中正讲座八期中报告.docx
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中正讲座八期中报告
中正講座(八)期中報告
主題:
多波段觀測下的宇宙面貌
ALookoftheUniverseinMulti-Wavelengths
演講者:
孫維新教授
組別:
第二十小組
小組長:
陳昀婕
組員:
錢妍坊、瞿發敏、尹可雲、鄭雯軒、凌牧傑、黃鈺傑
目錄
1、前言
2、演講者介紹
3、演講內容大綱
4、相關補充資料
5、結論及感想
1、前言
本次報告是以台灣大學天文所孫維新教授所演講之題目─多波段觀測下的宇宙面貌為主題。
本小組挑選此題目是因孫教授生動活潑的演講而感興趣,認為宇宙大自然的事物,相當多變化不可測這就是大自然吸引人的地方。
還記得孫教授是以『敬畏大自然』做為演講的結束,人們一步一步侵奪大自然,而近幾年,也明顯看到異常的氣候現象正顯現出來,所以,這句話始終是有他的道理。
本報告先以前言做本報告之簡要介紹,接著介紹孫維新教授之背景資料,其次再節錄孫教授演講之精華,做簡單之介紹,其後,是為關於天文相關資料之補充,最後,以演講結論及本次演講之心得做為報告之結束。
2、
演講者背景資料
(一)於國立中央大學開設「認識星空」通識課程,以遠距方式進行教學,上下學期共約有14-15所大專院校修習該課程,每年修課學生人數超過千人以上,對國內各大學學生認識天文科學及瞭解天文新知有明顯貢獻,並獲得本校2003年教學傑出獎;
(二)於屏東海洋生物博物館建立「中央大學墾丁天文台」,對國內大學及高中生提供尖端天文觀測研習課程,並安排社會大眾進行科學普及推廣參訪活動,設立五年來,已舉辦過二百餘場活動,影響人數超過三千人;
(三)撰寫科普書籍「孫維新談天」,獲行政院新聞局金鼎獎,及吳大猷科普獎金籤獎;製作「航向宇宙深處」天文科學影片,獲金帶獎及金鐘獎;並於漢聲電台及NEWS98電台長期主講天文科學,對社會大眾之科普教育不遺餘力;
(四)(2005)接受教育部與國科會委託,在中華民國物理學會策劃之「2005世界物理年」活動架構下,規劃完成「2005年科學季—探索物理博覽會」活動,於94年7月1日在北中南三地同步舉行,由總統揭幕。
整體活動時間長達二至三個月,以活潑的演示教學方式介紹物理科學,規劃展品超過一百餘項,由國內外物理學界及科學教育公司等單位製作,內容涵蓋物理各大領域,兼具科學性與趣味性,對各級學校師生及一般民眾介紹物理,同時鼓勵國內大學教授在演示教學之領域中進行研發,獲得廣大及深遠迴響,對整體提昇台灣物理科學的教育內涵有明確貢獻。
孫教授不但提昇了國內各級學校學生及一般大眾對天文及物理科學的瞭解,並為中央大學在國內自然科學方面的卓越教學作了良好宣傳,因此獲頒2005年度國立中央大學「特別貢獻獎」。
教學和研究領域有
1.活躍星系核與類星體
2.星系演化與恆星形成
3.鹿林山星際物質發射線巡天計畫
4.墾丁天文台教育訓練計畫
5.青藏高原天文台科研及教育計畫
3、演講內容大綱
1、意義:
人類所熟悉知可見光僅能予與人類部分事實,所得的資訊也僅只片段。
隨著人類科技發展,得以由多種不同波段之儀器進行觀測,藉以認知更多異於以往的巨觀科學。
2、從伽利略到愛因斯坦
伽利略以望遠鏡觀測天文1609(2009天文物理四百週年)
虎克倍率放大
愛因斯坦1905(奇蹟年2005世界物理年)
19053月「光量子」理論
《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》
19054月液體中的擴散速度來計算糖分子的大小
《根據分子運動論研究靜止液體中懸浮微粒的運動》
19055月布朗運動
19056月狹義相對論基本原理(「光速不變」&「相對性原理」)
《關於運動物體的電動力學》
19059月E=mc²
《物體慣性與其所含能量有關嗎?
