宇宙论及哈伯定律.docVIP

PAGE PAGE 8 2001年辛巳紀暑假天文營（進階中學營） PAGE 宇宙論與哈伯定律 盧招如 台北縣新莊國中教師 很久很久以前，人類已開始對頂上的這片天穹，有著無盡的寄情。但是他們使用的是自備型望遠鏡─靈魂之窗眼睛－來看天，所以留下各種天象的記錄遺跡，和一些論天的神話流傳至今，讓我們敘說回味。 星空為何暗夜呢？ 1826年時，68歲的德國醫生暨天文學家奧伯斯（Oblers Heinrich），在研究宇宙結構時發現，若以牛頓的宇宙觀來看整個宇宙，會有一個問題出現──宇宙恆星眾多，星光閃爍不停，就算是星際物質的阻擋吸光，也可以將能量再釋放出來的。如此一來，為什麼晚上的天空還是黑暗的呢？至少應該和白天一樣亮才是，這就是有名的奧伯斯佯謬。現在，它已經可以用宇宙膨脹理論來解釋這個現象了。 開拓宇宙的星雲水手 20世紀初，天文學界正在進行一場世紀大爭論：「銀河是否就是整個宇宙」、「星雲究竟是銀河內的星際物質，還是系外的另一個巨大恆星集團」，而後又有宇宙到底是「靜態宇宙」或「動態宇宙」之爭？ 這個難題，後來被一位放棄律師職位、全身投入天文學領域的美國天文學家哈伯（E.P.Hubble）所平息。他恰逢大型的精密望遠鏡建造完成，和測量更遠距離天體的技術適時出現，再加上他的積極觀測，於是造就了他在天文方面的終身成就。 其實早在1912年時，史萊佛（Vesto Molvin Slipher）在觀測星雲時，就已發現星雲或星系的光譜有紅移現象，似乎都在遠離我們，可惜當時沒有宇宙距離量度的好方法。直到1923年，威爾遜天文台啟用的100吋望遠鏡，擁有非常高的解析度，哈伯藉由它拍攝到不錯的星雲照片，再利用造父變星的光度測距法，算出了仙女座大星系的距離有90萬光年（後已修正為230萬光年），我們的銀河並非整個宇宙，終於獲得了解答。 （圖一）哈伯常數圖 1929年，哈伯將自己及其他天文學家所測得的24個星系光譜，和它們的距離等資料計算分析，發現這些系外的星系光譜線中，有偏向長波長的紅端位移，這就是紅移現象；且星系離的愈遠，紅移量就愈大。於是根據都卜勒效應（V=C×Δλ/λ），譜線的紅移量愈大，就是星系的遠離速度也愈快。他最後找出星系遠離我們的速度V和星系的距離D成比例關係，就是所謂的哈伯宇宙膨脹定律： V＝H×D，H為哈伯常數，取其倒數就是時間。所以，哈伯發現星系遠離速度與距離的共同關係，是我們估算宇宙年齡的主要方法。 雖然，當時的哈伯常數值，求得的宇宙年齡為20億年，和地質方面所定的地球年齡有很大的差距（比地質方面小），天文物理學家仍欣然地解釋哈伯定律為宇宙膨脹的證據，宇宙中星系間的距離隨著時間而愈來愈遠，就好像是膨脹麵包中的葡萄乾。數十年後，宇宙年齡終於有了最完美的解決，約100~200億年左右。於是，俄國天文學家迦莫夫就依據哈伯的宇宙膨脹理論，提出「宇宙大霹歷」的模型，做一個前後的呼應。 所以各位看倌就在你閱讀此段文章時，宇宙裡的千萬個星系，正以極高的速度在遠離我們，宇宙也正在高速膨脹。而我們雖然形體渺小，追求真實的宇宙現象之心仍無遠弗屆呀！ 實驗操作活動 【器材】 以㎜為單位的刻度尺一支 方格紙一張 筆 工程用計算機一台 電腦設備 【說明】 本實驗是模擬在高山的山頂上，讓你控制一架安裝有電視攝影器及分光計的大型光學望遠鏡，搜尋觀測太空的星系團中幾個星系，測得它們的速度與距離。從這些資料你可以畫出速度與距離的關係圖。 如何使用這個設備？ 裝有電視的望遠鏡，可以使你看到星系，且掌控望遠鏡，使星系光線集中－光的強度及波長。當收集足夠時，你就能看到顯著的光譜線（鈣離子的H＆K線），並且你也可以利用電腦上游標，得到它們的波長。因為星系在遠離，所以這個波長比實驗室內不動物體的波長還長（397.0毫埃和393.3毫埃）。從分光計所接收到星系光子的速率，還可以用來決定星系的視星等。所以對每一個星系，你可以記錄到它們的H＆K線波長和視星等。 從上面的資料蒐集，你可以利用都卜勒公式計算她們的速度，距離則藉由比較她們已知的絕對星等（典型星系假設是-22）和視星等，於是就得到每個星系的速度（㎞/sec）與距離（MPc）之結果。在觀測的星系團中，選擇與銀河系不同距離的星系，讓你有適當的範圍來看出哈伯首先決定的那一條直線，直線的斜率即是哈伯常數值H0，由它來決定宇宙的膨脹速率。既然你有哈伯常數，將它取倒數後，就可得到宇宙年齡。 【使用步驟】 打開哈伯紅移程式。點選登錄，輸入學生名字和實驗桌號碼，點選「OK」。 標題螢幕出現。在明細單上，只能選擇「開始」或「離開」，點選「開始」。 執行後螢幕顯示就像是在天文台的暖房中，電腦的控制面板