第八章 深邃的夜空：太陽系外的世界

第八章 深邃的夜空：太陽系外的世界

501 什麼是恆星？恆星是依靠自身內部核反應產生的能量維持生命的氣體天體。

502 在晚上你能看到多少恆星要視時間地點而定。晚上用肉眼你能看到多少恆星？答案要看你觀測地的天空的晴朗和黑暗的程度。在紐約或東京的市區，你能看到幾十顆星就是很幸運的了；但是在鄉村晴朗無月的夜晚，視力好的人憑肉眼就可以看到 3000 多顆星。 503 從新石器時代，人們就試圖破解天上秩序的本質了。第一眼看去，漫天星斗亂作一團，都慌裡慌張地在天空中穿越。你的第一反應很可能是想知道天文學家如何找到星星各自的路，並把一切搞懂的。再看看，情況並非那麼糟糕。你的眼睛和思想已經配合在一起，下意識地在星之間連成圖案，結果就是做了一個簡單的「連點成圖」的智力遊戲。在有文字記載以前人們就開始這麼做了。今天我們根據這些圖案或者說是星的分組劃分了星座（constellations，來源於拉丁語的「cum」和「stella」意思分別是「在一起」和「恆星」）。 504 對許多早期居民，星座的圖案都有特別的意義。祖先們很快就注意到恆星在天空中不斷運動，而且同一星座在天上的位置在每年同一時刻是不變的。因此星空成了最早的時鐘和日曆。它告訴可以識別星座的人何時可以播種、何時可以收穫以及何時可以捕獲遷徙的動物。可以不誇張地說，對我們的祖先來說天象知識關乎生死。 505 在一些文明裡，具有天文知識就意味著擁有力量。古埃及的大部分經濟都依賴尼羅河每年一次的大水，以及大水退去後留下的肥沃土壤。每年，埃及的預言家們回去拜訪法老，並準確地預言如此重要的洪水何時會發生。他們似乎享有神靈們妻子傳達的神諭。事實上，他們不過是一些細心的天象觀測者。他們注意到了天狼星在恰日出前升起那天后，尼羅河的洪水就快到了。所以他們每天嚴密監視拂曉前的天空。如此一來，他們使人們相信他們據有掌握國家命脈乃至超越法老的魔力。 506 現代天文學家們把天空劃分成 88 個星座。現在全天被分為 88 區域，叫做星座。很多人把星座畫成以星為端點的短線組成的圖案（而不是連點的圖）。對天文學家而言，星座更像是國家的疆界。就好像美國分成 48 個州，任何一個城鎮都可以用它所在的州描述。所以全天分為 88 星座，任何一顆星都可以用它所在的星座描述。星座本身並不包含科學知識，它們只是人為強制划出的邊界。如果一個天文學家談到他的研究對象屬於某個星座，其他天文學家就可以從中獲得正在談論的天區的大概情況。 507 星座的名字並不是通常想像到的東西。當讓一個人說出個星座名稱時，大勺子可能是他的首選。說出來可能會使許多人大吃一驚，不過在 88 星座中確實沒有大勺子，也沒有小勺子。它們都是某個星座的一部分，「大勺子」是大熊星座的一部分，而「小勺子」是小熊星座的一部分，沒有勺子單獨構成的星座。這些在天空中已被識別的形狀叫做星群。在中國古代，天空不是劃分為 88 星座的，而是分為 300 多個星群。有些事宜小組恆星，而其它是一對或單獨的一顆亮星。 508 黃道星座大概是做著名的一組星座了。在西方傳統中，黃道星座是環繞天球一整圈的一組共 12 個星座。黃道十二星座包括：雙魚座、白羊座、金牛座、雙子座、巨蟹座、獅子座、室女座、天秤座、天蠍座、射手座、摩羯座和寶瓶座。英語中 Zodiac（黃道）一詞來自希臘語，意思是「動物的帶」。黃道十二星座中大部分為動物，但雙子、室女、天秤、寶瓶都不是動物，而射手座通常也繪成半人半獸。 