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5單元：宇宙1 行星與恆星 演化 宇宙 人 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：從大爆炸到生命層 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：從大爆炸到生命層 行星與恆星 生命與自覺意識 原子、星星、銀河 銀河之上 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 China (Complex & Simplified) Mr. David Tsai Bardon Chinese Media Agency 3F, No. 150, Roosevelt Road, Section 2, Taipei 100, Taiwan Tel: Ext. 35 Fax: 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 1. 行星與恆星 I.從大爆炸到生命圈 太陽 其他太陽系 其他地球 達爾文 vs 凱耳文；能源；生命歷程 行星形成；偵測 搜尋地球型行星
我們現在就進入這個行星與恆星，那太陽這部分事實上又回到達爾文，達爾文曾經面對物理學做為他的挑戰。

4 「這顆行星循著恆常的重力週而復始運行時， 從如此簡單的開始，最絢麗的形體 ... 曾經、也正在演化出來。」 達爾文《物種源始》
太陽 太陽爲什麼放光？ 這麼久！﹖ 太陽為什麼會放光？這個行星週而復始一直轉，從35億年前單細胞生物到繁複的形體，曾經且還在發展中；太陽放光的演化也是非常非常緩慢的。 「這顆行星循著恆常的重力週而復始運行時， 從如此簡單的開始，最絢麗的形體 ... 曾經、也正在演化出來。」 達爾文《物種源始》 演化是很慢、很慢的 ...

5 肯特森林地 地質學 千萬代的人類 Weald of Kent ~ 3 億年 (從侵蝕率) Darwin’s home
ClemRutter Weald of Kent 肯特森林地 英國東南部，North Downs是達爾文家的城鎮，weald of the Kent是肯特森林地，，1859年原版的original of species某一章節，達爾文分析了肯特森林的地質，請看上圖地質的剖面，原本谷地相連，上面的地層被侵蝕，計算侵蝕力大概是三億年的時間才造成肯特谷地。 ~ 3 億年 (從侵蝕率) 地質學

6 肯特森林地 地質學 達爾文 凱耳文 22 歲物理教授 (0 ∘C ≅ 273 ∘K) Weald of Kent ▶ 地球融鎔核心的熱能只要
Lord Kelvin ( ) 22 歲物理教授 (0 ∘C ≅ 273 ∘K) ca. 1860, 51歲 Lord kelvin克爾文爵士。克爾文在地質能量上的研究認為地心融鎔核心的熱能大約幾百萬年就會冷卻，而太陽因輻射熱能，約千萬年之後就不再發光，地球的年齡預測是沒有達爾文說的那麼久。克爾文對上達爾文的觀點，在當時由於不知道地熱是放射物質產生，加上克爾文當時是物理權威，演化論從地熱的觀點受到爭論；然而這篇文章發表在1862年3月5日，on the age of sun’s heat，文末克爾文說「除非在創造的大倉庫裡有我們現今所不知道的新源頭 ...」這個假設因1900年放射物質的發現，讓克爾文不得不承認地球的年齡可以到達億萬年以上。 ▶ 地球融鎔核心的熱能只要 ~ 幾百萬年便會冷卻掉 ▶ 太陽因輻射快速失去熱能 ~ 千萬年便會扁掉 Weald of Kent 肯特森林地 ~ 3 億年 (從侵蝕率) 「除非在創造的大倉庫裡有我們 現今所不知道的新源頭 ...」 地質學 William Thomson, “On the Age of the Sun’s Heat”, Macmillan’s Magazine, (March 5) 1862, 5, 388 1859

