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我們犯了什麼太歲?你不知道的太歲天文學

陳民峰(蜜蜂老師)
・2017/02/18 ・4048字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

我在寫這篇文章時實在戒慎惶恐,因為「安太歲」是臺灣與華人地區共有的常見習俗,寫得不好可是會有很多人罵的。本篇文不是想反對宗教民俗,更不是硬說這類崇拜為迷信,而是希望大家可以對於民俗與科學中的關聯有些了解。畢竟太歲信仰,是中國古科學(天文學)延伸出來的宗教化儀俗。

什麼是歲星?

講到太歲,就要講到歲星;講到歲星,就要講到木星。

先從「歲星」來講,歲星就是中國古代對於「木星」的稱呼。木星是太陽系中由內而外算來的第五顆行星,也是最大的行星。我們夜晚看向星空,木星是僅次於金星的第二亮行星,易於觀測,因此成為各民族觀星的重要角色。

木星的外層由氫氣為主組成,是八大行星中體積最大的一顆。特徵是星球表面上長久不散的巨大紅斑。圖/By Kelvinsong – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

而木星是怎樣在天空中運動的呢?這部分文字比較難懂,可以看看以下一系列圖解怎樣解釋。

木星繞著太陽公轉,每轉一圈約需要 4332.6 天,差不多為 11.862 年。

圖/作者製作

用地球角度來看星空(天球),會發現木星需 398.88 天左右,也就是 1.09 年就能回到星空原本的位置。

圖/作者製作

地球繞太陽公轉的一年之間,外圈的木星也在自己軌道上公轉。地球在內圈繞太陽每公轉一周(也就是一年的時間),外圈的木星才跑了 1/12 圈。

圖/作者製作

因為木星與地球同時繞太陽公轉的結果,隔一年後的同一日,我們會發現木星真的有在移動,且移動約 31 度。(實際上是地球已經追過木星一圈以上)古中國將木星一年「超車」的進度稱為「一辰」,天空就大約能被分為「12 次(等份)」,對應 4 方位 12 區塊,並且中國古代將每個星空區塊命名為各種不同名稱。

圖/作者製作
  • 關於木星與各行星運轉的模擬圖,有興趣的讀者可以到「Open Source Physics @ Singapore」這個網站去看。維基百科上的「木星–地球相對運轉 gif 圖」也是用這檔案模擬,讀者可以下載這網頁的 Java 檔案,當然你可能需要先安裝 JAVA 才可執行。

歲星紀年法

木星每年都會在星空緩慢移動到下個區塊,木星今年轉到哪塊星空,就說「歲在 XX」,例如歲在流火就代表該年木星在流火宮[註 1]。每個時代的星空區域名稱會不同,而且古時候星空和現在也已經改變、不能對應,以下表格摘錄自維基百科 (且參照戰國時期的星空)。而太陽在天空中移動「經歷木星一年偏移的量」就是 1 個時辰 2 小時。

歲星
紀年
壽星大火析木星紀玄枵娵訾降婁大梁實沈鶉首鶉火鶉尾
對應
二十八宿
















「歲星」這概念其實很好懂,就是西洋占星學的「木星星座」,只是 12 星座換成中國的 12 星次而已。這在日後就跟生肖紀年的系統結合在一起。

不懂木星星座,那麼來溫習一下這篇短片吧!

巧合的是木星在古代可觀察的幾顆行星(金、火、木)中具有接近整數年的運轉週期。

不巧的是木星繞太陽一圈並非恰好 12 年,而造成每年 0.14 年的誤差。白話來說:「在名為黃道的跑道上,木星跑了快 8 圈,卻被人類整整被少算 1 圈。」而累積 84.7 年就會造成木星多 0.14 × 84.7 = 12 年份的誤差。

體現在星空上,就是當我們以為木星 12 年回到原位時卻有一點點誤差。累積到第七輪(12×7),也就是 84 年後,木星已經移動了將近 30 度(1 辰)左右!這在古天文學上被稱為「超次」或者「超辰」,成為若是沿著古時紀年查出歲在 XX,看星空卻發現木星在 OO 區塊的詭異現象。

誤差那麼大,古人卻還是用歲星計時。直到漢朝劉歆在考據經書時發現許多時間與歲時兜不上,只靠文獻對比就提出約 144 年的誤差,後人又修正為 86 年,但更現代測量更精準應為 84.7 年。「超辰」若不改,代表「歲不正」,象徵的是顛倒錯亂、紀律不正,恐會國運不昌,當然要調整,因此漢代的《太初曆》、漢中的劉歆《三分曆》有進行修正[註 2],可是到東漢時期曆法皆不再修改,錯誤沿用就算我們現在知道 84~85 年需要修正一次,但歲星(木星)紀年依然難以實用。

圖/作者製作

此圖片以 2017 為基準,看看每個幾個甲(12年)後,實際木星的位置會有什麼變化。若我們以為木星恰好「會合週期」為 11/12 年整,那麼每年同一日木星會剛好超車 30 度,理論上 12 年後木星應該會在同一時間同一地點,乖乖的停留在星空的同一個地方(30 × 12 = 360)。但實際上還是會有些微誤差產生,放大到世紀等級的程度時就會有影響了。

