114 公務人員升官等薦任 天文 天文學 考古題詳解

核心觀念

本題考查月食與日食的幾何排列、月球軌道傾角，以及本影與半影的差異。月食發生在滿月，日食發生在朔；但月球軌道面相對於地球繞日軌道面（黃道面）傾斜約 $5.1^\circ$，所以只有朔或望時月球又接近軌道交點，日、地、月才會排列得足夠接近一直線而形成食。

（一）月全食發生的機制

解題方法

依序說明月食的排列條件、地球影子的構成，以及月球進入地球本影的過程。

月球繞地球公轉時，若在滿月附近通過地球背向太陽一側的影區，就會發生月食。此時排列順序為：

地球影子分為本影與半影：

• 本影：地球完全遮住太陽直射光的區域。
• 半影：地球只遮住部分太陽光的區域。

當月球完全進入地球本影，即發生月全食。月全食通常依序經過半影食始、本影食始、全食始、食甚、全食終、本影食終與半影食終。月球進入本影後仍常呈暗紅色，因為部分太陽光經地球大氣折射進入本影；大氣對較短波長的光散射較強，較長波長的紅光因而占優勢。

不過，並非每次滿月都會發生月食。由於月球軌道傾斜，滿月時月球常從地球影子的上方或下方通過；只有滿月接近月球軌道與黃道面的交點時，才容易進入地球影區。月食發生時，只要月球在地平線以上且天候允許，地球夜半球較大範圍的地區都能觀賞。

（二）月全食常見、日全食難見的主要原因

解題方法

核心觀念

本題考查國際天文聯合會（IAU）於 2006 年制定的太陽系行星分類：行星須繞太陽運行、達到流體靜力平衡形狀，並清除其軌道周圍的鄰近區域；矮行星則符合前兩項、尚未清除軌道鄰域，且不是衛星。

解題方法與各小題

（一）流體靜力平衡的形狀

天體質量足夠大時，自身重力會克服岩石或冰等材料的剛性，使物質朝重力平衡的形狀重新分布。結果是天體大致呈球形；若自轉較快，外觀也可能略扁或略呈橢球形。這裡的「流體」不是指天體必須是液體，而是指物質能在長時間尺度上因重力而調整形狀。

（二）僅符合第一項的非衛星天體

稱為太陽系小天體（small Solar System body）。此類天體繞太陽運行，但不符合行星或矮行星的完整分類條件，例如多數小行星與彗星。

（三）IAU 正式確認的五顆矮行星

五顆為：

1. 穀神星（Ceres）
2. 冥王星（Pluto）
3. 妊神星（Haumea）
4. 鳥神星（Makemake）
5. 閻神星（Eris）

（四）候選者未獲官方確認的原因與改善方式

核心觀念

本題考查分子雲的組成、觀測示蹤方法、物理特性與形態分類。分子氫 $H_2$ 是分子雲的主要成分，但在典型低溫分子雲中，$H_2$ 的純轉動與振動躍遷不易被觀測；天文學家因此常以一氧化碳（CO）的譜線追蹤分子氣體，再依據 CO 與 $H_2$ 的關係估計雲中的氫分子含量。

解題方法

依題目四個小題，分別回答「氣體以外的成分」、「$H_2$ 的示蹤分子與估算假設」、「典型環境及動力學性質」，最後按雲體大小、密度和形態整理類型。數值會隨雲的環境及分類標準而變動，答題時以典型範圍與主要物理特徵為主。

（一）分子雲的其他主要成分

除了分子氣體，分子雲主要含有星際塵埃，亦即由矽酸鹽、碳質物質等形成的微小固體顆粒。塵埃總質量遠低於氣體，但能吸收、散射背景星光，也能吸收紫外光並以紅外線輻射，且塵埃表面有助於分子形成。

分子雲的氣體除 $H_2$ 外，也含氦原子及少量其他分子和原子；若依題目問「分子氣體以外的組成成分」，標準作答是塵埃。

（二）以 CO 示蹤 $H_2$

最常用來確認並追蹤 $H_2$ 的分子是一氧化碳（CO），常觀測其毫米波轉動譜線，例如 $^{12}\mathrm{CO}$ 的低階轉動躍遷。

使用 CO 的理由是：$H_2$ 分子沒有永久電偶極矩，在低溫分子雲中難以產生容易觀測的電偶極轉動譜線；CO 則有可觀測的轉動譜線，且通常與分子氣體共存。

由 CO 推估 $H_2$ 含量的基本假設，是在所考慮的雲體與環境中，CO 輻射強度（或 CO 光度）與 $H_2$ 柱密度、質量之間有近似固定的轉換關係。因此可採用 CO–$H_2$ 轉換因子，將觀測到的 CO 強度換算成 $H_2$ 柱密度，再配合雲的面積估計總質量；CO 與 $H_2$ 的相對豐度假設，也可用來推估 $H_2$ 的密度與豐度。

（三）分子雲的物理特性

1. 低溫、低光照：分子雲遮蔽外來紫外線，內部氣體通常很冷，典型溫度約為 $10$ 至 $20\ \mathrm{K}$。塵埃也因此較冷，常以遠紅外線及次毫米波觀測其熱輻射。

2. 密度高於周遭星際介質：分子雲密度範圍很廣，緻密核心可達約 $10^4$ 至 $10^6\ \mathrm{cm^{-3}}$；較大雲體的平均密度則低得多。與星際空間相比，分子雲仍屬稀薄氣體，但密度足以使分子形成並維持。

（一）星系團

**核心觀念：**星系團是由數十至數千個星系，在重力作用下聚集而成的巨大系統。豐富星系團可包含數百至數千個星系；星系團的典型尺度約為數百萬光年，總質量可達約 $10^{14}$ 至 $10^{15}M_{\odot}$，是宇宙中最大的重力束縛結構之一。

特性與作答要點：

• **重力束縛：**成員星系在共同重力位勢中運動，星系團整體可達近似動力平衡。
• **成分多元：**總質量以暗物質為主；普通物質包括星系中的恆星，以及瀰漫在星系間的高溫星系團內氣體（intracluster medium）。恆星只占總質量的一小部分。
• **可觀測性：**星系團內氣體溫度可達數千萬至上億 K，會發出 X 射線；星系的速度分布、X 射線氣體與重力透鏡效應，均可用來推估星系團質量。
• **演化特徵：**星系團常含橢圓星系與透鏡星系；星系合併及氣體受熱等作用，也會影響成員星系的演化。

（二）超級星系團

**核心觀念：**超級星系團是由多個星系團、星系群及其他星系，在宇宙大尺度上形成的廣大結構。其尺度通常達數千萬至上億光年，質量可達數個 $10^{15}M_{\odot}$ 或更高。

特性與作答要點：

• **層級更大：**超級星系團包含多個星系團與星系群，展現宇宙物質在更大尺度上的分布。
• **結構鬆散：**其成員沿著宇宙網中的絲狀結構、牆狀結構或密度較高區域分布，並非像星系團般由緊密聚集的星系構成單一系統。