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為什麼月曜日是星期一?七曜日的由來與「行星時」

htlee
・2017/10/26 ・4953字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 483 ・五年級

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圖/Pixabay
  • 關於作者:李昫岱(天文學博士,歡迎來「屋頂上的天文學家」臉書部落格,一起航向宇宙,浩瀚無垠!)

人類很早就知道天上有7顆會發亮的天體:太陽、月亮、水星、金星、火星、木星和土星,這些天體和一般的星星不一樣,它們在天空中的位置會移動。

古代的天文學家透過觀察,認為宇宙是由一層一層的球殼組成的,地球位在球殼的中心,最外側的球殼是天球,所有的星星都鑲在天球上,而這七顆發亮的天體,各自有一個球殼,它們繞著地球運行,由外而內排列的順序是土星、木星、火星、太陽、金星、水星和月球。

這7顆日月行星是人類最熟悉的天體,後來它們就成了每天生活的一部分,它們各代表一個星期中的一天,星期的「星」指的就是這七個天體,它們合稱七曜。

七曜日的順序有邏輯嗎?

你可能知道日本將星期訂為日曜日(日)、月曜日(一)、火曜日(二)、水曜日(三)、木曜日(四)、金曜日(五)和土曜日(六),但是你知道為什麼是這樣的順序嗎?這個排列看起來似乎很混亂,其實是有邏輯的。

用一個簡單的七角形(下圖),順時針方向在每一個頂點上標示七曜由外而內的排列(土、木、火、日、金、水、月),然後沿著紅色箭頭的方向就是曜日的順序!

順時針轉是地心說中七曜由外向內的排列,沿著箭頭方向則是七曜日的順序。圖/作者提供

不過真正要探究曜日的來源,就要先了解古代的行星時(Planetary hours)。

根據行星時的觀念,每天日出的時候,是一天24小時的開始,每一小時用一顆行星來代表,七曜依土、木、火、日、金、水、月的順序輪值。

下表中每一橫列代表一天,第一天中的第一個小時是土星,第二小時是木星,依序下去。輪替24小時後,第二天的第一小時是太陽,第三天的第一小時則是月亮,接下來幾天的第一小時就是火星、水星、木星和金星。每天第一個小時的行星也是當天的代表,這樣就會出現日、月、火、水、木、金、土的順序,這就是七曜日順序的由來。

【可以點擊圖片看大圖喔!】 最上方的一列是一天中的24小時,每一橫列代表一天,行星時中的每一個小時由七曜之一輪值,不同顏色是用來區分不同的七曜週期,每天的第一小時的日月行星作為當天的代表,所以就會出現日、月、火、水、木、金、土的七曜日順序。圖/作者提供

七曜日不僅僅代表日月行星,它們還有自己的符號以及代表的希臘眾神。

另外古代有7種人類熟悉的金屬,它們是金、銀、汞、鐵、錫、銅和鉛,古代的人把這7種金屬和天上的日月行星相對應。接下來就對日月行星七曜做一一介紹。

太陽

星期日的英文字是Sunday,是由英文字Sun太陽這個字來的,也就是太陽日,日曜日代表日文的星期日。

太陽的符號是一個圓中間加一個點。圖/作者提供

☉這個符號你可能見過,它就像甲骨文的日,也就是太陽。它是一個圓和中間一個點組成,有人說中間的那個點代表太陽黑子,表示古時候的中國人就觀察到太陽表面的巨大黑點。

不只是古代的中國人,現代的天文學家也用☉來代表太陽,M代表太陽的質量,而 L則代表太陽的光度,天文學家用這它們來作為量測恆星的單位,例如織女星的質量和光度分別是 2.1 M和 40 L,表示織女星的質量和光度是太陽的 2.1 倍和 40 倍。

阿波羅和黎明女神,Apollo and Aurora by Gerard de Lairesse at Metropolitan Museum of Art。圖/作者提供