509 黃道十二星座對天文學家和占星學家都是很有意義的。黃道星座十分著名就是引文太陽、月球、和可見的行星都在這一區域內運行。對占星學家們這個區域之所以重要是因為他們把這些神聖的天體在某一星座的出現看作是對這一星座的影響。對於天文學家來說這個區域提供了一個了解太陽系形狀和物理性質的視角。黃道星座佔據了天空中相對狹窄的一條帶，這提供了許多關於太陽系形狀的信息。它說明太陽系一定是比較扁平的。從另一個角度說，這意味著太陽系所有的行星軌道和月球的軌道都近似在一個平面內。事實上，除了冥王星其它行星的軌道平面的夾角都很小。換句話說。太陽系的形狀就像是一個以太陽為中心的煎餅。這是由角動量守恆這一自然發則決定的結果。我們在觀測其它恆星周圍類似太陽繫結構的形成過程中，也看到了類似的盤狀結構。 510 一些星座是古代的，還有一些是現代的。一些星座如獅子座可以追溯到古埃及的法老時代。另外一些星座是 1600 年左右有兩名荷蘭旅行家 Pieter·Keyser 和 Frederik·de Houtman 命名的，這些星座主要分布在南半球。當時他們在作環球旅行，看到了在歐洲不曾見過的星空，然後創造了一系列極具想像力的動物的名字給這些星座命名。一個多世紀後，Nicolas de Lacaille 為了紀念一些在工業革命中發明的工具，把南天一些零散的星組成了新的星座：熔爐座、唧筒座和顯微鏡座。當然，很早以前南半球的土著民對自己頭頂的星空也有自己想像的圖案，那是他們的星座。 511 在安第斯山脈的居民中，有些星座是暗的而不是亮的。在南美洲安第斯山脈，在一定的時間銀河看上去是一條跨過頭頂的明亮的帶，上面交錯著斑斑點點的暗的洞或條，這是宇宙中暗塵埃遮擋星光造成的。安第斯山脈的居民不僅創造了由恆星連線組成的星座圖案，還特別的創造了以這些黑暗區域形狀想像出的暗星座。因此我們在一些地方能看到這樣的「黑暗星座」：狐狸座、母雞座。有一個叫做美洲駝的星座，它是由一塊黑暗區域和兩顆亮星組成的，半人馬座的α和β被當作了美洲駝的兩隻眼睛。 512 有些時候相同的星組成的圖形在不同人的眼中是不同的。非土著北美居民眼中的大勺子被英格蘭人稱為耕犁，而被中國人想像成有三匹馬拉的四輪馬車。在一些土著美洲部落，大勺子的斗被想像成一頭熊，而勺柄被想像成在追逐獵物的獵人們。（視力好的人可以看出勺柄中間的那顆星實際上是兩顆星，它們在天空中看起來太近了。因此這兩顆模糊的星被看成一個獵人帶著烹調用的罐子。）在西方人眼中，天空中那條由星組成的曲線是天蠍座，而在波利尼西亞土著居民眼中，那是被 Maui 神擲到空中的大魚鉤。Maui神就是用這個魚鉤把土壤從深海釣起，形成了太平洋上美麗的島嶼。 513 北極星不是天空中最亮的恆星。當被問到天空中最亮的星時，許多人會回答「北極星」。這是一個普遍的概念性錯誤。在亮星列表中，被極星勉強能排近前 50 名。北極星有名不是因為它出奇的亮，而是由於它在天空中獨特的位置。在目前這個時期，北極星是最靠近北天極的星。北天極在地軸的北極方向，因此，隨著地球自轉，所有恆星看上去都緩慢地繞著北天極在轉動。結果就好像所有性都在繞著北極星轉動，而北極星在天空中的位置基本不變，它總是指向北方的。

