最近有空會翻翻過年前買的那本 Willmann-Bell 出的 "Telescope Eyepieces Astrographs", 裏面有好多內容被各天文論壇引用喔, 果然是大師之作. 連帶想到, 每天汲汲營營在器材, 千方百計想增加那麼一點點可視能力的同時, 是不是應該先停一下想想... 畢竟最後的受體是眼睛, 如果能夠先了解眼睛可視的 "原因", 再來研究如何提升可視能力, 這樣才是有效率的方法, 於是就把有關 Visual Observing 讀到一些有趣的東西筆記下來, 邊記邊學.
從一個外行人的觀點看來, 眼睛的結構頗像一台照相機... 或著反過來說才對. 也有鏡頭, 光軸, 底片... 等等機制. 人眼的折射率大約是 1.33, 跟 "水" 差不多. 年輕時瞳孔全開可以大到 8mm, 然後逐年降低, 到中年剩 5mm, 等到老年可能僅剩 3~4mm... 這也沒辦法, 人會老就跟星星演化一樣, 總有一天會燒完, 剩下渣渣而已.
眼睛的有效焦長大概是 17mm, 以瞳孔大小 1.5 ~ 8 mm 來算, 有效焦比大約是 f/2.1 ~ f/11. 至於眼睛感光機制主要是 "視網膜(retina)", 佈滿神經連結到大腦, 其中感光神經元有兩種, 一種在高亮度時很活躍叫 "視錐細胞(cone cell)", 視錐細胞可能有三種, 分別可感受高亮度的三種不同波長(顏色)光譜; 另一種感光的神經元叫 "視桿細胞(rod cell)", 它對低亮度的感受比較活躍, 不過無法分辨顏色, 只有黑白而已. "視錐細胞(cone cell)" 密佈於視網膜中央部分, 不但能分辨色彩, 而且在亮度足夠的條件下, 敏銳度更高, 是高解像的主力; 反之 "視桿細胞(rod cell)" 分布於視網膜圓周帶, 對光線的敏感度更甚於前者, 尤其在微弱光線下, 不過由於它缺少色素, 因此無法分辨色彩, 但因其在微光下的敏銳特性, 便成深空觀測者愛用的利器, 也難怪當我們觀察暗淡的星系星雲時, 總愛用眼角餘光做 avert vision. 但如果觀察明亮的月面行星時, 運用視野中央部分高解像力的 "視錐細胞(cone cell)" 往往能得到更好的結果.
這樣看下來, 我們可以歸納出目視的三個特性, 而了解這三個特性方能繼續想辦法來提升. 這三個特性一個是解像力 (angular resolution), 一個是對比 (angular sensitivity to contrast), 還有對不同光譜的色彩敏銳度 (spectral sensitivity)... 因為直翻實在太繞口, 所以我簡化了中文名稱. 人眼解像力當然是有限的啦, 人眼成像的結構理應存在嚴重的球差與縱向色差, 不過這些差就在眼與腦的溝通協調中修正掉... 或說忽略掉了, 讓我們都以為自己的眼睛像是完美的 "成像" 機器.
至於在視網膜 "顯影" 的部分, 視錐與視桿細胞通力合作下, 讓我們有能力區別不同物體間不同亮度的些微差異... 也就是所謂 "對比" 粗略的定義... 轉一下實際觀測時的例子, 就像在一定亮度的天光背景下分辨比它多亮一點點的星雲或星系目標... 這也就正是望遠鏡的工作之一. 而講到對色彩的感受度, 其實大家都知道人眼能察覺的頻譜非常小, 從紫色到紅色, "視錐細胞(cone cell)" 相對敏感於藍綠到黃橘; "視桿細胞(rod cell)" 相對敏感於從藍到綠.
不過前面不是講視桿細胞分不出顏色嗎? 我猜... 沒錯, 是分不出顏色, 但是可以察覺其亮度並以黑白呈現. 跟前面講過的連起來, 人眼在黑暗中由於 rod 細胞發威, 所以最敏感的光頻譜落在 510, 而在日間模式 (書用 photopic 這個詞, 相對於夜間模式的 scotopic), 最敏感的光頻譜會落在 550. 這些差異有什麼要緊呢? 設計望遠鏡目鏡... 等光學器材這些資料就很重要了. 這篇筆記就繼續深入一點了解這三個目視天文的特性, 首先是人眼的解像力或說 "角分辨度" (angular resolution).
講到 "解像力" 又得扯到繞射公式, 萊利限制... 之類的, 先不管數學公式, 用別人算出來的結果就好... 不然可以參考 WIKI 或以前亂扯的那篇. 這部分我有點用猜的, 因為實在看沒有很懂? 不然就是我數學太爛或英文太爛... 因為這也可能啦 ^^".
好, 猜就猜吧...
如果討論的是 "望遠鏡" 那還相對單純, 套一下數學公式 (理想狀況, 例如不考慮 seeing) 就能解釋清楚, 以我們之前對繞射的理解, 口徑越大, 繞射環中央的艾利斑直徑越小, 當然分解能就越強. 但是如果用 "肉眼", 理論(數學/物理公式)跟實務(實驗/調查統計)在某個門檻之後就出現矛盾現象. 以瞳孔瞇到最小 1.5mm 來算好了, 算出來分辨力的理論值大約是 40 秒角距...
好啦, 忍不住想驗算一下... 先記下中學程度的基本公式提醒數學爛爛的自己..
