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天氣預報再創新準度?福衛七號再造太空精準溫度計

科學月刊_96
・2019/08/13 ・2736字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

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文/林俊良│國家太空中心主任與成大航太所博士。曾任助研員、講座教授、系主任、產學營運中心主任及副校長。
方振洲/國家太空中心福爾摩沙七號星系計畫系工經理、系統工程組研究員及國立交通大學光電工程研究所博士。

過去,國家太空中心發射的福爾摩沙衛星三號,曾在 2009 年莫拉克風災前預測其超高降雨量,也準確預測 2012 年侵襲美國的珊迪颶風 (Hurricane Sandy) 的路徑,並協助美國政府進行緊急疏散。

如今,福衛三號計畫的資料已免費公開給超過88個國家近4000個單位使用。而福爾摩沙衛星七號,也於今 (2019) 年成功發射,將擴大改善全球的劇烈天氣預測準確度,成為福衛三號後「2.0 版」的太空溫度計。

發射升空!—臺灣太空新里程

上 (6) 月 25 日,於臺灣時間下午 2 點 30 分,搭載 6 枚褔衛七號的美國 SpaceX 獵鷹重型火箭 (Falcon Heavy) ,偕同此次美國空軍的其他 18 枚衛星,順利於美國甘迺迪太空中心 (Kennedy Space Center, KSC) 發射升空。

發射後 91 分鐘,國家太空中心獲得由獵鷹重型火箭所傳回衛星與火箭分離時刻的狀態向量,隨即進行軌道計算,為後續地面站追蹤衛星的依據,同時將結果傳至位於澳洲的達爾文 (Darwin) 海外站及其他地面站,接收衛星資料。

發射後 165 分鐘,中心先與其中 2 枚成功通聯,後續再與其中的 3 枚完成通聯。最後,於當天臺灣時間下午 8 點 48 分於臺南的歸仁衛星信號接收站聯繫上最後 1 枚。

至此,6 枚衛星全部與地面完成通聯,並停留在離地表約 720 公里的同一個暫駐軌道上,確定第一階段任務成功。

福爾摩沙衛星七號模型。圖/維基百科

褔衛七號計畫是怎麼誕生的呢?

褔衛七號計畫為臺美大型科技合作計畫,雙方於 2010 年完成合作協議簽署,執行單位為臺灣國家實驗研究院國家太空中心 (National Space Organization, NSPO) 與美國商業部國家海洋暨大氣總署 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 。

褔衛七號的任務目標,是由高度 520~550 公里、24 度傾角的軌道上部署的 6 枚衛星組成的星系,建立高可靠度的氣象衛星系統,每日提供南北緯 50 度間約 4000 筆的掩星資料,大幅幫助天氣預報、劇烈天氣預報準確度及電離層太空天氣監測。

福衛七號所肩負的使命

福衛七號的 6 枚衛星,每枚皆裝載全球衛星導航系統無線電訊號接收器 (TriG GNSS Radio occultation System, TGRS) 的主酬載,該儀器可接收全球定位系統 (GPS) 和全球導航衛星系統 (GLONASS) 的無線電掩星 (radio occultation) 信號。

透過掩星訊號接收天線接收訊號,再利用阿貝爾轉換公式 (Abel transformation) 算出折射率,因大氣壓力及溫度與折射率有關,故由該折射率可進一步轉化成氣象預報使用的大氣觀測數值。

一般而言,天氣預報所涵蓋的大氣範圍為對流層,當折射角度越大,代表氣體密度越高,而氣體密度與溫度、溼度和壓力亦有關,後續資料經地面處理和校正後,可推算大氣層及電離層垂直分布結構的詳細資訊。

由於此次任務是 24 度傾角的圓形軌道,收集的資料集中於南北緯 50 度範圍內,有助於臺灣在內的低緯度地區氣象資料預測準確度。

福衛七號有助於臺灣在內的低緯度地區氣象資料預測準確度。圖/Gunter’s Space Page

另外,福衛七號也攜帶 2 個科學酬載儀器,分別是離子速度儀 (ion velocity meter, IVM) 及無線電射頻信標儀 (radio frequency beacon, RFB),前者可量測電離層的離子密度、速度、溫度與行進角度,評估太空天氣對太空船和通信的影響;後者則可透過地面站接收該射頻信標儀的閃爍訊號,進而獲得區域性電離層異常區的分布。

