星空中的時間－藍色情懷

星空中的時間

雙生姐妹 … 雙生子的故事…
　　愛因斯坦在「狹義相對論」中探討到一個雙生子的年齡問題，若其中之一乘坐太空船以近光速在臠生兄弟太空飛行了 10 年，當他回到地球時竟然看到自己的孿生兄弟 ( 或姐妹) 已是年邁的年歲了。你覺得這是可能的事嗎 ? 看看展示版上的圖說，想想看再找人討論 !

熱輻射 … 星光呈現的奧秘…
　　所有物體都會因著它表面的溫度，以電磁波的形式發出熱輻射。這些電磁波通常可依據它的波長，不同而大致區分成無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光、X光、伽瑪光等。上圖表說明我們觀測到的星光，都僅是星球大氣層表面氣體的溫度，和輻射出來的各個波地面可觀測到可見光和無線電波段之電磁波。我們也僅能利用各個波段電磁波的偵測器 (俗稱天文望遠鏡) 分別去觀測它們。

　　約在 1814 年，光譜科學家由太陽光譜的觀察發現某些元素會形成吸收譜線，進而瞭解到熱的物體 (包括熱的固體、液體或高密度氣體) 都會發出「連續光譜」、照射激發低密度氣體則會發出星光光譜和在傳遞過程中路經星際雲氣可能產生的變化「放射光譜」、連續光經過低溫且低密度氣體會呈現「吸收光譜」等事實。而在星光觀測時 (1823 年) 也發現相同譜線，促使天文學家對於星球光源和傳遞到我們地球的過程，有了理論的依據和探究星球與星雲組成元素的方法。

紅位移和藍位移成因 … 星光變化的奧秘…
　　光譜科學家從太陽光譜的觀察，瞭解到熱的物體表面都會發出「連續光譜」、照射激發低密度氣體則會發出「放射光譜」、連續光經過低溫且低密度氣體會呈現「吸收光譜」等事實。促使天文學家對於星球光源和傳遞到我們地球的過程，有了理論的依據和探究星球與星雲組成元素的方法。接著又從恆星和我們地球連線間的相對運動，發現了在光譜上的「都卜勒效應」。當一星體遠離我們而去時會有光譜「紅位移」現象，而當一星體接近我們而來時會有光譜「藍位移」的現象。進而對於絕大多數的星體觀測之後，天文物理學家推斷出宇宙正在膨脹中，因而提出了「大霹靂」的宇宙起源說法。

　　1911 年，愛因斯坦發表「廣義相對論」，闡述重力的本質是導因於物質的分佈而彎曲了鄰近的「時間─空間」結構。當另一物質在此凹陷彎曲的時空結構中運行時，它的行進行為、路徑正如被凹陷彎曲時空中的物質所吸引而產生偏折。故依據愛因斯坦廣義相對論，知道當光經過有物質分佈的彎曲時空時，會造成光的偏折現象。但並不是所有被偏折的光都會被我們觀測得到，唯有極少數正位於與我們觀測點有某特定角度（至多約 10 秒弧）內彎曲的光才會被我們發覺。 1979 年，天文學家 Carswell、Walsh 和 Weyman 吃驚地發現兩個極為靠近的似星體，它們的發光情形完全一致。這種類似的現象後來發覺屢出不窮，他們解釋此現象是原本單一的發光體，所發出的星光在彎曲時空裡經過不同的路徑而被我們觀測到，這種現象稱之為「重力透鏡」的「海市蜃樓(mirages)」效應。

◇ 當光經過有物質分佈的彎曲時空時，會造成光的偏折現象。	◇ 重力的本質是導因於物質的分佈而彎曲了鄰近的「時間─空間」結構。	◇ 重力透鏡
◇ 愛因斯坦環: 躲在星系雲氣後的星系現形了。離我們較近處由眾多黑暗物質組成的星系雲氣（呈黃色），正如同一具大型的透鏡，使得離我們較遠處的星系（呈藍白色）光看起來像圍繞在它們四周，呈虹弧形狀。		◇ 愛因斯坦十字