7 Dmitri Ivanovich Mendeléev
▶ 神秘的放射線：原子內潛藏著 未知的能量 ▶ 地球核心的放射衰變所產生的 能量，可添補所散失的熱能！ ⇨ 太陽的能源 !﹖ Dmitri Ivanovich Mendeléev 門得列夫 Henri Becquerel 1903 諾貝爾獎 (1900：Röntgen) 1903年諾貝爾物理獎得主Henri Becquerel，是與放射線的發現有觀，1900年得主是倫琴Röntgen是起始者。 Henri Becquerel在1896年用黑紙包覆釉鹽(右圖：門德烈夫發明之元素週期表)，發現了放射線的存在。產生地熱的放射線其實存在在地函(地表下方)，而地心是鐵組成的，無法容納放射線元素，因此克爾文提出的構想就是錯在，當時不知道有放射線供應熱能的概念，但是他的假設卻成立了，開始了新世代的物理學。 貝克芮於1896年發現 鈾鹽可以隔著不透光 的黑紙讓底片感光， 但不能穿透金屬。 林勇智

8 E = mc2 巨大能量 核反應釋放的能量是化學反應的百萬倍 但！ ▶ 神秘的放射線：原子內潛藏著 氦核質量 未知的能量
< 2 x 質子質量 + 2 x 中子質量 ▶ 神秘的放射線：原子內潛藏著 未知的能量 ▶ 地球核心的放射衰變所產生的 能量，可添補所散失的熱能！ ⇨ 太陽的能源！ Fastfission ：量子物理 ⇨ 解釋了元素週期表 ▶ 原子序 = 質子數 = 電子數 ▶ 原子 ~ m (Å) 原子核 ~ m (fm) ▶ 原子核：質子、中子 構成 例如，氫核 = p 氦核 = 2p + 2n 週期表的發明是跟達爾文同時代的，達爾文過世後，量子物理學開始興起。原子的組成，左圖可看到原子核由中子跟質子組成，周圍有電子繞行，電中性的原子內部質子數目與電子數目相同；原子大小10-10米，原子核大概是小10萬倍，因此本圖是概念圖，不是真正的比例。發現電子、中子等不是件容易的事情，是科學家努力想實驗證明出來的。 氫的原子量是1，原子序是1；氦的原子量是4，原子序是2，如果把氫變成氦，要把原子核融在一起，就會釋放能量。一個氫的原子重是1.0008，達成四個變成氦的重量，多餘的在小數點的數字藉著E=mc2變成能量，就是核融合能。 核反應釋放的能量是化學反應的百萬倍 林勇智

9 E = mc2 巨大能量 太陽主要能源：pp循環或鏈 但！ ▶ 神秘的放射線：原子內潛藏著 氦核質量 未知的能量 < 2x 質子質量
▶ 地球核心的放射衰變所產生的 能量，可添補所散失的熱能！ ⇨ 太陽的能源！ 太陽主要能源：pp循環或鏈 Fastfission 氫 氘 ：量子物理 ⇨ 解釋了元素週期表 ▶ 原子序 = 質子數 = 電子數 ▶ 原子 ~ 10-8 m (Å) 原子核 ~ m (fm) ▶ 原子核：質子、中子 構成 例如，氫核 = p 氦核 = 2p + 2n p n 氦-3 氦 核反應釋放能量是化學反應的百萬倍；原子核那麼小，卻釋放如此強大的能量，可見一點點變動就是外殼變動(化學反應是電子的得失)的百萬倍。太陽放光的能量就是藉由核融合能量，叫做pp循環、或是pp鏈。 請看下圖(紅色為質子，藍色為中子)：兩個氫原子、也就是兩個質子，合在一起成為氫2，又稱為氘，然後再進去一個質子，輻射出一個光子(γ)變成氦3，因為它有兩個質子，具備氦的化學性質，但是不是一般狀況下的氦原子；氦3合在一起，又放出兩個質子變成氦4；因此核融合過程中釋放兩次質子；而β+是正子(正電子，電子的反粒子)、放出兩個ν以及兩個光子γ，而剛才說的小數點的數字就當成核融合的反應能。因此氫彈為什麼那麼可怕，因為E=mc2，核融合釋放的能量的威力相當巨大。 台大物理系 侯維恕 4p → 4He + 2e+ + 2n + 2g + energy

