恆星星雲和星系

天文課程內容相對複雜，教案中資料很多，每部分資料只講最有趣味、最容易理解的部分即可，其餘資料供主講人備課時參考，否則上課時間會不夠用，而且學生不容易理解。

針對年級：五、六年級。
課程時長：2課時。
注意事項：
1.要用淺顯的語言把複雜的天文概念講給學生聽，這需要授課人同時具備豐富的天文知識和精巧的表達能力。
2.教案中的材料，主講人應當根據情況有所取捨，難以理解的部分應予迴避。
3.每部分不設時間限制，根據實際情況講授，剩餘的時間播放天文相關影片《斗轉星移》，每集10分鐘，湊足2課時時間。
【教學目標】
是學生們了解最基本的天文學知識，試圖使學生們產生對天文學的興趣。
【教學準備】
教師準備：筆記本電腦，外接音箱，教學幻燈片，天文相關影片，投影儀、幕布（或多帶幾台筆記本電腦）。
【教學過程】
一、導入。
回顧上次課太陽系家族，指出太陽只是銀河系中最普通的一顆恆星。宇宙無比廣闊，有無數太陽一樣的恆星，還有其它的如星雲和星系。
二、無盡的宇宙。
1.教師講述：光速
光速一個速度概念。光傳播的速度大約是每秒30萬公里，地球的赤道圓周大約是4萬公里，這樣光一秒鐘走過的距離可以繞地球7圈半。
2.教師講述：光年
光年是一個長度單位，光年一般被用於計算恆星間的距離。光年指的是光在真空中行走一年的距離，它是由時間和速度計算出來的，光行走一年的距離叫“一光年”。一光年即約為九萬四千六百億公里。
對於廣袤的宇宙，光年是常用的描述距離的單位。
三、星座。
1.教師講述：星座的定義
是指天上一群群的恆星組合。在三維的宇宙中，這些恆星其實相互間沒有實際的關係，不過其實天球這一個球殼面上的位置相近。自古以來，人對於恆星的排列和形狀很感興趣，並且很自然地把一些位置相近的星聯繫起來，組成星座。
基本上，將恆星組成星座是一個隨意的過程，在不同的文明中有由不同恆星所組成的不同星座──雖然部分由較顯眼的星所組成的星座，在不同文明中大致相同，如獵戶座及天蠍座。
國際天文學聯合會用精確的邊界把天空分為八十八個正式的星座，使天空每一顆恆星都屬於某一特定星座。這些正式的星座大多都根據中世紀傳下來的古希臘傳統星座為基礎。
2.教師講解：北斗七星、大熊座與小熊座
圖一：中國人經常說的北斗七星，北斗七星位於大熊座。
圖二、圖三：大熊座星星分布，大熊座藝術圖。
圖四、圖五：小熊座星星分布，小熊座藝術圖，北極星在小熊座。
圖六：如何尋找北極星。可以通過先尋找北斗七星，再通過北斗七星來找到北極星。通過鬥口的兩顆星連線，朝鬥口方向延長約5倍遠，就找到了北極星。
3.教師講解：獵戶座、大犬座與天狼星
圖七：獵戶座的樣子。
圖八、圖九：獵戶座星星分布，獵戶座藝術圖。
圖十、圖十一：大犬座星星分布，大犬座藝術圖，圖中的Sirius即天狼星。
圖十二：獵戶座與大犬座的相對位置。
圖十三：獵戶座與大犬座合影，圖中最亮的星為位於大犬座的天狼星，天狼星是夜空中最亮的恆星，其視星等為-1.47，幾乎為第二亮恆星老人星的兩倍。
參宿四的故事，參見背景資料。
4.教師提問：誰知道牛郎織女的故事？
接下來我們將去認識牛郎星與織女星。
5.教師講解：牛郎星、織女星、天鷹座與天琴座
圖十四：牛郎星與織女星隔河相望。圖中左上方最亮的星為織女星，中部偏下的亮星為牛郎星，二星隔河相望。
圖十五、圖十六：天鷹座星星分布，天鷹座藝術圖。
圖十七、圖十八：天琴座星星分布，天琴座藝術圖。
圖十九：天鷹座與天琴座的相對位置。圖中Vega即織女星，Altair即牛郎星，白色光帶為銀河。
6.教師講解：有了星座，我們認識星星就方便多了。
四、雙星和星團。
1.教師講授：雙星
我們如果用望遠鏡觀測星空，常常可以看到一些恆星兩兩成雙靠在一起。當然，這其中很多只是透視的結果，實際上兩顆星相距很遠，只是都在一個視線方向上罷了。可是，天文學家發現，其中占不少比例，兩顆星之間有力學上的聯繫，相互環繞轉動。這樣的兩顆恆星，就稱為雙星。
