2012年12月1日

流星雨

作者: Charmaine


相信不少人對於流星雨的認識都是源於一個古老的傳說-向着流星許願,願望就會實現。但到底有多少人能說出流星雨到底是什麼


流星雨其實是指流星群看似從天空中的一點(輻射點)中發射出來,而導致在某個天區內,流星數量比平常爲多的天文現象。但實際上,流星群接近地球的軌道大致是平行的,而從輻射點散射出來的感覺就只是透射的現象。

流星雨的形成

流星雨的形成其實與小行星和彗星的分裂息息相關。彗星主要是由凝固了的氣體,冰塊及塵埃所形成的,因此,當其慢慢接近太陽時,太陽的熱力會令彗星中凝固的氣體蒸發,而塵埃會被噴出,進入彗星的軌道。在這些被噴出的塵埃中,較大的會繼續留在母彗星的四周,形成彗頭,而較小的則會被太陽的輻射壓推後,形成彗尾。當彗星離開後,殘留在太陽系內的彗尾物質就會形成流星體。當有一大群流星體以相同或相近的軌道圍繞太陽運轉時, 這些流星體就會被合稱為流星群。而當流星群進入地球的大氣層時,便會與其產生摩擦,令天空中出現大量的流星,縱而產生流星雨。

流星雨的命名

流星雨的名字其實是取決於流星的輻射點所身處的天區。例如比較著名的獅子座流星雨及雙子座流星雨,都是因為其輻射點分別位於獅子座及雙子座而得其名。


流星雨的週期性

實際上,流星雨的出現是具有週期性的,意思是同一個輻射點散射出來的流星雨每年都會出現在類近的日期。這是有原因的。正如前文提到,流星雨是由於流星群與地球大氣層的摩擦所形成的。而流星群則被認為是由彗核的瓦解或是週期星彗星的分解所形成的。因此,流星群的軌道會與其母彗星的大致相同。當地球週期性的穿越擁有相對固定的軌道的流星群時,定時出現的流星雨就會形成。

流星雨的觀測方法

我們可以用不同的方法來觀測流星雨,而比較常見的則是目視觀測及望遠鏡觀測。

目視觀測:
當你發現流星雨出現,而想要辨別流星屬於哪一個星座時,首先可以把流星在天空上的軌道延長,再看延長缐的交會點落在那一個天區之中,並查看流星群是否來自同一點(輻射點)。若發現其中一些流星並不是來自同一個輻射點,他們便可能是屬於別的流星群。這種觀測方法是最簡單及方便的。

望遠鏡觀測:
我們可以使用較小型的望遠鏡來觀察較暗的流星。我們可以根據下圖設置望遠鏡:


使用此方法來觀測流星雨的好處是由於觀察範圍較少,觀測者能較集中地進行觀測,從而看到較暗的流星。


了解了這關於流星雨的資訊後,是否也想親眼目睹流星雨,感受其壯觀之處?機會來了!在本年的12月將能觀賞到雙子座流星雨,1213日則爲該流星雨的高峰期。本學會12月中舉辦過夜觀星活動,帶會員前往觀賞流星雨!如對活動有興趣,請密切留意本學會的最新動態!






2012年11月27日

[活動預告] 陪你去看流星雨 -- 雙子座流星雨過夜觀星活動





將近十二月,考試的季節又到了。自覺將被書本壓得透不過氣來的你,是否很想有一個機會忙裏偷閒,在考試開始之前放鬆一下心情?
適逢今年128-9日是觀測雙子座流星雨的好時機,我們將會帶你前往西貢灣仔西營地,讓你感受親眼目睹流星雨的感動!
這一個晚上,你將看到高掛的獵戶座、雙子座、金牛座,還有更多、更多……
快與朋友一同參與,共渡難忘的一晚!

