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天文學家發現迄今最迷你的系外行星系統

臺北天文館_96
・2012/01/17 ・1168字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

PlanetLineupKOI961

天文學家從克卜勒太空任務(Kepler mission)的觀測資料中,發現一個迷你行星系統:新發現的3顆系外行星體積大約介在火星至地球之間,甚至比才宣布不久的地球級系外行星Kepler-20e還小,而且非常靠近中間的母恆星。這是到目前為止所發現規模最小的系外行星系統。這些發現不僅顯示銀河系中的行星系統性質相差非常大,也代表克卜勒任務的偵測能力,遠超過天文學家原本預期的程度。

這個迷你行星系統編號為KOI-961,母星KOI-961是顆紅矮星(red dwarf),直徑僅有太陽的1/6,換言之,只比我們太陽系最大的行星—木星還大70%而已。此外,KOI-961距離地球僅約130光年,故從地球上觀察,這顆恆星在天空中的位置變化相當明顯,天文學家藉此查探KOI-961是否受到其他恆星的影響而造成亮度變化,但最後都予以排除,確定發現的的確是行星。

SystemJupiterComparisonKOI961

KOI-961周圍新發現的這3顆系外行星編號分別為KOI-961.01、KOI-961.02和KOI-961.03,其半徑分別為0.78、0.73和0.57倍地球半徑;其中最小的KOI-961.03,只比火星(0.53倍地球半徑)大一點點。這個迷你太陽系的尺度,其實說起來,和木星與其衛星的系統還比較像呢!

克卜勒任務是以凌日法(transit)來搜尋系外行星,也就是當行星經過母恆星前方時,會使母恆星亮度些微下降的現象來偵測行星;必須觀測到3次以上具週期性的亮度下降現象,才能列為可能是行星的訊號。之後再利用地面大型望遠鏡進行後續觀測,確認是否真為系外行星。KOI-961系統的發現,是由美國加州理工學院(California Institute of Technology)天文學家Phil Muirhead領軍的研究團隊,利用克卜勒任務已公開的觀測資料,再利用位在美國聖地牙哥附近的帕洛瑪天文臺(Palomar Observatory)和位在夏威夷的凱克天文臺(W.M. Keck Observatory)進行後續觀測而找到的。他們利用性質與KOI-961幾乎相同的另一顆紅矮星—著名的巴納德星(Barnard’s star)的光譜作為比較,估算這些行星的體積,才發現遠小於原先資料釋出時的初步估計。

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雖然這3顆系外行星的質量尚無法確定,不過天文學家認為這3顆行星應該都是類似地球般的岩質行星;然而它們的軌道非常靠近母恆星而非在適居區中,環繞母星一周的時間均小於2天,使其表面溫度過高,至少在攝氏200~500度左右,無法讓水以液態存在於行星表面。到目前為止,已知的系外行星數量超過700顆,不過只有少數是岩質行星。

但是,紅矮星是銀河系中最常見的恆星種類,在這樣的恆星周圍發現岩質行星,顯示銀河系中等待被發現的岩質行星數量可能非常多;天文學家推測,光是從克卜勒任務資料中鑑定出的岩質行星,可能可達數千顆,現在這些發現,都只是開端而已。而整個宇宙中類似銀河系的星系不計其數,因此,或許岩質行星在宇宙中是非常普遍。

資料來源:2012.01.11

  1. KOI-961: A Mini-Planetary System
  2. http://www.nasa.gov/home/hqnews/2012/jan/HQ_12-013_Kepler_Smallest_Exoplanets.html
  3. Smallest Solar System Found
  4. Astronomers Find Three Smallest Planets Outside Solar System

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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中央研究院化學研究所陳玉如博士,榮獲「2023 年第16屆台灣傑出女科學家獎
PanSci_96
・2023/03/06 ・5586字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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全台第一、更是唯一專為表揚女科學家卓越貢獻的「台灣傑出女科學家獎」已邁入第 16 年。2007 年台灣萊雅聯合吳健雄學術基金會共同發起設置「台灣傑出女科學家獎」,以樹立典範,啟發並推動更多女性投入科學領域,促使科學界多元參與及發展,此獎項多年來的方向與成果更接軌國際聯合國永續發展目標(SDGs)之性別平等目標。

有台灣「女性諾貝爾獎」之美名的台灣傑出女科學家獎,截至 2023 年,本獎項共表揚傑出獎及新秀獎共計 49 位優秀台灣女性科學家。參照全球傑出女科學家獎模式的主辦單位,台灣萊雅總裁師逸樺表示,希望透過表彰台灣傑出女科學家,社會大眾看見多位女性科學家不但在科學界擔任團隊領導者,對科學研究領域有傑出成就,更在推動友善人才制度進步和培育科研領域人才發展均深具貢獻。