10 在創造的大倉庫裡有凱耳文所不知道的新源頭
▶ pp 如何克服庫倫斥力 (異性相斥)？ 1928 伽茂夫:高溫與量子「穿隧」 ⇨ 太陽內部 ~ 1700萬度 太陽的能源 ▶ 詳細核反應：1938 年漢斯•貝特 ⇨ 1967 諾貝爾物理獎 [貝特於2005年過世，享壽99歲] 極慢的核融合反應 George Gamow ( ) 太陽主要能源：pp循環 (或鏈) Hans Bethe 的 Los Alamos 工作證 氫 氘 氚 p n 在創造的大倉庫裡有凱耳文所不知道的新源頭 氦 太陽本身是充滿氫氣的電漿體，太陽最主要的能量來源並非簡單的核融合反應。兩顆質子碰在一起的核融合反應速率是10億年(109年)，因為兩個質子都是同樣的電荷，同性相斥；如果把電子放到原子核裡面，原子核的大小就小了10萬倍，如果一個質子非常靠近另一個質子，一個氫原子是10eV的話原子核所需的能量就是100萬倍eV，因此正電荷彼此得排斥力是一般化學能量的百萬倍以上，除非克服這個庫倫的斥力，否則很難發生，因此反應速率非常之久。 當兩個原子核融合，需要非常大的能量使他們靠非常近，一旦合在一起，釋放的能量卻比原來需要的能量還要大。 George Gomow在1928年推論，太陽是一個大反應爐，內部溫度非常高的時候，假設到1700萬度，這時候有個量子穿隧效應(tunnelling)(機率不為零的粒子穿過介質)，兩者可以做到核融合反應；他是第一位估算太陽內部的溫度。 1938年Hans Bethe Los Alamos是製造原子彈最初的研發人，把詳盡的核反應計算出來，解決太陽能源的根本問題，並且得到1967年諾貝爾物理獎。所以太陽的能源是極慢的核融合反應，如果反應速率不那麼慢，大概太陽很快就大熱核爆炸然後就沒了。 台大物理系 侯維恕 4p → 4He + 2e+ + 2n + 2g + energy

11 「這顆行星循著恆常的重力週而復始運行時， 從如此簡單的開始，最絢麗的形體 ... 曾經、也正在演化出來。」 達爾文《物種源始》
太陽 太陽爲什麼放光？ 這麼久！﹖ 「這顆行星循著恆常的重力週而復始運行時， 從如此簡單的開始，最絢麗的形體 ... 曾經、也正在演化出來。」 達爾文《物種源始》 演化是很慢、很慢的 ...

12 太陽的一生 雲氣重力收縮 ⇨ 增溫 ⇨ 點燃核融合 約 45 億歲 紅巨星 平衡：核反應率 ~ 表面散失之熱能
NASA/ESA 太陽的一生。起點是一團雲氣(cloud)，雲氣在某個條件下，原本溫度很低，重力收縮後溫度升高，核融合反應開始進行，因為核融合反應是非常緩慢的，因為質子會互相排斥；一旦點燃了，等價於把4顆質子燃燒成氦，其中產物就是放出來的能量，反應率跟形成球體的比熱面散失會形成平衡，也就是說，雲氣大小跟收縮後的核融合反應是有關係的。 右下圖是老鷹雲氣Eagle Nebula，說明太陽出生時就是像這樣的一團雲氣。 每一個進展就是1.5億年，走到盡頭大約是100億年，太陽差不多是在中年，45億年左右。而後球體慢慢變大，變成紅巨星，只要能源還在，核反應速率很慢，產出的能量會慢慢減少，有很強的穩定性。 紅巨星 台大物理系 侯維恕 Eagle Nebula

