 以 根 據 恆 星 的 顏 色 ， 得 知 它 的 表 面 溫 度 。
在 公 式 中 ， v 是 天 體 遠 離 我 們 的 速 度 ， c 則 為 光 速 。 只 要 比 對 恆 星 光 譜 中 吸 收 線 的 波 長 和 實 驗 室 中 同 一 物 質 的 吸 收 線 波 長 ， 我 們 便 可 以 計 算 出 天 體 究 竟 以 甚 麼 速 度 遠 離 或 接 近 我 們 。
要 注 意 的 是 ， 等 數 越 大 ， 恆 星 越 暗 。 我 們 隨 意 找 了 一 顆 恆 星 ， 把 它 的 亮 度 定 義 為 0 等 ， 那 麼 ， 因 為 2.515=100 ﹐ 1 等 星 的 光 度 便 會 比 它 暗 2.51 倍 ， 而 5 等 星 的 光 度 便 剛 好 暗 上 100 倍 。 光 度 I 和 等 數 m 的 關 係 式 為
( 你 可 能 會 問：「 I0 的 值 為 何 ？ 」 ) 下 圖 便 顯 示 了 一 些 常 見 物 體 的 等 數 。
我 們 相 信 在 五 十 億 年 以 前 ， 有 一 團 旋 轉 的 氣 體 及 塵 埃 ， 在 自 身 的 引 力 作 用 下 開 始 收 縮 。 根 據 角 動 量 守 衡 定 律 ， 我 們 知 道 在 沒 有 外 力 的 情 況 下 ， 它 會 不 斷 旋 轉 ， 直 至 永 遠 ， 而 且 物 體 收 縮 得 越 細 ， 旋 轉 速 度 越 大 。 這 團 氣 體 的 收 縮 ， 導 至 旋 轉 速 度 增 加 ， 再 加 上 氣 體 粒 子 之 間 的 摩 擦 ， 令 氣 體 團 變 形 成 為 碟 狀 ， 我 們 稱 之 為 吸 積 盤 。
這 個 收 縮 過 程 不 斷 持 續 ， 直 至 中 心 部 分 形 成 一 顆 恆 星 ─ 我 們 的 太 陽 。 遠 離 但 繞 著 中 心 旋 轉 的 物 質 會 各 自 收 縮 ， 形 成 行 星 。 氣 體 塵 埃 雲 原 先 的 轉 動 ， 成 了 行 星 公 轉 和 太 陽 自 轉 的 原 動 力 。 整 個 過 程 大 約 用 了 十 億 年 。
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比 對 於 和 太 陽 的 距 離 ， 行 星 的 大 小 實 在 微 不 足 道 ， 舉 例 來 說 ， 地 球 與 太 陽 的 平 均 距 離 稱 為 一 個 天 文 單 位 ， 一 個 天 文 單 位 約 等 於 1.5x1011 米 ﹐ 又 約 為 地 球 直 徑 的 一 萬 倍 。 下 圖 顯 示 了 行 星 軌 道 的 大 小 。 在 太 陽 系 中 ， 除 了 九 大 行 星 外 ， 還 有 很 多 好 像 小 行 星 、 彗 星 等 小 成 員 。
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地 球 的 質 量 為 6x1024 千 克 ， 密 度 為 水 的 五 倍 ， 而 半 徑 則 為 6,400 公 里 。 所 以 ， 光 只 須 一 秒 就 可 以 環 繞 地 球 七 圈 半 。 地 球 最 高 的 山 峰 約 高 9,000 米 ， 和 地 球 的 大 小 相 比 ， 它 只 是 地 球 表 面 一 條 不 起 眼 的 小 縐 摺 。
地 球 只 有 一 個 自 然 衛 星 ， 即 我 們 所 熟 悉 的 月 球 ， 我 們 將 在 下 章 詳 細 介 紹 它 。
根 據 著 名 的 板 塊 大 地 構 造 學 說 ， 地 殼 並 不 是 一 個 堅 硬 的 球 體 ， 而 是 由 一 些 連 綿 數 千 公 里 ， 但 厚 度 卻 只 有 50 公 里 ， 漂 浮 在 熾 熱 的 軟 流 層 上 的 板 塊 所 組 成 。
地 心 的 旋 轉 產 生 了 地 球 的 磁 場 ， 有 趣 的 是 ， 磁 軸 不 單 和 地 球 自 轉 軸 不 一 致 ， 而 且 並 不 穿 過 地 球 的 中 心 。
地 球 的 磁 場 會 吸 引 太 陽 風 內 的 帶 電 粒 子 ， 當 這 些 粒 子 衝 擊 地 球 大 氣 中 的 原 子 或 分 子 時 ， 這 些 原 子 或 分 子 便 會 放 光 ， 產 生 絢 麗 奪 目 的 極 光 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
科 學 家 曾 經 發 現 大 部 分 行 星 亦 有 磁 場 和 極 光 現 象 ， 暗 示 這 些 行 星 和 地 球 一 樣 ， 亦 擁 有 大 氣 。 地 球 的 大 氣 層 含 有 78% 的 氮 、 21% 的 氧 及 其 他 例 如 二 氧 化 碳 及 氬 等 氣 體 。 二 氧 化 碳 及 二 氧 化 硫 等 氣 體 稱 為 溫 室 氣 體 ﹐ 他 們 能 有 效 地 阻 擋 紅 外 線 向 外 太 空 輻 射 ﹐ 從 而 令 地 球 的 溫 度 升 高 ﹐ 這 便 是 溫 室 效 應 。 大 氣 中 溫 室 氣 體 的 多 少 決 定 溫 室 效 應 的 強 弱 ﹐ 在 第 八 章 中 我 們 會 看 到 大 量 的 溫 室 氣 體 能 強 烈 影 響 一 顆 行 星 的 表 面 溫 度 。
地 球 的 大 氣 擾 動 令 星 光 閃 爍 不 定 ， 它 更 會 散 射 光 線 ， 由 於 藍 光 比 紅 光 更 容 易 被 大 氣 所 散 射 ， 所 以 藍 光 在 大 氣 中 不 能 及 遠 ， 而 紅 光 則 基 本 上 暢 通 無 阻 ， 結 果 在 黃 昏 時 ， 只 有 紅 光 能 直 達 地 面 ， 而 藍 光 則 被 大 氣 散 射 得 七 零 八 落 ， 出 現 了 令 無 數 情 侶 陶 醉 的 紅 日 倚 山 的 美 景 。
除 了 人 狼 我 們 存 而 不 論 之 外 ， 在 眾 多 月 球 對 地 球 所 造 成 的 現 象 中 ， 最 廣 為 人 知 的 非 潮 汐 莫 屬 。 從 下 圖 中 我 們 可 以 看 到 月 球 的 引 力 作 用 ， 以 對 近 月 的 海 水 最 強 、 地 球 本 身 次 之 ， 而 對 遠 端 的 海 水 最 弱 。 相 對 於 地 心 來 說 ， 這 個 引 力 差 所 造 成 的 現 象 於 再 下 圖 顯 示 ， 即 形 成 了 兩 處 隆 起 的 海 水 。 由 於 地 球 每 天 會 在 這 橢 圓 形 的 海 水 中 轉 上 一 圈 ， 所 以 同 一 地 點 會 經 過 這 兩 個 隆 起 部 分 各 一 次 ， 出 現 了 一 天 兩 次 潮 漲 的 現 象 。
除 了 月 球 外 ﹐ 太 陽 也 會 吸 引 地 球 及 地 球 的 海 水 ﹐ 在 新 月 或 滿 月 的 日 子 ﹐ 月 球 和 太 陽 的 影 響 會 疊 加 在 一 起 ﹐ 所 以 當 日 的 潮 漲 比 其 他 日 子 的 潮 漲 更 高 。
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| 鳴 謝﹕朱 明 中 及 李 啟 明 |
月 面 上 較 暗 的 部 分 稱 為 月 海 ， 這 種 海 滴 水 全 無 ， 只 有 在 遠 古 月 球 外 殼 形 成 時 凝 固 了 的 熔 岩 。 其 實 月 面 上 的 「 山 」 不 是 山 ， 而 是 由 巨 大 星 際 物 質 撞 擊 月 面 時 所 形 成 的 環 形 山 ( 或 隕 坑 ) 。 月 面 上 保 存 了 大 量 完 好 的 環 形 山 ， 暗 示 了 月 球 內 部 的 演 化 已 處 於 停 滯 期 ， 甚 至 可 以 說 月 球 已 死 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
