秋天的夜空，為什麼亮星特別少？
― 秋夜裡，我們正朝著銀河的「外側」望去
10月的夜晚，就算抬頭看南方的天空，也幾乎找不到顯眼的星星。並不是星星變少了，而是秋夜裡我們面對的方向，本來星星就比較稀疏。那個方向的盡頭，是銀河系這個「星星圓盤」外側，空蕩蕩的宇宙。
10月某個能聽見蟲鳴的晚上8點左右，空氣變得澄澈，你走到陽台抬頭望向南方的天空。
然而映入眼簾的星星卻很稀疏。只有4顆星星隱約排成一個大四邊形發著微光。南方低空還有一顆孤零零的亮星。
到了冬天，同一時間的天空會排滿獵戶座和天狼星，閃閃發亮。同樣的地點、同樣的時間，為什麼星空的熱鬧程度會因季節差這麼多呢？
秋夜星空冷清的理由，只有兩個
我們的銀河系呈現非常薄的圓盤形狀。秋夜抬頭看的南方天空，並不是沿著這個盤面延伸的方向，而是很快就會穿出盤面外側的方向。
看起來明亮的星星，大多是誕生不久的大質量恆星。恆星是從盤面中的氣體誕生的，所以愈年輕的恆星，愈集中在盤面正中央。
這兩點並非各自獨立的現象。我們既朝著「星星稀少的方向」望去，而「愈亮的星星，在那個方向又愈少」。這雙重原因，讓秋天的夜空格外樸素。
夜空在每個季節，都朝向宇宙中「不同的方向」
所謂夜空，指的是太陽相反方向的宇宙。地球花一年時間繞太陽公轉，因此夜晚背對的方向，也會隨季節一點一點轉動。
另一方面，太陽和地球都身處銀河系這個恆星集團之中。這個銀河系的直徑約有10萬光年，厚度卻只有約1000光年，薄得就像一片CD光碟。我們就住在這個盤面的中間附近。
請看圖1。夏夜望向的是盤面中心的方向；冬夜望向的則是盤面外緣的方向。兩者都是沿著盤面看過去，因此視線前方一路都排著星星。夏天銀河看起來濃密、冬天亮星特別多，原因就在這裡。
然而秋夜望向的，是往下穿透盤面的方向。視線只要數百光年就會穿出盤面外，再往前幾乎沒有星星。這個方向的中心稱為「銀河南極」，位於南方天空的天壇座（雕具座）一帶。秋夜南方天空之所以冷清，正是因為我們望向的是這一帶。
愈亮的星星，愈集中在盤面正中央
夜空中看起來明亮的星星，可分成兩種類型。一種是碰巧離地球比較近的星星；另一種則是即使距離遙遠，本身卻異常強烈發光的大質量恆星。
強烈發光的大質量恆星，因為燃料消耗得快，壽命被認為比較短。因此目前明亮閃耀的大質量恆星，大多是誕生不久的年輕恆星。而恆星正是從盤面正中央聚集的氣體與塵埃雲中誕生的。
剛誕生的恆星，還沒有離開誕生的地方太遠。也就是說，愈明亮的大質量恆星，愈集中在盤面正中央的薄層之中。冬天獵戶座周圍，正是這類年輕恆星大量誕生的地方。
秋夜望去的方向，幾乎碰不到這層薄層。所以在秋天的天空中，剩下的亮星大概只有「碰巧在附近」的星星。南方低空那顆孤零零發光的北落師門，就是因為距地球僅約25光年，靠得近才顯得明亮。
夜空中稱為一等星的亮星，全天共有21顆。冬夜可以一次看到其中7顆，秋夜卻只看得到北落師門這1顆。因此自古以來，它也被稱為「秋之孤星」「南方孤星」。
星星少，代表阻擋視線的東西也少。秋天的天空可以看到位於銀河系之外的另一個星系──仙女座星系。它的距離約250萬光年，若是在天空夠暗的地方，肉眼也能看到一團模糊的光斑。就肉眼可見的天體而言，這是格外遙遠的一個。
如圖1向上的箭頭所示，春夜望向的是穿出盤面上方、「銀河北極」的方向。因此春夜同樣幾乎看不見銀河。不過用望遠鏡觀察，會發現室女座和后髮座一帶聚集著大量遙遠的星系。
總結
夜空在不同季節，會朝向宇宙中不同的方向。夏天與冬天，是沿著銀河系薄盤延伸的方向；秋天與春天，則是穿透盤面、通往外側的方向。明亮的年輕恆星集中在盤面正中央，所以秋夜的南方天空幾乎沒有亮星。
秋天星空冷清，並不是因為星星變少的季節。
而是我們正朝著銀河系外側的黑暗望去。
