天氣預報再創新準度？福衛七號再造太空精準溫度計

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

衛星的製造和發射成本相當高，普及程度也有限，那麼，你認為「人人都能使用衛星通信」是遙遠的未來，還是即將實現的夢想呢？

如果你近年來有密切關注這個領域，你可能會發現，過去天上的衛星並不多，但最近幾年似乎有了顯著增加。根據 Statista 的數據，2010 年時活躍衛星還不到 1000 顆，2018 年突破了 2000 顆，而到了 2022 年，這個數字已經逼近 7000 顆。

那麼，為什麼我們需要這麼多衛星呢？

科技的進步當然是主要因素之一，但更重要的是「衛星種類的多樣化」。根據運行高度，衛星可以分為四種類型：高橢圓軌道衛星、同步衛星、中軌道衛星與低軌道衛星。這些不同種類的衛星各有其特定的用途和優勢，使得衛星通信變得更為普及和高效。

摩斯當年靠電報解決了地球上的通信問題，但在宇宙尺度上，我們還有很多需要努力的地方。

隨著衛星技術的發展，衛星通信正逐步走進我們的日常生活，並成為可期待的商業服務。然而，我們還面臨許多挑戰，例如低軌衛星可能影響天文觀測，衛星相撞風險增加，以及太空垃圾的問題。但也許在不久的將來，我們每個人都能輕鬆使用衛星通信。讓我們一起展望這個充滿潛力的未來吧！

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人類上太空的夢想會被我們親自摧毀嗎？

隨著火箭成本降低，人人都能把衛星丟上太空，現在，當你晚上抬頭看天空，你看到的星星可能不是星星，而是人造衛星。你看到一閃而過的的流星，可能只是墜入大氣的太空垃圾。

這些多到不行的太空垃圾已經成為隱憂，更可怕的是，這些以超音速飛行的太空垃圾可能摧毀其他衛星，在衛星軌道上製造更多不可預期的致命飛彈。有人擔心，人類終有一天會無法穿過這片垃圾雲，天空永遠被自己封閉。 終於，有人提出清理太空垃圾的方法了，但這些方法真的可行嗎？

現在的太空垃圾有多少？

最大的太空垃圾可能是整節火箭！

所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西，都會成為太空垃圾，最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭，例如 1960 年代太空競賽時大量發射的火箭，有許多至今還在宇宙遊蕩，每一個都像公車一樣大。而小東西，則包含太空人在太空漫步時遺忘的東西，或是太空垃圾互相碰撞後產生的碎片，最小可能只有數毫米，小的像隻蚊子。但不論太空垃圾來自哪裡，只要缺乏妥善的管理和追蹤，就可能成為其他運作中設施和儀器的致命血滴子。

為什麼說太空垃圾真的很危險？

為了不被地心引力拉入大氣，墜向地球，在軌道上繞行地球的物體大多都以非常快的速度在移動，包括現在還在運作的衛星與各種設施。舉例來說國際太空站位於距離地球表面四百公里高的近地軌道（Low Earth Orbit），以大約每秒 7 ~ 8 公里的速度高速移動，是地表音速的 20 倍。也就是說，太空上的車禍可嚴重多了，來自不同方向或不同傾角的物體，可能會以超過每秒 10 公里的相對速度發生碰撞。別說公車大小的太空垃圾了，只要直徑超過 1 公分的碎片就足以對太陽能板或玻璃造成損害。更麻煩的是，大小在 10 公分以下的物體，大多還因為尺寸過小難以追蹤。

那麼，我們的頭上有多少太空垃圾呢？

根據歐洲太空總署 ESA 的資料，目前軌道上有 6800 個運作中的衛星，相對的有超過 3 萬 2千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體，大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個，介於 1 公分到 10 公分的則高達一百萬個。

