Transcript 第9章--宇宙學簡介

Ch9 宇宙學簡介
§9-1 星體的觀測與哈伯定律
§11-2 宇宙的起源
§9-1 星體觀測與哈伯定律
一、宇宙的組織與層級
1) 宇宙的成員有衛星、行星、
小行星、彗星、恆星等星
體，進而組成星團、星系、
星系團。
2) 宇宙的層級如右圖所示。
二、天文觀測的距離單位
1. 天文單位（AU）：地球繞太陽公轉的軌道平均半徑
1 AU = 1.50 x 108 km
2. 光年（ly）：光在真空中一年所走的直線距離
1 ly = 9.461 x 1012 km
3. 秒差距（pc）：以長度為 1AU 的圓弧所對應的圓心角
為 1 秒，則圓弧的半徑定義為 1 秒差距。
1 pc = 3.26 ly
三、星光的紅移
1. 我們分析恆星的光譜，可以推論出組成恆星的元素。
2. 由於都卜勒效應，光譜線的位置會因恆星的運動而偏移：
光源逼近時，頻率會變高，稱為藍移；遠離則頻率變低，
稱為紅移。從偏移的程度，我們可以推算光源相對於我們
的速度。
3. 二十世紀初，天文學家發現星系的光譜大多呈現紅移。也
就是說，大部分的星系似乎正在遠離我們。
4. 上圖為太陽的吸收譜，下圖為某星系群的光譜。由光譜
線的紅移可以推知該星系正在遠離我們，遠離的速度約
高達每秒 2 萬 1 千公里。
四、哈伯定律
1. 哈伯（Edwin Hubble，1889～1953，美國人）進一步發
現，光譜紅移的程度與地球和星系的距離成正比。
2. 因為紅移的程度愈大代表光源離開我們的速率愈大，於
是他在 1929 年發表了著名的「哈伯定律」：星系遠離
地球的速度 v 與地球和星系的距離 d 成正比。
v  Hd
3. 上式中的比例常數 H 稱為哈伯常數，其精確值尚無定論，
但範圍大致為每多遠離 100 萬光年，星系遠離的速率會
增加 15～30 公里/秒（目前普遍被接受的值為
H＝
22 公里/秒．百萬光年）。
4. 依據哈伯定律，所有的星系正在互相遠離，顯示整個宇宙
正在不停的膨脹。
5. 由於許多星系都在遠離我們，這造成了我們是宇宙中心的
錯覺，但事實並非如此。如下頁圖所示，如果把宇宙想像
成氣球的表面，上頭分布著星系。則當氣球膨脹時，每個
星系都會發現其他星系正在遠離自己。而且愈遠的星系，
遠離的速度愈快，就如哈伯定律所說的一樣。所以其他星
系上的觀測者，同樣也會發現距離愈遠的 星系，飛離的
速率愈快。所以，銀河系在宇 宙中的地位，並沒有比其
他星系來得特別。
例題：天文學家使用各種波段的望遠鏡進行天文觀測，例如：
可見光望遠鏡、無線電波望遠鏡、紅外線望遠鏡……等。有
些望遠鏡安置在環繞地球的軌道中，有些望遠鏡則安置在地
面上。下列哪一選項中的望遠鏡，一定要安置在太空中運作？
【96.學測】 (A)可見
光望遠鏡、紅外線望遠鏡 (B)無線電波望遠鏡、X光望遠鏡
(C)紅外線望遠鏡、γ射線望遠鏡 (D) X光望遠鏡、γ射線望遠
鏡 (E)無線電波望遠鏡、紫外線望遠鏡
答案：D
星光中的可見光、無線電波，可穿透大氣層直抵地表，
另外，在高海拔處可接收到微弱的紅外線，而其他波段
的電磁波，必須在太空中才觀測得到。
§9-2 宇宙的起源
一、大霹靂
1. 哈伯的發現讓我們知道宇宙可能正在膨脹，反過來說，
以前星系之間的距離應該比現在的距離要短。時間愈往
回拉，星系之間的距離就愈小，則在很久以前應該有一
個時間點，宇宙中的星系應該都聚集在一起。
2. 1930 年，天文學家加莫夫（George Gamow，1904～
1968，俄裔美國人）提出大霹靂理論（bigbang
theory），認為宇宙起源於一個炙熱的火球，在某個時
刻發生爆炸，產生膨脹一直到現在。這個理論現在已廣
泛的被科學家所接受，成為解釋宇宙起源的標準學說。
我們可以用哈伯常數粗略的估計大霹靂發生的時間。由於星
系每多遠離 100 萬光年，後退的速率約會增加 22 公里/秒。
所以如果這個膨脹的速率始終沒變的話，現在距離 100 萬光
年的兩個點，在約 137 億年前應該會重合在一起。相對的，
地球的年齡約為 45 億年，如下頁圖所示。
二、宇宙微波背景輻射
1. 1946 年，加莫夫和他的學生進一步依據理論推導，估計
大霹靂幾分鐘之後宇宙的溫度約為 10 億度，隨著宇宙膨
脹，溫度逐漸下降，形成了現在的星系等天體。他們並預
測這個殘留的熱輻射如今已經降到 5K 左右的低溫，而且
應該充斥於宇宙各處，被稱為宇宙背景輻射。
※註：現在我們知道，真正的溫度應為 3K 左右。
2. 1964 年，潘則斯（Arno Penzias，1933～，美國人）與
威爾森（RobertWoodrowWilson，1936～，美國人）意
外的從天線接收到瀰漫於天空各處，很微弱的背景雜訊，
後來發現這個雜訊正是大霹靂後殘留的背景輻射。
3. 美國在1989 年發射宇宙背景輻射探測者（Cosmic
Background Explorer，簡稱為 COBE）人造衛星，對宇
宙背景輻射作了完整的觀測，所獲得觀測數據與 2.735K
的黑體輻射曲線幾乎完全重合，如下頁圖 (a) 所示。
4. 微波背景輻射在天球上的溫度分布極為均勻，上下起伏
僅約千分之一度而已。這個重要的發現是支持大霹靂最
有力的證據之一。
例題：若哈伯定律可適用於大霹靂學說，並假設宇宙的膨脹
速率一定，試用哈伯定律粗略的估計爆炸發生的時間距今至
少約幾年（設哈伯常數 H＝ 22 公里∕秒．百萬光年＝22 × 106 公里∕秒．光年）？
答案：1.37 x 1010 年
THE END