宇 宙 的 本 質

第 五 章

望 遠 鏡 及 電 磁 波

自 從 伽 利 略 首 次 利 用 望 遠 鏡 觀 測 星 空 開 始 ， 望 遠 鏡 便 成 為 人 類 研 究 宇 宙 不 可 或 缺 的 工 具 ，在 這 一 章 中 ，我 們 會 討 論 望 遠 鏡 的 構 造 和 光 波 或 電 磁 波 的 本 質 。

為 甚 麼 需 要 望 遠 鏡 ？

夜 空 中 大 部 分 天 體 皆 十 分 昏 暗 ， 望 遠 鏡 能 有 效 收 集 光 線 ， 讓 我 們 可 以 看 見 更 暗 的 天 體 。 由 於 望 遠 鏡 主 鏡 口 徑 越 大 ， 便 意 味 著 它 的 集 光 能 力 越 強 ， 即 它 的 能 力 亦 越 強 ， 難 怪 天 文 學 家 都 是 以 大 為 美 的 傢 伙 。

除 此 之 外 ，大 口 徑 望 遠 鏡 亦 會 提 供 更 佳 的 分 辨 率 ， 就 算 用 和 小 口 徑 望 遠 鏡 一 樣 的 倍 率 ， 影 像 看 來 也 較 細 緻 和 清 晰 。

基 本 來 說 ， 望 遠 鏡 主 要 有 三 大 類 ： 折 射 望 遠 鏡 、 反 射 望 遠 鏡 和 折 反 射 式 望 遠 鏡 。 折 射 式 望 遠 鏡 利 用 一 塊 凸 透 鏡 作 主 鏡 ， 以 收 集 及 屈 折 光 線 到 焦 點 上 。 反 射 式 望 遠 鏡 則 使 用 一 塊 凹 鏡 作 主 鏡 。 顧 名 思 義 ， 折 反 射 式 則 在 入 口 處 有 一 塊 稱 為 修 正 鏡 的 透 鏡 及 在 底 部 有 一 塊 凹 鏡 。 以 下 是 三 類 望 遠 鏡 的 構 造 圖 。

通 常 來 說 ， 除 了 一 塊 主 鏡 之 外 ， 望 遠 鏡 內 有 很 多 其 他 透 鏡 及 反 射 鏡 ， 把 光 線 導 引 及 屈 折 到 一 個 方 便 觀 看 的 位 置 上 ， 就 有 如 下 圖 所 示 。

常 見 的 誤 解 ：

  1. 很 多 人 以 為 大 型 望 遠 鏡 可 以 把 天 體 放 得 更 大 ， 事 實 上 望 遠 鏡 要 獲 得 很 高 的 倍 率 是 很 容 易 的 ( 只 要 改 用 較 短 焦 距 的 目 鏡 便 可 以 了 ) ， 但 就 算 是 大 型 望 遠 鏡 ， 倍 率 也 極 少 超 過 500 倍 ， 一 般 都 只 是 使 用 100 至 200 倍 。 其 實 大 望 遠 鏡 並 不 是 把 天 體 放 得 更 大 ， 而 只 是 提 供 一 個 較 光 和 較 清 晰 的 影 像 罷 了 ( 倍 率 是 物 體 視 大 小 的 放 大 比 率 ， 例 如 一 個 原 本 視 角 直 徑 為 1 角 秒 的 物 體 ， 若 放 大 後 的 視 大 小 為 30 角 秒 ， 那 麼 倍 率 便 是 30 倍 ) 。
  2. 「 究 竟 望 遠 鏡 可 以 看 到 多 遠 ？ 」 這 是 一 條 常 見 但 沒 有 意 義 的 問 題 。 其 實 ， 只 要 一 個 物 體 足 夠 光 亮 ， 無 論 距 離 多 遠 都 可 以 看 到 。 所 以 ， 正 確 的 提 問 應 該 是 ： 「 這 支 望 遠 鏡 可 看 見 多 暗 的 物 體 ？ 」
望 遠 鏡 的 支 撐 系 統 亦 非 常 重 要 ， 除 了 提 供 穩 固 的 基 座 ， 更 有 抵 銷 地 球 轉 動 ， 從 而 追 蹤 天 體 的 功 用 。