在這些太空垃圾中，大多數大型太空垃圾就是來自發射衛星後，一起留在太空的第二節推進火箭，小型太空垃圾則來自火箭爆炸或各種大大小小碰撞所產生的碎片。

太空上曾發生過嚴重的太空垃圾碰撞事件？

歷史上比較嚴重的一次撞擊事件發生在 2009 年，銥衛星公司運作中的通訊衛星，重量 700 公斤的 iridium 33，和失效、重 900 公斤的蘇聯軍用衛星 kosmos 2251，在 789 公里的高空，兩台衛星以每秒 11.7 公里的相對速度直接撞上，化成了兩團在軌道上繞行的碎片團。

NASA 估計，這單一次的碰撞產生了超過 2000 片可追蹤的碎片，雖然許多碎片受地球引力慢慢墜入大氣燒毀，但直到到 2023 年 2 月的統計，大約還有一半，也就是 1000 片碎片留在軌道上。過往也曾經觀察到碎片從距離國際太空站僅 100 多公尺的位置驚險掠過。

如何解決太空垃圾的問題？

太空垃圾又多又危險，真的有辦法清除嗎？

2023 年三月，NASA 發表一篇研究，整理了關於各種清理太空垃圾的方法與成本，包含從地面或太空發射雷射推動垃圾改變軌道，或是直接物理性撞擊改變軌道，還有透過捕捉垃圾，直接在太空將垃圾循環利用，作為燃料或其他用途的再利用等方法。

清理不同大小的物體，要用的方法跟產生的效益也不同，因此他們評估了針對兩種策略。第一種策略將會優先處理目前最大、最具威脅性的 50 個太空垃圾，例如完整的第二節火箭或是失去功能的完整衛星。第二種策略則是優先移除 1 到 10 公分的十萬個小型垃圾。NASA 分別評估處理這兩種目標帶來的效益，恩，所謂的效益，就是預估能減少多少因為太空垃圾碰撞而產生的損失。

要如何移除太空垃圾呢？

移除大型垃圾主要的方法主要是再入大氣層（re-entry），簡單來說就是讓垃圾落入大氣層燒毀。這個方法預計讓運送任務完成的火箭載具，透過剩餘的推進燃料，順手將其他大型垃圾帶下來。移除這 50 個大型垃圾預計總共會花費 10 億美金，但在移除 30 年後所帶來的效益，將會超過花費的成本，非常划算。

至於小型太空垃圾，主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道，將它們送入大氣層或推離常用的軌道。發射雷射的裝置可以設置在地面或是太空中，單純以使用效率來說，設置在太空所需要的能量較低，但是設置在地面維護和管理比較方便。然而這也衍伸了許多爭議，主要圍繞在這個清除垃圾的雷射也可以作為武器使用，例如在戰爭爆發時用雷射攻擊敵國的衛星。不過如果順利設置的話，清除十萬個小型垃圾後大約只要十年就可以達到等同於成本的效益，比移除大型垃圾能更快回收成本。

方法有了，但我們真的能讓太空再次乾淨嗎？

太空垃圾問題有解嗎？

現在的太空有多擁擠？

如果把歷史發射資料整理出來，會發現近五年人類的衛星發射數量幾乎是直線攀升，2012 年一整年全世界也只發射了 200 多顆衛星，到了 2022 年已經成長到一年 2000 多顆衛星。而且絕大部分都是來自於美國的衛星，想當然很大一部份都來自於 SpaceX 的星鏈計畫。而受益於獵鷹九號的高成功率和可回收造就的低廉成本，也能夠發射更多的中小型衛星，像是我們臺灣也發射了不少自主研發的立方衛星上太空，例如 2021 的「飛鼠」和「玉山」以及最近才剛發射的珍珠號立方衛星。

如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾，我們清理垃圾的速度又不夠快，還有可能發生凱斯勒現象（Kessler syndrome），也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應，造成更多撞擊和更多碎片，讓不可控的太空垃圾快速增加，直到新的火箭與衛星都難以穿越，我們將無法前往太空，被自己的創造出的人造物封鎖在地球。

治標也要治本，我們對於即將發射進太空的人造物能有套管理辦法嗎？

1967 年在聯合國通過並簽署的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》，簡稱為《外太空條約》。這個條約制定了各國在外太空活動所應該遵守的原則，其中和人造衛星有關的原則主要有三個：

