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為什麼要觀星?因為星星在那裡——望遠鏡叔叔、鴻宇光學創辦人趙偉光專訪

鄭國威
・2020/11/20 ・5524字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

「把天上的星星、月亮摘下來送給你」,是常聽到的肉麻情話,以任務之艱鉅凸顯對愛人之情意,但也因為實在太艱鉅,反令人覺得虛假。但寄託星月以訴衷腸,則是古往今來恆久遠,就連《獅子王》裡獅王木法沙也對辛巴說:

看那些星星。過去偉大的王從那些星星上看著我們。每當您感到孤獨時,請記住,那些王將永遠在那裡引導你。我也一樣。

Look at the stars. The great kings of the past look down on us from those stars. Whenever you feel alone, just remember that those kings will always be there to guide you. And so will I.

圖/IMDb

對趙偉光來說,星星也一直引領著他。「當我們抬頭仰望天空,大氣層外離地球最近的月球,有 38 萬公里遠,太陽則遠達 1 億 5 千萬公里。仙女座大星系,這個離我們銀河系最近星系發出的光,竟然是從 250 萬年前發射出來的,銀河系的恆星就超過 1000 億顆,可能比一片海灘上沙子的總數還要多。」談起自己為何從小就迷上天文,甚至以天文創業,他說當自己越了解宇宙,越覺得自己的渺小,反而激起他無窮的好奇跟無盡的謙卑。

被天文迷社群稱為「望遠鏡叔叔」的趙偉光。圖/泛科學拍攝

母胎天文狂熱份子

看起來很有老師樣的趙偉光,很早就對觀星、天文有興趣,但其實自己也不記得是怎麼開始的,只知道小時候,就常流連自家屋頂用肉眼看星星。高中就讀松山工農時,發現學校有天文社,有望遠鏡可以玩,他二話不說就簽下去。「工科學校有天文社的,當時只有我們」,升上高二後他便擔任社長,雖然在學校裡天文社是冷門小眾社團,但觀星能力很強,在台北市立天文科學教育館(當時叫做圓山天文館)參加天文知識技能檢定競賽–「尊親天文獎」,是少數得獎的高中社團。

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「第一部分是比天文知識,像是學校考試,如朔望月多少天之類的,就給你 50 題;另一個部分是星座檢定,一般人這塊比較弱,因為很少人真的到戶外看星星,當時很多其他學校的學生都背星圖,但我們社團常常到外頭觀星,底子比較硬。」他也笑著說,招募社員時還是用上了「天文社是可以合情合理合法約女孩子過夜的社團」這樣的誘因。

念大學後他擔任了多所學校天文社的指導老師,也到望遠鏡公司去打工,幫忙維修望遠鏡,更在相機公司工作過兩年,取得相機維修師的專業。雖然望遠鏡跟相機都是光學領域,而且相機明顯更有市場性,但他內心還是個天文迷與望遠鏡控。於是在 2005 年,他創辦了鴻宇光學這家望遠鏡公司。

從高中到現在,已經浸淫了天文觀測與攝影三十年,對他這樣一位超級天文迷而言,印象最深刻的天文現象是什麼呢?他舉起手,瞬間成為直播影片裡那位望遠鏡叔叔,流暢答道:「必看的天象,第一就是大彗星、第二就是大流星雨,第三就是日食。」趙偉光回憶,1994 年有一次舒梅克-李維九號彗星撞擊木星,那時他用底片相機記錄到彗星撞擊木星後出現的小點,讓他印象深刻。接著,在 1996 年跟1997 年分別有兩顆肉眼可見的大彗星:百武彗星與海爾波普彗星,尤其海爾波普彗星亮度達到 -1 等,他回憶當時在小雪山天池停車場拍攝,凌晨 4:00 左右,天色墨黑,突然看見一條光柱,本來還惱怒地以為是有些沒常識的人向上打投射燈,結果竟然是亮到不行的彗尾!看起來真的像一隻掃帚緩緩的從東方的山上升起,令他大為震撼。

趙偉光在 1997 年 3 月 9 日拍攝的海爾波普彗星

「大彗星就像中樂透,老天爺隨時有機會就送給天文迷大禮物」他說。

2001 年那次的獅子座流星雨也讓他畢生難忘。那時他們在合歡山停車場等待,本來不抱太高期待,忽然間,「從東邊到西邊,劃過 150 度天空,我們所有人都傻了,這是放煙火吧?」雖然裝備(相機與赤道儀)早架好了,但他們所有人都不在裝備旁,呆看了 30 秒到 1 分鐘,才如夢初醒,趕緊奔向旁邊的器材開始拍攝。那天晚上目擊起碼上萬顆流星,旁人數著「XX座一顆、YY座一顆 」到後來至少每秒一顆,根本數不完,讓他興奮到發抖。

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2001年11月17日的獅子座流星雨,趙偉光拍攝於合歡山鳶峰停車場

