淺談潮汐

By 56 Canopus

潮汐是一個大家都並不陌生的現象，從古人利用海岸水位每天的漲退來產鹽，到今人運用潮汐能發電，它都陪伴著人類文明進發。大家對這個古老的現象有多少認識？各位又知不知道它與天文有密不可分的關係？

地球上潮汐的主因，乃是地球唯一的自然衛星—月球。要明白月球如何引起潮汐，我們不妨想想以下這個情景：

一輛法拉利在一輛老爺車前方，一條彈簧的兩端分別勾在兩車上。當兩輛車同時加速，老爺車的加速度卻比法拉利小，追不上法拉利，彈簧便會順理成張被扯開。

現在，我們來嘗試套用這個情境於地球。我們把地球如圖分成三份來考慮，一份近月，一份遠月，一份夾在中間，它們之間緊緊地黏在一起。根據牛頓的萬有引力定律，三個部分都會受月球的引力影吸引而向月球加速，但是近月球的一部份受到的引力較大，加速較快；遠月球的一部份受到的引力較小，加速較慢；中間的那部份則與彈簧一樣被拉扯。這股拉扯力，就是潮汐力。

當然，這只是一個十分粗略的比喻，要準確瞭解潮汐力，還需靠廣義相對論中的複雜數學，筆者在此不作詳述，只告訴大家結果好了：地球會沿月球方向被拉長，稍微變形為橢圓形。海洋也參與這個變形，面對和背向月球處的海平面被扯高; 側面的海平面則相對較低。而由於地球的自轉，世界各地只要不是太近南北極，每天都會輪流經過兩個潮漲和兩個潮退位置。

明眼人可能會想到，萬有引力定律不只適用月球和地球，也適用於太陽，故太陽施於地球各處的引力也不是衡均的，太陽也會引起潮汐。這推論是正確的，不過由於太陽比月球離地球遠很多，故太陽頂多是在月球引起的潮汐上作少量加工：每逢農曆約初一或十五，日月發生衝或合之日，太陽與月球的拉扯軸最接近時，水漲水退的幅度會特別大，稱為大潮; 農曆約初七或廿二，日月發生方照之日，太陽與月球的拉扯軸垂直時，水漲水退的幅度會特別小，稱為小潮。

月球施於地球的潮汐力引起了海洋的潮汐現像，但月球沒有海洋，地球施於月球的潮汐力有否引起其他有趣現象？答案是有：潮汐鎖定。不少人均知，月球是一顆正同步自轉的衛星，也就是說它圍繞地球公轉的週期和它自轉一週的週期相等，使它永遠都以同一面面向地球。這並不是一個巧合，而是由於潮汐力會使所有圍著其他天體公轉的天體慢慢變為同步自轉。

這回我們把法拉利置於老爺車的左前方，用鐵鏈連著兩車。這回一加速，鐵鏈一繃緊，便會對兩車施力，法拉利受到的力向右，老爺車受到的力向左，這力明顯傾向使兩車達至前後對齊。即使把法拉利置於老爺車的右前方結果也會一樣。

這與月球有甚麼關係呢？如果我們把月球分成近地和遠地兩部份，前者因地球引力加速較快而像法拉利，後者則因地球引力加速較慢而像老爺車。月球會被潮汐力向地球拉長，如圖所示。在下一刻，如果月球的自轉週期與公轉週期不同，近地部份便會在遠地部份的斜前方而非正前方 (這裡的「前」是指向著地球) 。就像鐵鏈會將兩車拉扯至前後對齊一樣，潮汐力也會企圖把兩部份拉扯至前後對齊。

不過，在地月系統中，這個效應相當不明顯，能使月球同步自轉也非一朝一夕的事，除了靠經年累月的潮汐效應，相信也因月球起初的自轉與公轉速度相異不太厲害所致。當然，潮汐鎖定不一定發生在衛星身上，冥王星便與其衛星查戎互相潮汐鎖定，兩者永遠用同一面面對著對方。