》
愛因斯坦之後人類科技長足發展,得以藉由非可見光觀察物理變動。
3、光譜
•電磁光譜包含六大譜區(γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波)
•可見光位於400至700納米的範圍
•恆星、星系,和其他許多宇宙天體在各個波段都會發出輻射
•我們要研究這些天體的本質,就必須要在各個波段都能夠進行觀察
•以太陽為例,主要輻射位在可見光
4、隱身術
以兩面鏡子的90度反射作用,使人產生機關中的人下半身不見了的錯覺。
傳統僅以人類可見光做為觀測主要方式,容易流於因資訊不足,而對事實產生誤判、誤解的情況。
5、多波段天文觀測
各波段的物理意義及發射機制:
X-射線(X-ray):
極高溫氣體、高能天体
紫外線(UV):
高溫恆星(OB恆星、白矮星)
可見光(Visible):
正常恆星
近紅外(Near-IR):
低溫恆星、高溫灰塵
遠紅外(Far-IR):
低溫灰塵
以土星為例:
紫外線可見光紅外線
可見光無線電波
1.以可見光觀測:
2009年,土星環消失,測對著太陽或地球
2.但以其他波段觀測:
可測得土星環
以天狼星和其伴星(一個白矮星)為例:
1.X-ray
(1)大星:
天狼星之伴星(白矮星)
(2)小星:
天狼星
(3)X-ray表示能量大小,大者表示能量愈大,反之亦然。
2.可見光影像
(1)大星:
天狼星
(2)小星:
天狼星的伴星(白矮星)
(3)以可見光之波段而觀,則以發光表面積大小而定。
以超新星觀測為例:
•大質量恆星爆炸,碎片四散,形成「超新星遺骸」(SupernovaRemnants,SNRs)
•超新星1987A,於24/02/87出現在大麥哲倫星系(LargeMagellanicCloud,LMC)
•SN1987A的多波段觀測
•SNR(IC443)及Kepler_comp_lg.mov的多波段觀測
中國超新星(即現今的「蟹狀星雲」)(CrabNebula)中心的「脈衝星」
6、多波段觀測的特色
•研究天體在各個波段的輻射分佈,對這個天體的物理機制才能有整體的瞭解。
•可以穿透吸收物質,看得更深更遠(ex.銀河中心的電波觀測)
•在瞬變天體的輻射能量迅速轉換的過程中,可以經由多波段同步觀測,送出警訊,獲得不同波段的天體影像(ex.GRB的國際聯測)
•
7、多波段同步觀測的成功計畫
•γ-爆(Gamma-RayBursts)的國際聯測
(γ-raysandoptical)
•活躍星系核(AGN)的國際聯測
(紫外、可見光、紅外)
8、多波段觀測的望遠鏡
•γ-rays:
CGRO,SWIFT,GLAST
•X-rays:
Chandra,ROSAT
•UV:
IUE,GALEX
•Optical:
HSTandground-basedtelescopes
•IR:
IRAS,ISO,Sptizer
•Radio:
VLA,VLBI,
9、台灣光學天文台
台灣鹿林前山光學天文台
10、
相關補充資料
多波段天文望遠鏡
1.陣列式的望遠鏡
為了提高射電望遠鏡的解析力除了加大口徑之外,便是由多台同步觀測,這便稱為陣列.它的原理是利用干涉原理使若干台望遠鏡總和起來的結果和一個特大號的望遠鏡觀測結果差不多.這些接收器通常排成倒Y字型,也就是說大約把一個大圓分成三等分用以減少誤差.但這種方法也有一些缺點像:
視野之中的亮度便不是很夠而每一個測站的資料都必須經過校正才能顯視出結果(不過是由電腦去運算我們只需要等結果).
