戀愛中的小行星 07 星空はタイムマシン - 地球科學討論

※ [本文轉錄自 C_Chat 看板 #1U_qXP5y ]

作者: papertim (吃紙小鹿) 看板: C_Chat
標題: [20冬] 戀愛中的小行星 07 星空はタイムマシン
時間: Fri Jul 3 23:01:37 2020

距離上一篇又過了一個月了，當年吹牛要周更，不知不覺已經變月更了......
而且接下來又是3個月一度的提督崩潰祭典，接下來的進度不甚樂觀阿

對了，因為這次標題是用動畫的標題，所以還是要先說一下
這篇是有關這部動畫當中的一些地科相關科普介紹

這集的主題是帶小朋友觀測，所以主要的內容也是有關天文的介紹
相對前面幾集和下一集的地科奧林匹亞解題來說，應該算是相對平易近人
至少應該都在高中地科的範圍之內(大概吧

如果對這部當中的地科知識有興趣的話
也可以看看前面小弟po的幾篇文章
第一集 #1U8QvJpQ (C_Chat)
第二集 #1UBm14c7 (C_Chat)
第四集 #1Umg7Xyr (C_Chat)
第五集 #1UqHTb90 、 #1UqN6enF (C_Chat) 第二篇是強者我同學的補充
第六集 #1UsExyEi (C_Chat)


------------------正文開始----------------------

土星的形狀
https://i.imgur.com/knwOrYk.png

在這張圖當中可以看到米拉畫的土星並不是一個正圓
而是一個較為扁平的橢圓形，這正是土星真實的形狀

由於行星自轉時的離心力，幾乎所有行星都是稍微扁平的橢球
也因此若自轉越快，行星理論上越扁
且類木行星以氣體為主要組成，所以相對岩石為主的類地行星更偏向橢圓狀

在太陽系中自轉最快的是木星(約9.8小時/圈)，但其比土星接近球狀
原因是在於木星的重力較強，重力會傾向讓行星保持正球狀
木星因為質量是土星的三倍多，造成重力會把形狀拉回接近球形

而土星由於密度小且自轉快(約10.7小時/圈)，赤道面直徑比兩極直徑多了近10%
https://i.imgur.com/JyzUzLF.png
上圖是我用ppt側粗淺的測量，大概差了6~7%，算是有重現出來了

與其相對的就是水星和金星
由於這兩顆的自轉速度極慢，自轉一圈所需的時間分別是176日和243日
再加上這兩顆行星都是屬於密度較大的類地行星，因此幾乎是正球型的


星座的季節
https://i.imgur.com/JWiJkj1.png

觀星初學者常有一個迷思：秋天的星座不是應該只有秋天看得到嗎？
實際上並不然，相反的，除了被太陽擋住的星座，理論上整夜可以看到大多數星座

星座的季節的意義是：該季節在整夜都可以看到的星座
以動畫當中的秋季為例，秋季的代表就是仙女座
在秋分(9/22)當天，仙女座大約在晚上6點從東方升起，清晨6點落入地平線下
也就理論上是整夜都看得到仙女座

但如果你在該天六點左右往天頂看，會是夏季大三角
這些夏季星座會在午夜左右落入地平線下
相對的，午夜時刻秋季星座會在天頂，東方則有冬季的星座升起
也就是秋天前半夜可以看得到秋+夏季的星座；後半夜可以看到秋+冬季星座

另外，也有整年不會落入地平線下的星，稱作拱極星
這裡以北半球舉例
因為地球自轉軸的方向指向北極星，在地面看來北極星是幾乎不會動的
(實際上有差0.幾度)
而隨著緯度提高，北極星會越來越接近天頂，到了北極他就會在正頭頂
在這樣的情況下，北極星周圍有些星座是不會落下的

https://i.imgur.com/0aBSync.jpg
以這張在尼泊爾所拍攝的星跡照片為例，可以看到所有的星跡呈現同心圓狀
其中靠近同心圓的圓心有一顆較亮的就是北極星
在靠近北極星附近的星跡所畫出來的圓完全在地平線上
這就代表這些星無論如何都不會落入地平線以下，這些星稱為拱極星

理論上若地平線上完全沒有障礙物，拱極星的範圍會隨著緯度增加而變大
以台北(約北緯25度)，與北極星視角差在25度以內的都會是拱極星
若是從更高緯度的地方向北拍，拱極星就會更多
下面這張是在法國Grand Ballon山上(約北緯48度)拍到的星跡
https://i.imgur.com/b2mSa9Z.jpg
可以看到北極星(同心圓的圓心)的仰角較高，拱極星的範圍也較大