+ 綠光波長是 555 (或550) 奈米 (nm),
+ 1 nm = 0.001 微米 (um) = 0.000 001 mm
+ A (radians 弧角徑) = 1.22*(光波長/2*d)
+ 弧度單位為"rad"; 完整圓是360度, 所以 2*(Pi)*rad=360, 所以 1 rad=180/(Pi), 近似 57.3, 所以 知道角度, 乘以 57.3 就能換算成弧度; 反之亦然.
所以當 EP = 1.5 mm: A (rad ians 弧角徑)=1.22*(0.000 550mm)/(2*1.5mm)=0.000 224;
換算成角距, 0.000 224*57.3=0.0128 (度); 0.0128*60*60=46.13 (arcsec)
--> 其實我還是覺得這算式有問題, 因為公式的 "d" 是半徑, 所以分母要乘以 2, 但是 Pupil Size 1.5mm 已經是直徑了.
不過這裡我不懂的是, 人眼 Pupil Size 最小就 1.5mm 嗎? 它跟望遠鏡系統的 Exit Pupil diameter 關係為何? 為什麼 Exit Pupil 最小極限是 0.5mm? ... 於是又翻箱倒櫃找了一堆亂七八糟的資料... (底下有一大部分是 4/16 補寫的, 會快轉到之後講目鏡那邊才會筆記到的內容, 所以有點混亂 >"<)
先不管眼睛肌肉能否控制 Pupil size 小於 1.5mm 好了, 看底下的圖... 灰色區就是不同 d (繞射公式裏的口徑 d) 之 Airy Disk 能量分布圖; 而外面的粗線是人眼經過測量實際的解像力, 所以當 Pupil size = 1.5mm 時 (眼睛瞇得很小), 其解像力已趨近理想的 Airy Disk 能量分布狀況, 意思就是說, 再小下去也不敵萊利限制 (Rayleigh Criterion), 完全被繞射現象所干擾無法分辨再小的細節了. 況且這還是理想狀況呢, 要是你眼睛還有其它瑕疵, 情況就更糟了.
這張圖還說了什麼呢? 理論上 "越暗", Pupil size 會越大 (眼睛張越開), 解像力也會越好 (中間的灰區越細), 但是看看 "線", 會發現實務上人眼的誤差會越多 (線圍起來的區域變胖), 因為人眼在黑暗中生理本能會傾向盡量 "看得見" 就好, 所以不管任何誤差 (像差, 色差...) 急遽出現也不管, 盡量成全能夠 "辨識" 出物體就可以了. 可以試試看, 夜晚以肉眼看亮星是不是一堆星茫散射? 如果你瞇小眼睛, 星茫會減少, 如果你藉由望遠鏡放大 (Exit Pupil 縮小) 星茫甚至不見了.
回頭來看望遠鏡系統的 Exit Pupil, 這必須分兩種情況來看, 如果是看微光目標, 那是另一個課題, 談到 "對比", "銳利"... 時會提到, 而且 Pupil size 大有大的極限 (5~8mm), 一切倒不那麼難理解; 另一種狀況是看明亮的月面行星, 由於收光不是問題, 於是我們就會想盡量放大倍率來看個仔細... 望遠鏡放大倍率的意義就是縮小出瞳徑 (Exit Pupil), 能縮到多小? 有它的極限嗎?
前面有算到, 如果逼近繞射干擾極限, Pupil size 是 1.5mm 的話, 可以分辨出 46" (arcsec) 左右的細節, 但實驗統計的結果, 一般人在"理想的", "明亮的" 情況下, 肉眼最佳分辨能力大約只有 60幾秒角, 這是因為人眼多少有一些瑕疵或各種像差色差存在的影響, 換算一下, 這樣就相當於 Pupil size 差不多為 1mm 的情況.
Pupil size 是人眼控制, 而 Exit Pupil 是望遠鏡系統組合而成, 就算 Pupil size 不能再縮小好了, 望遠鏡系統繼續放大下去, Exit Pupil 會繼續小下去; 越小目標就越暗, 目標的邊緣線條也就越模糊, 細節也越因模糊而越跟旁邊其他的細節融化一塊... 小到一個門檻 (一般看到的是 0.5mm, 因人而異, 我自己試過可以作到 0.4mm 的火星觀察) 視野開始出現漂浮物, 越來越多的雜訊讓整個畫面終於崩潰.
人眼... 應該說整體眼腦協調機制, 天生就設計 1mm 以上 Pupil size 的成像結果, 小於 1mm 的東西讓整體眼腦協調機制難以修正... 這也某種程度解釋, 為何極小出瞳徑下, 用雙眼機制會優於單眼觀察的效果, 因為雙眼與大腦的協調彌補了單眼的不足. 還有一個說法是用光子數量解釋, 因為超小出瞳徑遞送的光子數量實在太少, 太少量的 cone 細胞神經原能接收到, 導致無法完整成像.
