“哈伯”如何照出天下第一張銀河星系圖?

How Hubble Imaged the Galaxies?   信堅 10/15/2013

幾千年來,人類只能以肉眼仰望星空,看到繁星點點。直到二十世紀初期,天文學家以強大的天文望遠鏡,巨大的鏡頭,仍然只能觀測星團的糢糊影像,及像是會發光的  星雲。
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望遠鏡最基本的目的是集光,因為人眼睛所能看到的光度有限;望遠鏡另一個目的是清晰度及分解力,所以它除了集光之外,還要有高度的分辨力 (resolving power)。因此,在這兩個基本條件之下,要增加望遠鏡的集光力及清晰度,唯一可行的辦法就是製造更大的鏡片。但是,隨著製造大鏡片所發生的困難是它的重量,大又重的鏡片需要更堅固的架子及轉動器材。另一個主要限制是,由於地球的自轉,對影片爆光的時間就有自然的限制。

工欲善其事,必先利其器。偉大的發現,須要有適當的測量工具,都起源於一個簡單的概念。哈伯的偉大發明,也是起源於一個簡單的概念: 既然地球的自轉,對影片爆光的時間起了自然的限制。為什麼我們要固定天文望遠鏡呢? 為什麼我們不能隨順自然,依地球的自轉的速度,而轉動望遠鏡觀測的角度,增加影片爆光的時間呢?
依此概念設計天文台,哈伯成為有史以來,第一個照出我們現在所熟知的銀河星系圖。(說實話,哈伯也是狗運亨通,生逢其時。望遠鏡的鏡片剛好夠大,加上爆光時間的增長,陰錯陽差的就照出了銀河星系圖)。

同時,也繼續觀照其他星系。他發現,天上的星系(galaxies),跟星星一樣多,數之不盡。因而更新了人類對宇宙的認識,奠定了宇宙是由星系所組成的基礎。為後來一切觀測宇宙的準則。哈伯的成就,可謂 “一分靈感,九十九分努力”。  [信堅註: 所有介紹哈伯文章,大都只提及他對星系學的偉大貢獻,但鮮有人提及,他的偉大貢獻,是基於此觀測概念。]

這課題的啟示是念物理、觀天文,不要默守成規、死背定律與鑽研深奧理論。人人都可成為偉大的科學家,偉大的發現,都起源於一個簡單的概念。只要問對了問題,就有解答。問題跟答案是一體的兩面 (two sides of the same coin)。找不到答案是你不夠聰明,缺少智慧,要多修心養性,靈性提昇了,智慧自然增長。

一、古代天文學
天文學(Astronomy),是觀察和研究宇宙間天體的學科,它研究天體的分佈、運動、位置、狀態、結構、組成、性質及起源和演化。天文學的實驗方法是觀測,通過觀測來收集天體的各種信息。因而對觀測方法和觀測手段的研究,是天文學家努力研究的一個方向。

介紹此文,要從遠古說起。幾千年前的人類老祖宗,與天地合而為一。觀天象以定四時,節氣,方位,以及恆星、行星的天體運行。古人用肉眼,夜觀星象,所看到的是一顆顆閃爍的恆星。漸漸發覺這些恆星相對位置常不移動,但隨季節在空中隨北極星轉動(如北斗七星的斗頭,常指向北極星。並以斗柄在天上辨方定位。也由北斗七星在天空中的位置,劃出了二十四個節氣循環。古人就根據它的位置變化來確定季節:“斗柄東指,天下皆春;斗柄南指,天下皆夏;斗柄西指,天下皆秋;斗柄北指,天下皆冬。”
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同時,為易於辨認恆星團,而有星座命名。星座是指天上一群群的恆星組合。自從古代以來,人類便把三五成群的恆星與他們神話中的人物或器具聯繫起來,稱之為「星座」。星座實際上是從地球上看到的恆星在天球上的投影。
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二、天文望遠鏡的發明
但人類肉眼所見有限。較小的恆星很難辨認。有些星雲,看來只是一片微光。遠在十三世紀,培根(Bacon)首次利用幾片鏡片組成有放大作用的器材,但是很少人知道他的發明。1608年,荷蘭有一個製眼鏡的人名叫利蒲夕(Lippershey),正式製成第一架望遠鏡;次年,伽利略聽說利蒲夕的望遠鏡,也自製了一個有三倍放大的望遠鏡。

伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)於1603年製造一架口徑4.4公分、長1.2公尺能放大33倍的天文望遠鏡,才有重大突破。伽利略是第一位用望遠鏡觀測天體的天文學家,使天文學進入望遠鏡時代。但天文望遠鏡放大率有限,對於觀測太陽系行星的運行,很有助益。透過望遠鏡,伽利略發現了銀河由許多恆星組成、行星盈虧 (phase change) 和木星的四顆大衛星、月球表面坑洞、太陽黑子 (sun spots)、,以及大熊星座的雙星。但對較遠的恆星,仍無法仔細看到其結構。

19世紀,天體攝影和分光技術的發明,使天文學家可以研究天體的運動狀態、物理性質、化學組成和演化規律,更深入到問題本質,天體物理學從此誕生,又是天文學歷史的一大飛躍。

三、近代天文台與望遠鏡的發展
隨著人類的對於星象瞭解的欲求,望遠鏡越造鏡頭越大,放大率越高,因而演變成天文台的設立。望遠鏡從古典式的折射鏡到傳統式的反射鏡,而進入二十世紀具有幻想性與創造性的望遠鏡;天文觀測除了建造更大的望遠鏡及天文台之外,並能運用電子儀器來增加集光的效果。觀測宇宙是沒有止境的。天文學家不但一方面要繼續地觀測,一方面也要不斷地建造更大的天文台及望遠鏡。