[M31]仙女座星系

肉眼可見的河外星系－M31 仙女座星系

[M31]仙女座星系
By 56 Keith Wong
仙女座星系（Andromeda Galaxy）位於銀河系以外，距離我們大約250萬光年。在梅西爾天體列表內排列31，因此仙女座星系又稱M31。從地球觀測，它位於仙女座，因而得名，旁邊還有它的兩個衞星星系，分別是M32和M110。M31是能以目視方法看到最遠的深空天體之一，視星等為3.44。

M31的體積十分龐大。現時，據天文學家估計，M31最寬處的直徑大約是14萬光年，而銀河系的直徑則大約為10萬光年，由此可見，M31的體積比銀河系更大。

M31和銀河系有很多相似地方。M31和銀河系都是大型星系，擁有很多恆星。據天文學家估計，銀河系擁有1,000至4,000多億顆恆星，而在M31內恆星的數目更接近一兆（即10,000億）顆。由於恆星會因為其內部的核融合而發光，因此我們就可以看得見M31。

外形
M31屬於螺旋星系，螺旋星系是指擁有明亮螺旋臂結構的扁平狀星系。

M31的外形

觀測史
起初，天文學家觀察M31時，曾把它當作星雲（Nebula）。1785年，天王星發現者、英國天文學家威廉·赫歇爾（Sir Frederick William Herschel）曾把它當成做「仙女座大星雲」，並很粗略地估計距離應在天狼星（距離地球8.6光年）的2,000倍之內。這個估計並不準確，而且跟實際距離相差甚遠。

1887年艾薩克‧羅伯斯（Isaac Roberts）在英國薩塞克斯郡（Sussex）的私人天文台拍攝M31的第一張照片，讓世人第一次看見它的螺旋結構。然而，因為當時技術所限，羅伯斯和其他天文學家都以為M31和類似的螺旋「星雲」是正在誕生的恆星和行星。

1925年，哈勃（Edwin Powell Hubble）利用100 英吋反射望遠鏡拍攝M31的照片，發現M31離我們銀河系有極大距離，因此不可能是銀河系以內的星體。在這之前，部分天文學家曾認為銀河系就是全宇宙唯一的星系，所有星體都在銀河系之內。M31等河外星系的觀測令天文學家大開眼界，人們眼中的觀測宇宙範圍也擴大了很多。


質量與距離
有研究計算出M31的質量大約是1.5兆個太陽質量。銀河系的質量和M31的質量大致相約，目前仍未有定論哪一個星系質量較高。

2005年，天文學家在M31內發現一對雙星，透過觀測這對雙星互食的情況，可以計算出它們的視星等和絕對星等，從而再測量出這對恆星的距離約為252萬光年，由此估計M31的距離大約是250萬光年。我們現在在地球上看到M31的模樣，是大約250萬年前的模樣，因為光要用250萬年才可由M31傳遞到地球。

本星系群（Local Group）

本星系群，中心為銀河系，右手邊Andromeda Galaxy為仙女座星系，還包括其他星系。圖中尺寸以百萬光年計(million ly) 。

我們銀河系所位處的本星系群包含超過50個星系，直徑大約1,000萬光年。以質量計，最大的兩個星系就是M31和銀河系，而這兩個星系各自擁有自己的衛星星系系統。可以說，在本星系群裡，M31和銀河系是兩位「大哥」。M33三角座星系(Triangulum)則是本星系群內第三大星系，而其他的星系大都比較細小。

衞星星系
衞星星系會受到引力影響而環繞另一個大星系。

銀河系有大、小麥哲倫雲（Large and small Magellanic Cloud）兩個衞星星系，而M31也有它的衞星星系，包括M32和M110，還有其他十二個矮星系。