希臘羅馬神話中的太陽神是阿波羅(Apollo),他代表著光明。

黎明時,他會駕駛著黃金馬車,從東方的海平面升起,往西方奔馳,展開一天的開始。不意外地,金黃色的黃金代表著太陽,就像阿波羅的馬車就是黃金打造的,而金這種元素的符號也就是

月球

星期一是Monday,是從英文 Moon 月亮這個字來的,也就是月亮日,日文中的月曜日就是星期一。

月亮的符號是眉月。圖/作者提供

☽是日月行星中,最容易讓人辨識的符號,不用解釋就知道是月亮。☽也代表眉月,眉月出現在日落後的傍晚,比日出前凌晨的殘月☾還讓人熟悉。

阿提蜜絲(Artemis)與黛安娜(Diana)分別代表希臘與羅馬神話中的月亮女神,神話故事中阿提蜜絲和阿波羅是一對龍鳳胎,他們是宙斯和勒托(Leto)的小孩。

神話中勒托是獨自一人生下他們,阿提蜜絲比阿波羅還早一天出生,勒托在生阿波羅時遇到難產,阿提密斯還幫忙接生阿波羅,阿提蜜絲體會媽媽生小孩的辛苦,所以決定終生不嫁。

黛安娜是月亮女神,也是狩獵女神,Diane the Huntress-School of Fontainebleau at Louvre。圖/作者提供

夜晚的月亮,雖然有眾星陪伴,但總是給人一種孤單的感覺。李白的詩中有「舉杯邀明月,對影成三人」,沒人作伴孤獨的詩人只能對著月亮和自己影子喝酒。

哪一種金屬最能代表月亮呢?沒錯就是銀,銀色月亮提供古往今來騷人墨客無盡的靈感,而銀的符號就是☽!

火星♂

星期二是Tuesday,是從北歐神話中的戰神提爾Tyr來的,相當於羅馬神話中的瑪爾斯(Mars),星期二是火星日,日文中的火曜日就是星期二。

火星的符號是戰神的矛和盾。圖/作者提供

♂這個符號很常見,是代表雄性的符號,這個符號中的圓代表戰神的盾,而箭頭則是他的矛。天文上,火星的符號也是♂。

火星看起來是紅色的,它每2年多的時間會靠近地球一次,那個時候紅色的火星會特別明顯,為什麼火星是紅色的呢?因為火星的表面有許多的氧化鐵,也就是鐵鏽,紅色的鐵鏽讓火星看起來呈紅色。

戰神阿瑞斯。圖/作者提供,攝於奇美博物館。

羅馬的戰神稱為瑪爾斯,相當於希臘的阿瑞斯(Ares)。阿瑞斯是宙斯和天后希拉的兒子,他喜歡戰爭,無役不與,但是卻不善於打仗,比較像是有勇無謀的莽夫。7種金屬中就以鐵最適合代表戰神,因為鐵最堅硬,適合用來製造武器,所以鐵這種金屬的符號也就是♂。

水星☿

星期三是 Wednesday,是從北歐神話中的最主要的神奧丁 Woden,星期三也是水星日,日文則是水曜日。

水星的符號是信使之神手上拿的雙蛇杖。圖/作者提供

☿代表水星,也就是信使之神,☿是信使之神的信物,稱為雙蛇杖或商神杖,因為信使之神也是商業之神,圓形上的兩個像角的代表雙蛇杖上的一對小翅膀,兩條蛇就簡化成一個圓。

墨丘利(Mercury)和荷米斯(Hermes)分別是羅馬和希臘神話中的信使,他飛快的速度,負責為眾神傳遞訊息。

水星最靠近太陽,是行星中移動速度最快的,這和信使之神的形象相符。

手拿雙蛇杖的荷米斯,Mercury by Paul Pieter Rubens at Museo de Prado。圖/作者提供

哪一種金屬最適合代表水星?

