本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出

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1 本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出
第8單元：宇宙4 銀河之外與天文望遠鏡發展 演化 宇宙 人 我們要進入宇宙的題材。 物理系 侯維恕 物理系 侯維恕 本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出

2 開場：創世可以有所不同嗎？ 第一段：從大爆炸到生命圈 第二段：起初與末了 第三段：基要與臆測 行星與恆星 生命與自覺意識 原子、星星、銀河
本作品由Princeton University Press 同意課程：演化、宇宙、人使用，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。 開場：創世可以有所不同嗎？ 第一段：從大爆炸到生命圈 行星與恆星 生命與自覺意識 原子、星星、銀河 銀河之外 銀河系之前 黑洞與時光機 第二段：起初與末了 減速抑加速？ 很久以後： 事情的起頭 ― 頭一毫秒 第三段：基要與臆測 穹蒼與微觀世界 多重宇宙與人本論證 上 把4.這個翻成銀河之外，不過以人通常的立足點，住在地球上會覺得這在銀河之上。 宇宙的定義，中文上下四方謂之宇，宇跟宙，銀河只不過是知道我們的大致的居住環境，今天要講更大的範圍。 Our Cosmic Habitat Paperback, 224 pages Princeton University Press (2003) 自己組織起來去買 已獲作者同意爲授課做中文翻譯

3 I.從大爆炸到生命圈 4. 銀河之外 其他銀河系 大尺度結構與膨脹 望遠鏡：在天與在地 遠眺過去 銀河系、本星系群；本超星系叢
4. 銀河之外 其他銀河系 銀河系、本星系群；本超星系叢 大尺度結構與膨脹 大尺度均勻性；哈伯定律 望遠鏡：在天與在地 地面；天上；X-光(與伽瑪射線) 高能天文 遠眺過去 我們已經知道我們在銀河系裡，接下來會介紹銀河系周遭的環境、到我們所能看到的最大尺度的結構，然後也將介紹宇宙膨脹、哈伯定律等等。順帶介紹望遠鏡的發展。

4 其他銀河系 2.5M ℓyr 銀河系(上方直視) 仙女座星系 銀河系、本星系群；本超星系叢 星系是大尺度宇宙的主要成分 ― 爲什麼？
Boris Štromar NASA 其他銀河系 銀河系、本星系群；本超星系叢 如果從銀河系正上方去看的話，銀河系大概長的像這個樣子， 仙女座星系肉眼可以看到。仙女座的星系離我們有兩百五十萬光年。用望遠鏡去看，看到宇宙主要的結構就是這些星系， 目前宇宙可看見的星系的數目，跟星系內星星的數目差不多是一樣的。像銀河系跟仙女座星系這種比較標準的螺旋形的大星系，大概就是幾千億顆的星星，大概兩千億上下。 那為什麼星系是大尺度宇宙的主要成分?這是今天要講的。 星系是大尺度宇宙的主要成分 ― 爲什麼？ 宇宙(可見)星系數目 ~ 星系內星星的數目

5 尺度 太陽週邊 離開地球 冥王星軌道 人馬座 a 拉遠一萬倍 30光年 天狼 5右圖 我們現在是要把我們的把眼界不斷不斷不斷的放大。
這是大家所熟悉的，太陽在中心點上，Mercury是水星，那Venus是大家知道的金星，在地球之外，是Mars，火星紅色星球、戰神。這四顆叫做地球型行星，中心有一個鐵核。 拉出來十倍的距離，從萬分之一光年變成千分之一光年，就到達地球以外各行星的軌道，現在已經不把冥王星當做行星，因為發現很多顆類似大小、不同軌道、軌到更遠的球體。海王星算是最後一顆真正的行星；冥王星、海王星距離大約千分之一光年。再拉遠十倍、百倍大多是空無一物(或是太小，或是慧星的儲藏庫)，如果要找行星大小的球體，冥王星之外就沒有了；要拉一萬倍距離，最靠近地球的星是人馬座的α星(紅矮星)。 這邊寫的alpha Centauri，跟proxima Centauri ，alpha Centauri是離我們最近的恆星叫做人馬座α。其實不是，這個proxima，是比較更靠近的，再靠近大概零點二光年左右；事實上alpha Centauri它也不是一顆星，通常我們叫做alpha Centauri ab，是一個雙星系統。其實我們去看宇宙的話，很高比例的星是雙星系統，雙星系統聽起來很好，不過對軌道來講不是很好，因為它有很多擾動。 5左圖 那稍微拉大一點尺度，十光年。放大三倍左右就可以開始看到十幾二十顆星。如有名的天狼星，天狼離獵戶座不算太遠，能夠辨認獵戶座，就去找一個會閃的，最亮的、白白的就是天狼。 那你會覺得就這個圖的畫法，這邊寫著Groombridge，Ross，這兩顆好像是最近的， 這個圖怎麼看。你看這邊有個虛線，這邊這個Groombridge，有一個虛線往上面點，這個同心圓是一個盤面，一個平面，從一個俯視角看下去，這是一個立體透視，所以距離就超過10光年，離太陽第二近，比我們剛剛講的前一頁是大了三倍、比離太陽第二近或者第四近，看你怎麼算，這邊有三顆星是離太陽第一近的，事實上這個巴納德星是離地球第四近的恆星。 這邊多半的星都紅的，看起來沒有畫得很大，多半這些紅紅像點的是紅矮星，畫的是較正常的大小，顏色標出它們大致可能的溫度 Richard Powell 人馬座 a Richard Powell

