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圖一 視差概念圖

圖二 HIPPARCOS

圖三 HIPPARCOS量度恆星距離的準確度

圖四 GAIA

恆星,天文學中最早的研究對象。但大家有沒有想過,以往的人是從事怎麼樣的天文研究工作?原來當時他們大部份都是從事確定天體位置,紀錄恆星資料和製作星表工作。古人當時的工作就是「看星星、數星星、畫星星」,但不要以為很簡單,這門技術是一門專業。古時候,這門科學就成為了當時天文學的重心;至今,這門科學依然留存,現在,這天文分支稱為天體測量學(astrometry)。

在望遠鏡發明之前,人們只是單靠肉眼來觀測星象,非常早期的星圖就是這樣製成的,例如中國古代的《敦煌星圖》。後來從事天文研究的古人引入了象限儀(quadrant)等儀器來確定天體的位置,為當時肉眼可見的天體作出準確的測量,第谷(Tycho)就是利用象限儀測量天體位置而聞名。

人之所以能夠在看物件時有距離感,是因為人有一雙眼睛,左眼與右眼看同一件物件所形成的影像其實是不相同的,遠的東西分別不大,但越近的物件差別就越大,我們的腦袋分析了左右眼各自影像的差別,就能夠推算出物件與我們的距離。原來看星都是一樣,由於地球公轉,於不同時間地球所處的地方也不同,望去同一顆恆星成的角度也不同,只要量度到這個角度的差別,我們就可以用簡單的三角學(trigonometry)來計算出我們與該恆星的距離。早在未發明望遠鏡前,人們已經觀測到恆星有這個視差(parallax)現象,後來視差的計算令天體的距離可以作出測量,也成為了天體測量學的一個課題。

自天文望遠鏡發明之後,天文學進入了第二紀元,人類觀測到的星的數量比從前大幅增加,隨著望遠鏡的口徑愈建愈大,觀測到星的數目也以倍數地增加,準確的天體測量也成為了一個重要的環節。天體測量學除了測量天體位置、距離之外,還有測量天體的運動。原來恆星並非真是恆久不變的,她也會在天上移動的,只是我們的生命太短,在我們一生中都不足以看到她們有明顯的移動。恆星在天上移動的現象稱為自行(proper motion),全天自行得最快的恆星位於蛇夫座(Ophiuchus)的巴納德星(Barnard’s Star),在天空中移動的速度為每年10”(角秒,1”=1/3600°),也是一個很少的距離,如果我們可以活360年的話,就可以看到巴納德星在天上移動了一隻手指粗的距離。

要做天體測量的工作一點也不簡單,宇宙本身就是非常大,所有恆星都離我們相當遠,最近我們的恆星是位於半人馬座(Centaurus)南門二(Alpha Centauri)的比鄰星,與我們的距離為4.22光年,即使用光的速度飛向她也要用4.22年的時間才可以到達。其他恆星則離我們更遠,天狼星(Sirius)距離我們8.6光年,北極星(Polaris)勾陳一(Alpha Ursae Minoris)距離我們425光年,超新星SN1987A距離我們163000光年……這麼遠的恆星,她們的視差角度都非常小,近的星也只有1”視差,遠的根本就不能測度出來,所以利用視差的方法來推斷距離,只適用於近的恆星,遠的則不行。

天體測量的另一個主要限制就是大氣層的阻隔,空氣的流動很影響我們觀測恆星時的影像分辨度(resolution),我們需要高分辨度才可以將兩顆很貼近的星分辨出來。基本上,望遠鏡的口徑越大分辨度亦越高,但實際上,我們的大氣層成了一個天然的屏障,視寧度(seeing)最好的時間,最多也只能分辨到1”大小,到了分辨極限(resolution limit)後,望遠鏡的口徑再大也沒有用,所以在地面做到的天體測量有一定限度。

1989年,歐洲太空總署(European Space Agency, ESA) 發射了一隻天體測量衛星到太空──希巴古斯衛星(HIPPARCOS,High Precision Parallax Collecting Satellite,www.esa.int/science/hipparcos ),從此,天體測量進入了劃新的時代。由於沒有大氣層的阻隔,HIPPARCOS的主鏡只有0.3米大,但分辨度已達0.002”,在1989至1993年運作期間,在地球150秒差距(1秒差距=3.26光年)的範圍內,共測量得118218顆恆星的位置、距離和自行,相比起之前在地面觀測到的8000顆恆星的資料,希巴古斯衛星的成果已經超過了所有以往觀測的總和。

承接著希巴古斯衛星的成功,一連串的新天體測量衛星將會發射,尋求更多更準確的天體測量資料。名譽號 (FAME,Full-Sky Astrometric Mapping Explorer,www.usno.navy.mil/FAME) 是美國海軍天文台 (U. S. Naval Observatory, USNO) 與美國太空總署 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 合建的天體測量衛星,本來預計於2004年發射,但現在要延期。這衛星將會運作5年,預計可測量出4000萬顆恆星的數據,分辨度達0.00005”,打個比喻,這相當於站於350公里外看一條頭髮粗的東西。另一隻期望極高的天體測量衛星為ESA的蓋婭號 (GAIA,Global Astrometric Interferometer for Astrophysics,www.esa.int/science/gaia ),預計於2011年發射,在預計的5年運作時間內,可以比HIPPARCOS測量的恆星數目多500倍,準繩度多100倍。

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