其實從他的羅馬名字就看得出來,Mercury的另一個意思就是汞,也就是水銀。水銀在常溫下是流動的銀色液體,所以汞在英文上也稱為quicksilver,不意外地,汞的符號就是☿。

木星♃

星期四是Thursday,是用北歐神話的雷神索爾Thor名字命名的,星期四也就是木星日,日文則是木曜日。

木星的符號。圖/作者提供

♃這個符號很特別,有點像是阿拉伯數字的2,再加上一豎,或像阿拉伯數字的4。♃代表木星,有人說它是宙斯的老鷹,也有人說其中2的形狀,其實是Z,是宙斯Zeus名字的縮寫,中間的一豎代表宙斯的武器閃電,這個武器和雷神索爾相呼應。

木星是太陽系中最大、最重的行星,非常的有威嚴,它的衛星數量也最多,目前已知的衛星有69顆。木星的大氣也會出現閃電,它的威力最高可達到地球閃電的一千倍!可見宙斯閃電的威力!

朱庇特(Jupiter)是羅馬神話中的眾神之神,一般人比較熟悉的反而是希臘神話中的宙斯(Zeus),宙斯非常的風流,木星已命名的衛星中,大多都是以宙斯愛人的名字命名。

宙斯左手拿著雷電,右手拿著權杖,旁邊是他的老鷹。圖/作者提供,攝於奇美博物館。

錫這種金屬相當特別,除了顏色閃閃發亮外,當錫棒被彎折時,會發出喀喀的聲音,想像力豐富的古人就把錫和宙斯的雷電聯想在一起,所以錫就代表木星,而它的符號就是♃。

金星♀

星期五是Friday,是從北歐神話奧丁的妻子弗麗嘉Frigg名字來的,弗麗嘉是愛和美的女神,星期五是金星日,也是日文的金曜日。

金星的符號是美神維納斯的鏡子。

♀這個符號代表雌性,代表美神手上拿的鏡子。

♀和♂常常成對出現,不過美神和戰神並不是夫妻,他們常常背著另一半,偷偷地在一起。金星的符號是♀,是天空中第三亮的天體,僅次於太陽和月亮。

金星是距離地球最近的行星,它厚厚的大氣層中有硫酸雲,硫酸雲的反射率很高,就像是鏡子一樣會反射大量的太陽光,所以金星看起來會特別明亮。

維納斯(Venus)和阿芙蘿黛蒂(Aphrodite)指的都是同一位神,也就是愛神,只是前者是羅馬名,後者是希臘名。

阿芙蘿黛蒂相傳是從海中的泡沫中誕生,出生後就驚為天人,她成了眾神追求的對象,宙斯當然不落人後,不過被阿芙蘿黛蒂拒絕了,宙斯在惱羞成怒的情況下,把阿芙蘿黛蒂嫁給自己的兒子火神,於是造成不幸福的阿芙蘿黛蒂常常出軌。

照鏡子的維納斯,Venus with a Mirror by Titian at National Gallery of Art。圖/作者提供

阿芙蘿黛蒂的符號是手上的鏡子,古代鏡子是用銅做的,也就是銅鏡,所以銅的符號就是♀。

土星♄

星期六是Saturday,是從英文Saturn土星這個字來的,星期六是土星日,也是日文的土曜日。

土星的符號是把鐮刀。圖/作者提供

♄代表農業神手上拿的鐮刀,羅馬和希臘的農業神分別是撒頓(Saturn)和克洛諾斯(Cronus)。天文上,♄代表土星,土星是七曜中移動最緩慢的,大約30年才會在天球上移動一圈。

克洛諾斯用鐮刀打敗了父親烏拉諾斯(Uranus),取得統治世界的權力,於是鐮刀就成了克洛諾斯的象徵。當克洛諾斯取得權力時,就被他的父親詛咒,將來也會被自己的小孩擊敗,所以克洛諾斯把每個生下來的孩子都吞下肚子。宙斯的母親不忍小孩一個一個被克洛諾斯吃掉,所以用一塊包著布的石頭代替宙斯被克洛諾斯吞下。宙斯長大後,用計將克洛諾斯肚子裡的兄姐救出,最後打敗克洛諾斯,獲得世界的統治權。

克洛諾斯拿著鐮刀,正在吞食自己的兒子,Saturn devouring a Son by Paul Pieter Rubens at Museo de Prado。圖/作者提供