理想化的紀年與占卜行星:虛星太歲與干支紀年

其實在劉歆發現歲星的誤差以前,在中國戰國時期也開始流行「太歲」,又稱「歲陰」,太歲是相對於歲星的一顆虛星。曾替《禮記》下註的經學家鄭玄曾經解釋:「歲星為陽,右行於天;太歲為陰,左行於地」(右行=順時針、左行=逆時鐘),若歲星於天,太歲剛好於地。則這種描述想像讓民眾把太歲星跟地底有聯想性,因此認為動土不慎可能會觸犯太歲,也就是「在太歲頭上動土」。

古時認為歲星為眾星之王,歲星當頭時運佳;而離歲星最遠的星宿,自然是最形影孤離、不受照顧的星群。引用清代《協紀辨方書.卷十》總結:「君象,其方固上吉之方,而非下民之所敢用」,可以知道歲星(木星)原本是帝王星、吉星,但一般民眾需要適當避諱才可得恩澤,才需要「安太歲」。

因此為了占卜學需要,戰國時期歲星這顆虛構的煞星就出現了,一開始民間不但不崇拜,甚至避諱。此時太歲還不是用來紀年,而是用來占卜吉凶,《荀子.儒效》就有提到武王伐紂,出兵之日時太歲星的凶兆[註 3]。直到後來太歲星才被用來使用於曆法,與歲星混淆,逐漸發展出「太歲紀年」,太歲紀年正為歲星紀年(+6)地支。

圖/作者製作

然而歲星紀年與太歲紀年混用了一段時日,甚至是使用同一套曆法,卻同時有歲星紀年與太歲紀年的存在混用。大致上直到漢武帝以後,史官們偏好太歲紀年。這些混亂混用的狀況,直到西元 143 年(漢安二年)經過「漢安論曆」後,歲星紀年才趨於穩定。在新朝(王莽)以後,才開始結合以太歲為主的「地支紀年」,將黃道十二次(星宮)重新分為十二地支。

後來為了解決歲星需要一直調整誤差的問題,就開始以太歲作為理想化星體。

這顆理想化星體「太歲」有幾個特徵:

  1. 看不到,但假設跟行星方向相同
  2. 跑的剛好,跑得比較慢,一年多跑 30 度而不是 31 度,不須調整誤差
  3. 方便計時,跟著曆法年份一起跑,而不會每一圈都偷跑一點點

因此太歲星再也不是木星,而是一個單單純純,假想跟著年份一起運轉(流年)的星體。

本質上,古人對歲星的崇拜是出於對星體的崇拜。但後來太歲星已經不是實際星,也不再參照木星的運行,而是假想一顆全新的行星,對於太歲的崇拜反而近似方位(地支)或者年份(流年)的崇拜。[註 4]

太歲的宗教化、神格化過程

後來經過很長時間,太歲受到了佛教、道教的發展影響,漸漸被吸收為神格化的神祉。我們常在宮廟看到的生肖與「刑德」,始出於漢朝就有類似凶星煞的雛型,到了唐代開始神格化,到了明朝開始為今日安太歲的雛形。

太歲的源流,原本是從木星運行制定年曆而來,再演變成星辰崇拜。當太歲因為曆法需要而規範化時,再演變成方位與流年崇拜。而日後道教發展、佛教密宗傳入後,另一支崇拜北斗七星、崇拜自己星斗的信仰,逐漸變成本命信仰(拜自己的天運),甚至人神格化、將人封神,成為今日的樣態。

信不信現在的安太歲習俗由你,但希望這篇文能讓你認識祭拜神明的由來。就算是信仰,也不要迷信,以正面能量看看也可。若你不認同這樣從科學、歷史曆法來看待民俗信仰,我只是提出一種看待方式,你也可以從這網址中看看民俗專家怎樣解釋囉。

至於太歲的演變怎樣跟星座扯上關係呢?我們就等到下篇文章來瞭解吧!

註解

  1. 《國語.晉語》「歲在流火」即是歲星紀年的體現。
  2. 《後漢書.律曆》「其後劉歆研機極深,驗之春秋,參以易道,以河圖帝覽嬉、雒書甄曜度推廣九道,百七十一歲進退六十三分,百四十四歲一超次,與天相應,少有闕謬。」
  3. 《荀子.儒效》「武王之誅紂也,行之日以兵忌,東面而迎太歲,至汜而汎,至懷而壞,至共頭而山隧。」戰國時代就有以太歲為煞星凶星的體現。
  4. 本段落的資料,大部分參考於陳峻誌的《歲星與太歲之對應關係一一以先秦至西漢為討論範圍

資料來源

  1. 陳峻誌《歲星與太歲之對應關係──以先秦至西漢為討論範圍》
  2. 陳峻誌《太歲的信仰溯源與祭祀空間 以臺灣為主的討論》中興大學論文
  3. 陳峻誌《太歲信仰研究》中興大學論文
  4. 維基百科《歲星信仰》條目
  5. 維基百科《木星》條目
  6. 維基百科《地支》條目
  7. lookang lawrence wee . Ejs Open Source Kepler 3rd Law System Model Java Applet.
  8. Seligman, Courtney . Rotation Period and Day Length.
  9. 《後漢書》志第二‧律曆中
  10. 《國語.晉語》
  11. 《荀子.儒效》
  12. 蔡伏篪《十二生肖的產生—來自黃道十二星垣與廿八星宿的關係

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文章難易度
陳民峰(蜜蜂老師)
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現職新北市北大國小教師,關心生態、教育,和動保議題,喜愛科學小知識。目前為國語日報科學版、聯合報鳴人堂,和人文主義工坊作家。


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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


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Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。