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星星問

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你所指的「地心引力」,可以稱為「地心吸力」或「萬有引力」。「地心吸力」便是大家熟識,地球吸引着地面的物體 (包括你) 的那種力,而牛頓早在三百多年前,已經發現了「地心吸力」,並開始對它的特性進行研究,相信大家都聽過蘋果從樹上掉下來的故事吧。

「萬有引力」其實是自然界中的一種基本力,只要有質量 (mass) 的物體,不論是一個人、一個橙、一本書甚至是一隻蟻,都存在萬有引力的作用。而萬有引力只有吸力,換句話說,凡有質量的物體都會互相吸引。萬有引力的強度是關係於兩件物體的質量和它們之間的距離,用數學方程式來表示,便是下面的「萬有引力定律」:

F = GMm / r2

方程式中的F是萬有引力,M 和 m 是物體的質量,而 r 是它們之間的距離,最後 G 是萬有引力常數,等於

6.673 × 10-11 m3kg-1s-2

舉一個例子,我們先試試計算地球吸引着你的萬有引力強度。假設你重 40kg,而地球質量是 5,973,700,000,000,000,000,000,000kg,當你站在海平面時,你距離地球中心 6,400,000m,得出萬有引力 F 大約是 390 牛頓。(註:牛頓 (N) 是力的國際單位)

太陽當然會對其他物體有萬有引力作用,我們又計算一下太陽吸引着地球的萬有引力強度。太陽和地球的質量分別是 1,989,000,000,000,000,000,000,000,000,000kg 和 5,973,700,000,000,000,000,000,000kg,地球和太陽的平均距離大約是 152,100,000,000m,得出萬有引力 F 大約是 3.43 × 1022 牛頓。

事實上正正就是萬有引力,令太陽系中的行星圍繞着太陽公轉,甚至整個星系的星星圍繞着星系的中心旋轉。

會。太陽每秒產生的能量是 3.85 × 1026 瓦。按照相對論的 E=mc2,太陽每秒鐘損失的質量便是 4.28 × 109 千克,即約4百萬公噸。這個數字對我們來說雖然很大,但與太陽本身的質量 (2 × 1030) 相比,實在是小巫見大巫。即使是未來十億年,太陽因核聚變而損失的質量只佔總質量的 0.007%,所以這段時間太陽對地球的引力不致有太大改變。

不過,若太陽演化至紅巨星,甚至白矮星階段,它的外層氣體會被大量吹到星際(每秒損失 6 × 1017 千克),恆星的質量下降得很快,行星即使沒有被吞噬,它們的軌道亦會和現在有很大差異。

太陽和星星無法同時看見,但我們知道太陽每天都會通過子午線一次(稱為上中天)。12小時之後,和它在天球上遙遙相對的「對日點」亦會上中天。我們只需在太陽上中天的時候用竿影找出太陽的地平仰角,12小時之後便可根據這仰角找出「對日點」的位置(計算方法如下)。持續觀察一年,就可以在星空中描繪出黃道的準確路徑了。

φ = 90° – θ – δ
對日點上中天時的地平仰角 = θ + 2φ
= θ + 2(90° – θ – δ)
= 180° – 2δ – θ

想想看,假如你在赤道,對日點上中天時的仰角會怎樣?這方法在哪些地方會不適用?
有很多的藍色波長在日出及日落時被大氣層散射至其他地方

看看一些兒童畫,大部分小朋友都喜歡把太陽畫成像蘋果一樣的紅色。但其實太陽看起來應該是黃色的,這是因為太陽表面的溫度大概有 5780K (即攝氏 5507 度),它發出的輻射量以 5000Å (對應於黃色的波長) 為最多。

但是,當日出和日落的時分,太陽傾斜照射地面,陽光需要穿過較厚的大氣層。大氣層不單吸收光線令太陽變得較暗,而且更令太陽變紅,像個大南瓜。原因是更多陽光中藍色波長的部分,被大氣層散射至其它方向,剩下紅色波長的部分能直達地面。一般來說,日落時的太陽比日出時的太陽更紅一點,因為白天人類活動產生不少懸浮粒子,這些粒子在空氣中令陽光散射得更厲害,從而只有更少量的藍光從太陽到達我們的眼睛,所以看見來就更紅了。

