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[ASWEB]老鳥?不死鳥!「鳳凰」創紀錄每年驟生740顆新恆星

臺北天文館_96
・2012/08/28 ・2275字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

天文學界最新的重要發現,焦點集中關注在一個全宇宙最大天體之一的「凰凰星系團(Phoenix Cluster)」,它一口氣打破了多項重要的全宇宙紀錄。這次全世界共有8個一流的觀測站包括:錢卓X射線天文台、美國國家科學基金會(NSF)的南極望遠鏡(South Pole Telescope)等一起進行了觀測。根據鳳凰星系團在觀測中透露的訊息,天文研究人員可能被迫又要重新想過一遍了…宇宙中這些龐大無比的大尺度結構及那些棲身於其中的星系,「它們,究竟如何演化的?」

觀測紀錄顯示,若以星系團中央的位置來說,鳳凰星系團締造的是目前最高的「新興恆星產出率」紀錄,在已知星系團中,它是X射線最強的天體,在「質量最大星系團」排行榜中,它名列前茅。這個距離地球57億光年遠的「鳳凰星系團」其實是個新名字,關於得其得名之緣由,一是因它位置正好就在「鳳凰座」中,二是因它的特性正好與傳說中浴火重生的不死鳥「鳳凰」十分貼近。

據這篇Nature論文的主要作者,曾獲「哈柏Fellow」的MIT研究員Michael McDonald表示:「大多數位置在星系團中心的星系,已經幾十億年都陷入沉睡中,這正是為何這顆有大批新興恆星形成的星系顯得如此與眾不同的原因。神話裡重獲新生的鳳凰,剛好是這個從死氣沉沉重返活蹦亂跳的這個天體的最佳寫照。」

和其他星系團一樣,鳳凰星系團保存有大量的熱氣體,其熱氣體存量多到,它的普通物質-不是暗物質-加起來的總數量,甚至比該星系團裡其他所有星系的普通物質加總起來的數量還多。要偵測這樣的熱氣體存量,必須仰賴的就是譬如錢卓望遠鏡之類的「X射線」望遠鏡。先前的認知多以為,星系團的熱氣體經過相當時間後會冷卻,並朝星系團最中央那顆星系下沉,大量形成恆星。不過,過去幾十億年以來多數星系卻都很少在製造恆星,天文學家認為,這是因為星系團中央的超大質量黑洞作祟,黑洞噴流的能量,像打氣筒一樣地持續灌注在該系統中,造成熱氣體的冷卻過程終止,阻礙了恆星形成,特別是「星驟生」所需的條件。

著名的英仙座星系團就是因為黑洞大筆釋放能量、阻止了氣體冷卻,使其恆星誕生速率無法達到高速的一個著名案例。來自英仙座中央星系的黑洞,以強力噴流為其形式地一再爆發,造成了巨大空腔,發出超低音的聲波,這個超低音的降B音(B是音名,也就是Do Rei Mi唱名裡的第七音,Si),其音之低,遠超過我們所能想像:足足比中央C低了57個8度。強大黑洞噴流讓氣體溫度居高不下。

本篇論文之共同作者,哈佛史密松天文物理中心研究員Ryan Foley表示,之前天文學家以為幾乎每個星系團中央星系都和英仙座中央星系團一樣,會發出這種「低57個8度的低音」,鳳凰星系團卻清楚告訴了我們,這個迷思並非全然是正確的 – 「或者至少該這麼說,即便是日夜笙歌,偶爾它也會點綴個幾次完全停止奏樂。」每逢星系中央的黑洞噴流出現力道不足時,星系團裡的氣體冷卻過程就可以順利演出。

當黑洞沒有產生力道強勁的噴流時,鳳凰星系團中央勤於做工的小蜜蜂之歌就上場了,恆星形成速度「咻」一下比英仙座星系快了20倍。由於全宇宙出現最高恆星形成率的地點都是在所謂「星系團中央」這個位置以外的其他區域裡,而最高恆星形成率的紀錄也只不過是向上再乘以二的數字而已,所以,無論如何,以星系團中央位置來說,鳳凰星系團的恆星形成速率,都在已知觀測對象中是最高的紀錄。

在鳳凰星系團裡,一方面新生恆星形成速度接近狂熱,另一方面氣體冷卻率也極迅速,這使得星系團中央星系和黑洞的質量累加非常快,這是相當重要的階段,但天文學家預計這個階段的時間長度,相對地,也將是很短暫。

這裡的這顆中央星系和它的黑洞正在經歷增長,但盛況可說僅為曇花一現,不超過一百萬年就會停。超過一億年的話,這個星系和它的黑洞就會長得太大而和組成鄰近宇宙的其他天體不成比例了。

從鳳凰星系團到它的中央星系以及中央星系的超大質量黑洞,三者分別都各在所屬類型天體中為「質量No. 1」者。由於它們如此巨大,而星系團在宇宙學的探討和星系演化等主題上,又是一個佔有關鍵地位的天體,因此,現在找到了像鳳凰星系團這麼一顆各種特性都再三顛覆傳統認知的星系團,這項發現也就顯得至關重要了。

像這麼壯觀的星遽增場景對天文學界而言,是個非常重要的大發現,意味著天文學家必須重新去思考,星系團中央的大質量星系有著怎樣的成長過程。Martin Rees是一位知名的宇宙學者,他本身沒有參加這項研究,以客觀立場表示這項新研究的成果代表著:先前可能低估了「熱氣體冷卻」這項因素在恆星形成中有多麼舉足輕重。(Lauren 譯)

圖片說明:上圖左,天文學界新發現這顆「鳳凰星系團」的多波段合成圖,它距離地球有57億光年。其中,紫色代表了NASA錢卓X射線觀測站提供的影像;來自「可見光波段」的藍、綠、紅色,是由口徑4米的Blanco望遠鏡提供,紫外線波段的影像(藍色)由NASA的「星系演化探測者號」(GALEX)提供。星系團裡發出了X射線的熱氣體,在錢卓望遠鏡的透視下現了形,在可見光和紫外光波段提供的是星團裡的星系如何分佈和它附近天區的影像。「鳳凰」星系團是個天文學家最近剛為這個天體而取的新名字,一則因該星系團位置就在鳳凰座裡,二則因它獨特的特性正好與傳說中浴火重生的不死之鳥:「鳳凰」十分相配。按觀測紀錄顯示,若以星系團中央的位置來說,鳳凰星系團締造了目前最高的「新興恆星產出率」紀錄,且是已知星系團中,X射線最強的,還在「質量最大星系團」排行榜中,名列前茅。觀測發現到該星系團中央的「熱氣體冷卻率」也是全宇宙最高。Credit: X射線: NASA/CXC/MIT/M.McDonald; 紫外光: NASA/JPL-Caltech/M.McDonald; 可見光: AURA/NOAO/CTIO/MIT/M.McDonald; 繪圖: NASA/CXC/M.Weiss

資料來源:轉載自中研院天文網, 2012.08.24, KLC

轉載自 網路天文館

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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

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。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

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。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

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。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

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。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

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!

科技大觀園_96
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