2023 年第 16 屆「台灣傑出女科學家獎」由中央研究院化學研究所特聘研究員陳玉如博士獲得最高榮譽「傑出獎」[1]之殊榮。為支持優秀年輕女科學家而設立的「新秀獎」,則頒發給中央研究院天文及天文物理研究所研究員林俐暉博士臺灣大學電機工程學系電子工程學研究所副教授胡璧合博士。鼓勵具科學潛力之年輕博士班學生的「孟粹珠獎學金」,則由中央大學物理研究所博士班謝妮恩同學(目前任職於日本北海道大學低溫科學研究所博士後研究員)獲得。

第十六屆「台灣傑出女科學家獎」得主與主辦單位合影(由左至右):台灣萊雅陳家祥永續長、新秀獎得主林俐暉博士、傑出獎得主陳玉如博士、新秀獎得主胡璧合博士、孟粹珠獎學金得主謝妮恩博士、吳健雄學術基金會林明瑞執行長

「傑出獎」得主 中央研究院化學研究所陳玉如特聘研究員

  • 由美國與全球 13 個國家合作的「癌症登月計畫」,台灣隊由她領軍

在中研院化學所任職,專長儀器設計、質譜分析的陳玉如博士,因深受蛋白質體學的奧秘所吸引,跨領域由生物分子的分析,轉換跑道長期投入蛋白質體的探索,她的研究成果不僅創造領先國際之分析技術,在台灣建立世界級的蛋白質體研究技術,也提供生醫研究全新的研究路徑及轉譯經驗,進而獲得重大疾病關鍵突破。

陳玉如團隊開發了以質譜儀全面性定量細胞膜蛋白體的方法,可幫助科學家了解膜蛋白質如何造成疾病的機制,更進一步建立第一個癌症病人個人化的分析,開發疾病檢測或是藥物標靶蛋白質。以癌症為例,現在使用的癌症標識分子(biomarker)大多數是膜蛋白質。

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陳玉如博士首創全世界第一個「奈米探針質譜檢測技術」,發現癌症中血清蛋白多重結構變異作為新型癌症標誌物的實用性,成為首例以單一蛋白質多重異構物結合演算法作為新型癌症檢測技術,應用於早期癌症檢測,該技術於 2022 年獲得國家新創獎。

「我不抽菸,為什麼也會得肺癌?」這是許多亞洲國家肺癌患者共同的疑問。肺癌是全球癌症死亡的主因,即使藥物治療近年有長足的進展,存活率仍低,長期為我國癌症死亡的頭號殺手。肺癌傳統上被認為與吸菸畫上等號,但在東亞地區,不吸菸者患病的比率卻遠高於吸菸者。

為釐清不吸菸肺癌患者可能的致病機轉,2017 年,陳玉如博士主持推動與美國臨床蛋白基因體學腫瘤分析聯盟(CPTAC)合作的「台灣癌症登月計畫」,讓我國成為該計畫首度國際合作國家之一。

陳玉如認為,癌症研究的跨國分享非常重要,因為即使是同一種癌症,也會因為地域、人種及生活型態而有所差異,因此預防、檢測、治癌和預後方式可能不同。

陳博士發揮善於溝通、整合資源的人格特質,整合學術、政府資源及與醫院臨床合作,建立東亞第一個肺癌之蛋白基因體大數據,解析亞洲不吸菸肺癌患者的致病機制,開發新穎癌症精準醫療策略。該計畫利用深度蛋白質基因體技術和多體學數據整合分析,解析台灣不吸菸病人與西方不同的基因突變特徵、尋找內生性與外在環境致病機轉,並發現癌症早期出現的類晚期蛋白質分子特徵,為全世界第一個完整剖析東亞肺癌的研究。研究論文已發表於頂尖期刊《細胞》(Cell),並榮登當期封面,享譽國際。

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陳玉如博士曾任中研院化學所所長,也是有史以來第一位女所長;於 2019 年獲選全世界最大的國際性蛋白質體學術組織(HUPO)理事長,為該組織 20 年來最年輕,更是亞洲第一位女性理事長,為台灣爭取第 15 屆世界蛋白體組織會議及亞太蛋白體組織會議;2020 年受邀為分析化學領域排名第一國際期刊 Analytical Chemistry 的副主編至今,是台灣有史以來唯一獲此榮譽職位者。她也見證了各國代表在台灣宣示啟動癌症登月計畫之歷史時刻,協助台灣成為質譜學及蛋白質體學社群交流重鎮。

