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蜘蛛星雲原來是場太空碰撞車禍的結果

臺北天文館_96
・2012/08/21 ・1265字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

天文學家利用哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)觀測資料,發現著名的蜘蛛星雲(Tarantula Nebula)的核心那些大質量恆星形成區,原來是兩個年齡相差了100萬年左右的星團正在碰撞合併的初期階段。

蜘蛛星雲又稱為劍魚座30星(30 Doradus)位在銀河系最大的衛星星系—大麥哲倫星系(Large Magellanic Cloud,LMC)中,距離約為170,000光年,是目前已知本星系群中最活躍的恆星形成區,天文學家已知這種活躍的恆星形成狀況已經持續了至少2500萬年之久,但不清楚這樣的活躍狀況還能維持多久。天文學家們認為:目前已知的那些最大型的星團,或許是經由比較小的星碰撞合併而形成的。

太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute,STScI)科學家Elena Sabbi等人一直在嘗試尋找那些從誕生地被踢出去、移動速度很快的「落跑恆星(runaway stars)」。一般認為恆星都是在星團中形成,但在劍魚座30的外圍,還有許多年輕星團,這些外圍地區不太像這樣年輕星團能誕生的地方,因此這些年輕星團或許就是被劍魚座30本身以高速向外拋擲出去的。

Sabbi等人檢視哈柏觀測劍魚座30中低質量恆星的分佈狀況後,發現一些不尋常的現象。這個星團並不是如預期般的為球形,而是類似兩個正在合併的合併星系因重力交互作用而使它們呈現狹長外形一樣。從哈柏觀測到的星團周遭環境的證據顯示,其中一個星團顯示狹長外形,應是兩個正在逐漸逼近的星團造成的結果,且經過測量,發現這兩個星團之間是有年齡落差的。

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根據某些理論模型,星團從中誕生的巨型氣體星雲可能會破裂成比較小的星雲,一旦這些比較小的星雲碎片中形成恆星,可能會因距離接近而彼此兼有重力交互作用,甚至互相合併而形成一個更大的星團。這個重力交互作用就是Sabbi等人認為她們在劍魚座30上看到的現象。

此外,劍魚座30裡的高速恆星多得不像話,天文學家相信這些所謂的落跑恆星是從劍魚座30的核心部分因恆星彼此間的動力交互作用(dynamical interaction)而被踢出來的。這種交互作用在所謂的核塌縮(core collapse)過程中相當普遍,當質量比較大的恆星沈向星團中心的過程中,與低質量恆星之間便會有這種動力交互作用。當許多大質量恆星抵達星團中心後,星團中心反而變得不穩定,反會讓這些大質量恆星互相抵制、拋出星團外。

劍魚座30中心的大型星團R136過於年輕,不太可能已經經歷過核塌縮的過程。然而,既然小一點的星團系統的核塌縮過程比較快,因此劍魚座30中有許多落跑恆星或許是小型星團在與R136合併的過程中拋出的。

Sabbi等人希望未來後續研究能觀察更大尺度的星團狀況,以便提供更多相關細節,看看是否有更多星團與劍魚座30有交互作用,特別是在紅外波段相當靈敏的韋柏太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,JWST)。因為紅外波段可不受塵埃遮蔽,觀察到可見光波段會被塵埃遮蔽而不可見的部分,或許在這些原本被塵埃遮蔽而不可見的部分,還有許多溫度更低、亮度更暗的恆星隱藏在此。如能將之顯露出來,就更能瞭解劍魚座30星雲內的恆星星族分佈概況,並藉這個年輕星團來更進一步瞭解星團的形成細節,以及年輕的早期宇宙中恆星究竟是如何形成的。

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資料來源:Hubble Watches Star Clusters on a Collision Course. HubbleSite [AUGUST 16, 2012]

轉載自 網路天文館

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臺北天文館_96
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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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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!

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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)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

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?

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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。

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。/圖片來源:shutterstock

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。

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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。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

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)。

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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!

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VLT發現自轉速度最快的主序恆星
臺北天文館_96
・2011/12/08 ・1159字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

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英國北愛爾蘭皇后大學(Queen’s University)Philip Dufton等人利用歐南天文台超大望遠鏡(Very Large Telescope)發現一顆迄今自轉速度最快的恆星。這顆質量很大又很亮的年輕恆星,位在銀河系的近鄰—大麥哲倫星系(Large Magellanic Cloud,LMC)中,距離地球約16萬光年。天文學家認為這顆恆星可能擁有非常極端的過往歷史,原為雙星系統的成員之一,但被另一顆已演化至發生超新星爆炸的伴星驅趕,雙星系統因而瓦解。

這項發現是經由天文學家利用VLT在LMC中的蜘蛛星雲(Tarantula Nebula)進行最重、最亮的恆星搜尋工作(VFTS,VLT-FLAMES Tarantula Survey)中發現的。蜘蛛星雲又稱為劍魚座30號星(30 Doradus)。

