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從星之聲、秒速五公分到你的名字:新海誠電影裡的天文元素

Y博士
・2016/10/27 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 524 ・七年級
《你的名字》中出現的彗星。圖/電影預告片截圖
《你的名字》中出現的彗星。圖/電影預告片截圖

第一次聽過「新海誠」這個名字,不是因為近期超級熱門的動畫電影《你的名字》,是因為《星之聲》。

身為一名天文研究人員和動漫愛好者,這一部 2002 年出品的影片充滿了科幻元素,可說是感人肺腑、賺人熱淚啊!當時年紀還小的我,開始對新海誠這位新興的動畫導演感到好奇。各位想一下,2002 年那個時候還沒有 iPhone,也沒有臉書,這部動畫作品仍然在網路上引起一片討論,就可以知道它的魅力。

《星之聲》:飛越 8.7 光年收到的訊息

《星之聲》說的是一對從小就認識的男女——寺尾昇和長峰美加子。長峰美加子因為特殊的天賦,加入了聯合國軍隊成為鋼彈巨大機器人的駕駛,追擊入侵火星殖民地的使徒外星人。不過這也使她與寺尾昇因此分隔兩地。

《星之聲》電影宣傳圖。圖/Hulu
《星之聲》電影宣傳圖。圖/Hulu

為了保持聯繫,他們用手機互相傳遞訊息。隨著長峰美加子遠離地球,距離的增加使兩個人通訊的間距也越來越長。原本美加子從太陽系裡面的火星,傳訊號到地球時間只要幾分鐘,但當她到了太陽系的邊緣,訊號的來回就要幾個小時,一直到另一個恆星系統,來回一則簡訊要花上幾年的時間。雖然美加子所在的艦隊掌握了空間跳躍的技術,但是訊息的傳遞仍然要依靠那一支行動電話。手機的訊號是電磁波,速度是光速,而光速有限,在 8.7 光年遠的天狼星,美加子的訊息要 8 年多之後才能被寺尾昇收到。

宇宙是如此的浩瀚,傳送一則簡訊給生死不明的對方,都要花上如此久遠的時間,真是既黯然又銷魂。能夠穿越時空的,體會到彼此存在的,只剩下「愛」啊!

《星之聲》。圖/預告片截圖
《星之聲》。圖/預告片截圖

wait!

這台詞有點耳熟吶!沒錯!新海誠在 2002 年用了這個哏,類似的安排就出現在 2014 年的好萊塢電影《星際效應》中。既使電影中主角們可以用先進的技術,跨越時空,不過訊號的傳送、時間的流轉依然遵循物理定律,當主角庫柏看著螢幕上的兒子說這幾十年來的變化、親人的逝去而內牛淚流滿面時,日本觀眾已經在十年之前就能夠體會這種揪心的感覺。你看看,雖然當年的人物刻劃沒有那麼精美,但是新海誠對於「距離」、「時間」的掌握,的確在當年引起一股強大的旋風。

《秒速五公分》:火箭運送車在軌道上前進的速度和H-IIA 火箭

在另一部新海誠導演的動畫片《秒速五公分》這部影片中,一樣是男女主角的分離,只是這一次,分開彼此的,不是遙遠的宇宙,而是生活的無奈。這一部分成三個短篇的動畫,雖然是三個不同的故事,說的卻是同一件事:因為長大而失去的感情。

《秒速五公分》。圖/電影宣傳圖
《秒速五公分》。圖/電影宣傳圖

與太空最相關的應該是第二部分《太空人》的結尾,當高中生活即將結束,種子島的火箭也跟著升空,航向太陽系的深處,就有如上大學之後再也無法回頭的高中青春。

片名「秒速五公分」是櫻花飄落的速度,而火箭運送車在軌道上前進的速度,動畫的男主角則認為是「時速五公里」。根據上映時間推論,劇中出現的應該是 H-IIA 火箭,這型火箭由日本三菱重工業開發製造,可說是日本三菱重工業繼零式艦上戰鬥機(簡稱零戰,太平洋戰爭初期的優異戰機)之後,另一個可以與世界列強一爭長短的工業結晶。H-IIA 火箭讓日本有能力發射重達 15 噸的近地軌道衛星,也把日本的太空事業從地球軌道,推升到太陽系的探索。這明明是充滿熱血的太空探索,但火箭發射之後,馬上暗喻著分離,真是令人藍瘦!香菇啊!