不過陣列式的觀測法確實帶給我們不少方便之處(除了上述的之外還可以增加沙漠地區土地的利用率).不僅如此,陣列式望遠鏡如果能繼續發展下去的話,可以接收到相當於一個極大口徑的望遠鏡的效果像:
如果能夠在月球的背面裝測站的話在和地球上的主機連線理論上可以得到相當於口徑為月球到地球之間的距離的望遠鏡所接收到的訊息.不過目前仍在進行一步步的技術突破,等到有一天我們真的作到了那便可以收到更清析或來自更遠的宇宙另一端的訊息,對我們了解宇宙的種種有十足的幫助.
2.微中子望遠鏡
為1960年代之後興起之天文觀測儀器,其主體為15,000加侖的四氯化二碳(C2Cl4)液體,為常見的洗衣店乾洗溶劑。
用來測量恆星表面的核 'TimesNewRoman','Arial';font-size: 28pt;font-weight: normal;font-style: normal;text-decoration: none;color: #FF0000;"> '新細明體','Arial';font-size: 28pt;font-weight: normal;font-style: normal;text-decoration: none;color: #FF0000;">反應所產生之微中子,微中子與物質的反應機率極低,平均而言,微中子可輕易穿透10 'TimesNewRoman','Arial';font-size: 28pt;font-weight: normal;font-style: normal;text-decoration: none;">12公里厚的鉛板。 據標準太陽模型推測的微中子產生率,與核子物理預測微中子和氯化碳的反應速率,此一"微中子望遠鏡"平均每日應可偵測到一個微中子,但實測的數據約為平均每三日測到一個微中子,只有預測值的三分之一左右。 近幾年來,物理學家發現自然中有三種不同的微中子: 電子的微中子、μ介子的微中子與τ介子的微中子。 物理與天文學家現在懷疑,微中子的靜態質量很小但並不為零﹙過去認為是無靜態質量,以光速行進,三種的微中子不能互換身份﹚。 如此為真,來自太陽的電子微中子可能在傳達地球前,已有相當的比率改變了身份(微中子振盪)。 而過去的實驗無法偵測μ介子與τ介子微中子,故產生了燙手的太陽微中子疑雲。 為了解決這個問題,科學家正在建造了一座新型的微中子偵測器。 偵測器的主體為1000公頓的重水。 重水的化學式與味道皆與輕水(一般的水)相同,唯重氫原子(氘)之原子核內除質子外又多了一個中子。 據信這三種微中子,皆能把氘內的中子撞出。 如果此新型觀測站完工後,便能解決上述之問題 3.射電(無線電波)望遠鏡 ‧基本原理和收音機是差不多的,都是將某一特定的波段電磁波接收起來,再經過數據處理將影像或資料呈現在我們眼前. ‧短處: 但由於射電波波長較長(即繞射及干射較明顯),因此射電望遠鏡往往角分辨率(及解析力)不高,所以偏離主軸方向的電波也有一些進入接收器造成不必要的干擾,這是射電望遠鏡最大的. ‧改善加大口徑或多架同時觀測(即陣列),但大口徑常造成轉動的不便,因此大多採陣列改善. ∙優點: 射電可以穿透星際塵埃及大氣並且能日夜觀測 ∙主要觀測天象星體,主要接收氫原子、一氧化碳分子,所發射之電磁波, ∙其構造由碟形天線、接收機、數據處理及顯示記錄等設備,一般說來,射電波長1cm~40m比現光波長很多,一般天線不足以使它具有極高的角分辨率,因此外加的碟形使射電波藉由其反射聚集於接收機加強其解析率。 ∙為了較佳的解析度,因此射電望遠鏡一般都非常大,直徑約80~100m,如位在美國亞利桑那州Hopkins山上的MMT。 ∙為了要精確對準,有時也利用山谷來架設,如波多黎各山谷中的無線電望遠鏡。 ∙但是碟形天線口徑大尚不足以滿足觀察微弱星系,因此就設計出陣列 ∙陣列望遠鏡: 兩個碟型天線的距離相當於一個以此距離為直徑之射電望遠鏡 ∙因望遠鏡口徑變大,解析度變大,只是此假想之射電望遠鏡大部分被遮住,只留下那兩個小射電望遠鏡之鏡面大小來觀測 ∙因此在假想打大射電望遠鏡之口徑為直徑的圓範圍之內,小射電望遠鏡數量越多,表視野越大,能看到的範圍不只大且仔細, ∙口徑更大的射電望遠鏡: 設計超過地球限制,出口鏡兩端,一端在地球,一端在月球上,以便有更精確之觀測。 多波段觀測望遠鏡之應用 宇宙初期的星系質量大得超乎預期 天文學家利用美國航太總署(NASA)大天文台(GreatObservatories)的其中兩架--史匹哲太空望遠鏡(Spitzer)與哈柏太空望遠鏡(Hubble)觀測非常遙遠的星系中恆星質量的估算,結果發現其中距離最遠的星系,其質量大得異常,且星系結構發展得相當成熟,不似其他在宇宙年輕時期的星系該有的模樣--按現行星系形成理論,星系是經由小星系逐漸合併而形成,但這個新發現的星系,顯然不肯遵守這個規則,因此讓這些天文學家相當驚訝。 參與觀測的天文學家表示: 這個星系成長的速度必定相當驚人,才會使得在宇宙這麼年輕的時刻,這個星系中的恆星數量就已經有我們銀河系的8倍之多;之後,又突然間停止了新恆星的誕生。 與其他宇宙初期的星系相比,這個星系真是太早熟了。 這些天文學家是在哈柏極深太空(HubbleUltraDeepField,HUDF)影像的10,000星系中,發現了這個早熟的星系。 HUDF為到目前為止,可見光與紅外波段觀測曝光時間最久、可以觀測到宇宙最遠處的影像資料;史匹哲太空望遠鏡利用紅外波段,也對這塊星野進行深度觀測,稱為GOODS(GreatObservatoriesOriginsDeepSurvey,大天文台起源計畫深太空巡天觀測)。 不過,由於在哈柏高等巡天相機(AdvancedCameraforSurveys,ACS)在可見光波段沒觀測到這個星系,在近紅外相機(NearInfraredCamera)與多天體光譜儀(Multi-ObjectSpectrometer,NICMOS)才看到它的存在,顯示這個星系的藍光已經因宇宙擴張之故被紅移許多,因此天文學家相信這個星系應該與目前所有已知最遠的星系與類星體中一樣遠,大約是位在宇宙誕生後約8億年左右的地方。 而後,利用史匹哲紅外陣列相機(InfraredArrayCamer,IRAC)進行觀測後,天文學家才真正發現這個星系有多輛,比在哈柏的近紅外相機中看到的還亮5倍以上。 由於IRAC所觀測的波長比近紅外相機更長,因此可以接收到更古老、更紅的天體所發出的紅外光。 從它的紅外光亮度來看,這個星系的質量相當大,即使與銀河附近、現今宇宙中的星系相比,這個星系的質量也毫不遜色。 另外利用史匹哲的多波段攝像光度計(MultibandImagingPhotometer,MIPS)--觀測波長比IRAC長15倍的光,因而能觀測到星系所發出的更強的輻射;從MIPS觀測結果,天文學家認為這個星系的核心應該有個超重黑洞;如果這個猜測正確,那麼它應該就是這個星系之所以這麼早熟的來源。 參考資料 http: //tamweb.tam.gov.tw/news/2005/200509/05092801.htm 多波段觀測望遠鏡之應用 黑洞搜尋 當物質以高速落入星系中心超重黑洞的過程中,會產生大量輻射和光,因此可在不同波段偵測到這些輻射。 含有這種活躍的超重黑洞的系統稱為「活躍星系核」(activegalacticnuclei,AGN)。 這些AGN由於非常明亮,即使在很遠的距離外,仍可在短時間曝光下顯現蹤影,因此天文學家們決定跳脫傳統深入研究很小一片天區的觀測研究窠臼,改以大面積、短時間曝光的方式掃瞄天空,搜尋這些AGN。 