6 尺度 銀河系 仙女見我應如是… 250萬光年 仙女座星系 太陽每2.5億年繞一圈 (我們的銀河「年」) 10萬光年
Boris Štromar 250萬光年 銀河系 仙女見我應如是… 在我們周遭30光年裡面，沒有超過30顆星， 在這個圖上，從30光年拉到10萬光年，差不多三千多倍，這邊寫的sun’s location，就是我們前一頁所畫的整個範圍，把銀河系想成是這個盤是十萬光年，厚度通常當作一萬光年，兩千億顆星也不算多。 為什麼可看到銀河?因為這個盤面的星特別多，量每個星的運動，與距離，是很繁複的事情。最後漸漸構出這個圖像。我們太陽在這裡，你可以看到很像是一個漩渦，就像一個颱風一樣。照目前的計算，繞這個銀河系的中心的話轉一圈大概要兩億多年。可以當作是我們的銀河年了。 Richard Powell 10萬光年 太陽每2.5億年繞一圈 (我們的銀河「年」)

7 尺度 「本星系群」(Local Group) 2.5M ℓyr 銀河系 仙女座星系 遠眺類似 Pavo 群 Pegasus 群
1000萬光年 銀河系 仙女座星系 2.5M ℓyr Boris Štromar NASA 從前面的十萬光年，到這個是兩百五十萬光年，我們拉到整個的距離尺度到一千萬光年的時候，我們看到什麼呢? Andromeda星系，這邊畫出來的，第三個畫出來標出來的這個Triangulum，也是肉眼可見的，是我翻做本星系群，local group。就是有幾十個大大小小的星系，兩個比較正統的大型的星系，就是銀河系跟仙女座星系。Triangulum galaxy就已經略為不規則了。離銀河最近的大小麥哲倫在這個圖上有標示出來，也是肉眼可見。 銀河系跟仙女座星系，就是這個所謂本星系群的主體，有很多大大小小的(星系)，彼此有重力的吸引互相轉，事實上，銀河系跟仙女座星系在走向對撞，不過還要很久以後。 Pavo 群 Pegasus 群 Richard Powell 遠眺類似

8 「本超星系叢」(Local Supercluster)
尺度 Virgo 「本超星系叢」(Local Supercluster) 二億光年 室女座星系叢 (Virgo Cluster) 回想天文學跟西方宗教史，越看到我們所處的位置沒有特殊性， 如果從一千萬光年，拉到兩億光年的大小範圍，我們這個位置，在周遭任何一點看過去，沒有什麼特殊性。 比較特殊的也許是這個區域。叫做Local SuperCluster，那在SuperCluster之前有Cluster，我們的這個SuperCluster最顯著的，就是這個Virgo Cluster，的確是比較(特別)，是一個密集的銀河群。 Richard Powell

9 尺度 十億光年內 五億光年內 Walls, Voids, Filaments.
我們再往外拉，拉大2.5倍，那Virgo Cluster就不算特別顯著的，因為四處都有。 以我們的位置做座標，我這邊標出來的Walls。Wall你可以看的出來這邊好像有一個帶狀的東西這樣過來，叫做Wall，另外就可能空洞，空洞給人一個什麼感覺?像是這個泡泡，像一團東西這樣子，它有一個d看似中空的表面。 那Filament，像是一個絲狀的結構，好像拉出去的東西，簡單的講宇宙好像是泡沫狀的，在泡沫跟泡沫接觸的地方，有的時候會有比較密集的、髒髒的東西。可以說地球廣義的來講是從Virgo Cluster延伸過來的，這種Walls跟Filaments的延伸，可是是尾巴的部分，不是主體的部分。 (覆蓋的圖) 我們再拉大兩倍，結構沒有改變，只是有可能更大型一點的Walls, Voids and Filaments Richard Powell