陳玉如博士的學術歷程及成就凸顯了唯有基礎數理研究的突破,方能以創新的分子視野揭露人類複雜疾病的成因與進展,開啟生醫學界及產業發展新穎癌症檢測的新策略。

  • 不設限、敢冒險,學習與溝通打通一關又一關

年少時喜愛作家三毛的陳玉如博士,從國中開始即養成寫日記的習慣,大學時期曾一度憧憬寫作的美好世界,成為科學家後,「寫作基因」帶給陳玉如博士敢於想像與冒險的念頭,讓她從設計質譜儀到分析 DNA,進而再挑戰以質譜儀開發更好的蛋白質體分析法,從摯愛的化學與跨領域到應用面、執行癌症醫學相關研究。

陳博士笑著說:「科學研究也是一種寫作,陳述一個完整的故事,讓人願意讀下去。」

除了如寫作敘事般建構規劃與想像,陳博士在研究上也發揮她善於溝通的特質,陳玉如博士表示,癌症研究是整合型的分析,需要蛋白體和基因分析技術、資訊分析、臨床醫學等各領域的專家跨領域合作,但要整合這麼多領域的領袖談何容易?陳玉如努力學習基因,並理解臨床醫師想問的問題及研究基因體學的科學家在做什麼,然後一起把基因和蛋白質的數據、以及臨床症狀整合、連貫起來,並不斷與不同領域的專家溝通,讓彼此互相了解,才打通一關又一關,取得研究成果。在學生眼中,積極熱情、樂於學習且執行力高的陳博士,是他們的精神領導,也是像媽媽和朋友的溫暖存在,永遠抱持正向開放的態度,鼓勵並協助他們堅持直至成功。

「新秀獎」得主 中央研究院天文及天文物理研究所林俐暉研究員

  • 用光學及電波望遠鏡觀測宇宙奧秘,她是入選台灣女科學家新秀獎的首位天文學者

林俐暉博士於中央研究院天文及天文物理研究所擔任研究員,研究著重在大尺度環境對於星系演化的影響,包括星系之間的交互作用以及星系團中星系的性質。利用多波段的天文觀測,有系統地探討星系與星系碰撞的頻率、星系交互作用期間對於恆星形成之效應,以及星系碰撞與大尺度環境的相關性。

而近年來,林俐暉博士結合地面最大電波望遠鏡 ALMA 以及光學史隆巡天計畫第四代的「艋舺」(MaNGA)觀測計畫,領導近三十位國際天文學家,進行 ALMaQUEST(ALMA-MaNGA QUEnching and STar formation)的國際合作計畫。林俐暉博士是第一位入選台灣女科學家新秀獎的天文學者。

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  • 「當你覺得別人都很厲害的時候更應該欣喜,表示自己還有進步的空間,這個世界可以更好!」正向態度讓她隨心選擇不設限

受雙親為物理學者的家庭環境薰陶,林俐暉博士雖自小接觸物理領域,但林博士的志向卻未因此設限。學生時期的她,除了是數理資優生,也喜歡古典文學,兼具理性與感性的她,一路從探索物理科學、宇宙星系到中國文學,累積了廣泛的興趣,豐富她的人生,也讓她對下一代的教育,延續原生家庭保持自由且開放的態度。此外,林博士分享印象很深刻的一句話:「當你覺得別人都很厲害的時候更應該欣喜,表示自己還有進步的空間,這個世界可以更好。」對林博士來說,有學習典範是科研路上一件很棒的事情。

近年來,林俐暉博士擔任台灣物理學會女性委員會的成員之一,為培育下一代女性科學家盡一份心力。她鼓勵有志從事科學的女性學子,除了培養足夠的熱情和興趣,更重要的是,永遠保持正向的態度。她特別感謝同事的支持,讓她投入家庭的同時,仍然可以從事研究工作。

林博士談到,期望將台灣萊雅致力推動多元共融、堅信多元化與包容性的企業精神也帶入學術界,有朝一日讓所有的女性研究員,都能無後顧之憂地投入科研工作。

「新秀獎」得主 臺灣大學電機工程學系電子工程學研究所胡璧合副教授

  • 讓人類的世界更加安全便利,她獲台積電張忠謀親自頒獎

「你在英雄電影裡看見的未來高科技,就是我們想做的事情!」胡璧合博士的研究領域為前瞻奈米電子元件及記憶體電路設計,透過元件及電路的共同最佳化,使下世代電子元件及記憶體電路表現高密度、低功耗及高能效等特性。

談到最難忘的學術成就,胡博士於交通大學智慧型記憶體及晶片系統實驗室擔任助理研究員期間,擔任國科會計畫主持人,研究鍺通道鰭式場效電晶體靜態隨機存取記憶體之讀取寫入輔助電路設計,於 2014 年獲得台灣半導體產業協會頒發博士後研究員半導體獎,並由台積電董事長張忠謀博士頒發,該獎項給予胡博士在學術研究旅程中莫大的鼓勵。

半導體產業是台灣的支柱與優勢產業,為國家經濟與安全的基石。胡博士於頂尖國際會議及重要國際期刊的發表,展現其團隊豐沛的研究能量,研究成果具學理創新及前瞻性。在產業發展部份,胡博士持續與台灣半導體科技公司執行產學合作計畫,透過加強學界與業界的接軌,在電子元件及記憶體領域持續研發創新,共同培育未來半導體產業高階人才。

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  • 她是科學家,也可以是三寶媽!

