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星星一定在動嗎?──《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》

聯經出版_96
・2016/04/14 ・3115字 ・閱讀時間約 6 分鐘

星星一定在動?

好, 今天我想來談談暗物質。在進入主題之前, 我想請大家回想一下上一回說過的牛頓「運動定律」。牛頓思考「為什麼星星不會掉到地球上」,想出了「因為它在動」的答案。

如果停止運動, 就會掉下來。例如,這是人造衛星墜落地球前的狀態,但它並不是以靜止狀態飄浮在地球上空。因為重力一直在運作,一旦靜止的話,最後一定會朝著地球墜落。它沒有墜落,就是因為它相對(或是抵抗著?)重力朝某方向在運動。

人造衛星之所以沒有墜落到地球上,就是因為它持續相對著重力朝著某方向運動。

這個圖的狀況,人造衛星正好繞著地球周圍打轉。它飛行的運動,與重力巧妙的維持均衡,所以不會掉落下來。它拚命的運動以避免墜落。請各位記住,重力與運動永遠互為表裡。重力發生作用的地方,物體在運動。反言之,如果有天體在運動,那就是重力發生作用。

記住這個法則,今天講述的內容就會比較容易理解。

離太陽越近,公轉速度越快,離得越遠越慢

那麼我們先來想想太陽系行星的公轉運動吧。太陽在正中央,行星繞著它的周圍旋轉(圖 56 ☞)。行星不會朝著太陽墜落,是因為它保持著某個速度。而且越接近中心的星球,應該旋轉得越快。事實上水星旋轉的速度驚人的快,而最外側的海王星則是個慢郎中。

【P239-圖56】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

距離中心越遠,公轉速度越慢─我們做個圖表看看吧(圖 56 ☛)。縱軸是「速度」,橫軸是「與太陽的距離」,輸入各別行星的速度之後,就會形成這樣。離太陽近的行星速度快,距離遠的速度慢。原因是離太陽越近,受到它的重力影響越大。重力正是公轉的原動力。請牢記,畫成圖表的話,可以描出這樣的曲線。

依據這個原理,我們再來看看星系吧。

這是仙女座星系(圖57)。大和宇宙戰艦的目的地─位於我們銀河系的隔壁,所以經常看得到它的名字。

從側面來看這個星系的話,會呈現這種形狀(圖 57 ☞)。上面照片中的中央也是圓圓隆起的樣子,而且非常明亮。為什麼會這樣呢?因為正中央聚集了大量的恆星,周圍的星球則是呈圓盤狀散開的關係。

這就是被稱為「螺旋星系」的特徵,而中央星球聚集的地方,叫做「核球」(bulge=凸出),而周圍叫做「盤面」(disk=圓盤)。從亮度的分布來推測,絕大多數的星球都集中在核球,周圍的盤面沒什麼星球。星系的結構就是這樣。

星系的自轉速度很奇怪……

接下來我們來思考一下星系的運動吧。看上去,星系是靜止的,但是仔細觀測一下,就會知道它也在旋轉。星系聚集了大量恆星,當然是重力在運作的關係。如同一開始時我說過的,重力運作的地方,星球會恆常的運動。如果運動停止的話,就會朝著核球落下,所以它必定在旋轉。

再來思考盤面上星球的運動吧(圖58)。這些星球以多快的速度在運動呢?我們來測量一下它們個別的旋轉速度。

【P243-圖58】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

有一位學者叫做薇拉.魯賓(Vera Rubin),就真的做過這個測量──她是上一次講到的伽莫夫(George Gamow)的學生──這位科學家使用的方法,是都卜勒效應。前一次也介紹過,這是波必定會出現的現象,遠離時波長會拉長。以光來說,「波長拉長」的意思,在顏色上會往紅色方向(紅移)移動。測量它的偏移量,就可以測得星球的速度─這是上一回講義中說過的。魯賓就是用這種方法,測量盤面上的星球速度。

預測的狀況是這樣(圖 58 ☚),照理說,越接近核球,速度越快吧?因為幾乎所有的質量都凝聚在核球,所以它應該和太陽系一樣,越近越快,越遠越慢。若不是如此就有問題了。