10 140億光年內 (Observable Universe)
尺度 140億光年內 (Observable Universe) No New Structure ! 宇宙在大尺度 是均勻的！ 那我們再拉大十倍，標出來的出現一個令人驚異的事情，就是在十億光年之內我們看到就是像這種叢集的結構， 那太陽算不算是個叢集?它是星系裡的基本物體，那星系這個字就是個系集，集結在一起，星系是宇宙基本單位，可是星系本身有這些叢集，你如果去看的話，local group不算什麼，幾乎不能算是一個基本結構，只是隨意定義的一個範圍，那可是像Virgo Cluster這種星系的叢集就比較有待解釋了，我們看到有一些進一步的結構，比如說像泡泡嘛，這個泡泡的結構怎麼來的，又為什麼會形成Filaments，在五億十億二十億光年就是這樣的結構，沒想到這樣的結構就重複，沒有任何一點看起來像是特殊的，那一百四十億光年，差不多就是我們可觀測到的宇宙邊際了。 我在下面標出來我們不是宇宙的中央，我們這邊畫的是一個隨機的座標系統，只因為我們在討論，我往下縮小我看到一些結構，為什麼在這個大範圍之內，宇宙是顯得均勻的，沒有新的進一步的結構，這些像顆粒狀、像有絲在連結，中間有空洞，這是頗令人驚訝的，因為我們幾乎已經到達了可見宇宙的盡頭，得到這樣子的一個結論。 Richard Powell 我們並不是在宇宙的中央！

11 「碎形」(fractal) 宇宙示意圖 高慧芸 參書裡討論

12 哈伯定律 宇宙學之所以是可處理的，乃是因為我們 宇宙像大洋的表面，而不像高山的地形。 在一個全然隨機的宇宙 (類似山區地形)，
大尺度結構與膨脹 宇宙學之所以是可處理的，乃是因為我們 宇宙像大洋的表面，而不像高山的地形。 在一個全然隨機的宇宙 (類似山區地形)， 遠方區域可以很不像我們附近任何地區。 如果我們看到的宇宙不是往下推是這樣，這個宇宙學是無止盡的，可是到了大概二十世紀中葉開始，宇宙學有一個改變，就是發現大尺度的宇宙，可進一步處理並理解其均勻性。 拿海洋譬喻，某一個島的附近，波濤起伏，但是把鏡頭不斷不斷拉遠，到最後發現，如果把島都去掉的話，就是汪洋一片，也許有更大的浪出現，因為有海溝、陸地等等的邊緣結構，如果整個大洋沒有邊緣結構的話，就像是我們的宇宙，有小浪中浪但是只會大到一定的地步，沒有大到整個太平洋大小的浪。 我們所觀察到的宇宙不像是高山地形，翻一座山又會看到另一座山，山中有溪河；宇宙反而較簡單，像是大洋，但是我們所觀測到的宇宙之外是怎樣，現現在不得而知。

13 140億光年內 (Observable Universe)
假想圖 No New Structure ! 宇宙在大尺度 是均勻的！ 介紹宇宙膨脹跟相關的哈伯定律。 這整個圖像是一個假想圖，所以我們要退一步說，這裡弄了兩個驚嘆號說這個宇宙的大尺度結構像是這個樣子，稍微模糊化一點，它就是沒有看到大型結構，沒有一個東西有延伸、轉圈或特別緻密。 我們對宇宙還沒有這麼了解，這是一個假想圖，那我們如何得知、我們如何推斷呢? 如何得知？ Richard Powell 我們並不是在宇宙的中央！

14 The 2dF Galaxy Redshift Survey
2°視野 星系 紅位移 勘查 The 2dF Galaxy Redshift Survey 全天球圖 銀河北極 銀河面 英-澳望遠鏡 這個The 2dF Galaxy Redshift Survey，中文是2°視野，星系的紅位移勘查。 這個叫做英-澳望遠鏡，Anglo-Australian Telescope， 這裡寫北極、這裡寫南極，那顯然是所謂的赤道。這個是在南半球去看的。那這個圖乍看好像是某種特殊投影，沒有錯，這個是全天球的圖，整個的天球。平常的視野在地平線之下是看不到的。 如何看此圖： 北極星其實對應於地球的自轉，北極星不動，大家都繞著它轉，為什麼? 因為這個就像是地球的自轉軸的一個想像，北極跟南極是這樣定出來的， 綠色的弧線，基本上是銀河面，銀河面怎麼會是這樣彎曲的?在天上不會是彎曲的，如果天候夠好的話看到就是很長的一條。銀河是一個盤面，因為這是一個投影，所以就扭曲了；那這邊是銀河北極、銀河南極。 標題叫做2°視野，這邊標出來的2nd field，是這個小圈圈，有兩種不同大小的圈圈，為什麼呢?右邊的圈圈大一點，左邊的圈圈小一點，拿左邊這一個小圈圈來講，它就是一個兩度張角。從左下圖的望遠鏡看出去，通常鏡頭都是圓形的，所以是一個圓形的兩度叫立體張角。 這兩個密集的圈圈的區域，是遠離銀河盤面的，那為什麼呢? 星星越往銀河盤面就越密集，那基本上我要找星系的紅位移。 這個工作要盡量避免星星，所以盡量往遠離銀河的方向去看，這兩塊選的是可以看的位置。 3h − 22h，這是什麼呢? h就是hour，這邊是0 hour是Greenwich，一天是24小時，地球24小時轉一圈，每小時15度，360度。 赤經、赤緯的定義： 赤道相對應於天球的投影為赤經；赤緯是Declination；Galactic Equator就是銀河面。3h-22就是赤經3乘以15，所以是45度，赤緯22是什麼呢，從20算過來，兩個小時所以是30度，是這個橫向、經度方向的範圍。這個是一個滿大型的計畫，要做紅外移的勘察，是絕對要電腦化的。 銀河南極 2°視野 15h − 10h 3h − 22h 遠離銀河盤面之勘查範圍