看看我的發射載具,已經變得這麼厲害了

福衛七號外型為長方體,於單側裝載太陽能板,燃料加注後總重約為 300 公斤,衛星採用鋰離子電池,通訊頻段為 S 頻段,衛星本體裝置 GPS 接收儀以進行導航,設計壽命是 5 年。

而伴隨福衛七號搭載的衛星分屬 15 個計畫,總共 24 枚衛星。全部衛星總重 3.7 公噸,其中福衛七號總重 1.8 公噸,為主要的任務衛星。

發射載具方面, SpaceX 公司所研發製造的獵鷹重型運載火箭,由1枚強化後的獵鷹 9 號為主推進核心,外加 2 枚側掛的側推力器。

除了第一節火箭外皆可回收重複使用,本次發射採用的獵鷹重型運載火箭側推力器,為前次任務所回收的通信衛星再重新填注燃料組合而成。另外,這次採用回收側推力器及夜間發射皆是史無前例的壯舉。

回收側推力器及夜間發射皆是史無前例的壯舉。圖/Joel Kowsky@NASA

別再說天氣預報不准啦!

為了得到均勻分布的觀測資料,各枚衛星設計在 520~550 公里高的 6 個任務軌道執行任務,該操作將在發射後所有衛星完成本體和酬載的健康檢查後陸續進行。

預計在發射後的 19 個月完成星系部署,衛星本身不做軌道轉換時仍會協同暫駐軌道上的其他衛星持續對經過的區域進行氣象觀測。

操控方面,褔衛七號計畫包含衛星發射及初期軌道操作、任務軌道部署控制、在軌任務操作及海外支援地面站指令資料傳輸等。

操控系統包括位於太空中心的衛星操控中心、國內外網路系統及美國所部署於夏威夷等 10 個海外地面站,綿密的網絡系統可在平均 30~45 分鐘內,取得大氣層垂直分布結構的最新觀測資料。包含溫度、濕度、降雨率、太陽活動程度、太陽黑子數、行星際磁場和太陽風密度、太陽風風速及預估地磁對臺灣地區擾動等。

此外,福衛七號所提供的資訊將與其他訊息提供管道進行資料同化 (data assimilation) ,透過數學模型擬合大量的觀測數據,以提供最後的氣象預報結果,未來天氣預報精準度將可提高約 10%。

也許在天氣預報精準度提高10%的未來,我們比較不會遇到被天氣預報騙得淋雨的情況了吧。圖/Genaro Servín@Pexels

福衛七號的資料應用,中央氣象局結合學界建立本地掩星資料應用系統,落實氣象數值模式的應用效益,提升劇烈天氣的預報能力、降低災害預警的不確定性。

舉例而言,將掩星資料與既有觀測資料同化後,對 2009 年莫拉克颱風的歷史資料進行模擬分析,發現颱風行進預測路徑非常接近實際颱風行進路線,顯見掩星技術具體實現後的效果。

福衛七號若成功,氣象資料多更多

目前, 6 枚福衛七號衛星已與臺灣地面站成功通聯,規劃在發射後 1 個月內完成衛星全部功能測試,接著開始衛星軌道調整,由 720 公里的暫駐高度,逐漸下降至 550 公里,每枚衛星包含酬載資料校正需時約 108 天。

此時衛星即可接收全球定位衛星的資料,分析大氣層垂直結構的溫度、氣壓、濕度及電子密度等。

隨後進行資料校正與比對驗證,預計發射後第 7 個月可提供全球氣象界使用大氣量測資料及產品;而發射後第 16 個月則可提供全球氣象界使用福衛七號的電離層量測資料及產品;第 19 個月,6 枚衛星將全部部署到高度 550 公里的任務軌道,自此可提供中低緯度均勻分布的掩星觀測資料,該衛星系任務便正式開展。


 