仙女座星系–銀河系碰撞
目前我們已知M31正以每秒110公里的速度向銀河系接近，NASA預測銀河系將會在大約40億年後與M31相撞。假如有人類在40億年後的地球上，將有機會在星空中見到本星系群中最大的兩個成員互相融合成為一個超級大星系。NASA曾經以電腦模擬出這個碰撞的效果。M31是少數與地球越來越接近的星系，大多數星系都在離我們而去。

http://www.youtube.com/watch?v=jtMyGIv0YgY

電腦模擬圖。40億年後從地球觀望銀河系和仙女座星系碰撞的情景。
碰撞前（上圖）和碰撞後（下圖）

意義
因為太陽系位處於銀河系內，「不識廬山真面目，只緣身在此山中」，所以我們基本上無法看到銀河系的外貌。幸好天文學家可以觀察M31和銀河系相似的地方，藉此推測出銀河的外形和結構了。過去普遍認為銀河系與M31一樣，都是屬於螺旋星系。但後來有研究認為銀河系屬於棒旋星系，目前仍未有定論。無論如何，透過觀察M31，我們可以更加了解我們的銀河系。
http://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/milky-way-collide.html

從零開始 - 接觸天文第一步

By 56 牧夫

很多人都會覺得天文這一門興趣相當浪漫，然而，很多時他們都局限於數星星和欣賞夜空的階段，以致堅持不一會兒便放棄了這門興趣。事實上，要做一個業餘的觀星人士，並不一定要花上萬元去擁有一支天文望遠鏡，以下將會由淺入深，教導大家如何真正欣賞天文。

準備

1.      旋轉星圖

旋轉星圖上面有時間及日期的刻度，你可以根據你所在的日期和時間調較星圖至合適位置，所展示的星空便會是你仰頭望天所見到的畫面。一般來說，旋轉星圖都會標示一些較容易用肉眼分辨的星座，有些更專業的更會標示較出名的深空天體。很多坊間的書局都有售賣旋轉星圖，但在購買星圖之前，要多加留意星圖是否適合閣下住處，因為每個緯度的北極星位置其實都有分別，觀星時的視野自然有異。譬如說，在日本的夜空看到的星是較香港少得多，閣下見到的星有較大部份整晚都是圍著北極星繞動(亦即拱極星, Circumpolar Star)（稍後會再深入探討）。但一般而言，在香港買到的星圖都是沒有問題的。

2.      紅電筒

若果閣下在黑暗中突然被白光照射，會有甚麼感覺?有的人會覺得刺眼，甚至會覺得暈眩、不適。此外，很多時熱門的觀星地點都會有為數不少的攝影師拍攝星空，使用白電筒會很容易破壞他們的照片，而使用紅電筒則能減少對他們的影響。另外，使用紅電筒能減低光源對瞳孔的影響，其實，在雙眼進入黑暗環境之後，其瞳孔需要花上愈一小時的時間才能放到最大，讓我們看得見更多更暗的星，一旦突然被白光干擾，我們的瞳孔便要重新放大，白花了不少時間。所以，為了自己和別人的舒適，使用紅電筒會是一個不錯的選擇。

3.      地蓆

如果閣下不怕蛇蟲鼠蟻，其實你也大可以不用地蓆豪放地睡在石面上，也不過是冒著弄得一身蚊㫱的風險吧，當然，有草的地方就會弄得全身骯髒。其實帶多一張地蓆也不是很辛苦的事。

4.      其他

錢、地圖、個人用品、外套……這些都不用說了，但最重要的是帶足夠的水，因為很多時觀星地點都遠離市集。

計劃行程

在香港觀星也有過夜和不過夜之分，好好訂立你的行程，能令整個觀星夜快快樂樂地進行。鑑於前人已有太多這類型的文章，在此只簡單建議一些地點，大家可以在網上其實也可以找到關於各個地點的詳細資料。

1.      過夜地點建議

蒲台島、水口籮箕灣、塔門、天文公園、西貢東壩、長州、東龍島

2.      不過夜地點建議

大帽山停車場、大尾篤、大坳門、石澳、赤柱、中文大學、科技大學

3.      星級建議

蒲台島、塔門、西貢萬宜水庫東壩、東龍島

日子建議

記得在訂立行程時，要留意月相。農曆的月頭或月尾都有較佳的觀測星空的條件，但到接近滿月（大約農曆十五）時，月亮所反射的太陽光會掩蓋一部份的星空，令到較暗的星不能直接用肉眼觀測，或許會令閣下的雅興受損。

