美國航太總署錢德拉X-射線觀測衛星(NASA`s Chandra X-ray Observatory)，於一顆中子星的核心中，業已首度發現超流體(superfluid：一種異乎尋常、無摩擦力的物質態)的直接證據。於地球上之實驗室中產生的超流體展現了異常屬性，諸如能向上攀升及從密閉容器中消失。就瞭解已知最高密度物質中的核交互作用(nuclear interactions)而言，上述發現具有諸多重要意涵。

中子星含有已知可觀測的最稠密物質。一茶匙的中子星物質重60億噸。這類恆星的核心壓力很高，以至於大部分的帶電粒子(電子及質子)結合，形成一顆幾乎由不帶電粒子組成，而被稱為中子星的恆星。

兩支獨立的研究團隊研究了一顆超新星的殘留物─仙后星座A(Cassipoeia A 或簡稱Cas A)。當從地球觀測時，這顯然是顆1萬1千光年外之巨大恆星，約在330年前爆炸的殘留物。錢德拉X-射線觀測衛星的數據發現，該超新星爆炸後殘餘之超稠密中子星的溫度迅速下降，顯示該中子星曾於十年期間冷卻約達4%。

於2011年2月25日版《物理評論記事》(Physical Review Letters)雜誌發表一篇論文的研究團隊領導人，墨西哥國立自治大學(the National Autonomous University in Mexico)的Dany Page宣稱：「雖然聽起來似乎不大，不過上述的溫度下降，事實上是引人矚目且令人訝異的。這意味，該中子星內部發生某種不尋常的事。」

含有帶電粒子的超流體也是超導體，意味超流體能起如同完美導電體的作用，因而絕不會喪失能量。上述新發現強烈暗示，該恆星核心中殘餘的質子處於超流體狀態，由於具有電荷，因而也形成超導體。

俄羅斯聖彼得堡loffe研究所的Peter Shterning是論文被英國《皇家天文協會通告月刊》(the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)採納的另一支研究團隊領導人，他宣稱：「錢德拉X-射線觀測衛星發現仙后星座A中子星迅速冷卻，是此類中子星核心事實上由超流體及超導物質組成的首度直接證據。」

這兩支團隊證實，上述溫度迅速冷卻起因於，該中子星在被發現前約100年內，核心中產生了中子超流體。預期冷卻會持續幾十年，而後減緩下來。

於地球上，物質在接近絕對零度的極低溫度下，開始發生超流動性。不過，於中子星內，能在接近攝氏10億度的溫度下出現超流動性。迄今，在估測此臨界溫度上，有著極大的不確定性。該項新研究將臨界溫度局限於攝氏5億到10億度間。

仙后星座A將使研究人員們得以驗證，束縛亞原子粒子的強核力(strong nuclear force)於超稠密物質中，如何起作用的模型。就瞭解中子星中，包括自轉突變(glitches)、中子星進動(precession：旋轉軸方位的改變)、磁星爆發(magnetar outbursts)及中子星磁場的演變等一系列變化而言，上述結果也是重要的。

被稱為自轉突變之中子星自旋速度的小幅突然改變，先前已提供了中子星外殼中有超流動性之中子的證據。由於中子星外殼密度比核心密度低很多，因而來自仙后星座A的最新訊息揭露了，有關該中子星超稠密之內部區域的新資訊。

冷卻的仙后星座A中子星是由來自加拿大阿爾伯塔大學(the University of Alberta, Canada)的合撰人Craig Heinke及來自英國南安普敦大學(the University of Southampton, UK)的Wnee Ho，於2010年首度發現的。該項研究是天文學家們首次測定一顆年幼中子星的冷卻速度。

原文網址：NASA’S Chandra Finds Superfluid in Neutron Star’s Core
翻譯：peregrine | 本文原發表於PEREGRINE科學點滴

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• 本文轉載自科技大觀園，原文為《接棒福三，福衛七號讓天氣預報更準確！》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

2019 年 6 月 25 日，福爾摩沙衛星七號（簡稱福衛七號）在國人的引頸期盼下升空。一年多來（編按：以原文文章發佈時間計算），儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道，但已經回傳許多資料，這些資料對於天氣預報的精進，帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題，就是福衛七號傳回的資料，對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻，得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星，軌道高度 700~800 公里，以 72 度的傾角繞著地球運轉（繞行軌道與赤道夾角為 72 度）。這些衛星提供氣象資訊的方式，是接收更高軌道（約 20,200 公里）的 GPS 衛星所放出的電波，這些電波在行進到氣象衛星的路程中，會從太空進入大氣，並產生偏折，再由氣象衛星接收。換句話說，氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的，而是因為大氣的折射，產生了偏折，藉由偏折角可推得大氣資訊。

氣象衛星會一邊移動，一邊持續接收電波，直到接收不到為止，在這段過程中，電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣，逐漸變為最底層、最接近地面的大氣，科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角，通過計算回推出折射率，而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ，因此可再藉由每個高度的大氣折射率，得出溫濕度垂直分布，這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料，可以納入數值預報模式，進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時，必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式，可以模擬任何一個位置的氣塊的運動，但是因為大氣環境非常複雜，模擬時不可能納入全部的動力條件，因此模擬結果不一定正確。而另一方面，掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊，楊舒芝形容：「觀測就像拿著照相機拍照，不管什麼動力方程式，拍到什麼就是什麼。」但是，觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置，我們才會有觀測資料。

所以，我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料，另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者，找到一個最具代表性的大氣初始分析場，再以這個分析場為起點，去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係，因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時，帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響，做了許多模擬與研究，發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑，以及豪大雨的降雨區域及雨量等，納入福衛三號的掩星觀測資料，都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明，由於颱風都是在海面上生成的，而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料，相較於一般位於陸地上的觀測站，更能夠取得海上大氣資料，因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面，這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境，例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確，那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究，加入福衛三號的掩星觀測資料，平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里，相當於改進了 5％。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊，還需要風場資訊的協助，楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例，一般來說豪大雨都發生在山區，但這次的豪大雨卻集中在海岸邊，而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式，楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休，福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星，不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉，取得的資料點分布比較均勻，高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下，福衛七號的傾角只有 24 度，它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間，對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說，密集度更高；加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星，還增加了俄國的 GLONASS 衛星，這些因素使得在低緯度地區，福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍，每天可達 4,000 筆。

另一方面，福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進，可以獲得更低層的大氣資料，而因為水氣主要都集中在低層，所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號，其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化，而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時，最直接觀測到的數據，相較之下，折射率是計算出來的，就像加工過的產品，一定有誤差。因此，近來各國學者在做數值模擬時，愈來愈多都是直接納入偏折角，而不採用折射率。黃清勇解釋：「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度，也會增加運算所需的時間，而預報又是得追著時間跑的工作，因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步，因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道，不過這一年多來的掩星觀測資料，已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報，準確度提升了 4~10％；陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例，成功地利用福衛七號的掩星觀測資料，模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號，還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星，預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波，然後推估風速。可以想見，一旦有了獵風者的加入，我們對大氣環境的掌握度勢必更好，對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧！

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