514 與太陽白天在天空中運行一樣，恆星在夜晚穿過天空。每天太陽看上去東升西落，當然這只是現象，這實際上是地球自轉造成的。當然夜晚恆星也表現為如此的運動。這種感覺就像是在一個巨大的旋轉木馬上，你感覺自己沒有動，而是周圍的東西在繞著你轉。這種假象，使許多古人相信地球是不動的，這個宇宙都圍繞著地球運動。 515 在夜晚恆星的視運動似乎比白天太陽的運動顯得複雜。在晴朗的夜晚到戶外找一顆在東方地平線附近的星。過一個小時左右你再出去看看它，那顆星已經升高了（就像早晨太陽從東方升起）。而在這一個小時里，西邊的星也會落得更低了。南方的星也是從左到右穿越天際。這種獨立的恆星的運動就是由地球自轉造成的恆星視運動。因為地球繞過北極星附近一點的軸自轉的，所以天空中所有的恆星看起來都是繞北極星轉的。 516 你可以用一台簡單的 35mm 相機拍下恆星每小時的視運動。你只需要一台 35mm 相機和一個三腳架就可以拍到恆星的周日視運動。你只要把相機對著天空的任何方向，但為了得到最好效果，請指向北極星。用便宜的敏感膠捲（ASA 或ISO200 就可以），調一個晴朗無月，風也不大的夜晚。把相機固定結實，光圈調大，鏡頭調到最大，把快門設為「定時」，然後曝光 1 到2小時。洗出來後，你會看到照片上每顆星有一條曲線的痕迹。每條軌跡都是地球自轉時恆星在天空中掃過的軌跡。如果你把相機指向南方或東方、西方的地平線你同樣可拍到恆星是運動的照片。如果你使用的是彩色照片，你還能排到亮星的不同顏色。 517 北極星曾經不在北天極附近，也不會永遠在那裡。北極星近似地在地球自轉軸所指的點。隨著時間的流逝，地軸也會慢慢地擺動，就象一個旋轉的陀螺，這種運動叫做歲差。歲差變化很慢，一個周期要 26000 年。它是地軸在這 26000年間在天空劃一個很大的圈。目前地軸指向北極星，但是過去和將來，我們的北極星將不是現在這顆星，而是一顆在歲差圓上或其附近的星。在法老統治埃及時期，天龍座中的Thuban是當時的北極星。而到了公元14000年織女星將成為我們的北極星，它現在在夏季星空中在我們天頂附近，是一顆明亮的藍白色恆星。 518 如果北極星是在北天極的星，那麼南天極的星是那一顆呢？地軸從地心到北極延長出去執行北極星附近，向南從南極延伸出去也可以指到天空中。但你到南極去不會找到南極星，因為那個天區沒有亮星或半亮的星。澳大利亞和那美洲的居民可以看到南天的許多漂亮星，可是沒有南極星阿。 519 在北半球，只要有北極星和你的拳頭，你就可以估算出你所在地的緯度。因為地軸幾乎是知道北極星上的，所以北極星的地平高度也就是大地的地理緯度。以紐約為例，大概在41°N 北極星也大概在北方地平線以上 41°左右。把你的一隻手伸出一臂距離，握緊的拳頭在你看來寬約 10°，因此就紐約而言，北極星大概在北邊地平以上「4 拳」高的地方。與此相比，在邁阿密，緯度為 26°N，北極星的高度只有 26°左右，也可以說在地平以上「兩拳半」的地方。在北極點緯度為 90°N，北極星就在正天頂；在赤道，北極星位於北方地平線上；而在赤道以南，北極星在地定平線以下，永遠看不到。 520 相同緯度的人能看到相同的恆星。因為北極星的高度是由觀測地的緯度決定的，一次在同一緯度的人不管在世界的什麼地方，在同一晚相同地方時看到的星空是相同的。因此在紐約、馬德里、安卡拉和北京的人（他們大體處在同一緯度上），儘管彼此間距離很遠，但一年中同一晚看到的星空是相同的。