關於夜空為何隨季節改變的根本原因，請見〈為什麼會有季節？〉；白天看不見星星的原因，請見〈為什麼白天看不見星星？〉；秋天的月亮話題，則詳述於〈中秋的滿月，為什麼不一定是滿月？〉。
- 選一個晴朗的10月夜晚8～9點左右，前往路燈較少的地方，讓眼睛適應黑暗約10分鐘。
- 透過衛生紙捲筒芯朝正南方的天空看，數一數裡面看得到的星星。稍微變換位置，總共數3次。
- 接著把捲筒芯朝頭頂正上方偏東北方（天鵝座、仙后座一帶）看，同樣數3次。這個方向正是銀河流過的方向。
透過捲筒芯觀察，每次看到的範圍大小都一致，因此能公平比較星星的「密集程度」。天空亮度或地平線附近的霧氣，也會影響數量。建議兩個方向都選擇高度差不多的天空來比較。
想知道更多 ― 用語、公式與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，皆已標明程度
- 國中國中理科所學範圍
- 高中高中「地球科學」所學範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不會教，屬於大學專業科目（天文學・銀河天文學）的內容
- 研究大學也還未當作「定論」教授，屬於研究人員正在調查中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 銀河系（我們的星系）：包含太陽在內、由數千億顆恆星組成的集團。呈薄盤狀，從內側看這個盤面，就是夜空中的銀河。
- 星等：表示星星視覺亮度的數值。數字愈小愈亮，星等每差1，亮度約差2.5倍。
- 銀極：與銀河盤面垂直的方向。南側（銀河南極）位於雕具座，北側（銀河北極）位於后髮座。
國中高中用公式驗算：沿盤面方向與穿出盤面方向，亮星數量差多少？
某個方向能看到的星星數量，取決於「該方向能看多深仍有星星」。把觀測範圍想成一個圓錐，星星數量就與這個圓錐的體積成正比。
| 用符號表示 | N ＝ n × ( Ω ÷ 3 ) × r³ ⇒ N盤面 ÷ N極方向 ＝ ( D ÷ h )³ |
| 用文字表示 | 可見星星數 ＝ 星星密度 × 觀測範圍圓錐的體積。體積與深度的3次方成正比，所以兩個方向的星星數量比，等於「深度比的3次方」。 |
| 公式的由來 | 取球體積（4 ÷ 3 × π × 半徑³）中，觀測範圍所對應的那個圓錐部分。若星星均勻分布，數量就與體積成正比。 |
| 符號 | 意義與單位 |
| N | 可見星星數（顆） |
| n | 星星密度（每立方光年的顆數） |
| Ω | 觀測範圍大小（立體角，相當於透過捲筒芯看到的範圍） |
| D | 沿盤面方向，肉眼可見明亮大質量恆星的距離（光年） |
| h | 年輕恆星層，從正中央到上下邊緣的厚度（光年） |
| 強烈發光的年輕恆星肉眼可見距離的估計值 D | 約1500光年（此處為假設值） |
| 年輕恆星層單側厚度 h | 約300光年（依資料略有差異） |
| 銀河系的直徑 | 約100000光年 |
| 盤面厚度（含老恆星在內的估計值） | 約1000光年 |
| 音樂用CD直徑 | 120毫米 |
| 深度比 D ÷ h | 1500 ÷ 300 ＝ 5 |
| 比值的平方 | 5 × 5 ＝ 25 |
| 比值的立方（＝亮星數量比） | 25 × 5 ＝ 125 |
| 銀河系「直徑 ÷ 厚度」 | 100000 ÷ 1000 ＝ 100 |
| 同比例的CD厚度（毫米） | 120 ÷ 100 ＝ 1.2 |
在這個簡化模型中，沿盤面方向看到的明亮年輕恆星，會比穿出盤面方向多出100倍以上。銀河系的薄度，大約相當於一片厚1.2毫米的CD。不過實際上，塵埃會遮擋遠方的星光，附近的一般恆星則不管哪個方向都存在。因此肉眼實際數到的星星數量差距，不會拉得這麼大，一般認為只有數倍左右。愈只鎖定「亮星」，差距就愈明顯。