13 ▶ 核心的氫已耗盡 ⇨ 氦核收縮增溫， 點燃外面一層的氫； 較高的核心溫度導致 較高的反應速率 ⇨ 亮度增千、萬倍 外層膨脹如右
⇨ 氦核收縮增溫， 點燃外面一層的氫； 較高的核心溫度導致 較高的反應速率 ⇨ 亮度增千、萬倍 外層膨脹如右 表面溫度下降 ∴ 「紅巨星」,約五億年 1 AU = 日地距離 太陽成為紅巨星 ⇒ 直徑約 2 倍日地距離 ▶ 所有的氫幾乎耗盡 ⇨ 核心收縮、增溫 ⇨ 氦核點燃 (約一億度) 可能「氦閃」多次 最後炸掉外層 (行星狀星雲) 裡頭留下「白矮星」 太陽當今直徑約日地距離 1% NASA/ESA 核心的氫是核反應主要來源，如果裡面的氫燒完了，外圍還有氫，但是因為裡面比較熱，核心有個電位，外圍的氫不容易進去，發展到這裡，就是沒有燃料了，此時核心會縮小，縮小的話內部溫度增加，外部的溫度也會跟著升高，此時外圍的氫開始燃燒，整個星體因為外圍變熱開始膨大，，總亮度增加千倍甚至更多；體積一變大，最表層的溫度會開始下降。 右圖，原本的太陽對照變成紅巨星的太陽，1AU就是地球到太陽的距離(一億五千萬公里)；假設太陽再過50億年走向紅巨星的時候，紅巨星階段的太陽，他的直徑會大到兩個AU，就表示他的半徑就是一個日地距離，基本上太陽的表面會跑到地球，甚至於超過地球的位置，大約維持5億年，這時候是外界的氫燃燒，等燃燒完了，就無法維持紅巨星的階段，核心快速收縮，內部溫度提升，到達億度的溫度實，氦可以被點燃，而快速收縮點燃，會引爆叫做氦閃，突然釋放大量的能量，將外層炸開，形成行星狀星雲(Planetary Nebulae)；核心還在，但是外層炸掉40%左右，核心還會再縮，又進行一次氦閃，原來的核心大約會是現在太陽的60%或是一半質量，後來會收縮到一個地球大小的星體，亮度差不多是我們看月亮，稱為白矮星。白矮星大約是現在太陽的三倍質量，氦核燒成了碳核，最後壓縮到地球一個半徑的大小，因此白矮星的密度很大，各位可自行上網查白矮星的密度。 Mysid 紅巨星 行星狀星雲 白矮星

14 太陽的一生 中 途 約 45 億歲 紅巨星 白矮星 以我們年歲來講是很遙遠的將來。大概才到他的中年，離紅巨星的階段還有50億年左右。
中 途 約 45 億歲 以我們年歲來講是很遙遠的將來。大概才到他的中年，離紅巨星的階段還有50億年左右。 紅巨星 白矮星 台大物理系 侯維恕

15 其他太陽系 行星如何形成？ 如何偵測？ b c HR 8799 d
行星如何形成？ 如何偵測？ HR 8799 b c d 夏威夷的Keck望遠鏡觀察到飛馬座Pegasus，距離129光年，這照出的不只是一個光點，而是一個大致的盤面，以及另外三個光點，這是直接顯影偵測。 星星一閃一閃的原因是因為沿著路徑大氣的擾動；Keck望遠鏡架在海拔四千公尺目的就是減少大氣擾動；發射一道雷射光出去，估算反射回來的光線，降低到反射物之間擾動的因素，就是適應光學。 129光年外，飛馬 (Pegasus) 座 年夏威夷 Keck 望遠鏡紅外影像，使用「適應光學」

