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星圖滄桑

94/02/05 15534

傅學海｜臺灣師範大學地球科學系

過去十幾年來，國內旅遊風氣興盛，出國旅遊的人數屢創新高，連帶使旅遊的書籍成為暢銷書。不管任何旅遊書，其中一定包含了或簡或詳的地圖。出門在外，一張地圖在手，總能對當地知道個大概，循圖索驥，自有樂趣。

同樣的，要想優遊於星空之中，總少不了星圖。簡單的如簡易星座盤，初學者可以用來辨認星座，業餘或專業天文學家則用專業星圖來尋找星雲星團或有趣的雙星、變星等深空天體。星圖也由早期的手繪製，進入精美的印刷，再演變成現代的各種電子星圖和個人數位助理（PDA）、手機專用的星圖。

地圖製作的歷史源遠流長，屬於國家大事之一，星圖的繪製雖比不上國家大事，卻也可以上溯到數千年前。巴比倫文明出土的泥板，大約是五千年以前的文物，已經有黃道十二星座的簡圖，中國敦煌的文物中也有一些古星圖。在西方文明中最著名、具有傳承地位的星圖，是由希臘天文學家依巴谷（Hipparchus, 190-120 BC）所製作的。

希臘古文明的興起與強盛的時期，大約與我國周朝差不多。依巴谷在一個晚上觀察天象時，在天蝎星座看見一顆恆星，這促使他觀測並記錄天上的星星，大約在西元前一三○年完成一份包含850顆恆星的星圖與星表，記錄了各恆星的座標與亮度。這份星圖星表成為人類文化的珍寶之一，即使在今天也有它的學術價值。

依巴谷把自己觀測的結果與一百五十年前的紀錄比較，發現一些明亮的恆星座標與早期的紀錄並不相同，因而發現了歲差現象（註1）。由此可知，星圖或星表不僅僅只是具有星空導覽的功能，更是一種天象的紀錄，比較不同年代的紀錄，可以發現新現象。

中國星圖的起源與發展

中國自古就非常重視星象，官方設有正式的天官，觀測並記錄特殊星象。戰國時期便著有許多星經，可惜大都散佚而沒有留傳下來，東漢張衡（西元第二世紀）在他製作的渾天儀上列出約兩千五百顆星。

中國古代最著名的星圖，當推南宋時期黃裳（1146-1194）所繪製的〈天文圖〉，是現存最大與星數最多的古星圖之一。黃裳為了教導皇太子，繪有八幅圖，其中一幅為〈天文圖〉，後經王致遠依據這一張圖摹刻成石碑，流傳至今（註2）。天文圖石碑上為圖、下為文，文章詳述皇太子所應該學習的天文知識。

現代星圖的啟蒙與興起

拜葉（Johann Bayer, 1572-1625）是德國一位律師，在一六○三年出版了近代第一份包含南天極的全天星圖 Uranometria。這份星圖包含了49個星座，其中12個新的南天的星座分別採用荷蘭航海家季舍（Keyser）與戴赫特曼（De Houtmann）的定義。

拜葉在星圖中第一次採用了「以星座為姓，以希臘字母為名」的恆星命名法，一直流傳到現在，廣為全球所用。例如以金牛座為例，金牛座中最亮的恆星稱為「金牛α」、第二亮恆星則稱為「金牛β」、第三亮恆星稱為「金牛γ」……雖然希臘字母只有24個，對一般觀星已經足夠了。

要製作一幅地圖並不困難，但是要製作一幅精準並隨時更新的地圖就困難許多，必須實地丈量、確定參考點、進行各種誤差修正……得到各地的實測數據，才能繪成地圖。繪製星圖也是一樣，必須實地測量每一顆星星在天上的座標，才能精準地繪製成圖。因此，通常是先有記錄各星座標與亮度的星表，才有星圖。

到了歐洲文藝復興時期，各種技術，像印刷術、投影繪圖技巧的改良，以及望遠鏡的發明，這些都有助於星圖的製作。

波蘭天文學家赫維留（Hevelius, 1611-1687）出版的星圖 Firmamentum，在精確度、便利性、開創性與影響力各方面，是一份可以與拜葉星圖相匹配的星圖。他的星圖有幾個特色，天體的位置得自他自己觀測所建立的星表上，而這份星表伴隨著星圖同時出版。

