赤經與赤緯

在我初學觀星時，很不方便，有時跟著其他人一起去觀星，他們都對不同的天體之間的位置十分熟悉，整個星圖都已在腦中一般。有時叫我去看一些深空天體，我都不知道它到底在東南西北。叫師兄們指給我看，也只看到他指的地方潻黑一片…

可惜我也沒有John Nash的‘特異功能’，追女仔又好，做研究又好，都無…

我在英國的時候，參與一個天文台的管理工作，接觸到一本觀星者的‘字典’。

內頁是這樣的星圖：

看到圖中有不同的線把天球分成不同的區域嗎？這些就是不同的星座區域，圖中的外圍分成2條軸，標示了數字：縱軸以角度為單位，橫軸以h為單位。

這兩條軸就是天球的經緯度，我們稱之為赤經(right ascension)和赤緯(declination)。

天球是一個在地球上標示天體的槪念。想像有一個球狀的膜包圍著地球在正中心。

天球上的星星就是宇宙中各個天體在膜上的投射。所以，在天球槪念中，天體的距離不重要。因為天球上大部份的天體之間距離太遠，所以它們在天球上看起來好像不太會動。所以，大部份天體在天球上的相對位置是幾乎不變的。

如果我們要準確標示那些天球上的天體，那到底要怎麼定義會比較方便呢？

最方便的當然就是最直觀的一種：把水平線定為仰角0度，頭頂位置定為90度。正北為方位角0度，正東為90度，正南為180度，正西為270度。

不過，當你做天體觀測時就會出現一個問題：因為地球自轉的關係，天體都是東昇、西落。當你嘗試量度一個天體的角度座標時，你會發現一個天體的數值是一直在變。而且，這個數值也會因著你觀測位置的不同而不一樣。這樣對於做天體測量是非常不便，因為你沒有一個固定的數值去形容天體的位置。

那麼有沒有辦法可以更好的去標示天體在天球的位置呢？

天文學家會使用剛才提過的赤經、赤緯的座標系統，我們稱它做赤道座標(Equatorial Coordinate System)。赤道座標是天文學之中最常用的座標系統。

天球的赤道座標其實就是把地球的北極點、赤道等座標線伸延到天球上去。

先把地球的北極極軸伸延，指向天球的位置是大約北極星(Polaris)附近，這一點稱為赤緯90度，南極點就是負90度。那麼，地球上的赤道任何一點的正天頂位置形成的線都是赤緯0度。

望向天球春分點(Vernal point，現在雙魚座內)的方向，我們定義為赤經0h(0時角)赤緯0度。然後向東方轉一個圈，劃分為24時角，一小時分成60分(60’)、一分分成60秒(60”)。

用小時作為單位是因為方便：想像在某一個方向我們面向春分點，即是赤經0時角。1小時後，隨著天球的轉動，我們面向的位置就變成赤經1小時了！

現在，很多望遠鏡的赤道儀都由電腦控制，其實就是計算現在正北方向和赤經0h的相差，再把這個值加到你想觀測的天體的赤經值，就可以一直追蹤這個天體。

現在看一段高手拍攝的縮時。大家可以留意一下天球的移動和各天體於天球上的排列。

2015諾貝爾物理學獎 - 中微子振盪Neutrino Oscillation

剛公怖了今年的諾貝爾物理學獎，獎項頒贈予梶田隆章教授和Arthur McDonald教授，以表彰他們於超神岡宇宙素粒子研究所(Super-Kamiokande)和Sudbury Neutrino Observatory的中微子振盪實驗，證明了中微子存在質量。

中微子，或有人譯做微中子，是其中一種物理學發現了的輕子。

中微子是由物理學家Pauli提出，一種對電磁場沒有反應的粒子，用來解釋在核分裂的過程中，原子核的中子轉換成質子的現象。即是說，在核子反應的過程之中，會產生中微子。

Wolfgang Pauli

在原子之中，有三種粒子，分別是帶正電的質子，帶負電的電子和不帶電的中子。但粒子的型態並不是永遠不變。中子(Neutron)是有機會衰變而成為質子(Proton)，同理，質子亦有機會衰變成為中子。

舉例，中子在衰變成為質子的時候，會同時放出一粒電子和一粒反電子中微子(electron antineutrino)。

但由於中微子對任何東西都幾乎沒有反應，所以很難被測量。

不過在上世紀50年代，就已經有團隊發現了中微子，從而證實Pauli的理論。

中微子有三種型態(Flavor)，分別是electron、tau和muon。加上它們各自的反中微子，中微子家族共有六種。

(圖片來源：Particle Zoo) 