可是……

但實際上這位學者發現了一個驚人的現象,不論內外,所有星球的旋轉速度幾乎都一樣。(圖 59 ☜)即使距離中央十分遙遠,速度卻不變。照理說,越往邊緣走,速度會越慢才對。速度沒有變慢,恐怕是發生以下這種狀況,即本來以為星球凝聚在核球,而周圍的盤面幾乎呈現沒有星球的狀態,但似乎不然,難道是有星球以外的物體,以「黑」的狀態密集分布在周圍嗎?(圖 59 ☚)這裡應該有一些具有大質量的無法以光看見的物質吧……

這個以「黑」顯示的領域稱為「銀暈」(halo=光暈)。密集在銀暈中的某物──一般認為就是暗物質,就是今天的主角。「halo」這名字滿可愛,但卻是「黑暗的」。

這是宇宙的一個謎,今天就要來說說這個謎。

球形的笨蛋!

這一位是科學家茲威基(Fritz Zwicky,圖 60)。他是超新星的專家,從他的名字弗里茨,很多人會以為,他是德語系的人,其實他是瑞士人,在美國做研究。

【P247-圖60】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

據說,他是個頑固老爹,可能因為自詡聰明,所以常常對人大聲責罵。罵人的方法也變化多端。但他最喜歡的一句,卻是「球形的笨蛋」。為什麼是「球形」呢?這表示不論從哪個角度看都是笨蛋的意思……算是個不夠聰明還會意不來的玩笑。德國常常有這類玩笑話,需要轉個彎想才會明白,但一點都不好笑。

剛才的那位魯賓在 70 年代時,曾研究過星系的旋轉速度,得出「好像有暗物質」的結論。但是這位茲威基卻在她 40 年前──也就是一九三○年代,就發現了這個驚人的現象。當時的時代既沒有「暗物質」這個名稱,連概念都沒有。但這位學者並不是研究星系中一顆顆恆星的旋轉運動,他研究的是星系本身的動態。

這個圖是「后髮星系團」,其中發出朦朧光線的圓盤狀物體,每一個都是一個星系(圖 60),集合了大量星系的天體叫做星系團。既然每一個圓盤都是星系的話,質量當然大得不得了。質量大的星系大量聚集─聚集歸聚集,但也有著相當的距離─會產生無法想像的重力。既然重力在運作,當然就會運動。茲威基便因此研究起星系團的運動。

運用牛頓的運動定律,計算速度,就可以估算出質量。若要對一個一個星系縝密的計算,需要極困難的演算,但是有一種匯總這種問題的學問,叫做統計力學,使用它就能比較簡單的求得。

為星星取你的名字送給你

對了,為什麼會取「后髮座」這個名字呢。星座的取名最初是從「把某顆星和另一顆星連起來,變成某種形狀」的方式開始的,但世界各地都有不同取法,很容易造成混亂。所以某一時候決定做個統一,國際天文學會的組織決定了哪裡是獅子座,哪裡是小熊座─雖然怎麼看也不像小熊啊─長得像「后髮」的說法也很玄奇,不過,那個組織就決定了「后髮座」的名字。

再說件不相干的事。天體中只有星座和一等星會取名字。各位應該也有聽過織女星或是牛郎星吧,但是二等星以下基本上沒有名字。二等星中有取名的,只有北極星,其他的都是無名星,你可以任意幫它們取名。

因為這個原因,還興起了一門生意。有人以「為星星取你的名字送給你」作為宣傳,只要付一筆錢,就能拿到認定書之類的證明。但實際上並沒有得到國際天文學會的承認,只是隨便任意取名而已。其實不用花錢,自己隨便幫一顆星取名也是一樣。那種手法只是欺騙不懂內情的人罷了。


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你一定聽過黑洞、時間旅行、暗物質、蟲洞、希格斯粒子、空間扭曲、相對論……但你真的「知道」那是什麼嗎?快跟著《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》吧!(本書為聯經出版

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星座、星宿、星官傻傻分不清楚?

臺北天文館_96
・2021/06/21 ・5244字 ・閱讀時間約 10 分鐘
  • 本文轉載自臺北天文館,《臺北星空》第 100 期
  • 作者 / 天文愛好者,曾獲 2001 年尊親天文獎第二等一行獎,擔任 2009 全球天文年特展解說員 | 歐陽亮

星座對現代人來說,就是指西洋星座,那麼傳統的中國星座是怎麼被取代與遺忘的呢?