其使用的多波段觀測方法為先從史匹哲的紅外波段中的天體顏色區分出是星系還是恆星,然後再從錢卓和其他可見光觀測中判定這些天體是否為AGN。 這種搜尋方式對於發現被遮蔽的AGN特別有效。 結果在離地球約110億光年遠的地方,總共發現了600多個被遮蔽的AGN,還有700多個沒有被遮蔽的AGN。 右方這幅深空全景影像結合了錢卓X射線 觀測衛星(ChandraX-rayObservatory)、史匹哲 紅外太空望遠鏡(SpitzerSpaceTelescope)和數 座地面光學望遠鏡的牧夫座方向觀測資料;天 文學家在其中發現了上千顆許多星系中心有質 量是太陽的數億倍到數十億倍重的超重黑洞。 影像長寬約9.3平方度,相當于滿月(圖左下角)面積的40倍。 右方這幅深空全景影像結合了錢卓X射線觀測衛星(ChandraX-rayObservatory)、史匹哲紅外太空望遠鏡(SpitzerSpaceTelescope) 和數座地面光學望遠鏡的牧夫座方向觀測資料;天文學家在其中發現了上千顆許多星系中心有質量是太陽的數億倍到數十億倍重的超重黑洞。 影像長寬約9.3平方度,相當于滿月(圖左下角)面積的40倍。 結論及心得感想 (一) 孫維新教授真的是ㄧ個很令人敬佩的老師,不僅擁有豐富的學問,還是ㄧ位極優秀的演講者。 在台下完全感受到他的舞台魅力,幽默風趣的言談讓人拍案叫絕。 整個演講過程中可說是毫無冷場,處處充滿學問及樂趣,真的讓我們受益匪淺。 演講中穿插著一些影片使台下的聽眾確確實時感受到科學的奧妙,引發聽眾對於科學的興趣,讓人想實際到科博館去探險一番。 老師也致力於推廣科學的活動,期待能引發國人對於科學能有更多的關注,我覺得這是很好的事情,國人總是將太多精神放在無關緊要的事上,有太多不必要的紛紛擾擾天天在上演。 演講其中有一段讓人印象深刻的就是ㄧ群本來不相識的學生相遇並一起參與活動,並且在學習中成長,享受追尋夢想的感覺。 這一段真叫人感動莫名,我想那真的是非常寶貴的經驗,一輩子都很難從記憶中抹滅掉。 一群人,為了共同的目標,一起努力的那種感覺,絕對是非常棒的。 演講中看的那個影片著實令人感動,於我心有戚戚焉。 時空,是非常有趣的一個詞。 時間究竟是從何時開始,時間是否有終止的時刻? 宇宙究竟有多大,宇宙外面的世界是什麼樣子,真的是難以想像。 科技越發達,越覺得人類真是渺小啊。 就像作學問一樣,學的越多,你越會發現你不懂的越多。 學海無涯,如同宇宙也是無止盡的。 人類終將滅亡,在那之前能夠探索這個宇宙到什麼程度? 實在是叫人好奇啊。 結論及心得感想 (二) 自己高中的時候唸的是理組,後來卻選擇毫不相關的法律科就讀,最大的原因即是覺得課本裡的東西,實在是難以理解。 孫教授卻簡單的點出了學習自然科目的初衷--「希望可以了解大自然」「大自然非常有趣」。 演講非常的生動,解說的道理並不困難,僅是藉著簡單的圖片和遊戲,但是讓人深深感覺到大自然的魅力。 很希望台灣的教育可以朝著這個方向發展,課本裡的知識總是學理多過於自然現象的探索,可以讓學生親手做的實驗非常的少。 往往是了解某個方程式,或是化學式,但是卻不知道相對於此在現實裡發生的現象是什麼,我自己在高中三年裡作過的實驗不超過十次。 孫教授在演講中一在的強調「科學最重要的是-好玩嘛! 」我相信對於學生來說,有興趣的學習才能持久。 在演講中有一段讓我印象很深刻的是演講準備的影片,一群跟我年紀不相上下的學生,在經過一星期的星象觀察後,決定自己以後要從事研究星相的工作。 雖然只是短短的一個星期的體驗,但卻可以讓人激發出對科學這麼濃厚的興趣!
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