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繪製宇宙地圖


圖五 帕洛瑪天文台

圖六 POSS
圖七 HIPPARCOS星表中三冊,
Millennium Star Atlas

圖八 2dFRGS中星系的分佈

圖九 2QZ中星系的分佈

天上的繁星有如星海,單是人類肉眼可見的已有6000顆恆星,但由於人的視力有限,較暗的星人眼就不能看見,但暗的星卻比光亮的星更多。我們身處的銀河系當中有4000億顆恆星,而單是我們現在於宇宙中觀測到的星系已有1000億個,所以全宇宙中的恆星數目實在是多不勝數。可是,即使有了望遠鏡的幫助,我們觀測到星的數目越來越多,但我們看到的,也只是宇宙中一個很小的範圍,天文學家為了對宇宙有更深入的認識,了解宇宙中物質的分佈,便進行了大規模的宇宙地圖繪製工作,實行了巡天計劃(survey)。

從古代到現在,無論是誰,從事連綿不斷的天文觀測的人都會把觀測到的資料記錄下來,編成星表(catalog),世界上最早的星表就是中國的《石氏星經》,其中載有121顆恆星的位置。現在科技發達,星表中星的數目遠遠超過這數字,準確度也提高了,而且也有很多星表相繼誕生。

天體測量的工作往往不會單獨進行,天文學家會一連串地對一整個天區作測量,這樣就成了巡天測量。以往的巡天在CCD (Charged Couple Device) 技術未發展成熟前,一直由照相底片(photographic plate)來進行,如著名的帕洛瑪天圖(POSS, Palomar Observatory Sky Survey)就是以底片做巡天而聞名。1950-1957年,位於美國帕洛瑪山(Mount Palomar)的帕洛瑪天文台(Palomar Observatory)把北天極至赤緯(δ) -33°的天區,用天文台的1.2米望遠鏡,每6.5°一張,每塊底片面積0.355平方米,拍下了共936組底片,每組底片分別用上了一張紅光和一張藍光的底片,是為第一次POSS,POSS 1。70年代,英澳天文台(Anglo-Australian Observatory,AAO)的英國施密特望遠鏡(UK Schmidt Telescope,UKST)和南歐天文台(European Southern Observatory,ESO)聯合完成了南天球的南天巡天(Southern Sky Survey)工作,填補POSS 1未覆蓋之天區,由赤緯-17°至南天極的天區,拍下了606組底片。這些底片都複製成玻璃送到世界各地的天文台,由於當時還沒有電腦,POSS和南天巡天的底片可以記錄到22等星,它們就成為了從事天文工作的必需品,POSS 1也在之後的40年成為了主導北半球天文觀測的重要工具,這些底片至今在每一個天文台都仍有專門室擺放。

POSS 2於1985年展開,利用新的底片,重新把北天極至天赤道的天區拍成894組底片,來跟POSS 1作比較,找出恆星的自行值。現在,POSS已經被數碼化,由於其重要性極高,數個新的數碼巡天星表中也將POSS的資料整合在內,例如太空科學望遠鏡研究所(Space Telescope Science Institute,STScI)負責的數碼化巡天(Digital Sky Survey,DSS,archive.stsci.edu/cgi-bin/dss_form) 和哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope,HST)使用的導星星表(Guide Star Catalog,GSC)都是由POSS而來的。DSS是網上的互動搜尋器,只要鍵入你想找的資料,就可以下載相對的檔案,相比以前要在房間找底片方便得多。

重要的巡天任務還有剛提到的HIPPARCOS,任務中的數據被製成了Hipparcos星表和第谷星表(Tycho Catalog),1997年,ESA發表了印成17冊的Hipparcos星表,雖然HIPPARCOS本身的原意是以天體測量為主,但在它3年的運作期間,每一顆星都被觀測過110次,間接從天體測量的數據中得到了恆星光度的資料,天文學上稱為測光(photometry),當中包括了變星(variable star)的光度改變。在星表中,有11597顆星被分類為變星,當中的8237顆是被新測定為變星的;在所有的變星中,2712顆為周期變星,5542顆為非週期變星或不能分類的。 另外,HIPPAROCS也測出了23882個雙星系統或多重星系統,令我們也得到恆星的多重性(multiplicity)資料。因此,Hipparcos星表現在已成為最主要的星表之一。