除 了 我 們 討 論 過 的 可 見 光 望 遠 鏡 外 ， 有 些 望 遠 鏡 是 用 來 觀 測 無 線 電 波 、 紅 外 線 、 X 射 線 或 伽 瑪 射 線 的 。 望 遠 鏡 亦 可 固 定 在 地 面 或 在 太 空 中 繞 地 球 運 行 。 太 空 望 遠 鏡 其 中 一 個 好 處 是 不 受 大 氣 層 ( 如 密 雲 或 大 氣 擾 動 ) 的 影 響 ， 下 圖 是 位 於 波 多 黎 各 一 個 山 谷 中、世 界 上 口 徑 最 大 、 直 徑 300 米 的 阿 雷 西 博 射 電 望 遠 鏡 。

鳴 謝﹕ 美 國 太 空 總 署 (NASA).

光 的 性 質

以 上 所 提 及 的 可 見 光 、 紅 外 線 、 無 線 電 波 等 等 ， 其 實 全 部 屬 於 電 磁 波 。 電 磁 波 是 電 場 和 磁 場 的 震 動 。 和 水 波 一 樣 ， 這 些 震 動 會 產 生 波 峰 和 波 谷 。 所 有 電 磁 波 在 真 空 中 皆 以 同 一 速 度 傳 播 ( 光 速 ﹐ c = 299792450 米 / 秒 ) 。 兩 個 連 續 波 峰 之 間 的 距 離 稱 為 波 長 ，而 電 磁 場 每 秒 的 震 動 次 數 則 稱 為 頻 率 。 在 真 空 中 ﹐ 電 磁 波 的 傳 播 速 度 (c) 、 波 長 和 頻 率 ， 有 以 下 的 簡 單 關 係 ：

(波 長) x (頻 率) = c .

光 的 顏 色 是 由 光 的 頻 率 所 決 定 。

可 見 光 的 波 長 介 乎 400 納 米 至 700 納 米 之 間 ( 一 納 米 相 等 於 10-9 米 ) ， 相 較 於 可 見 光 ， 紅 外 線 及 無 線 電 波 的 波 長 較 長 ， 而 頻 率 亦 較 低 ， 而 紫 外 光 及 伽 瑪 射 線 則 波 長 短 頻 率 高 。 下 圖 顯 示 了 地 球 大 氣 層 對 不 同 波 長 的 電 磁 波 的 阻 光 性 ， 雖 然 可 見 光 基 本 上 可 暢 通 無 阻 ， 伽 瑪 射 線 卻 會 被 大 氣 層 所 阻 隔 ， 所 以 伽 瑪 射 線 望 遠 鏡 必 須 要 放 入 太 空 軌 道 才 能 發 揮 功 用 。

怎 樣 可 以 產 生 光 ？ 我 們 不 是 上 帝 ， 當 然 不 可 以 說 一 聲 ： 「 要 有 光 」 ， 便 可 把 光 製 造 出 來 。 其 實 要 製 造 光 倒 不 難 ， 只 要 我 們 把 一 些 物 件 加 熱 便 行 。 溫 度 低 時 發 放 的 是 紅 外 線 ， 但 當 溫 度 繼 續 上 升 ， 物 件 會 首 先 燒 得 通 紅 ， 發 出 紅 光 ， 然 後 是 黃 光 、 白 光 ， 最 後 是 藍 光 。

事 實 上 ， 只 要 溫 度 高 於 絕 對 零 度 ， 物 體 皆 會 放 出 不 同 頻 率 的 電 磁 波 。 若 我 們 以 輻 射 的 強 度 為 縱 軸 ， 輻 射 頻 率 為 橫 軸 ， 繪 畫 出 一 幅 圖 表 ， 我 們 會 得 出 輻 射 的 光 譜 ， 這 圖 表 又 稱 為 黑 體 輻 射 光 譜 。 對 於 溫 暖 的 物 體 ，光 譜 的 峰 值 為 紅 光 ； 較 熾 熱 的 物 體 ， 峰 值 會 移 至 黃 光 ， 餘 此 類 推 。 因 此 ， 我 們 可 以 根 據 恆 星 的 顏 色 ， 得 知 它 的 表 面 溫 度 。