黑洞兩極噴流 … 恆星兩極噴流的奧秘…
　　天文物理學家推斷，一顆新恆星的誕生過程是由於重力的吸引，使得散佈在宇宙中的混亂雲氣形成了塊狀物質，這些塊狀物質進而在激烈的震盪下點燃了核融合，因而產生了一顆新的恆星。在星球一生演化過程中，產生了精彩的轉折變化，如恆星的誕生、超新星爆發、白矮星或是中子星、黑洞等階段，都有令人激賞讚嘆的「星球噴流」演出。這些不同階段的共同特徵是位於星球兩極會有向外太空進行大量噴流的現象，彷如在寂靜廣大的太空中施放煙火。
　　新的觀測顯示在此恆星演化的過程中，新恆星在形成的初期也會在旋轉、壓力平衡和收縮的過程中輻射電磁波或噴放出大量氣體，這種噴流也是在轉軸的兩極附近特別明顯；由噴流釋出的大量氣體並進而與其周圍之星際雲氣結合，逐漸形成了碟狀環帶渦流雲氣，這些雲氣將逐一地形成行星。

恆星兩極噴流噴流機制示意圖	黑洞兩極噴流的過程想像圖，黑洞強大的重力正吞噬著鄰近星球的雲氣。黑洞所吞噬的物質形成了不穩定的狀態。黑洞正進行兩極方向的巨觀噴流。經過巨烈的噴流後，黑洞又趨於穩定。黑洞持續的進行吞噬著鄰近星球的雲氣，不久後將會有第二波的噴流產生。遠觀黑洞進行一波接著一波的噴流所形成的南北方向對稱景觀。	哈柏太空望遠鏡發現位於武仙座方向的宇宙深處，距離我們約6百億光年外的一次巨大超新星爆發，從1997年5、6月間前後的照片顯示，可以看出這次突然出現的巨大超新星爆發之威力，目前尚不清楚它的成因。
1987年發現在大麥哲倫星系的超新星爆發（supernova）（定名為SN 1987A），經過十多年來的觀測，發現它向兩極方向所噴流的大量物質，其速度可高達每秒約1萬5千公里（如圖左所示），大量且高速的物質流動所產生的振波（shock wave）造成了鄰近的恆星發出強烈的X光和無線電波。	1997年底美國太空總署發佈哈柏太空望遠鏡所拍得的一系列照片，顯示各種星雲由垂死星球的兩極陸續向外進行超熱噴流和星球高速自轉所構成的壯觀景象。從星球中心噴射出的每股氣流在星球的反方向也有對稱的氣流呈現。	1997年9月10日哈柏太空望遠鏡利用紫外光攝得位於活躍星系NGC 6251 中心處有一顆週遭已空無一物而裸露於太空中的黑洞正在噴流的情景。依據愛因斯坦在1911年提出的彎曲時空的「廣義相對論」，模擬所繪出黑洞兩極的噴流及噴流造成黑洞周圍時空的拖曳現象。

… 星球演化的奧秘（1）…
　　滿天的星斗，你對這些閃爍恆星的來朧去脈身世知道的有多少？何不讓我們現在就來做個身家調查吧！瞭解一下它們是怎麼來的，又會是怎樣的演化，並預計一下它們的歲月和結局將如何？
　　依據赫羅圖的顯示，描述恆星的特徵參數有質量 (M)、光度 (L, 圖上的縱軸標示)、溫度 (T, 圖上的橫軸標示)、顏色 (C, 圖上的橫軸標示) 和演化時間 (T)。通常我們都以太陽的條件當作單位標準，用以瞭解各個恆星的質量、光度、溫度、演化狀況等特徵參數大小。
　　天文物理學家推斷，一顆新恆星的誕生過程是由於重力的吸引，使得散佈在宇宙中的某一區域混亂雲氣聚成團狀的星際雲塊。理論上，當這星際雲塊受到激波的衝擊後，會再憑藉著自己的重力逐漸收縮成分子雲塊，然後這分子雲塊進而在激烈的震盪下和重力收縮形成高密度、高溫度的核心，終而點燃了核融合，從核心的核融合驟然所發出的亮光，即宣告了這顆新恆星的誕生。