15 紅位移 藉著這個紅位移的勘察，在這個角度方向，在五億光年，勘查各種不同的距離、標出各個星系，我要找到的是星系不是星星，五億光年的星星是很難鑑別出來的，除非是超新星。 所以在十億光年之內還可以看到這些團狀、線狀、空洞等等的結構，我們是藉著像這樣子的勘查得到結論：宇宙在大尺度是均勻的。 這樣的工作並不簡單這是一個假想圖是因為這個勘查是很繁複的，而且這個圖上所寫的只不過到二十億光年而已，我們只勘查了某一個角度的範圍，這個角度的張角，剛剛算了是75度，你如果要看這裡的話，這個角度經度有75度，可是緯度事實上看起來可能只有十來度十五度左右，所以就全天球的勘查來講，還是個很小的範圍。 我們在更大的範圍沒有看到出現更大的集團，到二十億光年的尺度，沒有更大的集團出現，沒有超超超星系叢。 宇宙在大尺度 是均勻的！ 10億光年

16 140億光年內 (Observable Universe)
只勘查了一部份，且沒有深到百億光年 假想圖 No New Structure ! 宇宙在大尺度 是均勻的！ 我們得到這個均勻性的結論，是勘查了部分的宇宙。我們並不是在宇宙的中央，那這個是勘查不同的距離，勘查到一定的遠，發現以星系來看，有像點狀的東西就是像超星系叢，像點狀的延伸就是前面講的Wall, Filament，可是並沒有這個超星系叢的叢集，重點在這裡。 Richard Powell 我們並不是在宇宙的中央！

17 南、北「任取」角度無統計差別  宇宙在大尺度是均勻的！
Hubble Deep Field (哈伯深景) 小於滿月盤面 1/100 由另外一個角度來看，這邊的標題是Hubble Deep Field。越遠的星系，它就越不亮，所以叫Deep Field， 這是一個太空望遠鏡，右下角標出來的，它就固定在一個方向上，要拍攝很久很久的時間，才可以讓越遠方的暗淡的星系顯影出來，那這邊寫的是小於滿月盤面 1/100，這個角度，這是天上的一個角度。 那這個是1996年看的北半球，這是1998年看的南半球，大概都會是遠離銀河盤面的方向。這個方向唯一的規畫就是減少星星在裡面出現，所以要遠離銀河盤面，可是南北任取方向，我要盡量能夠看的遠，這是Deep Field的意思。 憑著肉眼會覺得左邊好像比較密。把這些星系的大小約略歸類，左右去數，可以得到下面的結論，就是北邊南邊沒有明顯的差距，這是另外一個角度來看，在方向上的分布，宇宙看起來在很遠的地方，是均勻的。 Hubble Deep Field HST ．WFPC2 PRC96-01a ．STSci OPO ．January 15, 1996 ．R. Williams (STSci), NASA) Hubble Deep Field South HST ．WFPC2 PRC98-41a ．STSci OPO ．November 23, 1998 ． The HDF-S Team．NASA NASA 南、北「任取」角度無統計差別  宇宙在大尺度是均勻的！