最近令趙偉光印象深刻的天象,則是今年 6 月 21 號的日環食,他說那天嘉義已經爆滿,外溢到周邊其他地方,他跟同事當天帶著望遠鏡到雲林口湖遊客中心,帶領現場遊客觀賞日環食。「老天爺相當的幫忙給了我們一個大晴天,雖然不是全食,但這次因為太陽的遮蔽率非常非常的高,到 99% 左右,太陽被遮蔽成一個細細的金環,亮度跟溫度都有很大的下降。」那時全場驚呼、騷動,從環食始到環食終,他們自己也非常興奮,「我從高中時就開始期待這次日環食,那時候想說還有 20 幾年好久,沒想到一下子就到了。」

從天文迷「玩到」創業:鴻宇光學望遠鏡公司

決定創業前不久,有回他帶朋友去觀星,替大家都準備了望遠鏡,朋友就跟小孩介紹他:「這位是望遠鏡叔叔喔!」他當下覺得這稱號蠻有親和力,才開始以「望遠鏡叔叔」自稱,這個稱呼也把他推向創業之路,至今每回線上直播時也這樣開場。

畢業自台科大化工系的趙偉光表示,如果沒有創業,最可能的出路就是去科技業或化工廠上班。然而身為非尋常天文愛好者的他,就是想把正確的望遠鏡使用觀念以及優良的產品介紹給大家。對趙偉光來說,鴻宇光學是實現理想的地方。他說台灣許多望遠鏡公司沒有維修部,維修必須寄回原廠,而具望遠鏡維修能力的趙偉光,在台灣成立了維修部,一部分能處理的維修可以直接在台灣執行,大幅縮短等待的時間。

有些人有了望遠鏡也不會用,更不知道看什麼。照片由趙偉光提供

也許是身為資深天文迷,他總是能敏銳覺察到外行人想踏入天文時的徬徨。不會挑、不會用、不知道看什麼,是他歸納出來的三大痛點。例如,趙偉光發現很多入門者購買望遠鏡後都不會操作,也不知道要看什麼天體,用來用去只找得到月亮,連土星、木星是哪個都不知道,用一兩次之後就讓設備塵封在倉庫裡,讓他感到相當可惜。他也知道有人購買了劣質的望遠鏡,體驗不好,自然就遠離了天文。於是他成立了「鴻宇天文觀測俱樂部」、「鴻宇觀星團」、「台灣天文銀河星空研究社」等等社團,有的社團歡迎任何單純想要了解天文知識的入門者,有的則保留給跟他們購買望遠鏡的消費者,能夠參加免費的觀星活動,實地在戶外星空底下教學。

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他說這就像買了高爾夫球桿,然後送高爾夫教學,也像當年他在擔任天文社社長帶領學弟妹觀星,趙偉光想將高中時玩社團的熱情帶給天文入門者。目前鴻宇每年辦理 20-30 場活動,包括外部推廣跟內部教學,服務數千人次。

開業站穩腳步後為了擴大服務範圍,2010 年鴻宇跨出臺北,在臺灣各地成立門市與直營分公司,但這可不是租個店面請人顧就可以了。畢竟要連鎖,就要系統化、要有 SOP,在自己眼皮底下指導員工很簡單,講不好就教,但在其他縣市?「要怎麼樣讓新人能夠做跟我一樣的事情?」這曾經是他創業過程中面對的最大挑戰。

如今各門市的店長都已訓練為種子教師,如果想拍出美美的天文攝影作品,例如行星攝影、星雲星團攝影等等,都會教你如何拍攝,這些售後服務也大受好評。

「以一己之力是不可能服務那麼多人的,這也是創業比較難的點,要訓練出夠格的服務人員,能拍能講,起碼要一兩年。」

他說每一家新門市剛成立前三年都是賠錢的,跨出臺北開店的決策曾讓他懷疑人生、質疑自己是不是做錯了。後來他加強影片行銷、從三年前開始直播,漸漸地口碑發酵、營收也開始起飛,「還好有堅持下去」他說。

除了培育人才、建立得以開枝散葉的體系,趙偉光說以望遠鏡創業另一大挑戰,就是得讓大家覺得需要望遠鏡。「你到路上問 100 個人,95 個都會跟你說『我不需要望遠鏡』。但我身上一定會放一台望遠鏡,隨時想東看西看,是玩具也是工具。」

隨時隨地身邊一定備有望遠鏡的「望遠鏡叔叔」。圖/泛科學拍攝

他明白望遠鏡不像手機,大家已經養成固定淘汰、重複購買的慣習。「像這台雙筒望遠鏡,只要你不把它摔爛,基本上永遠不會壞」所以他常開玩笑說,自己賣一個客人、就少一個客人。也因此,讓消費者願意分享口碑極為重要,「這你拍的啊?拿麼厲害?」唯有這樣才能一傳十、十傳百,這也是為何這幾年他們能持續成長的原因。