H-IIA 火箭。圖/By NASA/Bill Ingalls - Global Precipitation Measurement (GPM) Mission, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31485502
H-IIA 火箭。圖/By NASA/Bill Ingalls – Global Precipitation Measurement (GPM) Mission, Public Domain, wikimedia commons

還有,對火箭發射來說,越接近赤道,獲得的切線速度越大,但是也必須和火箭運送的風險平衡,運送的距離越長,出問題的機率也越大。在日本境內,種子島是九州的最南端,自然成為合理的選擇。

《秒速五公分》。圖/預告截圖。
《秒速五公分》。圖/預告截圖。

另外值得一提的是,在這一個短篇當中,出現了仙女座大星系。你的肉眼可以看到多遠東西呢?在晴朗無雲的秋夜,這個位於 250 萬光年遠的星系,是肉眼可以看到最遠的天體。根據天文學家的研究,這個星系以每秒 140 公里的速度向我們的銀河系靠近,在幾十億年後,地球上也許真的能見到如新海誠想像中的世界。希望到時候地球人還沒把自己毀滅。

《你的名字》:彗星和重逢

《你的名字》男主角立花瀧與彗星。圖/電影預告片截圖
《你的名字》男主角立花瀧與彗星。圖/電影預告片截圖

好的,最後就要說到 2016/10 上映的《你的名字》,裡面這一個彗星了。如果學過基本的地球科學或天文學概論,那應該會知道,彗星基本上是來自太陽系邊緣的髒雪球。電影裡面出現的這個彗星,其實是導演虛構的。目前太陽系裡面所有列管在案的小天體,都記錄在「JPL Small-Body Database Browser」中,有興趣的朋友可以點進網站連結去搜尋。

電影中的彗星「Tiamat」這個名字,則是來自於巴比倫神話。其實這個彗星的命名並不太符合國際天文聯合會的慣例,根據最新的天體命名規則,彗星仍會以發現者、發現單位命名,但不以神祇命名[請見編按]。只有週期彗星表上天字第一號的哈雷彗星除外。1682年,哈雷發現一個彗星,並預測它 75~76 年後將會再次出現。雖然他活得不夠長,後來的天文學家為了紀念他,就把彗星以他的名字命名。天文學家現在也用另一個系統,在彗星前面冠上數字和「P」。「P」代表週期彗星,數字代表編號。哈雷彗星的名稱就是1P/Halley。

  • 編按:1995 年起新的「彗星命名原則」:新發現彗星的名字將包含發現的年份,並以大寫英文字母次序標示發現的時段(與小行星標示法相同,以半個月為單位,且略過字母 I),及依數字順序標示新彗星在該時段內被宣佈發現的順序。但仍如本文所提保留以發現者名字命名的傳統。其餘詳細命名法,請參見:台北市立天文館〈彗星如何命名?〉一文。
《你的名字》中的彗星。圖/電影原聲帶封面
《你的名字》中的彗星。圖/電影原聲帶封面

畫面裡的彗星有長長的尾巴,這是彗星接近太陽的時候,產生的離子尾和塵埃尾。著名的百武彗星和海爾波普彗星,就有很長的尾巴。換句話說,當彗星尾巴越長,表示他離太陽越近,真正會落到地球上的彗星,是沒有如此壯觀的離子尾和塵埃尾。所有的彗星一定是太陽當做軌道的焦點,能夠產生這樣壯觀離子尾和塵埃尾的彗星,一定很接近太陽。這就是日本科幻作家發文建議新海誠修改彗星軌道的最大原因。(但是,畢竟這是電影啊,幹嘛這麼當真呢?!斤斤計較就少了揪心的美感啊!)

對一個資深影迷來說,《你的名字》其實充滿了許多向前作致敬的畫面。除了越畫越高的雲之外,少不了的天文梗,男女主角重逢的畫面,有如是《秒速五公分》重現。誠如另一位資深影迷,現任鳳山高中地科老師所說的:「新海誠過去十年每一片的經典橋段,就是為了成就這一片」。男女主角互換靈魂、穿越時空的設定,多少也彌補了《星之聲》裡面,美加子和寺尾昇無法相見的遺憾。

《你的名字》電影海報
《你的名字》電影海報

延伸閱讀

新海誠電影大回顧,進入新海誠迷的專屬宇宙!