鉛是密度很高的金屬,因為像鉛一樣的沈重,所以土星在七曜中移動的最慢,鉛的顏色也最暗沈,就像農業神腳踩的土壤一樣,所以鉛的符號也就是♄。

太陽跟我們的日常作息密不可分,月亮則在夜晚守候著我們,水星和金星是比地球還靠近太陽的兩顆行星,火星很可能是人類移民的目標,而木星和土星則是太陽系裡最大的兩顆行星。曜日月行星並不是遙遠的天體,它們和我們每天的生活連結在一起,找個天氣好的夜晚,看看這些和我們息息相關的天體吧!

本文編修自作者部落格《屋頂上的天文學家

  • 編按:大家都記住七曜日了嗎?這樣以後突然被問到「月曜日是星期幾?」就不會答不出來了吧!
source:月曜日のたわわ @ニコニコ
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屋頂上的天文學家-李昫岱,中央大學天文所博士,曾經於中央研究院天文所和美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校從事研究工作。著有《噢!原來如此 有趣的天文學》、《天文很有事》,翻譯多本國家地理書籍和特刊。 目前在國立中正大學教授「漫遊宇宙101個天體」和「星空探索」兩門通識課。天文跟其他語文一樣,有自己的文法和結構,唯一的不同是天文寫在天上!現在的工作是用科學、藝術和文化的角度,解讀、翻譯和傳授這本無字天書,期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好!

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將陽光轉變成電能的太陽能電池:太陽能電池不是電池——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/23 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

備受關注的再生能源

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。圖/pexels

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置,這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱,但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當,應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1-2 節提到的半導體光電效應(將光轉變成電能的現象)。不過,僅僅只透過照光,並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能,必須使用 pn 接面二極體(參考第 1 章 1-8 節)才行。

pn 接面二極體。圖/東販

圖 5-1(a) 為 pn 接面二極體,p 型半導體有許多電洞做為載子,n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後,接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散,電子則會往 p 型移動擴散,如圖 5-1(b) 所示。

移動擴散之後,接面附近的電子與電洞會彼此結合,使載子消滅,這個過程稱為複合。結果會得到圖 5-1(c) 般,沒有任何載子存在的區域,這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中,n 型半導體的帶負電電子不足,故會帶正電;另一方面,p 型半導體的帶正電電洞不足,故會帶負電(圖 5-1(d))。

因此,n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差,在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子,與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡,故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態,放著不管也不會發生任何事。也就是說,接面上有內建電位差之壁,不管是電子還是電洞,都無法穿過這道牆壁。

用光發電的機制。圖/東販

在這種狀態下,如果陽光照入空乏層,半導體就會在光能下產生新的電子與電洞,如圖 5-2 所示。此時,新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動,新的電洞則往 p 型半導體移動(圖 5-2(a))。於是,電子便會在外部電路產生推動電流的力,稱為電動勢。

在光照射半導體的同時,電動勢會一直持續發生,愈來愈多電子被擠入外部電路,於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體,與電洞結合(圖 5-2(b))。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

太陽能電池的結構。圖/東販

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5-3 所示。

為方便理解,前面的示意圖中,都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上,太陽能電池所產生的電流大小,與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好,就像圖 5-3 那樣呈薄型平板狀。

前面的說明提到,陽光可產生新的載子,這裡讓我們再進一步說明其原理。

pn 接面二極體的電子狀態。圖/東販

圖 5-4 為 Si 原子之電子組態的示意圖(亦可參考第 38 頁圖 1-11)。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合,故 Si 結晶的軌道填滿了電子,沒有空位(圖 5-4(a))。

若摻雜雜質磷(P)或砷(As)等 15 族(Ⅴ族)元素,形成 n 型半導體,便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道(圖 5-4(b)),與共價鍵無關,故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠,電子的能量愈高,所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量(參考第 57 頁,第 1 章的專欄)。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差,稱為能隙。