1. 國家責任原則：各國應對其航太活動承擔國際責任，不管這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的
2. 對空間物體的管轄權和控制權原則：射入外空的空間物體登記國對其在外空的物體仍保持管轄權和控制權
3. 外空物體登記原則：凡進行航太活動的國家同意在最大可能和實際可行的範圍內將活動的狀況、地點及結果通知聯合國秘書長

也就是說，雖然各國需要將太空活動回報給聯合國統計，但實際上在制定規範和進行管制的還是各國本身。以美國來說，分別需要和 FAA 聯邦航空總署申報火箭發射和再入大氣層的計畫，以及向 FCC 聯邦通訊委員會申報衛星的通訊規格，至於要如何避免在太空發生碰撞，是發射單位要自己負起責任，公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。

不過對於衛星任務結束後的處置，FCC 倒是有相關的規定和罰鍰。因為如果衛星有動力系統，可以在任務結束時就控制墜入大氣層或飛離常用軌道，進到所謂的死亡軌道（Graveyard Orbit），而通常在申請發射衛星時，也需一併提供任務結束後的處置方式。

去年，衛星電視業者 Dish Network 沒有按照它在 2012 年所制定的衛星處置計畫，將衛星從離地 36000 公里的地球同步軌道再往外推 300 公里。這顆衛星在移動的半途中就燃料耗盡失去了動力，只離開原本的軌道 120 公里，FCC 因此對衛星電視業者開罰了 15 萬美元。這起首次針對太空垃圾的開罰，對於太空垃圾的管制具有重大的意義，代表著對太空垃圾危害性的重視，也代表著清理太空垃圾的商機正在逐漸成長。

清除太空垃圾能有商業價值？

隨著商業化的太空活動逐漸熱絡，如何讓清理太空垃圾不只是空談也成了一個重要的問題。如果軌道上的垃圾減少，受益的會是所有使用軌道的衛星。就與現存的回收與垃圾處理方式一樣，我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」，如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾，則必須提高費率。相對的，如果一家公司提供清理太空垃圾的服務，則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。

另外，雖然目前對於在軌道上進行捕捉再回收的直接經濟效益並不突出，但如果未來在太空可以建立起專門的處理設施，或許可以作為一個長期的太空垃圾處理機制，沒想到吧，人類要成為跨行星文明的第一步，竟然是得先成立太空垃圾清潔隊。

不過話說回來，要讓各國政府願意砸大錢在太空垃圾回收產業可能還需要一點時間。畢竟相較於直接影響到生活的全球暖化，太空垃圾的危害並不那麼可怕，大型垃圾的撞擊也可以預測並提前避開，因此短時間內也還不會有明顯的感受，但如果你是需要觀測的天文學家，可能就覺得垃圾好礙眼了。

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• 作者／陳哲佑
  • 任職於日本理化學研究所，專長為黑洞物理、宇宙學、重力理論等。
  • 熱愛旅行、排球與珍珠奶茶

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  • 今（2023）年 6 月，北美奈赫茲重力波天文臺（NANOGrav）團隊觀察到宇宙中的低頻重力波。
  • NANOGrav 團隊利用數個脈衝星組成「脈衝星陣列」（PTA），測量各脈衝星訊號到達的時間，計算不同訊號的到達時間是否存在著相關性。
  • PTA 得到的重力波訊號相當持續，沒有明確的波源。科學家推測此訊號可能來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。

2015 年 9 月，位於美國的雷射干涉儀重力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）成功偵測來自雙黑洞碰撞的重力波訊號（請見延伸閱讀 1）。

這個發現不僅再次驗證愛因斯坦（Albert Einstein）「廣義相對論」的成功，更引領人類進入嶄新的重力波天文學時代。到了現在，我們不僅能使用各種電磁波波段進行觀測，還多了重力波這個強而有力的工具能夠窺探我們身處的宇宙，甚至還有同時結合兩者的多信使天文學（multi-messenger astronomy）^註1，皆能帶給人類許多單純電磁波波段觀測無法觸及的資訊（請見延伸閱讀 2）。

