第 三 章 從地球看太空3-1 認識星空3-2 觀察星空3-3 繽紛的天體世界

認 識 星 空天球的概念星座的概念星球的亮度與顏色

天體的運動宇宙觀的演進

– 托勒密的『地心說』 --- 天球的概念– 哥白尼的『日心說』

日、地、月體系– 地球每日自轉一周、每年繞日公轉一周– 月球每月繞地球公轉一周 (自轉週期與公轉週期相同 )→朔望月– 太陽除了本身自轉外，也帶領著所有太陽系成員繞行銀河系中心 (週期約二億年 )

天球的概念所有的天體不管距離多遠，看起來都分佈在一個遠方極大的球面上，這就是天球。

– 天球赤道：地球赤道向外投影到天球上的大圓，可將天球分成北天和南天兩個半球– 天球極軸：通過地球南北極的地軸向外延伸之假想軸線，與天球的交點稱為天球北極和天球南極

天球座標（赤道座標系統）

天球儀

星 座為了方便表示星球位置，西方將天球劃分成 88 個大小不一的天區，分屬於88 個星座，就如同在地表區分不同國家或鄉鎮。再依照人物、動物、器物命名，如天鵝座。中國古代將全天分成三垣、二十八宿等天區。同一星座的群星只是恰好在同一個天區，而彼此之間常毫無關係，如獵戶座群星。

繁星滿天，如何辨識與稱呼？星 球 看 似 排 成 某 些 特 殊 的 圖 案 ？

獵戶座參宿四： 540 光年

參宿七： 910 光年

夏季大三角與銀河

台灣地區夏季易見的星空

織女星

天津四牛郎星

如何區分恆星

亮 度顏 色

天鵝座

亮 度 亮度是指地球上所見恆星的明暗程度。 古希腊天文學家希巴卡斯將天上的恒星，依肉眼可辨的不同亮度，分為６個等級。 通常以星等（視星等）來表示恆星的亮度，星等數值愈小、看起來愈明亮。

– 一等星比二等星亮。– 最亮的星星定為１等星，越暗的星等越大。

星等每相差 5等，亮度差 100 倍 星等每差一等，亮度比約為 2.51 倍。

– 一等星與六等星差五個星等，亮度差 100 倍。 亮度與發光能力成正比、而和距離平方成反比。

– 太陽 ? 最亮 ? – 看起來最亮是因距離近，其發光能力只能算中等。

恆星的命名主要亮星大多有它專屬的星名，例如：織女星 、牛郎星等。 其他暗星怎麼辦？恆星統一命名原則：

– 依同一星座中恆星的亮暗程度，以 24 個小寫的希臘字母的順序（ α 、 β 、 γ 、 δ 、 ε..... ）來命名。織女星是天琴座最亮的星，故稱為天琴座 α 星。河鼓二為天鷹座 α 星，俗稱牛郎星或牽牛星。

– 更多的暗星再系統的依明暗順序、位置來編號。

常見星體的視星等值恆星 / 望遠鏡 視星等

太陽 -26.8滿月 -12.6

金星最亮時 -4.0天狼星 -1.5織女星 0.0北極星 2裸視極限 6

5 米口徑望遠鏡 24哈伯太空望遠鏡 30

亮星中西名稱對照 ( 要記 !!)

中文名 西文名天狼星 Sirius 大犬座α星 αCMa A織女星 Vega 天琴座α星 αLyr參宿四 Betelgeues 獵戶座 α星 αOri參宿七 Rigel 獵戶座β星 βOri心宿二 Antares 天蝎座 α星 αSco A

亮度與距離平方成反比隨著距離增加，相同面積上收到的能量減少，星球看起來較暗。

獵戶座

參宿四： 540 光年

參宿七： 910 光年

顏 色– 受熱的鐵棒，溫度不斷升高（由左向右），造成鐵棒發光顏色由紅黃趨於藍白。– 因此恆星的顏色亦與其表面溫度有關，星球表面溫由低至高依序為紅→黃→白→藍

小小測驗：那個溫度低？溫度低

溫度高

絕對星等將星星統一放置於 32.6 光年的地方，比較其亮度。

北極星北極星是顆二等星，亮度並不耀眼，但因地球自轉使得眾星看起來繞天北極（北極星）轉。猜猜看，哪顆是北極星？

P

每小時繞北極星轉 15 度 (B1→B2 ）

北

東西P

B1

B2

•人站著和地平面成 90 °

•北極星恒在北方

•看北極星的仰角 =人所在的緯度•周日運度 指地球的自轉

•北極星星光垂直向下且和赤道成 90 ° ，也和緯度線成 90 °

觀 察 星 空天體的運行

星體的周日運動( 地球自轉 )星體的周年運動( 地球公轉 )