另一方面,如果是摻雜鎵(Ga)或銦(In)等 13 族(Ⅲ族)元素的 p 型半導體,會少 1 個電子,形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層,能量比自由電子還要低(圖 5-4(c))。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子,此處原子的電子組態皆如圖 5-4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時,原子的電子會獲得光能飛出,轉移到能量較高的外側軌道(圖 5-4(d))。此時的重點在於,電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話,電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定,波長愈短,光的能量愈高(參考第 217 頁,第 5 章專欄)。光能 E(單位為電子伏特eV)與波長 λ(單位為 nm)有以下關係。

E[eV]=1240/λ[nm]

抵達地表的陽光光譜。圖/東販

另一方面,抵達地表的陽光由許多種波長的光組成,各個波長的光強度如圖 5-5 所示。

由圖可以看出,可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52%的能量由可見光貢獻,紅外線約佔 42%,剩下的 5~6% 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光,將它們全部轉換成電能的話,轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的,無法吸收所有波長的光。

Si結晶的能隙為 1.12eV,對應光波長約為 1100nm,位於紅外線區域。也就是說,用 Si 結晶製造的太陽能電池,只能吸收波長小於 1100nm 的光,並將其轉換成電能。

不過,就像我們在圖 5-5 中看到的,就算只吸收波長比 1100nm 還短的光,也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明,可能會讓人覺得,如果半導體的能隙較小,應該有利於吸收波長較長的光才對。不過,並不只有能隙會影響到發電效率,圖 5-6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光,可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高,譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵(GaAs)。GaAs 的能隙為 1.42eV,轉換成光波長後為 870nm,可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高,所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

總之,GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點,只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此,研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好,以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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宇宙如何影響我們的文明?星空信仰下的人們——《人類大宇宙》
遠流出版_96
・2022/10/17 ・3016字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 作者 / 喬.馬錢特博士(Dr. Jo Marchant)
  • 譯者 / 徐立妍

宇宙最初的光芒

將近一百四十億年前,一切自虛無中霹靂而生,我們的宇宙從一個熾熱、壓縮又微小到無法想像的小點中迸發誕生,接著幾乎是在一瞬間便往外膨脹,形成太空的這個空間以超過光速的程度急速擴張,一直到所有存在的物體大約成為一顆葡萄柚的大小。

然後,宇宙持續擴張、冷卻,接著形成了最初的物質,就在那第一秒內,中子、質子、電子、光子、中微子等各種粒子組成的高密度團相互推擠,形成一股驚人而熾灼的熱,散發出有如霧般的光。宇宙生成大約三十八萬年後,這顆泡泡已經擴張到幾千萬光年以外的地方,並且冷卻到了幾千度左右,這樣的溫度足以讓原子組合在一起,宇宙第一次透出了光。

一開始只是一閃即逝的光,然後黑暗再度籠罩,還要再過幾千萬年,重力才能夠吸引住稍有密度的各種物質,粗暴地將一團團氣體碰撞在一起,形成最早的星星及星系,就這樣,天空的燈光一個個亮了起來。

大霹靂(Big Bang)。圖/envato.elements

大多數的宇宙學入門大概都會以自己的方式描述這一連串事件,但謎團仍未解開:大霹靂(Big Bang)真的是一切的開端嗎?或者我們的宇宙只是在另一個更大的多重宇宙中一顆不斷膨脹的泡泡?宇宙會永遠擴張下去嗎?或者到最後會在一次大擠壓中再次崩塌?不過,眾人都能同意宇宙的普遍性質及宇宙是怎麼回事,目前已經揭露的事實是,這是一台龐大且精細的機器,由物理粒子組成,並且其中的作用力也依循著數學方程式及法則。

仰望星辰的人類歷史

這本書要說的是不同的故事。宇宙的科學解釋是我們現代文明的巔峰,如此擲地有聲的見解足以消弭其他所有不同看法。研究宇宙的宇宙學曾一度被形容為在哲學及精神層面上的廣泛追尋,要找出人類存在的意義,要問我們是誰、我們在哪裡、我們為何在此地,如今卻是數學天文學的一個分支。那麼,那些大哉問怎麼了呢?我們對於宇宙已經沒有其他什麼需要知道的嗎?

