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[ASWEB]隨風而逝

臺北天文館_96
・2012/10/05 ・1662字 ・閱讀時間約 3 分鐘

類星體中發生「氣體雲消失」的懸案,來自全球的天文學家大集合,解答了這道謎題,結果是,氣體雲它「隨風而逝」了。

由賓州大學Nurten Filiz Ak率領的一支天文學家團隊近日在最新發表的論文中描述著近幾年巨大氣體雲從類星體中似乎會消失不見的這種情形,研究中一共有19個這樣的類星體,它們距離地球都是相當地遙遠。

過去已經知道的是,許多類星體結構上有著快速運動的氣體被類星體風抓住這樣的情形,現在我們知道這些結構可以有規律地從我們的視線中消失不見,但在這現象的背後,原因到底是什麼呢?

類星體的能量是由落入星系中央大質量黑洞的氣體所供應的。氣體落入黑洞時會加熱並發光。黑洞重力極強並拉入氣體數量極龐大,因而使得熱氣體發出來的光,甚至比環繞在它四圍的整個星系都還更加明亮。

在如此狹小空間裡同時有這麼多事在進行,意味著並非所有氣體都能進得去黑洞,有不少氣體倒是跟隨著從類星體中心噴吹出來的強風一起逃逸了。

賓州大學教授Neil Brandt表示,這些風的速度高達每秒數千公里,遠比地球上的風快得多。並且這些風很重要,因為我們知道它在調節類星體中央黑洞的功能上,扮演著重要角色,對該星系裡的恆星形成也有很重要的影響。

在許多類星體的光譜中都顯示出有這種「類星體風」存在的證據;而所謂光譜,其功能則是為了測量各波段所發出來的光量多少有何不同。在該類星體中央稍微外側區域有熱氣體雲自中央黑洞向外源源流出,當光從類星體較內側的深處經過了這些熱氣體而朝地球方向前進時,有些特定波長的光會被吸收,這特定波長是和氣體雲的元素成分有關。

當類星體將氣體雲加速到高速後,都卜勒效應又會將這個吸收效應擴散到範圍相當廣的波長中,這使得光譜上能看得到一座明顯的波谷出現。這個「寬吸收線」(broad absorption line,在本篇文章的前面將之簡稱為BAL)的寬度,就可以用來測量類星體風的速度是多少。顯示出具有這種寬吸收線特徵的類星體,就是大家稱呼它為”BAL quasar”的「寬吸收線類星體」。

不過,各個類星體的中心區可說全都是一些混亂失序的地方。有了秒速達幾千公里的類星體風,還有以接近著光速在環繞著中央黑洞旋轉的吸積盤,當然,這種環境很容易是瞬息萬變。

先前有些研究已發現了幾個零星的類星體案例,其中,寬吸收線似乎總會在不同的觀測中時隱時現地神出鬼沒。但是這些類星體都是在一次一個的狀況下被發現的,並且大多發現都純屬偶然—沒有人曾針對它們做過什麼系統性的調查。而且,進行這樣的調查需要測量上百個類星體,整個研究可能得花上好幾年的光陰才得以完成。

在這個情況下,SDSS史隆數位巡天計畫出現了。它從1998年就開始定期地測量類星體的光譜。過去3年中,自從SDSS-III(第三期計畫)也成為BOSS計畫的一部份之後,有研究團隊提議使用BOSS來特別查找在BAL類星體當中重複出現的譜線。

辛苦的堅持總算沒有白費—研究團隊一共採集了582個BAL類星體樣本母體,每個類星體在為期1至9年不等的時間當中都獲得了反覆的觀測—這個樣本比先前這一類類似的嘗試更大了有20倍。然後他們開始動手查找出現變化的部份,很快地就傳來了好消息:其中總共有19個類星體的寬吸收線是消失不見了。

到底發生了什麼事?這可以有好幾個可能解釋,但最簡單的說法就是,類星體裡的氣體雲,隨風兒飄逝去了—是類星體因盤面在旋轉而帶起來的風,將位於我們和類星體之間的視直線範圍裡的那些氣體帶走了。(Lauren譯)

圖片說明:藝術家筆下畫出本研究所發現的19個類星體的其中一個。中心的那個黑點代表位在該類星體中心的超大質量黑洞。周圍的紅色和黃色螺旋顯示著落入黑洞吸積盤中的熱氣體。淺藍色所表示的是,部份這些氣體隨著類星體風被噴出。圖中所顯示的吸積盤,大小與我們太陽系的大小差不多。右上角插圖顯示了同一個類星體的兩個不同的SDSS光譜( SDSS J093620.52 004649.2)。上面的光譜(藍色)是在2002年取得,下半部光譜(紅色),是2011年取得。在2002年的光譜中看得到所謂的「寬吸收線」,像一座寬且深的山谷,但在2011年的光譜中,這個波谷特徵已經消失了。Credit: NASA/CXC/M. Weiss, Nahks Tr’Ehnl, Nurten Filiz Ak