18 加州 Mount Wilson Observatory
紅位移：都卜勒效應， 遠離越快，越向紅移 哈伯定律 紅位移與距離成正比 變高 低 宇宙在大尺度 是均勻的！ 100-inch (2.5 m) Hooker 望遠鏡 加州 Mount Wilson Observatory 紅位移 變藍 紅 越遠越快 1929： 各星系互相遠離  宇宙膨脹 上面有一個標記，是寫著Redshift紅位移，它就是在勘察紅位移，紅位移基本上是一個都卜勒效應。 這個工作一定要自動化，要設法有辦法鑑別出一個一個的星系，不是星星，然後要量到所謂的紅位移，所以這是一個做光譜學的工作。這邊有紅位移跟這個距離的一個線性的關聯，這邊的0.5對0.05，1對0.1，1.5對0.15，有一個線性的關係。 紅位移得到一個定律是紅位移是跟距離成正比，這個距離一定是以十萬光年計，就是哈伯望遠鏡名字的由來，就是Erwin Hubble。紅位移與距離成正比，這就叫做哈伯定律，那這個3時到22時survey的範圍，裡面所看到的隨著距離的變化。 哈伯定律的觀察是藉著100吋，2.5米(的望遠鏡)，就是比一個人還要大鏡面。這是在20世紀初在加州的Mount Wilson天文台建立出來的。並不是哈伯建的，可是哈伯被請去使用這個望遠鏡。也是他確定那個仙女座大星系不是星雲是星系等等，另外，他進一步發現說，各個星系都在互相遠離，這個話也不完全成立，像那個Virgo Cluster，它彼此是在轉的，不符合這個定律，可是越往外，星系都在彼此遠離。 所以在1920年代出現一個觀測上，從哈伯定律得到一個結論：宇宙可以倒推回去，因為很久以前它跑得更快，因著觀測上看到各星系相互遠離，而且越遠就跑得越快，可是越遠就是越久以前，因為我們看到一百億光年距離的星，它的星系的光是一百億年前發出來的，所以是一百億年前的事情所以它跑得更快，整個我們看到的一百四十億光年的宇宙，把它做一個時間的推演的話，一百四十億年前是回到一個點去，所以這是宇宙膨脹的觀測證據。這也是人推衍出宇宙膨脹不是星星好像炸出來，其實是整個空間擴展出來。 紅位移與距離成正比就是越遠的跑得越快。遠方的東西它其實很久以前是很靠近的。數學算術的部份我們都完全略過了，只是人們得到一個說法說其實是整個空間本來不存在，不是說有一個一百四十億光年的空間然後這些星系從一點跑出來，而是是星系的存在、物質的存在好像定義了那個空間的存在，或者空間拉動了星系。 前面所講看到宇宙所能看到的接近邊緣的地方，它的紅位移越大就是速度越快，它的紅位移、遠離我們的速度到達光速的90%，所以宇宙最初始要說是爆炸有人會反對，可是又像是一個劇烈的事情。可是這個劇烈比較像是空間被創造出來，跟著物質擴展。 可將遠方星系的紅位移想成 光跑過宇宙時，空間的伸展 Edwin Hubble ( ) 哈伯 10億光年 Andrew Dunn 觀察到的最遠星系的 遠離速度達光速 90%

19 Hubble Ultra Deep Field (130 億光年), 圖內 ~ 一萬星系
這叫做Hubble Ultra Deep Field，如果Deep Field就是希望看盡量遠，就是哈伯望遠鏡定了一個方向，然後就一直記錄那個光，那Ultra Deep Field就是希望看得更深，它就把那個視野縮得更小，然後曝光的時間更久，希望看得盡量遠。空間上很小很小的一個範圍。 把星星過濾掉，剩下沒有十字結構的，應該進一步探討。這只是純粹用目視法，所有其他有一點點形狀的，即使很小的點，都是星系。 這個Ultra Deep Field是看到一百三十億光年的距離，有些星系在一百三十億光年前，這個Ultra Deep Field可以捕捉到，可是是非常狹窄的一個角度範圍。是很震撼的。 在這個裡面，非常小的角度範圍內，如果仔細去數，在曝光度範圍之內，這張照片裡有一萬個星系，當然銀河系是比較大型，有很多小型的，可能拍到的，越遠的多半是比較大的。 NASA NASA Hubble Ultra Deep Field (130 億光年), 圖內 ~ 一萬星系

20 Hubble Ultra Deep Field (130 億光年)
~ 宇宙 130 億年時 接下來這兩個圈圈是我自己打的，不是一個真正的研究的結論。 根據它的紅位移，像我在這邊隨手寫的，也許是一個在一百三十億年前所發的光到達地球。假定估算出來是這樣，就是找到一個星系，它在宇宙八億十億年的時候，所發出來的光是這個樣子。 ~ 宇宙 8 億年時 NASA Hubble Ultra Deep Field (130 億光年)