事實上這已不是第一次諾貝爾物理學頒贈予中微子的研究。對上一次於2002年頒發的物理學獎也是頒給中微子研究的。那麼究竟中微子有甚麼重要性，連諾貝爾評審委員會都要特別重視？

其實，物理學界有好多'謎題'都和中微子有關。

太陽中微子
太陽是一顆恆星，內裡不停進行核聚變反應。所以，假如核反應真的會產生中微子的話，那應該每分每秒都有數以億計的中微子穿過地球。可惜，由於中微子基本上和任何物質都不產生反應，連電磁場都不會對中微子有任何作用，所以要測量中微子就需要很精密的實驗設施。 直至上世紀六十年代，各國陸續有不同的中微子實驗進行。但問題就來了，量度得到的中微子數量，比理論預計的少了約三分之二。這個結果令物理學界緊張，因為可能我們一向認為的恆星演化理論是錯的，又或者我們對中微子的認知其實是錯的。

暗物質
物理學界普遍相信宇宙中我們看得見的物質只佔不到宇宙總構成的百分之五，其他有七成多是暗能量，百分之20以上則是暗物質。中微子正好就符合了暗物質的定義，所以普遍認為中微子是最主要的暗物質。於是量度中微子的數量和重量就成了驗證現存宇宙學和天體物理學理論的實驗，也有助我們理解宇宙的演化過程。

今年諾貝爾物理學獎所頒發的中微子振盪研究，正好解決了以上的兩個問題。在1950年代，就有物理學家預言中微子會轉換型態(Flavor)。但是，理論上中微子需要有質量，可以很少，但不可以是零。不過當時學界認為中微子沒有質量。所以證實了中微子振盪就可以定性地解決了以上的兩個問題。
 

2000年代，梶田教授就先在超神岡發現中微子會在兩種型態之間轉換，之後Arthur McDonald教授的團隊亦在加拿大的Sudbury Neutrino Observatory精確的量度了electron中子和muon、tau中子的數量（他們也還未能區分muon和tau中子），從而證實由太陽到地球的旅程中，electron中子的確進行了中微子振盪而轉換成其他的中微子型態。

「恆星演化嘅嘢，我識條鐵咩」之 3. 紅巨星

[上一回講到，原恆星演化成主序星，踏入壯年階段。星體核心以氫為燃料，不停進行核聚變以供應抗衡恆星向內塌縮的引力。在聚變的過程中，產生了大量的光和熱，並射向四方八面。] 「恆星演化嘅嘢，我識條鐵咩」之 2. 主序星

主序星不停經歷著核聚變的過程，而恆星的一生最長的一段時間都是處於主序星這個階段。一顆主序星蘊含的氫是有限度的，所以可以預期氫是有用完的一天的。那麼用完以後怎麼辦呢？

上一篇提到，氫的聚變產生熱力，抗衡了星體引力塌縮的力量。恆星內部的溫度中心為最高，離開中心越遠，溫度越低。低至不足以發生核聚變的溫度時便不會發生熱核聚變。所以，這個核聚變的反應主要發生在恆星的正中心。當星體最中心，核心位置的氫差不多用完了，這種抗衡的力量就會越來越小。於是核心的氦(就是氫聚變後的副產品)就會向星體最中心的位置塌縮。星體的氦核縮少了，自然星體外圍的氫就要補進去。於是，星體的體積就會減小。

星體體積減少了，那本來散落在星體各處的熱力在不能向外散失(因為星體不是透明的，所以熱力要從內部走到星體表面，再散到宇宙之中不是一件簡單的事。)的情況下就會變得集中，壓力增加，星體內部的溫度就又再提高了。

當星體的溫度提高，在氦核表面的氫會被點燃。於是在氦核表面的氫會開始進行核聚變。這突如其來的能量增加會使星體急速膨漲至幾十倍，光度增加數百倍。

但因星體的熱力在星體之內迅速擴散，所以星體的表面溫度會下降至數千度。因溫度低了，顏色就會呈橙紅色。所以這星體就有了紅巨星之名。事實上，巨星其實有很多種類，某些O型、B型恆星會演化成藍巨星或超藍巨星。這是後話。

