第一章、我們所認識的宇宙

張祥光  2002/06/19

在這一章裡，我們要在這宇宙裡到處旅行。我們要假想自己搭上某艘太空船，從地球出發，

離開我們的太陽系，橫越星際空間。然後，我們會離開銀河系，看到更多更多的星系，看到人類目前所知的宇宙盡頭。

第一節、在太陽系裡

這是我們美麗的家園─地球。在人類有機會從外太空看地球之前，我們怎麼知道地球是圓球狀的呢?

在遠離家園之前，再看看地球吧。有一個颱風耶。

這是一張分別在上弦和下弦月時所拍的月球組合照片。

月球是地球在這浩瀚無垠的宇宙中最為靠近的伙伴。看到許多環形山的結構了嗎?

月球表面較黑暗的部分假如不是兔子和吳剛，又為什麼會比較黑呢?

和地球一樣，火星上也有四季，這是「春天」時候的火星。我們假如在太陽系裡旅行，朝遠離太陽的方向，

第一個可以遇到的行星就是火星。這是哈伯太空望遠鏡在1995年2月24日所拍的一張照片。

圖中火星北極的極冠已經縮小了。以前的人用望遠鏡看到火星表面有各種「痕跡」，以為是人工運河。

今天已有多艘太空船登陸火星表面，雖然沒有找到火星人，但也發現很多奇怪的事情。

火星上的景像。這是1976年的海盜二號(Viking2)所拍攝的。

大約20年後，火星風貌依舊。這是1997年火星探路者號(MarsPathfinder)所拍的一張照片。圖中的石塊大多有尖銳的稜角。

在火星軌道之外，有一塊區域充滿了許多小行星。

小行星大多長得不規則，像馬鈴薯一樣。

這一張Gaspra小行星的照片是伽利略太空船1991年在前往木星的路上所拍的。Gaspra的大小大約是19×12×11公里。

請注意它也有像月球表面上一樣的圓形坑洞。

在1993年伽利略太空船傳來這張特別的照片--小行星Ida和它的衛星Dactyl。

Ida有52公里長，Dactyl則只有1.6公里大。它們相距大約100公里。

離開了小行星帶，我們會到達木星軌道，就像這張航海家一號太空船1979年在距離木星三千萬公里處所拍的照片一樣。

木星是太陽系內最大的行星，表面的大紅斑至少已經存在幾百年了。這些表面紋路是木星的大氣造成的。

一般相信木星大氣很厚，中心可能有一個很小的固體核心。

航海家一號又更靠近木星了，這是在距離二千萬公里處所拍的照片。

在圖中我們可以看到木星的兩個衛星。大紅斑上空的是艾歐(Io)，最右方的是歐羅巴(Europa)。

木星到目前已被發現有39個衛星(2002年5月為止)，其中四個最大的可以用小望遠鏡看得到。

這就是木星的四個最大的衛星，因為伽利略首先使用望遠鏡發現它們，所以它們也叫木星的伽利略衛星。 

這四個衛星其實和行星相去不遠，其中的艾歐還有類似火山的活動。

樹大招風。在太陽系裡除了行星，小行星還有許多彗星。

而「彗星撞地球」雖然只是部電影，彗星撞木星卻是實實在在，活生生地在1994年七月間發生。

這個彗星在撞到木星之前已經分裂成好幾塊。撞擊發生在木星背面那一邊。

隨著木星自轉，我們可以在哈伯太空望遠鏡所拍的這幾張連續照片裡看到撞擊留下的痕跡。

現在我們再透過哈伯望遠鏡看向更遠的一顆行星--土星。土星最特別的是它的環。

事實上木星，天王星和海王星也都有環，只是比較不明顯而已。

這是航海家一號1980年在距土星530萬公里處所拍的。土星環的許多環縫清晰可見。 

這是更近距離的土星環照片。土星環事實上是數以千計的細環所組成的。

這是太陽系裡四個「木星型」行星的大小比例。

