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星空傳奇
太陽系
恆星一生變變變
星系、星團與星雲
太空望遠鏡
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標題圖_太空望遠鏡
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  望遠鏡是天文學家的眼睛,也是探索星空的好工 具。天文學家為了把星星看得更清楚,除了把望遠鏡越造越大外,還設計出了各種各樣的望遠鏡,既可以直接看到星星,又可以接收星星發出的電波,通過電波瞭解星星的祕密。更為神奇的是,人們還想到把望遠鏡放到太空飛船上,避開了大氣層的干擾,看到了更多更美的星星。


太空望遠鏡
  人類自矇矓以來的數千年裡,僅能用肉眼觀看宇宙時,對這浩翰的空間就有了種種的遐思。四百多年前隨著光學望遠鏡的發明,開拓了天文科學的領域,這類聚光成像的儀器使得遙遠的物體看起來更近、更亮、更清楚,讓我們對天空的看法也隨著觀測的結果而有了不同概念的改變。然而在一百多年前,電磁波理論的出現,才真正改變了科學家們「眼見為憑」的感官思維,對於那「無法直接目視」的事物有了較多勇於面對的態度。換言之,「看得到或看不到」並不再是「存在或不存在」的認定標準了,而「到底觀測到的是什麼事物?」成了科學家探究的重心。近數十年來,利用各式大型不同波段電磁波望遠鏡的觀測結果,再度大大地修改了人們對於宇宙星辰的靜態看法。隨著哈柏、史匹哲 (Spitzer)、宇宙背景探索太空船 (COBE) 等太空望遠鏡的升空探索觀察,和電子裝置、資訊影像處理的科技日新月異,使得宇宙間眾星系、星球、星雲等動態演化奧祕一一揭露於世人眼前。今日的科技使得天文學家能探測太空中在範圍極小之可見光波段以外的訊號,使我們的知識無限擴展。在現今我們身處於新理論、新見解、新知識如海水般的衝擊時代中,該如何面對這浩翰的空間呢?期望本單元能幫你『知往鑑來』,引發你對天文科學的興趣,能在新世紀裡熱烈地來參與人類共同地探索大自然的行列。

太空望遠鏡突破地面上觀測的屏障
太空望遠鏡突破地面上觀測的屏障


各個波段電磁波太空望遠鏡
   不同電磁波段拍攝到的影像代表著不同的訊息。由多重電磁波段的影像重疊組合方能獲取較完整的資料,才能瞭解星際間在各個能量的分佈,以及發生過什麼樣的事件。
光學拍攝
光學拍攝

無線電波拍攝
無線電波拍攝

伽瑪射線拍攝
伽瑪射線拍攝



哈柏太空望遠鏡 —最具威力光學望遠鏡
  免除了地球的混濁大氣層的視野干擾, 哈柏太空望遠鏡正在距離地表 600 公里高處環繞地球運行和觀測。 哈柏太空望遠鏡是有始以來最具威力的望遠鏡, 它讓我們觀看宇宙的視野起了革命性的改變。
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  哈柏太空望遠鏡  
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哈柏太空望遠鏡



1946 年,紫外線天文學與1948 年, X 光天文學 ——— 恆星大氣成份和高能量輻射的診斷
   紫外光在探索恆星大氣的熱輻射,以及對星球大氣的元素組成的瞭解有著極重要貢獻。在超新星爆發、中子星噴流、星系對碰、黑洞吸入物質等過程所造成的高能量 X光輻射現象。就以對黑洞的探究來說,我們無法直接看到黑洞,但可以觀測到它對其他事物的影響。當物體吸入時,會加速,並且變得越來越熱,直到進入黑洞並消失為止。就在物體被吸進入之前的瞬間,它會因為高熱而放出紫外線和 X 光。這些最後的「邊緣訊息」是我們從黑洞獲得的唯一訊號。換言之,想獲得黑洞資訊的少數方法之一就是使用紫外線望遠鏡和 X 光望遠鏡。可是這兩個波段是我們以前在地面上無法進行觀測的,因為我們的大氣層會吸收紫外線和x光,因此望遠鏡須架設在遠離大氣層上方的衛星上,它們可以探測物體捲進黑洞時釋出的紫外線和x光等高能量輻射。


Chandra X-ray Observatory
  1999年7月23日由哥倫比亞太空梭帶上太空,用於觀察宇宙裡高能中的 x 射線源,以及膨脹星體的殘留物。


X射線望遠鏡任務:探究
  活躍星系、黑洞、雙星系統、變星、黑暗物質、白矮星、瀰漫背景、伽瑪射線暴發現象 (Gamma-ray Bursts)、中子星、超新星及其殘留物、恆星演化。
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  Chandra X 光太空觀測站  
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Chandra X 光太空觀測站


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  微波天文學  
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1992-CR : 被天文學家認定是來自宇宙「大爆發」後、膨漲至今所殘留的全天域 360 度宇宙微波背景輻射影像照。在 1992 年 4 月發現了「漣波輻射」現象。