一講到星座,大家就想到個性、運勢、愛情等熱門占星話題,聊起生日會對應到哪個星座也能秒答出來,強者甚至還進階到命盤、相位、上升星座的分析。不過,有多少人會認真依照今日運勢穿著幸運衣物走向開運方位進行日常生活?又有幾個人會因此聯想到天上真正的星星?在這裡我們並不準備以心理學或統計學來討論星座命理是否 屬於偽科學的冷門問題,而是要探討另一個更枯燥的疑點:到底星星 組成的星群在古代是稱為「星座」、「星宿」還是「星官」?

有人認為,中國古代稱呼天上星群為「星官」;而「星座」則是西方專有的,不可用在中國星群。因為「星座」指的是天空的範圍, 在邊界內整個面積所包含的星星皆屬於此星座,概念與「只有連線但無邊界」的星官不同1。但是,從古書中可以查到一些關於「星座」的例子:

《史記.天官書》【索隱】:「案天文有五官。官者,星官也。 星座有尊卑,若人之官曹列位,故曰天官」(圖 1)。

圖 1 史記.天官 書即有「星座」一詞(武英殿 二十四史本)。圖/台北星空 100 期

這裡已出現了「星座」一詞。唐代的《史記索隱》在同一段裡同時使用星座、星官兩詞,難道是作者司馬貞對兩者傻傻分不清楚?另外,天文怎麼可能只有五個星官?其實這是司馬貞以為天官書說 的五宮是五官的誤寫2

除了史書之外,五代十國時期的詩人黃損也曾把星座寫進詩中:「昨夜細看雲色裏,進賢星座甚分明」。進賢是在角宿旁的單星星官,但這裡卻用星座來形容。

然而「座」這個字何時出現?史記天官書有一 句「太微,三光之廷……其內五星,五帝坐」指的就是太微垣中的星官「五帝座」(圖 2 ),「座」寫 為「坐」,兩者通用。在保留早期天文型態的「朝鮮天象列次分野之圖」中亦可看到:紫微垣「五帝坐」(現稱五帝內座)與天市垣「帝座」混用兩字在同一圖中3(圖 3 )。東漢的《說文解字》雖然沒有記載座字,但在戰國初期就有人以此字為名,因此即便「座」較晚才出現,也是早在戰國時代就發明了。

圖 2 宋元兩代之五帝座星圖比較(中國恆星觀測史,頁 303、437):左為宋;右為元。圖/台北星空 100 期
圖 3 「天象列次分野之圖」的五帝坐與帝座,兩者用字不同。圖/台北星空 100 期

在敦煌藏經洞發現的唐初占星寫本 Pelliot chinois 2512 也可以看到,三家星官在數量統計時, 雖然單位大多寫為「坐」,但甘氏中官七十六座卻寫為「座」(圖 4),顯示當時通用的情形很普遍。

圖4 敦煌寫本 Pelliot chinois 2512 統計星官數量時使用單位為「坐」但偶爾用「座」。圖/台北星空 100 期

至於「星官」 這個詞最早出現在以下正史:後漢書《天文上》:「星官之書自黃帝始」。另外《三國志》也有:「禧既明經,又善星官,常仰瞻天文」。

上述敦煌占星寫本的數量單位「座」或「坐」,在同時期另一個內容幾乎相同的日本《三家星官簿贊》裡則寫為「官」(圖 5),只有甘氏外官四十二座抄錯成了四十二星。因此並不是司馬貞分不清楚「座」與「官」,而是當時應該可以通用,沒有特別區分。《宋史》等元代之後寫成的史書在統計時沿襲前人稱呼, 星座仍然與星官同義。一直到清末,星座依然沒有現代的「天空範圍」意思。現代天文巨著《中國恆星觀測史》也是星座、星官兩者並用4