木星，土星，天王星，海王星都是平均密度較低，體積較大的行星，和較靠近太陽的水星，金星，地球，火星等「地球型」行星有明顯不同。

再往外走，我們會遇到一個比較「奇怪」的行星，冥王星。

圖中左框框是用夏威夷山上一個3.6公尺大的望遠鏡

所拍的冥王星和它的衛星查隆(Charon)， 右框框則是哈伯拍的照片。

這大概是到目前為止最好的照片了。

冥王星和其他八個行星不太相同，它的公轉軌道比較橢圓，

而且和黃道面夾角比較大。

它在四個木星型行星之外，但又非常小--只有2300公里直徑，比我們的月亮要小。

它「衛星」查隆是它的一半大，和冥王星互繞的軌道半徑只有2萬公里。

這一對兄弟般行星系統近年來漸漸被歸類為「庫柏帶物體」。

如此一來太陽系就只有八大行星而已。

慧    星

彗星常常是很壯觀的景象，但也常被視為不祥的徵兆。

不過，它們就像行星和小行星一樣，是太陽系的一員。

這張照片是1997年海爾-波普彗星在天鵝座的美麗風采。

圖右紅色部分是北美洲星雲。

這是一張珍貴的彗核照片。1986年哈雷彗星靠近太陽時，

歐洲太空總署的一艘太空船吉歐圖(Giotto)在600公里的近距離取得這張圖片。

圖中彗核大小是15×8公里，有氣體與微細塵埃從向陽的那一面噴發出來。

太       陽

接下來我們所再來看看太陽系的主角─太陽。

太陽表面其實有許多的活動在進行，其中最明顯的就是太陽黑子。 

太陽表面還常有一些能量和物質的爆發。像這張照片就是一個例子─日焰。

太陽表面噴發的物質因為帶電的關係，常會被磁場局限住，形成拱形弧狀，稱為日珥。

這一張紫外線的照片顯示太陽表面各地有許多噴發的日珥。

這是太陽的X光照片。在太陽外圍稱為日冕的區域裡有許X光輻射。

在太陽表面某些區域上空也有較強的X光，而某些區域則幾乎沒有。

第二節、

不同的"光"

我們前面提到了紫外線和X光，

這些大家都還不算陌生。

事實上，它們和我們所看到的各種顏色的光在本質上是一樣的─

它們都是一種稱為電磁波的波，只是波長不同而已。

波長較長的可見光是較紅的光，而較短的波長則是較紫的光。

習慣上把比紫光的波長更短的「光」稱為紫外線，再更短是X光，

再更短就是伽瑪射線。這些只是大概的通稱，並沒有嚴格的波長界限。

而波長比紅光長的「光」就叫紅外線，接著是微波(就是微波爐的微波)，

更長的則是無線電波。行動電話，無線電視，衛星通訊

都是使用某個波長的無線電波來傳送訊息。

這些名稱一樣只是通稱。通常，從次毫米波，毫米波，微波，短波，

到更長波長的「光」都稱為無線電波。 不論是什麼名稱，這些都是電磁波。

不同波長的電磁波要用不同的儀器才能接收得到，

 就像我們要用收音機才能收到無線電廣播，而不是用眼睛去"看"無線電波。

下面這一張圖是許多個像雷達(或者小耳朵)一樣的無線電天線組成的無線電望遠鏡陣列。

只有無線電波和可見光可以穿透地球大氣層，如果要"看"到其他波段就必須到太空去。

而這些其他波段事實上對於了解這個宇宙，以及其中的各種星系星體是很重要的。

因此現代天文的觀測有許多都是使用人造衛星來進行。圖中所畫的就是一個X光的天文觀測衛星。

第三節、在太陽系外，星球之間，銀河系裡

我們現在要離開太陽系了，航向未知的星際空間。

這時星空和在地球上看的應該相差不多。我們朝獵巨座的方向看去，有許多的亮星以及密集的星星形成的銀河。

在這些星星之間的星際空間裡，是空無一物的嗎?