再囉嗦一下... 就是因為 Exit pupil 是那麼重要, 所以很多在探討可視性的案例, 老手們通常都用 "每吋幾倍" 的說法來表達, 而非單純說幾倍幾倍, 因為肉眼接收到的結果完全是出瞳徑啊... 這個在下一篇講目鏡時會再提到. 所以 Exit Pupil 門檻是 0.5mm 的話, 就是每吋 50X, 如果是 3" 鏡, 放大的極限就是 150X; 如果是 8" 鏡, 放大的極限就是 400X... 再放大, Exit Pupil 就再小, 細節就更不清楚了. 再看一下上面那張圖, Pupil size 1.5mm 與 3mm 時的人眼解像力誤差好像差不太多, 可是 airy disk 變小了, 這意思是說 Pupil size = 3mm 時似乎是最佳解像力的平衡點 (airy disk 小小小... 到雜訊干擾還不至於變太大的臨界點), 這跟實務上許多觀測老手說 3~4mm 的 Exit Pupil 是最清楚的甜蜜點倍率說法頗為穩合. Pupil size 或 Exit pupil diameter 因調高倍率而縮小, 小到極限會被繞射現象干擾以及人眼腦協調機制無法處理; 而降低倍率以增加出瞳, 大到某個程度人眼的雜訊開始大量出現干擾, 因此依據所要觀測的目標會有一個最佳的倍率, 而且因人而異.
我想了想, 有一個無三小路用的結論符合前面的推論. 就是低倍觀察下, 因為出瞳徑大, 小鏡的效果可能更勝大鏡, 為什麼? 比如說 20X 好了, 3" 小折的出瞳徑是 3.8mm 而 5.5" 的出瞳徑是 7mm, 放大倍率一樣, 同目鏡的話視野大小也一樣, 但是 7mm 出瞳人眼的雜訊比 3.8mm 時多, 所以大鏡效果反而差... 那為什麼說這個推論 "沒用" 呢? 因為我實在想不出低倍觀察為何需要小出瞳? 用到低倍時不外乎為了追求大視野或高亮度, 也少有人會用低倍觀察月面行星細節, 所以...
第二個是跟光學用品設計息息相關的人眼特點... 對各不同顏色光頻譜的敏銳度, 設計目視用光學器材時, 尤其要把肉眼最敏銳的那段頻譜的球差與色差弄掉. 人眼於日間模式, 最敏銳的在 555 處(黃綠色), 而且很對稱的在左(460 藍)右(670 紅)衰退 10%, 前面提到的三種 cone 細胞對不同顏色的敏銳感應開始提高, 分別是 440 的藍 cone, 540 的綠 cone 以及 570 的紅 cone (其實 570 應該是黃色). 無法分辨色彩的 rod 細胞對光的敏銳程度遠勝於 cone 細胞, 尤其在微光的夜間模式運作中, 最敏銳的地方在 510 處(藍綠色), 並在左(420)右(620)衰退 10%, 這表示在夜間人眼似乎對藍光比較敏銳, 而比較不受紅光影響, 不曉得是不是因此才用紅光手電筒的原因?
最後一個人眼特性是亮度(brightness)與對比(contrast), 日間明亮時其實 "視感" 沒什麼差別, 不過當亮度降低 1000 倍時差異就大了. 我們都知道要讓眼睛適應黑暗 (dark adptation), 讓眼睛從從日間模式調整到敏銳的夜間模式, 從越亮的環境調至夜間模式要花的時間越久, 搞不好要超過 1 小時. 怎樣叫調好? 理論上就是能察覺到最暗的光線門檻, 我們叫它 visibility threshold. 但目視天文更重要的另一個門檻是 "對比" contrast threshold... 之前也做過兩篇有關對比的筆記: 夜空觀測品質 -- Sky Quality (Meter) 與 星系的觀測亮度與大小. 因為一旦眼睛完全適應黑暗之後, 對比門檻決定了你能不能看見目標的可能性, 對比門檻簡單說就是目標亮度與背景亮度差異的百分比, 在明亮的環境下, 人眼能夠分辨僅僅 2% 的差異; 但是在昏暗的環境下, 即便是差到 20% 的星系也不一定能分辨出來, 這個原因是在極低光源之下, 眼腦的感知協調被 "雜訊 noise" 所淹沒, 這個 "雜訊" 我可是經驗多多了, 經常在尋找那些暗得不得了的星系星雲, 明明知道它應該就在那, 卻看到死都看不到, 然後一片雜訊充滿目鏡視野的挫折感... 喔, 常見, 常見... 目標面積如果大一些, 會增加它被辨識的可能性, 上面兩篇多少有提到這部分喔. 因此, 望遠鏡的功用之一就是放大目標面積以增加其對比度 (當然也不能無限放大, 放大會稀釋表面亮度因而損及對比, 兩者之間有一個最佳點), 這比探討目標本身的亮度更重要了.
下一篇再來筆記 "目鏡" 與這三個目視天文特性的關係...
Practice
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2014年2月18日 星期二
2014年2月10日 星期一
冬銀河 -- 從英仙到船尾
每年從 11 到隔年 2 月, 雜誌的國際寄送好像都會出些小狀況, 二月份的 sky & telescope 就比平常晚了近三個禮拜才收到. 收到後快速瀏覽一遍發現 Craig Crossen 銀河觀測第三部曲 "冬銀河" 終於熱烘烘的上桌了, 當然一口氣就把它看完, 超愛這幾篇啦... 由於這幾年幾乎都在相同地方仰望星空, 四季更迭, 星起星落, 誰從哪裡冒出頭? 誰漸漸隱沒於何方天際? 這些律動變化慢慢形成一種節奏, 有種讓自己更融入大自然一點的感覺, 跟隨著這無形的大循環旋轉, 當然... 也對星座相關位置更熟悉, 這對閱讀銀河觀測這幾篇文章的理解幫助很大.