觀測到的

HH1-2 恆星誕生時兩極形成的對稱噴流

恆星的一生

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… 星球演化的奧秘（2）…
　　新恆星初成，由於核融合的巨大能量驟然呈現，會使得在旋轉、壓力平衡和收縮的過程中，從新星的南北極附近壯觀地噴流出大量的氣體和輻射電磁波。由新恆星兩極噴流出的大量物質與其周圍之星際雲氣結合，逐漸在旋轉的恆星赤道面上形成了行星環狀雲氣盤面，或可進而形成一個仿如太陽系一般的新恆星與其行星之體系。
　　稍後新恆星內部核融合生成能量所造成的壓力，足以阻止重力的繼續塌陷，而達到穩定的階段，也就是這顆星在赫羅圖上進入了主序星帶的時候。在主序帶上的恆星稱之為主序星，太陽也是主序星。現代天文學家已知道，恆星的一生大部份都在主序帶上度過，在主序帶上階段的星球中心都正在進行著氫融合反應。

… 星球演化的奧秘（3）…
　　決定恆星一生最重要的因素是它的質量。赫羅圖左上角是質量大、體積大、溫度高、光度大呈藍色的星，稱為「藍巨星」；而右下角正相反，呈紅色的星。赫羅圖的右上角的恆星光度高、半徑大，表面溫度卻低而偏紅的星體，稱之為「紅巨星」。赫羅圖左下角是質量小、體積小、光度低，但溫度卻很高而發偏青白色光，因而稱為「白矮星」。
　　星球的一生演化路徑大致上可分成兩條。質量比 4 倍太陽質量小的恆星，它們大多是由太空中的雲氣受重力吸引聚集收縮而誕生，而且慢速地演化到主序帶上呈黃色星體，然後可在主序帶上穩定停留數百億年之久，等到星球中心的氫經氫融合成氦而用完。接續的氦融合成碳的核反應階段，星球外層會膨脹而成紅巨星。若質量比太陽小的恆星在中心氦用完後，就無法再產生能量而逐漸冷卻成小白矮星。

赫羅圖	哈柏太空望遠鏡所攝得一顆一千五百光年外的強大威力氣體噴流現象，經確認後知道是發現新恆星的誕生及其行星環狀雲氣盤面的形成過程。	恆星的一生示意圖
星球外層會膨脹而成紅巨星		白矮星

… 星球演化的奧秘（4）…
　　介於 1.4 倍和四倍太陽質量間大小的恆星，在紅巨星階段將反覆收縮、膨脹成為「變星」，且會有一部份能量以反彈波的形式向外傳遞而在短時間內將外層炸散，發出極大的能量和亮光，彷如一顆超亮星球的突然出現，這時稱之為「超新星」。星球演化在此階段失去足夠質量，最後星球中心質量會剩下不到 1.4 倍太陽質量，而成「白矮星」，再冷卻成紅矮星，最後以無法發熱的黑矮星終其一生。
　　另一條演化路徑是針對比 4 倍太陽質量大的星體，它們誕生後大多是快速地演化到主序帶上呈藍色的星體，然後在主序帶上穩定停留數十億年，等到星球中心的氫經氫融合成氦而用完。接續的氦融合成碳的核反應階段，星球外層會膨脹而成超大的紅巨星。又經超新星爆炸的過程後的星球中心繼續收縮而成「中子星」。大致上約小於 8 倍太陽質量的較重星體會留下「中子星」為殘骸。
　　質量為 8 倍太陽或更重的星球將會繼續收縮，將質量集中於極小的空間，因為重力極強，致使連光都無法逸出而顯得黑暗，這種星體連同附近極暗區域稱為「黑洞」，是最重型的恆星的遺骸。

超新星的中心可觀測到一顆體積小但質量大的星體

黑洞附近示意圖

中子星示意圖

… 星系演化的奧秘（1）…
　　上世紀(20 世紀) 初，偉大的天文科學家哈柏 (Hubble) 的早期研究工作就是分類出星系種類結構圖。他將星系的不同類型區分成橢圓星系 (elliptical galaxies) (依扁平情況以 E0 (圓球形)、E1、E2、、、E7 標示)、旋臂星系 (spiral- galaxies) (依旋臂緊密或開放情況以 S0 (盤碟狀但無旋轉臂)、 Sa (有緊密的旋轉臂)、Sb、Sc (有開放的旋轉臂) 標示)、棒狀旋臂星系 (barred-spiral galaxies) (以 SBa (有棒狀和緊密的旋轉臂)、SBb、SBc (有棒狀和開放的旋轉臂) 標示)、和不規則形狀的星系(以 Irr 標示)，來辨識星系外觀的差異和試圖解釋各個不同類型星系之間的關聯。這會是和星系的演化過程有關嗎 ? 最近靠著電腦的模擬才促使星系形成的理論模型稍有進展。