我們先來看看一些位於某些星球附近的雲氣。這是三裂星雲，在人馬座的方向。

這是獵戶腰帶邊上的一顆星附近的各種星雲。 

我們可以看到有偏紅的發光星雲，偏藍的反射星雲，以及不發光的黑暗星雲。馬頭星雲就是一個典型的黑暗星雲。

這四張圖是不同範圍大小的老鷹星雲，我們可以看到在一大片發光星雲裡有許多濃密的黑暗星雲。

進一步的研究指出，在這區域裡許多星星都是剛形成不久的。

在星際空間裡充滿了許多塵埃與原子分子的雲氣。

而這些雲氣密集的地方正是恆星誕生的溫床。

星球形成後，它們所發出的光與熱照亮了周邊仍存留的雲氣，形成美麗的發光星雲和反射星雲。

這張照片是哈伯拍攝的獵巨座大星雲中的一個區域。

在其中我們可以看到5個正在形成的星球，而且它們有4個具有明顯的盤狀結構。

這些觀測對於星球形成的理論，以及太陽系形成過程的了解都有很大的幫助。

這是著名的七姊妹，也就是昴宿星團。

它在金牛座，秋冬之際肉眼很容易看到。這些星星周圍都還有塵埃雲氣反射星光。

這個星團的星球大約是五千萬年前形成的。相較於太陽的46億年的年紀，這些算是形成不久的星星。

這也是為什麼當時用來形成星球所殘留下的物質還存在在那附近的原因。

星球常是成群成團地形成的。像昴宿星團就是一個例子。

在天上除了一些單獨的星球之外，有很多都是雙星系統，或者多聚星系統。

更多星星聚集而成的集團就稱為「星團」。星團大概分成兩類。

像昴宿這種組織鬆散，星球總數較少的，稱為「疏散星團」，而結構緊密且星球總數較多的，則稱為「球狀星團」。

像這張照片裡在巨蛇座的M5(有關天體名稱請參考第二章：認識天空)就是一個球狀星團。

這個球狀星團：杜鵑座第47號「星」(47Tucanae)─是一個非常密集的球狀星團，

距離我們約一萬六千光年遠，但整個看起來仍然有4.5等星的亮度。

這張照片看起來有點奇怪，但是它可說是解決了一個150年老的問題。這是船底座h星的哈伯照片。

在19世紀中葉，這顆原先在17世紀中被記載為4等星的星星變成了全天空中僅次於天狼星的亮星。

而後它又漸漸暗了下來。到了今天大約是6等星的亮度。

從這張照片中我們可以看到它噴發出許多物質，而這正是星球演化到末期不穩定及大量散失質量的現象。

這顆星星可能隨時都會到達它生命的終點─超新星爆炸。

我們還在銀河系裡。在我們的旅程裡，

我們已經遇到許多星雲星團，

我們還看到了星球演化末期的樣子。

不過，質量不同的星球會有不同的演化歷史。

質量和我們太陽差不多或者更小的，

在演化末期並不會變成超新星爆炸，

而是較和緩地噴發物質，散失質量，

留下中心的一個緻密星體─白矮星。

而這些噴發出來的物質就形成周圍的「行星狀星雲」。

像這張寶瓶座裡的螺旋星雲就是一個行星狀星雲，

中心有一顆白矮星。

行星狀星雲可能會有不同的形狀，

像這兩張「貓眼星雲」(左)和「沙漏星雲」都是行星狀星雲。

大質量的星球演化末期會變成超新星爆炸，爆炸後中心會留下另一種形式的緻密星體─中子星或者黑洞。

而爆炸開來的物質則會向外擴張，形成超新星殘骸。這張圖片是船帆座超新星殘骸。

這次超新星爆炸大約是在一萬多年前發生的。

爆炸形成的中子星是一顆無線電波霎，它的位置在本圖片中的右上角。

這是名為「仙后座A」的超新星殘骸。這張照片是無線電波照片。圖中顏色代表的是無線電波強度，越紅越強。

這是蟹狀星雲的可見光照片。它也是一個超新星殘骸。 

在蟹狀星雲中心的中子星也是一個無線電波霎，並且有很強的X光輻射以及噴射流與盤狀結構。

看了這麼多銀河系裡的天體，我們打算繼續我們的旅程，加足馬力，離開銀河系，往更遠的地方去了。

在這之前，我們再回頭看看我們的銀河系。

這張照片是銀河系中心方向的星空。銀河系的星星與星際介質大多集中在一個盤面上，並且繞著銀河中心運轉。

銀河中心到底有什麼東西在那裡呢?  