觀星前奏

其實市面上亦有不少軟件可模擬我們平日見到的星空，免費而有好用的軟件有Stellarium。此軟件用途繁多，不但能讓閣下對星空星座認識更多，只要click入任何的一顆星，閣下就會更清楚該星的資料，包括可視星等、絕對星等、赤經赤緯等資料，十分方便任何天文愛好者觀測天文。今時今日智能電話普及，所以，此類型的軟件已拓展至流動平台之上，例如Google Sky Map, Stellarium, Star Chart, Mobile Observation，不過，當中有很多都不是免費。關於手機的星象軟件，大家可參考http://www.guokr.com/question/486697/，這裏有更多的用後評論。

觀星去！

說過一遍，觀星不是去數星星，背後其實也有很多奧妙之處。

1.      無時無刻都在變化的星空

小學常識都教過我們，地球是以傾斜23.5度的角度由西向東自轉，這樣不但令到地球出現四季，更為我們的夜晚加添多一點「色彩」。

或許，大家應該先認識天球的概念吧。

https://www.youtube.com/watch?v=zqaMlKf9lDA (0:00 – 1:00)

（如果有興趣認識地心說的，可繼續觀看影片。）

天球是一個佈滿星星的球體，當然，不同的星和地球理應有不同的距離，但在天球內，距離卻都是一樣，不同的只是它們的光暗度。其實整個天球大概也是地球的投影，天北極和天南極分別位於地球的自轉軸上方。每一天，地球就是不停地由西往東轉，而太陽就跟著黃道走動，當到達夏至時太陽就會在北緯23.5度上方，而冬至時則在南緯23.5度上方，春分和秋分則在赤道上面。

在閣下處身的位置面向太陽時，因為地球有大氣層，當太陽光到達地球時，會在大氣層中散射，使到整個天空都變得很光很光，我們便因而看不到太陽附近的星。但因為太陽每一年都在不斷走動，當太陽走到天球的另一面時，那本來你看不到的星，便不受太陽光影響而看得一清二楚。

或許再具體一點，其實太陽走過的星座是叫黃道十二宮，亦即我們俗稱的十二星座，大約一月份左右會走到山羊座，二月會走到水瓶座，如此類推，到十二月就會走到人馬座。所以，在一月時我們就看不到摩羯座，但到七月卻能看見得到。

十二星座： 山羊座、水瓶座、雙魚座、白羊座、金牛座、雙子座、巨蟹座、獅子座、處女座、天秤座、天蠍座、人馬座

想知道各季可見到的星座？大家可參考前人所寫的文章。

春夏季星空（黑田＆原始人, 2013）

http://hkusuastro.blogspot.hk/2013/06/spring-and-summer-constellation.html

秋季星空 (Samantha, 2012)

http://hkusuastro.blogspot.hk/2012/11/blog-post.html

冬季星空 (Joyce, 2013)

http://hkusuastro.blogspot.hk/2013/01/blog-post.html

2.      東升西落的星星

由於地球是由西向東自轉，在我們眼中，宇宙內相對沒有太大活動的星體便會好像由東向西轉。不論是太陽還是月亮，其實也不過是一樣，都是東升西落，由東邊升起，西邊落下。

3.      星星的光暗

恆星的光暗可以目視星等來衡量，當一顆星較另一顆星光100倍，兩顆星的光暗便會相差5等。當可視星等的數值愈大，亦即代表該星愈暗，相反，若其數值愈小，該星則愈光。譬如說，太陽的目視星等是-26.8，而月球的星等在滿月的時候則大約為 -12.9。在良好、絕對黑暗的觀測環境下，我們的肉眼最多也只能看見目視星等為6的恆星。但即使在香港的郊區，受到光害的影響，我們能見到的星極其量也不過是4等吧。所以，有些人說外國的星星特別多、月亮特別光，或許只是因為他們受到的光害影響較低吧。