16 原始行星盤 proplyd: protoplanetary disks
行星如何形成？ 原始行星盤 proplyd: protoplanetary disks 一個巨大分子雲，受擾動 (譬如鄰近之超新星爆炸) 導致 一個區塊因重力而塌陷。多數質量集中到中心形成太陽 (星球)，但部分質量因角動量 (旋轉) 的緣故形成盤面。 450 光年外，金牛座 盤面有許多大小 石塊「微行星」， 互擊累積成行星。 Mouser 獵戶座 NASA proplyd with “jet” 行星的形成，前面有說是一個巨大的分子雲氣收縮，雖然看不出來，這團雲氣有在轉動；因重力影響本身開始收縮，收縮到很小的時候轉動較為明顯，核心無法把所有的雲氣收縮進來，會拉出一個盤面，原始星盤(protoplanetary Disk)。 超星星爆炸後會產生較重的原子核，想是鐵、釉等等；這些小塊的石塊容易在星盤外圍繞著核心旋轉，有時候彼此碰撞、熱能的連結還是變大之後，從微行星變成小行星或是行星。 獵戶座大星雲盤面大約是20光年的直徑，用外太空的望遠鏡(outer space telescope)觀察，大約是0.14光年可見到獵戶座大星雲外圍的微行星；而1500萬光年外、20光年的直徑橫斷方向可見原始星盤的結構。金牛座lolus在盤面形成一定的比例會看到垂直方向有東西噴出來，是普遍的現象。 獵戶大星雲 ~ 20 光年 NASA proplyds NASA NASA/ESA NASA

17 (行星) 如何偵測？ ▶ 用都卜勒 Doppler 效應偵測： 變高 低 「救護車鳴笛聲」 變藍 紅 首次偵測到似太陽星球 木星大小行星：
1995 年 Michel Mayor & Didier Queloz 首次偵測到似太陽星球 51 Pegasi (飛馬51) 之 木星大小行星： 變紅 行星 ~ 50 km/s 恆星 ~ 50 m/s 變藍 質心 (不動) 質比 ~ 1/1000 ▶ 至今已發現400多顆 數組已有直接顯影！ 巨蟹座 55 Cancri 已發現5顆行星 55 Cancri f 軌道在合適區 都卜勒效應：發聲或是發光(都是波動)物體接近觀測者，觀察到波的頻率增加，物體遠離觀測者，觀察到波的頻率降低。藍波頻率較紅波高，這邊有個光點發出特定波長，例如太陽是接近黃光，以某一速度接近我們，此時測出的聲納頻率變高，光的頻率也會變高，光就會偏向藍光，假使以一定速度遠離我們，光的頻率會降低，光就會偏向紅光。 一顆行星與一個星球互相繞行，兩物體的總質量是紅色十字的地方，找一個已知的正常波光，則星球放出的光偏藍，表示接近十字，偏紅表示遠離十字，隨著球體與行星互相繞行，變藍變紅形成一個連續週期。最早利用doppler effect在pegasi51被發現。 現在已經發現四百多顆行星(與恆星互繞)，好幾組都是直接顯影；例如巨蟹座cancri是很新的發現，有五顆行星。藍色畫的，Mercury水星、Venus是金星Earth是地球。黑色的軌道是55Cancri f。估算55Cancrif軌道，大概是地球跟金星之間，如果其他條件滿足，就有機會跟金星或是地球類似，有機會孕育生命。 用「凌星」(擋光) 偵測法 的刻卜勒太空望遠鏡已在 2009年3月初發射升空

18 Exoplanet Discovery by year [Extrasolar planet]
視線速度法 (都卜勒效應) 「凌星」(擋光) 偵測法 「微透鏡」法 波霎計時法 直接顯影 ▶ 至今已發現400多顆 數組已有直接顯影！ 以1995年做起點的話，藍色就是都卜勒效應，綠色是Kepler刻卜勒「凌星擋光偵測法」，橘色是微透鏡法，紫色是pulser timing波霎計時法，其實也是都卜勒效應，可是跟前面有一點點不同。紅色的是刻卜勒望遠鏡用紅外線直接顯影。 用「凌星」(擋光) 偵測法 的刻卜勒太空望遠鏡已在 2009年3月初發射升空

19 刻卜勒太空望遠鏡的觀測視野 織女 凌星 (擋光) 偵測法 Vee-ga；天鵝座 - 北十字
織女 NASA Vee-ga；天鵝座 - 北十字 首先介紹一下凌星或者檔光偵測法，非常地直觀。各位有聽過「金星凌日」嗎？行星以太陽為中心繞行，金星可能會在太陽與地球中間，此時在地球測太陽的光度，會因為金星擋住太陽一部分面積而降低，一段時間消失，回到原來光度，一段時間又繞到太陽與地球的中間，光度下降，多測量幾次就可以得到金星公轉的週期，就是凌星擋光偵測法。 刻卜勒望遠鏡的計畫就是把一千光年左右距離的星星，就是織女、天鵝、北十字座等等，一顆一顆來做測量。 NASA NASA