季節的成因月亮的盈虧日食與月食天文觀測

太陽在天球中位置的變化黃道與天球赤道間有23.5° 的夾角。黃道與天球赤道兩個交點分別稱為春分點及秋分點黃道面最北方的點稱為夏至點最南方的點則稱為冬至點。

天 球春分 :3/21 夏至 :6/22 秋分 :9/23 冬至 :12/22

周日運動由於地球每天由西向東自轉一周，造成每天日月星辰東升西落因地球自轉軸對準北天極 (北極星 )方向，因此看起來恆星每天繞北極星運行一周

大氣的擾動—影響對星空的觀測 地 面 外 太 空

光 害背景太亮以致於暗星難以觀察

周年運動：星座的四季變化地球繞日公轉造成之現象：

– 四季星象的變化– 每過一天同一恆星約提早四分鐘升起– 太陽每個月經過黃道上不同的星座

變化週期為一年。

四季星象的變化

太陽每個月經過黃道上不同的星座 2 月 21日太陽移動至雙魚座，當晚夜空出現的為室女座

2/21

黃道上不同的星座 -(2)

恆星約提早四分鐘升起地球以太陽為參考點自轉一周，實際上會比轉360度還要多轉1度，必須多花費四分鐘左右，所以同一恆星每天提早四分鐘升起。

恆星約提早四分鐘升起地球以太陽為參考點自轉一周，實際上會比轉 360度還要多轉 1度，必須多花費四分鐘左右，所以同一恆星每天提早四分鐘升起。

天體運動日變化 A 點為正午時分，相反側 B為午夜每隔一天，地球公轉約 1°(0.986°)隔了一天，同樣的天體會提早出現約 4分鐘 A

A0.986°

B

由北極上空觀察地球，地球為逆時針自轉，即為自西向東轉。地球自轉一圈：２４　小時。造成日、月、星辰均有東升西落的現象。地球的自轉軸對準北極星，故北極星天空中的位置固定不變，不會東升西落。日期 太陽直射 日出方位 日落方位 正午太陽仰角 正午影長　夏至６／２２

北緯２３．５ °

東偏北 西偏北 天頂９０ °

腳下一點

春分３／２１秋分９／２３赤道 正東 正西 南方仰角

６６．５ °南方

　冬至１２／２２

南緯２３．５ °

東偏南 西偏南 南方仰角４３ °

南方竿影

季節的成因季節變化的原因是陽光照射的角度改變，影響地表溫度及日夜長短。

– 地軸傾斜– 地球繞太陽公轉

季節變化並非日地距離所造成。– 每年大約 1 月 2日，為地球的近日點，但此時正是北半球冬季，而南半球則為夏季。

直射、斜射的能量變化光線垂直照射時，能量分布在圓形的最小面積；而當 光線斜射時，則分布在較大的橢圓形內，因此單位面積內接收到的能量比較少。

台灣地區太陽的升落軌跡

月相盈虧變化

日 食日食發生於朔（農曆初一）日月地成直線

日 環 蝕

月 食月食發生於望（農曆十五）日地月成直線

月 全 食月球完全地進入地球的本影時，月球並不會完全地消失於天空中；因為當太陽、地球及月球連成一線時，地球的大氣層會把太陽光中紅色的部份折射到月球表面上；故此月全食時月球是呈紅色的

月食原理

圖片來源：南一版基礎地球科學第九章

月食紀實

地球本影

日食原理

圖片來源：南一版基礎地球科學第九章

日月食原理和種類

圖片來源：南一版基礎物理

日食紀實

增加影像的穩定度與解析度將天文台設置在高山上

– 可觀測日數多– 影像穩定– 光害少– 消光少

將望遠鏡放置於外太空– 哈伯太空望遠鏡

影響天文觀測的因素地球的大氣層

– 地球大氣會吸收（擋住）絕大部分來自天外的電磁波– 大氣的擾動造成星體影像的模糊

人為干擾– 廢氣、煙霧與光害– 人為無線電訊號

大氣對電磁波的吸收•地面只能接收無線電波及可見光波段•其他波段需利用飛機、高空氣球或太空望遠鏡

夏威夷火山頂上之天文台標高四千二百公尺左右之夏威夷毛納基亞山火山，是地球上最佳的天文觀測地點，此地一般海面的低層雲高度只有一五○○公尺左右，所以完全不受雲霧的影響，且無光害及污染。

哈伯太空望遠鏡離地六百公里高空繞著地球運轉的哈伯太空望遠鏡，因為在大氣之上，免除了大氣干擾，雖然口徑並不大，但影像解析度比地面上最好的望遠鏡好上十倍。

恆星與行星觀測上的差異恆星 行星

相對位置改變不多 在恆星間遊走點光源 盤狀會閃爍 不閃爍

星系 (galaxy)