1965 年,微波天文學 ——— 宇宙大霹靂的迴響
  波長約1至600公釐的微波,其波長較無線電波短,適用於直徑介於10至40公尺的較小型電波望遠鏡。1930 年,天文學家喬治‧加墨 (George Gamow)提出形成宇宙的『大爆發』理論,它基本論點是建立在宇宙始於一次難以想像的巨大爆發,這次爆發創造了今日圍繞著我們的每件事物。它從爆發的一點通漸延伸至現今我們周圍的廣大天空。1949 年,喬治‧加墨進一步解釋大爆發後的宇宙,如今也逐漸地冷卻,現在,它的溫度約為絕對溫度 2.7 度 (約攝氏零下270度)。1965年,經由微波的偵測,將微波望遠鏡指向任何方向,影像都是一樣的,微弱的冷輻射均勻地來自各個方向,這是殘留自宇宙開啟時『大爆發』的結果。這正是微波望遠鏡所偵測到支持宇宙大爆發理論的『餘溫』證據。


  直到 1992 年以前,一般都認為大爆發的背景輻射在各方向都是均等的,但美國國家航空太空總署「宇宙背景探索 (COBE) 」衛星上的微波望遠鏡因為發現了輻射中的 『漣波輻射』現象而改變了此觀念。漣波現象解開了一項長久以來天文學家的疑惑。假使背景輻射如以前所認定,是均勻的,為什麼宇宙是起起伏伏的 ? 其中又有星系、星球、行星和廣大的太空存在呢?COBE 的漣波影像證明了大爆發並非均勻的,才有可能造成了現在所觀察到的如此多姿多彩形態的時空。1985 年,瑪格麗特‧傑勒 (Margaret Geller) 也發現了宇宙中的大尺度結構『星系長城』。


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  宇宙背景探索太空船 (COBE)  
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宇宙背景探索太空船 (COBE)

  宇宙背景探索太空船 (COBE) 的首要任務是觀察宇宙背景的微弱熱源訊號, 用以驗證 1930 年 喬治‧加墨 (George Gamow ,1904 - 1968 ) 與 Ralph Alpher 所提出的「 大霹靂 (Big Bang)」理論。 1949年, 喬治‧加墨 進一步依據理論推導預測, 宇宙會有隨大霹靂而膨脹開約絕對溫度 5 度的殘餘能量散佈在整個空間中。 到了 1964 年,Amo Penzias 和 Robert Wilson 終於發現了絕對溫度約 2.7 度的 「宇宙背景輻射 (Cosmic Background Radiation) 」, 因而宇宙起源於 大霹靂 學說得以廣被接受。而 宇宙背景探索太空船 (COBE) 的升空紅外光觀測就是要來更精確地觀測宇宙的背景溫度,進而瞭解宇宙的起源。

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  2003年 2 月,威金森微波異向性偵測 (WMAP) 太空觀測衛星觀測到的全天的微波背景圖揭露宇宙的年齡約 137 億年。  
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2003年 2 月,威金森微波異向性偵測 (WMAP) 太空觀測衛星觀測到的全天的微波背景圖揭露宇宙的年齡約 137 億年。

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1975 年,伽瑪射線天文學 —— 證實化學元素大多誕生於星球的內部
  早期的宇宙只有氫氣。星球內的融合反應將其融合成氦,但現在已知存在於自然界的元素已超過一百種,它們又是如何形成的?當星球即將告終時它會爆發成超新星,在這個巨大的爆發中,數以百萬計的核融合反應便產生出新的化學元素,爆發的力量會將它們散播在宇宙星際間。因為形成元素的許多核反應都會放射出伽瑪射線,天文學家能經由偵測的結果來分析該星球正在進行著何種核反應,建立星球核反應的獨特「指紋」資料。憑藉這種「指紋」的鑑別能顯現超新星新生的化學物質為何。1984年,一架觀測星球的伽瑪射線望遠鏡發現了逐漸衰變的鋁元素的獨特指紋。證實了該化學元素在此星球內形成。在偵測伽瑪射線的技術上,幾乎所有來自太空的伽瑪射線,都像紫外線和 X 光一樣被地球高層的大氣所吸收 ,因此,偵測它們所用的望遠鏡必須架設在吸收層上方的氣象氣球或人造衛星上。伽瑪射線觀測對於新近所發現的「活躍星系核」、「似星體」、「黑洞兩極噴流」等探究顯得特別的重要,例如在1993年,康普吞伽瑪射線太空觀測器發現「似星體」輻射出強烈的伽瑪射線。


伽瑪射線望遠鏡
  大氣層的遮蔽效應,直到 1961年Explorer-XI 衛星才首次偵測到來自外太空的伽瑪射線。1967 年OSO-3衛星首次偵測到來自星系的伽瑪射線。1972年的SAS-2衛星和1975-1982 年的COS-B 衛星的高能量觀測,促使1977 年NASA 決定建「康普吞觀測站(Compton Gamma-Ray Observatory,CGRO) 」1991 年升空。