哈柏分類出星系種類結構圖
M31 星系	M51 星系	NGC 1365

… 星系演化的奧秘（2）…
M10

　　球狀星團 (globular cluster) 是明亮星球聚集的一種型態，這類星系的特徵是呈球狀對稱分佈於一球心周圍。此類星團組織緊密，星團內恆星數量至少也有數十萬顆，大多集中在星團的中心附近，球狀星團的範圍直徑約在數十光年至四百光年間。上圖是編號為 M10 的球狀星團，從照片的星光顏色顯示，鄰近球狀星團中央的恆星，除了自身的核心內正在進行「氫融合成氦」的最基本的核融合反應，以維持住恆星位處於主序帶上的穩定。另外，在恆星外圍的氣體隨著恆星晚年的演化而膨脹成「紅巨星」(圖中呈紅泛黃的星球)，以及正有足夠高溫進行合成碳元素的「碳氮氧循環」核融合反應 (圖中呈泛藍色的星球)。

… 星系演化的奧秘（3）…
　　橢圓星系 (elliptical galaxy) 是星球聚集的一種型態，此類星系的外觀在望遠鏡中呈橢圓球狀。或許可以如此地描述橢圓星系，它的外觀和我們的銀河系是絕然不同的，像位於室女座球狀大星系團中心的 M87 橢圓星系是呈現為橄欖球狀，僅有少許的星際氣體和灰塵在其中，而且沒有渦旋的外圍結構。 M87 橢圓星系的此點特徵，和具有渦旋臂且呈現扁平狀的銀河系外觀是不一樣的。

半人馬座 A 是個橢圓星系，由無線電波段可觀察到有物質從星系中央噴流而出。

以不同電磁波段拍攝到位處室女座距離我們五千萬光年外的 M87 星系核心黑洞噴流情景。

… 星系演化的奧秘（4）…

　　旋臂星系 (spiral - galaxies) 是星球聚集的一種型態，此類星系的外觀在望遠鏡中顯現多呈扁平而中央凸隆、外圍結構像漩渦般往外發展。我們的銀河系就是一個旋臂星系。星系中令人迷惑的不只是那些可見光能看得見的結構部分，而那些非可見光所能看到的區域更是令人迷惑。就以 NGC 1232 （如右圖）大旋臂星係為例，近來透過地面非常大型無線電波陣列望遠鏡 (Very Large Telescope) 的觀測，除了觀測到數百萬顆亮星和暗的塵埃在重力作用下形成對稱於中心環繞的渦漩結構，以及有開放星團分佈在其旋臂上，且在旋臂的分支上佈滿了稠密的星際塵埃，又見到了一些灰暗的恆星正被這些星際塵埃所籠罩，形成 NGC 1232 大旋臂星系內部星際塵埃運行的重大機制。這些肉眼所難見著的星際塵埃會不會又要生成其他星體 ? 還是它們會和黑暗物質有某些關聯呢 ?

… 星系演化的奧秘（5）…

　　星系的不同類型中，有一種棒狀旋臂星系 (barred-spiral galaxies) 和一般所認知的旋臂星系兩者頗為相似，但在望遠鏡中仔細地查看仍可以看出它們的差異所在，那就是某些旋臂星繫在靠近中央的區域，竟然彷彿是由一根棒狀的臂帶動著外圍的旋臂繞其中心旋轉。 NGC 1365 棒狀旋臂星系（如左圖），到底這種既帶棒狀於內部區域，而且又有渦漩狀分佈於外圍的星系是如何形成的呢 ? 最近靠著電腦的模擬才使星系形成的理論模型稍有進展，假若初始時是一個旋轉的棒狀結構，由於分佈在此旋轉星系內部恆星之不穩定演化，使得重力場將會造成靠近星系中央的恆星達成穩定 (也就是恆星間的相關位置與物質的分佈不易變動) ，而外圍的渦漩狀結構的演化就和一般的旋臂星系之演化是相同的。