月 球 是 人 類 唯 一 踏 足 過 的 天 體 ， 自 六 十 年 代 末 期 至 七 十 年 代 初 ， 美 國 名 為 阿 波 羅 登 陸 月 球 計 劃 ， 便 有 六 次 升 空 任 務 能 成 功 登 陸 月 球 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
兩 次 新 月 之 間 相 隔 29.5 日 ， 這 個 盈 虧 周 期 稱 為 盈 虧 月 。 月 球 的 自 轉 周 期 剛 好 和 它 的 繞 地 公 轉 周 期 相 等 ， 這 種 情 形 稱 為 同 步 自 轉 ， 因 此 ， 在 地 球 上 的 人 類 永 遠 只 能 看 到 月 球 近 地 的 一 面 。 同 步 自 轉 的 出 現 絕 不 是 意 外 巧 合 ， 由 於 月 球 的 質 心 並 不 位 於 月 球 的 中 心 位 置 ， 而 是 較 月 心 更 接 近 地 球 ， 結 果 在 相 互 的 引 力 作 用 下 ， 最 終 把 月 球 的 自 轉 和 公 轉 周 期 鎖 定 成 一 比 一 。
現 時 有 兩 個 流 行 的 月 球 形 成 理 論 ─ 雙 生 說 和 撞 擊 說 。 雙 生 說 認 為 月 球 和 地 球 從 同 一 團 氣 體 雲 中 產 生 ； 而 較 多 人 接 受 的 撞 擊 說 則 認 為 當 地 球 年 青 時 ， 有 一 顆 火 星 大 小 的 天 體 和 地 球 相 撞 ， 濺 出 的 物 質 最 終 收 縮 而 形 成 了 月 球 。 當 月 球 冷 卻 硬 化 時 ， 地 球 的 強 大 引 力 令 月 球 的 質 心 產 生 偏 移 。
由 於 月 球 本 身 不 發 光 ， 只 是 反 射 太 陽 光 ， 所 以 會 出 現 月 相 的 變 化 。 盈 虧 周 期 由 新 月 開 始 ， 經 過 娥 眉 月 、 上 弦 月 、 張 弦 月 ( 盈 凸 月 ) 、 滿 月 ( 望 ) 、 張 弦 月 ( 虧 凸 月 ) 、 下 弦 月 、 殘 月 ， 最 後 回 到 新 月 。
下 圖 是 月 全 食 過 程 的 照 片 ， 要 注 意 的 是 圖 片 中 的 紅 月 亮 ( 月 全 食 ) 的 曝 光 時 間 較 第 一 幅 的 長 ， 事 實 上 ， 月 全 食 時 的 月 亮 會 比 在 偏 食 階 段 時 暗 淡 得 多 。 ( 相 中 的 白 點 是 一 顆 背 景 星 。 )
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| 鳴 謝﹕ 香 港 太 空 館, 黃 衍 蕃 攝 影. |
當 月 球 躲 在 地 球 背 後 ， 便 會 發 生 月 食 ， 但 為 甚 麼 不 是 每 次 月 圓 都 出 現 月 食 現 象 呢 ？ 原 來 月 球 的 公 轉 軌 道 平 面 和 地 球 的 公 轉 平 面 並 不 一 致 ， 因 此 在 滿 月 時 ， 月 球 通 常 不 是 在 地 球 軌 道 平 面 之 南 ， 就 是 在 其 北 ， 難 得 會 進 入 位 於 軌 道 平 面 的 地 影 內 ， 所 以 大 部 分 滿 月 都 不 會 出 現 月 食 。 同 樣 道 理 ， 大 部 分 新 月 ( 初 一 ) 皆 不 可 以 看 到 日 食 。
若 將 上 一 段 文 字 中 月 球 和 地 球 的 角 色 互 換 ﹐便 會 發 生 日 食 。 最 普 遍 的 日 食 是 日 偏 食 ( 警 告 ： 在 沒 有 適 當 減 光 設 備 下 直 接 觀 看 太 陽 非 常 危 險 ， 可 致 失 明 ﹐ 我 們 將 會 在 第 十 一 章 介 紹 如 何 安 全 觀 測 太 陽 ) 。
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| 鳴 謝﹕ 香 港 太 空 館, 葉 賜 權 攝 影. |
假 若 你 有 幸 在 適 當 的 時 間 剛 好 在 適 當 的 地 方 ， 便 會 看 見 難 得 一 見 的 日 全 食 奇 景 。 可 惜 的 是 ， 由 於 全 食 帶 非 常 狹 窄 ， 每 次 發 生 日 全 食 ， 世 界 上 只 有 很 少 地 方 可 以 看 到 。 假 若 你 妄 圖 以 靜 制 動 ， 留 在 一 地 守 株 待 免 ， 恐 怕 終 其 一 生 也 不 會 看 到 一 次 日 全 食 。
日 全 食 是 最 震 憾 人 心 的 天 文 現 象 之 一 ， 每 逢 發 生 日 全 食 ， 不 少 人 皆 不 惜 遠 涉 重 洋 ， 只 為 能 身 臨 其 會 。 以 下 的 圖 片 讓 你 先 睹 日 食 的 風 采 。 接 近 日 全 食 的 時 候 ， 由 於 月 球 的 邊 緣 丁 點 的 凹 凸 不 平 ， 部 分 太 陽 光 線 會 在 凹 位 漏 了 出 來 ， 形 成 不 連 續 的 光 點 。 在 日 全 食 前 的 一 刻 ﹐ 我 們 只 能 見 到 太 陽 的 極 小 部 分 ﹐ 如 下 圖 所 示 ﹐ 這 個 現 象 稱 為 鑽 石 環 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
日 全 食 時 ， 天 昏 地 暗 ， 宛 如 暮 色 朧 合 四 野 ， 天 上 你 可 看 見 光 星 和 行 星 ， 太 陽 表 面 由 於 被 月 球 完 全 掩 蓋 ， 原 本 非 常 暗 淡 的 日 冕 這 時 清 晰 可 見 。 一 般 來 說 ， 日 全 食 過 程 約 維 持 兩 分 鐘 左 右 ， 接 著 鑽 石 環 復 現 ， 日 全 食 結 束 。
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| 鳴 謝﹕ 香 港 太 空 館, 葉 賜 權 攝 影. |
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| 鳴 謝﹕ US Air Force Solar Observatory at Holloman Air Force Base, NM, USA and Space Environmental Center (SEC), National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Dept of Commerce, USA. |
由 於 潮 汐 摩 擦 作 用 ， 月 球 正 逐 漸 遠 離 地 球 ， 數 萬 年 後 ， 月 球 的 視 直 徑 會 變 得 很 小 ， 屆 時 地 球 上 便 再 不 能 看 到 日 全 食 了 。
| 直 徑 ( 地 球 = 1 ) | 質 量 比 ( 地 球 = 1 ) | 密 度 ( 水 = 1 ) | 公 轉 周 期 | 恆 星 日 長 度 | 衛 星 數 目 | |
| 水 星 | 0.38 | 0.06 | 5.4 | 88 日 | 59 日 | 0 |
| 金 星 | 0.95 | 0.82 | 5.2 | 224 日 | 243 日 | 0 |
| 地 球 | 1 | 1 | 5.5 | 365 日 | 24 小 時 | 1 |
| 火 星 | 0.53 | 0.11 | 3.9 | 687 日 | 25 小 時 | 2 |