如同不同波段的電磁波觀測結果為我們捎來不同的訊息，重力波也有不同的頻譜，且頻譜與產生重力波的波源性質有非常密切的關係。以雙黑洞碰撞為例，系統中黑洞的質量與碰撞過程中發出的重力波頻率大致上成反比，因此當系統中黑洞的質量愈大，它產生的重力波頻率就愈低。

目前地球上的三個重力波天文臺：LIGO、處女座重力波團隊（The Virgo Collaboration, Virgo），以及神岡重力波探測器（Kamioka Gravitational wave detector, KAGRA, or Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope, LCGT）都受限於干涉儀的長度，只對頻率範圍 10～1000 赫茲（Hz）的重力波有足夠的靈敏度，此範圍的重力波對應到的波源即是一般恆星質量大小的雙黑洞系統。

然而，來自超大質量黑洞互繞所發出的重力波頻率幾乎是奈赫茲（Nano Hertz，即 10^-9 Hz）級別，如果想要探測到此重力波，就需要一個「星系」規模的重力波探測器。雖然這聽起來彷彿天方夜譚，但就在今年 6 月，北美奈赫茲重力波天文臺（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav）的團隊利用「脈衝星計時陣列」（pulsar timing array, PTA）成功地觀測到這些低頻重力波存在的證據。

以不同方式觀察不同頻率的重力波

NANOGrav 如何觀測低頻重力波？

讀者聽過脈衝星（pulsar）嗎？它是一種高速旋轉且高度磁化的中子星（neutron star）^註2，會從磁極放出電磁波。隨著脈衝星的旋轉，它的電磁波會以非常規律的時間間隔掃過地球，因而被身處於地球上的我們偵測到，就像是海邊的燈塔所發出的光，會規律地掃過地平面一般。由於脈衝星的旋轉模式相當穩定，掃過地球的脈衝就如同宇宙中天然的時鐘，因此在天文學上有相當多的應用——甚至可以用來觀測重力波。

利用脈衝星觀測重力波的第一步，首先要記錄各個脈衝星的電磁脈衝到達地球的時間（time of arrival），並且將這些訊號與脈衝星電磁脈衝的理論模型做比對。

如果訊號和理論模型相符，那麼兩者相減後所得到的訊號差（residual）只會剩下一堆雜訊；相反的，如果宇宙中存在著重力波，並且扭曲了該脈衝星和地球之間的時空，那麼兩訊號相減之後就不會只有雜訊，而會出現時空擾動的蹤跡。

然而以觀測的角度來看，即便我們從來自單一脈衝星的訊號中發現訊號差出現偏離雜訊的跡象，也不能直接推論這些跡象一定是來自重力波。畢竟科學家對脈衝星的內部機制和脈衝傳遞的過程也並未完全了解，這些未知的機制都可能會使單一脈衝星的訊號差偏離雜訊。

因此為了要判斷重力波是否存在，就必須進行更進一步的觀測：利用數個脈衝星組成脈衝星陣列，測量每個脈衝星訊號到達的時間，並且計算這些不同脈衝星訊號的到達時間是否存在某種相關性。

舉例來說，如果脈衝星和地球之間沒有重力波造成的時空擾動，那麼即便每顆脈衝星的訊號差都出現偏離雜訊的跡象，彼此之間的訊號也會完全獨立且不相干；反之，如果脈衝星和地球之間有重力波經過，這些重力波便會扭曲時空，不僅會改變這些脈衝訊號的到達時間，且不同脈衝星訊號到達的時間變化也會具有某種特定的相關性。

根據廣義相對論的計算，一旦有重力波經過，不同脈衝星訊號之間的相關性與脈衝星在天球上的夾角會滿足一條特定的曲線，稱為 HD 曲線（Hellings-Downs curve）。