本文摘自《科學月刊 08 月號/2019 第 596 期:仿物種智慧》科學月刊社出版

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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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至少三次面臨停辦危機,到處募款是就為了傳播知識——台灣的第一本科普刊物《科學月刊》,五十週年紀錄片首映會
PanSci_96
・2022/11/24 ・2381字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 文/嚴融怡

最近參與了《科學月刊》五十週年紀錄片首映會,從中感受了林孝信老師、曹亮吉老師等科普前輩在開創時期的篳路藍縷,以及五十年來經營路上的不容易。

首映會現場。圖/《科學月刊》

四處奔走,實現第一本中文科普刊物

《科學月刊》是國人第一本自行發行的科普刊物,也是臺灣第一本由旅美留學生發起的中文科普刊物。1969 年,當時還是學生的林孝信老師,想要為國人發起第一本中文科普刊物,希望發展國內還未有的大眾科學。

他召集周邊認同他的同窗好友,也跑遍美國各州登門尋求願意支持的新夥伴,同時並設置特殊的循環電話來聯繫成員,就這樣串聯起眾多的留學生,第零號的科學月刊正式開始發行。

由於《科學月刊》製作非常嚴謹,又是以親切的中文來報導最新的科學知識,很快便在當時傳遍國內外許多年輕學生而廣受好評。而這些投入科月創刊的學生,有許多人後來都成為國內外重要的科學家,也持續為臺灣科普事業投入心力。

《科學月刊》第一卷第一期。 圖/wikipedia

隨後保釣運動的發生,使得《科學月刊》發行重心從美國回到臺灣,這些年又陸續歷經淡水河紅樹林濕地保護行動、衛星研發大投資的爭議、台大論文造假風波、新冠疫情等等……,《科學月刊》不僅是本科普刊物,也一直以科學的角度為社會正義和環境守護等課題去發聲,是一本真正實現科學責任的重量級刊物。

紀錄片當中,有些老師現今已垂垂老矣,有些甚至早已過世,然而他們的熱情卻依舊透過影音感動每一位觀眾。我尤其感動的是,看到劉源俊老師答應協助林孝信老師一起辦科月,隨後就是以一生時間去相挺朋友的夢想,與貫徹自己的諾言,彼此的情誼堅定而恆久。

協助林孝信老師創辦《科學月刊》的劉源俊老師。 圖/《科學月刊》

薪火相傳,承載著世代夢想

科學月刊社與其說是一間出版社,反而像是一個小小俱樂部。在過去物質與精神方面都匱乏的台灣社會,提供了科學家或是熱衷於科學的人們,可以熱情、但又嚴謹的談論科學知識的地方。

我自己一直是《科學月刊》的忠實讀者,它不僅是啟迪我知識的重要刊物,我之所以會在高中推薦甄選大學時選擇走向環境科學的領域,也是受到當時《科學月刊》341 期〈台灣的土壤污染專輯〉影響。

國高中時期,我因為參與科展而接觸水污染議題,以為水污染就是最嚴重的污染,但是《科學月刊》給予我極大的震撼——原來土壤污染更為複雜也更為持久,會影響土地甚至水源。

還記得我高二時候,我們兩位松山高中生物研究社的幹部受邀去參與當時《科學月刊》徵求高中生給予報導內容建議的活動;當下有種很特別的感受油然而生,帶著一種深深的感動。當時僅僅是高中生的我們,總編輯卻願意徵詢我們閱讀的感想。

一路走來,《科學月刊》五十年了。 圖/《科學月刊》

這也是同一時期另一本我也很喜歡的《牛頓雜誌》所沒有的情形,雖然《牛頓雜誌》印刷更為精美,甚至還有精美的小書籍贈品。但是科月諮詢高中生對於刊載科學議題的喜好方向,是一個非常令人難忘的體驗。特別是對於高中生科學興趣與自信的養成,我覺得這是一個相當好的活動。