521 居住在不同緯度的人在夜晚看到的星空有很大不同。北極的聖誕老人河南籍的科學家看到的是完全不同的天空半球。舉例來說，一個來自紐約的人到里約熱內盧或澳大利亞度假，他就看不到大勺子和小勺子及其他一些北極星附近的星座，因為這些星座總在地平線以下。但是，像南十字座那樣他不曾看到過的星座會很常見。另外一些他在紐約時看到在南方的星座會顛倒地出現在北方天空。 522 從地球觀測宇宙時，會有些「廉價席」。地球上觀測站的效果是不同的。以北極為例，北極星一直掛在天頂，應為所有星的視運動都是繞著北極星的，所以每顆星都在自己的高度上終年可見。簡而言之，在北極的天空中，星沒有升起和下落。在南極也是一樣，不過在南極天空中的星宇北極相比是完全不同的。換句話說，在地球的兩極，我們看到的都只有半個宇宙。在南兩點光測到的只是全天的一半，它們就是「廉價席」。 523 觀測恆星最好的位置在哪裡呢？觀測恆星最好的位置在赤道上。因為北極星在地平線上，兩個半球分別可見的星一年中都會慢慢進入視野。在赤道只要是肉眼可見的星就一定能被看到，沒有星會降到地平以下。 524 地球公轉同樣會影響我們看到的星。想像在屋子中間放一盞燈作為太陽，你自己繞著燈轉圈，就像地球的公轉。某一時刻，在任一點，你的身體將一半被照亮，另一半在陰影中。這樣你就模擬了地球上總是一半在白天，一半在黑夜的狀態。如果在牆上畫上星，燈光很亮時，你在某一時刻只能看到一半的星，應為耀眼的燈光使你看不到它所在方向的星。同樣，在夜半球冬天和夏天看到的星不同，秋天和春天的也不同。結果我們在一年的不同時間看到了不同的星座，而且通常在每年同一季節看到的星座是相同的。 525 一些星座總在天空中。因為天空中所有恆星看上去都圍繞北極星運動。所以一些星會常年出現在天空中。以紐約為例，緯度為 41°N，北極星在北方地平線以上 41°高的地方几乎不動。因此所有距北極星 41°以內的星繞北天極轉永遠到不了地平。它們在紐約全年可見，被稱為拱極星（circumpolar，來自拉丁語，意思是「圍繞著極點」）。在邁阿密26°N，只有具北極星 26°以內的星是拱極星。推到極限，在北極所有的星都是拱極星，而在赤道沒有星總在地平之上，所有的星都有升有落。 526 天文學家也不同的方式為恆星命名。天空中許多亮星實際上都有獨特的名字。這些名字有許多來自一千年前的阿拉伯，當時阿拉伯天文學家為天文學做出了巨大貢獻，制出了當時最精緻的星圖。一些阿拉伯語的名字就被我們原封不動的沿用下來了，其他的經過幾個世紀時間的洗禮也融入西方文化了。這兩種情況都使得許多亮星的名字很奇怪甚至可以聽出是外來語。例如，Deneb（天鵝座α）阿拉伯語的意思是「尾巴或尾巴上的羽毛」，它標出了天鵝身體結構的一部分。雙魚座有一顆星叫 Alrischa，在阿拉伯語中是「繩結」的意思，這指的是球極星空中把兩條魚拴在一起的繩子上的結。有些星的名字聽上去還很有節奏感，從左到右獵戶腰帶上的三顆星都有各自動聽的名字：Alnitak、Alnilan 和 Mintaka。 527 另一個星表中就沒那麼多外來詞。專業和業餘的天文學家都喜歡這個更通用的星表。規則很簡單也很有邏輯性。每個星座里最亮的星用希臘字母表的第一個字母α表示，後面跟著是星座的拉丁文名稱的形容詞形式。例如：金牛座最亮的星 Aldebara，在這個星表裡名稱為αTauri（十分準確的表達了「金牛座最亮的星」）。在它邊上獵戶座最亮的星有一個聽起來很有趣的名字 Betelgeuse，但它是獵戶座最亮的星，所以它叫做αOrionis。每個星座里第二亮的星用希臘字母表的第二個字母β表示，後面也跟著星座的拉丁文名稱的形容詞形式。例如，明亮的獵戶左腳 Rigel 也被叫做βOrionis（意思是「獵戶座的第二顆星」）。 