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下Ch5 (望星空 (觀測宇宙之限制 (天文距離單位 (光年LY (光在真空中行走一年之距離 (太陽系外測距)), 秒差距PC (三角視差測量時…
下Ch5
望星空
觀測宇宙之限制
光害
太陽 月光 人為光源
大氣
大氣會吸收某些波段的電磁波
大氣擾動造成觀測影像模糊
無法達到理論上之解析度
以自適應光學技術克服
視野
考慮觀測目標之位置再設置天文台
北半球最佳觀測地點
夏威夷的高山上
南半球
智利的高山上
測距
公轉軌道上相隔半年的兩點利用三角視差法估算恆星距離
無法觀測太遠之天體
三角視差法
以1AU作基線
太陽與觀測天體的距離(d)為底
地球 太陽 待測天體三點成直角三角形
地球與待測天體及待測天體與太陽間的夾角p
待測天體的距離d=1/p
d:秒差距 p:角秒
天文距離單位
光年LY
光在真空中行走一年之距離
太陽系外測距
秒差距PC
三角視差測量時 1AU所張的角(p)是1角秒 則此星距地球的距離為1pc
3.26光年
太陽系外測距
天文單位AU
地球至太陽之平均距離
太陽系內測距
望遠鏡
折射式望遠鏡(可見光)
凸透鏡
優點
主鏡為玻璃製 保養容易
缺點
鏡筒長 透鏡內部和表面皆須完美 磨製不易
由邊緣支撐鏡片較困難
色像差
反射式望遠鏡(可見光)
凹面鏡
優點
鏡深短 只需鏡片表面完美 磨製容易
由底部支撐鏡片較容易
可由數片小鏡合組一面大鏡
缺點
面鏡表面金屬鍍膜會氧化
定期更新
球面像差
無線電波望遠鏡
凹面鏡
優點
白天及陰天皆可使用(不受光害影響)
缺點
受人為電波干擾影響
單獨使用解析力較差
三大能力
集光能力
與主鏡面積成正比
口徑↑集光能力↑可看見越暗之星體
影像解析能力
解析能力與物鏡口徑成正比
口徑↑解析能力↑可分辨星體細部結構
放大能力
放大倍率=主鏡焦距/目鏡焦距
與口徑無關
近代天文觀測科技
太空望遠鏡
擺脫地球大氣對影像解析度或電磁波穿透率所帶來的問題
陣列望遠鏡
利用干涉原理將數個望遠鏡組成一個陣列
理想上影像解析度可達到望遠鏡陣列的口徑大小
普遍運用在電波望遠鏡
大型望遠鏡的設計
口徑不斷增加
合成鏡面
自適應光學
雷射光打入大氣再反射回來
計算大氣擾動的程度
即時調整面鏡下的支撐
改變鏡面表面區率
1 more item...
非可見光天文學
紅外線觀測
低溫氣體與塵埃的觀測
X光望遠鏡
搜尋黑洞及偵測宇宙最熱之氣體
電波望遠鏡
尋找宇宙起源的證據+星際介質中許多重要的分子
電磁波波長
由短至長
伽瑪射線<X射線<紫外線<可見光<紅外線<無線電波
可通過地球大氣
大部分電磁波
少部分紅外線
可見光
微量紫外線
地面望遠鏡觀測可見光+無線電波
紀錄方式
1.肉眼觀測 手繪→2.攝影底片→3.電荷耦合元件→4.光譜儀
1.無法以累積觀測時間而看見更暗的星體
2.藉由增加曝光時間來累積足夠的光子
可顯現更暗之星體
光譜
天體發出的光在能量上的分布
分析光譜可了解
恆星的表面溫度 組成物質...