另外，核聚變的燃料其實並不只有氫。當氫聚變後，成為了氦，而氦其實也可以成為核聚變的燃料的，不過氦聚變的溫度比氫要高很多。當氫的核聚變停止時，引力塌縮的過程中所增加的溫度就可能引發氦的核聚變(一億度)，星體會脹得比之前大，氦的聚變發生。氦就會聚變成碳，當核心的氦差不多燒完之後，下一波的塌縮如果達至五億度時，碳也會進行核聚變，星體會脹得比之前再大，碳會變成氮、氧等元素。

不過，引力塌縮能否達至這些高溫，就要取決恆星的引力的強弱；而引力強弱就由恆星的質量來決定。 所以，質量較大的恆星在巨星階段時，核心會有較重的元素，質量較少的，則核心會是較輕的元素。

身為主序星的太陽，太陽在氫燃燒完(約五十億年後)後，第一次塌縮後，它的溫度會高至誘發氦聚變，因這次的溫度急速提昇，太陽的體積會瞬間膨脹至原來的差不多10億倍，它的半徑會伸延至差不多2億公里。屆時會把水星、金星都吞併入太陽之中，有可能連地球也一併吞掉。當氦用完之後，太陽塌縮，核心溫度會再次提高，氦會開始聚變成碳並再一次膨脹。當氦的聚變也停止後，太陽的引力不足以塌縮至下一波的核聚變，於是，太陽就變成一顆白矮星。

這顆白矮星的內核其實是碳，碳核的外層就好像洋蔥一樣一層層包著氧、氮、氦、氫等物質。在白矮星的內部是極高溫高壓的環境，這些碳在高溫和高壓之下，以一個令大部份女性瘋狂的模式展現出來。



下一次，就談談這顆"鑽石星"吧。

「恆星演化嘅嘢，我識條鐵咩」之 2. 主序星

[上一回講到，份子雲因摩擦等原因，溫度開始升高，份子雲的核心開始有紅外線外溢。此時，一顆原恆星就形成了。]

如果份子雲的總質量夠大，原恆星就會進一步進入下一個恆星演化階段。

如果原恆星的質量有大約我們的太陽的約10%質量，份子雲在塌縮的過程，溫度最高可達1千萬度。這時候，原恆星的核心就會發生核聚變，核心的氫氣因著高溫和高熱，會聚變成氦氣。(想瞭解多一點可以參考不同的網上材料，包括我的這篇，嘿嘿…)這時，星體內部向外擴張的熱膨脹力會和向內塌縮的引力互相平衡，星體的體積基本上就決定了。而星體的質量亦決定了這天體往後的命運…

如果熱膨脹力和引力平衡的話，就決定了恆星的體積。

就在核聚變發生的一刻，這顆原恆星就獲發一張恆星身份證，正式成為恆星。沒錯，嚴格來說，這個時候這個天體這時才被稱為恆星。我們稱這類恆星為零歲主序星(Zero Age Main Sequence，簡稱ZAMS)，是主序星(Main Sequence)的一種。

主序星是恆星壯年的過程，恆星一生中大部份時間都是處於主序星的狀態，而我們每天都見到的太陽亦是一顆主序星。在這段期間，恆星核心部份的氫會不停以核聚變的方式轉化成氦，從而產生大量能量，這些能量就以電磁波和熱的形式散發到宇宙之中。

作為主要燃料，恆星之中的氫原子會被消耗，副產品氦原子就會越來越多。當氫原子越來越少時，主序星的時期就差不多結束；所以，每顆恆星都有特定的壽命的。

一個看起來強壯的人，和一個孱弱的人，你一定會覺得強壯的人一定會比較長壽。我不是生命科學的專家，不知人體是否也是同一道理，但是，在恆星之中，質量大的恆星卻是比質量少的恆星短命。 為甚麼呢？

質量大的恆星，燃料氫的儲備自然較多，質量少的恆星則自然較少。但是，質量大的恆星核心的核聚變也較猛烈，同時間進行核聚變的範圍也較大；所以，消耗燃料的速度也快得誇張。

是故，太陽的壽命預計約100億年，而比太陽重兩倍的織女星卻只有10億年，壽命是太陽的十分之一。

當我們嘗試分析主序星大小和壽命的關係時，發現到原來恆星釋放出來的光的顏色，某程度上告訴我們主序星的大小。

在此，我簡單以主序星放出的光的顏色討論：
質量大的主序星，核心的核聚變非常激烈，所以發放的光都是偏向高能量的藍、紫色。
質量小的主序星，核心的核聚變比較慢，能量亦比較少，所以釋放的光偏向紅、橙色。