組成雙星的兩顆恆星都稱為雙星的子星。其中較亮的一顆，稱為主星；較暗的一顆，稱為伴星。主星和伴星亮度有的相差不大，有的相差很大。
圖中的雙星，它的名為輦道增七（albireo），是天鵝座的第二亮星，用肉眼便可輕鬆觀察到。只需使用小倍率的目鏡下，就很容易將輦道增七從一個明亮的星點展開為一對美麗而各有醒目色彩的視雙星。這個雙星距離我們380光年，目前兩顆子星正在互相遠離，相互繞轉一圈則需要700年。這個雙星系統中較亮的黃色星球本身還是一個小雙星系統，只是因為太靠近而難以分辨。
2.教師講述：星團
恆星往往成群分布。一般地，我們把恆星數在十個以上而且在物理性質上相互聯繫的星群叫做“星團”。比如金牛座中的“昴星團”、“畢星團”，巨蟹座的蜂巢星團等。
由十幾顆到幾千顆恆星組成的，結構鬆散，形狀不規則的星團稱為疏散星團，他們主要分布在銀道面因此又叫做銀河星團，主要由藍巨星組成，例如昴宿星團（又名昴星團）；上萬顆到幾十萬顆恆星組成，整體像圓形，中心密集的星團稱為球狀星團。
3.教師講授：昴星團
昴星團（Pleiades，M45，漢語拼音:mǎo xīng tuán）是疏散星團之一，在北半球看是位於西方大而明亮的疏散星團，位於金牛座，在晴朗的夜空單用肉眼就可以看到它。它的幾個亮星位於昴宿，由此而得名。梅西葉星表編號為M45，肉眼通常見到有六、七顆亮星，所以又常被稱為是七姊妹星團，它是離我們最近也是最亮的幾個疏散星團之一。昴星團總共含有超過3000顆的恆星，它的橫寬大約13光年，距離128秒差距（417光年），直徑約４秒差距。
4.教師講授：NGC290——一個疏散星團，在杜鵑座。
珠寶沒有這麼明亮，惟有恆星會如此亮。如同珠寶盒裡的珍寶，疏散星團NGC290內的恆星，閃爍着色彩斑斕的美麗光芒。這個很上鏡的星團的圖像，是哈勃空間望遠鏡拍攝到的。疏散星團內的恆星通常比較年輕、數量較少、擁有和球狀星團比起來較高比率的藍色恆星。NGC290位於鄰近的小麥哲倫星系(SMC)，離我們約有20萬光年遠。這個疏散星團有數百顆恆星，跨度大約有65光年。NGC290及其它疏散星團，是研究不同質量的恆星如何演化的好實驗室，因為疏散星團的恆星大約都是在同一時間誕生的。
五、星雲。
1.教師講述：星雲
星雲是由星際空間的氣體和塵埃結合成的雲霧狀天體。星雲里的物質密度是很低的，若拿地球上的標準來衡量的話，有些地方是真空的。可是星雲的體積十分龐大，常常方圓達幾十光年。所以，一般星雲較太陽要重的多。
星雲的形狀是多姿多態的。星雲和恆星有着“血緣”關係。恆星拋出的氣體將成為星雲的部分，星雲物質在引力作用下壓縮成為恆星。在一定條件下，星雲是能夠互相轉化的。
2.教師講述：貓眼星雲（NGC6543）
貓眼星云為一行星狀星雲，位於天龍座。這個星雲特別的地方，在於其結構幾乎是所有有記錄的星雲當中最為複雜的一個。從哈勃太空望遠鏡拍得的圖像顯示，貓眼星雲擁有繩結、噴柱、弧形等各種形狀的結構。
3.教師講述：蟹狀星雲（NGC1952）
因為這個星雲的形狀有點像螃蟹被取名為蟹狀星雲(Crab Nebula)。這個星雲是在1731年被一位英國醫生拜維斯最早發現的。
4.教師講述：馬頭星雲（NGC1434）
馬頭星雲位於獵戶座ζ星的左下處，它是一個大型暗分子雲的一部份。這個有着不尋常形狀的天體只有用非常大的專業望遠鏡才能看到，是在18世紀末從一張照片底板上發現的。星雲紅色的輝光，主要是星雲後方被恆星所照射的氫氣。暗色的馬頭高約１光年，主要來自濃密的塵埃遮掩了它後方的光，不過馬頸底部左方的陰影，是馬頸所造成的陰影。貫穿星雲的強大磁場，正迫使大量的氣體飛離星雲。馬頭星雲底部里的亮點，是正在新生階段的年輕恆星。光約需要經過1500年，才會從馬頭星雲傳到我們這裡。獵戶座內的馬頭星雲是天空中最易辨認的星雲之一，它是巨大黑暗分子雲的一部分。