圖 5《三家星官簿贊》統計星官數量時使用單位為「官」。圖/台北星空 100 期

另外,古人用星星占卜, 就是想藉由某星官位置出現異象時,找到「與其同名的地面事物會被影響」這種關連,含有天官示警之意,未曾有過「星名沒有官員的含義就不可稱之為星官5」 這種想法,也沒有把動物或用具之類沒有官員含義的星官排除在外而另外統計其數目,這一點可從《三家星官簿贊》裡統一用 「官」字來總計數目即可知曉。

至於「星宿」常被認為專指二十八星宿,即黃道赤道附近的二十八個主要星群,不過古人卻不一定這樣區分。著名成語「杞人憂天」出處《列子.天瑞》寫道:「天果積氣,日月星宿不當墜邪?」這裡的星宿就泛指所有星辰,而非只限於角宿到軫宿的二十八宿。古籍中還有許多「夜觀星宿」的詞句,也不可能是在形容古人觀星時只看二十八宿而不看別的星星。所以星宿是可以廣義地用來形容所有星群的用詞。

再來看西洋的「星座」, 在古代其實也是星群的概念:星座 Constellation 字源於拉丁文 constellattus,意思是組合在一起的若干星星6。遠古巴比倫文獻提到的三位神掌管的星群或是月球路徑上的 18 個星座7,都是由星群所組成,並沒有以座標來劃分天空的概念。直到近代的西方古星圖在繪製時也都是以圖案或連線來表現該星座範圍,彼此之間沒有明顯的界限,有時還會重疊, 使得同一顆星被兩個星座共用!

圖 6 托勒密星表中的五車五 (β Tau) 同時出現在御夫座(上)與金牛座(下),但末尾的星等卻不一樣。圖/台北星空 100 期

西方古天文最重要的經典著作:托勒密的《至大論》(Almagestum)又名《天文學大 成》,在第 78 ~ 89 頁的星表中,列出了古典四十八個星座的一千多顆星,其中就有幾顆星被故意寫了兩次,因為托勒密認為它們是兩個星座共享的(最早的共享經濟?)。例如御夫座 (Auriga) 右腳上的星 β Tau 同時也是金牛座牛角尖端的星,現在已被歸在金牛座,即中國的五車五。不過星表兩處的座標雖然相同,星等卻不一樣(圖 6 )。另外,在牧夫座 (Boötes) 最上方的星星與武仙座 (Hercules) 右腳的星星也是同一顆,現在稱之為ν1 Boötis, 即七公五(圖 7 )。

圖 7 托勒密星表中的七公五同時出現在牧夫座(上)與武仙座(下)。圖/台北星空 100 期

在托勒密的書中,並沒有使用字母或數字來標示恆星,而是利用相對位置來描述識別每一顆星, 與中國明代之前的方法一樣。托勒密還在每個星座的最後,列出一些 鄰近卻未被採用的恆星,這些不屬於星座圖形的孤星被稱為未成形的 (amorphotoi) ,就如同中國古代星象裡也有許多顯而易見卻沒有被編入任何星官的星星一樣,如船尾座 ζ(明清時才增加的星名:弧矢增二十二, 2.2 等)、天鵝座頭部 β 星(輦道增七,3 等)。到了近代「星座隨你DIY」的混亂時期,這些孤星逐漸被合併到古典星座或是剛劃分出的新星座,直到 1930 年國際天文聯合會(IAU) 為了統整星座的邊界,捨棄共用重複的編號,星座才確定用座標來劃分,成為一種天空區域的概念,而不再指實際的星群,終結了星星被搶著要或沒人要的情形。

何時轉換為西洋星座體系

星座對現代人來說,就是指西洋星座,那麼傳統的中國星座是怎麼被取代與遺忘的呢?西洋體系中的黃道十二星座最早在隋 初就隨著佛教傳到中國,並偶爾與二十八宿同時出現於古墓壁畫的星圖裡,不過未受重視8。到了明末,傳教士帶來航海新發現的南極附近星座,剛好可填補傳統星圖上的空白區域,於是它們被改成中國星官,放進《崇禎曆書》裡。除此之外,其他星官仍舊保持表面上的傳統,只是有些被改變位置或整個取消了。