科學家嚴格分析各恆星的光譜後(光譜，Electromagnetic Spectrum，我會以後獨立闡述。)，以不同字母為各恆星的光譜編號並分類。以字母，由溫度最高開始：
O → B → A → F → G → K → M → L → T

這個分類法叫做Morgan-Keenan分類法(簡稱MK分類法)，是現代天文最常用以分類主序星的分類法。你看到字母都亂七八糟吧，這其實是歷史的原因：

19世紀一位意大利的天文學家Angelo Secchi曾經做過恆星的光譜普查，他的分類法底下，恆星分成3類，以 I, II ,和 III 作為編號。

Angelo Secchi (1818 - 1878)

例如
I型的恆星就是光譜中有很強的氫譜線的藍白色恆星，即是這顆恆星有很多氫原子。
II型的恆星的光譜中有很強的鈣線和鈉線的黃色恆星。
III型的恆星是偏紅色的恆星。

後來1868年和1877年，Secchi再加入 IV 和 V 型恆星。

到了1880年代，一個有錢寡婦成立了一個基金予哈佛大學去編制一個以他丈夫命名的恆星目錄Draper Catalogue，由天文學家皮克林(Edward Pickering)帶領一班女士進行這項工作。當時有意見說Secchi用羅馬數目字去編碼，很容易會和其他東西混淆了。哈佛大學的這個團隊就建議使用英文字母去代替。1890年，隊中其中一位女天文學家Fleming根據Secchi的分類法以光譜線的強弱作了更仔細的分類。

Williamina Fleming (1857 - 1911)

I型再細分為A, B, C, D
II型再細分為E, F, G,H, I, K, L
III型變成M
IV型變成N (沒有發現有恆星屬於此類)
V型被發現其實是其中一種B型恆星
弗萊明再加入三個編號：
O型是比I型更亮的恆星
P型是行星狀星雲
Q型是其他

不過，不久之後，隊中另一位隊員Cannon以光譜中的Balmer吸收線的強弱去排列這個分類法，並把不用的字母刪去。當時已經知道Balmer吸收線的強弱和恆星的表面溫度是相關的。

Annie Jump Cannon (1863 - 1941)

Cannon排出來的次序，以強至弱排列就是上面的：
O B A F G K M

我們的太陽是一顆屬於G型的主序星。

不過，由於目錄已編好並開始使用，為了省卻麻煩，他們決定照這個次序記下。

2000年後，天文學界再加入L T等恆星型。

我在做學生的時代，就要強記這個排列次序。為了使學生和其他使用的人，有人就編了一句口訣方便背誦這個次序：
(O)h, (B)e (A) (F)ine (G)irl (K)iss (M)e (L)ike (T)hat!

有一位女大學教授Diane Nalini甚至以這句口訣寫了一首歌呢！



We've grown apart, you and I
Expanding since the dawn of time
And somewhere on their lonely way
Your tender words suffered a delay
Not just a lag, but a cooling down
X-ray passion red-shifted to brown


*Oh be a fine girl… kiss me like that
You said…
Be my fire girl
Yes you said
Oh be a fine girl… kiss me like that
You begged
Be my fire girl… *

I lack the critical mass to collapse
Your wispy halo of cold gas
Rekindle the fire at the core
Of the hot blue furnace we burned in before
But I remember the early days
Fusing bodies consumed in the blaze

Repeat *

Words spiral out on their pointless flight
Riding a carrier wave into the night
But your cold eye settles only on dust
Remnants of the Big Bang between us
And will a new orbit bring you luck?
Captured forever, or ever in flux?
 