這本書並不是要詳細描述最新的天文學進展,是要介紹長久以來,人們從星辰收集到的知識歷史,是關於人們的宇宙觀如何讓他們認識了現實的本質及生命的意義;關於我們已經捨棄的那些神祇與靈魂、神話與神獸、宮殿與天體;關於科學觀點如何成為主流,而這段路程又是如何形塑今日的我們。這是一段關於人的故事,講述了祭司、女神、探險家、革命家和君王,故事並非由大霹靂開始,甚至也不是由科學的誕生開始,而是由最早抬頭望向星星的人類開始,以及他們在天空中找到的答案。

為何要在乎過去對天上的信仰?考古學家和歷史學家通常不會如此。我們知道,科學是立基於試圖理解天堂的念頭,不過學者要更全面追溯人類歷史進展時就鮮少以此為焦點,我認為此舉對於我們要理解自己從何而來造成了巨大的盲點。事實上,人們在天空中所看到的模式一直都主宰著人們在地上生活的方式,形塑了對於時間與空間、權力與事實、生與死等概念。
我們在古老的過往中便看見這一點:執著於日食的巴比倫人;建造金字塔以引導靈魂前往星星所在之處的埃及法老;在太陽旗幟下奮戰的羅馬皇帝。對宇宙的概念也形塑了現代世界,即使我們忘記這些影響力的根源,卻也已經深植在社會當中,存在我們的國會、教堂、藝廊、時鐘與地圖裡。從基督教的誕生,乃至歐洲的探險及主宰星球,其中核心的影響力正是對太陽、月亮、星星的信仰,他們指引著不羈的立法人員創建了民主與人權原則、引導經濟學家建立資本主義所仰賴的框架,甚至指示畫家畫出了第一幅抽象畫。

捷克布拉格舊市政廳天文鐘。圖/envato.elements

今日光害籠罩著我們的星球,星星幾乎消失了,過去在黑暗的夜空中能看見上千顆星星,但今日在城市裡的我們只能看見幾十顆。天文學家擔心,就連這些很快也會遠遠不敵人造衛星的數量,在美國和歐洲的大多數人根本再也看不見銀河。看著自然遺產這樣逐漸消蝕實在是災難一場,我們與銀河系及浩瀚宇宙之間的連結也會就此消逝。沒有人為此群起大聲疾呼,大多數人只是聳聳肩,依舊盯著自己的手機,絲毫不擔心即將失去這片在歷史上其他每一種人類文化都視為必要的景象。

宇宙的本質與生命的追尋

但是,我們仍然努力想弄清楚我們在宇宙中的位置,科學在這方面的進展十分成功:今天一個五歲小孩比起幾千年前的古早文化更清楚物理宇宙的歷史、組成及本質,但是科學也將這些文化在生命中發現的意義拆解了大半,將個人經驗屏除在我們對現實的理解之外,取而代之的是時空概念抽象而數學化的網格。

地球從存在的中心被踢到了邊緣,生命被重塑成隨機意外的結果,而且也完全不管神明了,現在一切都能以物理法則來解釋。我們在宇宙秩序中完全不是什麼有意義的角色,而是如物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)所言,我們只是「化學渣滓」,存在於一個中等大小的星球表面,繞著一個沒什麼重要性的星球運行。

幾百年來不斷有人批評反對這樣冰冷機械式地解釋人性,過程中經常全盤否決科學的見解,一直到不久之前仍屬於禁忌話題,但現在即使是受人敬重的科學家也對此表達擔憂,他們認為或許物理物質並非宇宙全貌、並非我們的全貌;或許,科學只看見了全貌的一半。我們可以解釋星體與星系,但心智呢?意識本身呢?這些論戰逐漸形成一場世紀之戰,可能會改變整個西方的世界觀。