在蜘蛛星雲這個恆星搖籃所孕育的眾多明亮恆星中,Dufton等人發現其中一顆光譜型為O型、編號為VFTS 102的恆星(右上圖中央箭頭所指處),自轉速度高達每秒500公里以上,甚至可達每秒600公里,相當於1秒內可從臺灣最北點通過臺灣最南點到巴士海峽中,這個速度約比太陽自轉速度快了300倍以上,瀕臨因離心力造成星體潰解的邊緣,是迄今已知自轉速度最快的一般恆星。

某些大質量恆星的生命終點,經超新星爆炸後,核心部分會演化成一顆緻密天體,如脈衝星(pulsar,脈衝星)或黑洞等,雖然其自轉速度可能比VFTS 102還快許多,但這類天體通常非常小且密度非常大,與VFTS 102這樣核心仍在進行核融合反應、還處在恆星青壯年期的主序星不同。

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另外,經估算,這顆恆星的質量約為25倍太陽質量,表面溫度約為38,000K,比太陽亮了100,000倍以上,且在太空中的移動速度高達每秒228公里,與其鄰近恆星空間移動速度約每秒40公里的狀況明顯不同。

自轉速度如此之快,空間移動速度也與鄰近恆星不同,讓Dufton等人不禁猜想這顆恆星曾經歷過不尋常的過去。空間移動速度不同,顯示VFTS 102是顆所謂的「落跑恆星(runaway star)」,即雙星系統中另一顆子星發生超新星爆炸過中被向外拋出的恆星。

Dufton等人藉由電腦模擬,認為VFTS 102若原本是雙星系統成員之一的可能性很大,當兩星靠得很近時,來自伴星的物質會讓VFTS 102自轉速度愈來愈快;大約經過1000萬年之後,質量較大的伴星率先發生超新星爆炸,把另一顆還在主序階段的子星VFTS 102向外拋出。

Dufton等人在距離VFTS 102約12秒差距之處,發現有顆波霎PSR J0537-6910,這是顆年輕的X射線波霎,鄰近並伴隨有性質類似蟹狀星雲的超新星殘骸B0538-691。他們認為VFTS 102與PSR J0537-6910本為一家人,只是因超新星爆炸的威力,將兩顆星都從B0538-691中震了出去。雖然這些天文學家不能非常確定上述想法是否正確,但至少可以解釋到目前為止所觀測到的現象。

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Dufton等人的模擬還顯示:由於VFTS 102的質量高達25倍太陽質量,在不久的將來,這顆恆星可能就會演化到發生伽瑪射線爆發(GRB)或Ic型特超新星(hypernova)的強烈爆發階段,核心殘骸將形成一個快速自轉的恆星型黑洞。這對研究極端的GRB或特超巨星等天體的天文學家而言,將是個絕佳的研究目標。

資料來源:VLT Finds Fastest Rotating Star[2011.12.05]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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蜘蛛星雲仍在長大中
臺北天文館_96
・2011/11/16 ・850字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

位在大麥哲倫星系(Large Magellanic Cloud,LMC)中的劍魚座30(30 Doradus),俗稱蜘蛛星雲或狼蛛星雲(Tarantula Nebula),是全天空最大的恆星形成區。在星雲中心有近2400顆大質量恆星,集眾星之力的輻射及恆星風,自然強得不得了。被強烈輻射與恆星風推擠之下,星雲仍在不斷擴張中。天文學家最近利用星雲中熾熱而明亮的X射線氣泡結構來建構這個星雲的大尺度結構及演化狀況,同時發現大質量恆星產生的強烈輻射壓不再是現階段雕刻星雲的主力來源。

右圖是錢卓X射線觀測衛星(Chandra X-ray Observatory)的X射線波段資料(藍色)和史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)的紅外波段資料(橘色)合成的結果。錢卓資料主要可見恆星風和超新星爆炸所產生的震波,將氣體加熱到極高溫而釋放出的X射線,因此清楚呈現被恆星風等吹出的龐大氣泡狀結構。而史匹哲資料則呈現出這個氣泡結構周邊溫度稍低的氣體和塵埃。

劍魚座30是所謂的氫離子區(HII region)。氫是由一個帶正電的質子和一個帶負電的電子組成的原子,質子在原子核中,電子環繞原子核運轉。當年輕而熾熱的恆星發出強烈輻射,將星雲中的中性氫原子(HI,I為羅馬數字1)唯一的電子打跑,使氫氣成為帶一價正電的氫離子(HII,II為羅馬數字2)。劍魚座30是整個本星系群(Local Group)規模最大、質量也最大的氫離子區。本星系群由我們的銀河系、仙女座星系、大小麥哲倫星系和其他共約30幾個星系組成的團體。而大麥哲倫星系是銀河系最大的衛星星系,距離僅約16萬光年。因此,距離近且規模龐大,讓劍魚座30成為最佳的大質量恆星演化研究室。

關於刻畫星雲形狀的主力來源,最新研究顯示不再是大質量恆星所發出的強烈輻射壓,而是周邊熾熱氣體的壓力;但是今年稍早另一篇論文卻與此結論相反,認為輻射壓,尤其是在星雲中心區域的大質量恆星附近,是主導劍魚座30演化的推手。因此,對於這個全天最大的恆星形成區的演化機制究竟為何,天文學家還得再加一把勁了。

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資料來源:30 Doradus and The Growing Tarantula Within[2011.11.10]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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