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波耳,上帝不擲骰子!
愛因斯坦,別指揮上帝應該怎麼做!
我想知道上帝如何創造世界,我對個別現象,個別元素的光譜等並沒有興趣,我只想明白上帝的意圖,其餘的都不過是細節而已。
愛因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955)
自然界的法則都只是近乎對稱是因為上帝不想我們妒忌上帝的完美!
理查德.費曼(Feynman Richard, 1918-1988)
上帝不單只和宇宙玩擲骰子遊戲,而且還把骰子擲到我們看不見的地方去!
史蒂芬.霍金(stephen hawing)
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- 哥白尼(Nicolaus Copernicus, 1473), 波蘭人
 - 24歲開始他的第一次天文觀測
- 以各種不同的方法分析行星的運動，很快地發現到，如果以太陽為中心， 將地球視為另一個繞著太陽的行星，則可以更簡單地分析與預測太陽系的行星運轉(日心學說)。
- 1512年建立了哥白尼理論：
太陽是在太陽系的中心，行星繞著太陽運行， 月球繞著地球運行，恆星是在無法測量的遠處。
- 1543出版了他的學說—On Revolutions。
- 第谷•布拉赫(Tycho Brahe, 1546-1601)
 - 出色的觀測者
- 出身於丹麥的貴族家庭，喜歡天文研究。
- 1576以後在丹麥王腓特立二世的資助下，在哥本哈根附近的赫芬島上修建一所大的天文台稱為觀天堡。 從1576∼1596的20年內，做了大量精確的觀測。
- 不是一位高明的理論家；因為宗教的緣故，及觀測不到日視差， 他不願意採取哥白尼的理論，他主張一種半日心半地心的混合體糸， 去解釋他的觀測。（行星繞者太陽；太陽再率領行星繞著地球。）
- 1599年離開觀天堡至布拉格，替迷信占星術的奧皇魯道夫二世觀測天文。
- 1601年去逝，臨死之前將畢生觀測資料贈給刻卜勒。 （刻卜勒是在1600才到布拉格擔任他的助手）
- 刻卜勒(Johanes Kepler, 1571-1630)
 - 主張哥白尼體糸
- 1596年著"The Harmony of the Sphere"， 天球諧合論試圖承襲畢達哥拉斯的理論，以內接正多面種來探討各行星軌導間的幾何關係。
- 根據第谷•布拉赫的觀測資料，仔細地計算分析， 認為火星的軌道不能是圓形的，而必須是橢圓的才能與數據資料符合。
- 建立刻卜勒三大定律：用以描述行星運動，而且可精確地預測行星的位置。
刻卜勒三大定律：
- 行星運行的軌道為橢圓，而太陽位於橢圓焦點之一。(1609)
- 行星與太陽的連線，在相同的時間內掃過相同的面積。(1609)
dA/dt = 常數。
- 軌道半長軸a 的三次方與週期p平方之比為常值。(1619)
a3/p2 = 常數。
- 伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)
 - 為重要的實驗物理學家。
- 在比薩斜塔研究自由落體實驗。
- 觀測物體運動情形，提出靜著恆靜，動者恆動的觀念。影響牛頓建立了力學系統
- 1610年經由望遠鏡發現了木星的四顆主要衛星 為哥白尼體系的一個強而有力的證據。
- 觀測到金星與水星的相位（盈虧）更支持日心理論(出版"三個哲學家的對話")。
- 望遠鏡的觀測結果提供更多更精確的觀測資料來驗證刻卜勒的運動定律。
- 牛頓(Isaac Newton, 1642-1727)
 - 偉大的物理學家
- 23∼25歲之間，發明微積分，力學三大運動定律，萬有引力定律， 並研究光的性質，發明反射式望遠鏡.......