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| 鳴 謝﹕ JPL/ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
水 星 最 令 人 矚 目 的 特 徵 是 它 表 面 佈 滿 隕 石 坑 ， 大 部 分 是 由 流 星 體 所 造 成 。 撞 擊 坑 典 型 的 特 徵 包 括 輻 射 紋 和 坑 中 心 的 小 山 丘 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA) . |
金 星 擁 有 一 層 濃 密 的 大 氣 ， 氣 壓 為 地 球 的 90 倍 。 大 氣 主 要 由 90% 二 氧 化 碳 、 3% 氮 及 小 量 二 氧 化 硫 組 成 ， 整 個 行 星 表 面 被 硫 酸 ( H2SO4 ) 雲 所 覆 蓋 ， 所 以 金 星 上 的 雨 是 名 乎 其 實 的 酸 雨 。
金 星 大 氣 中 充 滿 二 氧 化 碳 等 溫 室 氣 體 ， 能 把 吸 收 自 太 陽 的 熱 力 困 囿 於 大 氣 之 中 ， 成 為 有 效 的 溫 室 效 應 ﹐ 因 此 整 個 金 星 表 面 的 溫 度 十 分 一 致 ， 皆 差 不 多 達 攝 氏 500 度 。 酸 雨 溶 解 了 岩 石 中 的 碳 酸 鹽 和 硫 酸 鹽 ， 釋 放 出 二 氧 化 碳 和 二 氧 化 硫 ， 進 一 步 令 大 氣 有 更 強 的 腐 蝕 性 和 溫 室 效 應 。
和 水 星 不 同 的 是 ， 金 星 受 到 濃 密 大 氣 的 保 護 ， 表 面 隕 石 坑 比 較 少 。
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
火 星 有 一 層 十 分 稀 薄 的 大 氣 ， 表 面 氣 壓 只 及 地 球 的 1% 。 大 氣 主 要 由 二 氧 化 碳 (95%) 及 氮 (3%) 組 成 。 火 星 亦 有 雲 ， 有 些 雲 是 白 色 的 ， 由 水 氣 和 二 氧 化 碳 組 成 ； 有 些 雲 則 是 黃 色 的 ， 這 種 雲 滲 雜 了 大 量 沙 塵 。 雖 然 大 氣 主 要 由 二 氧 化 碳 組 成 ， 但 是 火 星 大 氣 實 在 太 稀 薄 ， 不 能 有 效 把 太 陽 熱 力 困 住 ， 因 此 它 的 表 面 溫 度 變 化 很 大 ， 由 攝 氏 -100 度 至 -10 度 不 等 。 此 外 ， 由 於 火 星 距 離 太 陽 遙 遠 ， 所 以 表 面 平 均 溫 度 很 低 。
火 星 和 金 星 的 大 氣 成 分 十 分 相 似 。 事 實 上 ， 在 太 陽 系 形 成 初 期 ， 地 球 、 金 星 和 火 星 的 火 山 活 動 頻 繁 ， 大 氣 皆 主 要 為 二 氧 化 碳 和 水 氣 等 火 山 氣 體 。 跟 火 星 和 金 星 不 同 的 是 ， 地 球 大 氣 中 的 二 氧 化 碳 已 大 部 分 溶 入 水 中 ， 或 是 被 植 物 的 光 合 作 用 消 耗 掉 。
火 星 是 一 顆 紅 色 的 行 星 ， 這 是 由 於 它 的 表 面 有 豐 富 的 氧 化 鐵 。 火 星 和 地 球 一 樣 都 有 極 冠 ， 但 主 要 由 固 態 的 二 氧 化 碳 和 水 組 成 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
火 星 表 面 有 很 多 有 趣 的 地 形 。 首 先 ， 它 的 表 面 有 火 山 ， 而 這 些 火 山 不 少 比 地 球 所 見 的 更 壯 觀 ， 例 如 全 太 陽 系 最 大 的 奧 林 匹 斯 火 山 ， 便 高 達 25 公 里 ( 是 額 非 爾 士 峰 的 三 倍 ) ， 直 徑 600 公 里 。 有 趣 的 是 ， 火 星 上 沒 有 活 躍 火 山 。 火 星 上 仍 能 留 下 大 量 與 火 山 活 動 有 關 的 地 貌 ， 是 由 於 缺 乏 類 似 地 球 的 板 塊 漂 移 運 動 所 致 。
火 星 另 一 個 重 要 特 徵 是 峽 谷 ， 最 大 的 莫 過 於 延 綿 5000 公 里 、 闊 200 公 里 、 深 7 公 里 的 海 員 峽 谷 ( 深 度 是 美 國 大 峽 谷 的 4.4 倍 ) 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
我 們 提 及 過 火 星 沒 有 類 似 地 球 的 板 塊 運 動 ， 這 點 從 火 星 表 面 欠 缺 山 脈 便 可 証 明 。
火 星 有 兩 顆 很 細 小 的 天 然 衛 星 ， 較 大 一 顆 的 半 徑 也 不 到 13 km ﹐ 它 們 都 不 是 球 形 的 ， 卻 倒 像 兩 顆 馬 鈴 薯 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). | 鳴 謝﹕ NASA. |
| 直 徑 ( 地 球 = 1 ) | 質 量 比 ( 地 球 = 1 ) | 密 度 ( 水 = 1 ) | 公 轉 周 期 | 恆 星 日 長 度 | 衛 星 數 目* | |
| 木 星 | 11.2 | 317.9 | 1.3 | 11.9 年 | 10 小 時 | 28 |
| 土 星 | 9.4 | 95.2 | 0.7 | 29.4 年 | 10.7 小 時 | 30 |
| 天 王 星 | 4.0 | 14.5 | 1.3 | 83.8 年 | 17.2 小 時 | 21 |
| 海 王 星 | 3.9 | 17.2 | 1.8 | 163.7 年 | 16.1 小 時 | 8 |
* 直 至 公 元 二 千 零 一 年 六 月 發 現 的 衛 星 數 目。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
木 星 主 要 成 分 為 氫 和 氦 ， 再 加 上 少 量 的 甲 烷 和 阿 摩 尼 亞 。 木 星 表 面 氣 壓 極 大 ， 超 過 地 球 1000 倍 。 由 於 壓 力 驚 人 ， 木 星 的 中 心 由 金 屬 氫 組 成 。 超 高 速 的 自 轉 再 加 上 金 屬 氫 核 心 ， 難 怪 木 星 有 很 強 大 的 磁 場 。
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| Courtesy STScI. |
大 質 量 木 星 的 強 大 引 力 ， 令 內 部 產 生 重 力 塌 縮 ， 不 斷 將 物 質 的 引 力 位 能 轉 化 為 熱 能 ， 結 果 ， 木 星 向 外 太 空 輻 射 的 能 量 ， 比 它 從 太 陽 得 到 的 能 量 還 要 多 。
通 常 我 們 只 可 以 看 到 木 星 的 上 層 大 氣 ， 通 過 普 通 望 遠 鏡 ， 已 能 看 到 木 星 表 面 的 雲 帶 和 斑 。 木 星 的 大 氣 極 度 動 盪 ， 例 如 著 名 的 大 紅 斑 ， 就 是 木 星 上 的 颱 風 ， 它 淡 淡 的 紅 色 來 自 硫 化 物 ， 這 個 風 暴 足 有 地 球 三 倍 大 ， 已 經 颳 了 三 百 多 年 仍 未 止 息 。 木 星 的 表 面 風 速 每 小 時 可 超 過 1000 公 里 。