白矮星內沒有熱核反應,只是靠從原來恆星塌縮時得來的位能發光。當這些儲蓄用光後,白矮星便冷卻成為黑矮星了。但是,這個過程中沒有質量的散失,所以黑矮星的引力將會依舊不變。 

恆星有不同的大小,太陽只是一顆中等恆星,直徑是1,390,000公里。在宇宙中,比太陽大的恆星如恆河沙數,實在難以一一盡錄。例如獵戶座的紅超巨星(Red supergiant) 參宿四(Betelgeux)直徑便超過400,000,000公里,船底座老人星(Canopus)的直徑也有115,000,000公里。

天文學家透過觀察太陽黑子在日面上的移動,明白到太陽原來也會自轉,而且方向和地球的自轉方向相同。不過,太陽表面每個地方的自轉速度卻不像地球那樣各地一致。太陽在赤道地區以25.38天自轉一週;在緯度30度的地區則需要27天;而在極區更需要約36天。這種「較差自轉」(differential rotation),在氣體行星 (木星、土星、天王星及海王星) 中也很常見。

各位可能見過一些描繪太陽黑子的專用紙上,畫上了像地球儀上有的經緯線。但既然太陽各部分的轉速不一樣,又如何能像地球一樣,把各地賦予經緯度呢?其實這個「日面經緯度」,是由十九世紀的天文學家卡林頓 (Richard Carrington) 提出的。它的「標準子午線」(經度0度) 定義為1854年1月1日世界時12時通過日面中心和南北極的經線,之後這個假想的「經緯框」便25.38天的固定速度自轉,和日面上的特徵並無連繫。「日面經緯度」純粹是為了方便在短時間 (太陽自轉一周期間內) 標示太陽黑子的座標而設。

另外,天文學家對太陽的認識日漸增加,他們一些理論認為太陽的自轉可能只發生在表面,或至少內部的轉速是很緩慢的。但是詳細的情況,則有待進一步研究。

太陽
圖片提供:NASA

因為太陽是一個龐大無比的核能發熱廠,每秒鐘把六億噸氫轉化為五億九千六百萬噸氦,不見了的四百萬噸物質,全部根據愛恩斯坦的質能轉化公式 (E = mc2,E 是能量、m 是質量、c 則為光速) 化成能量,把數值代入,便可發現太陽每秒鐘產生 3.6 × 1026 焦耳 (Joules) 的能量,或功率為 3.6 × 1026 瓦特 (Watts)。

一般家用的電暖爐的功率約為 1500 瓦特,那麼太陽又相等於多少個電暖爐呢?
答案是:240,000,000,000,000,000,000,000

大約在五十億年後,太陽的燃料會耗盡,並進入紅巨星階段,它會膨脹至足以把金星吞噬,所以水星和金星會被完全毀滅,而地球則會被烤焦。紅巨星階段會約維持30至40億年,然後太陽會把外殼吹掉,形成行星狀行雲,而剩餘核心則成為白矮星,由於太陽在死亡的過程中會失去質量,所以就算地球和其它行星在太陽死亡後亦能倖存,它們的軌道亦會和現在大不相同。

應該不會。在過去曾認為太陽在成為紅巨星時,體積會大至把地球吞噬。但後來發覺過去的計算,沒有把太陽在演化後期失去的物質計算在內,經過修正後,發現其實太陽在成為紅巨星後,應只足以把金星吞噬。

但各位且慢歡喜,無論太陽在紅巨星階段有多大,也足以把地球烤焦,成為熾熱的地獄,人類仍是難逃世界未日的宿命。

我們的太陽約在五十億年後會變成紅巨星,它的體積將大至足以把金星軌道吞噬,地球將會被烤焦,成為熾熱的練獄,一切生物皆會滅絕。此後,太陽會演化成不斷冷卻的白矮星,約在七十億年後,它的光度將只有約現在的百分之一,並最終成為一顆冰冷的黑矮星。

不是。由於太陽自轉的關係,它是一個赤道稍大、略呈橢圓的星體,但和完美球體分別非常小,太陽的半徑在兩極方向和在赤道部份只相差六公里。(太陽的直徑為1.392x106公里) 。

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