活動內容:
陪你去看流星雨-過夜觀星
日期: 128-9 (星期六-)
地點: 西貢灣仔西營地
費用:$60
活動內容:燒烤,觀星,露營
名額: 50
查詢: Charmaine (6036 8221)
         Joyce (6481 8358)

2012年11月19日

秋季星空

作者: Samantha

說到秋季星空,除了飛馬座外, 最有名的必定是「皇族星座」﹣仙女座、仙王座、仙后座、英仙座,及鯨魚座。

希臘神話中,仙后座是古代埃塞俄比亞的皇后卡西歐佩亞(Cassiopeia);仙王座是國王克甫斯(Cepheus);仙女座是他們的女兒安德洛墨達(Andromeda)。

皇后卡西歐佩亞和女兒安德洛墨達長得非常美麗,為此皇后經常誇口說她們的美貌勝過海中諸位女神。女神們得知後十分不悅,於是求海神波賽頓(Poseidon)為她們主持公道。波賽頓於是揮動三叉戟招來海嘯淹沒良田,並把居民吞沒。波賽頓又派出海怪 【鯨魚座】凱圖斯(Cetus),使附近海域不得安寧。

國王克甫斯向波賽頓求饒,波賽頓要求他把自己美麗的女兒獻給海怪作祭品。國王別無選擇下便把女兒綁在海邊的大石上。後來,一名俊美的英雄【英仙座】珀耳修斯(Perseus)剛好路經大石,把公主救出,並石化了海怪。

其後珀耳修斯迎娶了公主為妻,一起回到自己的國家。他們死後,宙斯把他們放上星空中成為秋季的星座。國王成為仙王座,皇后成為仙后座,公主成為仙女座,英雄珀耳修斯成為英仙座,而海怪則成為鯨魚座。

飛馬座
飛馬座最顯著的特點就是它的室宿一(Peg α)、室宿二(Peg β)、壁宿一(Peg γ)三顆星和仙女座的壁宿二(And α)星構成了一個近乎正方形,它被稱為「秋季四邊形」。 每當飛馬座升到天頂的時候,大四邊形的四條邊剛好各代表了一個方向。若把飛馬座的壁宿一和仙女座的壁宿二連接後再延長四倍便能找到北極星。另外,我們也能把飛馬座的室宿一和室宿二連接再延長四倍來找北極星。





仙王座
仙王座初升起來位於天球北極附近,我們一年四季都能看見它。仙王座沒有很明亮的主星,卻有五顆較亮的主星呈現出來,所以很容易被認出。



仙后座
仙后座位於天球北極附近,它的五顆亮星呈「W」狀,非常容易辦認。另外,仙后座是秋冬兩季辨別方向的主要星座。若把「W」的兩斜邊延伸,並把交匯點往「W」的中心點(策星)伸延五倍,便找到北極星。



仙女座
仙女座位於「秋季四邊形」的東北角,並被飛馬座、仙后座、英仙座、雙魚座所包圍,算是秋季星空的中心星座,而仙女座壁宿二(And α)則是秋季四邊形中最亮的一顆星。
仙女座中有一個非常有名的天體 ﹣M31「仙女座大星系」。仙女座大星系是棒旋星系,外觀和規模和我們的銀河系也差不多。它的直徑約十多萬光年,由大約兩千億顆恆星組成。雖然它距離我們約250萬光年之遠,但在比較暗和清的環境下,仍能被肉眼所看。
把仙后座的兩斜邊伸長,再把接合點向策星延長約五倍便能找到北極星(勾陳一)



英仙座
若把英仙座的亮星連在一起時,可想像成英雄珀耳修斯提著美杜莎的頭。英仙座的β星則是美杜莎頭上的魔眼,它在我國古代稱作大陵五,西方人又稱它為「魔星」。這顆「魔星」是顆著的食變星,它的亮度會變得忽明忽暗。由於英仙座位於銀河上,所以有許多有名的天體如雙星團、疏散星團M34、小啞鈴星雲M76都位於其天區內,使英仙座成為秋季的觀星目標。







鯨魚座
鯨魚座是全天星座中僅次於長蛇座、室女座和大熊座的第四大星座。鯨魚座芻蒿增二(Cet ο)是第一顆被確認的變星,也是一顆紅巨星,約有太陽的300倍大。而鯨魚座中最亮的是β星,又稱為「土司空」。由於附近天區沒什麼其他亮星,所以土司空十分被容易找到。



2012年11月1日

[活動預告]-- JOINT-U ASTROMONY PROGRAMME



Joint-U Astronomy Programme 2012
天文學會又有新活動喇!

