高中物理(二上)
登入

【天文學補充教材之二:近代天文學】

資料取材自「中國大百科天文學」

 北京中國大百科出版社出版
 繁體中文數位版:遠流集團智慧藏學習科技股份有限公司出版
 台北市中正區 100 南昌路二段 81 號 8 樓  TEL:(02) 2393-6968  FAX:(02)2393-6877
 http://www.wordpedia.com/edu/product/cpedia.aspx

天文學常識:特邀「牛角尖」重新整理

 註:牛角尖任職於中央氣象局

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

近代天文學


文藝復興時期已有許多天文學家對地心體系表示懷疑。但是﹐真正打破這個體系的人是
十六世紀波蘭天文學家哥白尼。他建立起一個新的宇宙體系──地球是一顆行星﹐
和別的行星一樣﹐都在同心圓周上圍繞太陽運行。行星排列的次序﹕水星在最內的圓周上﹐
依次往外是金星、地球、火星、木星﹐土星在最外的圓周上。月球圍繞地球運行﹐
同時也被地球帶著圍繞太陽運行﹐恆星則在遙遠的空間裡。

哥白尼死後三年多﹐在丹麥誕生了一位卓越的天文觀測者──第谷。
第谷曾經提出過一種折衷的宇宙體系──行星繞太陽運動﹐太陽繞地球運動。
他認為﹐只有依靠大量的精密觀測記錄﹐才能夠創立正確的行星理論﹐
並計算出可靠的行星表。因此﹐他特別精確觀測太陽、月球和行星的方位﹐並作出記錄。
第谷快要逝世時﹐將珍貴的觀測記錄贈給他的助手克卜勒。

克卜勒發現對於火星運動來說﹐不論按哥白尼體系或托勒密體系﹐乃至第谷設想的
折衷體系﹐都不能得到和第谷的觀測相合的結果。雖然最大誤差只有8'﹐但是﹐
他堅信觀測結果是正確的。他在分析了哥白尼體系和托勒密體系以後﹐發現它們
有一個共同點﹐那就是二者都認為天體是沿圓周作勻速運動的。
克卜勒感覺可能正是這一點是有問題的。於是他為火星設想了種種軌道曲線。
經過了十多年的辛勞﹐進行不斷的嘗試和複雜的計算﹐他終於在1609年和1619年分別發表
對所有行星運動都適用的三條定律(克卜勒定律)。

伽利略是與克卜勒同時代的義大利人。1609年﹐伽利略聽說荷蘭人發明了望遠鏡﹐
便獨立地研究製造出天文望遠鏡。1610年伽利略開始用望遠鏡觀察天體﹐
隨即發現一些天象﹐這使他更加相信哥白尼理論的正確性。
因此﹐他便愈來愈熱烈地宣傳哥白尼的體系。義大利思想家布魯諾因為相信和宣揚
哥白尼體系﹐攻擊亞里士多德的哲學﹐批判羅馬教會的腐朽制度﹐而被處火刑燒死。
1616年﹐法庭宣判說:“太陽居於宇宙中心的思想是一種邪說﹐至於不把地球放在宇宙中心﹐
而認為在運動﹐雖非邪說﹐卻是謬論。”所以伽利略受到法庭警告﹐不許再提倡這類學說。
同時哥白尼所著《天體運行論》被列為禁書。可是沒有幾年﹐為維護哥白尼的學說﹐
伽利略又寫了一部書﹕《關於托勒玫和哥白尼兩大世界體系的對話》。
這部書於1632年出版後﹐伽利略也被召到羅馬受宗教法庭的審判。
1633年他被判處終身監禁。伽利略後被保釋﹐改判為“居家監視”﹐
因此這位七十高齡的老人仍得繼續研究工作﹐直到1642年逝世。

