克卜勒衛星捕捉到眾多多重行星系統

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

浩瀚宇宙中，地球是唯一具有生命的星球嗎？會不會在銀河系內的某顆星球上，也有個高度文明在凝視著我們？望著繁星點點的夜空，總不免會興起這樣的念頭吧？然而我們看到的星星，除了幾顆是系內行星與人造衛星之外，其實都是像太陽這樣的恆星，上面本來就不可能有生命。要尋找外星生命，我們得把目標放在繞著恆星轉的行星。

問題是，行星本身不會發亮，我們如何看見太陽系外的行星？

的確，即使行星會反光，若非過於微弱，就是被恆星的光遮蔽。因此長久以來，天文學家普遍相信我們不可能發現系外行星。但是1995年，瑞士日內瓦大學的梅爾（Michel Mayor）與奎羅茲（Didier Queloz）卻宣稱在51光年外的飛馬座51恆星發現一顆行星。這是怎麼做到的？

原來行星繞著恆星公轉時，恆星會因行星的重力作用拉扯而產生輕微擺動，影響恆星朝向地球與遠離地球時的速度，而產生不同的光譜偏移。從偏移程度可以推知恆星相對於地球的運動速度，如果速度呈現週期性變化，就表示有行星存在，而且還能推算出行星的質量大小。

不過這個方法除了質量，對行星仍一無所知。不過，1999年11月5日，美國加州大學柏克萊分校在飛馬座中距離地球約150光年處，發現一顆繞行恆星HD 209458的行星，除了知道它的質量是木星的0.7倍（相當於地球的220倍），還知道體積是木星的2.5倍、大氣成分含有氧和碳。

這顆編號為HD 209458b，別名「歐西里斯」（Osiris）的行星是首度以「凌日法」觀測到系外行星。凌日法的原理是：行星軌道若介於母恆星與地球之間，當它橫過恆星表面時會擋住一小部分的光，我們就可以根據恆星發光的減少程度推算行星的體積。而且恆星的光穿過行星的大氣層時，會被其中所含的元素吸收特定頻率的光，而改變光譜，因此可以得知行星的大氣成分。

歐西里斯的發現是尋找系外行星的重要里程碑，因為知道大氣組成有助於更有效率地發現適合居住的星球。至2014年為止已經發現了約一千顆系外行星，而在質量略大於地球的「超級地球」中，擁有大氣層與一定溫度以上的系外行星更被視為尋找外星生命的優先對象，就讓我們拭目以待吧。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

美國航太總署（NASA）所屬的克卜勒衛星（Kepler）以凌日法搜尋系外行星的方式成果卓越，不僅在任務開始的頭4個月就發現1200多顆疑似系外行星的資料，而且其中的408筆資料是在多重行星系統中，也就是說，這個系外行星系統很可能包含了2個以上的系外行星，而這些多重行星系統有很多都與我們太陽系迥異。

克卜勒衛星是利用行星行經母星前方，遮蔽母星而使母星亮度下降的凌日法來偵測系外行星的存在。從母星星光降低的程度，天文學家可估計行星的大小；再從行星穿越母星盤面的時間，可估算出行星繞母星一周的公轉週期。換言之，這種方式必須是行星軌道面幾乎側向地球；而在同一個行星系統中觀測到好幾個凌日行星，代表這些行星的軌道通通得幾乎側向地球。

在我們太陽系中，有些行星的軌道相對於黃道面的傾角高達7度左右。如果有個其他行星系統上的外星天文學家觀察我們太陽系，並無法透過凌日法看到全部8顆行星，尤其是軌道傾角高達7度的水星和高達3.4度的金星。因此相較之下，克卜勒偵測到的多重行星系統，似乎多半比太陽系還扁平，它們的軌道傾角差異多在1度之內。為什麼會這樣？

天文學家認為：其中一個線索在於行星本身。克卜勒衛星發現的多重行星系統，主要都是以比海王星小的行星為主，缺乏木星級的氣體巨行星。科學家相信：氣體巨行星的強大重力，在行星系統剛形成沒多久的階段，會擾亂行星系統，增加鄰近行星的軌道傾斜角。證據之一是其他研究已找到許多有氣體巨行星的行星系統，但這些行星系統不像克卜勒衛星找到的那樣扁平。