畫下戰線之後,我想我們必須換個角度思考,提出概述,因此這是一本關於宇宙的書,不是科學指南,是從人性出發。我不長篇大論地講述,而是選擇了十二個時刻,你或許也可以稱之為墊腳石,讓我們理解歷史上的人們是如何看待天空,尤其是這十二篇故事依循著西方物質宇宙觀點的崛起,爬梳這套宇宙模型如何主導我們的生活。這些故事從人類最早透過洞穴壁畫及巨石陣來表達人性開始追溯,途中講述了基督教、民主及科學等重要傳統的誕生,最後進行到追尋外星生命以及近來飛入真正的且虛擬的太空之旅。

這趟旅程能夠解釋今日的我們是誰,或許還能指引出未來的航道。所謂當局者迷,我們很難看見其極限,因此我希望拉遠距離去檢視人類宇宙信仰的深度歷史,或許有助於我們探索世界觀的界線,還可能看得更遠。我們是如何成為無意義的宇宙中被動的機械?這些信念如何影響我們生活的方式?而我們由此又能前往何方?

———本書摘自《人類大宇宙》,2022年 9 月,遠流出版。

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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哈伯也懂漂移?3D-DASH:哈伯太空望遠鏡最大的近紅外巡天計畫
Tiger Hsiao_96
・2022/07/10 ・2933字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 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

若問當前軌道上最強的可見光太空望遠鏡是誰,那當然非哈伯太空望遠鏡莫屬。身處太空的它有著直徑 2.4 公尺的主鏡,可以在不受大氣層干擾的情況下,清晰地拍攝遙遠且黯淡的天體。然而,哈伯望遠鏡並非全能,雖然它在解析度(angular resolution)和靈敏度(sensitivity)上都無人能及,但也有不擅長的領域 ── 它的視野相當小。

哈伯太空望遠鏡。圖/NASA

即使是哈伯裝備的所有相機中視野最大的「先進巡天相機(ACS)」,其視野也只有 202 角秒 x 202 角秒而已,相當於滿月的 1.5%,或是一個十元硬幣在約 25 公尺外的大小。可以想見,想要用這麼小的視野拍攝廣大的區域,是相當緩慢而沒有效率的事。

直到最近幾年,天文學家發明了稱作「Drift And SHift (DASH)」的新型觀測模式,可以在不改變哈伯硬體設備的前提下,大大增加哈伯在近紅外線波段的拍攝效率。利用這項技術,來自多倫多大學的團隊展開名為 3D-DASH 的大型紅外線巡天計畫,其拍攝的天空範圍,是前一個紀錄保持人「CANDELS」的七倍之多。

不斷選擇「引導星」的傳統觀測模式

想了解為什麼 DASH 技術可以大大提升哈伯的觀測效率,就要先從哈伯原本是怎麼觀測的開始談起。

不知道大家有沒有在黑夜中拍照的經驗呢?在低亮度的環境中,相機總需要比較長的時間進行曝光,才能拍出清楚的照片。而如果你在曝光的過程中不小心移動了相機,那拍出來的照片就會糊成一團。同理,由於天文學家想要拍攝的目標,大多是極其遙遠且黯淡的天體,所以天文觀測時單張照片的曝光時間,往往動輒數百秒以上。因此,專業天文望遠鏡常會配備「導星(Guiding)」系統,以確保望遠鏡能在數百秒的時間內,都精準的指向同一個位置。

導星的原理很簡單,就是在望遠鏡和相機觀測的同時,同時用另一套相機監測視野中星星的位置。一旦發現畫面中恆星的位置有任何小小的移動,導星系統就會命令望遠鏡調整指向(pointing),即時把誤差修正回來。在哈伯望遠鏡上,這個負責導星的相機叫作「精細導星感測器(FGS)」。而這個用來幫望遠鏡「導航」的星星,就被稱為「引導星(guide star)」。