閉上眼睛, 腦海裡的冬夜星空... 蒼白模糊, 若隱若現的冬銀河... 如果夜還早得能夠看見仙后, 淡淡延伸到英仙, 經過明亮的御夫雙子與暗淡的麒麟, 分開神話故事裡的大小犬, 流進半夜勉強可見的船尾, 幾乎一整條橫跨頭頂... 其實在屋頂能見的部分, 只有相對亮一些的片段, 位於大犬背後, 麒麟與御夫中心部分... 不過每當冬銀河隱約可見時都會讓自己有點興奮, 因為代表又有一個絕佳的觀測夜晚了. 但是銀河通常不會是冬夜主角, 因為銀河外更是熱鬧豐富, 除了一堆亮星以外, 不管是各明亮的疏散星團, 還有大家愛拍攝的獵戶座大星雲, 巴納德環, 聖誕樹, 玫瑰花, 火焰, 加州星雲, 猴頭, 海鷗, 夠南邊的話還有骷髏頭, 更更南邊還有許多經典目標... 然而這些目不暇給的天體目標究竟身在何處? 彼此之間又有何關聯? 如果能夠知其一二, 不管看或拍應該都會覺得更加幾分樂趣.
讀過 夏銀河 與 秋銀河 介紹, 我們知道太陽系位置大約就在銀河盤面相當外側的 Orion-Cygnus 旋臂上, 而且偏旋臂內(靠銀河核心方向)側. 所以當我們講冬銀河時, 正是背對銀河核心, 意圖透過 Orion-Cygnus 旋臂望向銀河系外側邊緣, 視野所及之處將是 Orion-Cygnus 旋臂核心部分. 秋銀河 那篇有簡單介紹一點旋臂結構分布, 因此在這個位置我們會看到距離相當近的年輕疏散星團, 星協, 還有高熱高能量的發射星雲... 大概就是下圖英仙到大犬 (140 ~ 220 度) 方向.
如果時間還早, 抬起頭來看看冬夜星空... 英仙座高掛頭頂偏一點西北邊, 連同英仙最亮的 alpha 星(天船三) 以及周圍一堆星星, 這是英仙 alpha 星團, 也有人叫它 Melotte 20 或 Collinder 39, 它們都是英仙 OB3 星協的一部分, 距離我們大約 550 光年遠. 然後往南一點點移到英仙的腳附近... 這兩顆是我每次找加州星雲的出發點... 這邊是英仙 OB2 星協或叫就叫作 zeta 英仙星協, 距離我們大約 1000 光年遠, 跟加州星雲 (NGC1499) 跟我們的距離差不多. 往西邊移一些約西北西方向是距離我們 400 光年的金牛畢宿星團與僅僅 150 光年的七仙女昴宿星團, 如果往西南西方向看, 就是獵戶座星協, 距離又更遠一些, 1500 光年. 然後位置低一點的西南方, 大犬下半身包括狗狗尾巴那兩顆 delta 跟 eta 附近, 是距離我們約 2500 光年遠的大犬座星協... 仔細觀察, 以上提及的這些天體目標, 除了英仙 alpha 星團以外, 都位在冬銀河 "下"方, 看起來彷彿串串珠寶墜飾, 垂掛於微微發光的銀河帶之下. 夾插在這些墜飾其間有為數不少, 亮度介於 2~4 等, 偏藍, B 型主序帶巨星, 似乎與前面講的星團, 星協... 有某種奇妙的連結關係? 沒錯, 事實也是, 把這些天體目標連成一條帶狀, 距離剛好擋在我們望向的 Orion-Cygnus 旋臂核心之間, 並繼續延伸的區域叫作 古爾德帶(Gould belt).
古爾德帶就像一張紙平面, 或一片"環", 有點斜的橫向切過扁扁的銀河. 不過我們先一刀平平正正的橫切過這個扁餡餅好了, 這一刀痕就先當作餡餅虛擬的赤道線. 往上垂直看, 餡餅中心最高(北)處大約在后髮星團附近, 往下垂直看最低(南)邊則是跟后髮同樣暗淡, 位於鯨魚與水瓶南方的玉夫座 NGC 253 附近. 而從英仙到大犬這些靠我們很近的疏散星團, 星協, 星雲... 都落在餡餅虛擬赤道線的下(南)方, 而前兩集一直被提到, 距離我們更近, 長達快 70 度的 Scorpius-Centaurus 星協卻都恰恰相反的, 位在餡餅虛擬赤道線的上(北)方. 也就是說, 當我們面向銀河核心方向時, 這些 OB 星協在上方, 背對時就變在下方... 這個現象, 英國天文學家赫歇爾與美國天文學家班傑明高爾德 (Gould)都發現到了, 而且都在他們位在南半球的天文台發現... 也難怪, Scorpius-Centaurus 星協的許多目標是北半球中高緯度根本無法觀察的. 這些一半高一半低的目標連成一片相對於餡餅赤道線傾斜大約 16~20 度的虛擬平面, 就叫作古爾德帶. 這斜的一刀古爾德帶與正橫一刀虛擬赤道帶交會處, 一在南十字附近, 一在仙后座附近.