胡璧合博士出生於台灣彰化,父母皆從事傳統產業。她感謝母親與婆婆的大力支持,讓她可以在孩子幼年時當假日母親,平日則全心投入研究工作。胡博士分享:「我們一直在做調整,在孩子2歲後接回身邊,由先生負責孩子上學,再由我接送放學,在實驗室,把兩張椅子併在一起,小孩也可以睡午覺。」這是身為女科學家,努力在工作與家庭之間取得平衡的生活面貌。

累積在中央大學與台灣大學任教的經驗,胡博士發現,碩士畢業後,許多學生會選擇投入產業端工作,繼續攻讀博士的人則越來越少。即使支持學生未來發展的選擇,但多數碩士人才都投入業界的情況也形成隱憂:「台灣的半導體產業有良好的發展環境,但需要有人不斷做研究找出方向,才能往前帶動整個市場持續蓬勃發展。」

另一方面,胡博士觀察到女性在成績和研究表現上都非常好,鼓勵女學生應保持自信和平靜的心態,關注自身的狀態和成長。同時也鼓勵女性加入實驗室,相信女性細心的特質,可以帶動實驗室的工作氛圍越來越好。

孟粹珠獎學金:中央大學物理研究所博士班謝妮恩同學

  • 研究一氧化碳冰晶光脫附作用,她為天文學界提供嶄新視角

謝妮恩同學於大學三年級即進行星際冰晶在真空紫外光與 X 射線照射下的光脫附作用與光化學反應之專題研究,並在天文學相關議題研究上的表現卓越,於 2019 年獲得科技部博士生千里馬計畫與台西計畫的補助,前往西班牙馬德里皇家天文生物研究中心進行訪問研究。

期間,她師承 Dr. Muñoz Caro 進行二氧化碳紅外光譜之詳細探討,提供完整光譜數據庫與星際冰晶生成溫度歷史之參考,對於天文觀測中的分子結構標定是不可或缺的。2022 年,以第一作者身分發表論文,建立一個描述生長溫度對於一氧化碳冰晶光脫附作用影響的模型。此模型指出分子的真空紫外光吸收截面、能量傳遞深度、單層冰晶的光脫附貢獻量與有效表面積等參數須同時考慮,方能提供冰晶分子光脫附一個嶄新的視角。

謝妮恩博士展現優秀的團隊管理能力,協助指導多名碩士生和專題生,帶領團隊解決研究上的難題,並逐一完成論文。謝博士參與研討會的經驗豐富,除了台灣物理年會之外,也在國際研討會上多次獲選為口頭報告講者,曾於 2020 年第五屆亞洲分子光譜年會榮獲 LiHong Xu Award 之殊榮。優異的研究成果榮獲 2019 年吳健雄獎學金及 2021 年中技社科技獎學金(研究組),在學生眾多的理工領域獲得這份殊榮實屬不易,更是對於謝博士的一大肯定與鼓勵。

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關於台灣傑出女科學家獎

16 年來,本獎項共表揚傑出獎及新秀獎共計 49 位優秀台灣女性科學家,包括 2 位前、現任中研院副院長、多位中研院院士及大專院校教授及研究中心研究員等。

根據教育部的數據顯示,女性投考科學類組的比例持續成長,從 2007 年到 2021 年,大專院校科技類女學生占比上升了 5.5%。然而在男女受教權均等的台灣,女性投入科研領域成為科學家的比例,與全球女性科學家占比同樣只有不到三分之一,性別比例尚有很大的差距,因而仍需要持續推動鼓勵女性參與科學,盼透過「台灣傑出女科學家獎」鼓舞更多有志科學的女性投入科研,促進科學界多元發展,加速台灣科技精進。

了解更多台灣傑出女科學家獎

2023 年第十六屆台灣傑出女科學家獎得主簡介


[1] 依據遴選辦法規定,按公元單雙數年,交替輪選物質科學、數學、與資訊科學領域(公元單數年)或生命科學(公元雙數年)領域的傑出研究者。今年為公元單數年,本屆各類獎項得主皆從「物質科學、數學、與資訊科學」領域的女科學家中選出。

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解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

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相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

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紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

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藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

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根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

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各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

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想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

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