活動內容:

10/11()中大觀星活動
跟住13/11()香港太空館,數碼天象廳模擬星空觀賞
17-18/11(六至日)西貢黃宜洲宿營
費用: $260

參加院校:HKU, PolyU, CityU, BU, LU, IEd, CUH

查詢: Samantha (5119 4519)

2012年10月25日

TIME TRAVEL - FOR REAL?


TIME TRAVEL - FOR REAL?
Author: Samantha
Ever since I was small I was heavily influenced by the cartoon—Doraemon, that it made me believe we can travel back and forth on timeline, simply with a time machine. My parents referred me as crazy after they heard my idea. Well, why not? Why must it be crazy?

To solve my questions and confusions, I got addicted to those thick physics reference books with born-to-be-boring covers. I flipped them over and over, and found my answer—several theories mentioning how to time travel.

1. Single trip—travel to the future
It is different from what people expected for a real time travel, as you can only travel to the future but not back to the past. This theory is well supported by Albert Einstein’s both Special Relativity and General Relativity. As he had mentioned, time can be extended or suppressed, depending on the relative velocity between the observer, or the gravity.

To explain the velocity one, I would get this with an brilliant example. Let’s say, if there is a pair of twins, Samantha and Pinky, Samantha travels to outer space with 99% speed of light; while Pinky stays on earth. After 20 years passed on earth, Pinky grows 20 years older; while Samantha grows nearly 3 years older only. If the spaceship never returns backward, both Samantha and Pinky would see each other’s clock runs slower while themselves’ ones run normally. If the spaceship turns backward and get back to the earth, from Samantha’s perspective, she sees her clock runs normally while Pinky’s clock runs faster; Pinky would also find her clock runs normally but slower for Samantha’s clock. Simply speaking, time depends on the speed of the observer. In that way, it can be said that Samantha travels to the “future” of the earth.

According to Einstein’s General Relativity, gravity can twist space-time to a certain extent. When the gravity of an object becomes larger, the observer on that object would see time runs faster in other places; you may say time tends to run slower on that object from an observer’s perspective from other places. For example, if the radius of earth is reduced to 0.9mm with mass unchanged, making a super high density, the gravity will be so large that even time would stop, just like a black hole, absorbing everything including light (some high-energy radiation can “escape”).

2. Round trip—travel back to the past and go to the future
Well, it it exists, just use a wormhole. It is a linkage between different spacetime curvatures, or you may say a pathway. To create a wormhole, there are two proposed ways.

First, within the spacetime that looks like smooth, there are uncountable numbers of quantum foams caused by spacetime turbulence. Wormholes may exist in these quantum foams. However, the size of each spacetime foam is extremely small; its radius is around 10^-35m, and they are very short-lasting, so it is somehow quite impossible to get through the wormholes. But some scientists suggested that we can throw exotic matter (if it exists) into the spacetime foam to extend its lifespan and enlarge its size, until it is large enough to allow a person’s entrance.  

Second, we can twist the spacetime and fold them together, then create a wormhole to link the two spacetime curvatures.

Okay now even assume that you are technically able to create a time machine, that wormholes do exist plus they can be manipulated by scientists, there are still problems ahead remained unsolved. For example, what would happen if a man goes back to the past and killed his mum? Would he still exist? Some scientists hypotheses “Parallel Universe” theory to explain it, that at the moment when the man killed his mum, a parallel universe would be created, in which both his mum and himself would not exist in there. Also, what would happen if one goes to the future and copied his future essay? Where does this essay originate from? These are the biggest questions in my mind.