六、星系。
1.教師講述：星系
恆星系或稱星系，是宇宙中龐大的星星的“島嶼”，它也是宇宙中最大、最美麗的天體系統之一。到目前為止，人們已在宇宙觀測到了約一千億個星系。它們中有的離我們較近，可以清楚地觀測到它們的結構；有的非常遙遠，目前所知最遠的最系離我們有近一百三十億光年。
2.教師講述：NGC6946
從銀河系看出去，星系NGC6946的正面正好是對着我們。這個巨大的美麗螺旋星系離我們只有1000萬光年。高懸在仙王座內的群星，像一層面紗罩在它的前面。把視線從它明亮的核心，移向它鬆散且斷斷續續的旋渦臂，你會發現這個星系的顏色發生了很大的變化。它的色澤從核心年老恆星所發出的黃色，轉變成漩臂上年輕星團的藍色和恆星形成區的紅色。NGC6946含有很豐富的雲氣和塵埃，所以是一個在紅外光波段也很明亮的星系。此外，它的恆星形成速率和恆星死亡率很都很高。20世紀里，就曾在NGC6946發現了6個因為恆星爆炸死亡所造成的超新星事件。這張清晰的組合彩色數字影像里，還勉強可以看到星系美麗的核心，有個小型的棒狀結構。
3.教師講述：仙女座星系
仙女座星系，位於仙女星座的一個巨型旋渦星系。是我們銀河系的近鄰。肉眼可以見到它，狀如暗弱的橢圓小光斑。很早以前天文學家就發現了它。
仙女座星系是距離我們銀河系最近的大星系。一般認為銀河系的外觀與仙女座大星系十分很像，兩者共同主宰着本星系群。仙女座大星系瀰漫的光線是由數千億顆恆星成員共同貢獻而成的。仙女座星系離我們的距離相當遠，從它那兒發出的光需要200萬年的時間才能到達地球。
仙女座大星雲是秋夜星空中最美麗的天體，也是第一個被證明是河外星系的天體，還是肉眼可以看見的最遙遠的天體。仙女座大星雲實際上是一個非常典型的旋渦星系，當人們尚不知道它是旋渦星系的時候把它與氣體星雲混淆在一起而取了這個名字，至今人們仍然喜歡這樣稱呼它。
4.教師講述：M81
M81星系被稱為完美的旋渦星系，位於大熊星座，距離我們一千二百萬光年，是地球上望遠鏡可觀測到的最亮星系之一。
該圖合成自斯皮策（Spitzer），哈勃（Hubble），星系演化探測器（Galaxy Evolution Explorer）三個在軌天文望遠鏡對該星系拍攝的照片。
圖中的不同顏色代表不同的光波長度：藍色是由星系演化探測器拍攝到的紫外光；黃白色是由哈勃拍攝到的可見光；紅色是由斯皮策拍攝到的紅外光。藍色區域代表的是那些溫度最高，最年輕的星球，類紅粉紅區域代表組成旋臂的塵埃通道（lanes of dust），而橘黃區域代表那些年老的星球。
5.教師講述：草帽星系
NASA的“斯必澤”空間望遠鏡觀測了天空中最著名的星系之——M104，它是室女座的一個非常著名的星系，形狀像墨西哥人戴的闊邊草帽，因此，被稱為“草帽”星系。它的梅西葉星表編號為M104，距離地球2,800萬光年，用小型望遠鏡就能看到它，但絕對不會像這張通過甚大望遠鏡拍攝到的照片這樣清晰。在這張令人吃驚的紅外照片中，“斯必澤”向我們展示了一幅全新的畫面，在可見光波段這個星系貌似一個“草帽”，但是在紅外波段它更像是一個“牛眼”。
6.教師講述：NGC1300
美麗而巨大的棒旋星系NGC1300距離我們大約7,000萬光年遠，位於的波江座邊緣。哈勃太空望遠鏡拍攝的這張絢麗島宇宙合成照片，是哈勃拍攝的完整星系中最大的圖像之一。NGC1300大約覆蓋10萬光年，這張哈勃影像揭示了在星系內佔據主要地位的中心棒和宏偉螺旋臂的詳細特點。事實上，在仔細檢查這個典型星系棒的核心時就會發現，有一個大約3,000光年大小的螺旋狀的顯著區域。
7.教師講述：旋渦星系與棒旋星系
旋渦星系外形呈旋渦結構，有明顯的核心，核心呈凸透鏡形，核心球外是一個薄薄的圓盤，有幾條旋臂。
在旋渦星系中有一類的核心不是球形，而是棒狀，旋臂從棒的兩端生出，稱為棒旋星系。