伽利略去世的那一年﹐牛頓在英國誕生。牛頓在大學求學時就已經接受了
哥白尼的理論﹐並深深體會到克卜勒和伽利略的工作的意義。克卜勒認為是太陽的力量
控制著行星在軌道上運行﹐但是﹐他沒有找到正確的力學規律。在克卜勒和伽利略、
惠更斯等人工作的基礎上﹐牛頓發現了萬有引力定律。他寫成了一部不朽的巨著
《自然哲學的數學原理》。這部書奠定了近代力學的基礎﹐證明使天體循一定軌道運動
的因素是引力﹐並從引力定律出發將兩千年間的觀測貫串起來。

十七世紀的其他天文學家 除上述天文學家外﹐還有其他一些天文學家也對
哥白尼學說和天文學的發展作出貢獻﹕

霍羅克斯 的主要成就是把克卜勒的橢圓軌道理論應用到月球運動上去。

赫維留 定出相當準確的太陽自轉周期。他提出的光斑一詞一直沿用至今。
1647年發表第一幅比較詳細的月面圖。1701年出版了他編制的赫維留星表。

惠更斯 發現了土星的光環和第一顆衛星。他的關於向心力的工作
對牛頓萬有引力的發現起了重要的作用。他創造的天文擺鐘、複合目鏡等天文儀器。
他還闡明了布魯諾提出的恆星都是宇宙裡的太陽的正確主張。

羅默 通過對木衛掩蝕的研究發現光速的有限性﹐並首次測得光速值﹐
使得後來布拉得雷才能發現光行差﹐為日心說提供了有力的證明。

1718年﹐哈雷把他觀測到的恆星位置同喜帕恰斯、托勒密的觀測結果相比較﹐
發現天狼、參宿四、大角等星的位置本身有變化﹐由此發現了恆星的自行。

1748年﹐布拉得雷提出﹐恆星自行可能是太陽運動和恆星運動的綜合結果。

英國賴特(1750年)、德國康德(1755年)、朗伯特(1761年)等人都提出了恆星組成一個
有限的呈扁平圓盤狀的銀河系﹐而且銀河系外還有別的星系的思想。

1783年﹐F.W.赫歇耳通過對7顆星的自行的分析﹐得知太陽在向武仙座方向運動﹐
此後又通過對27顆恆星的分析﹐求出運動向點是在武仙座λ附近﹐和今測點相差不到10°。

1802年﹐F.W.赫歇耳從雙星間距離的測定中發現﹐有些雙星有互相環繞作周期運動
的現象。

1814年﹐夫琅和費製成第一架分光鏡﹐用來觀測太陽﹐發現了太陽的光譜線。

由於儀器的進步和技術的提高﹐十九世紀三十年代終於測出自哥白尼以來長期尋求的
恆星三角視差。從此﹐天文學家才有可能獲得對恆星距離的知識。

1859年﹐基爾霍夫指出太陽光譜裡的黑線是因光球發出的連續光譜被太陽大氣所吸收
而造成的。他把這些譜線和實驗室裡各種元素的光譜加以比較﹐證認出太陽上有許多
地球上常見的元素﹐如鈉、鐵、鈣、鎳等。

1865年﹐英國哈根斯對恆星光譜線位置進行了細緻的測量﹐因而在1868年發現因
多普勒效應而產生的微小的譜線位移﹐由此他測出恆星正在接近或離開我們的視向速度。

1869年﹐英國洛基爾觀測到日珥光譜中一條橙黃色明線﹐認為是未知元素“氦”
所形成的。26年後﹐英國化學家雷姆塞從地球上的礦物中把它分離出來。

1872年﹐有人把大陵五的光度變化解釋為一顆暗星繞一顆亮星運行時彼此掩蝕的結果。

1890年﹐美國哈佛大學天文台發表了第一份《亨利•德雷伯星表》。這個星表
是將恆星按溫度遞降次序分為O、B、A、F、G、K、M、R、N、S各類。

太陽是一個典型的恆星。我們對恆星的大氣、內核和能源的知識﹐很多來自太陽。
十九世紀最後十年﹐美國海耳和法國德朗達爾分別發明太陽單色光照相儀和太陽譜線速度儀﹐
從而開始了現代太陽研究的新時期。他們通過單色光觀察太陽的光球和色球﹐發現了譜斑。
二十世紀初籌建了威爾遜山天文台﹐發現了黑子的磁性和22年的磁周期。