哈伯在進行拍攝時,需要找一顆導星來隨時校正方向。圖/GIPHY

一般來說,在哈伯望遠鏡每指向一個新的目標,都需要先花費一段約十分鐘的時間選擇引導星,然後才能進行科學拍攝。然而,由於哈伯的軌道週期僅有 97 分鐘左右,因此在一次軌道中,哈伯基本上只能拍攝一或兩個固定的天區,不然就會有大量的觀測時間被浪費在尋找引導星的過程中。如此一來,天文學家若想透過哈伯來拍攝 800 個不同指向,就需要花費 800 次的軌道繞行時間才能結束這項任務。

花費很多時間有什麼問題呢?哈伯望遠鏡的觀測,是由美國「太空望遠鏡科學研究所(STScI)」向全世界天文學家公開徵求觀測企劃之後,再從中挑選出最具科學效益的企劃後實施。一個耗時 800 個軌道週期的觀測,很難在競爭激烈的觀測計劃書中脫穎而出。

但如果,天文學家真的很需要用哈伯進行大面積的巡天,該怎麼辦呢?

提升效率的新方法

如前述,一般來說哈伯每指向一個新目標,都需要花費十分鐘來進行捕捉引導星。但換個角度想,如果把導星功能關掉,不就可以省下這些時間了嗎?

計画通り!圖/GIPHY

還真是沒錯,哈伯的設計的確是可以關掉導星系統,利用其中的陀螺儀來進行控制。但陀螺儀的能提供的穩定性終究不如導星系統,一旦曝光時間過長,望遠鏡的微小移動還是會造成最後曝光出來的星星像塗抹花生醬一樣糊成一片,這樣的影像是很難用於科學分析的。

開導星耗時間,不開導星又沒辦法長曝,該怎麼辦呢?

這時就輪到「Drift And SHift(DASH)」技術出場了!DASH 的核心概念很簡單:

  • 為了省時,我們就關掉導星。
  • 關導星不能長曝,那我們就拍很多短曝光時間的照片,降低每張照片的模糊程度,再把它們對齊之後疊起來。

以 3D-DASH 計劃來說,關掉導星會讓哈伯的指向以每秒 0.001 至 0.002 角秒的速度緩緩飄移。因此天文學家將每張照片的曝光時間壓縮到 25 秒以下,讓星點在畫面中的移動不超過一個像素(WFC-3 的像素大小為 0.129 角秒)。利用這樣的技術,天文學家就能在哈伯的一次軌道週期中,拍攝八個不同的指向,把觀測效率提升了八倍!

3D-DASH 的觀測天區和其他觀測計畫天區大小、深度(最暗可拍到的天體星等)的比對圖。圖/arxiv

拍這些照片有什麼用?3D-DASH 的科學意義

3D-DASH 計畫的觀測資料最近已於網路上公開,不過這龐大的資料量,觀測團隊以及其他科學家們還需要更多時間進行分析。不過,在公布這個計劃的論文中,團隊已經提出了一些值得分析的科學問題。

舉例來說,天文學家認為如今多數的橢圓星系(elliptical galaxy)們,都是由較小的星系合併而來。因此尋找合併中的星系,並測量它們的各項物理性質,是研究星系演化歷史的重要方法。但很多時候,地面望遠鏡可以大略看到一個光點可能是兩或多個相鄰的天體組成,卻沒有足夠的解析度可以研究它們的細節。但有了 3D-DASH 的資料,天文學家就可以清楚的看到星系們合併的細節,並研究其中細微的結構以及測量更多複雜的物理量。

合併中的星系們。圖/NASA

不過這種大範圍的巡天計畫也不是完美的。為了拍攝廣大的天區,每個天區分配到的平均觀測時間就會比較少,因此比起 CANDELS 等前輩們,3D-DASH 只能看到相對亮的星系們。雖然如此,3D-DASH 這種相對廣而淺的觀測,不僅可以提供更大量的星系樣本,幫助天文學家使用強大的統計方法進行分析;也可以讓天文學家先大概了解這片天區裡有些什麼,如果發現了有趣的目標,就可以使用哈伯或韋伯等其它強大的望遠鏡們進行更深入的觀測!

3D-DASH 的所涵蓋的天區,以及其超高的解析度。圖/arxiv

參考資料

延伸閱讀

Tiger Hsiao_96
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現於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。