第九章 宇宙學簡介 9-1 星體觀測及哈伯定律 9-2 宇宙起源

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第三章 比與比例式 3-1 比例式 3-2 連比例 3-3 正比與反比.
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第九章 宇宙學簡介 9-1 星體觀測及哈伯定律 9-2 宇宙起源 高中基礎物理(一) 第九章 宇宙學簡介 9-1 星體觀測及哈伯定律 9-2 宇宙起源

9-1 星體觀測及哈伯定律 星系的都卜勒效應 人類對星體的觀測 補充資料─紅移量與退行速率的關係 天文學常用的尺度 補充資料─秒差距的定義 9-1 星體觀測及哈伯定律  星系的都卜勒效應 補充資料─紅移量與退行速率的關係 哈伯定律 膨脹宇宙 範例題 人類對星體的觀測 天文學常用的尺度 補充資料─秒差距的定義 星團 星系 星系團 天體結構及其相關尺度

人類對星體的觀測 以地球為中心,可以想像有一個半徑很大的天球(celestial sphere),星體的方位就是它們在天球上的位置。 星體在天球上的位置,仿照地球上的經度與緯度,用赤經與赤緯來表示。 赤經以春分點為基準點朝東方量度,角度單位是時、度、角分、角秒。24h = 360°(度),1h=15°(度),1m=15‘(角分),1s=15“(角秒), 1°=60'=3600" 赤緯的單位是度、角分和角秒。天球赤道為 0 度,北半天球的赤緯度數為正數,南半天球的赤緯度數為負數。

天文學常用的尺度(1/2) 天文單位(AU): 地球繞太陽運轉的平均半徑,稱為一個天文單位,1 天文單位(AU) 約等於 1.50 × 108 km。 冥王星的軌道半徑約等於 40 AU。彗星的橢圓軌道之半長軸可達數百 AU。

天文學常用的尺度(2/2) 光年(ly):真空中光在一年內所行進的距離。 秒差距(pc):一秒差距約等於 3.26 光年。 1 光年=3 × 105(km/s)× 86400(s/day) × 365(day)=9.46 × 1012 km 星空最亮的天狼星約距太陽 8.7 光年,而最接近太陽的比鄰(又稱南門二雙星 Rigil Kentaurus)距我們僅約 4.3 光年。 秒差距(pc):一秒差距約等於 3.26 光年。

補充資料─秒差距的定義(1/2) 設長度為 1 AU 的圓弧,相對於圓心所張角度是一秒(1''),則圓弧的半徑即定義為 1 pc。從轉換式 1 弧度=180°/π 和 1° =3600‘’ 可知 按上述定義,假設一鄰近星體跟太陽的連線垂直於地球的公轉平面(黃道面),而它跟太陽相距 1 pc,則以更遙遠的天體為參照體,我們在相距半年的時間內所觀察到它的視差(周年視差)即等於 2''。因為星體的視差與它到我們的距離成反比,只有對很鄰近的星體,才有可能以視差法量到它的距離。

補充資料─秒差距的定義(2/2) 距太陽 1 pc 的恆星 S,在相隔半年時間內從地球觀察,它在天球上的位置 S1 和 S2 會相距 2''。 7

星團 一群鄰近的恆星會組成我們所稱的星團(star cluster),其半徑約數十光年以上。 疏散星團(open cluster)一般由較年輕的恆星所組成,例如:銀河系(Milky Way Galaxy)內的昴宿星團。 球狀星團 (globular cluster) 通常含大量的年老恆星,例如同處於銀河系內的 M13。 8

星系 比星團更大的天體結構是星系(galaxy),星系的大小約為千秒差距(kpc),亦即數千光年的量級。 螺旋星系,例如銀河系和仙女座星系。 橢球星系,例如 M87。 銀河系的半徑約為 15 kpc,而太陽位於距離銀核(galactic nucleus,銀河系的星系核)約 10 kpc 處,以約 220 km/s 的速率繞銀核公轉。