21 140億光年內 (Observable Universe)
尺度 No New Structure ! 140億光年內 (Observable Universe) 哈伯定律並不表示我們在宇宙中地位特殊。 試想像所有的星系都以竿子相連。如果竿子 都以相同比例伸長，則任何三根竿子組成的 三角形都維持形狀不變，那麼任何星系上的 觀察者都看到相同的擴展方式。看起來就好 像空間自己在擴展，因而拉著眾星系一起。 我們的宇宙似乎曾擠到一個點，但無論誰 ― 是地球、仙女座星系、或最遠的星系 ― 都一樣可以宣稱他是從那個點出發的。 我們不能指向現在宇宙的任何一處說： 「那裡是中央。」 所有的星系有相同的立足點。 宇宙在大尺度 是均勻的！ 我們並不是在宇宙的中央。理由是因為我們在Virgo SuperCluster，Virgo SuperCluster是我們這邊的座標系的原點，那也沒錯，我們就是在這裡觀測的，前面的這些Ultra Deep Field等等都是從這一點用很高倍率望遠鏡長時間曝光所做的研究。 試想說所有的星系之間都是用竿子相連，如果這些竿子都同步的延伸的話，那你看到的就會像我們所看到的，大家都相互遠離，可是沒有誰是原點，就是你看不到任何的變化，這個三角形形狀不變，不會扭曲。 另外一個比方，是一個把三維想像成二維，吹氣球的時候，氣球膨脹了，氣球表面面積變大，在氣球表面上假設有兩隻螞蟻，他們在互相遠離，那螞蟻當然缺乏這樣的偵測能力，各自螞蟻會認為我是在觀測的中心，可是布滿了螞蟻的話，大家都在互相遠離。一個在膨脹的氣球，它的表面在脹大的時候，每一點的距離都在膨脹，可是一個氣球的表面哪裡是原點呢? 因此不能說宇宙的中央是在哪裡，前面也說一個概念就是根據我們的觀察，好像整個宇宙現在可看到的有一百四十億光年大小，可是一百四十億年前，它回溯到一個點。可是不管是我們，是仙女座星系，或者是那一百四十億光年外，當然一百四十億光年外我們看到的是一百四十億年前，可是它現在如果在看我們的話，我們彼此互看是一樣的。當然一百四十億光年外那個觀察者，看不到現在的我們，因為我們現在的光，被它看到是又要再過一百四十億年。 Richard Powell 我們並不是在宇宙的中央！

22 工欲善其事，必先利其器。 2.5 m Hooker 望遠鏡 (哈伯用以發現宇宙膨脹)
望遠鏡：在天與在地 這是一個反射鏡望遠鏡，2.5米，那我們前面講的一切除了光譜學等等之外，望遠鏡的發展與天文學發展相關。 那我們就來看看在當代有哪一些望遠鏡。 工欲善其事，必先利其器。 Andrew Dunn

23 10 m Keck 望遠鏡，Mauna Kea，夏威夷
4 x 8m VLT望遠鏡, Paranal, 智利 European Southern Observatory 8.3 m すばる(昴)望遠鏡 加持 CCD 取代底片：靈敏度從 1%  理論極限的80%！ @ 4139 m Denys Mauna Kea @ 2635 m ESO 現在全世界最大的望遠鏡是雙胞胎，鏡面10米的雙望遠鏡，叫做Keck Telescope，它位置在夏威夷的大島，，夏威夷大島上有兩座很大很大的火山，超過四千公尺，望遠鏡的高度放在4145米，Mauna Kea，就是白頂的山、白頭山，在夏威夷算熱帶型的氣候，那個山頂是可以積雪的，在離它不遠，高度是4139公尺，すばる日文，中文就是昴，昴星，昴宿。昴宿也是一樣肉眼可見，閃閃朦朧的，的確是不只一顆，所以感覺很漂亮，很像鑽石的首飾，因為鑽石一閃一閃的，而且是不同的點在閃，因為稍微動一點點，光線稍微動一點，反射的角度就會變化。日本人很喜歡，覺得它很像一個首飾，用這個字すばる。鏡面8.3米也是一個很重要的望遠鏡。 歐洲人在南半球智利，這是在2635米，叫做European Southern Observatory，是四座他們叫做very large telescope，VOT，是現在光學望遠鏡的主力。不過現在全世界在希望、在籌建更大型的超大型的光學望遠鏡。這些光學望遠鏡，就跟Galileo用的一樣，都是反射鏡，而且到達這麼大的鏡面都不是一個鏡面，是很多鏡面複合起來的。為什麼要放到很高的地方就是減少中間的大氣擾動。 CCD就是大家所講的畫素，CCD是Charge-coupled Device的縮寫，電核耦合元件。，比較適合照暗一點的東西，碰到太亮電腦就不斷要調整決定它的曝光，所以CCD是非常靈敏的，然後是直接電子化的，直接就送出一個電子訊號，不是一個照相底片。 @ 4145 m NASA 10 m Keck 望遠鏡，Mauna Kea，夏威夷