Repeat *

如果想要買這首歌的話，好像itune store和Google Store也能買到。

如果是女孩子怎麼辦呢？嗯⋯不如改成
Oh, Be A Fine Guy Kiss Me Like That
亦可。

到了現在，這個分類法會再細緻分級。每個恆星光譜型會再細分成0-9，共10級，0為高溫。後面再加一組符號去表示這個恆星的類別。例如主序星以字母V代表，太陽的光譜型就是G2V了。

說了這麼多，那為甚麼這類恆星要叫做「主序星」呢？我就賣個關子，下一篇，我就會介紹一個令這天體叫做主序星的工具。

Stargazing101 觀星入門(3)：大犬座(Canis Major)

這段時間，在夜晚8點左右，如果西面開揚的話，你會在西面差不多地平線的地方看到3顆比較亮的星。

有一顆最光亮的，金黃色的天體，它不是恆星，而是我們的鄰居：金星(Venus)。金星的上面，是木星(Jupiter)。

而在金星的西面望過去，就是在地球上看，除了太陽以外最明亮的恆星：天狼星(Sirius)。

天狼星不難找。只要找到獵戶座(Orion)，天狼星其實就在獵戶座右腳的腳邊。

天狼星是屬於一個叫做大犬座(Canis Major)的冬季星座的恆星。身為夜間最明亮的恆星，不同文明都早有著天狼星的觀測記錄。最出名的要數古埃及人，他們認為每年當天狼星第一天於日出前出現的話(Heliacal Rising)，尼羅河便會氾濫(當然這每年一次的尼羅河氾濫其實是因為每年約這個時候，埃塞俄比亞山區開始大雨，洪水流入尼羅河而形成)。因著這每年一次的河水氾濫，埃及每年8月1日開始會有歷時15天的慶典(Wafaa el Nil)。而這個假期便是由天狼星的Heliacal rising而定。

天狼星的Heliacal Rising - 當日出前，天狼星剛好在地平線上可見時，便是Heliacal Rising。

在希臘神話之中，大犬其實是一隻名叫Laelaps的神犬，這隻神犬是宙斯送給他的情婦歐羅巴(Europa)的禮物。相傳Laelaps是一隻甚麼獵物都能捉到的獵犬。

這隻獵犬輾轉間傳到歐羅巴的兒子米羅斯(Minos)，再傳到刻法羅斯(Cephalus)手中 。當時，有一隻巨大妖狐(Teumessian Fox)作惡。於是，刻法羅斯就帶著獵犬去捉這隻妖狐。

需要到主角出場，這妖狐當然不是泛泛之輩。這隻狐狸是號稱…………

……
……
……
……
……
……
……
……

永遠不會被捉到的！(唓…)

都係《狐忍》呢隻勁啲！

於是，犬與狐就展開了漫長的追逐戰…這其實有點像中國的成語故事自相矛盾！

甚麼都捉到的獵犬 vs 永遠不會被捉到的狐狸

這場追逐持續了很久，而且宙斯應該一直在吃花生看戲。因為到最後是宙斯覺得太悶，看不下去了，就把這兩隻動物都變成石像，而Laelaps就被宙斯升上天空成為了大犬座。刻法羅斯的寵物就這麼無聊就沒有了…

天狼星其實是一個雙星系統(Binary Star)。我們平常看到的是天狼星A星，是一個白色的主序星。旁邊其實還有一顆很暗的白矮星，稱為B星。天狼星B星會圍繞著天狼星A星公轉，這就是一個典型的雙星系統。

中間的是A星，左下的小白點就是B星
Credit: ESA

大犬座中，還有一些著名的深空天體。包括目視星等4.5等的M41星團。在光害較少的地方很容易看到。

M41
Credit: NASA

另一個位於大犬座較著名的深空天體是編號NGC 2359的星雲：雷神之盔(Thor's Helmet)。

像嗎？

大犬座對天體物理來說亦具有深遠的意義，因為它擁有星系合併的觀測證據。

其中一個是大犬座矮星系(Canis Major Dwarf Galaxy)。

以紅外線拍攝的銀河。下方有一團光影便是大犬座矮星系。

大犬座矮星系是一個不規則星系。它距離銀河系約2萬8千光年遠，相信是離銀河系最近的矮星系。這個矮星系呈一個細長的結構，天文學家相信這是因為它正被我們身處的銀河系的引力拉扯。數以億計的恆星正一邊圍繞銀河系，一邊被扯入銀河系之中，形成著名的三環結構—麒麟座環(Monoceros Ring)。


另一個就是NGC 2207星系。

NGC 2207是一個螺旋星系，它旁邊有一個較細小的棒螺旋星系IC 2163。NGC 2207星系現在剛開始接觸並和IC 2163星系碰撞，所以兩個星系的外型都還得以保持。不過天文學家計算後相信再過約一億年左右，兩個星系便會合併成一個更大的橢圓星系。

天狼星在日落時分接近地平線，代表冬季的星座就要在夜空消失，所以下一次，我會介紹另一個季節的星座。