雖然有關古爾德帶的很多說法都還是推測, 不過一些蛛絲馬跡讓種種推測頗具可能性, 比如說觀察位於古爾德帶的目標們移動的方向與速度, 發現了一個共通性, 它們似乎有一個共同的核心, 然後以大約每秒 10 公里的時速一起朝核心外擴散離去. 有速度, 再有古爾德帶擴張到現今的大小... 加在一起推測, 這個 "擴張" 應該始於 7000 萬年前, 這與位於推測是擴張圓中心的七仙女昴宿星團以及英仙 alpha 星團年齡一致, 因此就有一種假設... 大約就在 7000 萬年前, 一個超新星爆炸事件催生了昴宿星團以及英仙 alpha 星團, 然後擾亂一池春水, 點燃了恆星誕生之火, 火種自此逐漸擴張往外圍散布, 而最旺盛之處就發生在獵戶座大星雲, 還有英仙腳附近英仙 OB2 星協裏的 IC 348, 還有位於蛇夫但很靠近天蠍, 星空調色盤附近的蛇夫 Rho 星那邊. 太陽系呢? 太陽系也在古爾德帶裏, 差不多就夾在古爾德帶內側的蛇夫 Rho 星與核心處的英仙 alpha 星團中間.
回到冬銀河, 當我們沿著銀河從御夫走到船尾, 事實上我們的視野已經越過擋在 Orion-Cygnus 旋臂核心前方的古爾德帶看過去了, 這部分的冬銀河正是旋臂該位置本應有的那些目標類型, 充滿了年輕的星協, 疏散星團, 發射星雲, 暗星際雲帶... 距離我們大約 3000 ~ 5000 光年遠. 現在 "距離" 越寫越多, 對距離"感"也有概念多了, 這個距離的目標通常已不再是肉眼目標, 不過倒有許多知名景點可以用雙筒或小型望遠鏡窺其一二喔. 我們先從天頂銀河順流而下探訪, 第一個是位在獵戶大哥高舉的木棒頂, 靠近雙子 Caster 腳邊的雙子 OB1 星協區, 距離我們約 5000 光年遠, 這裡別名猴頭星雲的 NGC 2174 是 10x50 的雙筒目標... 真的還假的? 我居然從來沒想去找過? 再下游一些... 這個就找過啦, 聖誕樹, 狐狸皮... 的 NGC2264, 距離我們約 2500 光年遠, 屬於麒麟座 OB1 星協的一部分. 再繼續順流下一些些, 擠成一坨圍出大薔薇的 NGC2237, 2238, 2246, 還有夾在中心的 NGC 2244, 這些是麒麟座 OB2 星協的一部分, 麒麟座 OB1 與 OB2 星協有一部分重疊. 再往下走遠一點, 狗頭上方的疏散星團 NGC 2353 以及最近老是看人在拍的 IC2177 海鷗星雲, 這些目標位在大約離我們 4500 光年遠的大犬 OB1 星協, 視野附近的 M50 離我們差不多 3000 光年遠, 所以跟大犬 OB1 星協無關喔, 只是恰好檔在前景. 這一區熱鬧得很, 狗狗屁股上方有密實, 超年輕的疏散星團 NGC 2362, 距離我們大約 4500 光年, 是正港的 Orion-Cygnus 旋臂目標沒問題, 但旁邊連接狗狗尾巴跟屁股的大犬 delta 星, 看起來好像只在旁邊, 但距離我們只有 2000 光年遠, 卻是位於古爾德帶上的大犬座星協成員, "大犬 OB1 星協" 與 "大犬座星協" 一遠一近, 可別搞混了... 這樣一講, 再次望向天際時想像一下, 是不是有立體感多了呢?
回到御夫附近, 我們開始背對著銀河核心方向, 一直掃視到大犬, 船尾 (150~240度), 望著的主要是我們身處的 Orion-Cygnus 旋臂, 同樣有年輕的疏散星團, 星協結構... 但是分布的密度顯然比面對核心時稀疏許多, 也因此, 我們得以相當容易的穿透 Orion-Cygnus 旋臂間隙看見旋臂外側, 甚至更外側的另一條旋臂, Perseus 旋臂. 這寬廣角度內最大的三扇窗戶是御夫中央, 麒麟座中央, 還有船尾座中央. 秋銀河那集裏, 我們一度曾從小小的仙后之窗得以窺探到精彩的 Perseus 旋臂一小部分, 但隨後就在雙星團附近消失, 檔在其前的正是古爾德帶在南英仙與北金牛的那部分, 直到第一扇的御夫之窗, Perseus 旋臂又再度出現, M36 與 M38 底下的 IC410 以及裡面的 NGC1893 距離我們有 10000 光年遠. 如果你熟悉星野位置, 閉起眼睛想一下御夫附近星野... 或者下次面對御夫座時... M36/37/38 距離我們大約 3500~4500 光年, 位在 Orion-Cygnus 旋臂; 遠一點的加州星雲 NGC 1499 在距離我們 1000 光年左右, 位處擋在其前的古爾德帶; 而 IC 410 與 NGC 1893 遠在 10000 光年外的 Perseus 旋臂, 一前, 一中, 一後. 過了御夫座, Perseus 旋臂不再內捲, 甩向銀河盤外, 因此下兩扇窗戶看出去的情景, 是更加的遙遠遼闊, 甚至漂向無垠宇宙深處, 除了遠在 15000 光年外的骷髏頭 NGC 2467 以外, 其他天體目標都難以用小型望遠鏡觀察到了.