這份星圖還有一個特色，顯示星座的影像（例如天鷹座的老鷹）外貌是由太空中看向地球的觀點來繪製的，而不是像其他的星圖是從地球中心往天空看的觀點所繪製，所以與一般的星圖左右相反。這份星圖也引進了11個新的星座，例如盾牌座、小獅座、天貓座、蝎虎座等，其中七個包含在目前全天88個星座中，仍被使用著。

哈雷（Edmond Halley, 1656-1742）在一六七六年遠赴南非觀測了341顆恆星的位置，並在一六七九年出版。赫維留星圖採用了哈雷的數據做為南天星圖的依據，使哈雷的南天星圖廣為人知。

佛萊明史帝星圖星表

佛萊明史帝（John Flamsteed, 1646-1719）是第一位皇家天文學者，在英王查理士二世的任命下，建立格林威治皇家天文臺，並擔任第一任臺長達44年。在這段期間，天文學由中古時期的神祕與星占走向現代化，成為和數學與科學並駕齊驅的學問。

當時有關遠洋航海的一個重要問題，即船長在海洋中無法精確斷定船隻所在的經度（註3），法國人皮里（Soeur de St Pierre）宣稱他有解決的方案。皮里認為可以利用眾多的恆星為參考，觀察月亮在恆星間的精準位置，便能知道船隻所在的經度。由於月球距離地球很近，平均距離約為三十八萬公里，如果在不同地點的人都在同一個時間觀察月亮，會發現月球背景的恆星位置會有一點不一樣，便可以用來推算觀測地點的經度。

這是三角視差的原理，就像一個人把手伸直，豎起大拇指，閉上左眼只用右眼觀察，發現遠方物體在大拇指的右邊；換成用左眼觀察，就會發現遠方物體在大拇指的左邊。大拇指就代表月亮，而恆星便是遠方物體。

英王查理士二世要佛萊明史帝查驗皮里的論點。佛萊明史帝認為皮里的方案在學理上可行，但在實際上卻不可行，因為缺少一個精確的月球與恆星位置表。因此，查理士二世任命佛萊明史帝為英國第一位皇家天文學家，任務是觀測恆星與月亮的精確位置，以便能在海上觀測月球的位置而判定船隻所在的經度。佛萊明史帝在格林威治建立天文臺，成為第一任臺長，積極進行這項任務。

終於，佛萊明史帝辛勤觀測的結晶在他逝世後，集結成大不列顛星表 Historiae Coelestis Britannica，在一七二五年出版，同時也在一七二九年出版了星圖 Atlas Coelestis。這個星圖星表是使用望遠鏡觀測的第一份星圖星表，包含2,848顆恆星的位置，精準度超越以往，把英國推到當代天文的尖端，提供當代恆星與行星最精確的位置。

波德（Johann Bode, 1747-1826）是一位自學有成的天文學家，擔任柏林科學院天文臺臺長將近四十年，在一八○一年出版了一份有史以來最大的星圖Uranographia，包含一萬七千顆星。

到了十九世紀，德國波昂天文臺在臺長阿格藍德（Friedrich Wilhelm August Argelander, 1799-1875）的帶領下，用口徑約7.5公分的天文望遠鏡，一顆一顆觀測通過當地子午線的星星，一一標記它們的位置與星等。從一八五二年到一八五九年花了七年的時間，測量亮度比9.5星等亮的恆星，共記錄了約三十二萬四千顆恆星的位置與亮度。整個結果在一八六三年發表，稱為波昂星表（Bonner Durchmusterung，簡稱BD星表）與BD星圖。直到今天，這39幅BD星圖仍然被天文學家廣泛使用著。

此後，許多天文臺或研究群也發表各式各樣的星圖與目錄（常譯為星表），每顆登錄的恆星都記錄它的座標、光譜等資料，而每個星表又有自己的編號，例如SAO星表、HD星表、耶魯恆星視差目錄、視雙星目錄、變星一般目錄、哈伯星系圖錄等。天文觀測者需要確定同一個恆星的各種名稱與編號，才能與文獻相比較，或與其他觀測者的紀錄一起比較分析。