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). | 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
和 土 星 一 樣 ， 木 星 亦 有 光 環 系 統 ， 但 它 的 光 環 十 分 暗 淡 ， 地 面 望 遠 鏡 根 本 看 不 到 。 事 實 上 ， 光 環 系 統 也 是 四 顆 類 木 行 星 的 共 通 特 徵 。
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
土 星 的 光 環 名 聞 遐 邇 ， 把 它 的 光 環 放 大 ， 我 們 會 發 覺 其 實 它 是 由 無 數 小 環 所 組 成 。 光 環 的 厚 度 約 為 一 公 里 ， 主 要 由 數 毫 米 至 數 米 大 小 的 塵 粒 和 冰 塊 組 成 。 我 們 相 信 在 很 久 以 前 ， 土 星 的 潮 汐 力 曾 把 一 或 數 顆 衛 星 撕 碎 ， 形 成 了 現 在 美 麗 的 光 環 。 只 要 細 心 留 意 ， 便 會 發 覺 土 星 光 環 在 有 很 多 寬 窄 不 一 的 狹 縫 ， 最 明 顯 的 首 推 卡 西 尼 縫 。 部 分 土 星 光 環 ， 在 外 圍 和 內 圍 都 有 一 顆 衛 星 ， 我 們 稱 之 為 牧 羊 衛 星 ， 它 們 的 引 力 作 用 ， 有 牧 羊 犬 的 作 用 ， 可 以 把 離 群 的 碎 片 趕 回 光 環 之 內 。 以 下 圖 片 顯 示 了 天 王 星 的 牧 羊 衛 星 。
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
土 星 有 很 多 衛 星 ， 包 括 著 名 的 土 衛 六 泰 坦 ， 它 擁 有 主 要 由 氮 組 成 的 大 氣 。
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
由 於 大 氣 中 的 甲 烷 散 射 光 線 ， 天 王 星 發 出 蔚 藍 的 顏 色 。 它 和 土 星 、 木 星 在 很 多 方 面 十 分 相 似 ， 例 如 大 氣 成 分 、 內 部 熱 力 轉 化 機 制 、 行 星 磁 場 及 擁 有 光 環 和 大 量 衛 星 等 等 。 下 圖 中 白 色 的 光 跡 是 背 景 星 ﹐ 和 天 王 星 的 環 無 關 。
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
但 是 天 王 星 亦 有 它 獨 特 的 一 面 ， 它 擁 有 一 個 岩 石 核 心 ， 而 且 大 氣 相 對 較 為 平 靜 ， 這 可 以 從 它 缺 乏 表 面 特 徵 證 明 。
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
我 們 對 冥 王 星 的 了 解 不 深 ﹐ 一 來 是 因 為 冥 王 星 距 離 我 們 很 遠 ﹐ 二 來 是 我 們 仍 沒 有 派 遣 太 空 船 到 冥 王 星 作 近 距 離 觀 測 。 ( 相 反 地 ﹐ 我 們 已 經 有 太 空 船 去 觀 測 彗 星 和 小 行 星 。 )
冥 王 星 是 九 大 行 星 中 最 細 小 的 ， 它 的 質 量 少 於 地 球 的 1% ， 而 半 徑 只 有 約 1150 公 里 ， 它 比 月 球 還 要 小 ﹐ 月 球 的 半 徑 大 約 是 1740 公 里 。 冥 王 星 的 密 度 約 為 水 的 2.3 倍 ﹐ 通 常 來 說 ， 類 木 行 星 的 密 度 會 小 於 2 ， 而 類 地 行 星 的 密 度 則 大 於 5 。
冥 王 星 的 軌 道 非 常 特 殊 ， 公 轉 軌 道 和 黃 道 面 的 夾 角 為 17.2 度 。 事 實 上 ， 它 的 軌 道 部 分 在 海 王 星 軌 道 之 內 ， 所 以 從 1979 年 到 1999 年 ， 太 陽 系 內 ， 離 太 陽 最 遠 的 大 行 星 是 海 王 星 而 不 是 冥 王 星 。
冥 王 星 表 面 及 其 大 氣 由 氮 所 組 成 ， 從 其 密 度 推 斷 ， 它 應 有 堅 固 的 表 面 。
冥 王 星 的 衛 星 稱 為 查 戎 ， 直 徑 為 1200 公 里 。 相 對 於 它 所 圍 繞 的 行 星 來 說 ， 它 實 在 非 常 巨 大 ， 直 徑 是 冥 王 星 一 半 多 一 點 。 此 外 ， 查 戎 的 公 轉 周 期 和 冥 王 星 的 自 轉 周 期 一 樣 ， 所 以 它 是 一 顆 同 步 衛 星 。 換 句 話 說 ， 在 冥 王 星 表 面 ， 其 中 一 半 可 以 永 遠 在 天 空 差 不 多 同 一 地 方 看 到 查 戎 ， 但 另 一 半 卻 永 不 見 其 蹤 影 。 查 戎 是 整 個 太 陽 系 已 知 唯 一 的 天 然 同 步 衛 星 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
我 們 通 常 把 彗 星 看 成 為 一 個 「 髒 雪 球 」 。 在 彗 星 中 心 是 一 顆 由 凝 固 了 的 氣 體 和 塵 埃 組 成 、 直 徑 小 於 10 公 里 的 細 小 彗 核 。 當 彗 星 接 近 太 陽 的 時 候 ， 這 些 凝 固 了 的 氣 體 便 會 受 熱 蒸 發 而 產 生 彗 髮 。 當 它 進 一 步 接 近 太 陽 ， 太 陽 風 ( 太 陽 發 射 的 帶 電 粒 子 ) 及 太 陽 輻 射 壓 ( 請 參 閱 第 十 一 章 ) 便 會 把 這 些 氣 體 塵 埃 向 後 推 ，形 成 美 麗 而 壯 觀 的 彗 尾 ， 這 也 是 彗 尾 為 甚 麼 會 永 遠 背 著 太 陽 的 原 因 。
粗 略 來 說 ， 彗 星 可 以 開 放 或 封 閉 式 軌 道 繞 日 運 行 。 以 開 放 式 軌 道 繞 日 運 行 的 彗 星 只 會 經 過 太 陽 一 次 ， 但 封 閉 式 軌 道 彗 星 ( 即 橢 圓 形 軌 道 ) 則 可 造 訪 太 陽 多 次 。 最 出 名 的 封 閉 式 軌 道 彗 星 當 然 是 以 76 年 的 周 期 繞 日 運 行 的 哈 雷 彗 星 。
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
這 是 小 行 星 依 達 ， 右 方 的 小 白 點 為 其 衛 星 達 克 圖 。
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| 鳴 謝﹕ JPL/美 國 太 空 總 署 (NASA). |
由 於 小 行 星 會 在 背 景 天 空 上 運 行 ， 所 要 只 要 以 長 期 曝 光 的 方 式 拍 攝 ， 便 會 發 覺 小 行 星 的 影 像 會 成 了 一 條 光 跡 ， 這 也 是 大 多 數 天 文 學 家 尋 找 小 行 星 的 方 法 。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA) 和 US Geological Survey 的 D. Roddy. |
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 。