Apart from the logic, some scientists proposed that for time travel, we have to have equal exchange of energy between the two spacetime curvatures, or else chaotic and destructive results might appear.

So, can we possibly travel freely on the timeline as we proposed? The answer remained a mystery. Personally, I believed we can as there are some fields in physics that are still untouched at the moment, that may explain all our confusions. Well if one day there is a guy on street telling me he comes from the future, I think I would be so thrilled to take a picture with him instead of getting scared away LOL.

2012年9月30日

中秋月亮十五還是十六圓?



明月幾時有?除了把酒問青天,也可以看看背後的天文解釋。

今年中秋節滿月最圓的一刻,是星期六9月30日香港時間上午11時。
為甚麼人常說十六比十五圓?其實每年中秋月亮最圓的一天,也可以不一樣。
1971年到2030年,最圓在八月十五有21次,十六有31次,十七也有8次。

甚麼時候月亮才是最大、最圓?我們先要了解月相周期、月球的視覺大小怎樣改變和滿月在農曆十五的原因。




[月相變化,維基百科圖片]
月相周期
月有陰晴圓缺 -- 月球繞地球公轉,地球也繞太陽公轉。月球本身不發光,只反射太陽光。地球、月球、太陽之間的相對位置不斷地變化,我們看到月亮被照射的地方也循環改變,便形成月相周期。當月球和太陽剛好各在地球的一方,我們便能看到整個太陽直射的月球部分,也就是滿月。(月球繞地球公轉的軌道面(白道面)與地球繞太陽公轉的軌道面(黃道面)之間有5度夾角,當三者成一直線的情況便是日蝕/月蝕)
月相周期約是29.5日。而月球自轉和公轉周期一樣,是同步自轉(Synchronous rotation)衛星,我們也長期看到月球同一面。




[滿月,Kenneth Chan提供]
月亮大小
月球環繞地球的軌道是橢圓形的,月球有時會較近,受引力影響也走得較快;有時則較遠,也走得較慢 。距離地球最近的地方稱為近地點(Perigee,距離地球最遠的則稱為遠地點(Apogee)。如果滿月的時候剛好較接近我們,甚至剛好在近地點,月亮便會顯得又大又亮。假若月球滿月時較遠,則會較小較暗。

曆法
農曆是陰陽合曆,同時考慮太陽和月亮的運轉,月亮在十五理應最圓。
「朔」是新月,初一便是「朔日」。「望」是滿月,十五便是「望日」。
一個周期的循環,便是一個月。
「平朔法」大月30天,小月29天, 十二個月,便是一年四季。
平朔沒有考慮日月的運行差距,使新月不一定出現在朔日。
而用「定朔法」計算,太陽的黃經和月的黃經一致那天定為朔日,相對較準確。
再加上潤年等調整,長期也大致保持季節和月份的協調,然而月相也不會一定剛剛好十五最圓。


最後,其實還有「月球錯覺
」(Moon illusion),就是月球在接近地平線的時候感覺會比較大,這是因為人的認知系統錯覺所致。
「月到中秋份外明 」,也許是因為秋天天色較清朗。其實中秋節滿月不會比其他月份特別大和亮,還是節日意義比較大。中秋在《周禮》已經有提及,唐朝後成為節日。
《禮記·月令》上說:「仲秋之月養衰老,行糜粥飲食。」,但並沒有說明是八月的哪一天。

雖然月亮有時是「光害」,仔細觀測其實也很容易很有趣。
而欣賞明月之餘加點了解,也跨越時空與古人添點想像。
但願人長久,千里共嬋娟。

By 50 Vincent


參考資料:
太空館 http://www.lcsd.gov.hk/ce/Museum/Space/FAQ/moon/c_faq_moon_19.htm
太空館 http://www.lcsd.gov.hk/ce/Museum/Space/FAQ/moon/c_faq_moon_21.htm

Wikipedia http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%88%E7%90%83%E9%8C%AF%E8%A6%BA