528 很不幸，希臘字母表中只有 24 個字母，而每個星座里的星都遠超過 24 顆。有時兩顆以上星在天空中很近時，它們都用同一個希臘字母，但要加標註。因此天琴座的雙星叫做ε1Lyrae 和ε2 Lyrae。變星用別的字母表示，通常用常用字母表示，如 RR Lyrea。但是望遠鏡越造越大，我們看到了越來越多的恆星，目前的星表遠遠不夠用了。有一個做法，就是在建立星表時只簡單地給每顆星一個號碼。一顆星可能叫做 HD213468，它是哈佛大學 Henry Draper 編譯星表中的第 213468 號。另一顆星會在 Smithsonian天體物理觀測站星表中被叫做 SAO347981。實際中星表太多了，大部分星只有號碼，而同一顆星在不同星表中會有不同的編號。這可能很不人性化，但卻解決了很大的問題。 529 沒有恆星被命名為珍妮史密斯或阿爾波特叔叔。最近幾年，少數公司和一些研究機構利用「以人名給恆星命名」賺了很多錢。許多情況是你付了很多錢，得到一張看上去很漂亮的證書和一張「你的恆星」所在天區的照片或星圖。那也許是一個不錯的表示也是一個「極品禮物」，但之後天文學家會在自己的研究和學術論文中引用這個名字嗎？答案是毋庸置疑否定的。一張附有你名字的紙可以被保存在瑞士銀行的保險柜中，但決不會被收錄到某天文台或大學科研用的目錄或出版物中。如果想把你的名字留在天上，那麼走出去，發現一顆彗星吧。許多業餘和專業的天文學家都成功過，如果你發現一顆彗星，專業天文學聯合會真的會用你的名字命名。但要是一顆恆星，你就不能僅僅購買命名了。 530 天空看起來是兩維的，但實際上是四維的。當我們仰望星空時，我們會強烈感覺到星星就像是附著或是凸起在遮避我們頭頂的一個球頂上的圓點。事實上在許多古代文化中就曾有這種想像，而現代天文觀中那種逼真的人造星空也是用這個方法的。其實，恆星到地球的距離都不相同而是分布在一個三維的空間中的。另外，星光傳到地球所用的時間是有限的，對天空中觀測也意味著對第四維度的觀測，也就是時間。稍後我們會具體討論這個問題，下面先讓我們考慮一下…… 531 在地球上，我們有時會看到現在的物品，而聽到他過去發出的聲音。如果你坐在露天看台上認真地觀看棒球比賽，你會發現你聽到擊球手擊球的聲音是在你看到他擊球之後的。同樣地，你事先看到閃電然後聽到雷聲。這兩種情況都是由於聲音傳播的速度遠小於光速造成的。在室溫下，聲速是 1100 英尺每秒，而真空中的光速是 186000 英里每秒（與空氣中傳播的速度差不多）。這意味著你聽到較遠處的聲音是在它發生之後的，但它一發生你就能看到它，至少在地球上如此。 532 我們對宇宙觀測時，看到的是它過去存在的方式。比起我們在地球上看到的東西，宇宙中天體與我們的距離太遠了，即使是光傳到我們這裡也要經過相當長的時間。因此我們看到的不同天體是它們在過去各個時刻的狀態。舉例說來，光從距我們大概四分之一百萬英里的月球到地球大概要花 1.5 秒，所以，我們看到的月亮不是現在的它，而是 1.5 秒之前的月亮。在 93000000 英里處的太陽，我們看到的是它 8 分 20 秒前的狀態。（如果太陽神秘失蹤了，我們在地球上過了 8 分20 秒才能知道。）不同行星在我們看來，是幾分鐘甚至幾小時之前的狀態，而我們看到的恆星是幾年前的狀態，星系是幾百萬乃至幾十億年前的狀態。所以說，我們仰望星空時，也是在回顧歷史！

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