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發現繞銀河中心黑洞最快的恆星,或可呈現黑洞周圍的時空結構

臺北天文館_96
・2012/10/18 ・1657字 ・閱讀時間約 3 分鐘

美國柏克萊大學洛杉磯分校(UCLA)的天文學家Andrea Ghez等人,利用凱克望遠鏡(Keck)觀測,在銀河中心附近發現一顆恆星,繞著銀河中心超大質量黑洞一周僅需11.5年,這是目前已知熱銀河中心黑洞週期最短的恆星。這些天文學家認為:或許可透過這顆現在編號為S0-102的恆星,瞭解銀河中心超大質量黑洞周圍的時空結構,是否符合愛因斯坦廣義相對論中的預期。

目前普遍認為銀河系的中心棲息著一顆質量高達400萬倍太陽質量的超大質量黑洞,稱為人馬座A*。在發現S0-102之前,天文學家僅利用散斑干涉(Speckle)的方式在人馬座A*周圍發現一顆公轉週期極短的恆星S0-2,繞人馬座A*一周約16年,Ghez常暱稱它是人馬座A*的「親信」。S0-2的編號中,S代表銀河中心和超大質量黑洞所在的人馬座(Sagittarius)。

黑洞由於重力極強,連宇宙最快速度的光,在鄰近黑洞時,都無法逃脫它的重力牢籠,所以根本無法觀察到直接來自黑洞的光;但好在其重力場強,天文學家可利用黑洞重力對鄰近恆星的影響來間接研究這種奇怪的天體。Ghez等人過去17年來持續利用凱克望遠鏡研究人馬座A*周邊約3000顆恆星,試圖尋找公轉週期20年以下的恆星;並自1995年起持續追蹤S0-2的狀況。絕大部分她們所研究的恆星,繞人馬座A*的週期都在60年以上,但S0-2和S0-102的公轉週期卻小於人的一生,讓她們可以經由這兩顆星與黑洞的交互作用,詳細研究黑洞周圍真正的時空幾何結構。如果只有單獨一顆星,是沒有辦法完成這樣的研究任務的。

愛因斯坦廣義相對論中預測:質量會造成時空彎曲,不僅會讓時間變慢,也會使空間距離延長或縮短。研究團隊之一及本篇論文作者的Leo Meyer表示:時至今日,每一部iPhone裡都有愛因斯坦,因為手機裡的GPS全球定位系統就是按愛因斯坦理論發展起來的。而Ghez等人的研究想要發掘的,正是類似於「若將這些手機靠近黑洞的話,類似GPS的這些功能仍會相同而不變嗎?」這樣問題的答案。

在離超大質量黑洞這麼近的地方發現恆星,讓Ghez等人覺得相當興奮,因為這相當於開始一場新球賽,可以藉此瞭解黑洞如何隨時間成長,星系中心的超大質量黑洞到底是個什麼樣的角色,愛因斯坦廣義相對論對黑洞附近的預測是否正確等。

如同太陽系中繞太陽公轉的行星一樣,S0-102和S0-2都以橢圓軌道繞銀河中心的超大質量黑洞公轉。太陽系裡的行星運動在300年前提供作為牛頓重力理論的測試與驗證,同理,S0-102和S0-2的運動可提供作為愛因斯坦廣義相對論中有關重力場會影響時空曲率相關預測的測試與驗證,不過每顆恆星都得觀測至少半個軌道以上,才能夠作為這種用途。Ghez表示:能在銀河中心周圍看到公轉週期如此短的恆星,不僅能證明黑洞的確存在,而且還是第一次獲得能驗證基本物理的機會,這是最叫人興奮的事。由這些恆星的橢圓運動,可估算超大質量黑洞的質量;如果能繼續改善測量的精確度,那麼便可計算真正的恆星軌道與完美橢圓軌道之間的偏差量,這就是廣義相對論的特徵。

Ghez等人估計S0-2大約比S0-102亮15倍左右,其中S0-2將在2018年最靠近半人馬座A*。按廣義相對論預測,公轉週期在20年以下的恆星最靠近超大質量黑洞時,它們的運動受到黑洞時空曲率的影響最大,來自恆星的光發生的扭曲才大到可以測量的程度。不過,由於這個與完美橢圓軌道的偏差非常小,故而需要非常精確的測量;Ghez等人為此在過去15年間大幅改善他們的測量能力,這才終於能符合這個需求,特別是凱克望遠鏡在啟用自適應光學(adaptive optic)以抵抗地球大氣擾動後,Ghez等人陸續發現許多超大質量黑洞周圍令人經其的環境特徵,例如:發現原本沒預期在黑洞周邊會看到的年輕恆星,反倒是找不到原本預期應該在黑洞周圍會出現的老恆星並進而發現超大質量黑洞雖不是個和藹可親的鄰居,但讓人吃驚的是,黑洞也不像之前推測的那樣對恆星非常不友善等等。若未來觀測能力可以繼續改善,將讓黑洞更多特性清楚呈現出來。

資料來源:

The Discovery of the shortest period star in the Galactic Center: S0-102. UCLA

UCLA astronomers discover star racing around black hole at center of our galaxy. UCLA Newsroom [October 04, 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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