宇宙中，星球間的距離非常遙遠。但由各大的尺度觀看，許多星球、氣體及微塵，因相互引力而集合在一起形成了星系，是構成宇宙的基本單位。

太陽以及其他數以千億計的恆星群集在一起構成的星系，特別稱為銀河系 (Milky Way) 。星系依形狀分為橢圓、螺旋（正型螺旋和棒狀螺旋）和不規則星系。

宇宙的組織

星際雲氣 雲氣由太空中的氣體及塵埃組成，恆星誕生於雲氣濃密處。

– 左圖為發光雲氣，雲氣反射鄰近亮星的光線，且受星光激發而發光。– 右圖為黑暗星雲，因為塵埃特別濃密而遮蔽後方的亮光。圖中的黑暗星雲恰巧形成像馬頭的形狀。

銀河系

球狀星團此球狀星團據估計包含了約 100萬顆恆星。

星系的種類

橢圓星系

不規則星系

棒旋星系

正旋星系

仙女座大星系位於仙女座方向，是個大型星系，距離我們 230萬光年遠。外觀與銀河系類似，也有螺旋結構。

仙女座衛星星系

大、小麥哲倫星系銀河系的衛星星系，距離我們只有十幾萬光年遠，為不規則狀星系，可見於南半球的夜空。

星系團星系並非均勻分布在太空中，而常集結成群，構成更大的組織稱為星系團。有些包含超過上千個星系，有些則少得多。銀河系與大、小麥哲倫星系及仙女座大星系等 30多個星系所構成的星系團，稱之為本星系群。

本章重點回顧 何謂星座 亮度與星等 天體的視運動 視差現象 天文觀測與電磁波 望遠鏡的功能與結構

網路資源 陳文屏教授個人網站 TAS 臺灣天文網 每日一天文圖 ( 成大物理中文站 ) 美國「太空望遠鏡科學中心」 美國「噴射推進實驗室」（ JPL ） 美國太空總署（ NASA ） 清華大學清蔚園天文館

1. 轉動星圖，使觀測時間與日期對齊，缺口即顯示當時應該可看到的星空2. 將星座盤的北方與地理北方對齊，拿到頭上與實際星空相比對

天文望遠鏡 telescope 地面光學望遠鏡

鹿林山 (Taiwan) 日本 Subaru 美國 Hawaii

電波望遠鏡-波多黎各-VLA 新墨西哥•軌道衛星–哈伯–錢德拉

10-4 B 光學望遠鏡 依據成像原理，可分成反反射射式和折折射射式兩種。

同口徑的反、折射式相比 反射鏡具有鏡面研磨較容易、鏡片容易支撐和鏡筒較短等優點 目前大型望遠鏡都採用反射式。

b1 折射式望遠鏡及成像原理聚光力 , 解析力 目鏡物鏡

解析力 :鑑別兩顆星的能力　口徑大，解析力大

色差折射式望遠鏡的缺點

b2 反射式望遠鏡及成像原理

物鏡 目鏡( 凹面鏡聚光 )

牛頓 Type

蓋賽格林 Type

像差反射式望遠鏡的缺點

(球面鏡 ) (抛物面鏡 )

望遠鏡三大能力聚光力、解析力、放大力

口徑 D 愈大聚光力愈強、解析力愈高。 倍率藉由目鏡焦距改變來調整。

倍率　＝　 目鏡焦距 fe物鏡焦距 Fo

放大率 (Magnification ;MX )i. 　MX 　 = Fo ／ Fe 〔物鏡焦距 Fo 與目鏡焦距 Fe 比值〕ii. 倍數迷思 :進入鏡筒的光為定值，放大影像，影像變暗iii. 不同焦距的目鏡，不同的放大率。 iv. * 買望遠鏡：口徑愈大愈好。 v. 雙筒望遠鏡　7 x 50 (7 倍， 50mm)

放大倍數

望遠鏡的解析度

解析力強

Poor

選擇望遠鏡的考量i. 聚光力與口徑 D 平方成正比口徑愈大，聚光能力愈強。例：人眼瞳孔 D=0.8cm，望遠鏡 D=24cm　　聚光力＝ (24/0.8)2 ＝ 900 ｘ　 ( 倍 )ii. 解析力與口徑 D 成正比口徑愈大， 解析力愈強 ( 可解析角度愈小 )解析角 ( 秒角 ) ： α= 1.22 λ/D。