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| 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 。
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| 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 。
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| 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 。
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| 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 。
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| 鳴 謝﹕ NOAO/NSF. |
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| 版 權 所 有 Carnegie Institution of Washington. |
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 」 。
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
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 。 )
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 。
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 。
有 兩 種 安 全 的 方 法 觀 測 太 陽 ：
緊 記 ， 以 下 並 不 是 觀 測 太 陽 的 安 全 方 法 ：
恆 星 離 我 們 越 遠 ， 看 來 便 會 越 暗 。 事 實 上 ， 一 顆 恆 星 的 光 到 達 觀 測 者 時 的 強 度 ， 和 兩 者 距 離 的 平 方 成 反 比 。
若 恆 星 和 觀 測 者 的 距 離 倍 增 ， 那 麼 看 到 的 恆 星 光 度 便 只 及 原 來 的 四 分 之 一 ， 這 就 是 平 方 反 比 定 律 。 利 用 光 度 ( I ) 和 星 等 ( m ) 的 關 係
我 們 得 出 星 等 約 增 加 1.5 。
因 此 ， 視 星 等 並 不 足 以 顯 示 出 恆 星 的 內 在 特 質 。 要 知 道 一 顆 恆 星 的 真 實 亮 度 ， 我 們 要 同 時 知 道 它 的 距 離 ， 所 以 科 學 家 引 入 絕 對 星 等 這 個 概 念 ， 方 便 比 較 不 同 恆 星 的 真 實 亮 度 。 絕 對 星 等 是 恆 星 距 離 為 約 32 光 年 ( 或 10 秒 差 距 ﹐ 請 參 閱 下 一 節 ) 時 的 星 等 。 例 如 太 陽 的 視 星 等 為 -26.9 等 ， 但 它 的 絕 對 星 等 只 有 4.8 等 。 絕 對 星 等 顯 示 了 一 顆 星 的 真 實 光 度 ， 亦 即 它 一 秒 鐘 內 輻 射 了 多 少 能 量 。 絕 對 星 等 的 概 念 可 推 廣 至 星 團 、 星 系 等 。
天 體 離 我 們 非 常 遙 遠 ， 日 常 所 用 的 距 離 單 位 ( 例 如 米 、 公 里 等 ) ， 使 用 起 來 實 在 太 累 贅 麻 煩 。 在 天 文 學 上 ， 太 陽 系 內 天 體 的 距 離 慣 用 天 文 單 位 來 表 示 ， 一 天 文 單 位 即 太 陽 和 地 球 的 平 均 距 離 ( 請 參 閱 第 六 章 ) 。 對 於 遙 遠 的 恆 星 ， 我 們 會 採 用 光 年 為 量 度 單 位 ， 一 光 年 是 光 在 真 空 中 行 走 一 年 的 距 離 ， 緊 記 光 年 是 距 離 單 位 而 不 是 時 間 單 位 。 你 知 道 一 光 年 有 多 少 米 嗎 ？
另 一 個 常 用 的 距 離 單 位 是 秒 差 距 。 地 球 圍 繞 太 陽 公 轉 ， 一 些 離 我 們 較 近 的 恆 星 ， 會 由 於 我 們 觀 看 位 置 的 改 變 ， 相 對 於 遙 遠 恆 星 所 構 成 的 背 景 星 空 來 說 ， 會 出 現 視 位 置 的 改 變 ， 這 種 現 象 稱 為 視 差 。 最 容 易 看 到 恆 星 視 差 的 方 法 ， 是 比 較 兩 幅 相 隔 半 年 的 星 空 照 片 。 由 於 我 們 已 知 道 地 球 與 太 陽 的 平 均 距 離 ( 即 一 天 文 單 位 ) ， 只 要 量 度 較 接 近 恆 星 相 對 於 背 景 星 空 所 偏 移 的 角 度 p ， 便 可 以 利 用 簡 單 三 角 學 公 式 計 算 出 星 體 和 地 球 的 距 離 d 。 當 偏 移 的 角 度 為 一 角 秒 ， 星 體 與 地 球 的 距 離 即 為 天 文 學 上 所 定 義 的 一 秒 差 距 ， 相 等 於 3.26 光 年 。 視 差 法 是 量 度 天 體 距 離 最 簡 單 的 辦 法 ， 但 這 個 方 法 只 適 用 於 小 部 分 的 天 體 上 ， 由 於 絕 大 部 分 天 體 距 離 地 球 實 在 太 遠 ， 視 差 所 造 成 的 角 度 偏 移 根 本 小 得 難 以 量 度 。 對 遙 遠 的 天 體 ， 天 文 學 家 唯 有 另 覓 良 方 。
恆 星 的 視 差 只 是 由 於 地 球 公 轉 所 造 成 的 視 運 動 ， 但 事 實 上 所 有 恆 星 皆 在 宇 宙 中 移 動 ， 它 們 的 運 動 所 造 成 的 位 置 改 變 稱 為 自 行 。 表 示 自 行 的 單 位 為 每 年 所 移 動 的 角 度 ， 一 顆 恆 星 自 行 的 幅 度 取 決 於 三 個 因 素 ：
除 了 低 壓 下 的 氣 體 ， 只 要 密 度 較 大 而 不 是 絕 對 零 度 的 物 體 ( 例 如 恆 星 或 一 塊 鐵 ) 皆 會 不 斷 輻 射 出 電 磁 波 ， 而 它 的 光 譜 會 和 一 種 稱 為 黑 體 輻 射 的 光 譜 是 一 樣 的 。 光 譜 曲 線 的 形 狀 只 取 決 於 物 體 的 溫 度 ，溫 度 低 的 物 體 光 譜 峰 值 在 紅 光 ， 溫 度 越 高 ， 峰 值 越 向 短 波 長 一 端 偏 移 ， 由 黃 光 開 始 ， 到 達 藍 光 ， 再 進 入 紫 外 線 區 域 。 較 高 溫 的 物 體 每 單 位 面 積 所 輻 射 的 能 量 亦 較 多 。 所 以 ， 恆 星 的 顏 色 由 表 面 溫 度 所 決 定 ， 而 恆 星 的 光 度 則 由 表 面 溫 度 和 表 面 面 積 所 決 定 。