- 牛頓的萬有引力定律：
宇宙中任何質點都互相吸引，引力的大小與兩者質量的乘積成正比，但與距離平方成反比。
- 牛頓運動定律：
- 物體所受的靜力為零時，動者恆動，靜者恆沿直線做等速運動。
- 每一作用在物體上的力，所產生的加速度其方向與與此力相同，但大小與物的質量成反比(F=ma)。
- 作用在物體上的每一個力，皆有其反作用。反作用力的大小與作用力相同，但方向相反。
- 愛因斯坦(Einstein, 1879-1955)
- 水星近日點的進動 43"/100yr
- 星光的偏折效應 1.75秒弧
- 重力紅位移效應
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2007 年 11 月 1 日 星期四  |
| 恆星的誕生 |
分類: 天文學(複製文章) |
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第七章 恆星的誕生 |
| 前言 |
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| 本銀河系約有二千億個恆星，而宇宙至少有1023個恆星。這些眾多的恆星，恆星的質量不盡相同，可能處在不同年齡與演化階段。天文學家根據觀測的結果，再加上理論的計算，構造出恆星演化的理論。恆星演化理論涵蓋：恆星的誕生(新生與嬰兒期)、主序帶恆星的演化(青年與壯年期)、後主序帶恆星的演化(老年期)、恆星的歸宿(死亡) 與化學元素的合成。
所以恆星並不是永恆的，他們與我們凡人相似，也有生老病死。本章的內容是有關恆星如何誕生、如何演化進入青年期(主序帶)。另一個重要的課題是，天文學家如何用上一章(星光的祕密) 所敘述的方法，來證驗恆星演化理論。 |
| 恆星的誕生 |
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簡單圖像：
巨大、低密度的冷星雲(分子雲)經由重 力塌縮，將位能轉變成熱能，當核心的溫度昇 高到可以觸發氫融合反應，恆星就誕生了，並 變成小而密度高的熱星。
- 恆星誕生的原料：星際物質
恆星的質量，大多在太陽質的十分之一到數十倍之 間。以太陽而言，其質量約是地球的三十三萬倍， 可見恆星有相當巨大的質量。能誕生恆星的巨大分 子雲，又是由幾近真空的星際物質，歷經亙古的時 間緩慢聚集而成。星際物質主要是由氫、氦、塵埃所組成。
- 恆星誕生的機制
但恆星誕生的故事並不是如此簡單，星際物質受重力的 吸引，慢慢的聚集在一起，同時溫度也漸漸昇高。溫度 愈高，原子與分子運動的速率也愈快，這種傾向抗衡了 重力塌縮的繼續進行，有時甚至可能把星雲打散。
由觀測的證據顯示，星雲不可能經由自發性的重力塌縮 ，而變成恆星。天文學家認為有四種不同的過程，具 有發揮臨門一腳效用，能觸發恆星的形成。
- 超新星爆炸產生的巨大震波 ，例： Cygnus Loop。
- O-B 型熱星放出巨大的輻射，恆星風推擠周圍的星際物 質使之成為物質密度較高的球殼，如 薔薇星雲(Rosette nebula)。
- 分子雲之間的踫撞。
- 在銀河系的漩渦臂。
- 恆星誕生的過程
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| 恆星誕生的觀測證據 |
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恆星誕生的觀測證據：
- 繭狀物(cocoon)
- 金牛座T 型星(T Tauri Stars)
以第一顆被發現金牛座變星T 命名，最初以為是年輕的變星，現在一般相信這類型星 ，是原恆星演化的最後階段，正在清除它們的繭狀物。
例如NGC 2264 中有許多低質量的T型星，實測的數據 顯示星團中，大質量的恆星己在主序星階段，而低質量恆星仍在T 型星階段。這個星團的年齡約僅有數百萬年，因為同星團內的恆星是由同團雲氣中產生，所以它們起步的時間相同，但恆星進人主序帶所需要的時間與其質量有關 ，一般質量愈大的星，愈快進入主序帶，實測的結果與理論相合。
- 雙極流(bipolar flow)
當氣體掉入恆星的吸積盤面時，會拉曳著磁場，進而在旋轉軸的兩端產生噴流，而噴流與周圍雲氣相撞，產生光度閃爍不定的Herbig-Haro 星體。
由哈伯太空望遠鏡的觀測發現，在獵戶座大星雲中的七百多顆新恆星，近半數有吸積盤 的存在。現在的一般的臆測是，這些吸積盤假以時日，有可能會形成行星。如果這種說法是正確的，行星在宇宙中，可能到處皆是。由最近一系列的觀測發現，如吸積盤、外太陽系行星 與火星微生物 等，使我們對外太陽系智慧生物，存在與否的問題有了無窮的想像空間。
- Herbig-Haro 星體
原恆星演化過程所產生的雙極流，高速衝入周圍的雲氣，並激發雲氣中的物質放出電磁輻射，成為為亮度不規則變化的小星雲。這類光度閃爍不定的小星雲，常稱為Herbig-Haro 星體(H-H objects)，所發出的輻射大都在可見光、紅外線與無線電波段。 |
| 星光的來源 |
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- 恆星的能源
太空中的雲氣經由重力塌縮，將重力位能轉變成動能， 動能的增加使得雲氣的溫度昇高。當溫度昇高到107 K時， 便使得雲氣中的氫開始產生核融合，釋放出能量。
氫核融合過程有二種：
- 質子－質子鏈(p-p chain)
- 碳氮氧循環(CNO cycle)
兩種核融合過程都是將四個氫核融合成一個氦，並釋放出能量。主序星用那一種氫融合過程產生能量，和它的核心的溫度有密切的關聯。據 太陽標準模型 ，太陽核心的溫度約為一千五百萬度，理論計算顯示，太陽高於百分之九十的能量可能是經由質子－質子鏈產生，而少於百分之十是來自碳氮氧循環(參見質子－質子鏈與碳氮氧循環與溫度的關係圖)。但大質量恆星，能量產生的途徑是以碳氮氧循環為主。
不管恆星循何種路徑來產生能量，四個氫的質量總和大於一個氦，也就是說，四個氫核融合成一個氦，會損失了部份的質量。如果我們用Δm 來代表所損失的能量，由愛因斯坦的質能公式(mass-energy relation)告訴我們
ΔE = Δm C2
也就是〝損失的質量轉變成能量的釋出〞。
例：一公克的氫經由核融合大約可產生多大的能量?