在二十世紀上半葉已經成熟的經典分析方法﹐較重要的成果有E.W.布朗的
月球運動理論和1919年F.E.羅斯改進的火星運動理論。除分析方法外﹐二十世紀初還出現
一條新的發展途徑﹐這就是龐加萊提出的天體力學定性理論﹐其中包括變換理論、
特徵指數理論、周期解理論和穩定性理論﹐對以後的天體力學發展有較大的影響。
十九世紀紐康證實水星近日點進動問題中有誤差。這個問題用經典力學再也無法解釋。
直到1915年廣義相對論問世後才得到解釋。

五十年代以後出現了兩個新的因素。一是人造衛星和空間探測器的發射﹐由此並發展成
天文動力學﹐專門研究這些飛行器的運動問題。二是快速電子計算機的出現﹐使計算的
速度和精度有極大的提高﹐從而使需要繁重計算工作的天體力學數值方法得到迅速發展。
從1968年開始﹐電子計算機已用於分析方法中的公式推導﹐使攝動理論也得到很大的發展。
此外﹐六十年代建立的卡姆(KAM)理論﹐是對定性理論的重大發展。
七十年代﹐三體問題的拓扑學研究成為一個活躍的領域。

1890∼1936年﹐哈佛大學天文台在E.C.皮克林和坎農的領導下﹐陸續出版載有272150
顆恆星光譜一元分類的《亨利•德雷伯星表》﹐為建立恆星表面溫度序列奠定了基礎。

1905年﹐赫茨普龍根據光譜特徵﹐確認恆星有巨星和矮星之分。二十世紀頭十年﹐
他在1905∼1907年和H.N.羅素在1913年分別繪製銀河星團的星等-色指數圖和已知距離的
恆星的絕對星等-光譜型圖﹐從中發現恆星分布的規律。絕大多數恆星處在所謂的主星序上﹐
而巨星和白矮星則分別瀰漫在主星序之上的巨星分支中和主星序的左下角。H.N.羅素還
提出恆星在圖上的演化走向。後人把恆星的光譜光度圖稱為赫羅圖。

1912年﹐勒維特觀測小麥哲倫雲的造父變星﹐發現周光關係﹐從而推測小麥哲倫雲的
距離可能十分遙遠﹐也許在銀河系之外。1924年底﹐哈勃宣布他利用造父變星的周光關係﹐
計算出仙女星系(M31)、人馬不規則星系(NGC6822)的距離﹐指出它們是銀河系以外的
恆星系統。

1918年﹐沙普利分析了當時已知的球狀星團的視分布﹐並根據造父變星的周光關係
估算它們的距離﹐從而得出銀河系是直徑 300000光年、厚30000光年的透鏡型的
恆星和星雲系統。銀河系中心在人馬座方向﹐太陽距銀心50000光年。半個世紀中﹐
沙普利模型的形狀﹐已為世人所公認。不過﹐由於不正確地假定星際間無吸光物質﹐
對距離尺度估計得偏高。
直到1930年﹐特朗普勒通過研究銀河星團而證實星際吸光的存在﹐才重新訂正
銀河系模型的大小。今日的公認值是直徑約81500光年、厚約3300∼6600光年﹐
太陽距銀心約32600光年。

1926年﹐林德布拉德指出﹐恆星運動的不對稱效應是銀河系自轉的反映。
隨後﹐銀河系的較差自轉為奧爾特所證實﹐並求出太陽以每秒250公里的速度﹐
沿圓軌道繞銀心運動﹐估計2.5億年公轉一周。他還估算出銀河系的質量。
根據河外星系的旋渦結構﹐人們推測銀河系也有旋渦結構。五十年代初﹐
摩根的高光度星空間分布研究和奧爾特等人的中性氫21厘米譜線射電分析
﹐都確切地描繪出銀河系旋渦結構和旋臂。六十年代﹐林家翹比較成功地用密度波理論
解釋了旋渦結構及其維持機制。