我好奇地問:望遠鏡可以用租的嗎?像是最近流行的訂閱式經濟?趙偉光說,這模式在望遠鏡很難,原因有兩個。第一,望遠鏡跟車子不一樣,對絕大多數人來說都需要教學,每一台都不太一樣,要教到會用,就得好幾小時,成本很高。第二,望遠鏡是精密光學儀器,若是租用,遇到不愛惜的人就毀了,即使一般人擦拭也很容易有刮傷的問題,用完還回來可能就折損了。他舉例說有些觀光風景區的望遠鏡可以租用,但往往欠缺保養,職員也不懂維護,鏡片發霉、刮損,看不清楚、使用時也不舒服。這些都會大大減損體驗。

即使星辰都被烏雲遮蓋,也要仰望星空

「我心中理想的光學公司並不是像賣家電一樣,賣出去之後收錢了事,所以我們不是只賣產品,而是販售產品加上服務。銷售前服務就是能幫客戶買到適合的產品,售後服務則包括保固期內的清理、維修及教學,也逐步建立完整的教學系列影片,如果產品比較複雜,就帶客戶實地在星空下教學」,趙偉光敘述心目中理想的望遠鏡公司模樣,如今他也將這幅藍圖在鴻宇光學一一實踐。

望遠鏡叔叔的入門者推薦指南

一問到望遠鏡推薦,趙偉光如數家珍地介紹起。他覺得最令自己驚豔的望遠鏡,竟是一臺外觀像是玩具的「迷你馬望遠鏡」。身為行家的他,當時發現這個由臺灣公司設計生產的望遠鏡時驚呼「哇!5000元以下怎麼可能有這種畫質」。這台迷你馬不但可以觀星、可以賞鳥,還附手機架可以拍照、可以加上太陽濾片看太陽、想接單眼相機拍攝也有接環可以選購,是趙偉光心目中的驚豔指數第一名。

ACUTER 60mm 迷你馬多功能生活望遠鏡。照片由趙偉光提供

「我希望將來能夠加強天文教育,從小紮根,像這種高品質平價望遠鏡的問世,對於天文教育推廣的幫助是相當令人期待」他說,自己的影片下面常有人留言,表示感謝這些教學影片,「這代表我們多幫助了一個人愛上天文、愛上科學。」

下一個任務,將宇宙之美帶給大眾

目前鴻宇光學成立已有 15 年,那麼,邁向下個 15 年的使命是什麼呢?

趙偉光回答道,他覺得老天爺給他的使命是,教導大家透過望遠鏡體會宇宙之美,現在的他不只透過公司,以望遠鏡叔叔的身份透過 FB、YT 等自媒體推廣天文觀星與天文教育,也擔任台北市天文協會的常務理事,以及其他多個天文與教育相關協會的成員。

照片由趙偉光提供

他坦言在鴻宇上班,帶客戶觀星是工作的一部份,但因為都在晚上,就得加班,其實是很累的一件事。「在台北的話我通常都自己去,頻率高了對同仁來說可能也吃不消,我也會擔心團隊的大家是否會排斥。讓團隊都能跟上理念,其實花了一兩年的時間。」他也知道有人會覺得幹嘛要那麼累,客人買了,會不會用,看他們造化不就得了?但這就是他想創造出的差異,若其他人沒有熱誠跟能力,是做不到的。而對他這個三十年天文迷來說,熱誠跟能力是他的本色。

「冬天有什麼可以看?春天有什麼可以看?」趙偉光表示,把教育資源用不同管道傳出去,讓越多人對天文有興趣,當然對生意也有幫助。他邊說邊拿起一座折反射式望遠鏡,跟我說打開外殼,可以看到結構,了解光學奧秘。講得我都想中斷採訪先刷卡了。

趙偉光興奮地說,不久的將來,人類將全面進入太空時代,重返月球、前進火星、住在太空中,甚至可能與其他生命體接觸。「我們辦街頭天文活動,就是希望讓小朋友產生興趣,誰知道他之後會不會成為台灣一位厲害的科學家?」

不用把星月摘下來壟斷,只需要透過推廣望遠鏡,就能把自己愛上天文的理由分享給更多人,甚至,或許還能成為下世代太空文明的推手,就像木法沙對辛巴的傳承,這就是望遠鏡叔叔的圓夢計畫。

想仰望宇宙星辰之美,卻苦於沒有器材嗎?文中提及的「迷你馬望遠鏡」已在泛科市集上架。此外,還有適合入門的「迷你牛」與進階版的「小藍馬80」,也同步在泛科市集上架!