我在高中的另外一群夥伴,特別喜歡當時 338 期的「科學與科幻」方面的專題,那次的專題曾經讓高中社團有一些小寫手開始夢想有朝一日自己也能成為厲害的科幻作家。

直到現在,我仍把 1998 年 338 期與 341 期這兩期影響我們當時學生生涯很重要的兩本《科學月刊》珍藏在書櫃當中。

高中時期收藏的《科學月刊》。圖/嚴融怡

科普薪傳之光,照亮莘莘學子

《科學月刊》從創刊以來,便一直透過不同的方法設法普及科學。

在網路發達的現代,知識與訊息的取得非常容易,然而還有一群年輕學子,住在城鄉的交界處,因其地緣關係,既無法有城市充沛的資源,卻又被當作城市;因為坐落在城市邊緣,而沒有足夠的社會關懷與保障。他們成為教育體制下被遺落的一群,即便近期政府立定專案,將像這樣非山非市的學校列入補助對象,依然無法解決資源缺乏的問題。

為此,科月團隊準備啟動非山非市「星火相傳」計畫。

透過四個階段協助這些區域的學生獲得更好的科普學習:

  1. 贈與學校兩年份的《科學月刊》,提供多元的科學閱讀教材。
  2. 串聯學校或科研社團,舉辦不定期的科普講座與體驗活動。
  3. 與學校合作,讓學生以在地知識出發,進行科普寫作課程。
  4. 結合當地鄉鎮,辦理地方性小型科學活動。

這些嘗試不僅是想幫助當地的學生,減少他們所面對的資源困境,更希望能讓科學從課本上走出來,融入大眾生活的知識中。期望《科學月刊》能持續散播科學知識的種子,在新世代當中發芽茁壯。

夾在偏鄉與城市之間,非山非市的學校很容易成為教育體制下被冷落的角落。圖/《科學月刊》

與我們一起支持《科學月刊》【非山非市「星火相傳」計畫】讓探索生活科學之趣,不再受到地域的限制

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睽違三年,重磅回歸:獵鷹重型的現在與未來
EASY天文地科小站_96
・2022/11/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/林彥興(EASY天文地科團隊總編輯,現就讀清大天文所)

台灣時間 2022 年 11 月 2 日晚上九點四十一分,SpaceX 的「獵鷹重型 Falcon Heavy (FH)」火箭從濃霧繚繞的甘迺迪太空中心 LC-39A 發射台轟然升空。睽違三年,世人終於再次體會到世界最強火箭飛向天際,以及雙助推器同時著陸的震撼。

USSF-44 任務中獵鷹重型火箭的升空與著陸。圖/SpaceX

從獵鷹九號到獵鷹重型

相信有在關注太空時事的讀者們,對 SpaceX 的獵鷹九號火箭都不陌生。

獵鷹九號火箭。圖/SpaceX

獵鷹九號是 SpaceX 目前當仁不讓的發射主力,從低軌小衛星共乘高軌頂配同步衛星乃至星際探測器都能一手包辦,而且還擁有能夠「重複使用第一節」這舉世唯一的絕技,在大幅降低成本的同時,也讓 SpaceX 能夠以超過一週一發的超高頻率發射火箭。從 2022 年初至週二當天,獵鷹九號已經發射 49 次,佔世界總發射次數的約 35%;論發射酬載總質量,世界所有其他火箭加起來還不到獵鷹九號的一半。[1][2]

但獵鷹九號雖然優秀,面對少數特別重的酬載(也就是衛星、太空船等火箭攜帶的物體),或是要把酬載送到特別高能量的軌道時,仍然力有未逮。怎麼辦呢?基本概念很簡單:在獵鷹九號第一節兩側,再綁兩根第一節火箭,給火箭更多的燃料、更強的推力,就能把更重的酬載,送到更高更遠的地方,這就是「獵鷹重型 Falcon Heavy, FH」火箭。習慣上,人們將中間那根第一節稱為芯級(Core Stage),兩側的則稱為助推器(Side Booster)。根據任務需求,芯級和助推器可選擇不同的回收模式(陸上回收、海上回收、不回收)。在完全不回收的模式下,獵鷹重型擁有超過 60 公噸的最高理論運載力(LEO),比位列第二的三角洲四號重型火箭多了一倍不只。

發射台上的獵鷹重型火箭,可以清楚的看到並排的芯級與助推器。圖/SpaceX

風光亮相後?