資料來源:Gone, with the Wind. SDSS3 [October 1, 2012]

轉載自 網路天文館

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臺北天文館_96
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「新太空 2.0」時代來臨!盤點新創太空產業的衛星部署手段

黃 正中_96
・2021/09/26 ・3448字 ・閱讀時間約 7 分鐘

近年來以美國為首,國際上民營新創太空產業如雨後春筍,以新技術、新概念吸引風險投資,挑戰傳統太空產業,稱為新太空(NewSpace)2.0。

新太空的新創公司通常規模比較小,為了增加競爭力,常以併購或合資的方式,加速產業成長;所涵蓋的範圍包括火箭、小型衛星或衛星元件等領域,以價格破壞性經營,加強與傳統太空產業的競爭。

本文將分析量產的衛星精確部署到太空軌道,提高太空任務的新功能與價值;並盤點在此潮流下創新技術,和新創的太空產業。

論「快速量產衛星」的必要

新創航太公司為了更貼近市場需求,創新衛星量產技術、使用商用(COTS)元件,快速切入市場,提高產品附加價值的新衛星功能。例如使用微衛星以每小時拍攝一次地球上任何地點,並快速提供詳細圖像;使用衛星連接地面上廣大地區,構建太空網路;或者利用衛星開採小行星高價值的稀有礦物等等。

新創衛星公司所使用商用零件,設計小型或立方衛星,儘管它們的尺寸很小,但可以共同提供功能和服務,卻比傳統衛星更大、數據產品媲美大衛星。量產衛星優點是可以一次發射許多衛星,發射費用比傳統的大衛星便宜得多,但是缺點是,設計 / 任務壽命較短。

最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)

新創公司為了發堀利基市場,開發最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)1。一旦建立了 MVP 衛星,新創公司再進行優化調整。MVP 為了減輕重量,加快生產速度,設計時忽略了部分功能,如推進次系統(Propulsion Subsystem)、部分姿態控制(AOCS)或沒有備份設計(backup design)等等,以便快速進入市場。

美國的 Planet Labs 公司 180 顆遙測照相衛星,Spire Global 公司 110 顆氣象服務衛星公司,或挪威的 Iceye 公司 10 顆透過雲層對地球照相的合成孔徑雷達小型衛星等等,證明 MVP 可以在很少的預算下,製造和發射衛星到太空,並傳送數據返回地球。

美國 Planet Labs 公司的 Dove satellites。圖/Planet Labs 臉書

快速量產的代價——衛星損壞率高

但是,利用商用航電元件快速製造,在太空高輻射的環境,可能面臨高衛星損壞率,例如新創 Planet Labs 公司 2設計和製造著名的 Doves Triple- CubeSat 微型衛星,2015 年創立後發射了 339 顆 3U 高解析度的 Dove 遙測立方衛星,但是 2021 年 8 月只剩下約 180 顆衛星運作中。

另外的案例 Spire Global 公司從太空觀測雲數據和分析,提高了天氣模型的預測能力。自創建以來,已發射了 140 多顆衛星,目前有 110 顆 3U 立方氣象衛星星系營運中。

SpaceX 的 Starlink 太空網路公司3,到 2021 年 9 月 14 日為止,已經發射了 1791 顆低軌通訊衛星,統計有 125 顆衛星故障或離開太空返回地球,目前太空網路擁有 1615 顆低軌衛星建構太空網路,所以新太空的高衛星損壞率,令人印象深刻。

搭公車上太空,立方衛星「以量取勝」

大量微小或立方衛星搭乘所謂的「公車火箭」到太空,若是衛星計畫經費較多,可以搭乘單個火箭進入太空。但是大部分的計劃在預算限制下,搭乘「公車火箭」到達軌道後,整“群”離開火箭,微小 / 立方衛星以一種相當不受控制的方式繞地球漂移。

福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭。圖/科技部臉書

這種「下車」方式,對於遙測照像任務,「打群架」方法是有效的,但不是最佳的方式,每顆衛星都可以拍照並發送下來,但個別衛星可能會聚集在一起,從而照相送回多餘的圖像。

對於通信衛星架構,「打群架」是沒有經濟價值的,因為在不受控制的衛星群體,只能隨機覆蓋地表,對於地面用戶來說,無法定時收到監控資料,也無法忍受隨時斷訊的通訊。

新創公司的決勝關鍵:更精確的太空軌道部署

為了增加小衛星任務所產生的產品價值,未來更精確的軌道部署,將會產生革命性的決勝關鍵,每顆衛星將被更仔細、周到地放置到精確的軌道上,使整個星系的價值,大於各自執行任務的總和。