明報
http://hk.news.yahoo.com/%E4%B8%AD%E7%A7%8B%E6%9C%80%E5%9C%93%E6%9C%88%E4%BA%AE%E5%9C%A8%E6%97%A9%E6%99%A811%E6%99%82-005408758.html

Space.com
http://www.cbsnews.com/8301-205_162-57522232/harvest-full-moon-rises-this-weekend/






2012年9月15日

觀看宇宙的眼睛-天文望遠鏡

作者: Oliver
 
望遠鏡是收集遠處細小、暗淡的物體的光線後,通過光學成像的方式將影像放大,並使它們顯得更亮、更清晰。在使用望遠鏡觀測天體之前,對於人類而言,它們都只不過是在天上的光點。在這個難以分辨這些光點的時期,人類也只能有限地研究它們的存在,因此天文學的發展亦被局限了。假若沒有望遠鏡的誕生與發展,就不會有現代天文學。
由於多數天體不單單發出可見光,還會放射出其他波長的輻射。為了更加了解我們身處的宇宙,現時科學家也會用不同波長的電磁輻射去觀察宇宙,利用不同波長所觀測到的宇宙會大大不同。而根據這些望遠鏡觀測波段的不同,望遠鏡亦被分為射電望遠鏡(Radio telescope)、微波望遠鏡(Microwave Telescope)、紅外線望遠鏡(Infrared telescope)、光學望遠鏡(Optical telescope)、紫外光望遠鏡(Ultraviolet Telescope)、X射線望遠鏡(X-ray telescope)和伽瑪射線望遠鏡(Gamma-ray telescope)。



大氣對不同波長的透明度

射電望遠鏡

射電望遠鏡又名為電波望遠鏡,是主要接收無線電波段輻射的望遠鏡。射電望遠鏡外形有的像固定在地面的「鑊」,有的像衛星接收天線,無線電波會經金屬接收盤由前面較小的反射鏡將無線電波反射至接收器中。


帕克斯天文台的64米口徑全球最大可操作的射電望遠鏡(Green Bank Telescope) 
無線電波不但是波長最長的電磁輻射,還比可見光容易穿透其他物質到達地球,所以透過觀測無線電波,我們可以得知宇宙最遙遠的資訊。不過,天文望遠鏡的解像率 θ (Resolution)取決於望遠鏡的口徑 D 和觀測的波長 λ ( θ= 1.22λ/D)。口徑越大及波長越短,解像率越高。因此,射電望遠鏡的天線口徑需要建造得相當大才能獲得清晰的影像,在觀察1米波長的電波時,便要400米口徑的望遠鏡去達到地球大氣的視寧度(Seeing),但是大口徑的天線難以製作而且建造成本昂貴。

全球最大單面射電望遠鏡(350米)-美國阿雷西博天文台(Arecibo Observatory) 
為了得到更清晰的影像,科學家利用波干涉(Interference)註一原理,製作了電波干涉儀(Radio interferometer)。透過結合數個望遠鏡的訊號所產生出來的影像比單一相同總計面積的望遠鏡的解像率還要高,所以有的電波天文觀測台會為望遠鏡「擺陣」,這些排列好的望遠鏡簡稱為「陣列」望遠鏡(如下圖)。

甚大天線陣(Very Large Array)
一說起微波,就不難聯想到它加熱的作用。在天文學上,科學家相信在大爆炸後不久的宇宙是處於高溫高熱的狀態,隨着宇宙的膨漲,現時宇宙的溫度只有約2.7K(-270oC),在這個溫度下的宇宙所發出的就是宇宙微波背景輻射(Cosmic microwave background radiation)。通過研究這種輻射,便可以得知宇宙的過去與未來、暗物質等等的資訊。
由於微波很容易被大氣中的水氣所吸收,所以科學家會將微波望遠鏡放置在大氣稀薄而且空氣中水氣含量低的環境下進行觀察,例如太空中、氣球上或極地
等。


南極望遠鏡(South Pole Telescope)

