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5 望星空 (星光與星色 (金屬豐度與恆星元素 (從恆星吸收譜線來計算大氣中某些重金屬與氫原子的比值,來判斷該恆星的金屬豐度高低,…
5 望星空
星光與星色
金屬豐度與恆星元素
從恆星吸收譜線來計算大氣中某些重金屬與氫原子的比值,來判斷該恆星的金屬豐度高低
主序星:氫核融合成氦 紅巨星分兩階段,但無法融合出比鐵重的元素,需超新星爆炸才能產生,進而散布到宇宙中
恆星的吸收譜線可推知恆星的表面溫度和組成恆星大氣的元素成分
越晚形成的恆星殷琪組成的星際介質為前代恆星所拋出的重元素,固金屬豐度越高,有利固態行星形成與生命誕生
恆星質量與演化
恆星核融合發光發熱產生熱壓力而膨脹,恆星本身質量的重力產生向內的壓力,兩著剛好保持平衡
質量決定恆星的半徑大小、光度、星光與星色和壽命
恆星光譜分類與譜線
吸收譜線:恆星內部的光穿透較低溫氣體,某些特定波長被吸收
發射譜線:雲氣受附近天體高能幅射激發,放出特定波長的光
連續光譜:恆星大氣熱運動發出各種波長不間斷之光譜
天文學家依據恆星光譜中數條有指標性的吸收譜線,將恆星分成OBAFGKM七類和更冷的棕矮星LT,每一類光譜又可細分0到9個等級,太陽為黃色恆星,為G2型
恆星表面溫度與光度
恆星集中在主序帶,這些恆星稱為主序星
赫羅圖左上方的星之所以溫度高是因為要產生足夠熱壓力來支撐重力,而質量越小的主序星,壽命越長
丹麥天文學家赫茲史普與美國天文學家羅素,將恆星標在恆軸與縱軸分別為表面溫度與光度的圖中
恆星光譜與溫度
恆星光度正比於表面溫度的四次方和半徑的平方
恆星看起來的亮度與恆星光度成正比,與恆星距離平方成反比
恆星表面溫度越高,能量越高,光譜峰值偏短波,顏色偏藍色 恆星表面溫度越低,能量越低,光譜峰值偏長波,顏色偏紅色
大氣與星際介質的紅化現象
天狼星為白色,但古籍卻記載其為紅色,不太可能在幾千年有如此大溫度變化,固推測是因為古代所觀察的天狼星較靠近地平線,星光會穿過較多地球大氣,使其他波長的光散射只留下紅光
同理可解釋為何天空是蘭的和月全蝕時月面的顏色
望星空
光譜
光譜便是天體發出的在能量上的分布,分析恆星光譜能了解恆星表面溫度、組成物質等性質
哈伯藉由遠方星系光譜線的紅移現象,判斷他們與我們的相對速度,進而發現宇宙的膨脹
觀測宇宙的限制
光害限制
太陽、月量和人為光源都是光害的來源
大氣限制
大氣吸收某些波段的電磁波,大氣擾動影響解析度,目前已自適應光學技術來克服
視野限制
大型研究望遠鏡多集中在智利或夏威夷的高山上視野較佳
測距限制
在公轉軌道上相隔半年的兩點利用三角視差法來估計恆星距離,但此方法無法測量太遠的天體
常用天文距離單位
光年
LY,光在真空中行走一年的距離,為63240AU
秒差距
pc,以1AU對某恆星所張的角是一角秒,則此星離地球距離為1秒差距,1pc=3.26光年
天文單位
AU,地球到太陽的平均距離,為1億5千萬公里
三角視差法
以1AU為基線,太陽與戴測天體距離d為底,地球、太陽和帶測天體成直角三角形,地球與待測天體及太陽與戴測天體的夾角為p,待測天體距離d=1/p
觀測宇宙的工具
望遠鏡能力
集光能力
集光能力與主鏡面積成正比
影像解析能力
影像解析能力與物鏡口徑成正比
放大能力
放大倍率=主鏡焦距/目鏡焦距,與口徑無關
記錄方式
依時間演變為:肉眼觀測和手繪圖、攝影底片、CCD、光譜儀
望遠鏡種類
反射式望遠鏡
觀測可見光的凹面鏡,鏡身短且磨製容易,可由數片小鏡合組一大面鏡,但面鏡表面金屬膜會氧化需定期更換,且有球面偏差
無線電波望遠鏡