攝影星圖

用望遠鏡對向天空，依序掃描所有看得到的星星，是相當繁重的工作。另一方面，星星的數量隨著亮度趨暗而呈幾何級數增加。波昂星表中的星數不過三十幾萬，便耗去七年的觀測時間，如果超過千萬顆以上，則所需使用觀測的時間與人力是十分龐大的。

攝影技術加入天文觀測後，在天文各領域都成為一個有力的工具，也改寫了星圖的製作方式，當然也促進了天體座標測量的精確度。

在攝影技術引進天文學以前，要繪製星圖，必須先測量各星的座標、亮度，再繪製成圖。但是天文攝影直接便獲得影像，儼然就是星圖，事後再測量各星在影像上的位置，把數據加以幾何投影處理就可獲得各星的座標。

天文攝影經過長時間曝光可以拍攝到更暗的天體，使得星星的數量暴增。攝影技術還有幾個優點，最重要的是在拍攝時，「同時」把視野中的天體都留下永久的影像紀錄。事後，可以依據不同的需求再進行測量。對於恆星，通常是測量它們的位置與亮度，定出座標與星等。而且，如果測量技術有突破性的進展時，可以重新測量玻片（註4）上的天體座標與亮度，或有突發天文事件時，也可以作為比對用。

許多天文臺與個人都在進行拍攝，製作攝影星圖。美國耶魯大學天文臺在一九一四年至一九五六年間，使用廣角天體攝星儀拍攝星空，發表一份比九星等亮的耶魯星表，其中包含十五萬顆恆星的資料。

一九四○年代，美國在加州帕羅瑪山（Mt. Palomar）建立了當時世界上最大的望遠鏡，這座口徑五公尺的海爾（Hale，為了紀念籌募基金、大力推動的海爾而命名）望遠鏡在一九四八年落成啟用。但是大望遠鏡的視野很小，所以需要一份儘可能呈現暗星的星圖作為參考。因此在美國國家地理學會的支助下，利用帕羅瑪山口徑48英寸（1.2公尺）史密特望遠鏡進行拍攝。

在一九四九年至一九五六年間把整個星空劃分為一個個長寬各為六度的方塊，依序一塊塊接續拍攝，每個星場都以對紅光敏感、藍光敏感的兩種玻片拍攝，共拍攝了879個天區，星星暗至21星等，約在一九七○年代完成，結果便是著名的帕羅瑪天文臺星空掃描攝影星圖（Palomar Observatory Sky Survey，簡稱POSS），後來以RealSky 光碟出版。

但是這些攝影星圖只能供天文學家參考，並沒有提供影像中各天體的座標，也沒有提供數量。

導引星表

為了哈伯太空望遠鏡的任務需要，美國航空太空總署同樣使用史密特望遠鏡，以比較短的曝光時間（20分鐘）重新拍攝一組星空，經過數位化處理後，獲得一份暗至15星等的星表，稱為《導引星表》（Guide Star Catalog，簡稱GSC），約有一千八百萬個星星的座標，足夠哈伯太空望遠鏡導引的需求。

《導引星表》目前成為許多電子星圖的基本星圖之一，例如電子星圖The Sky、Guide等，都收錄《導引星表》，並能以星圖方式呈現在電腦螢幕上。

目前，導引星表研究小組改進影像處理軟體，把星等往暗推至17星等，把星星的數量一舉推到史無前例的「四億三千多萬」，稱為《第二代導引星表》（GSC II）。原先的《導引星表》便順理成章的改稱為第一代（GSC I）。

美國海軍天文臺使用精密測量儀器針對所有玻片進行測量並數位化，再加上歐南天文臺（European Southern Observatory）的星空掃描星圖，一共得到五億多顆恆星的數據，稱為美國海軍天文臺A2.0星表（USNO A2.0 Catalog），包含在十片CD光碟中，是目前星數最多的星表。