旋渦星系是目前觀測到的數量最多、外形最美麗的一種星系。它的形狀很像江河中的旋渦，因而得名。
讓學生比較前幾張照片，指出最後一張是棒旋星系，為下面講解銀河系是棒旋星系做準備。
七、銀河。
1.教師講述：
銀河，我國民間又稱“天河”。它看起來像一條白茫茫的亮帶，從東北向西南方向劃開整個天空。在銀河裡有許多小光點，就像撒了白色的粉末一樣，輝映成一片。實際上一顆白色粉末就是一顆巨大的恆星，銀河就是由許許多多恆星構成的。太陽是其中的一顆恆星。像太陽這樣的恆星在銀河中2000多億顆。
2.教師講述：以前人們認為銀河系是一個如仙女座大星雲一樣的旋渦星系，而近期的研究結果改變了這一認識，銀河系是旋渦星系中的一類——棒旋星系。圖中是取得這一研究成果之後的銀河系假想圖。
3.教師講述：銀河系的形狀，如果我們在銀河系外面觀察，是可以直接得出結論的，但是我們身處銀河系中，這一簡單的結論就變得非常難以獲得。這讓我們想起了蘇軾的《題西林壁》。宇宙如此廣袤，我們研究宇宙受到時間、空間上的各種限制，一個簡單的結論可能要我們付出巨大的努力才能獲得。
八、回顧總結。
1.回顧課程內容。
2.引出下節課人類探索宇宙的途徑。

【背景資料】
歐洲天文台發現瀕死恆星 質量正大幅減少
據美國太空網報道，藉助於歐洲南方天文台的甚大望遠鏡，科學家發現位於獵戶座的一顆名為參宿四(Betelgeuse)的恆星質量正大幅減少。目前，這顆恆星即將走到生命盡頭之際，最新的觀測結果或許有助於科學家最終搞清楚恆星在臨終之際質量銳減的具體過程。
觀測顯示，這顆質量為太陽20倍的恆星不時噴出大量羽毛狀的氣體，每1萬至10萬年就會減少相當於太陽那麼大的質量。這樣的瘦身速度聽上去並不像“速效減肥”，但卻比太陽喪失質量的速度快100萬倍左右。
法國巴黎天文台的天體物理學家皮埃爾•科維拉(Pierre Kervella)說：“幾乎每顆恆星在臨終之際都會經歷這一過程。我們知道質量會減少，但不了解這一具體過程。”觀測到羽狀氣體說明參宿四並不是在各方面均衡瘦身。羽狀氣體或許是由參宿四旋轉產生的，旋轉可將它的質量推到兩個邊緣，變成顆粒噴霧。
要麼，羽狀氣體可能是受對流產生的氣泡驅動，同樣的過程讓水氣在熱鍋上循環。科學家認為，對流可以將氣體輸往參宿四的表面，這種運動的動力會使一些氣體在到達參宿四表面時被驅散。上述兩種可能性均有一些數據支持，但也存在這樣一種可能，即它們是在同步運行。
支持旋轉假說的科維拉說：“參宿四的極軸和羽狀氣體的方向之間存在巧合。不過，從目前來看，對流看似更有可能，因為一些觀測結果顯示這顆恆星的表面有氣體流動。”按照現在的速度，參宿四所剩下的質量正在超速減少，在其後1萬年之內，會以超新星爆發的方式結束璀璨的一生。
科維拉在接受太空網採訪時說：“它或許會在幾千年以後爆炸，或許就在明年。我們也不太清楚。它或許已走完其一生的90%至95%。”由於是以核聚變反應方式進行燃燒，參宿四已耗盡了其氫氣儲量，並開始燃燒氮氣和重元素，這一階段被稱為“紅巨星期”。這些反應產生的熱量多於燃燒氫氣時產生的熱量，結果是參宿四不斷膨脹，體積要比其年輕時大許多。
由於參宿四的體積在不斷擴大，質量卻在不斷減少，其密度最後變得非常小：目前的密度是地球上空氣的十億分之一。這樣的低密着實令人難以置信，它促使參宿四的質量可以不斷減少。該恆星表面的氣體離其重心相當遠，這樣一來，上面的重力十分微弱，它就可以輕易逃脫。
德國馬普射電天文學研究所的科維拉、凱伊奇•奧納卡(Keiichi Ohnaka)及其同事在即將刊登在《天文學與天體物理學》(Astronomy and Astrophysics)雜誌的兩篇論文上對這一發現進行了詳細闡述。

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