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是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。
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在紛亂、窮苦的人間,三本書,讓克卜勒成為「星空的立法者」(上)
活躍星系核
・2020/11/06 ・3967字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 作者/仰望天空的智人|目前為高三自學生,在升上高三的那個暑假,毅然決 然走上自學的道路。希望在有限的青春,不要只是僅追求紙上的對錯,而是時時刻刻的詢問世界,「為什麼?」。

從三本著作了解克卜勒的天文物理觀

在歷史長河中,天文學家們提出了各種五花八門的理論,嘗試理解天上六顆讓人捉摸不定的行星,但唯有一個人的理論能夠毫無誤差1的精準預測,時至今日仍舊屹立不搖,他的名字是——約翰尼斯.克卜勒 (Johannes Kepler) 。

克卜勒是第谷.布拉赫 (Tycho Brahe) 的得意助手,生前時,他鼓舞了同時代的伽利略公布真相,在死後,也啟發一百年後的牛頓建立了牛頓三大運動定律。

而克卜勒一生的天文成就被萃取成了「克卜勒三大定律」,最終被寫入到了現今的物理課本中。

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克卜勒肖像。圖/Wikimedia common

克卜勒一生發表了許多影響後世的劃時代著作,涵蓋數學、天文、光學,現在,請讓我們將視野聚焦在三本克卜勒的天文鉅作:《宇宙的秘密》、《新天文學》、《世界的和諧》,分別象徵著,開始、轉折、結束,仔細端詳三個不同時期的克卜勒,如何逐漸完整他的「天文物理觀」。

《宇宙的秘密》最早公開支持哥白尼理論的書籍之一

原先主張地心說的托勒密認為:行星是繞行地球在固定的球殼上一層又一層,如同洋蔥一般,自從古希臘後裔托勒密完成他的《天文學大成》開始, 一千多年以來,地心說一直都是西方天文學的主宰。

而 16 世紀時,主張日心說的哥白尼認為行星其實是繞行太陽,所有行星都和太陽冥冥之中都遵守著一個「通則」,且每個行星都和太陽保持著特定的比例關係。

在《天體運行論》的日心說模型中,哥白尼認為太陽是宇宙的中心,地球與其他行星一起繞著太陽轉。圖/De revolutionibus orbium coelestium 。

1595 年,身為講師的克卜勒,在授課的時候畫出了正三角形鑲嵌在圓形裡的示意圖,他突然靈光一閃,如果他在正三角形裡面又多鑲嵌一個小圓,這樣兩個圓就會有了比例的關係了!這不就像是哥白尼概念中提到的「每個行星和太陽都有特定的比例關係」嗎?

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當時,哥白尼沒有解釋每個行星保持特定比例的原因,但現在克卜勒隱約領悟並認為「上帝是用幾何創造宇宙的」。

因此克卜勒開始展開了自己的調查,但他發現在二維平面上是行不通的,他又問了自己一次:「為何上帝只創造了水星、金星、地球、火星、木星、土星,這六顆行星?」

他聯想到了三維空間中的正多面體只有五種,克卜勒高興極了,他認為上帝是用「幾何」當作建材,並藉此來聯繫各個行星。

克卜勒的正多面體宇宙模型,克卜勒認為有 5 個正多面體可以被裝進一個大球體之中,並對應於當時已知的 6 個行星。圖/Wikimedia common

到了 1597 年,克卜勒發表《宇宙的秘密》(Mysterium Cosmographicum),這是克卜勒的第一本天文作品,同時也是歷史上第一本公開認同哥白尼理論的書籍,他迫不及待把自己發現的宇宙秘密隨機寄給其他天文學家,想要了解真正的專家將會如何看待自己引以為傲的觀點。

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堪比古代交友軟體,一本書牽起了三人緣分

其中一本《宇宙的秘密》輾轉來到了義大利,到了一位還不有名的數學教授手中,這位數學教授告訴克卜勒:「我已經身為哥白尼的信徒很久了,私下也收集了一些能夠證明地球運動的物理現象唷!」克卜勒被他像是「回音」的名字逗樂,而這位數學教授的名字是——伽利略.伽利萊 (Galileo Galilei) 。

克卜勒鼓勵伽利略公開他的發現:「要對自己有信心啊!如果你是正確的話,或許一些學者會離你遠去,但真相就是最好的證據!」雖然克卜勒沒有馬上收到伽利略的回信,但未來兩人將會一起在不同地方,合作並支持哥白尼的日心說。

《宇宙的秘密》讓克卜勒認識了第谷(左)與伽利略(右)。圖/giphy

此外,也有一本書來到了第谷.布拉赫 (Tycho Brahe) 的手中,雖然第谷不認同克卜勒的觀點,但第谷看出了克卜勒的才華,並認為克卜勒擁有卓越的數學能力,只要擁有少數資料就能夠獨自建立預測模型。

雖然第谷回信稱讚克卜勒的巧妙的推測,但第谷認為哥白尼的觀測資料不太精確,因此第谷邀請克卜勒到自己的天文台工作,希望克卜勒能夠好好善用他更精準的觀測資料。

克卜勒獲得進入到當時一流天文台的機會,開始了他長達 20 幾年的天文研究。

《新天文學》:等面積定律的起源

《新天文學》(Astronomia Nova)在當時是一本與眾不同的天文書籍,它只單一討論一個行星的運動,克卜勒認為只要了解火星的運動,就等於了解其他行星的運動,但克卜勒卻沒有想到,了解單一行星的運動將會是一條崎嶇難行的道路。

克卜勒一直在思考如何將哥白尼的概念帶入到火星的運動上,首先,他根據行星「在近日點較快,在遠日點較慢」的物理現象了設立了距離規則:行星運行速度和行星到太陽的距離是反比關係。

在等面積定律中,太陽與火星的連線,會在相同的時間掃過一樣大的面積。圖/by RJHall , via Wikimedia Commons

克卜勒進一步將所有火星到太陽的距離加總起來,說明這就是火星繞行一周掃過的面積,面積能夠代表著火星走過的時間,克卜勒此時建立了我們今日熟知的第二定律「等面積」概念:相同時間內,行星掃過相同的面積。

《新天文學》什麼?軌道不是圓的!