24 將取代哈伯的太空望遠鏡 新一代JWST紅外光 (原NGST) 太空望遠鏡 (~ 2014年) 6.5 m James Webb
這是光學望遠鏡，預計2014年發射，要取代哈伯的太空望遠鏡。 這個望遠鏡送上太空跟你想像中的結構很不一樣，哈伯望遠鏡一個筒狀結構，看起來正統一點，這個直徑是6.5米。你看很多六角形的塊組成的，這個叫做James Webb Space Telescope，ST是Space Telescope。那James Webb大概是世紀初改的名，本來它叫做Next Generation Space Telescope，它主要是使用紅外光。 之所以會這個結構，理由是它要放到所謂的L2這個點，Lagrange點，L1, L2,L3,L4,L5，這些點是什麼？ 太陽跟地球的重力是平衡的，它會跟著這個系統一起轉，地球太陽連成一線，地球跟太陽對它的重力影響是一致的，把東西放到L2這個點，其實任何的Lagrange點，它原則上不偏離那個點的時候，就會停在那個點跟著地球一起轉。 L2這一點的特殊性是什麼呢?如果太陽光是從底下來的話，那擋光片擋就好了，只要不要接近到太陽的光，就是漆黑一片，因為哈伯望遠鏡是在低軌道繞著地球轉，但是這個Lagrange point跟著地球一起繞著太陽轉。所以它的設計不需要整個包起來，減輕了材料上的負擔。 Lagrange 點 NASA EnEdC 新一代JWST紅外光 (原NGST) 太空望遠鏡 (~ 2014年) James Webb Next Generation 特殊造型是由於將放置在 L2，永遠背對地球與太陽

25 2009.5.14 發射! Herschel Planck 都放置到 L2 ESA sun earth Herschel 遠紅外線
(towards L2) ESA Planck ESA是跟NASA對應的，European Space Agency，他們在近一年前發射了太空載具，把這個船送上太空。裡面有兩個望遠鏡，一個叫Herschel，那另外一個叫Planck，兩個都放置到L2這個點。 地球在轉的時候，它就被地球太陽的引力(吸引)轉下去，所以Herschel也開始長跟哈伯不一樣了。它在這邊像裝了一個盔甲把光擋掉。 這光譜線，哈伯基本上是在可見光，可是James Webb也可以看可見光，可是主要任務是走向紅外線，那Herschel是到遠紅外線，紅外線人眼已經不能見，可是遠紅外線已經開始接上Webb了。 這些望遠鏡Hubble送上太空主要就是因為在地上要設法把大氣的擾動濾掉，沒有大氣的話，可以沒有晚上早晨固定方向一直拍。 ESA 遠紅外線 都放置到 L2 ESA ESA

26 大氣層：我們頭頂的防護罩 電磁能譜 波長 電波 微波 伽瑪射線 電波 可見光 地面 Chandra X光太空望遠鏡 介紹各種光的波長：
Fermi-LAT 電磁能譜 波長 NASA 電波 微波 伽瑪射線 Chandra X光太空望遠鏡 NASA 介紹各種光的波長： 上面是譜線，波長往右邊就越來越短，下面是隨意的一個山的地形，這邊是山的高度，山的高度到大氣層的高度。可見光以頻譜來講是一個很窄的範圍，3000angstrom到7000 angstrom之間，7000angstrom更長的光就是紅外光，比3000 angstrom更短，是紫外線，在紫外線之外，是UV，再往上是X射線，再往上更短的波長，是Gamma射線。通常微波是在mn(Millionmeter)的範圍，再往上那就是叫電波。 談無線電波可以穿透大氣，近代通訊多仰賴於此： 電波的範圍，到幾十米的波長，到接近微波的波長，在大氣層裡可以傳遞，所以我們有各種的通訊設備，它為什麼可以用雷達?大氣對一般稱的無線電波範圍，是透明的，是可以傳遞幾千公尺，幾千公里遠都沒有問題，所以電波在電學上是很容易掌控的。 談可見光和人類視覺的演化巧合與密切關聯： 可見光是人看的見的波長範圍，可是它真正的妙處在於說，這個波長範圍，滿隨意的，可是大氣對它基本上是透明的，這是一個非常大的巧合，我們的大氣成分改一些，譬如說一團雲進來就擋掉了，為什麼雲變黑？就是因為太陽光透不過它，看起來黑的，它的可見光都被濾掉了。所以能到達地面的是可見光，不管是葉綠素的發展，所有的視覺跟這個巧合是有關聯。而且這個巧合又跟化學反應配合度極佳。一百多年前不知道這個X-ray、Gamma-ray，也是一樣，不知道的原因之一就是因為在地表上偵測不到，都是被我們的大氣濾掉的。其實跟演化有關、跟宇宙的預備有關，可以討論。 談望遠鏡的發展： 望遠鏡早期的發展是可見光，後來發展電波望遠鏡，因為它可以穿透到地面，可是紅外光、紫外光、X射線都不行， 前面講的Herschel跟James Webb都是紅外光、遠紅外光，需要超越大氣，所以這就是為什麼它們是太空望遠鏡。 哈伯動機不一樣，它就是要超越大氣、減少大氣的擾動， 最後來介紹不像望遠鏡的東西。X光太空望遠鏡Chandra，那大概在1960年代，人們開始用火箭發射X光偵測器，那還長的有一點點像望遠鏡，後來發展的技術，也得諾貝獎，就是真的像是一個望遠鏡，可以聚焦的，所以X光望遠鏡現在已經發展得很好了，是一個很重要的工具。 那在2009年六月，現在稱為Fermi-LAT，那是一個Gamma-ray telescope，長的頗不像望遠鏡。 電波 可見光 地面 NASA