我們知道在一次的氫融合中 會消耗
4個氫核(m4H ＝6.693*10-27 kg)
產生
1個氦核(mHe＝6.645*10-27 kg)
也就是在氫融合的過程中質量減少Δm = 0.048*10-27 kg，
所以一次的氫融合所釋出的能量
ΔE ＝Δm C2
= (0.048*10-27 kg)*(3*108 m/sec)2 ＝0.43*10-11 J ＝1*10-12 cal
一公克的氫約有6*1023個氫核，每一次氫核融合用掉4個氫核產生1*10-12 cal的能量， 所以1公克的氫在核融合過程中可產生
(6.02*1023/4)(1*10-12 = 1.5 * 1011 cal
每一公克的水從0℃增高到100℃的沸水需要100 cal， 所以1公克的氫在核融合的過程中所產生的能量可將1500公噸的水煮沸！
- 恆星內部能量的傳輸
恆星內部所產生的能量如何傳到表面？
以我們的太陽為例，百分之九十九的能量在核心 產生，而且所產生的能量，大部份以高能珈瑪射線(註：電磁輻射常又稱為光子) 與微中子釋出。微中子極少與物質發生作用，立即飛離太陽。太陽內部的物質密度很高，光子平均每走1公分就與物質粒子碰撞一次。由核心以"光"的形式向外傳遞的能量，大約需經過一百萬年的掙扎與反覆的改頭換面，才能扺達太陽表面。 |
| 恆星是如何維持穩定? |
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恆星的穩定是依賴流體靜態平衡(Hydrostatic Equilibrium) —重力壓與輻射壓在星球的內部是保持平衡的，來維持穩定。 從流體靜態平衡，我們可暸解星球的內部，因不同的深度有不同的重力， 所以在星球的內部不同的深度必需有不同的溫度， 才能產生相對應的輻射壓與重力相抗衡。 |
| 恆星的理論模型與恆星內部的結構 |
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- 恆星的理論模型
利用電腦對恆星作模擬 ，來計算與推測恆星的內部物質分佈、溫度分佈、光度分佈、能量向外傳輸方式…，所得到的恆星理論模型。恆星理論計算把恆星分成許多具有相同厚度的同心球穀，並以四個基本假設為計算的基礎：
- 流體靜態平衡
星球內部每一層所受的重力壓與輻射壓都會達成平衡。
- 能量傳遞的方式
能量由高溫區傳蝸低溫區，是以輻射，對流或傳導等三種方式進行。
- 物質連續性
恆星的質量是所有球穀質量的總和。
- 能量連續性
任一個球穀上方的能量，等於由絿穀下方傳來的能量 ，加上在這一球穀所產生的能量，此恆星所輻射的能 量為每一殼層所產生能量的總和。
恆星模型的預測，須與實際的觀測相吻合，否則必須調整恆星模型的參數，再進行計算與預測並與實驗數據比較。
恆星的理論模型告訴我們主序星的質量不能小於0.08 太陽質量，也不能大於100 太陽質量。因為小於0.08 太陽質量的星體，無法產生氫核融合，也就是無法形成主序星，這類"死胎的恆星" 稱為棕矮星(brown dwarf) ；大於100 太陽質量的星體，核融合反應非常激烈，會造成星體不穩定，而分裂成數個質量較小的恆星。現在的天文觀測的證據顯示，恆星的質量大致在十分之一至數十個太陽質量之間。
- 恆星的內部結構
我們利用可觀測量，如光度、大小、表面溫度…，來對描述恆星。但恆星的內部結構 ，則須靠理論模型來推測。一般而言，恆星的內部可分成核心、對流層與輻射層等三部份。據理論模型，恆星的內部結構與其內部的溫度有關。而恆星的溫度又取決於其質量，所以恆星的內部結構與其質量有關。 |
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