多重行星系統可能提供一個機會，讓天文學家得以確認那些體積較小的岩質行星的密度。行星質量愈大，利用徑向速度法（radial velocit）偵測到的機會愈大，也就是說，它們的重力拉動母恆星、使母星位置變動的情形會更明顯。但類似地球體積、地球軌道的系外行星，其質量不足以拖曳母星、使它的位置變動大到現代科技得以偵測的地步。

在那些有一個以上凌日行星的系外行星系統中，天文學家可以從另一方面來檢測行星狀態，就是凌日時間的變動。各個行星從母星前方通過所需的凌日時間，其實會因彼此間的重力交互作用而稍有變動，變動量的大小就與這些行星的質量有關。克卜勒衛星觀測到得多重行星系統，許多都有這樣的凌日時間變動現象。

目前克卜勒衛星仍持續收集資料中，它可以觀測到距離母星較遠的寬軌行星，其中有些還剛好位在其母恆星的適居區（水能以液態存在的區域）中。而凌日時間變動在確認岩質行星工作上，可能是個關鍵；如果這些岩質行星又恰好位在適居區中，那麼這些岩質行星的表面或許就有對生物生存很重要的液態水存在。

資料來源：Kepler’s Astounding Haul of Multiple-Planet Systems, 2011.05.23, KLC

本文引用自臺北天文館之網路天文館網站

(Kepler-37系外行星家族與其他太陽系行星的大小比較。圖出處:NASA)

文 / WhyJ

天文學界搜尋系外行星的競賽在一般人的眼中看起來可能很有趣：找到越小的系外行星，代表你或你的研究團隊越厲害！筆者推測，Kepler-37b這顆NASA在今年二月宣布發現的比水星還小的系外行星，應該可以讓他們炫耀好一陣子吧。

從第一顆系外行星被發現以來，至今雖然未滿20個年頭，但在這短短的時間內，進展可謂一日千里。從剛開始只能探測比木星還要大好幾倍的氣體巨星，逐漸地增加探測下限，世界各國的研究者都在絞盡腦汁思考如何能探測更小的行星，尤其是像太陽系內類地行星的這種大小，更是天文學家亟欲搜尋的熱門焦點。

近幾年來，觀測技術與儀器的進步終於讓我們以大海撈針的搜索方式找到了跟地球大小差不多尺寸的系外行星，例如NASA在2009年發射的克卜勒太空望遠鏡，就是專門用來執行搜索系外行星的任務。而它也不負眾望，到目前為止竟然已經發現了2740顆可能的系外行星！其中有些甚至是同一顆恆星具有許多衛星，儼然已經是「另一個太陽系」。

這次的主角Kepler-37，也是克卜勒太空望遠鏡所調查的一顆恆星。今年二月Barclay等人新出爐的研究指出，在Kepler-37的光度隨時間變化的曲線中，存在著因為行星運行至恆星前面，而造成恆星的光度短暫下降，並週期性重複的現象。這種方法稱為「凌日法」，是目前探測與地球大小相當的系外行星的少數辦法之一。由於行星越小，凌日時能夠遮掩恆星的部分越少，觀察到的光度下降量就越低，因此越難偵測。但如果反過來思考，只要知道恆星的光度下降量，就可以回推系外行星的精確大小。經過計算後，Kepler-37有三個行星，分別為Kepler-37b, -37c與-37d，而他們的相對大小如圖所示。

發現了嗎? Kepler-37b比水星還要小，跟月球的尺寸相當。這發現可謂意義重大：如果有個一模一樣的「太陽系」在遙遠的深空彼端，科學家終於有能力把裡面的成員一一揪出來了! 雖然對外星生命的狂熱者來說，因質量太小而不太可能有大氣或海洋存在的Kepler-37b可能是個令人失望的行星，但Barclay等人的論文中倒是有句宣示意味濃厚的結語：「以後這種大小的行星一定會越找越多!」，看來系外行星探索的任務，還真是令人期待。

參考資料：

• NASA’s Kepler Mission Discovers 461 New Planet Candidates. NASA [01.07.2013]
• Barclay et al. (2013), A sub-Mercury-sized exoplanet. Nature 494, 452-454.