星系團 對於一些相互較接近的星系,我們稱它們共同組成一個星系團。 我們銀河系的本星系群(local group)就是由仙女座星系,以及其他三十來個較小星系所組成的小星系團。 大的星系團,例如前述的 M87 所屬的室女座星系團(Virgo galaxy cluster)就含兩千多個星系。 星系團的大小可達百萬秒差距(Mpc)的量級。 註:較小的星系團可稱為星系群,我們所在銀河系約只有四十個星系,所以稱為群。

天體結構及其相關尺度 天體結構 相關尺度 以公制表示尺度 行星系 ~ 100 AU ~ 1010 km 星團 ~ 10 pc ~ 10 kpc ~ 1017 km 星系團 ~ Mpc ~ 1019 km

星系的都卜勒效應 根據光波的都卜勒效應,觀測星系所發射的光譜: 若星系遠離我們,它的光譜會向紅色那一端移動,稱為紅移。 若星系趨近我們,其光譜則會向藍色端移動,稱為藍移。

補充資料─紅移量與退行速率的關係 假設星系相對於我們的退行速率 v 不為零, 它的譜線波長 λ‘ 將不同於星系為靜止時的 值 λ,而波長的變化Δλ=λ’-λ會跟 v 有 關。若定義紅移量 z 為波長的相對變化 ,則從光波的都卜勒效應可得 z= 。 13

哈伯定律(1/2) 在 1929 年,天文學家哈伯(Edwin Hubble,1889 ~ 1953,美國人)觀測發現 絕大部分星系有紅移的現象,這說明了它們均遠離我們而去。 哈伯定律:遙遠星系的退行速率 v 正比於它跟我們的距離 r  v=H0r   常數 H0 稱作哈伯常數(Hubble constant),H0 = 70 km/s/Mpc

哈伯定律(2/2) 哈伯常數的意義是:星系距我們每百萬秒差距的距離,就有每秒 70 公里的退行速率。 哈伯的論文中所示的星系之退行速率跟距離的關係。

膨脹宇宙 哈伯定律說明星系間互相遠離,證實宇宙正在膨脹中。 以一個膨脹氣球的模型來為例:想像一個氣球(宇宙),上面貼了一些圓點(星系團),當氣球膨脹時,圓點彼此之間的距離愈來愈遠,且從氣球上某一點觀察,其他各點的退行速率正比於其距離,這正是哈伯定律。

範例 1 宇宙的各種尺度 太陽到地球距離為 1 AU、光速為 3 × 108 m/s,光從太陽到達地球所需的時間為 500 s,試求 1 AU 約為多少 m? 答 1.5 × 1011 解 3 × 108 × 500=1.5 × 1011(m)

範例 1 類題 地球至月球之間的距離是 3.9 × 105 公里,由月球上發出一道雷射光束到地球,需時多久? 範例 1 類題  地球至月球之間的距離是 3.9 × 105 公里,由月球上發出一道雷射光束到地球,需時多久?  (A) 0.13 (B) 0.26 (C) 1.3 (D) 2.6 秒。

範例 1 類題 解答 

範例 2 天體結構 本星系群中的星系,下列哪兩個是漩渦星系?(應選兩項) 範例 2 天體結構 本星系群中的星系,下列哪兩個是漩渦星系?(應選兩項) (A)星系 M87 (B)麥哲倫星系 (C)銀河系 (D)大麥哲倫星系 (E)仙女座星系。 答 (C)(E)

範例 2 類題  銀河系在天文學的結構中是屬於一種 (A)星系 (B)星系團 (C)星團 (D)星座。 答 (A)

範例 3 哈伯定律

範例 3 解答 

範例 3 類題 仙女座星系 M31,距離地球約 2.50 百萬光年,利用哈伯定律估計仙女座星系遠離地球的速度約為何? 範例 3 類題 仙女座星系 M31,距離地球約 2.50 百萬光年,利用哈伯定律估計仙女座星系遠離地球的速度約為何? (A) 5 (B) 55 (C) 550 (D) 5500 公里/秒。

範例 3 類題 解答