伽瑪射線望遠鏡任務:探究
   伽瑪射線暴發現象 (Gamma-ray Bursts)、黑洞、中子星、超新星、未確知的星體、瀰漫輻射星雲、活躍星系核、似星體等。

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  康普吞觀測站(CGRO)  
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康普吞觀測站(CGRO)

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1977 年,紅外線天文學 ——— 星系雲氣中的照妖鏡
  星球是誕生於星雲中的氣體因逐漸凝聚而成熱且發光的球體,它們的大小、質量和溫度差異極大,不同大小的星球有不同的命運。質量約與太陽相當的小星球,一旦形成後,會持續燃燒約百億年,直到其燃料殆盡。接著,星球中心收縮,外層卻擴脹,而形成「紅巨星」。最後,外層物質飄走再度成為星雲,而星體中心則塌縮成為矮星。質量比太陽大了三倍以上的大星球,只要幾百萬年就會將融合燃料用完,然後在不到一秒中內,它們的內部就會塌縮,而外層爆發成超新星。這些稀有的爆發相當明亮,即使白天在地球上觀測也看得到。如果爆發之後,星球的中心仍然存在,它會收縮而形成一個小而密緻的中子星;或者,如果它質量夠大,就會形成一個黑洞。無論是新星形成、超新星爆發、黑洞吸吐雲氣,都和朦朧難以透視的星雲存在有著密不可分的關聯。


   星雲是由塵埃與氣體組成的巨大雲氣團,新的星球便是誕生於其中,超新星爆發又造就出另一團星雲,而矮星、中子星、或是黑洞正躲於當中。星雲因閃耀著明亮的顏色而成為宇宙中最美妙的事物之一。但它的微光卻遮掩了內部新生成的星球,或是矮星、中子星、黑洞在其中的作為。利用紅外線望遠鏡可看到星雲內部的狀況寫真。譬如星群的形成,新生成的星球溫度約為攝氏 200-500度,因熱而輻射出紅外光波,它的光芒可穿透周圍的冷雲氣團。在紅外線望遠鏡中,它是明亮而清楚的光點,而光學望遠鏡卻僅能看到雲氣團而已。又如,許多星系核心雲氣包圍中的黑洞正在進行大量的吸入雲氣和黑洞兩極的噴流,透過紅外線望遠鏡可一覽無遺地看到雲氣內部的黑洞的作為。在紅外輻射偵測技術上,從地球看紅外輻射可能很困難。因為大氣層和我們城市的暖氣會將來自太空微弱的熱輻射淹沒。紅外線望遠鏡必須設置於人跡罕至之地,如山頂或寒冷的太空。

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紅外光太空望遠鏡
  1980 年代,開始了太空時代的天文觀測,各式樣各個波段的太空望遠鏡即將上場。 首先是「 紅外光太空觀測衛星 (Infrared Astronomical Satellite,IRAS)」於 1983 年發射升空, 在升空的後的 10 個月內,IRAS 就已經審視全星空 96% 達 4 次以上,提供了波長在 12 微米 、 25 微米 、 60 微米和 100 微米等波段的觀測資料。 IRAS 將紅外光星體目錄中的 紅外光 星體大大提昇至 50 萬顆之多。在這些發現的紅外光源裡,涵蓋的還有圍繞在 織女星 旋轉盤面上的塵埃微粒、 6 顆彗星體、數個星系輻射出來非常強烈的紅外光輻射、並伴隨著許多束向各個方向參開的捲雲般紅外光暖塵埃,以及首次揭露我們 銀河系的核心 。
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  紅外光太空觀測衛星(IRAS)  
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紅外光太空觀測衛星(IRAS)

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歐洲的太空紅外光望遠鏡 (ISO)
  1995 年 11 月 歐洲太空總署 (The European Space Agency,ESA) 發射升空 「太空紅外光望遠鏡 (the Infrared Space Observatory,ISO)」,用以偵測位於 2.5 微米 至 240 微米 範圍的 紅外光 。 ISO 觀測的範圍涵括了 1983 年升空的 紅外光太空觀測衛星 (Infrared Astronomical Satellite,IRAS) 所能觀測到的所有波段,且因著 觀測技術的改進 , 其 靈敏度和圖像的解析度 遠勝於 IRAS 上千倍。 在 1998 年液態氦大量用於太空的觀測系統之前,運用 ISO 兩年半所觀測得到的資料,我們有了許多新的天文發現。
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  太空紅外光望遠鏡 (ISO)  
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太空紅外光望遠鏡 (ISO)
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Chandra 所攝得蟹狀星雲內中子星噴流以及恆星風的景觀

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SOHO 太空觀測站(the Solar and Heliospheric Observatory)
  歐洲南方天文台 (ESO) 和 美國 NASA合作進行 24 小時不中斷的太陽觀測,從太陽的深部至大氣層最外層日冕(corona) 和太陽風 (solar wind) 的觀測。已在 1995 年 12 月2 日昇空。


 

 

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