銀河繞了將近 2/3 圈, 我們逐漸要回到當時的出發點, 隨著視線慢慢轉回銀河盤面內側, 前面兩集談到的內側旋臂又重新出現. 只不過此時多為地球南天專屬天體目標, 之前從沒有體驗過也沒有找過, 所以筆記時心虛得很. 比如: 南十字, 煤袋星雲, 別號珠寶盒星團的 NGC 4755, 還有比獵戶座星雲更大更亮的船底座大星雲 NGC 3372. 這幾個目標正位於號稱全銀河最壯麗的區域, 也是 Scorpius-Centaurus 星協西南方末端, 作者有教我們這些可憐兮兮的北緯觀星者一個有趣的方法, 以烏鴉座來定位想像出 Scorpius-Centaurus 星協輪廓... 不過自己沒有實做過, 不好意思亂扯. 還記得從天鵝一路蔓延到半人馬座的 Great Rift 嗎? 推測著名的煤袋星雲就是從它剝離出來的一塊, 看起來黑黑密密的, 而且沒有任何新星形成環境的徵兆, 不過事實上煤袋星雲並沒像看起來的那麼密實, 它只算是"不怎麼透明"的程度, 覆蓋在一些星點之前而已, 視覺上的黑大部分是導因於附近過亮的恆星雲, 照射於星際塵埃上所造成的投影.
視野來到這裡, 已是 Orion-Cygnus 旋臂穹弩之末的內緣轉彎處, 也正是 Scorpius-Centaurus 星協與 Great Rift 末端交接附近, 再過去又會跨過一段少油少鹽沒什麼星際塵埃與疏散星團, 旋臂與旋臂間的空隙, 然後老朋友 Sagittarius-Carina 旋臂再度現身, 我們的視野先接觸到其外緣, 並能切入其核心, 由於外緣通常障礙較少, 也才有機會造就像船底座大星雲這麼燦爛的天體目標可以綻放於眼前. 視線穿越 Sagittarius-Carina 旋臂, 有多個窗口足以讓我們朝著銀河核心前進, 並一睹最內側的 Norma 旋臂 (或稱 Scutum-Centaurus 旋臂).
銀河與旋臂的許多說法到目前為止都還是推測, 因此作者在最後也提出一些無法自圓其說的現象, 不過這些描述已經遠遠超過我能筆記的部份啦... 南天部分就這樣偷懶混掉很多... 而筆記是自己做練習的一個土方法, 外行如我處理這些天文專業知識其實是相當吃力呢, 理解靜態的就已經夠手忙腳亂了, 文中有關 "動態" 的內容... 像旋轉呀, 方向呀... 之類的雖然很精彩, 不過也被偷懶省略... 大力推薦有興趣的同好看原文喔, 然後這邊寫錯的地方也請不吝指正啊.
閉上眼睛, 腦海裡的冬夜星空... 蒼白模糊, 若隱若現的冬銀河... 如果夜還早得能夠看見仙后, 淡淡延伸到英仙, 經過明亮的御夫雙子與暗淡的麒麟, 分開神話故事裡的大小犬, 流進半夜勉強可見的船尾, 幾乎一整條橫跨頭頂... 其實在屋頂能見的部分, 只有相對亮一些的片段, 位於大犬背後, 麒麟與御夫中心部分... 不過每當冬銀河隱約可見時都會讓自己有點興奮, 因為代表又有一個絕佳的觀測夜晚了. 但是銀河通常不會是冬夜主角, 因為銀河外更是熱鬧豐富, 除了一堆亮星以外, 不管是各明亮的疏散星團, 還有大家愛拍攝的獵戶座大星雲, 巴納德環, 聖誕樹, 玫瑰花, 火焰, 加州星雲, 猴頭, 海鷗, 夠南邊的話還有骷髏頭, 更更南邊還有許多經典目標... 然而這些目不暇給的天體目標究竟身在何處? 彼此之間又有何關聯? 如果能夠知其一二, 不管看或拍應該都會覺得更加幾分樂趣.
讀過 夏銀河 與 秋銀河 介紹, 我們知道太陽系位置大約就在銀河盤面相當外側的 Orion-Cygnus 旋臂上, 而且偏旋臂內(靠銀河核心方向)側. 所以當我們講冬銀河時, 正是背對銀河核心, 意圖透過 Orion-Cygnus 旋臂望向銀河系外側邊緣, 視野所及之處將是 Orion-Cygnus 旋臂核心部分. 秋銀河 那篇有簡單介紹一點旋臂結構分布, 因此在這個位置我們會看到距離相當近的年輕疏散星團, 星協, 還有高熱高能量的發射星雲... 大概就是下圖英仙到大犬 (140 ~ 220 度) 方向.