然而,當克卜勒將自己發現的「新穎物理方法」嘗試應用在偏心圓上時,卻出現了誤差,不過克卜勒心中沒有一絲動搖,他將結果和實際觀測資料比對,推測出火星軌道應該是「非圓」。

真正的軌道比想像中的扁平狹長,克卜勒用肉球來比喻,這就如同從肉球中間擠壓出來的形狀,克卜勒暫稱這個非圓軌跡為「卵形 (oval) 」。

1604 年,克卜勒寫信給自己的朋友,向他抱怨自己已經嘗試了 20 種不同的方法來產生卵形軌跡,卻產生出了和偏心圓相反的誤差。克卜勒推測真正的軌跡就會在圓形和卵形之間,並開始針對這個誤差專研,他認為自己距離真正的軌跡不遠了。

克卜勒行星橢圓模型的刻畫。圖/英譯版《新天文學》內頁

就在克卜勒窮途末路的時候,他突然從誤差中看到了一個常見的數字,一個克卜勒之前在修正火星距離中,曾出現過的數字。

在之前嘗試偏心圓的時,克卜勒發現偏心圓所得到的模型距離和實際觀測值會有誤差,需要經過一個簡單的修正才會符合觀測值,就在此刻他領悟到了這個修正的意義,這就是火星運行的秘密,具有物理意義的「徑向擺盪」,而從當今的數學視角來看,克卜勒的修正就是橢圓在極座標的距離公式: 1+ecosθ

克卜勒是個傑出的數學家,他雖然知道這是橢圓,但他不相信行星的秘密是如此簡單的圓錐曲線,他試圖用其他方法解釋徑向擺盪,但各種方法都沒辦法像橢圓一樣毫無誤差的精準預測。

橢圓定律中:行星沿著自己的橢圓軌道環繞著太陽運轉,而太陽位在橢圓的其中一個焦點的位置。圖/by RJHall, via Wikimedia Commons

1605 年,克卜勒領悟到橢圓本身就能代表行星運行的物理現象,他找到了「橢圓軌跡」的規則:行星以橢圓軌跡繞行太陽,而太陽在其中一個焦點上。

如今,這項橢圓的規則也成為了我們所說的克卜勒第一定律。

但克卜勒工作還沒有完成,他該思考究竟要如何說服當時的其他天文學家,直至 1609 年,克卜勒終於發表了《新天文學》,細心拆解了托勒密和第谷的行星系統,並建立了最精準的橢圓軌跡模型,克卜勒成了世上第一個「摸清行星運動的天文學家」

現在,我們已經知道《宇宙的秘密》、《新天文學》在天文學中的關鍵角色,下一篇文章中,我們將從《世界的和諧》這本書,找到最後一條定律的源頭,完成克卜勒成為星空立法者的最後一哩路……

註解

  1. 克卜勒認為第谷觀測資料的誤差最大到兩角分,而克卜勒用橢圓預測出來的火星位置都是角秒的誤差,由於克卜勒的預測結果都在觀測值的誤差內,基本上能夠說克卜勒的預測幾乎等同於實際觀測。

參考資料

  1. Aiton, E.J. (1969). Kepler’s second Law of Planetary Motion. Isis A Journal of the History of Science Society, 60, 75-90.
  2. Wilson, C. (1968). Kepler’s derivation of the elliptical path. Isis A Journal of the History of Science Society, 59, 5-25
  3. Gingerich, O. (1972). Johannes Kepler and the New Astronomy. Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 13, 346-373
  4. James, R.V. (1999). Johannes Kepler and the New Astronomy. New York:Oxford University Press
  5. 姚珩、黃瑞秋 (2003)。克卜勒行星橢圓定律的初始內涵。科學教育月刊,第 256 期, 第 33-45 頁。
  6. 姚珩 (2004)。行星面積定律的建立。科學教育月刊,第 257 期,第 32-38 頁。
  7. International LaRouche Youth Movement. (2006). Presentation of Kepler’s Astronomia Nova.
  8. 維基百科:Rudolphine TablesHarmonices MundiJohannes KeplerMusica universalis
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活躍星系核
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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麥田圈、浮世繪、至尊魔戒?!「星海巡奇」一窺腦洞大開的天文奇景
研之有物│中央研究院
・2020/08/29 ・4362字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|歐柏昇、美術編輯|林洵安

宇宙也有麥田圈?重力如何害遠方星系「面目扭曲」,宛如魔戒?磁星會吹熱泡泡,研究員用電腦畫浮世繪?中央研究院天文及天文物理研究所參與中研院「開放博物館」,研究員們拿出壓箱底的天文美照與研究成果,促成「星海巡奇」線上展覽,滑鼠輕輕一點,即可穿越千萬光年的異世界,飽覽令人腦洞大開的天文奇景!