附一：星空二十大亮星

星座	名稱	星等
大犬座	天狼星	-1.46
船底座	老人星	-0.72
半人馬座	南門二	-0.27
牧夫座	大角星	-0.04
天琴座	織女星	-0.03
御夫座	五車二	0.08
獵戶座	參宿七	0.12
小犬座	南河三	0.38
獵戶座	參宿四	0.42
波江座	水委一	0.46
半人馬座	馬腹一	0.61
天鷹座	牛郎星	0.77
南十字座	十字架二	0.77
金牛座	畢宿五	0.85
天蠍座	心宿二	0.96
室女座	角宿一	0.98
雙子座	北河三	1.14
南魚座	北落師門	1.16
南十字座	十字架三	1.25
天鵝座	天津四	1.25
獅子座	軒轅十四	1.36

4.      現今世代的北極星 － 勾陳一

由於地球會根據它的自轉軸轉動，所以，在自轉軸正上方的星便好像沒有轉動過一樣，而其他星則圍繞著它轉動，東升西落。而現代的北極星就叫作勾陳一，屬於小熊座。

當然，不同地方的北極星在天空裏的位置其實也不一樣，但其實閣下只要知道你所處身位置的緯度，就能把北極星的位置弄得一清二楚。譬如說，在香港，北極星就位於北方水平時上22.14度角的位置，而在赤道帶，北極星就處於地平線。那麼，上海的北極星又會再哪個位置呢？大家不妨探究一下。

當北極星位置離地平線愈遠，我們就會見到有更多的星圍著北極星轉動，這些星我們會叫作拱極星(Circumpolar Star)，在夜空之中，它們終年不會沉在地平線下，也從來沒有升起的一刻，就只是年年月月地繞圈走（我想它們的生活也應該相當苦悶吧）。

太陽、月亮和其他行星包括木星和土星所產生的引力會令到地球的自轉軸根據一個周期不斷擺動，這個周期長達26000年，我們稱這種現象為歲差(Precession)。由於自轉軸不斷根據既定的軌道運動，天北極亦因而不斷走動，使到北極星的位置會隨年日而改變。

大約在一萬二千年後，我們常聽說的織女星就會成為北極星，整個星空屆時就會好像圍著此星轉動。

5.      天空的劃分

天空共劃分為88個星座，每個星座都有獨特的形狀，以下有一圖大家可以參考一下。但至於每個星座的命名，那就要問問古人吧！是誰有如此高的想像力？以下是從香港太空館獲得的網上星圖，大家如欲想了解更多，可點擊http://www.lcsd.gov.hk/ce/Museum/Space/StarShine/HKSkyMap/c_starshine_hkskymap.htm。

很多星座都有自己的傳說、神話，大家不妨上網找尋星座神話吧，或許會為你的觀星夜加添多點趣味。

6.      深空天體

又有一篇前人的文章相當值得我們參考，大家不妨多加閱讀！

http://hkusuastro.blogspot.hk/2013/03/blog-post.html （Yanki, 2013）

這篇文章介紹了各深空天體的特徵及分類。然而，無論在梅西爾天體列表(Messier Catalogue) ，或是NGC天體表 (New Generation Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars)，都有愈百個甚至數千個項目，數目繁多，我們應如何入手？

還記得一開始介紹過的天象軟件Stellarium嗎？Stellarium除了會顯示各恆星的分佈位置之外，更會顯示深空天體的資料。只要在開啟Stellarium後，click入Deep Sky Object/深空天體，就會如上圖一樣，出現很多有黃色標記的星體，這些星體就被稱作深空天體。