如果時間還早, 抬起頭來看看冬夜星空... 英仙座高掛頭頂偏一點西北邊, 連同英仙最亮的 alpha 星(天船三) 以及周圍一堆星星, 這是英仙 alpha 星團, 也有人叫它 Melotte 20 或 Collinder 39, 它們都是英仙 OB3 星協的一部分, 距離我們大約 550 光年遠. 然後往南一點點移到英仙的腳附近... 這兩顆是我每次找加州星雲的出發點... 這邊是英仙 OB2 星協或叫就叫作 zeta 英仙星協, 距離我們大約 1000 光年遠, 跟加州星雲 (NGC1499) 跟我們的距離差不多. 往西邊移一些約西北西方向是距離我們 400 光年的金牛畢宿星團與僅僅 150 光年的七仙女昴宿星團, 如果往西南西方向看, 就是獵戶座星協, 距離又更遠一些, 1500 光年. 然後位置低一點的西南方, 大犬下半身包括狗狗尾巴那兩顆 delta 跟 eta 附近, 是距離我們約 2500 光年遠的大犬座星協... 仔細觀察, 以上提及的這些天體目標, 除了英仙 alpha 星團以外, 都位在冬銀河 "下"方, 看起來彷彿串串珠寶墜飾, 垂掛於微微發光的銀河帶之下. 夾插在這些墜飾其間有為數不少, 亮度介於 2~4 等, 偏藍, B 型主序帶巨星, 似乎與前面講的星團, 星協... 有某種奇妙的連結關係? 沒錯, 事實也是, 把這些天體目標連成一條帶狀, 距離剛好擋在我們望向的 Orion-Cygnus 旋臂核心之間, 並繼續延伸的區域叫作 古爾德帶(Gould belt).
這張美麗的插圖來自: Bruce MacEvoy 的網站, 站長大方的分享其天文知識
古爾德帶就像一張紙平面, 或一片"環", 有點斜的橫向切過扁扁的銀河. 不過我們先一刀平平正正的橫切過這個扁餡餅好了, 這一刀痕就先當作餡餅虛擬的赤道線. 往上垂直看, 餡餅中心最高(北)處大約在后髮星團附近, 往下垂直看最低(南)邊則是跟后髮同樣暗淡, 位於鯨魚與水瓶南方的玉夫座 NGC 253 附近. 而從英仙到大犬這些靠我們很近的疏散星團, 星協, 星雲... 都落在餡餅虛擬赤道線的下(南)方, 而前兩集一直被提到, 距離我們更近, 長達快 70 度的 Scorpius-Centaurus 星協卻都恰恰相反的, 位在餡餅虛擬赤道線的上(北)方. 也就是說, 當我們面向銀河核心方向時, 這些 OB 星協在上方, 背對時就變在下方... 這個現象, 英國天文學家赫歇爾與美國天文學家班傑明高爾德 (Gould)都發現到了, 而且都在他們位在南半球的天文台發現... 也難怪, Scorpius-Centaurus 星協的許多目標是北半球中高緯度根本無法觀察的. 這些一半高一半低的目標連成一片相對於餡餅赤道線傾斜大約 16~20 度的虛擬平面, 就叫作古爾德帶. 這斜的一刀古爾德帶與正橫一刀虛擬赤道帶交會處, 一在南十字附近, 一在仙后座附近.
雖然有關古爾德帶的很多說法都還是推測, 不過一些蛛絲馬跡讓種種推測頗具可能性, 比如說觀察位於古爾德帶的目標們移動的方向與速度, 發現了一個共通性, 它們似乎有一個共同的核心, 然後以大約每秒 10 公里的時速一起朝核心外擴散離去. 有速度, 再有古爾德帶擴張到現今的大小... 加在一起推測, 這個 "擴張" 應該始於 7000 萬年前, 這與位於推測是擴張圓中心的七仙女昴宿星團以及英仙 alpha 星團年齡一致, 因此就有一種假設... 大約就在 7000 萬年前, 一個超新星爆炸事件催生了昴宿星團以及英仙 alpha 星團, 然後擾亂一池春水, 點燃了恆星誕生之火, 火種自此逐漸擴張往外圍散布, 而最旺盛之處就發生在獵戶座大星雲, 還有英仙腳附近英仙 OB2 星協裏的 IC 348, 還有位於蛇夫但很靠近天蠍, 星空調色盤附近的蛇夫 Rho 星那邊. 太陽系呢? 太陽系也在古爾德帶裏, 差不多就夾在古爾德帶內側的蛇夫 Rho 星與核心處的英仙 alpha 星團中間.
回到冬銀河, 當我們沿著銀河從御夫走到船尾, 事實上我們的視野已經越過擋在 Orion-Cygnus 旋臂核心前方的古爾德帶看過去了, 這部分的冬銀河正是旋臂該位置本應有的那些目標類型, 充滿了年輕的星協, 疏散星團, 發射星雲, 暗星際雲帶... 距離我們大約 3000 ~ 5000 光年遠. 現在 "距離" 越寫越多, 對距離"感"也有概念多了, 這個距離的目標通常已不再是肉眼目標, 不過倒有許多知名景點可以用雙筒或小型望遠鏡窺其一二喔. 我們先從天頂銀河順流而下探訪, 第一個是位在獵戶大哥高舉的木棒頂, 靠近雙子 Caster 腳邊的雙子 OB1 星協區, 距離我們約 5000 光年遠, 這裡別名猴頭星雲的 NGC 2174 是 10x50 的雙筒目標... 真的還假的? 我居然從來沒想去找過? 再下游一些... 這個就找過啦, 聖誕樹, 狐狸皮... 的 NGC2264, 距離我們約 2500 光年遠, 屬於麒麟座 OB1 星協的一部分. 再繼續順流下一些些, 擠成一坨圍出大薔薇的 NGC2237, 2238, 2246, 還有夾在中心的 NGC 2244, 這些是麒麟座 OB2 星協的一部分, 麒麟座 OB1 與 OB2 星協有一部分重疊. 再往下走遠一點, 狗頭上方的疏散星團 NGC 2353 以及最近老是看人在拍的 IC2177 海鷗星雲, 這些目標位在大約離我們 4500 光年遠的大犬 OB1 星協, 視野附近的 M50 離我們差不多 3000 光年遠, 所以跟大犬 OB1 星協無關喔, 只是恰好檔在前景. 這一區熱鬧得很, 狗狗屁股上方有密實, 超年輕的疏散星團 NGC 2362, 距離我們大約 4500 光年, 是正港的 Orion-Cygnus 旋臂目標沒問題, 但旁邊連接狗狗尾巴跟屁股的大犬 delta 星, 看起來好像只在旁邊, 但距離我們只有 2000 光年遠, 卻是位於古爾德帶上的大犬座星協成員, "大犬 OB1 星協" 與 "大犬座星協" 一遠一近, 可別搞混了... 這樣一講, 再次望向天際時想像一下, 是不是有立體感多了呢?