在二十世紀一開始的時候,人類對於宇宙的了解仍大部限制在太陽系中,對於太陽系在本銀河系中的位置,也只是在剛開始了解的階段。1924年,由於觀測星體的運行、星團分布的情形,夏普萊(Shapley)才開始了解,太陽系也不過是本銀河系中的一個小系統,而且距離本銀河中心 尚有三萬光年。

隨後,威爾遜(Mount Wilson)山的100吋(2.5公尺)望遠鏡建造完成,赫伯(Erwin P. Hubble)繼續觀測其他銀河系的構造與運動,人類才更進一步深入了解宇宙。除了本銀河之外,宇宙中尚有成千成萬的銀河系,它們不停地旋轉運行,但是宇宙究竟有多大呢?100吋望遠鏡已經不能勝任,因此要想觀測宇宙中更遠的地方,天文學家就需要更大的望遠鏡。

赫伯說:由於距離的增加,我們對於宇宙的了解更是模糊不清,最後我們到達宇宙那暗淡的邊緣─望遠鏡所能看到的地方。在那裡,我們測量陰影,在誤差中搜索,追尋那可能不存在的標界。此搜尋不會停止,直到我們的技術與財源用盡為止。

自伽氏使用望遠鏡以來,至今已約有四百年的歷史,望遠鏡的口徑雖增加數百倍,但其基本構造原理卻沒有多少改變。望遠鏡最基本的目的是集光,因為人眼睛所能看到的光度有限;望遠鏡另一個目的是清晰度及分解力,所以它除了集光之外,還要有高度的分辨力 (resolving power)。因此,在這兩個基本條件之下,要增加望遠鏡的集光力及清晰度,唯一可行的辦法就是製造更大的鏡片(mirror)。但是,隨著製造大鏡片所發生的困難是它的重量,簡單的說,大又重的鏡片就需要更堅固的架子及轉動器材,因此製造成本也隨著增加。

四、哈伯的偉大發明
在二十世紀初期,天文學家以強大的天文望遠鏡,仍然只能觀測星團的糢糊影像,及像是會發光的星雲。其主要的限制在於星光集中的強度,及影片爆光的時間長短。由於地球的自轉,對影片爆光的時間就有自然的限制。
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工欲善其事,必先利其器。偉大的發現,須要有適當的測量工具。偉大的發現,都起源於一個簡單的概念。

哈伯的偉大發明,起源於一個簡單的概念。既然地球的自轉,對影片爆光的時間起了自然的限制。為什麼我們要固定天文望遠鏡? 為什麼我們不能隨順自然,依地球的自轉的速度,而轉動望遠鏡觀測的角度,增加影片爆光的時間呢?

依此觀念設計,哈伯第一個照出我們現在所熟知的銀河星系圖。同時,也繼續觀照其他星系。他發現,天上的星系,跟星星一樣多,數之不盡。因而更新了人類對宇宙的認識,奠定了宇宙是由星系所組成的基礎。為後來一切觀測宇宙的準則。

五、哈伯對星系天文學的貢獻
哈伯於1925年,在洛杉磯附近的威爾遜天文台,首先照出了我們現在所熟知的銀河星系照片。二十世紀最偉大的天文學家,愛德溫•鮑威爾•哈伯(Edwin P. Hubble,1889-1953),是公認的星系天文學創始人和觀測宇宙學的開拓者。並被天文學界尊稱為星系天文學之父。哈伯证实了银河系外其他星系的存在,發現河外星系的紅移 (Redshift) 與距離的關係(見註一),即哈伯定律。 哈勃定律(Hubble’s law)表明,來自遙遠星系光譜的紅移,與它們的距離成正比。在宇宙學的研究中,哈柏定律成為宇宙膨胀理论(大爆炸理論,Big Bang) 的基礎,以方程式表示 v = H0D;其中, v是由紅移現象測得的星系遠離速率,H0 是哈柏常數,D是星系與觀察者之間的距離。

[註一: 我們都相當熟悉 “都卜勒效應 (Doppler Effect)”,它普通應用在聲波 (acoustic waves) 。當聲波的來源和觀察者有發生相對運動時,觀察者接受到聲波的頻率(frequency) 與波源發出的頻率會增高或減少。譬如,遠方急駛過來的火車鳴笛聲變得尖細(即頻率變高,波長變短),而離我們而去的火車鳴笛聲變得低沉(即頻率變低,波長(wavelength)變長),這就是都卜勒效應的現象。紅移 (Redshift) 是同一現象應用在光波。當星系離我們而去時,觀測者觀察到的電磁波光譜會發生紅移 (即頻率會減低,向紅色光譜方向移動)。]

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台南一中、台大物理、 哈佛博士。曾任教授、科學家、工程師。專長: 吹牛、高能物理、太空物理,地球物理,人造衛星設計、測試、發射、資料回收及科學應用。略涉: 武俠、太極、瑜珈、導引、氣功、經脈、論語、易經、老莊、一乘佛經、禪經、靈界實相、Hawkins、Seth。

5 thoughts on ““哈伯”如何照出天下第一張銀河星系圖?

    • 多謝指教。人人都可成為偉大的科學家,只要腦筋一轉,觀念一變,無事不成。教導後進,不是解說深奧道理,而是順應自然,靈活運用。一個簡單的觀念,可以改變歷史,永垂不朽。 與妳共勉之。

  1. 老兄!真是上知天文,下知地理,學問淵博!
    中庸云:天地之道,可一言而盡也:其為物不貳,則其生物不測。

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