一般而言，天體的種類及目視星等都是值得留意的項目，以便我們判斷該星體是否適合進行觀測。在觀測條件低的香港，即使出動到大口徑的望遠鏡，很多天體都因為太暗而不容易觀測得到。另外，若果我們的目標是星雲(Nebula)，因為其本質比較矇矓，看起上來會像一層霞氣，灰灰白白的，不太明亮，所以，若果不花一點眼力，其實也不容易觀測得到。

NGC 7000 北美州大星雲

7.      熟悉的八大行星及它們的衛星

太陽系的行星大家都相當熟悉，有水星(Mercury)、金星(Venus)、地球(Earth)、火星(Mars)、木星(Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)及海王星(Neptune)，而曾經的行星－冥王星(Pluto)則在數年前被降格成矮行星。前四者被歸類為類地行星(Terrestrial Planet)，而後四者則為氣體行星(Jovian Planet)。一般而言，類地行星都比氣體行星細小得多，舉例說，最小的氣體行星海王星的平均半徑大約為24,500公里，而最大的類地行星地球則為6,400公里，如此分別便相當明顯。

氣體行星，顧名思義，主要是由氣體組成，通常都會含有大量的氫氣、氦氣，同時亦有少量的甲皖及有機化合物，而其內層則是由重金屬和冰組成。相對的類地行星，則通常只由岩石組成，而在表層則可能有一層大氣層，由質量較高的氣體構成，譬如二氧化碳，而地球則有大量的氧氣和氮氣。

在夜晚觀星時，除了欣賞星圖裏面各個星座的恆星之外，行星亦是觸目焦點之一。當太陽光到達行星時，光便會在行星表面反射，然後回到地球。雖然說這些行星都不懂自己發光，但由於和地球距離都比除太陽以外所有恆星近（第二最近地球的恆星是半人馬座的南門二，距離約為4.3光年，亦即40,700,000,000,000,000米），所反射出來的光芒特別的光，當中木星、金星和水星都比夜空裏大多數的恆星光得多。

        附二：太陽系主要星體星等表

星體	星等	和地球距離
太陽	-26.71	1 AU
水星	-0.54	0.61 AU
金星	-3.32	0.28 AU
月球	-12.74	0.00256 AU, 即384,000 km
火星	0.48	0.52 AU
木星	-1.78	4.20 AU
土星	0.68	8.54 AU
天王星	6.09	18.19 AU
海王星	7.71	29.07 AU
冥王星	14.20	38.48 AU

註: 1 AU 定義為太陽和地球的距離，其數值為 1.5 x 10^11 m。

還記得附一的星空二十大亮星表嗎？最光的天狼星也不及木星和金星光！

8.      行星的相位

另外，所有繞著太陽走的行星都有相位。何謂相位？譬如說，月球圍著地球轉，初七時我們會望見娥媚月，初九時我們會看見盈凸月，到接近十五時則有滿月。相位現象之所以發生是和這些星體與太陽的相對位置有關。

再以金星為例，如果它剛好在太陽和地球中間，由於太陽的光會照射在金星背和我們的一面，所以我們看到的金星也只會是黑色一片。但當太陽大約在金星和地球之間，由於太陽的光能在到達金星表面後再反射回來地球，我們便能很清楚望見金星的全貌。然而，外側行星，則軌道半徑大過地球的行星，一樣也會有相位，但其明顯程度則較內側行星水星和金星為低。

所以，我們在觀測水星和金星時或許會發現其光芒比其他星體特別明顯，這或許是因為相位的影響，使到所反射的太陽光顯得較為七綾八角。

9.      特別的行星 － 水星和金星

或許有人對你說過，水星和金星不曾出現在夜空之中，反倒在晨暮時份才有一面之緣。事實上，水星和金星，相比地球來說是內側行星(interior planet)，亦即處於地球和太陽之間，如果我們要觀測此兩顆行星，就必需要面向太陽。日間陽光猛烈，而光線又會在大氣層散射，要觀測它們也不是易事。所以，一般人都會在黃昏或日出前的時份觀測水星和金星。若它們在日出前升起，就會被稱作晨星，相反則叫作昏星。