獵鷹重型在 2018 年進行了一場轟轟烈烈的首飛。由於未經驗證的新火箭,一般不會有客戶願意買單承擔風險,因此火箭製造商通常會自費發射一些不太重要的東西,常稱為「假酬載 Dummy Payload」,向客戶展示火箭確實可以把你的衛星送入軌道。這個不太重要的假酬載,也給了工程師們搞怪的機會。

假酬載該選什麼好呢?
大老闆 Elon Musk:「啊,那就把我的 Tesla 跑車打上去吧。」

Falcon Heavy 首飛官方剪輯

首飛隔年(2019)四月和六月,獵鷹重型分別進行了兩次任務(福衛七號就是其中之一噢)。但在這之後,獵鷹重型彷彿就進入了休假期,長達三年都沒有發射任務。為甚麼會這樣呢?這背後的原因有非常多面相可以討論,比如獵鷹九號就已經足以應付現在市場上絕大部分的發射需求、獵鷹重型發射的酬載開發與製造進度延宕等等。篇幅有限,在此就不展開細說。但總之,對太空迷們來說,這三年真的是格外漫長。獵鷹重型還是獵鷹重型,但 2022 的世界已經跟 2019 大不相同了。

獵鷹九號(與其子型號)與獵鷹重型發射次數統計,可以看到比起馬不停蹄的獵鷹九號,獵鷹重型的發射是多麼稀少。來源:維基百科,2022.11.04 數據。

機密任務 USSF-44

回到正題,本次 USSF-44 任務的目標,是為美國太空軍發射機密軍事衛星,前往地球同步軌道。

發射直播回顧。

在上面的影片中,我們可以看到火箭發射的全過程。在轟轟烈烈地起飛後,火箭沿著預定軌道不斷加速。升空後約兩分三十秒,幾乎耗盡燃料兩根助推器率先脫離。而芯級在本次任務中則不進行回收,毫無保留地將所有燃料都用於運送衛星。約四分零三秒,芯級耗盡所有燃料並脫離,由第二節火箭負責繼續將衛星送入指定軌道。由於衛星的機密性,第二節直播就此切斷。直播聚焦於兩個助推器,如何自行返回陸上降落場,並最終成功降落。

本次任務的成功,不僅宣告著獵鷹重型的回歸,也是 SpaceX 第一次直接把衛星送進「地球同步軌道 GEO」,而非一般的「地球同步轉移軌道 GTO」(相關知識可以參考「衛星軌道萬花筒」系列圖文)。擁有將衛星直送 GEO 的能力,對火箭發射商來說意義相當重大。另一方面,雖然可憐的芯級被太空軍指定拋棄了,但兩側助推器的同框降落真的百看不厭。如果覺得這次發射霧太大景不好,不妨多看幾次 2018 首飛的剪輯吧!

還要再等三年嗎?獵鷹重型的未來

那麼,何時才能再次看到獵鷹重型轟然起飛呢?答案可能比你以為的要快。按現在的規畫,明年一月就應當要有兩場獵鷹重型的發射,分別是 ViaSat-3 與 USSF-67,都是 GEO 直送任務。但當然,這是火箭發射,再延宕個幾個月也是很正常的。

往更遠的看,未來五年獵鷹重型將發射的重要酬載包括:

  • 大型行星探測器:靈神星(Psyche,左圖)任務與歐羅巴快船(Europa clipper,右圖)。
圖/NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin|N
  • 阿提密斯計畫:月球門戶建造(PPE 與 HALO 艙段)、VIPER 月球車、月球門戶補給(Dragon-XL)。
月球門戶太空站(左下)與 Dragon XL 無人貨船。圖/NASA
南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/NASA (WFIRST Project and Dominic Benford)
  • 太空軍機密衛星與同步通訊、氣象衛星若干。

相信這些名字對太空迷讀者來說都是如雷貫耳。可見獵鷹重型在美國近期多項重要太空計畫中,都是關鍵角色。接下來幾年,就讓我們拭目以待,一起見證獵鷹重型大展身手吧!

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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

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