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南太平洋觀測日全食——和平號觀日食全記錄│環球科學札記(45)

張之傑_96
・2021/09/22 ・2573字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 作者 / 張之傑

對和平號一○一回航程來說,南太平洋觀測日全食是件大事。船到紐約,上來三位天文學家擔任領航人;到了巴拿馬,又上來兩位。這五位天文學家做過十幾場演講,接近復活節島前,演講以一般天文學為主;接近復活節島及離開該島的幾天,主要是說明有關日食的知識,以及觀測和攝影應注意事項。

船上出版《 2019 年日全食介紹》小冊子,有日文、中文、英文三種版本。A4大小,二十二頁,每冊一千日元。小冊子由領航人伊東昌市、鳫宏道、加藤一孝、小關高明署名,他們可能就是編者。根據小冊子,此次日全食的最佳觀測地點是復活節島北側海域。

日食必定發生在朔日,即陰曆初一。此時月球位於地球和太陽之間,但因地球軌道(黃道)與月球軌道(白道)約有五點一度傾斜,所以並非每個朔日都有日食。當月球在黃白道交點附近時,才會發生日食。

A 本影區出現日全食;B 偽本影區出現日環食;C 半影區出現日偏食。圖/Wikipedia

日食是太陽被月球遮住的現象。太陽的大小約為月球的四百倍,地球到太陽的距離恰為地球到月球距離的四百倍,當月球位於近地點時,月球的陰影剛好可以遮住整個太陽。由於月球的軌道呈橢圓形,當月球位於遠地點時,遮不住整個太陽,而有環食的現象。

日偏食可在廣大的區域看到,但日全食只在寬約一百至兩百公里的狹窄區域可以看到,和平號將開往適當位置觀測日食。日全食大約每十八個月就會發生一次,但在同一個地點看到日全食,平均要隔三七○年!換句話說,在復活節島附近再次出現日全食,已是幾百年後的事了。

日全食。圖/Wikipedia

和平號原本預定在復活節島停泊兩天,因天候不佳,第二天仍有些人沒能登島,所以多停泊一天。六月三十日,船上說,後天(七月二日)下雨的機率約百分之六十五,能否看到日全食就看老天的意思了。當晚每人發給一副觀看日食的護目眼鏡,放在各人的信箱內。

七月二日(己亥年六月初一),清晨拉開窗簾,是個晴天,應該可以看到日全食了!根據船上新聞預報,日全食上午九時十五分開始,我們不到九時就登上九樓甲板,找了個靠牆的地方坐下。游泳池前的區域,專供帶三腳架的人使用,每人得付費三千五百日元。我登上八樓船尾甲板時,已付費者早已準備就緒。據說若干乘客就是為了觀測日全食才參加和平號一○一回旅行的。

使用三腳架者每人圈定一個區域,得付費。圖/李枝福攝

除了三腳架區,游泳池畔的台階上,和甲板上,已熙熙攘攘地坐著或站著許多人。陽光從船尾方向射過來,雖有些雲,但不至於遮住太陽,看來應可看到日全食。

九時二十分,廣播響起敲鐘聲,和滴答滴答的計秒聲,one, two, three,……ten,數到ten,表示日全食已經開始。滴答滴答的計秒聲,以迄日食結束從沒停頓。同時播報全食開始時和平號所在的經緯度,我沒來得及記下來。

這時我才發現,船上發的護目眼鏡,不如邱韻如老師借給我的好用。主要是兩個鏡框距離過遠,不適合我的眼睛。再說,船上發的暗度有點兒不足。邱老師自己做的,以童玩面具改裝而成,也就是將面具的眼眶挖大,背面貼的是三點五吋磁碟片的內層磁片,遮光度夠不說,看到的人都說可愛。

船友坐在甲板上等待觀看日全食。圖/作者攝

就在這時,內人受不了甲板上的強光回房間去了。我在通過巴拿馬運河時因長期曝露在強光下傷了眼睛,今天不論如何,只能豁出去了。乾眼症畏光、畏風,戴著遮陽帽和太陽眼鏡,並管不了大用。

十時零二分,廣播:「太陽已有百分之六十五被月影遮住。」

十時零四分,廣播:「距離全食剩三十分鐘。」

十時十九分,廣播:「只剩十五分鐘,太陽已呈月牙狀,氣溫漸漸轉涼。」

十時二十四分,廣播:「只剩五分鐘,請大家站立原處,不要走動,全食時會暗下來,以防絆倒。」

十時三十分,廣播:「只剩三分鐘。」

十時三十三分,廣播:「計時,one, two, three,……」數到ten時,出現鑽石環,即太陽還沒被遮住的一小點。鑽石環隨即縮小,形成吐露著紅光的日珥(紅焰)。接著進入全食(食甚),太陽變成黑色,四周有一圈日冕,天暗下來,雲隙間出現星星。

日全食時,太陽變成黑色,四周有一圈日冕,天暗下來。圖/徐羅實提供

我正想認明那些星星,天公不作美,飄來一大片雲彩。我們才不過觀看了約三十秒,就被飄過來的雲遮住。日全食為時約三至四分鐘,當太陽再次露臉,已過了全食,太陽露出一小點,再次出現鑽石環。當露出得更多,太陽漸漸露臉,愈露愈多,愈露愈圓,宛如日全食過程的倒轉。

距離日食結束還早,到九樓吃過午餐,回到八樓,太陽還沒復圓,仍有許多人戴著護目鏡堅持到最後一刻。我拿出邱老師自製的護目鏡,請一位香港女士幫我照一張相,她按到「貼圖」,照出的相有貓耳朵。又請一位香港攝影家幫我照一張,算是為此次觀測日全食留下紀錄。

十二時十二分,廣播:「日全食即將結束,one, two, three,……ten,」數到ten,秒針的滴答滴答聲嘎然停止。日食結束。

(船上的日全食廣播過程,我的紀錄不到一半,也不完整,後悔沒有錄音,讓當時的場景重現。)

日食初期(初虧),一位香港女士將護目鏡遮住手機鏡頭,照了一張有缺口的太陽給我看。我依樣學樣,就是照不出來。日全食時,我的手機也無法拍得分明。這是第三次發現自己的手機性能不佳。第一次是參觀帝國大廈時,我的手機不能消去光暈。第二次在復活節島拍攝彩虹,我拍的彩虹不能清晰分辨七種顏色。

日全食開始時,曾廣播和平號所在的位置,我沒來得及紀錄。根據每日十二點半所公佈的正午經緯度,當日正午時船的位置是南緯二十一度八分,西經一二五度三十三分。日全食於十二時十二分結束,由正午的經緯度,約略可以推估觀測日全食時的位置。

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張之傑_96
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張之傑教授,科學史家,為中央研究院科學史委員會委員、中華科技史學會創始人;另研究科普學、辭書學、民間宗教、民間文學、西藏文學等。寫作小說及少兒讀物大多使用筆名(章杰),其餘大多使用真名。其科普作品以文筆流暢、條理清晰、富含人文精神著稱。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

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」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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