高中高中＋亮度・距離・恆星年齡
高中星星的視亮度，會隨距離平方成反比而變暗（平方反比定律）。星等每差5，亮度恰好差100倍。將真實亮度換算成10秒差距（約32.6光年）距離時的亮度，稱為「絕對星等」。北落師門本身真實亮度普通，只是因為距離近才顯得明亮。
高中＋恆星質量愈大，核心溫度愈高，核融合進行得愈快，壽命也就愈短。質量約為太陽10倍的恆星，壽命估計只有數千萬年左右。另一方面，年老的恆星會在漫長時間裡受到其他恆星或氣體雲牽引，逐漸往盤面上下擴散、搖擺。因此恆星層的厚度，年輕恆星較薄、年老恆星較厚。
大學銀河座標與恆星計數
天文學上，以銀河系盤面為基準來表示方向的方式，稱為銀河座標（銀經・銀緯）。銀緯0度是盤面正中央，銀緯±90度就是銀河北極・南極。按銀緯統計某亮度以上恆星數量的方法稱為恆星計數，自20世紀初以來，一直是研究銀河系形狀的基本方法。恆星數量密度，常被表示為隨盤面高度呈指數遞減，其對應厚度稱為標高（scale height）。此外，從獵戶座延伸到天蠍座一帶的明亮年輕恆星，排列成與盤面傾斜約20度的一條帶狀，稱為古爾德帶（Gould Belt）。
📖 公式推導與更深入內容：日文維基百科「銀河座標」 ／ 日文維基百科「銀河円盤」
研究目前尚未完全釐清的部分
- 盤面並非平坦？ 已知銀河系的盤面，外緣呈波浪狀翹曲（warp）。至於為何會翹曲，至今尚無定論。
- 古爾德帶的真面目 這條年輕恆星傾斜帶，是否真的是單一結構，目前仍有爭論。2020年也有報告指出，附近的氣體雲呈波浪狀連綿，形成一種名為「拉德克利夫波（Radcliffe Wave）」的結構。
- 恆星立體地圖的改寫 人造衛星已測量超過十億顆恆星的距離，盤面厚度與恆星分布的估計值，至今仍持續更新。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內」的解說。秋夜天空朝向盤面外側的大方向不會改變，但盤面厚度等數值，未來仍可能被修正。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應之處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科「地球與宇宙」（季節與星座、銀河系） | 夜空隨季節朝向不同方向 |
| 高中 | 地球科學「恆星的性質」「銀河系的結構」 | 星等與距離、銀河系盤面 |
| 高中＋ | 地球科學「恆星的演化」 | 質量愈大壽命愈短，年輕恆星集中於盤面 |
| 大學 | 銀河天文學 | 銀河座標、恆星計數、標高、古爾德帶 |
| 研究 | 銀河結構・恆星位置天文學 | 盤面翹曲、拉德克利夫波 |
| ― | 與生活的連結 | 秋夜是肉眼尋找銀河系外星系的季節 |
- 國立天文台 編《理科年表》丸善出版（一等星一覽・恆星距離）
- 日文維基百科「フォーマルハウト」（北落師門，全天21顆一等星之一，秋季恆星）
- J. Binney, M. Merrifield《Galactic Astronomy》Princeton University Press, 1998（恆星計數與銀河盤面結構）
- J. Alves 等〈A Galactic-scale gas wave in the solar neighbourhood〉Nature 578, 2020（拉德克利夫波）
- 《天文年鑑》誠文堂新光社（依季節劃分的星空）
※本文為大眾科學解說。文中數值僅為理解機制所用的參考估算值。銀河系示意圖將季節與方向的關係簡化呈現，實際上地球的公轉面相對於銀河盤面有相當大的傾角。夜間觀察請留意腳下狀況，切勿獨自前往無人的暗處。