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主題介紹 ─ 紫外光天文史


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壹、何謂「 紫外光 」?

         依據「 熱輻射 (Thermal radiation)」的論點,當物體受熱時,由其 原子 或分子的熱擾動, 激發 物體放出 輻射 能量。 熱輻射與物體的性質及 溫度有關 , 其輻射能量是 連續能譜 , 以 電磁波形式 向四面八方傳遞, 其輻射能量對波長的分布 呈山峰狀 , 峰頂所對應的波長 λmax 和物體表面溫度 T , 可用韋恩 (Wilhelm Wien, 1864 - 1928) 對於黑體輻射的「位移定律 (Wien's displacement law)」來討論, 在一定溫度時,能量密度對輻射波長的關係式: 「在能量密度最大處之波長與 絕對溫度 T 的乘積為定值」 或表示成 λmax•T = 0.002898 m K。 至於,在某溫度物體表面的總發射強度是輻射面上單位面積所有方向之所有波長能量的發射率。 有關熱輻射的若干性質,可由「史蒂芬•波茲曼輻射定律 (Stefan - Boltzmann's law of radiation) 」 :「從黑體單位表面在單位時間內所釋出的 能量 輻射能 I 可表示為 I = σ T 4 」導出, 式中史蒂芬•波茲曼常數 σ 的數值為 5.77 • 10 -12 瓦特 / 公分2 4

         電磁輻射 (Electromagnetic Radiation) 是一種波動的能量。 電磁輻射說明 電磁波 的發射和傳播, 是透過 空間 或介質傳遞其能量。  依據 各個波段具有的能量特徵 , 可得知在非常低溫下 (接近絕對零度時),物質內的原子僅能輻射出無線電波和微波; 當在攝氏零度左右 (水的冰點) 則原子可輻射 紅外光 ; 在表面溫度約攝氏 5 ∼ 6 千度的物質,才會有可見光的輻射;在溫度 1 ∼ 100 萬度的物體表面,就會發出 紫外光 ; 在溫度百萬度的物體表面,就會有 X 射線 ;到了表面溫度達百億度的物體表面, 也會有 伽瑪射線 呈現。 為了精確地說明各電磁波段偵測到的主要溫度分布,特別表列如下:
        

電磁波形式 無線電波   紅外光   可見光   紫外光   X 射線   γ 射線
偵測的溫度範圍   < 10 K  10 ~ 103 K 103 ~ 104 K 104 ~ 106 K 106 ~ 108 K   > 108 K 

         由上述論點,可以得知能夠被偵測到的紫外光輻射 來源,其溫度範圍內的物質狀態絕大多數已經不似較低溫的固態、液態或氣態, 而該是原子多已游離呈 電漿態 。 所以溫度比太陽表面還要高的非常騺熱恆星表面、 超新星爆發 超新星的殘留物 等星際雲氣之高能量光子狀態是天文學家最感興趣的。電磁波波長 介於 100 至 3000 埃的 紫外光 (Ultraviolet) 的 波長 可見光 短,人類的眼睛是無法看到的,但是世界上的某些昆蟲 (例如大黃蜂) 則可以分辨出它。 科學家依據紫外光的來源將它分成波長介於 4100 至 3000 埃的 近紫外光 (near-ultrviolet) 、 介於 2000 埃至 3000 埃的 中紫外光  (mid-ultrviolet) 、 介於 912 埃至 2000 埃的 遠紫外光 (far-ultrviolet) 和介於 100 埃至 912 埃的 極緻紫外光 (extreme-ultrviolet) 等 4 個波段, 近紫外光 波段銜接 電磁波波長 介於 4000 至 7000 埃的 可見光 , 而 極緻紫外光 銜接 X 射線 段。

         依據應用上的需要, 有些人將 近紫外光 中紫外光 重疊再分出 UVA (長波)、 UVB (中波)與 UVC (短波) 三個使用波段。 其分類如下表所示。
名稱 簡寫 電磁波段 (nm ) 每一光子能量 (eV)
近紫外光 NUV 300 — 410 3.00 — 4.10
UVA (長波,或 黑光 )   320 — 400 3.10 — 3.87
UVB (中波)   280 — 320 3.87 — 4.43
UVC (短波,或 殺菌光 )   200 — 280 4.43 — 6.20
遠紫外光(或 真空紫外光 ) FUV, VUV 91 — 200 6.20 — 13.6
極緻紫外光(或 深紫外光 ) EUV, XUV, DUV 1 — 31 40 — 1240


         真空紫外光 (Vacuum UV) 名稱由來乃因此波段會被空氣中的氧氣強力吸收、僅能在真空中使用。 而 深紫外光 (DUV) 在照像平面印刷中泛指波長小於 300 nm 的紫外光。 太陽光譜線 包含 UVA 、UVB、UVC 三個電磁波段, 但是 99% 的紫外光被地球的臭氧層所吸收,僅有少數的 UVA 可到達地面。 EUV 來源是物質間的交互作用,波長大於 30 nm 者主要是與物質化學鍵交互作用所產生的, 而波長小於 30 nm 者主要是原子內層電子與原子核交互作用所產生的,如  He+ 譜線主要呈現在 30.4 nm。XUV 會被我們已知的所有物質所吸收,但它在合成多重玻璃的傳遞 反射 率可達 50%。上圖分別是 M77 M100 NGC1317 三個 星系 的紫外光照片與可見光照片 ,你可看出發出紫外光的高溫環境與輻射可見光的背景是有所不同的。

 

貳、何謂「紫外光天文學」?