望遠鏡架台：赤道儀和經緯儀

c3 電波望遠鏡成像原理

見圖示資料來源： Michael A. Seeds ， 1994 ， Foundations of Astronomy， Wadsworth Publishing 　　　　　 Company， P.128 。

接收

放大器 電腦記錄器

碟型天線(反射器 )

美國 　波多黎各300m Arecibo 電波望遠鏡

資料來源： Michael A. Seeds ， 1994 ， Foundations of Astronomy， Wadsworth Publishing 　　　　　 Company， P.129 。

固定式多面調整式

接收器

美國新墨西哥州電波望遠鏡 VLA 非常大陣列

資料來源： Michael A. Seeds ， 1994 ， Foundations of Astronomy， Wadsworth Publishing 　　　　　 Company， P.129 。

數據處理中心

移動式天線

望遠鏡 １０－４內容 http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab

/e_book/telescopes/telescopes.html

望遠鏡的功能 收集光線－使影像變得更明亮

集光力－直徑越大，集光力越強 口徑 10m的望遠鏡集光面積是口徑 1m的 100 倍，能看見暗 5個星等的天體

放大影像 看得更清晰－解析力

折射式望遠鏡 常用單筒、雙筒望遠鏡均屬之 物鏡：凸透鏡

缺點：容易有色差、物鏡製作不易價格昂貴、僅靠鏡片邊緣支撐，口徑無法超越 1m 優點：保養較容易、影像品質佳

反射式望遠鏡 物鏡：凹面鏡

優點：沒有色差、物鏡製作容易價格較低、鏡筒較短 缺點：保養較不易

現代大型天文望遠鏡均屬之

單元介紹

腳架

鏡筒

赤道儀

單元介紹

腳架

赤道儀

鏡筒尋星鏡

赤經旋鈕

赤緯旋鈕

調焦鈕極軸鏡

極軸仰角微調

天頂稜鏡

f = 1 2 m m

D = 1 3 0 m mF = 7 2 0 m m

甲

乙

丙

戊

丁

配備 甲－尋星鏡 乙－物鏡 丙極軸望遠鏡 丁－重錘 目鏡 天頂稜鏡

功能 尋找星星 聚集星光 對正北極 平衡鏡身 觀看星星 方便看天頂

功能D = 130 mmF = 720 mm f = 12 mm

其他偵測器 眼睛 長時間收集星光

底片 電子偵測器，如：攝影機等

現代天文觀測目前世界最大口徑的光學望遠鏡 (10m)位於夏威夷

無線電波望遠鏡陣列，位於美國新墨西哥州哈柏太空望遠鏡

哈柏太空望遠鏡

地面觀測 哈柏太空望遠鏡的觀測

望遠鏡的構造與操作

認識望遠鏡的外部構造及功能。 瞭解望遠鏡的操作。

要準備的器材有： 雙筒望遠鏡 反射式或折射式（赤道儀）望遠鏡

望遠鏡的架設赤道儀 經緯儀

對準北極星對準北極星

記錄 1

繪出在學校所使用的望遠鏡外觀，同時標出各部分的名稱及功能。

記錄 2

使用雙筒或天文望遠鏡觀察遠方景物（白天）或月球（晚上）表面，繪出看到的景象，並說明用望遠鏡與用裸眼看到的有何不同？如果是使用天文望遠鏡，更換焦距不同的目鏡，之後所觀測到的景象有何不同？ 不同目鏡焦距不同，觀測到的物體大不同目鏡焦距不同，觀測到的物體大小不同，目鏡焦距越短，放大倍率越小不同，目鏡焦距越短，放大倍率越大，視野越小。大，視野越小。

月表景象

記錄 3

描述你所看到的太陽盤面，上面有太陽黑子嗎？若有，繪出黑子在盤面上的位置。（想一想，如何判別影像的方向？） 千萬不可直視太陽！！千萬不可直視太陽！！ 當太陽影像因地球自轉移動時，影像前進當太陽影像因地球自轉移動時，影像前進方向為西方；另一方法則是將已知方位的方向為西方；另一方法則是將已知方位的望遠鏡轉動一下，看看太陽影像如何移動望遠鏡轉動一下，看看太陽影像如何移動。。

太陽盤面

西東

北

南

記錄 4

你觀測哪一顆行星？請繪出從望遠鏡目鏡中所看到該行星的景象。描述你看到的各種特徵，例如：顏色及相對大小等。 一般行星可以看出如圓盤狀，而不再是一般行星可以看出如圓盤狀，而不再是光點，天象良好情況下，可以看到木星光點，天象良好情況下，可以看到木星的大氣條紋、土星的光環及他們的衛星。的大氣條紋、土星的光環及他們的衛星。

記錄 5

繪出你看到的北斗七星與地平線的相對關係。