與射電望遠鏡一樣,微波望遠鏡也會「列陣」以獲得更清晰的影像,但因為觀察的波長比無線電波短得多,微波望遠鏡所列的陣也小得多。

泰德峰天文台(Observatorio del Teide)的極小陣列(Very Small Array) 

紅外線望遠鏡

顧名思義,紅外線望遠鏡主要是接收紅外線的。理論上來說,所有大於0K(-273oC)的物質都會發出紅外線,而且離我們很遠的天體所發出的可見光也會因為紅移註三而變為紅外線,所以用紅外線來看宇宙比可見光來看會看得「更多」。不過,紅外線不但會被大氣吸收,其他物體也會發出紅外線。若要獲得更多紅外線波段的信息,就要減少望遠鏡附近的物體發出的紅外線干擾,以及在較少干擾的環境下進行觀測,如外太空、大氣層較高的位置。史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)就是其中廣為人知的一支紅外線望遠鏡。即使建造地基紅外線望遠鏡(Ground based infrared telescope),也會選址在海拔高而且非常乾燥的地方。

史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)
而減少或避免望遠鏡和其設備所發出的紅外線干擾的方法,則是在觀測的時候使用液態氮等冷卻劑將設備冷卻至只有數K的溫度。

光學望遠鏡

加那利大型望遠鏡(Gran Telescopio Canarias)
光學望遠鏡主要工作波段當然就是可見光。早於17世紀,天文學家伽利略已經開始使用他自行改良的折射式光學望遠鏡(Refracting telescope)來進行天文觀測。經過三百多年的研製和改良,現在的光學望遠鏡從原理不同來區分,可分為折射式(Refracting)、反射式(Reflecting)和折反射式(Catadioptric)。雖然有各式各樣的望遠鏡,但大多研究用的大型望遠鏡都是反射鏡。相比起需要使用透鏡的折射式和折反射式望遠鏡,反射式望遠鏡只需要一面平滑磨光的鏡面,比起製作沒有缺陷的玻璃透鏡容易得多。此外,玻璃透鏡還會因為自身的重量而下垂、變形,也會吸收部分光線和更容易產生色差註三現象。


當然,反射式望遠鏡也有好處也有壞處的。為了方便觀察者觀看,反射式望遠鏡中間必須使用支撐架並放置另一平面鏡把光線反射至鏡身後。然而,由於第二平面鏡使用支撐架的關係,光線在經過支撐架時會發生繞射(Diffraction)現象而產生星芒(Asterism)現象。

星芒現象


  紫外線望遠鏡 

哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)
雖然天文台每天也有報導紫外線指數,但是研究天體用的紫外線輻射卻是無法穿透大氣層的,必須以太空望遠鏡觀測。透過紫外線所看到的天體會比以可見光看到的較為黯淡,因為越低溫的天體會發出越弱的紫外線,但藉着以紫外線觀察宇宙,我們才能得知星際間某些物質的化學成份、密度和溫度。
而以紫外線觀察的望遠鏡構造和原理和光學望遠鏡相若,在此就不多解釋了。

X射線望遠鏡&伽瑪射線望遠鏡 
倫琴衛星(Röntgensatellit-ROSAT)
X射線望遠鏡和伽瑪射線望遠鏡分別是以接收X射線和伽瑪射線(統稱為高能光子)為主。這些高能量的光子都被大氣強烈吸收掉,無法到達地面,所以要觀測它們就必須突破大氣層的障礙,通過使用高空氣球和人造衛星搭載的儀器同步觀測。
X射線和伽瑪射線都是高能量的電磁波,它們需要相當極端、強烈的環境下才會產生,如果說用可見光觀察的宇宙是「平靜」的話,那麼用X射線和伽瑪射線觀察的宇宙可說是非常「活躍」吧!