宇宙也有麥田圈?!

地球上的麥田圈還懸而未決,想不到太空中也有!?下面美麗神秘的「宇宙麥田圈」,其實是行星系統誕生之前的模樣──原行星盤。

兩張美照皆是由阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)望遠鏡,解析原行星盤「金牛座 HL 」所得的細緻結構。這是人類首度拍攝到這麼年輕的原行星盤高解析度影像,可一窺行星形成的秘辛!

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這張是拍攝連續光譜,得到金牛座 HL 原行星盤的塵埃分布,清楚呈現環與間隙的構造。
圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

這張照片是拍攝分子譜線,得到金牛座 HL 原行星盤的氣體分布,同樣有環與間隙。
圖/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Yen et al.

智利沙漠上的 ALMA 望遠鏡,運用了「天文干涉技術」,一共有 66 座天線可以協同工作,且天線之間距離夠遠,才得以拍出原行星盤的細緻結構。在此以前,前一代望遠鏡對於這些年輕的原行星盤,只能看見平滑的盤面,沒有明顯的起伏,直到 ALMA 啟用才有重大突破。

阿塔卡瑪大型毫米波天線陣中的一些無線電望遠鏡,運用了「天文干涉技術」。若要用單一望遠鏡看清楚原行星盤,望遠鏡必須非常巨大,技術上很困難。因此天文學家先建造幾個「比較小」的望遠鏡,彼此相隔遙遠,再將它們的觀測資料一起分析,效果等同一台巨大望遠鏡,這就是「天文干涉技術」 。
圖/維基百科

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原行星環:行星形成現場

說了半天,「麥田圈」盤面的環與間隙究竟是誰的傑作?「目前最熱門的解釋,是間隙中有行星正在形成。」中研院天文所顏士韋助研究員主持金牛座 HL 的氣體分布研究,他解釋:原行星盤上有很多氣體和塵埃,部份的氣體和塵埃會逐漸聚集成行星。這些行星一邊長大、一邊在盤子內繞著原恆星轉,過程中行星的重力會把沿路的東西推開,形成一圈圈的間隙。

為什麼重力會「推開」物體?因為盤上的物質進行克卜勒運動──內圈跑得快、外圈跑得慢。原行星會吸引比它內圈的物質,這些物質被拖慢速度,結果往更內圈跑;另一方面,原行星也會吸引外圈的物質,這些物質反而被拉快速度,往更外圈跑。原行星就這樣「推開」周圍物質,「清出」一條軌道,形成了明顯的間隙。

一開始,天文學家先觀測到塵埃分布的「麥田圈」影像,但如果氣體分布是平滑沒有間隙的,「環與間隙」可能只是來自塵埃性質差異。所幸,顏士韋團隊之後確認金牛座 HL 的氣體分布也有環與間隙,支持「行星形成」的假說。

他們還從縫隙的寬度與深度推算出:間隙中正在形成的行星大約是木星質量。研究人員據此推測,行星形成的時間點比預期還要早,像木星這類的巨行星,可能在恆星還沒完全「誕生」,就已經趕進度地成形囉!

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磁星熱泡泡:太空版浮世繪

日本畫家耐心一筆一劃勾勒浮世繪,中研院天文所陳科榮助研究員用電腦模擬的「磁星熱泡泡」,是他獨創的太空版浮世繪。

故事要從頭說起!近年來,天文學家發現一種很特殊的超新星,可以比一般超新星亮 100 倍,稱為「超亮超新星(superluminous supernova)」。理論天文學家不斷苦思:為什麼這些超新星會這麼亮?

有些學者提出「磁星(magnetar)」理論來解釋:超新星爆炸經常伴隨著中子星的形成,有的中子星轉得非常快,轉速高達每秒 1000 圈,因為其磁場強度高達地球的 1000 兆倍,稱為「磁星」。

而磁星的磁力線就像是綁在星球外的繩子,在快速旋轉下被攪動,會以輻射的形式把中子星的轉動動能傳遞出去。根據目前模型,發射出去的輻射能量只要超過磁星轉動動能的 5%,就能產生比一般超新星 100 倍亮度,形成超亮超新星。