參考資料

  1. 國際天文聯合會天體命名規則
  2. 維基百科條目:H-IIA 火箭種子島宇宙中心仙女座星系
  3. 種子島宇宙中心官方網站

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Y博士
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天文學家。


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譜一張赫羅圖,算出星團中的「人口」及演化——天文學中的距離(三)

CASE PRESS_96
・2021/10/15 ・3259字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」

視差主要量測鄰近恆星的距離,想要量測得更遠就需要靠別的方法。在銀河系裡面有許多的恆星,有時會各自群聚為「星團(star cluster)」,就像是一個個村落。我們對這些村落進行「人口普查」,藉由它們的顏色與亮度來找出它們的距離。

M44 鬼宿星團(又稱蜂巢星團),是位於巨蟹座的疏散星團。圖/維基百科

遠看?近看?亮度不同!

在我們《天有多大?宇宙中的距離》系列的前一篇文章中,我們介紹了「視差」。利用在太陽兩端觀測到的天體位置差異,我們得以精確量測最遠一萬光年左右的明亮恆星距離。

可是光是銀河系大小就超過十萬光年,遙遠的恆星以現在的技術根本看不出位置差異、無法使用視差法,更不用說銀河系以外還有那麼多的天體了。我們還有什麼方法來量測距離呢?

在開始實際了解作法之前,讓我們先來想像一下:「有個人在夜裡手裡拿著一支蠟燭,站在你的面前,接著愈走愈遠、愈走愈遠…」那支蠟燭的亮度看起來會有什麼樣的變化?

如果你不感到害怕的話,應該可以想像:「蠟燭的亮光看起來會愈變愈暗」對吧!

從物理的角度來看,由於蠟燭發出來的光會朝四面八方射出去。距離蠟燭愈遠,蠟燭照射的面積就愈大,所以看到亮光就變暗了。可以想像,我們看到的亮度會與照射的面積成反比,也因此與距離的平方成反比(圖 1)。

圖 1:光源照射出的亮度與照射面積成反比,也因此與距離的平方成反比。圖/參考資料 2

接下來換個情景,想像一下一個人站在一座路燈旁,遠方也有另一盞一樣的路燈。如果這兩座路燈的工程品質夠好的話,我們可以假設這兩座路燈發的光本來是一樣多的。

旁邊的路燈看起來比較亮,遠方的路燈看起來比較暗。比較近的路燈要量測到距離相對簡單且精準。這樣一來,就可以利用兩盞路燈的亮度與其中一盞路燈的距離,換算出另外一盞路燈的距離啦。

我們也可以利用類似的方法來找去宇宙遙遠天體的距離,在宇宙中的天體發射出來的光,大多都是朝四面八方射出去,因此看到的亮度就跟這個球的表面積成反比、與觀測的距離成平方反比。我們利用鄰近天體、遙遠天體的亮度,搭配鄰近天體的距離,找到遙遠天體的距離。

接下來,我們就來實際認識一個用這種方法來計算距離的例子吧!

銀河系內星團的距離:人口普查

在對一些住得比較近的恆星進行「人口普查」之後,我們對於恆星的性質有了一定的理解。我們可以觀察恆星的顏色,量測出亮度,再依照它們的距離將亮度換算成光度,接著把恆星們「光度對顏色」的分布圖畫出來,這個圖被稱為「赫羅圖(Hertzsprung–Russell diagram或H–R diagram)」(圖 2)。從這個圖當中,可以研究出很多恆星的資訊。

比方說,我們發現在赫羅圖上,大多數的恆星會分布在一條帶狀區域上。這條帶狀區域稱為「主序星帶」。恆星絕大多數的生命時光,就是從在赫羅圖上的主序星帶一端移動到另外一端。我們可以從途中看出,恆星在它的演化之路上,會漸漸地從高溫、高光度,變成低溫、低光度。以觀測的角度來說,就是從「很亮的藍白色」,變成「很暗的紅色」(見圖 2)。