凹面鏡,白天陰雨皆可使用,不受光害影響但受人為電波干擾,單獨使用時解析度較差,多具同時觀測可提高解析力
折射式望遠鏡
觀測可見光的凸透鏡,為玻璃材質,無氧化問題保養容易,但鏡筒長且磨製不易,造價較高且成像有色像差
近代天文觀測
太空望遠鏡
可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
利用干涉原理將望遠鏡組成陣列,解析度理論上可達到相當於陣列中相鄰最遠望遠鏡之間距離的單一望遠鏡所得結果
大型望遠鏡
研究級望遠鏡口徑不斷增加引發兩系技術的發展;1 合成面鏡 2 自適應光學:利用雷射光發出並反射計算大氣擾動程度,及時調整面鏡表面曲率,可抵銷大氣擾動的影響大幅提高解析度
非可見光天文學
電波望遠鏡尋找宇宙起源證據和星際介質的重要分子、形成恆行星所需的低文氣體和塵埃須用紅外線觀測、X光望遠鏡搜尋黑洞並貞測宇宙中最熱的氣體
天體觀測數據
亮度
人類肉眼裸視極限為六星等
天球座標
望遠鏡發明前天文觀測儀器主要測量地球上看到天體在天球的位置
宇宙的結構
銀河系的特徵
太陽星雲
有些新形成的恆星保有部分雲氣,在周邊形成盤狀結構並發展出行星系統,星系的中心則通常有一超大質量的黑洞
銀河系
構造
銀盤
星系盤,大多數恆星與氣體皆在此,氣體塵埃較密處為旋臂,也是恆星誕生的最佳環境,一般人所稱的銀河或天河就在此
銀暈
銀盤上下方,分布銀河系最老的恆星,外圍部分主要由暗物質組成
銀核
銀河系中心的球狀結構,中央有一棒狀結構,中心有一超大黑洞
介紹
直徑約十萬光年,為棒璇星系,組成恆星有一千億顆以上,肉眼能看見的星星皆屬於銀河系,太陽在獵戶座旋臂上,距中心2.8光年
星系的型態分類與宇宙尺度
分類
可分為橢圓星系、螺旋星系、棒旋星系和不規則星系
尺度
由大到小為:超星系團、星系群或星系團、星系、星團、恆星、行星 矮行星和小天體、衛星
萬有引力是形成宇宙結構的基本要素,而星系是宇宙大尺度結構的基本成員,星系內則有恆星、星雲、行星和星團等
星系的組成
雙星
星系中有一半以上的恆星是藉由彼此引力雙雙成對稱為雙星
星團
疏散星團
鬆散且較年輕,數目少,約數十到數千顆恆星,重元素含量較高
球狀星團
結構成球狀,較老且數目多達數十到數百萬顆恆星,重元素含量低
星團是由數百到數百萬顆恆星聚集而成的
不同質量的恆星
若是主序星則其質量越大,體積與表面溫度越大,但也可能是體積大但表面溫度低的紅巨星或體積小但密度和表面溫度高的白矮星
星雲
發射星雲
分子雲溫度很低,發出的光主要為紅外線或波長更長的波段
暗星雲
可見光影像上遮蔽了背景星光,而呈現黑暗的影
恆星存在由原子與分子組成的星際物質,星際物質較密處就稱為星雲或分子雲,這些區域將孕育出新的恆星
反射星雲
反射鄰近恆星的星光或受內埔以形成恆星的影響而發出可見光
太陽系
太陽是一顆距離銀河系中心2萬8千萬光年的普通恆星
時間與距離
凝結在空間中的時間
天文學家能力用望遠鏡研究不同宇宙時期的恆星與星系,進而歸納出宇宙演化的過程,提供我們天體在宇宙不同時期的影像
我們看到的宇宙是不同時空疊合的結果
來自星空的訊息
暗能量
不明的能量,會製造與萬有引力相反的壓力,天文學家發現70%的宇宙成分為暗能量,也發現它會使宇宙加速膨脹
宇宙膨脹
星體遠離導致波長變長,頻率變短,都卜勒效應紅移,星體靠近則使波長變短,頻率變長,都卜勒效應藍移
暗物質
天文學家從恆星的運動發現目前還看不見的暗物質,不清楚暗物質是由甚麼組成的但據有質量產生萬有引力甚至減緩宇宙膨脹速度
哈伯定律
越遠的星系遠離速度越快,v=Hd,H為哈伯常數,而哈伯常數的倒數大約便是宇宙年齡的數量級