陳科榮以超級電腦模擬磁星驅動超新星爆炸的過程,上圖為將磁星一切為二的三維模型。
圖/中研院天文所 陳科榮

陳科榮從 2015 年就投入磁星驅動超新星的模擬研究,展示其爆炸過程,立刻面臨一個巨大的難題:在此之前的研究都是一維度模型,也就是假設「磁星驅動超新星的流體分佈」是球對稱,所有方向的變化都一樣。但真實過程當然沒有這麼簡單,磁星的輻射壓力會突然把物質劇烈地往外推,形成流體力學的不穩定結構,就像是把墨水滴在水裡,可見多變複雜的結構。但一維模型的結果就像剷雪,只能將大量物質擠在非常小的區域,無法判讀箇中細節。陳科榮比喻:

一維模型就是只有一個車道,車子都擠在同一個車道,不能超車;二、三維就像有兩、三個車道,才能模擬真實流體不穩定現象。

陳科榮又舉例,在葛飾北齋著名的浮世繪《神奈川沖浪裡》,海浪的尾端有許多破碎的複雜結構,真實的流體即是如此複雜,而這幅畫還只是偏向二維結構。三維流體的紊流更複雜,只有達文西這樣的天才,可以將其生動地描繪出來。

從葛飾北齋浮世繪的海浪畫面(上),以及達文西繪製的紊流細節(下),可看見真實流體的結構有多複雜。
圖/維基百科

三維的紊流具有很多複雜、不均勻的結構,磁星造成的熱泡泡也是如此!所謂的「磁星熱泡泡」,就是磁星這個強大的能量來源「吹出」的泡泡,就像滾水冒泡泡一般。每層泡泡有很多細微結構,一、二維的模擬皆無法呈現和解釋。但這些細微的紊流結構不可忽視,它可是會影響磁星能量傳輸,進而影響超亮超新星的觀測性質。陳科榮以超級電腦模擬出的磁星熱泡泡,乃史上首度對磁星熱泡泡做出三維的模擬,同時具備精密度和大尺度:全貌相當太陽系,細節小如台北市,可謂獨步全球!

陳科榮以電腦模擬的磁星熱泡泡,不但可見大尺度範圍,也可見許多複雜的精細結構。
圖/中研院天文所 陳科榮

宇宙魔戒:愛因斯坦環

這枚宛如宇宙版魔戒的「愛因斯坦環」,其實是某顆巨大黑洞造成的!中研院天文所團隊藉著分析愛因斯坦環影像,進一步推算出這顆黑洞的質量。

SDP.81 愛因斯坦環。這是地球、40 億光年外之 A 星系、120 億光年外之 B 星系,三個天體同時在一直線上,因為位置剛好加上 A 星系的巨大重力所造成的奇景。
圖/ ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); B. Saxton NRAO/AUI/NSF

松下聰樹解釋,重力可讓光線彎曲,宇宙中如果有個大質量的東西(例如:黑洞)擺在光源前面,它的重力可以成為折射背景光的透鏡,改變我們看到的影像,這個原理稱為「重力透鏡」,是愛因斯坦環的主要成因。

何謂重力透鏡效應?由左到右分別是:地球(觀測者)、大質量星體(如黑洞)、遠方的星系。當三者在一直線上,遠方星系的光通過大質量天體附近,光線會因強大重力而彎曲(白色箭頭),就像透鏡彎曲了光線,地球上的觀測者就會「看見」變形的星系影像。
圖/NASA

松下聰樹以一個高腳酒杯和一張紙,巧妙解釋這個神秘的天文現象。他在白紙上畫了一個紅點,周圍不規則的塗上藍色。接著把酒杯放在圖案上,如果酒杯中心正對著紅點,那我們透過酒杯底座(扮演透鏡),可以看到藍色的環帶中間,顯現出一個完整清晰的紅圈。如果酒杯中心稍微偏離紅點,則會看到兩個或四點構造,散落在不對稱的藍色圓弧之中。讀者不妨自己在家做實驗!

可以在家按照操作步驟試試!
攝/林洵安

這次展出的 SDP.81 重力透鏡系統之中,背景星系有很亮的核心,就像是實驗中的紅點;附近還有瀰漫的物質,就像是周圍的藍色區塊。松下聰樹說,假如背景星系是個只有核心的點光源,只會看到四個紅點。但是圖中還可看到較微弱的弧狀結構,代表還有其他瀰漫的物質在周圍。

SDP.81「愛因斯坦環」的 ALMA 影像,數個紅點來自星系核心緻密區域。
圖/黃活生、蘇游瑄、松下聰樹(2015)

用影像「秤出」黑洞有多重?