並 不 是 所 有 光 譜 都 是 黑 體 輻 射 光 譜 ， 如 下 圖 所 示 ， 低 壓 下 的 低 密 度 氣 體 會 改 變 通 過 它 們 的 光 線 ， 這 是 由 於 氣 體 會 吸 收 特 定 波 長 的 光 波 並 隨 機 向 不 同 方 向 把 所 吸 收 的 光 線 輻 射 出 來 ， 結 果 光 線 在 通 過 低 壓 氣 體 後 ， 原 本 的 光 譜 上 會 出 現 很 多 稱 為 吸 收 線 的 黑 線 ， 但 在 其 他 方 向 ， 我 們 則 會 看 到 這 些 氣 體 的 發 射 線 。 不 同 的 氣 體 會 產 生 不 同 的 線 條 ， 就 如 人 類 的 指 紋 ， 只 要 分 析 光 譜 上 的 吸 收 線 ， 便 可 以 知 道 光 波 曾 經 通 過 的 氣 體 成 分 。
早 在 科 學 家 了 解 顏 色 和 溫 度 的 關 係 之 前 ， 天 文 學 家 早 已 根 據 光 譜 的 吸 收 線 把 恆 星 分 類 ， 這 種 分 類 方 式 稱 為 譜 型 ﹐ 由 最 熱 的 O 型 恆 星 開 始 ， 接 著 是 B 型 、 A 型 、 F 型 、 G 型 、 K 型 ， 最 後 是 最 冷 的 M 型 。 要 記 著 這 雜 亂 無 章 的 譜 型 次 序 ， 有 一 個 簡 單 的 英 文 口 訣 ： Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me 。 以 赫 ─ 羅 圖 的 一 貫 畫 法 ， O 型 恆 星 通 常 會 在 圖 的 左 方。
大 部 分 的 恆 星 皆 位 於 一 條 由 左 上 角 橫 跨 至 右 下 角 的 帶 內 ， 這 個 區 域 稱 為 主 序 ， 位 於 此 區 域 的 星 則 稱 為 主 序 星 。 位 於 右 上 角 的 星 ， 雖 然 表 面 溫 度 很 低 ( 即 單 位 面 積 的 能 量 輸 出 也 低 ) ， 但 卻 有 極 大 的 光 度 ， 所 以 這 些 星 體 積 一 定 非 常 龐 大 ， 我 們 稱 之 為 巨 星 。 相 反 地 ， 位 於 左 下 角 的 星 則 溫 度 高 而 光 度 小 ， 所 以 體 積 一 定 非 常 細 小 ， 我 們 稱 之 為 矮 星 。
根 據 雙 星 發 現 的 經 過 ， 我 們 可 以 把 雙 星 分 為 五 類 ， 有 些 雙 星 系 統 可 同 時 屬 於 超 過 一 種 類 型 。
最 著 名 的 變 星 類 型 莫 過 於 造 父 變 星 ， 上 圖 便 是 這 類 變 星 的 典 型 光 變 曲 線 。 它 們 的 光 變 周 期 由 數 日 至 數 月 不 等 。 最 特 別 的 是 ， 它 們 的 光 變 周 期 和 光 度 有 直 接 的 關 係 ， 周 期 越 長 ， 亮 度 越 大 。 所 以 ， 只 要 知 道 某 一 造 父 變 星 的 周 期 ， 我 們 便 可 得 知 它 的 絕 對 星 等 ， 只 要 和 它 的 視 星 等 作 比 較 ， 便 可 以 求 得 它 和 我 們 的 距 離 。
但 你 可 能 會 問 ： 「 我 們 怎 樣 得 知 造 父 變 星 的 光 變 周 期 ─ 光 度 關 係 ？ 」 要 弄 清 這 個 關 係 ， 我 們 要 知 道 不 同 造 父 變 星 的 光 度 和 光 變 周 期 數 據 ， 量 度 光 變 周 期 當 然 不 是 問 題 ， 但 要 得 知 一 顆 恆 星 的 光 度 ， 我 們 首 先 要 得 知 它 的 距 離 ， 這 時 便 須 借 助 好 像 視 差 法 等 其 他 量 度 天 體 距 離 的 方 法 。 事 實 上 ， 科 學 家 首 先 找 一 些 離 我 們 較 近 的 造 父 變 星 ， 找 出 它 們 的 光 變 周 期 與 光 度 的 關 係 ， 然 後 假 設 這 個 關 係 對 遙 遠 的 同 類 變 星 依 然 適 用 。 利 用 已 知 而 可 靠 量 度 近 距 離 天 體 的 量 天 尺 ， 去 校 準 量 度 更 遠 距 離 天 體 的 量 天 尺 ， 是 科 學 家 常 用 的 慣 技 。 要 量 度 茫 茫 宇 宙 中 不 同 天 體 的 距 離 ， 科 學 家 往 往 須 要 用 到 不 同 的 量 天 尺 ， 原 因 是 根 本 沒 有 一 種 量 天 尺 可 以 對 所 有 距 離 天 體 同 樣 有 效 。 不 同 的 量 天 尺 組 成 了 一 套 完 整 的 量 天 階 梯 ， 而 造 父 變 星 便 是 這 階 梯 中 不 可 或 缺 的 其 中 一 環 。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
星 團 分 為 二 種 ：
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA) |
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
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| 鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA). |
星 雲 本 身 不 會 產 生 能 量 ， 只 能 依 靠 散 射 恆 星 的 光 芒 ， 才 能 為 人 所 見 。 但 有 些 星 雲 附 近 有 熾 熱 的 恆 星 ， 因 此 星 雲 的 氣 體 被 星 光 電 離 而 發 出 紅 光 。 星 雲 是 恆 星 的 誕 生 地 。 ( 註 ： 不 要 把 星 雲 和 將 在 第 十 五 章 中 討 論 到 的 行 星 狀 星 雲 混 淆。 )
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| (C) Anglo-Australian Observatory and Photograph by David Malin. |
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| 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 。
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| 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 。
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| 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 。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
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| 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 。
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。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 。
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 。
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| 鳴 謝﹕ 李 啟 明。 |