回到御夫附近, 我們開始背對著銀河核心方向, 一直掃視到大犬, 船尾 (150~240度), 望著的主要是我們身處的 Orion-Cygnus 旋臂, 同樣有年輕的疏散星團, 星協結構... 但是分布的密度顯然比面對核心時稀疏許多, 也因此, 我們得以相當容易的穿透 Orion-Cygnus 旋臂間隙看見旋臂外側, 甚至更外側的另一條旋臂, Perseus 旋臂. 這寬廣角度內最大的三扇窗戶是御夫中央, 麒麟座中央, 還有船尾座中央. 秋銀河那集裏, 我們一度曾從小小的仙后之窗得以窺探到精彩的 Perseus 旋臂一小部分, 但隨後就在雙星團附近消失, 檔在其前的正是古爾德帶在南英仙與北金牛的那部分, 直到第一扇的御夫之窗, Perseus 旋臂又再度出現, M36 與 M38 底下的 IC410 以及裡面的 NGC1893 距離我們有 10000 光年遠. 如果你熟悉星野位置, 閉起眼睛想一下御夫附近星野... 或者下次面對御夫座時... M36/37/38 距離我們大約 3500~4500 光年, 位在 Orion-Cygnus 旋臂; 遠一點的加州星雲 NGC 1499 在距離我們 1000 光年左右, 位處擋在其前的古爾德帶; 而 IC 410 與 NGC 1893 遠在 10000 光年外的 Perseus 旋臂, 一前, 一中, 一後. 過了御夫座, Perseus 旋臂不再內捲, 甩向銀河盤外, 因此下兩扇窗戶看出去的情景, 是更加的遙遠遼闊, 甚至漂向無垠宇宙深處, 除了遠在 15000 光年外的骷髏頭 NGC 2467 以外, 其他天體目標都難以用小型望遠鏡觀察到了.
銀河繞了將近 2/3 圈, 我們逐漸要回到當時的出發點, 隨著視線慢慢轉回銀河盤面內側, 前面兩集談到的內側旋臂又重新出現. 只不過此時多為地球南天專屬天體目標, 之前從沒有體驗過也沒有找過, 所以筆記時心虛得很. 比如: 南十字, 煤袋星雲, 別號珠寶盒星團的 NGC 4755, 還有比獵戶座星雲更大更亮的船底座大星雲 NGC 3372. 這幾個目標正位於號稱全銀河最壯麗的區域, 也是 Scorpius-Centaurus 星協西南方末端, 作者有教我們這些可憐兮兮的北緯觀星者一個有趣的方法, 以烏鴉座來定位想像出 Scorpius-Centaurus 星協輪廓... 不過自己沒有實做過, 不好意思亂扯. 還記得從天鵝一路蔓延到半人馬座的 Great Rift 嗎? 推測著名的煤袋星雲就是從它剝離出來的一塊, 看起來黑黑密密的, 而且沒有任何新星形成環境的徵兆, 不過事實上煤袋星雲並沒像看起來的那麼密實, 它只算是"不怎麼透明"的程度, 覆蓋在一些星點之前而已, 視覺上的黑大部分是導因於附近過亮的恆星雲, 照射於星際塵埃上所造成的投影.
視野來到這裡, 已是 Orion-Cygnus 旋臂穹弩之末的內緣轉彎處, 也正是 Scorpius-Centaurus 星協與 Great Rift 末端交接附近, 再過去又會跨過一段少油少鹽沒什麼星際塵埃與疏散星團, 旋臂與旋臂間的空隙, 然後老朋友 Sagittarius-Carina 旋臂再度現身, 我們的視野先接觸到其外緣, 並能切入其核心, 由於外緣通常障礙較少, 也才有機會造就像船底座大星雲這麼燦爛的天體目標可以綻放於眼前. 視線穿越 Sagittarius-Carina 旋臂, 有多個窗口足以讓我們朝著銀河核心前進, 並一睹最內側的 Norma 旋臂 (或稱 Scutum-Centaurus 旋臂).
銀河與旋臂的許多說法到目前為止都還是推測, 因此作者在最後也提出一些無法自圓其說的現象, 不過這些描述已經遠遠超過我能筆記的部份啦... 南天部分就這樣偷懶混掉很多... 而筆記是自己做練習的一個土方法, 外行如我處理這些天文專業知識其實是相當吃力呢, 理解靜態的就已經夠手忙腳亂了, 文中有關 "動態" 的內容... 像旋轉呀, 方向呀... 之類的雖然很精彩, 不過也被偷懶省略... 大力推薦有興趣的同好看原文喔, 然後這邊寫錯的地方也請不吝指正啊.
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