最極端的狀況來說，如果站在北極點看星空，看到的星都是拱極星



恆星的光譜
https://i.imgur.com/gZNvY4B.png
https://i.imgur.com/4XoLDfW.png
我想大家應該多少有聽過，由恆星的顏色可以推測其表面溫度
一般來說低溫的恆星(表面溫度<3000K)會呈紅色
隨著表面溫度越來越高，顏色變化鬨從紅->橘->黃->白->藍白->藍
其原理大致上可以這樣解釋：
波長較短的電磁波能量較高，而高溫的物體比較能放出高能的電磁波
在可見光裡面藍光的波長最短，紅光的波長最長
因此溫度較高的恆星放出的電磁波能量較高，看起來偏藍
反之溫度較低的恆星放出的能量較低，看起來偏紅

要注意的是顏色是比例的問題
高溫恆星(20000K)呈現藍色，是因為藍光的比例較高
其放出的光當中還是有紅光，而且比紅色恆星放出的紅光還多XD
詳細原理可以去google"黑體輻射"，由於比較偏物理，就請高手補充吧(懶XD

此外恆星的光譜當中還能夠呈現其外層大氣的成分
關於此部分的原理可以參考我第五集的那篇文有關"激態"與"激發態"的敘述
理論上恆星本身發出來的光是連續光譜，也就是各波長都有
從其中缺失的光譜，就可以知道恆星外圍氣體有哪些元素，甚至是化合物

目前根據光譜的類型，把恆星分成OBAFGKM七種恆星
https://i.imgur.com/YUYgNlL.jpg
從上圖大概可以看出依照光譜的順序
由上到下藍光越來越少，也就是以肉眼來看會越來越偏紅色
而光譜中暗掉的部分就是被恆星外為氣體吸收掉的光


M31仙女座大星系
https://i.imgur.com/PyTO1yB.png

在第六集的那篇有介紹過梅希爾星表，就是MXXX的編號
有興趣的可以回去看一下，這裡就著重介紹M31這個星系

M31是人類肉眼可以看到最遠的天體，距離地球約230萬光年
當初對宇宙認識還不深的時候，天文學家覺得這只是一個銀河系裡的星雲
但隨著對宇宙的了解變多了，大家發現這東西和地球的距離應該遠超過銀河系的半徑
仔細一研究才發現，這東西不但不在銀河系裡，而且比銀河系還大

這是一個直徑20萬光年的星系，比銀河系多了整整一倍
而在這當中估計有大約一兆顆恆星，至少是銀河系的兩倍之多

在光害較少的晴朗夜晚，我們可以看見在仙女座附近有一團糊糊的亮光
亮度大約是3.6等，如果用一般的雙筒望遠鏡是可以大約看出其形狀的
然而我們肉眼看到的只是星系核心較亮的部分
但實際上整個星系其實是非常大的，如果整個星系都看得到的話，大概長這樣
https://i.imgur.com/QqBmtfa.jpg
下面那顆圓的是月球

要知道，這東西離我們230萬光年遠，真的是
https://i.imgur.com/znT1Bne.jpg


最後，我想介紹一下這話的標題，也是我最喜歡的標題
https://i.imgur.com/rpP7LZf.png
星空是時光機 星空はタイムマシン

眾所周知，在描述恆星或其他天體的距離時，經常使用"光年"這個單位
所謂光年就是光走一年的距離
舉例來說天狼星距離我們8光年，他所發出的光就需要8年才能到地球
換言之，我們所看到的那顆星是8年前的天狼星

如果看更遠的天體，看到的就是更早以前的樣子
https://i.imgur.com/WjlgTBt.png
230萬年是什麼樣的概念呢？
就是如果在那邊放一個鏡子，從地球出發的光線打到那面鏡子再回來就需要460萬年
也就是說其映照出來的就會是人類剛誕生時的地球

當我們抬頭仰望星空的時候，其實我們看到的是宇宙的歷史
如果我們看得越遠，就能夠看到越久以前的宇宙
而且由於每顆星與我們的距離都不相同
因此一眼望去，就能同時看到不同時代的宇宙


---------------------正文結束---------------------

這集看下來其實感觸很深，其中很大一部分原因就是標題

在接觸天文這20年來，很多讓我感到有趣或興奮的東西
從一開始覺得恆星有生死這件事很新鮮
到中二時期，感覺各種天體以及宇宙論的名詞很酷炫
或是喜歡看配色很夢幻的星雲以及星系照片
直到前兩個禮拜為了日環蝕跑一趟嘉義
這些有關天文的事物一直在我的興趣當中佔有重要的地位

但要說天文最引人入勝的地方的話，我一定會說
因為我只要抬起頭，就能看到宇宙幾百萬年來的歷史
這也是為什麼我刻意把標題放到最後才講

若有一天，在夜空下被問到星星到底有什麼好看時
可以這樣回答

"天上的光芒，都是過往"

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闔上書本，故事就會因此終結嗎？
不是的！這種閱讀方式太膚淺了。
所有的故事，都會在我們的想像之中無限延伸，而那些角色們也會繼續活下去。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　－－《文學少女》天野遠子

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