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星空探索入門課—《酷天文》

遠流出版_96
・2017/02/23 ・2447字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 476 ・五年級

要當天文學家,不表示每次都得使用昂貴時髦的器材。有時候最好的工具,就是你的雙眼!

看這片太空

當你抬頭,你可以看到 180° 的天空。天文學家以度數來測量天空的距離和大小。例如 90° 表示從地平面(你正前方的那個點)到天頂(你正上方的那個點)的距離。

從望遠鏡看出去,你能看到的視野就縮減到只剩 1°。這時,天文學家會使用弧分或是弧秒來測量距離。每 1° 等於 60 弧分,每弧分等於 60 弧秒。

抬頭看!

我們常會說,我對某件事情「瞭若指掌」。現在, 你也可以從你的指掌來了解太空喔!你的雙手就是讓你遨遊天空的基本配備。

手臂向前直直伸出,手掌張開手心向前,從大拇指尖到小指尖的距離就是 20°,大致也是北斗七星第一顆和最後一顆星的距離。你也可以測量較短的距離。手臂向前直直伸出,手握拳,整個拳頭的寬度就是 10°。你小指頭的寬度就等於 1°,也就是整個月亮的距離,大拇指的寬度則是 2°。你可以不斷練習,等你熟悉這個技巧之後,可以培養自己目測的能力,一看就知道各個恆星或行星之間的距離。

如何用手測量星星之間的距離?圖/《酷天文》

睜大雙眼看星空

一旦你掌握了天文學的基礎,你就可以拿起你的望遠鏡,去尋找宇宙中這些神奇美妙的東西!有些天體比較不容易觀測,不過熟能生巧,就多練習幾次吧!

我們在宇宙中的鄰近地區(還有更遠的地區),是天文學家最密集觀測的區域。就算曾經活著的所有人都發現一顆星星,我們還是沒能把銀河系中的星星全都找出來,更別提銀河系之外還有無數個星系裡的星星。但是你不必因此洩氣,你更應該拿起你的望遠鏡,繼續在天空中搜尋。

要找什麼呢?

在我們銀河系中,就有五件事物能讓人大為驚奇,絕對能滿足你在天文學上的渴求,而且會讓你忙得不亦樂乎。其中有些確實比較難找。

月球晝夜線

月亮很適合當做探索的起點。月球晝夜線是月球上白天和黑夜的分界線,把月球分成相等的兩半。當陽光照射到這個介於光明和黑暗的區域,隕石坑和其他地質特徵的陰影就會拉長,讓月球的許多特徵變得更清楚。

木星的大紅斑

木星是太陽系中最大的行星。在每年某些時候,你可以清楚看到木星大紅斑的細節。大紅斑是個颶風,面積比地球大,狂暴的盤據在木星表面已經好幾個世紀。

在每年的某些時候,可以清楚地觀測到木星上的颶風-大紅斑喔!圖/《酷天文》

仙女座星系

你可以在銀河系附近的主要星系中,試著去尋找仙女座星系。這個星系距離我們 250 萬光年,就位在仙女座。在比仙女座更遠的地方,看看你可不可以找到 M32 和 M110 這兩個衛星星系。

M15

用哈伯太空望遠鏡所拍攝的 M15 星系。圖/NASA, ESA,CC BY 3.0,wiki commons

M15 位在飛馬星座,是天空中最美麗的星系之一,並不難找。如果你使用的是小型望遠鏡,你只會看到一團模糊的斑點。所以你需要較大的望遠鏡,才看得到星系裡面個別的星星。不過就算只看到一團模糊的斑點,也是不錯的開始!

獵戶座星雲

獵戶座星雲是天空中一串彩色的美麗珠寶,位置就在獵戶座三星連成的腰帶正下方,是星際最厲害的奇蹟。這片星雲你用肉眼就看得到,但是雙筒望遠鏡或是小型望遠鏡能讓你看到它絢麗的全貌。

繼續前往未知之境

繼續往太空深處探索吧!圖/《酷天文》

往宇宙深處的探索,還有天文學的旅程,會繼續觸動你的心,讓你不斷想著關於我們行星地球的一切,想著它在宇宙中的地位,想著要學習更多。你可以從下面幾個地方開始:

網站

天文學和觀星的著作有千千本,但這幾個網站,能幫助你把望遠鏡指向正確的方向。這些是我最喜愛的網站,你還可以找出屬於你自己的。

推特

你可以在推特追蹤專業人士,獲得最新的天文學資訊。前太空人、宇宙學家,還有一些太空怪客,都是可以追蹤的對象。這幾個是我最喜愛的:

配備

雙筒望遠鏡:好的雙筒望遠鏡外形和尺寸有很多種,就看你預算有多少。如果你才剛入門,一副雙筒望遠鏡就能讓你遨遊天空。雙筒望遠鏡視野很廣,讓你在把天體拉近拉遠的時候發掘更多樂趣。

天文望遠鏡:如果你對天文學的熱愛,讓你想窺探行星更多細節,或是想看到遙遠星系的影像,雙筒望遠鏡的放大倍率不夠,這時你可能就會需要一支天文望遠鏡。要購買天文望遠鏡,我唯一的建議就是去諮詢身邊的天文學專家或朋友,也可以上網詢問專業的賣家,或是在相關的評論網站上發問,例如 www.astromart.com

星知識

★雙筒望遠鏡的尺寸會以兩個數字來表示,前者代表放大倍率,後者代表光圈,也就是物鏡的直徑(單位:公釐)。   例如 12×50,就表示你看到的東西會放大 12 倍。

★光圈愈大,愈適合用來觀測天空,因為這樣看到的影像會愈亮,但是望遠鏡也會愈重。

★使用放大倍率 7~12 的雙筒望遠鏡,搭配較大的光圈,你就能看到太陽系中的行星、星團、星雲以及一些星系。

★天文觀測使用的雙筒望遠鏡,只要放大倍率大於 10 或 12,或是搭配 70 公釐以上的物鏡,就需要三腳架來支撐。

★ Zhumell Tachyon 25×100 的雙筒望遠鏡,就是不錯的入門款。


 

本文摘自《酷天文:給孩子的神奇宇宙知識》,遠流出版。


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文章難易度
遠流出版_96
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遠流出版公司成立於1975年,致力於台灣本土文化的紮根與出版的工作,向以專業的編輯團隊及嚴謹的製作態度著稱,曾獲日本出版之《台灣百科》評為「台灣最具影響力的民營出版社」。遠流以「建立沒有圍牆的學校」、滿足廣大讀者「一生的讀書計畫」自期,積極引進西方新知,開發作家資源,提供全方位、多元化的閱讀生活,矢志將遠流經營成一個「理想與勇氣的實踐之地」。


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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。