清末積弱不振,有識之士為了學習西方技術而引進西學9,並出現了第一本近代天文學翻譯專書《談天10。該書向清末知識份子展示了當時西方天文學的成果,且為過渡到現代天文學打下了思想基礎11。雖然書中以清朝年號來敘述外國作者赫歇爾生平有種混搭風味的荒謬感,然而這也呈現了當時真正的紀年方法。同理,此書內的所有星名也是使用中國原有的,例如「太微左垣上相亦雙星也12」,完全沒有提及西名「室女座 γ」,可見清末仍以中國星名為主流。然而五十多年後清朝還是滅亡了, 沒有被西學救起。

現代意義上屬於科學的「天文學」一詞,其 實遲至 1896 年才出現13。民初開始致力推廣現代天文學,全天西洋星座應該是此時才被廣泛採用。民國九年常福元先生著有《中西對照恆星錄》,引言中說:「欲為高深之研究,不得不借資西籍。顧讀西書有數難,而尤莫難於恆星……其分座又與吾國宿舍不同……茲編之作,專為會通中西星名,俾讀西書者不生隔閡,即讀中籍者,亦得兼識西名。」 顯示當時若要研究現代天文,得使用西洋星名才方便,但當時國人只知中國星名,因此他編了這本中西對照恆星錄供研究者找到該星,這可能就是全面轉為西洋體系的起點。然而時至今日,我們反倒使用這類對照表來找出中國星名,已與當初目的恰好相反了。若沒有特別提倡延續使用固有傳統星名14, 恐怕現在已經沒人記得了。

總之,星星是點,古代星座與星官是連線, 現代星座則是面。自古以來,東方與西方的星座都是以星星連線而成的,用現代的「範圍」概念來區分古代的星座與星官兩者必然不同、或認為星官必是官職等過度解讀,都會曲解古人原本的想法。雖然現在我們習慣兩者不再通用,然而描述中國古代星群時,交互使用星座與星官兩詞應該是沒有問題的,畢竟「星座」比較為人所知,也能吸引喜愛占星的年輕人來注意這個古老的冷知識話題。

附註

  1. 江曉原《12宮與28宿:世界歷史上的星占 學》,遼寧教育出版社,2005,頁 229 。
  2. 馮時《中國天文考古學》,社會科學文獻出版社,2001,頁 277 。
  3. 潘鼐《中國恆星觀測史》,上海學林出版社,2009,頁 159 ~ 161 更詳細地比較了日本《三家星官簿贊》、敦煌占星寫本 Pelliot chinois 2512 、開元占經以及 朝鮮天象列次分野之圖這四個古文獻中,坐與座通用的例子。
  4. 潘鼐《中國恆星觀測史》,頁 103 。
  5. 李維寶、陳久金、馮永利、陶金萍〈中國傳統 星名中的星宿、星官和星座〉,《天文研究與技術》 14 卷 1 期, 2017 ,頁 132-134 。
  6. 潘鼐《中國恆星觀測史》,頁 64 。
  7. 江曉原《12宮與28宿:世界歷史上的星占學》,頁 19、24、27 。
  8. 馮時《中國天文考古學》,頁 334 ~ 339 。
  9. 參見陳美東〈山雨欲來風滿樓- 1842 年至 1858 年間西方近代天文學知識在中國的傳播〉,《中華科 技史同好會會刊》2 卷 1 期,2001,頁 75 ~ 80 。
  10. 原作為天文學家約翰·赫歇爾 (John Frederick William Herschel) 的《天文學綱要》(Outlines of Astronomy, 1849),數學家李善蘭和傳教士偉烈亞力合 譯後,於 1859 年出版。約翰·赫歇爾為天王星發現者威廉·赫歇爾的兒子。
  11. 石雲里《中國天文學史》第八章,薄樹人主 編,文津出版社, 1996 ,頁 309 。
  12. 侯失勒 (即赫歇爾)《談天》,商務印書館, 第一冊:侯失勒約翰傳,頁六。
  13. 潘鼐〈評天學真原〉,《自然科學史研究》1997 年第 3 期,頁 291 。
  14. 陳遵媯《中國天文學史》第二冊 (1985 年) 頁 426 附表說明有提到單星採用中國星名的由來,這是中國天文學會天文名詞編輯委員會規定的原則:恆星外文 專名,均譯為中國原有的星名,不用西洋星座的星名。

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