另一類巡天計劃的對象不是地球附近的星體,而是對整個宇宙作搜查,這類巡天計劃把眼界擴展到遙遠的星系和宇宙深空,研究物質在遙遠深空的分佈。 AAO進行了著名的兩度場(2dF,Two Degree Field) 巡天,這巡天計劃每次專注於天空中兩度大小的範圍。2dF包括了兩度場星系紅移巡天(2dFGRS,2dF Galaxy Redshift Survey,www2.aao.gov.au/2dFGRS ),和兩度場類星體紅移巡天(2QZ,2dF QSO Redshift Survey,www.2dfquasar.org),測量了超過200000個星系和35000個類星體的紅移。現在AAO正進行新的六度場星系巡天(6dFGS,6dF Galaxy Survey,www.aao.gov.au/local/www/6df) ,將聯合其餘的巡天:兩微米全天巡天(2MASS,Two Micron All Sky Survey, www.ipac.caltech.edu/2mass)、2MASS紅移巡天(2MASS Redshift Survey,cfa-www.harvard.edu/~huchra/2mass)、深空近紅外線巡天(DENIS,Deep Near Infrared Survey of the Southern Sky,www-denis.iap.fr)、超級宇宙巡天(SSS,SuperCOSMOS Sky Surveys,www-wfau.roe.ac.uk/sss),製成新的宇宙地圖。

現在的CCD技術已經非常發達,甚至由原來的天文專業用途,延伸至普及的數碼相機。現今的巡天計劃都多改為CCD的巡天,照相底片已經被淘汰。Sloan Digital Sky Survey (SDSS,www.sdss.org) 使用了CCD來進行巡天工作,對北天球上的一億個天體作測量,它除了非單一般進行測光,同時亦進行光譜記錄,紅移計算等工作,使巡天工作更完備。

在可見的將來,有數個計劃中的新的太空任務,將會進行更精確的天體測量、巡天和星表製作的工作,包括了原來預計於2004年發射,德國的DIVA (www.ari.uni-heidelberg.de/diva) ,以作為HIPPARCOS的後繼者,但至今仍未有正式的發射時間表;另預計於2010年發射,有美國的SIM PlanetQuest (planetquest.jpl.nasa.gov/SIM),不但將會進行天體測量工作,也會研究恆星的質量,進行恆星的物理研究;2015年發射,歐洲開發的達爾文號(Darwin,www.esa.int/science/darwin),由八台太空望遠鏡聯合組成,通過干涉儀(interferometry),六台望遠鏡得到的影像會組合到負責中央處理的衛星,再傳到主衛星把數據傳回地球,因為Darwin是首架在太空中運用干涉技術的衛星,其成果是令人期待的。干涉技術是近年引入的技術,能令天文觀測能力大大增加,並提高解像度,在射電波段的觀測較常使用,例如VLA(Very Large Array),對天文觀測很有幫助。

備受注目的還有GAIA的工作。GAIA會對我們銀河系內10億顆星作天體測量,除了得到基本的距離、自行、光度的數據外,透過測光分析,也可以知道恆星的溫度、重力、組成元素資料。有了這些資料,我們就可以研究恆星的物理,研究她們的誕生、結構、演化等問題。GAIA會觀測星等暗至20等的星,能達到這個星等,變星、超新星、爆發源、微透鏡現象(micro-lensing)、小行星、褐矮星(brown dwarfs)、白矮星(white dwarfs)都可以觀測到。GAIA的測量會影響深遠,往後的所有天文觀測都需要以這些資料來作定位或跟進,所以GAIA的觀測將會成為二十一世紀天文發展的建基石。


圖十 6dFGS中星系的分佈

圖十一 2MASS中星系的分佈

圖十二 SIM PlanetQuest

圖十三 Darwin

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