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| 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 。
和 其 他 恆 星 一 樣 ， 大 質 量 恆 星 會 在 主 序 階 段 把 氫 轉 化 為 氦 。 有 趣 的 是 ， 恆 星 質 量 越 大 ， 壽 命 越 短 ， 例 如 一 顆 相 等 於 15 個 太 陽 質 量 的 恆 星 ， 便 只 有 一 千 萬 年 的 壽 命 。 由 於 大 質 量 恆 星 的 核 心 比 一 般 恆 星 更 熱 和 有 更 高 的 密 度 ， 當 走 至 生 命 盡 頭 時 ， 核 心 條 件 足 以 把 氦 繼 續 轉 化 為 碳 ， 同 時 在 核 心 外 圍 形 成 一 個 氦 殼 。 在 恆 星 強 大 質 量 的 約 束 下 ， 核 心 氦 聚 變 成 碳 的 過 程 能 穩 定 地 進 行 ， 在 核 心 高 熱 的 煎 熬 下 ， 恆 星 外 殼 會 極 度 膨 脹 ﹐ 成 為 比 紅 巨 星 更 巨 大 的 超 紅 巨 星 。
典 型 的 超 紅 巨 星 比 普 通 紅 巨 星 大 上 100 倍 ， 雖 然 表 面 溫 度 低 ， 但 整 體 光 度 仍 然 非 常 高 ， 絕 對 星 等 可 達 -10 ( 太 陽 的 絕 對 星 等 只 有 4.8 ) 。
情 況 很 像 燃 燒 氦 ， 強 大 的 引 力 足 以 在 核 心 燃 點 起 碳 ， 而 同 時 維 持 星 體 穩 定 。 核 心 物 質 不 斷 聚 變 為 更 重 的 元 素 ， 直 至 成 為 鐵 。 我 們 相 信 在 地 球 上 常 見 的 重 元 素 ， 例 如 氧 、 氦 、 矽 等 ， 其 實 是 在 遙 遠 的 過 去 ， 在 一 顆 恆 星 的 內 部 以 這 個 機 制 產 生 的 。 鐵 其 實 是 熱 核 反 應 的 終 站 。 氫 轉 化 為 氦 會 產 生 能 量 ， 但 要 把 鐵 結 合 成 更 重 的 元 素 時 ， 卻 反 而 要 吸 收 能 量 ， 這 也 是 為 甚 麼 我 們 把 如 鈾 等 重 元 素 分 裂 成 較 輕 元 素 時 ， 可 以 產 生 能 量 的 原 因 。
由 於 繼 續 燃 燒 鐵 的 核 反 應 反 而 需 要 能 量 ， 所 以 恆 星 核 心 產 生 能 量 的 能 力 便 會 戛 然 而 止 ， 核 心 的 壓 力 驟 降 。 當 核 心 積 聚 了 足 夠 的 鐵 後 ﹐ 在 百 分 一 秒 之 內 ， 核 心 會 毀 滅 性 地 猛 烈 收 縮 ， 同 時 把 核 心 溫 度 提 高 。 所 有 尚 未 使 用 的 燃 料 會 迅 速 核 聚 變 成 鐵 或 鎳 。 核 心 的 外 殼 會 塌 縮 在 核 心 上 ， 電 子 和 質 子 會 結 合 成 中 子 ， 並 放 出 中 微 子 。 中 微 子 是 亞 原 子 粒 子 ， 它 們 差 不 多 不 會 和 任 何 物 質 產 生 反 應 ， 所 以 恆 星 對 它 們 來 說 是 透 明 的 。 大 部 分 塌 縮 所 產 生 的 能 量 便 是 由 中 微 子 帶 走 。
由 於 原 子 核 的 天 然 密 度 會 成 為 巨 大 的 阻 力 ， 防 止 核 心 進 一 步 收 縮 ， 這 時 核 心 會 猛 烈 反 彈 ， 以 極 高 速 塌 縮 的 核 心 外 殼 會 和 反 彈 中 的 核 心 碰 撞 ， 產 生 強 烈 的 衝 擊 波 ， 同 時 產 生 出 像 鈾 等 比 鐵 更 重 的 元 素 ， 並 把 恆 星 外 殼 炸 毀 ， 這 便 是 II 型 超 新 星 ( I 型 超 新 星 其 實 只 是 強 度 足 以 把 中 心 白 矮 星 炸 毀 的 普 通 新 星 爆 發 ) 。
超 新 星 爆 發 十 分 激 烈 ， 恆 星 的 亮 度 可 以 暴 增 15 等 ， 是 宇 宙 中 最 璀 璨 的 天 文 現 象 。 近 年 來 可 以 用 肉 眼 看 到 的 超 新 星 爆 發 ， 發 生 在 一 個 稱 為 大 麥 哲 倫 雲 的 小 星 系 內 的 SN1987A 。可 惜 的 是 ， 大 麥 哲 倫 雲 位 於 南 天 極 附 近 ， 結 果 住 在 香 港 的 市 民 無 緣 得 見 。
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| (C) Anglo-Australian Observatory and Photograph by David Malin. |
公 元 1054 年 ， 宋 朝 天 文 學 家 目 睹 在 現 今 金 牛 座 天 區 出 現 了 一 顆 客 星 ， 這 顆 突 然 出 現 的 星 異 常 光 亮 ， 在 隨 後 兩 個 月 的 早 上 也 可 以 看 見 ， 這 顆 客 星 便 是 我 們 所 說 的 超 新 星 。
當 年 超 新 星 爆 發 出 來 的 殘 跡 ﹐ 還 形 成 了 現 今 用 小 型 望 遠 鏡 都 可 以 看 得 見 的 M1 蟹 狀 星 雲 。 蟹 狀 星 雲 仍 然 在 膨 脹 ﹐ 最 終 會 溶 入 星 際 物 質 而 消 散 。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
天 文 學 家 每 年 會 發 現 十 數 至 數 十 顆 超 新 星 ， 但 大 部 分 都 位 於 偏 遠 而 暗 淡 的 河 外 星 系 ， 這 是 1994 年 在 M51 發 現 的 超 新 星 。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
恆 星 在 超 新 星 爆 發 後 又 如 何 呢 ？ 這 便 取 決 於 恆 星 剩 餘 核 心 的 質 量 。 在 大 爆 炸 後 ， 若 剩 餘 質 量 少 於 1.4 個 太 陽 質 量 ， 便 會 成 為 白 矮 星 ； 若 質 量 介 乎 1.4 至 大 約 3 個 太 陽 質 量 ， 便 會 成 為 中 子 星 ； 若 質 量 更 大 ， 便 會 成 為 黑 洞 。 下 圖 顯 示 了 不 同 質 量 恆 星 的 死 亡 路 徑 。
中 子 星 中 95 - 99% 的 成 分 是 中 子 ， 但 仍 有 少 量 的 質 子 和 電 子 。 一 般 半 徑 約 為 8 至 16 公 里 ， 和 香 港 島 的 大 小 差 不 多 。 由 於 引 力 場 實 在 太 強 大 ， 任 何 山 脈 高 山 皆 會 被 引 力 蕩 平 ， 所 以 中 子 星 的 表 面 十 分 光 滑 。
我 們 相 信 中 子 星 有 一 層 約 一 公 里 厚 由 重 原 子 核 組 成 的 外 星 殼 ， 之 下 是 一 層 呈 液 態 的 中 子 流 質 ， 最 後 可 能 是 一 個 固 體 核 心 。
中 子 星 另 一 個 非 常 重 要 的 特 性 是 它 擁 有 極 強 的 磁 場 ， 可 以 比 地 球 磁 場 強 108 至 1015 倍 。 當 電 子 以 螺 旋 軌 道 繞 著 磁 力 線 移 動 ， 便 會 沿 著 兩 個 磁 極 向 外 發 射 出 無 線 電 波 。
通 常 恆 星 的 自 轉 軸 和 磁 軸 並 不 一 致 ， 中 子 星 亦 不 例 外 ， 所 以 沿 著 磁 軸 向 外 發 射 的 無 線 電 波 束 ， 在 中 子 星 自 轉 的 帶 動 下 ， 便 會 如 燈 塔 般 向 宇 宙 掃 射 ， 這 便 是 著 名 的 燈 塔 效 應 。 當 地 球 位 於 這 些 宇 宙 「 燈 塔 」 掃 過 的 範 圍 ， 便 會 收 到 極 端 規 律 的 無 線 電 波 訊 號 ， 這 便 是 脈 沖 星 ， 在 蟹 狀 星 雲 中 心 便 有 一 顆 。