… 物質的分佈形成了時空的彎曲…
太陽附近時空　　1911年，愛因斯坦發表「廣義相對論」，闡述重力（就是牛頓所提的「萬有引力」）的本質是導因於物質的分佈而彎曲了鄰近的「時間─空間」結構。當另一物質在此凹陷彎曲的時空結構中運行時，它的行進行為、路徑正如被凹陷彎曲時空中的物質吸引般的偏折，甚至陷入其中。換言之，宇宙中像星體般的巨大質量，附近空間會形成巨大彎曲，當鄰近的物質接近而陷進彎曲的空間時，正可以解釋為什麼有一種稱為重力的力量會吸引鄰近的物質。物體在外太空中前進，除非進入行星或恆星的重力場所形成的時空彎曲範圍內，否則它將永遠循直線運行。物體以高速前進時，若受重力場影響，將會偏離原路徑。當物體以低速接近此星體時，將會被牽引成橢圓軌道而繞此星球運行。更慢的物體靠近時，則可能會直接撞擊這星體。
　　為了驗證愛因斯坦廣義相對論中所述「時空是隨著物質的分佈而彎曲」的正確性，他甚至推斷光經過強大的重力吸引也會有偏折的現象發生。一群科學家在 1916年一次日食的前夕，拍攝了一組夜晚的群星相片，次日在逢日全食的時候，在同一地又拍攝這組群星相片。比較之下正如愛因斯坦廣義相對論假想實驗之預測，發現第二張照片的星星位置已經移動了。也就是說，原本以為日食時無法見到當時太陽後面所掩住的星光，但照片所呈現日食當時仍觀測到了這顆星星，照片上顯示觀測當時星星有偏離原來位置的現象，驗證了「時空是隨著物質的分佈而彎曲」的論點。換言之，從重力能使光的行進路徑產生偏折的觀測中，知道物質附近的「時間─空間」結構是彎曲的。

物質造成了鄰近時空結構的彎曲，臨近的物體將受此彎曲時空的影響而改變原行進行為，仿如被此物質吸拉般的效果。這是愛因斯坦闡述牛頓未曾明示的「萬有引力（重力）」本質的示意圖。	愛因斯坦十字型 (Einstein Cross)的微觀重力透視效應
星空中的海市蜃樓 : 時空彎曲造成的透鏡效應	愛因斯坦彎曲的「時間─空間」示意圖

… 是否有時光的隧道？…
　　能回到過去嗎 ? 或是能勇闖未來嗎 ? 這是多少人的遐思與夢想。
　　我們知道天狼星距離地球約 9 光年。換句話說，天狼星現在發出的光要經過約 9 年之後才能到達地球，因此我們現在所看到的天狼星光是「過去」發出的。照樣，如果在天狼星上看地球的話，所見到的也都是地球的「過去」。假定有那麼一架望遠鏡，那麼從天狼星上就可以看到你 9 年前在地球上所做的一些事。但是你現在仍是活生生地位處於地球上，無法看到此「時光回朔」的景觀。
　　若是依據蟲洞的穿梭時空構想，當某人回到過去而遇到他的祖母正是年青貌美時，他們可以相愛嗎 ? 會不會因此不能誕生出他的母親呢 ? 也就不會有他的出現呢 ? ... 等等的倫理與因果的矛盾問題，你有辦法解決嗎 ? 所以有人就質疑蟲洞的穿梭時空構想是不可行的，至少在純屬時光的旅行隧道是有問題的。
　　難道沒有更好的方式可穿梭於時間問題上嗎 ? 科學家又想到另一種穿梭時間的構想，他們是想造一種可達無線長且超高速旋轉的時光機器，稱之為「宇宙旋」(Cosmic Strings)，來作為時間量度的新工具。你認為可行嗎 ?

… 是否有時光的隧道？…
　　你想要到星際間去旅行嗎 ? 難道必須以加上強大推動力的太空船才能做到嗎 ? 若真的需要如此，那遠在數十光年、甚至數十萬光年的星體附近，我們人類真的是永遠可望而不可及了。1985 年，美國物理學家 Kip Thorne 首先提出以「蟲洞穿梭時空」的構想。
　　或許有一天，科學家能以「反重力」方式掌控黑洞且能造出「蟲洞」，則我們就可以應用蟲洞來作為星際間旅行的安全模式。朋友，你認為可行嗎 ?