27 為何宇宙是由這些幾萬光年大小的星系組成？
遠眺過去 原來的氫是從哪來的？ 銀河是如何有的？ 為何宇宙是由這些幾萬光年大小的星系組成？ 必須回探到宇宙起初幾分鐘 (下一章)

28 Hubble Ultra Deep Field « 滿月 盤面
數千億個星系… 各自可能藏著數百萬類似地球的行星… ~ 宇宙 137 億年 ~ 宇宙 130 億年時 同一視野 NASA Hubble Ultra Deep Field « 滿月 盤面 our world line，叫世界線，可能我們遠方某一個星系，我們看到它過去的光，所以它有它自己的world line，畫成虛線是因為這些位置我們看不到，我們在現在這一點看到的光是以前的，越往下推就是越久以前，這是我們現在的時間，所以時間是這個軸，在這個位置的光，是它沿著這個軌跡發展，這是它的世界線，它發的光我們現在看到了，所以這邊這個彎曲的線，叫做光錐， 這邊有T2、T1跟T now，T now是我們目前觀測的是大概137億年。所以T1假定是100億年前好了，T2假定是50億年前，因為膨脹的緣故，越遠的越快，每一個時間點離我們越遠的，它離我們飛離的速度就越快，那個就是哈伯定律，紅位移與距離成正比，所以在大尺度的宇宙，我們看到這個所謂的光錐，如果這個是時間，光在離開你，速度是恆定的，所以這個角度是固定的，可是因為空間本身在擴展，所以光錐面本身是彎曲的。 宇宙大概一百三十七億歲，所以大概七億、八億年前這一個星系發出的光，經過七、八億年到達，被我們藉著哈伯望遠鏡看見。 宇宙八億年的時候，用紅色虛線標出來了，宇宙八億歲的時候，那差不多一百三十億年前，它的紅位移很大，距離越遠它跑得越快，所以在宇宙八億歲的時候，它飛離我們的速度，可能有7、80%的光速，它跑了一百三十億年，到差不多它的位置了，我們跟它就一同再跑了，距離、視角沒有差很大，我們就在同一個視角之內看到它。那我把這兩條線畫的盡量接近，因為這個視野，還有一個範圍。 在地球上這個時間照下了這一張圖，可是是一百三十億年前的光，另一個是七、八億年前的光，我們測得它的紅位移，知道了它的距離。它在更早的時間或更晚的時間，光都還沒有到達我們，所以我們只能看到那個時候的光。我想藉此來了解這個圖，有所謂的世界線，有所謂我們現在位置的光錐，就是光速跑的、也就是我們望遠鏡可看的範圍。 台大物理系 侯維恕 ~ 宇宙 8 億年時 生命已開始出現 的機會不大 world line: 「世界線」 light cone : 「光錐」

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30 X-ray Satellites 觀看宇宙的重要新「窗口」 (w/ R. Giaconni) Chandra X光太空望遠鏡
台大物理系 侯維恕 NASA NASA NASA Chandra X光太空望遠鏡 NASA

31 Giaconni 2002 物理 Nobel: X-光 宇宙
Normal Star Accretion Disk X Rays Mass Accretes Neutron Star What if a blackhole ? 台大物理系 侯維恕

32 Neutron Star What if a blackhole ? NASA/ESA Mass Accretes Normal Star
Accretion Disk X Rays Mass Accretes Neutron Star What if a blackhole ? 台大物理系 侯維恕

33 伽瑪射線太空望遠鏡 NASA 發射 NASA NASA NASA NASA

34 版 權 聲 明 頁

35 作品 授權條件 作者/來源 本作品由Princeton University Press 同意課程：演化、宇宙、人使用，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。 Princeton University Press網址： NASA visited Boris Štromar Richard Powell Cosmos 4

36 作品 授權條件 作者/來源 Richard Powell
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37 作品 授權條件 作者/來源 Richard Powell
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38 作品 授權條件 作者/來源 NASA visited Pbroks13 Rubinbot Andrew Dunn ESO Cosmos 4

39 作品 授權條件 作者/來源 Denys visited NASA EnEdC ArtMechanic ESA Cosmos 4

40 作品 授權條件 作者/來源 ESA visited NASA Cosmos 4

41 作品 授權條件 作者/來源 NASA visited 台大物理系 侯維恕 2010 Nov. Cosmos 4

42 作品 授權條件 作者/來源 NASA visited 台大物理系 侯維恕 2010 Nov. NASA/ESA Cosmos 4

43 作品 授權條件 作者/來源 NASA visited 台灣大學 動物所 高慧芸 Nov. Cosmos 4