更精確的軌道部署將成為任務規劃中首要考量,當雜亂無章的群轉變成精心編排的星系,其中均勻分佈的小衛星以優化其覆蓋範圍和數據價值時,小衛星架構的價值將得到充分體現。

優化「衛星系」的兩種辦法

有兩種實現衛星系(Constellation)優化的方法,第一種是單獨發射小衛星,或者一次發射兩到三個在特殊的小型火箭上發射,這些火箭可以「隨時隨地」運送航太器,眾多的小型火箭新創公司 Rocket Lab 和 Vector Space Systems 等,瞄準此新市場,計劃將小型衛星運送到低軌太空。

這種方法存在兩個挑戰,可能無法使其適用於所有星系。首先,大型星系需要大量發射,即使每週發射一枚火箭,完全部署一個星系也可能需要數月甚至數年的時間,其次發射費用按公斤計算,總經費也不便宜。

優化星系的第二種方法是為每個小衛星配備機載推進次系統,許多衛星可以共用火箭發射,例如由 SpaceX 的 Falcon 9 或 Falcon Heavy 等發射器的低每公斤成本發射,離開火箭以後就需要耗費自身燃料,抵達任務軌道。儘管所有飛行器都將成群離開火箭,但它們可以使用各自的推進系統分散到預先選擇的各個軌道中,以優化星系均勻性。

這種方法的好處是可以利用機載推進系統提供額外的任務價值,例如通過補償阻力來延長任務壽命,重新配置星系以彌補發射失誤,或在壽命結束時使衛星脫離軌道,減少太空垃圾,但是燃料使用過多,減少任務壽命卻也無可奈何。

獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

成本太高?新型「微推進系統」問世

新太空 2.0 的新創公司,有許多小衛星沒有包含推進次系統,主要是因為技術還不夠成熟,而且成本太高,無法納入 MVP。精確部署衛星所需的推進系統成本,市場上推進系統大部分是手工建造的,對於新創公司無法負擔。設計、開發和製造過程,還沒有發展到大規模生產。

但市場對於大量製造的機載推進系統需求強大,針對此問題,美國 Orbion Space Technology 以及 ExoTerra Resources 新創公司推出霍爾效應推進器(Aurora Hall-effect thruster),以及 Tethers Unlimited、Deep Space Industries 和 Momentus 公司,亦推出水離子推進器(Water Plasma propulsion),水離子推進裝置,進入太空小型推進器的市場。

水離子推進器。圖/參考資料 5

沒錢裝推進系統?你需要的是「太空運輸」服務

針對為了節省燃料以提高壽命,以及沒有配備星載推進系統的立方 / 微衛星,美國新創太空運輸的 Momentus 公司,推出離開火箭以後,在太空將立方 / 微衛星或其他小型衛星,在太空中運輸到所需任務軌道。

義大利的 D-Orbit 公司今年(2021)5 月部署了 20 顆義大利 ION 衛星,成功示範可以改變高度和傾角的太空運輸。D-Orbit 公司並計劃於今年(2021)10 月為 Planet SuperDove 公司在太空「最後一英里的太空運輸」服務,運輸 12 顆地球遙測衛星。

但是你可知道「最後一里路」要走多久?

以我國的福爾摩沙七號衛星星系為例,衛星設計有星載的推進系統和攜帶燃料,用來調整衛星在太空的飛行軌道;福衛七號的六顆衛星於2019年6月25日發射升空,離開獵鷹九號火箭以後,總共花了 20 個月逐漸調整軌道,才將六枚衛星的軌道面布置,形成在地球上空以 60、120、180、240、300度的夾角,涵蓋全球的氣象觀測衛星星系部署。

新太空 2.0 時代來臨!將顛覆傳統衛星公司

新太空(NewSpace)2.0 顛覆甚至於威脅到傳統衛星公司,例如 Intelsat 同步軌道通信衛星公司因過時或更高的價格使他們無法與低成本寬頻通訊競爭導致破產4,同樣的澳洲衛星通訊公司 Speedcast 和為航空公司和船舶提供 Wi-Fi 服務的 Global Eagle 公司與 Intelsat 公司一樣也都負債累累。

新太空快速的行業變化,也影響了衛星地面部分;例如衛星天線製造商 Phasor 在被新創 Kymeta 用更高效率覆蓋整個 Ku 頻段衛星天線公司淘汰而申請破產。去年 OneWeb 的破產困境源於缺乏靈活性,讓 SpaceX 競爭對手以超越其技術而破產。

因此新太空的來臨,太空產業需著重技術創新,適應快速市場變遷,隨時關注市場的變化與趨勢。對於一個創新技術競爭的衛星新創參與者,摩爾定律將主導創新和開發新市場。

參考資料

  1. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  2. 〈Wikipedia〉Planet_Labs  
  3. 〈Wikipedia〉Starlink
  4. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  5. Water propulsion technologies picking up steam
  6. Satellite bankruptcies circa 2000 vs. 2020: We’ve come a long way!me-a-long-way

黃 正中_96
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國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...
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