1929年﹐哈勃發現河外星系的譜線紅移量和星系距離成正比關係。假若承認紅移是
天體退行運動的多普勒效應﹐那麼紅移-距離關係意味著星系普遍退行﹐而它們所處的
空間整體在膨脹。宇宙膨脹正是相對論宇宙學所預期的結果之一。

1931年﹐法國李奧製成日冕儀﹐使人們在不發生日蝕的時候也能觀察日冕﹐
探索太陽高層大氣。

1937年﹐柯伊伯首先發現﹐一些銀河星團在赫羅圖上的位置差異可以用年齡不同加以解釋﹐
這說明赫羅圖是探討恆星演化的有效工具。

1938年﹐貝特指出﹐主序星的能源是氫變氦的熱核反應﹐成功地闡明了恆星的產能機制﹐
為理解太陽型恆星100億年的演化程奠定了基礎。

五十年代末﹐由於斯特龍根、赫比格、桑德奇等人的研究﹐已能描述不同質量的恆星
在主星序前的流體動力階段 和主星序氫燃燒階段等的演化情況﹐氫燒盡後離開主星序的
走向﹐以及可能有的最後歸宿。

六十年代以來貝克林、斯特羅姆等人的紅外觀測﹐以及博克等人的光學觀測﹐都表明
恆星起源於星際暗雲﹐因吸積、收縮而成原恆星。林忠四郎、拉爾森對此階段的演化
作了理論描述。

在星系世界陸續發現了異常激擾的特殊天體﹐例如﹐河外射電源和X射線源、類星體。
與以百億年為演化尺度的絕大多數正常星系相比﹐它們的存在只是短暫的瞬間。

早在四十年代﹐伽莫夫、阿爾菲和海爾曼根據當時已知的氦豐度和哈勃常數等資料﹐
發展了熱大爆炸學說﹐並預言宇宙間充滿具有黑體譜的殘餘輻射﹐其溫度約為幾K或幾十K。
3K微波背景輻射的實測結果與理論預期大體相符。
1964年﹐美國科學家彭齊亞斯和R.W.威爾遜測量銀暈氣體射電強度時﹐發現總有消除
不掉的背景噪聲。他們認為﹐這些來自宇宙的波長為7.35厘米的微波噪聲相當於3.5K。
1965年﹐他們又訂正為3K﹐並將這一發現公諸於世﹐為此獲1978年諾貝爾物理學獎金。
微波背景輻射是極大的時空範圍內的事件。因為只有通過輻射與物質之間的相互作用﹐
才能形成黑體譜。由於現今宇宙空間的物質密度極低﹐輻射與物質的相互作用極小﹐所以﹐
我們今天觀測到的黑體譜必定起源於很久以前。微波背景輻射應具有比遙遠星系和射電源
所能提供的更為古老的信息。
微波背景輻射的另一特徵是具有極高度的各向同性。這有兩方面的含義﹕
小尺度上的各向同性﹕在小到幾十弧分的範圍內﹐輻射強度的起伏小於0.2∼0.3%﹔
大尺度上的各向同性﹕沿天球各個不同方向﹐輻射強度的漲落小於0.3%。
各向同性說明﹐在各個不同方向上﹐在各個相距非常遙遠的天區之間﹐應存在過相互聯繫。
除微波波段外﹐在從射電到γ射線輻射的各個波長上﹐大都進行過背景輻射探測﹐
結果是微波波段的輻射最強﹐其強度超過其他所有波段的背景輻射的總和。

微波背景輻射的發現被認為是二十世紀天文學的一項重大成就。它對現代宇宙學所產生
的影響﹐可以與河外星系的紅移的發現相比擬。當前﹐流行的看法認為背景輻射起源於
熱宇宙的早期。這是對大爆炸宇宙學的強有力的支持。此外﹐還有用其他模型或機制來解釋
微波背景輻射的宇宙學說。

0最後修改紀錄: 2004/02/17(Tue) 15:48:11


尚未登入. (登入)

since 2011/06/20 18:23