圖 2:赫羅圖範例。橫軸是溫度,愈左方溫度愈高。愈上方看起來愈亮。每一個點都是一顆星。點的顏色就代表這些星看起來的顏色。可以看出有一條明顯的帶狀區域從右下角往左上角延伸,就是主序星帶。恆星主要的生命會從這個主序星帶的右下角慢慢演化成左上角的樣貌。圖/參考資料 3

也就是說,我們能從「恆星的顏色」來推知「恆星的光度」。如果我們可以清楚量測出一顆恆星的顏色,就能夠猜出它們的光度,進而計算出它們的距離。雖然這個方法跟視差一點關係也沒有,但這個方法卻被稱為分光視差(Spectroscopic Parallax)。

不過要將這個方法用在單一顆恆星會有很多的不確定性。比方說,之所以叫做主序星「帶」,就是因為它不是一條「線」。即便是在同一個顏色,它的光度會有一個不算小的範圍。

所以比起單純用來找出一顆恆星的距離,這個方法更常被用來找出一整團恆星的距離。這個方法稱為「主序星擬合(Main Sequence Fitting)」。

在銀河系裡面有許多的恆星,這些恆星並不是完全隨機分布的,有時會各自群聚為「星團(star cluster)」。把每一顆恆星都想成一個人的話,銀河系就是有著一千億人口的國家(人口很多也沒關係,反正土地也很大)。而星團就是國家裡的村落。有的村落具有一定的規模,可能有上百萬顆星。也有些村落比較小巧,可能只有幾百顆星。

「主序星擬合(Main Sequence Fitting)」比較兩個村落的亮度,其中一個我們知道距離,另外一個的距離則是我們的目標。利用已知的距離,來得出未知的距離。

首先我們可以觀察銀河系內比較近、可以靠其他方法找出距離的星團。把星團裡的恆星「亮度對顏色」分布圖畫出來,可以找到一條主序星帶。

接著我們觀察未知距離的遙遠星團,一樣能從「亮度對顏色」分布圖中看到一條主序星帶。這兩條主序星帶由於星團的距離不同,亮度就會不一樣(範例見圖3)。比較這兩條主序星帶的亮度,就能換算出遙遠星團的成距離。

圖 3:距離不同的星團中主序星帶的差別。藍色點是畢宿星團(Hyades),紅色點是昴宿星團(Pleiades)中的恆星。每一個點都是一個恆星。橫軸是顏色,縱軸則是亮度。由於畢宿星團比較近,因此畢宿星團的主序星帶亮度比較亮、昴宿星團的主序星帶亮度比較低。從它們之間的亮度差別可以換算出距離的差別。圖/參考資料 4

過去常用來作為參考的星團是「畢宿星團(Hyades)」與「昴宿星團(Pleiades)」(圖 4)。畢宿星團是距離地球最近的星團,只有 151 光年,昴宿星團稍微遠一點點,大約 440 光年。這種距離下星團中的恆星距離可以用視差非常精準的量測。

圖 4:畢宿星團(左)、昴宿星團(右)。圖/參考資料 5、6

不過畢宿星團的缺點也是有的,畢竟主序星擬合之所以成立是建立在一個假設之上:「所有星團的主序星帶亮度都一樣」,然而這個假設是不一定成立的。我們已經發現,不同年齡的星團它們的主序星會長的不太一樣。

以畢宿星團來說,它是個相較之下年老的星團,大約6億年左右。如果要用它來找年輕星團的距離,就好像要拿開發中國家來和已開發國家比較一樣,總是會有些不公平。另外每個國家其實也都有著自己的特色,讓這個方法總是有潛在的偏差。

主序星擬合是「宇宙距離階梯(cosmic distance ladder)」很重要的一步。藉由假設主序星的性質一致,我們找到了銀河系內遙遠星團的距離。然而主序星擬合的極限還是離不開銀河系。

在下一篇中,我們將帶大家認識量測研究銀河系外星系距離最重要的角色:「造父變星」,並介紹一位偉大的天文學家亨麗愛塔‧勒維特(Henrietta Swan Leavitt)的故事。

參考資料

  1. Pixabay / spirit111
  2. Encyclopædia Britannica, Inc.
  3. wiki / Hertzsprung–Russell diagram
  4. ESO / CAS 2003
  5. ESA Hubble / Overview of the Hyades star cluster (ground-based image)
  6. wiki / Pleiades


本系列其它文章:
天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」

CASE PRESS_96
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