        天文觀測學家接收來自 天球 上星體所輻射 電磁波波長 介於 100 至 3000 埃的 紫外光 , 來進行探究分析 星體表面現象 、傳遞至我們眼前的星際過程中所發生光譜的改變情況、 星雲 星團 星系 等特徵。 因為波長介於 100 埃至 3000 埃的紫外光會被 地球 的大氣層所吸收, 所以在太空望遠鏡升空前, 天文學僅能在大氣層稀薄的高山上進行少許電磁波波長介於 4100 埃至 3000 埃的 近紫外光 (near-ultrviolet) 的相關研究。 因此之故,紫外光天文學史的發展是近幾年才有著蓬勃的進展、也獲得了許多意想不到的成就。 從 1968 年起,我們將紫外光太空望遠鏡置放於臭氧層上空、距離地面  40 公里 繞行地球同步運轉的軌道上,進行著電磁波波長介於 2000 埃至 3000 埃的 中紫外光 (mid-ultrviolet) 和介於 912 埃至 2000 埃的 遠紫外光 (far-ultrviolet) 天文觀測。1992 年起,也進行介於 100 埃至 912 埃的 極緻紫外光 (extreme-ultrviolet) 天文觀測。

         紫外光 譜線 的觀測可用於瞭解星際雲氣中的化學組成分、 密度 溫度 , 以及認識剛誕生不久的騺熱 雛恆星 之組成密度與溫度。 還有,紫外光譜線的觀測也是探究 星系演化 的有利工具。 有別於 可見光 對於溫度較低的 熱輻射波段 所進行絕大部份溫度較冷恆星與星系的觀測, 紫外光譜線的觀測著重於 星球演化 階段中溫度較騺熱的初期和晚期。 在天文觀測上,紫外光在探索恆星大氣的 熱輻射 , 以及對星球大氣的 元素組成 的瞭解有著極重要貢獻。

          紫外光 絕對溫度 104 ~ 106K 的 熱輻射條件下, 到底可以偵測到什麼樣的天文訊息呢? 首先,我們必須知道 太陽表面溫度 約在絕對溫度 6 千度,也就是說,其輻射能量對波長的分布 呈山峰狀 , 峰頂所對應的波長 λmax 為 6000 K 和物體表面溫度 T , 可用韋恩 (Wilhelm Wien) 對於黑體輻射的「位移定律 (Wien's displacement law)」來討論。 換言之,雖然太陽表面也會輻射出紫外光,但並不很強烈。 那麼,哪種天文現象會發出強烈的紫外光呢?我們想到有此可能的天文現象列舉如下:

         1、非常熱的恆星 (Very hot stars) 表面。
         2、 超新星爆發 (Supernova)。
         3、 超新星的殘留物 (Supernova remnants)。
         4、似星體 (Quasars)。
         5、星際雲氣 (Interstellar medium)。

 

 

參、 認識紫外光

紫外光是熱輻射中電磁波的一段 紫外光是一種高能量光子 紫外光的來源與發現 紫外光的分類 紫外光偵測
紫外光與生物基本組成 有益健康效果的紫外光應用 有害生物體的紫外光照射 紫外光與螢光物質 紫外光與皮膚醫學
紫外光與眼睛 紫外光與平版印刷 紫外光與消毒殺菌 紫外光與火源偵測及電氣儀器檢驗 紫外光與表面附著處理
紫外光與低溫表面聚合物 紫外光與古代文獻閱讀 紫外光與黑光的應用 紫外光與螢光燈

 

肆、 紫外光天文史

何謂紫外光天文學? 軌道運行觀測站(OAO) 軌道運行觀測站(OAO-1、OAO-2、OAO-B、OAO-3) 天文荷蘭衛星(ANS) 國際紫外光勘探者(IUE)
國際紫外光勘探者成就(一) 國際紫外光勘探者成就(二) 國際紫外光勘探者成就(三) 國際紫外光勘探者成就(四) 國際紫外光勘探者成就(五)
國際紫外光勘探者成就(六) Astron-1 太空飛行器 哈柏太空望遠鏡(HST) HST 規劃與先驅者 HST 計劃中的問題與贊助
HST 的建造 HST 的光學配件 有鏡面缺點的 HST HST 有鏡面缺點的補救措施 HST 觀測運作的光學軸心校準(COSTAR)
效勞於 HST 的太空梭任務(STS-61) 效勞於 HST 的太空梭任務(STS-82) 效勞於 HST 的太空梭任務(STS-103) 效勞於 HST 的太空梭任務(STS-109) HST 的重大發現(一)
HST 的重大發現(二) HST 的重大發現(三) HST 的重大發現對天文學上的震撼(一) HST 的重大發現對天文學上的震撼(二) HST 的重大發現對天文學上的震撼(三)
HST 的資料處理 HST 的延伸活動 HST 的未來 遠紫外光望遠鏡勘探者(FUSE) FUSE 的光學設計
FUSE 的科學成就 星系演化勘探者(GALEX) 快捷的伽瑪射線爆任務(Swift) Swift 之裝備與科學目的 Swift 之重大事件與成果
極緻紫外光影像望遠鏡(ElT) ElT 之裝置與成果    

 


作者與主編 : 陳輝樺  
                  諮詢服務 : 陳輝樺 (NMNS)
                                     蘇明俊 (STU)

最近更新日期 : 2011/6/22