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這 條 問 題 的 大 部 分 答 案 已 經 在「
請 問 銀 河 系 中 心 是 什 麼 ？」 回
答 了 ， 現 在 我 希 望 補 充 天 文 學 家 用 以 探
測 銀 河 中 心 的 方 法 – 「 21 厘 米 氫 電 磁
波 譜 線 (21cm hydrogen line) 」 。
我們的銀河系充斥著星際塵埃，這些塵埃的溫度比較低(約20K或-253度攝氏)，放射出來或被散射開的電磁波主要為紅外線。它們集中在銀河系的平面上，在銀河中心的位置密度最高。因此，可見光望遠鏡對觀測銀河中心的作用不大。不過，天文學家利用無線電天文學，特別是探測21厘米波長的氫電磁波譜線，便能夠了解銀河中心的景象。我們先來認識甚麼是「21厘米氫電磁波譜線」。
氫 是 原 素 的 一 種 ， 中 性 的 氫 是 由 一
顆 質 子 和 一 顆 電 子 組 成 ， 它 們 都 在
不 停 運 動 中 ， 運 動 方 式 包 括 自 旋 (spin)
。 以 字 面 來 說 ， 「 自 旋 」 似 乎 是 像
地 球 自 轉 一 樣 的 物 理 現 象 ， 但 其 實
並 不 盡 然 。 粒 子 的 自 旋 是 量 子 力 學
中 的 現 象 ， 自 旋 的 數 值 是 量 化 (quantised)
的 ， 例 如 氫 原 子 中 的 質 子 和 電 子 的
自 旋 只 可 以 是 同 一 方 向 、 或 者 相 反
方 向 ( 用 日 常 事 物 去 理 解 ， 同 一 方 向
自 旋 即 是 兩 者 同 以 順 時 針 或 逆 時 針
方 向 旋 轉 ， 相 反 方 向 自 旋 即 是 一 個
以 順 時 針 方 向 旋 轉 ， 另 一 個 則 以 逆 時
針 方 向 旋 轉 ) 。 如 果 當 中 的 質 子 和 電
子 以 相 同 方 向 自 旋 ， 它 們 的 能 量 會
比 以 相 反 方 向 自 旋 的 質 子 和 電 子 較
高 。 一 旦 它 們 由 相 同 方 向 自 旋 躍 遷 (transit)
至 相 反 方 向 自 旋 ， 便 會 發 放 出
有特 定 波 長 (21.106114厘米) 或 頻 率 (1420.40575 MHz)
的 電 磁 波 。 這 條 特 別 的 光 譜 線 我 們
稱 為 「 21 厘 米 氫 電 磁 波 譜 線 」 ， 位 於
無 線 電 波 的 波 段 。 在 正 常 的 情 況 下
， 這 條 光 譜 線 是 屬 禁 線 (forbidden line) ，
出 現 機 會 只 有 每 秒 2.9×10−15
次 ， 即 約 每 一 千 萬 年 才 有 一 個 氫 原
子 放 出 這 種 光 譜 線 。 可 是 在 星 際 物
質 裏 有 極 多 的 中 性 氫 ( 宇 宙 中 約 八 成
的 可 見 物 質 都 是 氫 ) ， 以 致 射 電 望 遠
鏡 能 探 測 這 條 光 譜 線 。
幸 運 的 是 ， 地 球 的 大 氣 層 對 無 線 電
波 的 波 段 幾 乎 沒 有 任 何 阻 隔 ， 因 此 來 自
銀 河 中 心 的 21 厘 米 電 磁 波 可 輕 易 穿
過 星 際 塵 埃 及 地 球 大 氣 ， 到 達 天 文
學 家 的 探 測 器 。
天 文 學 家 透
過 量 度 「 21 厘 米 氫 電 磁 波 譜 線 」 的 各
項 特 性 ( 例 如 強 度 、 分 布 、 都 卜 勒 寬
展 (Doppler broadening) 、 偏 振 (polarisation) 等 等 ) ，
推 論 出 銀 河 系 各 旋 臂 的 旋 轉 速 度 、
分 子 雲 的 結 構 ， 甚 至 是 星 系 的 質 量
和 個 別 星 系 的 動 態 等 。
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在
可 見 光 觀 測 下 ， 銀 河 系 中 心 被
大 量 的 星 際 塵 埃 阻 擋 |
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以
「 21 厘 米 氫 電 磁 波 譜 線 」 觀 測 銀
河 ，
整 個 銀 河 系 平 面 的 結 構 都 清 楚
可 見 |
現 時 香 港 大
學 物 理 系 正 積 極 測 試 全 港 第 一 台 射
電 望 遠 鏡 ， 它 具 有 探 測 「 21 厘 米 氫 電
磁 波 譜 線 」 的 能 力 ， 希 望 未 來 的 日
子 香 港 的 研 究 人 員 可 以 為 射 電 天 文
學 作 出 貢 獻 。
圖
片 提 供 ： 美 國 太 空 總 署
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新 近 問 題
問 宇 宙 及 黑 洞