中研院天文所的團隊利用愛因斯坦環的影像,成功計算出中間的透鏡星系為一個黑洞,至少有 3 億倍太陽質量。

松下聰樹解釋,如果透鏡星系的質量夠大,嚴重扭曲背景星系的星光,地球上的觀測者只會在兩側看到增強的成像,看不見正中央背景星系的影像。這就好比,在酒杯的成像中只看到外圍的弧狀範圍,看不到原來中央的紅點。而在 SDP.81 系統中的確如此,無法看到背景星系的原始影像,這表示黑洞夠重,可藉此推知黑洞質量的下限。

此外,愛因斯坦環還能推知背景星系的影像。背景星系遙遠而黯淡,但經過透鏡星系有放大的效果,運用電腦計算可還原出極高解析度的影像。

天文學家從 ALMA 影像(中)重建出背景星系的樣貌(右),目睹 120 億光年外的異世界。透鏡星系是橢圓星系,通常不會發出電波,所以在 ALMA 的波段可以不受透鏡星系干擾,清楚分辨來自背景星系的光。再加上 ALMA 有夠好的解析度和靈敏度,才能看清楚愛因斯坦環,並執行以上的計算。
圖/ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo)/Mark Swinbank (Durham University)

除了以上精彩內容,本次展覽還有「微旋臂 暗度陳倉?」展示呂浩宇研究的大質量恆星團旋臂,「完美螺旋的分岔」則是金孝宣的飛馬座 LL 雙星系統中螺旋分岔,「塵埃間隙發現旋臂: 暗示行星正在形成」展現湯雅雯研究的御夫座 AB 星美照,「漢堡,啤酒,雙頭槍」為李景輝所發現胚胎恆星在吸食「塵埃漢堡」的案發現場……更多讓你腦洞大開天文美照,快進入「星海巡奇」線上展覽一飽眼福吧!

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為麥田圈、浮世繪、至尊魔戒?!「星海巡奇」一窺腦洞大開的天文奇景,泛科學為宣傳推廣執行單位

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英仙座流星雨要怎麼看?
屋頂上的天文學家
・2020/08/11 ・1039字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 488 ・五年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

看英仙座流星雨需要做哪些準備呢?什麼時間、地點最適合呢?

飛過獵戶座附近的流星。攝影李昫岱

什麼時間?

根據國際流星組織的資料,英仙座流星雨發生的時間從 7 月 13 日到 8 月 26 日,將近一個半月的時間,這段時間都可以看見英仙座流星雨。不過英仙座流星雨的極大期則是 8 月 13 日前後幾天,觀測條件好的地方,每小時最多可看見大約一百顆的英仙座流星!

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流星雨幾乎都是下半夜才會進入高峰,這時流星雨的輻射點較高,可以看見從輻射點向四面八方輻射的流星。

什麼地點?

看流星雨其實不需要到高山上人擠人,找一個空曠、光害較少的地方就可以。

什麼設備?

眼睛最適合用來觀看流星雨,看流星雨不需要任何望遠鏡或昂貴的設備,不過一些簡單裝備可以讓你欣賞流星雨更輕鬆。

抬頭看流星,時間久了脖子就會痠痛,帶一把躺椅會讓你舒服很多。也可以帶睡袋或在地上鋪毯子,直接躺在上面觀看流星。

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夏天的夜晚,蚊子還是很多,防蚊的東西不能少。記得要多帶衣服,尤其是前往高山看流星雨,入夜後會變冷。

觀看流星時,要注意觀星禮節。沒有必要的燈要關閉,手電筒或手機的燈要往地上照,不要把燈光往人照。如果附近有人在拍攝流星雨,更要注意燈光,不要影響拍照的天文同好。

往哪個方向看?

流星會出現在哪裡?這是無法預測的,唯一知道的是,英仙座流星雨的流星都是從英仙座的頭頂附近輻射出來的,流星會出現在天空中的任何角落。

怎麼拍?

用手機相機或一般數位相機拍流星雨,難度相當高,建議使用數位單眼相機比較可行。

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單眼相機要架在穩固的三腳架上,廣角鏡頭拍攝的範圍較大,捕抓到流星的機會較高。盡量把光圈開到最大,鏡頭進來的光愈多,就能拍到愈暗的流星。另外,把相機 iso 值提高到 1000 以上,這樣可以拍到較暗的流星,不過 iso 愈大,拍起來的影像雜訊也愈多,試試不同的 iso 值,看看影像中雜訊的狀況。

把相機改為手動對焦,再把焦距調到無限遠,或對準一顆亮星,把影像中亮星大小調到最小。曝光的經驗值是 20mm 鏡頭約 10 秒,35mm 鏡頭約 6 秒,這樣影像中的星點會是圓的,不會拖出長線。

不要忙著拍照而忘了親身感受流星雨,用電子快門線設定每幾秒拍一張後,就讓相機自己去拍攝,回到家後再檢視拍照的結果。如果拍到流星,記得分享流星的美麗照片!

祝 流星滿天,觀星愉快

延伸閱讀:英仙座流星雨怎麼來的?

本文轉載自作者部落格「屋頂上的天文學家」,原文為〈英仙座流星雨要怎麼看?

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屋頂上的天文學家
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屋頂上的天文學家-李昫岱,天文學博士,曾服務於中央研究院天文所及美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校。大學時交了一群天文社的朋友,從此過著離不開天文的生活,希望透過寫作拉近遙遠天體的距離,讓你發現天文的美好! 歡迎來「屋頂上的天文學家」臉書和部落格,一起航向宇宙,浩瀚無垠!