在 現 實 世 界 中 ， 通 常 光 譜 都 不 會 如 上 圖 所 示 般 連 續 ， 例 如 恆 星 的 光 譜 中 ， 便 有 大 量 的 吸 收 線 或 發 射 線 。 這 是 由 於 低 壓 原 子 會 吸 收 或 發 射 特 定 頻 率 的 光 線 ， 假 若 有 譜 線 為 連 續 的 光 通 過 這 些 原 子 ( 例 如 恆 星 的 表 面 大 氣 ) ，這 些 原 子 便 會 吸 收 了 特 定 頻 率 的 光 線 ， 形 成 在 光 譜 中 有 吸 收 線 的 現 象 。 同 理 ， 假 若 這 些 低 壓 原 子 發 射 光 線 ， 便 會 成 為 發 射 線 。 不 同 的 物 質 會 有 不 同 的 吸 收 或 發 射 線 。 只 要 小 心 分 析 恆 星 光 譜 中 的 吸 收 線 ， 便 可 以 找 出 恆 星 表 面 的 物 質 成 分 。

多 普 勒 效 應

當 發 射 波 動 的 物 體 正 在 向 你 移 動 時 ﹐ 你 測 量 得 的 頻 率 將 會 高 於 發 射 的 頻 率 ﹐ 但 當 發 射 波 動 的 物 體 正 離 開 你 時 ﹐ 你 測 量 得 的 頻 率 將 會 較 低 。 這 現 象 稱 為 多 普 勒 效 應 。 由 於 藍 及 紅 為 可 見 光 譜 中 頻 率 最 高 及 最 低 的 兩 端 ， 所 以 在 天 文 學 中 ， 我 們 稱 恆 星 光 的 多 普 勒 效 應 為 紅 移 或 藍 移 。 如 果 天 體 的 移 動 速 度 比 光 速 小 得 多 ， 那 麼 這 個 天 體 所 發 出 光 的 波 長 的 改 變 可 以 下 列 公 式 表 達 ：

(量 度 波 長 - 真 正 波 長) / 真 正 波 長 = v/ c

在 公 式 中 ， v 是 天 體 遠 離 我 們 的 速 度 ， c 則 為 光 速 。 只 要 比 對 恆 星 光 譜 中 吸 收 線 的 波 長 和 實 驗 室 中 同 一 物 質 的 吸 收 線 波 長 ， 我 們 便 可 以 計 算 出 天 體 究 竟 以 甚 麼 速 度 遠 離 或 接 近 我 們 。

恆 星 亮 度

我 們 以 等 數 或 視 星 等 來 標 示 恆 星 的 亮 度 ，這 是 恆 星 光 度 的 對 數 (log) ， 所 以 ， 等 數 及 光 度 皆 可 用 來 標 示 恆 星 的 亮 度 。 例 如 恆 星 A 的 光 度 是 恆 星 B 的 一 百 倍 ， 那 麼 兩 顆 恆 星 的 等 數 相 差 為 5 等 。

mB - mA = 5 .

要 注 意 的 是 ， 等 數 越 大 ， 恆 星 越 暗 。 我 們 隨 意 找 了 一 顆 恆 星 ， 把 它 的 亮 度 定 義 為 0 等 ， 那 麼 ， 因 為 2.515=100 ﹐ 1 等 星 的 光 度 便 會 比 它 暗 2.51 倍 ， 而 5 等 星 的 光 度 便 剛 好 暗 上 100 倍 。 光 度 I 和 等 數 m 的 關 係 式 為

m = - 5/2 log 10 ( I / I 0) .

( 你 可 能 會 問：「 I0 的 值 為 何 ？ 」 ) 下 圖 便 顯 示 了 一 些 常 見 物 體 的 等 數 。

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