觀察遠方星系光譜中紅移現象
相對速度
宇宙的膨脹
位置
望遠鏡發明前
觀測地球上看到天體在天球的位置
恆星的仰角+方位角
天球座標
固定
恆星 星團 星系 星雲
不固定
日 月 行星 彗星
亮度
分為6星等
星光與星色
恆星光譜與溫度
表面溫高
能量高
光譜峰值偏向短波
偏藍色
表面溫低
能量低
光譜峰值偏向長波
偏紅色
恆星的光度正比於表面溫度之4次方和半徑的平方
恆星看起來之亮度與恆星光度成正比與恆星距離平方成反比
恆星光譜
吸收光譜
恆星內部的光穿過較低溫之氣體
特定波長被吸收
發射光譜
雲氣受附近天體高能輻射激發
放出特定波長的光
連續光譜
恆星大氣熱運動
波長不間斷之光譜
依據恆星光譜中數條有指標性吸收譜線強弱將恆星分成7大類
OBAFGKM
加入更冷的棕矮星
OBAFGKMLT
A
白
約10000K
F
黃白
約7500K
B
藍白
約20000K
G
黃
約6000K
O
藍色
溫度 >30000K
K
橘
約4500K
M
紅
約3000K
高溫→低溫
O-B-A-F-G-K-M-L-T
0-1-2-3-4-5-6-7-8-9
金屬豐度與恆星組成元素
分析恆星吸收譜線得知
恆星表面溫度
恆星大氣元素
金屬豐度
氫氦以外之原子
重元素or金屬
恆星光譜中的吸收譜線計算
大氣中某種元素與氫原子的比值
金屬豐度之高低
主序星:將氫原子經核融合成氦原子
紅巨星分2階段
第一階段
He→C
第二階段
C O→Mg Si Ni Fe
紅巨星無法融合出比鐵還重之元素
只有超新星爆炸後才能產生
構成地球以及其他行星及身體內的重元素來自於太陽誕生前其他恆星的核心
恆星死去
重元素散布星際之間
恆星壽命與金屬豐度
越晚誕生之恆星
組成之星際介質累積越多前代恆星拋出之重元素
金屬豐度越高
有利固態行星形成和生命誕生
恆星質量與演化
恆星核融合發光發熱
產生熱壓力→膨脹
恆星本身質量之重力產生向內之拉力
維持平衡
質量決定恆星的半徑大小
決定恆星光度
決定星光與星色
決定恆星的壽命
恆星表面溫度與光度的關係
赫茲史普&羅素
恆星集中在主序帶
主序星
圖中左上角是質量大的星球
為了產生足夠的熱壓力來抵抗大質量產生的強大重力
溫度高
大氣與星際介質的紅化現象
大犬座的天狼星
顏色近白色
古書記載為紅色星體
質量約為太陽2倍之天狼星不可能在數千年內由較冷之紅星變成近10000K的熱恆星
可能是描述非常接近地平線時的天狼星
此時發出的星光會穿過較多古代大氣
大氣中的粒子會散射掉光中短波長的光 只會讓偏紅的長波長的光進入觀測者的眼中或觀測儀器
相同原理可解釋天空為藍色...
宇宙的結構
星系的組成
星雲 恆星 星團
分類
螺旋星系
一般螺旋星系
棒旋星系
不規則星系
橢圓星系
萬有引力
形成宇宙結構的基本要素
星系
組成宇宙大尺度結構的基本成員
暗物質
存在於宇宙不會發光(或所發的光目前偵測不到)之物質
太陽系
銀河系中一顆普通恆星
含8大行星 矮行星 及小天體
由太陽星雲演化而來
星系內不同質量之恆星靠燃燒氫原子來維持穩定的主序星
質量↑體積與表面溫度↑
脫離主序星階段之恆星可能變成
體積大表面溫度低
紅巨星
體積小密度極高表面溫度高
白矮星
雙星
星系中一半以上之恆星藉彼此引力雙雙成對
星團
數百至數百萬顆恆星聚集而成
疏散星團
較年輕
恆星數較少(數十至數千顆)
重元素含量較高
球狀星團
較老
恆星數較多(數十萬至數百萬顆)
重元素含量低
星雲
恆星存在由原子和分子組成的星際物質
因重力形成密度不一之區域
較密之處
分子雲(星雲)
孕育出新恆星
發射星雲
溫度低
發出的光主要為紅外線或更長之波段
暗星雲
可見光影像遮蔽了背景星光
呈現黑色翦影
反射星雲
反射鄰近恆星的星光
發出可見光或內部已形成的恆星影響而發出可見光波段的譜線
銀河系
太陽星雲
太陽只是銀河系中一顆普通恆星
星系中心通常有一超大質量的黑洞
有些新形成之恆星保有部分雲氣
周圍形成盤狀結構
發展出行星系統
銀盤
多數恆星及氣體位於其上
氣體及塵埃較密集處為螺旋星系之懸臂
懸臂也為恆星最佳誕生處
疏散星團位於盤面上
銀河 天河
銀暈
分布於銀盤上下方
分部銀河最年老之恆星族群
球狀星團
較外圍部分主要由暗物質組成
銀星/銀核
盤面上之球狀結構
由比銀盤上還老的恆星組成
中央尚有一棒狀結構
中心有一超大質量黑洞
直徑約為10萬光年
恆星數1000億顆以上
夜空中所看到之恆星都位於銀河系
屬於棒旋星系
太陽位於獵戶座懸臂上
距銀河2.8萬光年
時間與距離
時間
最近之恆星(比鄰星)距第4.2光年
地球距太陽1億5千km
所看到的光為太陽在500秒前所發出的
宇宙中電磁波之速度為光速 1.3萬km/s
暗物質
宇宙中還看不見之物質
從恆星之運動發現
具有質量並會產生萬有引力
減緩宇宙膨脹速度
暗能量
不明能量
製造出與萬有引力相反之壓力
由大質量恆星死亡前的超新星爆炸
發現70%宇宙能量為暗能量
造成宇宙加速膨脹
宇宙膨脹
都卜勒效應
紅移
遠離
波長變長
藍移
接近
波長變短
哈伯定律
越遠的星系遠離速度越快
v=Hd
1/H=d/v約為宇宙年齡數量級