20 搜尋地球型行星 這個方法篩選的是木星型行星 地球型行星太沒「份量」了
其他地球 搜尋地球型行星 用都卜勒效應找尋地球之外的其他星球的行星，前提是星球大小要像木星一般大，每秒以50公尺繞行；以地球相比，質量太小，這時候要找所謂地球型行星(clastrol panner)，就要用其他的方式找。 這個方法篩選的是木星型行星 地球型行星太沒「份量」了 NASA

21 取 消 愛丁頓 Eddington， 歐洲太空署 ESA 搜尋50萬顆星，尋找 小至火星大小的行星
取 消 過去十年，一些天文探測器的發展，有一些作者，這個書是在世紀初寫的，還帶著比較大的希望，Eddington是個人名，紀念某一個人，ESA是European agency，歐洲太空屬。這只是一個想像圖，有沒有做到任何一個模型我不清楚。Eddington的目標是要找到火星大小的行星，預備希望探索五十萬顆星球。這是他的規劃目標。因為還有一段時間發展，ESA的計畫就取消了。 ESA

22 無 限 期 展 延 無論如何，人類會繼續下去 地球型行星搜尋者 太 陽 ... 如 New World Mission
Terrestrial Planet Finder NASA 歸零式多望遠鏡干涉儀 藉干涉技術將中央星減 弱亮度百萬至十億倍， 好讓微弱的地球型行星 顯影。 無 限 期 展 延 Terrestrial planet finder的計畫相當浩大，它的方式是歸零式多望遠鏡干涉儀，什麼是干涉儀呢？光線進入望遠鏡利用干涉的技術處理，把不要的波形抵銷掉，留下目標的波，本來要在太空站上面製做，把這望遠鏡放在離地球很遠的地方，不過後來太空站的裝配運作不理想，就取消了。 在歐洲有個叫Darwin的太空任務，目前得開發也停頓了；另一個New World Mission現在也取消了；New World Mission有趣的地方是它在很遠的地方放一個可操控的版子，將更遠遠的星球盤面擋掉。 太 陽 NASA • 歐洲類似的達爾文任務 的開發也停頓了 無論如何，人類會繼續下去 • 還有一些其他的新穎方案 ... 如 New World Mission

23 版 權 聲 明 頁

24 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： 這顆行星循著恆常的重力週而復始運行時... 達爾文《物種源始》(1859) O1ive visited ClemRutter Stw 除非在創造的大倉庫裡有我們現今所不知道的新源頭 ... William Thomson, “On the Age of the Sun’s Heat”, Macmillan’s Magazine, (1862) Cosmos 1

25 作品 授權條件 作者/來源 Quibik visited Fastfission Trachemys Jean-Jacques MILAN Henri Becquerel Cosmos 1

26 作品 授權條件 作者/來源 OldakQuill visited 林勇智 Fastfission United States Department of Energy 台大物理系 侯維恕 2010 Nov. Cosmos 1

27 作品 授權條件 作者/來源 United States Department of Energy,  U.S. federal government visited Serge Lachinov  台大物理系 侯維恕 2010 Nov. NASA/ESA Mysid Cosmos 1

28 作品 授權條件 作者/來源 Oliverbeatson
visited Norman B. Leventhal Map Center at the BPL Microsoft Power Point 2007 內建美工圖庫 NRC-HIA, IDPS, Keck NASA Cosmos 1

29 作品 授權條件 作者/來源 NASA visited NASA/ESA Mouser Pbroks13 Chaos syndrome Cosmos 1

30 作品 授權條件 作者/來源 a.k.a. Aldaron
此圖在 file history “22:17, 17 March 2010” visited NASA ESA Cosmos 1

31 作品 授權條件 作者/來源 NASA visited Cosmos 1