依巴羅斯天文衛星與千禧年星圖

進入太空時代後，許多望遠鏡被送入太空進行各種天文觀測。避免了地球的大氣擾動，觀測的品質與精確度都達到望遠鏡的光學極限。因此有關恆星位置與亮度更精確的測量，當然也在太空天文計畫之中。

歐洲太空總署在一九八○年代提出一個在太空中精確測量星星位置與亮度的計畫，在一九八九年把依巴羅斯（Hipparcos）天文觀測衛星送入環繞地球的軌道中，它是第一具在太空中專門探測天體位置、距離與亮度的人造衛星。依巴羅斯全名是高精度視差精準衛星（High Precision Parallax Collecting Satellite）。（註5）

依巴羅斯天文觀測衛星從一九八九年十一月起到一九九三年三月為止，共測量了一百萬多顆恒星的位置與亮度。整個觀測計畫分為依巴羅斯任務與第谷（Tycho）任務兩部分。第一部分是由兩百多位科學家挑選了十一萬八千顆星，涵蓋了紅矮星、白矮星、巨星、電波星、Ｘ光星、變星與雙星，極精密地測量它們的距離、光度、質量、大小與年齡，藉這些資料以探討星團動力學、恒星物理與星際介質。第谷任務則是測量一百萬顆恒星的位置與亮度。

目前依巴羅斯衛星的觀測結果已集結成星表、星圖出版。星表全名是《依巴羅斯與第谷星表》（Hipparcos and Tycho Catalog），而稱為《千禧年星圖》（Millennium Star Atlas）的三冊星圖，是目前以印刷書面出版的最佳星圖，約包含一百萬顆恆星。

電子星圖

經過兩千年的演變，星圖由肉眼觀測、手繪成圖，到使用望遠鏡觀測、刻版印製，再進入底片攝影、印刷的精緻星圖，最後進入電子相機（CCD）拍攝的數位星圖，同時以印刷形式與電子形式出版。目前，以電腦、PDA等使用的電子星圖數量激增，且廣泛被業餘者與專業者使用，並常被統合在星空導覽、望遠鏡自動追蹤導引操作系統中。

由於電腦的性能，星圖星表已經成為一體的兩面，只要有星表，便能以電子星圖呈現，而且隨時可以增減。星圖星表中的恆星數量已經以「數億」為單位，容量之大（即使用DVD光碟也需要許多片才能完全儲存）早已超過一般需求。目前市面常用的電子星圖，例如 The Sky、Guide、Starry Night……仍以第一代《導引星表》、《依巴羅斯星表》與《第谷星表》為主。

註

1﹒有興趣的讀者，可以參考《觀星人》創刊號一九九九年十二月〈出走的天北極－歲差〉一文。或上網參考http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/e_book/history_c/captions/precession.html。

2﹒黃裳作〈太極〉、〈三才本性〉、〈天文〉、〈地理〉、〈皇帝王伯學術〉、〈九流學術〉、〈帝王紹運〉與〈百官〉等八圖，現僅〈天文〉、〈地理〉及〈帝王紹運〉三者有石刻摹圖留存。這三件石刻摹圖是王致遠於宋理宗淳祐丁未年（1247）刻置於蘇州府學左半文廟的戟門處，現置於蘇州市博物館。有興趣的人可以上網找〈清蔚園蘇州石刻天文圖〉一讀。http://vm.nthu.edu.tw/history/shows/show01/astronomical.chart/contents/chart.html

3﹒時報文化出版公司的《尋找地球刻度的人》有詳細而精采的介紹。為了實用與激勵，英國國會還在一七一四年提供了兩萬英鎊高額獎金獎勵能成功找出經度測量法的人，當代許多人，包括學術界菁英（如伽利略、牛頓）與術士郎中等紛紛投入。

4﹒天文攝影專用玻片與一般攝影用底片不同，是玻璃面板塗上感光乳劑而成，簡稱為玻片（plate）。一般攝影用底片會隨溫度高低而伸張或收縮，保存年限有限，天文攝影專用玻片比較不會隨溫度而變化，如果保存得當，幾乎可以永久保存。

5﹒有興趣的人可以參考新新聞文化出版的《星星的故事》一書。

資料來源

《科學發展》2005年2月，386期，48 ~ 55頁

星圖滄桑

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