這是一張銀河中心位置的無線電照片。許多證據顯示銀河中心有一個大黑洞，周圍的物質正被它吞噬進去。

第四節、星系，星系團，大尺度結構

終於離開我們的銀河系了。這是一個和本銀河系很相像的星系─仙女座大星雲。

我們稱它「星雲」，但它事實上是一個星系。

「星雲」的名稱只是沿用以前還不明瞭它的本質時的稱呼。

仙女座大星雲和本銀河系都是「漩渦臂星系」─有一個盤面，盤面上的星球分布是漩渦臂的模樣。

它離本銀河系很近，大約290萬光年。

在晴朗的夜空裡，肉眼依稀可見。我們的太陽在本銀河系盤面上距離銀河中心大約3萬光年的地方，也就是大約3/5半徑處。

我們看著仙女座大星雲，在它上千億個星球中，是否也有"人"往外觀望，看著我們的銀河系呢?

這是另一個漩渦臂星系，NGC 2997。

星系有不同的形狀，像這一個NGC 6822是一個不規則星系。

在南半球可以看到的大小麥哲倫星雲也都是不規則星系。

這一個是M83。 

這一個是NGC 3628，它也是一個漩渦臂星系，只是我們剛好從盤面邊緣的角度看過去。

圖中黑暗的塵埃是很多漩渦臂星系都有的特徵。請重新看一下前面幾張圖。

這是一個星系，不是飛碟，它叫做M104，也叫NGC 4549。

M65(NGC 3623)，也是一個漩渦臂星系。 

這是一個叫做半人馬座Ａ的星系。它不只看起來奇怪，用無線電去看它的話，會有更令人訝異的結果。

這就是半人馬座Ａ的無線電照片。這照片和上一張大致上是一樣的視野大小，一樣的方位。

我們可以看到在垂直於塵埃環的方向上有兩個噴流。是什麼東西在星系中心做怪呢? 

像半人馬座Ａ這種有強的無線電輻射的星系叫做無線電星系。事實上宇宙間有很多這種星系，這張天鵝座Ａ是另一個例子。

NGC1265也是一個無線電星系，但它的噴流形狀有點奇怪。

星系也都成群成團地分布。這張圖是天爐座星系團。 

本銀河系，仙女座大星雲，大小麥哲倫星雲也都在同一集團裡，我們稱它為「本星系群」。

在星系團與星系團之間則幾乎空無一物。

宇宙間有無以數計的星系。依它們的形態，可大略分為漩渦臂星系，橢圓星系，不規則星系。

星系又進一步地組成一個一個的星系團。

這些星系團在宇宙空間裡也不是任意分布的。

這張圖顯示出我們從天空上一條窄的帶狀區域看出去，星系的距離分布。

這扇形的頂點是我們的位置，每一點代表一個星系，

藍色的是漩渦臂星系， 紅色的是橢圓星系。

我們可以看到星系聚集成團，而星系團又成某種絲帶狀的分布，

有一些空間是很空的。

後來更多的觀測數據告訴我們，這種結構是立體的，

也就是星系團其實又有進一步的聚集，稱為超級星系團，

而這些超級星系團在空間上的分布，就像是分布在肥皂水的泡沫薄膜上一樣，

它們成片分布，中間有很大的空間。

這種結構一直重覆，直到目前我們所能觀測到的宇宙邊緣。 為什麼宇宙的大尺度結構是這個樣子的呢?

我們又回到可愛的地球了。做這一趟宇宙空間的旅行，是不是早就已經想家了呢?

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