昌德拉X射線望遠鏡(Chandra X-ray Observatory)
由於這些高能輻射照射物質時會容易穿透,不容易產生反射和折射的現象,所以X射線望遠鏡和伽瑪射線望遠鏡利用了全內反射的原理,而光子的入射角必須大於87o,否則難以反射。光子能量越高,入射角的角度需要越大才能反射。因此,有了掠射式望遠鏡(Wolter telescope)的發明,使高能光子能以近乎平行的角度照射在金屬板上進行反射和聚焦。

近半個世紀以來,隨着科技的不斷進步,人類運用不同的方式去探索和了解我們所身處的宇宙。然而,現階段還沒法到達並考察太陽系外的星體,使用望遠鏡便成為我們去觀察宇宙的主要方法。一支新天文望遠鏡的建成或升空不單單是國力的表現,更喻意着天文學上的進展。

註一:若兩個波的波峰或波谷同時到達同一地點,它們的互相干涉會使波的振幅變大;若兩波之一的波峰與另一波的波谷同時抵達同一地點,它們的互相干涉會使波的振幅變小。
註二:因為宇宙不斷膨漲使天體所發出的光線的波長變長,因此我們在地球觀測時便會「變紅」。
註三:因為不同波長的光線進入透鏡時的折射率都有所不同,所以會造成不同頻色的光無法聚焦在同一點上。

2012年8月12日

宇宙有多大?

作者:Mike

        人類對於宇宙自古以來都是充滿著好奇,充滿著疑問。或許我們會問宇宙是否有邊緣或是無窮無盡的大呢?在解答這個問題前,我們先要大概知道究竟宇宙是什麼來的。宇宙是空間,時間,物質和能量的統一體,簡單來說,即是由一切時間和空間組成,「往古來今謂之宙,四方上下謂之宇」,早於中國春秋戰國,已有宇是空間,宙為時間的觀念。

圖片來源: http://content.edu.tw/senior earth/tp_ml/stu/106_7/universe_pic1.htm
         對於宇宙之始,科學家提出了不少宇宙學模型來描述宇宙誕生及其後宇宙演化的過程。其中,最著名的宇宙學理論則是「宇宙大爆炸論」。根據此理論,宇宙大概於137億年前誕生。宇宙在無限小的一點爆炸,在膨漲後,宇宙的密度和溫度十分高,主要飄浮著質子,中子,電子和帶有1000億度溫度的光子。隨著時間過去,數以千萬計的恆星和行星誕生,組成不同的星系。同時,宇宙亦隨時間不停地高速膨脹。


        很多人從宇宙大爆炸論中,誤認為宇宙的大小(半徑)最長是約137億光年,因為宇宙是從137億年前誕生,假設宇宙是有邊緣,邊緣以光速膨脹,那麼在137億年後(即今天),宇宙便膨脹了137億光年的距離。但是,宇宙膨脹是因為空間在膨脹,並不受相對論的光速所限*,所以宇宙的大小是可以大於137億光年。

*在相對論中,質量對於空間的移動速度的上限為光速,但對於本身空間的移動速度則沒有限制。


        許多人亦認為宇宙是一定有限的,他們認為宇宙從一小點爆炸,經過137億年的膨脹,體積也一定是膨脹至某一個程度,故認為宇宙空間是有限的。但是,我們亦可想像宇宙最初是一塊無限大的平面,然後在這平面上任意作一點。當這一點發生「爆炸」後,此點就會膨脹成一個有限的圓圈(代表可觀察宇宙的空間),圓圈的大小隨時間增加。這可以代表宇宙一開始就可以是無限大,只是「可觀測宇宙」是有限的。所以宇宙是有限之推論並不正確。

圖片來源:  http://spider.ipac.caltech.edu/staff/jarrett/papers/LSS/
        所以,宇宙到底是有限或是無限,是有邊緣或是無邊緣,現在我們都沒有一個肯定的答案。不論宇宙是怎樣,我們只能觀測到一個有限且半徑為460億光年*的「可觀測宇宙」。「可觀測宇宙」是一個球體,以觀測者為中心,在「可觀測宇宙」這個球體內,物體所發出的光都一定有足夠的時間到達觀測者(即球體中心)。在這個範圍外,我們是無法直接觀測其物體發出的輻射,即是它們是無法直接探測得到。至今,「可觀測宇宙」是否等於整個宇宙,我們並沒有一個肯定的答案,真實的宇宙有可能比「可觀測宇宙」大或小。