科學家以兩顆脈衝星為一組觀測單位，藉由觀測多組脈衝星的訊號、計算它們之間的相關性，再比較這些數據是否符合 HD 曲線，就能夠進一步推斷低頻重力波是否存在。值得一提的是，由於重力波訊號非常微弱，用來作為陣列的脈衝星必須有非常穩定的計時條件，因此一般會選擇自轉週期在毫秒（ms）級別的毫秒脈衝星作為觀測對象。

NANOGrav 在今年 6 月發布的觀測結果就是利用位於波多黎各的阿雷西博天文台（Arecibo Observatory，已於 2020 年因結構老舊而退役）、美國的綠堤望遠鏡（Robert C. Byrd Green Bank Telescope）和甚大天線陣（Very Large Array, VLA）觀測 68 顆毫秒脈衝星。

他們分析了長達 15 年的觀測數據後，發現這些脈衝星訊號的相關性與 HD 曲線相當吻合，證實了低頻重力波確實存在於我們的宇宙中。

除了 NANOGrav，其他團隊例如歐洲的脈衝星計時陣列（European Pulsar Timing Array, EPTA）、澳洲的帕克斯脈衝星計時陣列（Parkes Pulsar Timing Array, PPTA）、印度的脈衝星定時陣列（Indian Pulsar Timing Array, InPTA），以及中國的脈衝星計時陣列（Chinese Pulsar Timing Array, CPTA）等，皆得到相符的結果。

NANOGrav 觀測結果帶來的意義

與先前 LIGO 觀測到的瞬時重力波訊號不同，目前利用 PTA 得到的重力波訊號是相當持續的，而且並沒有較明確的單一波源，反而像是由來自四面八方數個波源組成的隨機背景訊號。

打個比方，LIGO 收到的重力波訊號像是我們站在海邊，迎面而來一波一波分明的海浪，每一波海浪分別對應到不同黑洞碰撞事件所發出的重力波；而 PTA 的訊號則是位於大海正中央，感受到隨機且不規則的海面起伏。

目前對這些奈赫茲級別的重力波訊號最合理也最自然的解釋，是來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。若真是如此，那這項發現將對天文學產生重大的意義。

過去科學界對於如此巨大的雙黑洞系統能否在可觀測宇宙（observable universe）的時間內互繞仍普遍存疑，如果PTA觀測到的重力波真的來自超大質量雙黑洞互繞，那代表這類系統不僅存在，它們的出現還比過去我們預期的更為頻繁，且產生的訊號也更強。

NANOGrav 的觀測結果

不過除了雙黑洞系統，也有其他「相對新奇」的物理機制也可能產生這樣的重力波背景，包含早期宇宙的相變、暗物質，以及其他非標準模型的物理等。若要從觀測的角度去區分這些成因，最重要的關鍵在於，能否從隨機背景中找到特定的波源方向。

如果是雙黑洞系統造成的重力波，勢必會有來自某些方向的訊號比較強；反之，如果是早期宇宙產生的重力波，那麼這些重力波將會隨著宇宙的膨脹瀰漫在整個宇宙中，因此它們勢必是相當均向的。

為了找到波源方向，提升訊號的靈敏度成為了當務之急。而若要提升 PTA 的靈敏度，最主要的方式有兩種——其一是將更多的脈衝星加入陣列；其二則是延長觀測的時間。

目前，不同的 PTA 團隊已經組成國際脈衝星計時陣列（International PTA）互相分享彼此的脈衝星觀測資料。隨著觀測技術的進步，解密這些奈赫茲級別的神祕重力波將指日可待。

註解

1. 相較於過往只能以可見光觀測宇宙，多信使天文學能利用多種探測訊號，如電磁波、微中子、重力波、宇宙射線等工具探索宇宙現象，獲得更多不同資訊及宇宙更細微的面貌。
2. 質量較重的恆星在演化到末期、發生超新星爆炸（supernova）後，就有可能成為中子星。

延伸閱讀

1. 林俊鈺（2016）。發現重力波！，科學月刊，556，248–249。
2. 金升光（2017）。重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場，科學月刊，576，892–893。
3. NANOgrav. (Jun 28 2023). Scientists use Exotic Stars to Tune into Hum from Cosmic Symphony. NANOgrav.

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
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