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普考申論題 107年 [天文] 天文學概要

第 一 題

📖 題組:
五、請說明以下四種決定天體距離方法的原理,可使用圖示輔助:(一)三角視差;(二)造父變星;(三) Ia 型超新星;(四)哈柏膨脹。(每小題 5 分,共 20 分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

三角視差;

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看到三角視差法,應立即聯想「地球公轉軌道基線」與「背景恆星」的幾何關係。解題時需精確列出小角度近似下的公式 $d = 1/p$,並明確定義各物理量的單位(秒差距與角秒),最後務必補充大氣擾動對觀測精度的影響及太空望遠鏡的改善,以展現天文觀測的實務概念。

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【破題】 三角視差法(Trigonometric Parallax)是利用地球繞日公轉的幾何特性,藉由觀測恆星在天球上的視位置變化,來測量近距離天體絕對距離的最基礎且直接的測量方法。 【論述】

小題 (二)

造父變星;

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看到造父變星測距,必須立刻想到「標準燭光」與「周光關係(Leavitt Law)」。作答時應先說明如何透過觀測變光週期推算出本徵光度(絕對星等),再結合觀測到的視星等,代入包含星際消光修正項的距離模數公式,即可完整展現從觀測到物理量推導的邏輯。

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【破題】 造父變星(Cepheid Variables)因具有穩定的「周光關係(Period-Luminosity Relation)」,在天文學上被廣泛作為「標準燭光(Standard Candles)」,是測量銀河系內及鄰近星系距離(約數千萬光年內)的關鍵量天尺。 【論述】

小題 (三)

Ia 型超新星;

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作答時應先點出 Ia 型超新星『標準燭光』的物理機制(白矮星質量達到錢德拉塞卡極限)。接著列出距離模數公式(m - M = 5 \log d - 5)說明如何由觀測視星等推導距離,最後務必補充星際消光(A)與光變曲線校正(Phillips relationship)等觀測現實考量,以展現觀測天文學的專業素養。

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【破題】Ia 型超新星因其爆炸時極端且一致的峰值光度,被視為宇宙學尺度上的「標準燭光(Standard Candle)」,藉由比較本徵絕對星等與觀測視星等即可求得遙遠天體的距離。 【論述】 一、物理機制與本徵性質(標準燭光)

小題 (四)

哈柏膨脹。

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看到「哈柏膨脹」測距,應直覺聯想到宇宙大尺度膨脹與「哈柏-勒梅特定律」。作答時必須列出核心公式 v = H_0 × d,清楚交代如何從觀測上的「光譜紅移(z)」推導出「退行速度(v)」,進而換算出目標天體的「距離(d)」,並補充該方法的適用空間尺度與局部重力干擾(本動速度)的限制。

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【破題】哈柏膨脹測距法是利用宇宙大尺度均勻膨脹的特性,透過觀測遙遠星系光譜的紅移量來推算其退行速度,進而決定天體距離的方法,為宇宙距離階梯(Cosmic Distance Ladder)的最外層。 【論述】 一、物理原理與核心公式(哈柏-勒梅特定律)

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