當 第 一 顆 脈 沖 星 在 60 年 代 被 發 現 的 時 候 ， 天 文 學 家 起 初 誤 以 為 這 些 訊 號 來 自 另 一 個 天 外 文 明 ﹐ 後 來 發 現 不 對 後 便 產 生 了 一 個 更 嚴 重 的 問 題 。 有 些 脈 沖 星 稱 為 毫 秒 脈 沖 星 ， 其 自 轉 周 期 可 短 至 0.001 秒 ！ 有 甚 麼 物 體 可 以 如 此 飛 快 轉 動 而 不 會 因 而 解 體 ？ 中 子 星 的 超 強 引 力 提 供 了 最 佳 的 解 答 。
由 於 中 子 星 非 常 沉 重 ， 所 以 它 的 自 轉 周 期 非 常 規 律 ， 有 些 中 子 星 的 脈 沖 周 期 可 以 準 確 至 小 數 後 十 個 位 ， 因 此 ， 就 算 中 子 星 出 現 輕 微 的 異 動 ， 天 文 學 家 亦 可 以 觀 察 得 到 。 例 如 假 若 有 一 顆 行 星 圍 繞 一 顆 中 子 星 運 行 ， 它 會 令 中 子 星 出 現 搖 動 ， 引 致 脈 沖 的 間 隔 變 長 或 短 ， 由 此 我 們 根 據 脈 沖 周 期 的 變 化 ， 可 推 斷 出 行 星 的 質 量 和 軌 道 半 徑 ， 這 亦 是 天 文 學 家 找 出 第 一 顆 地 外 行 星 時 所 用 的 方 法 。
以 上 的 討 論 都 是 基 於 單 星 系 統 的 ， 其 實 宇 宙 中 存 在 不 少 有 趣 的 中 子 星 雙 星 系 統 。 例 如 假 若 有 一 顆 中 子 星 的 伴 星 為 巨 星 ， 那 麼 物 質 便 會 由 巨 星 流 入 中 子 星 並 放 射 出 X 射 線 ， 成 為 X 射 線 脈 沖 星 。
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 。
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 。
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 ！
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 。
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| 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 。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
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 。
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 。
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 ：
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 。
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| (C) 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 質 ， 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 。
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 。
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| (C) 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 。
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| 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 。
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| 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 。
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| (C) Anglo-Australian Observatory/Royal Observatory, Edinburgh and Photograph from UK Schmidt plates by David Malin. |
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| (C) 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 。
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 。
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 。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
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| 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 。
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| 鳴 謝﹕ NOAO/NSF. |
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 。
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| 鳴 謝﹕ STScI. |
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 ？
我 們 通 常 用 z 來 表 示 紅 移 的 幅 度 ：
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 ：
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 ：
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 。
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 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 。
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