*或許大家會誤解「可觀測宇宙」的半徑應是137億光年,而不是460億光年。但由於宇宙不斷地在膨脹,所以我們目前所觀測到的宇宙半徑是約137億光年的3倍。

        因此,簡單來說,我們或許永遠無法得知宇宙真實的大小,無法得知宇宙是否無窮大。

延伸閱讀:
How can the Universe be infinite if it was all concentrated into a point at the Big Bang?
http://www.astro.ucla.edu/~wright/infpoint.html

Misconceptions about the Big Bang
http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=misconceptions-about-the-2005-03&page=5

Is the Universe finite or infinite?
http://www.esa.int/esaSC/SEMR53T1VED_index_0_iv.html

2012年7月23日

宇宙的起源


作者:Timothy

        「我們一直身處的宇宙究竟從何而來?」自從人們有了“宇宙”的概念以後,宇宙的起源就一直是每位科學家,甚至每個人都會感到好奇的問題。故此,過往科學界一直努力從殘留在現時宇宙中的種種跡象中,嘗試拼揍出宇宙誕生的過程及來源。而古往今來眾多關於宇宙論的推斷之中, 最被廣泛接受及為人耳熟能詳的相信就是到目前為止最符合宇宙學觀察結果的大霹靂理論 (Big Bang Theory)。

         大霹靂理論指出,宇宙是源自時空的爆炸,爆炸發生時(距今約137億年)的宇宙是處於奇點 (singularity) 的狀態中,奇點意味它擁有著無限小的體積,無限大的密度和時空曲率(重力的來源)及無限高的溫度,而奇點中並不存在著任何時間或空間,甚至連一切已知的物理定律都不適用於奇點。

        而伴隨著宇宙的大爆炸,時空開始產生並膨脹,宇宙溫度亦隨著當時宇宙體積的增加而大幅度降低。在時空膨脹發生後的一秒,宇宙的溫度約為100億度(相等於太陽中心溫度的1000倍),宇宙溫度減少的速率漸漸慢下來。下圖顯示了隨著時空膨脹發生後不同的時間後宇宙溫度的變化:
宇宙的溫度由時空膨脹時的無限高不斷下降,直到現時比絕對零度高2.725度(約-270 ℃)。

        因為宇宙形成瞬間的溫度極高,所以宇宙間的質子及中子 (Protons and neutrons) 都擁有十分高的平均動能,它們的移動速度使它們能夠掙脫彼此間的強作用力(Strong Interaction/Strong Force),但當宇宙的溫度降至約100億度時(時空膨脹後1秒),它們再也逃不過強引力的吸引,產生了各種元素的原子核(Nucleus)。之後,當溫度跌至幾千度時,電子和原子核間的電磁吸引力使它們結合而形成了原子(atoms)。而宇宙膨脹的速度受到當中物質的引力影響而緩慢下來,甚至部份物質密度較高的區域開始停止膨脹,並出現坍縮的現象,當中的物質受到彼此間質量的吸引而聚集在一起,直至區域中的物質因旋轉而達至平衡為止,我們相信星系就是從這種方式中誕生。而宇宙中各種星系內的恆星和行星在之後的時間中不斷重覆誕生和毀滅,直到現在成為我們現時身處的宇宙。


        大霹靂理論很生動地描繪了宇宙誕生的過程。不過,近期有科學家觀察到存在於我們身邊的宇宙背景幅射(時空膨脹發生後現時殘留在宇宙的溫度)其實是如上圖般呈現出同心圓的形狀,而各個圈內的溫度比外面為高。部份科學家認為同心圓是源自前宇宙的撞擊。或許,在時空膨脹前已經有前宇宙的存在。
但到目前為止,大霹靂理論依然是宇宙起源最好的解釋。