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100億太陽質量的遙遠巨大黑洞於紅外光波段現形

臺北天文館_96
・2012/10/25 ・1288字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

劍橋大學科學家運用先進的紅外巡天觀測計畫在早期宇宙中發現一種新的極巨大並且成長速度很快的大質量黑洞。先前從未曾偵測到這類黑洞是因它們位置在受層層塵埃如繭蛹般包裹起來的區域之中,無論如何,新的研究還是顯示出,它們因與鄰近星系間激烈的交互作用,其實會發出大量輻射。該團隊的研究成果出版於英國期刊Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

在這類新天體中,最大的一顆是名為ULASJ1234+0907的一個大質量黑洞。它位置是在處女座的方向,來自這顆黑洞的光從宇宙極早期啟程,穿越極遙遠距離,耗時了110億年,如今抵達了地球,它的質量是太陽質量100億倍,有銀河系中心黑洞質量的10,000倍,是一顆罕見而令人矚目的超大質量黑洞。

該研究指出,在那個地區附近的宇宙,總共應該有400顆左右像這樣的巨型黑洞,是我們應該可以觀測到的。該篇論文的第一作者Manda Banerji除了表示「這項結果對超大質量黑洞的相關研究具有極大影響」以外,還提到大多數這類型的黑洞能夠被看到,都是因為它們所吸進去的物質,因為當黑洞周圍物質環繞著它並呈螺旋狀流入黑洞中的此時,物質會被加熱,所以天文學家就可以觀測到這時候發出來的輻射並針對這樣的系統來觀測。

「雖然針對這些黑洞進行的研究已經有一段時間,新的結果顯示出,其中一些質量最大的黑洞,其實目前可能還根本是隱藏在我們視線範圍以外。」新發現的這些超大黑洞以每年吞噬著相當於幾百個太陽質量的速度進食,必將有助於揭示超大質量黑洞如何增長的物理過程。

按目前所知,超大質量黑洞棲息在每個星系的中心。當宇宙中那些質量最大的星系與其他星系發生猛烈撞擊時,會觸發恆星形成並提供餵養黑洞所需的食物。這些劇烈的碰撞也產生了星系中的塵埃,因而將黑洞完全掩蓋隱藏於塵埃包層中,這段時間不長,塵埃很快就被黑洞吃掉。

和這麼遙遠的ULASJ1234+0907可以拿來作比較的,有一個既壯觀又離我們距離較近的例子,已有相當多和它相關的現成研究結果,那就是距離我們只有6億光年,裡頭充斥著塵埃、還在持續成長中的「馬卡良231」(Markarian 231)。根據哈柏太空望遠鏡所做的詳細研究顯示,馬卡良231最近曾與另一個星系發生過激烈的撞擊。在宇宙遙遠深處的ULASJ1234+0907就像是與我們為鄰的馬卡良231的翻版,但它的特性更為極端,這也顯示:早期宇宙的情況比今日宇宙更極端、更不穩定。

這支劍橋大學團隊使用的是英國的UKIRT這座紅外光望遠鏡,用來進行他們的巡天普查計畫,這座儀器能穿透塵埃並辨識出這次新發現的這顆巨大黑洞的位置。該篇論文的共同作者,同時也是這個大型紅外光巡天計畫的主持人Richard McMahon教授表示:「這些結果特別令人興奮,因為它們確認了紅外光巡天普查能找到在可見光普查中就可以見得到的一些超大質量黑洞。這些新的類星體(Quasar)很重要,而我們或許能捕捉得到它們,是必須要靠正當它們與其他星系碰撞合併而被吞食的那一幕。」稍後的2013年,位於智利的一座全新的阿卡塔瑪大型毫米及次毫米波望遠鏡陣列(ALMA)將使我們藉由偵測到星系碰撞時塵埃發出了大量在微波波段頻率的輻射,而能直接檢驗這幅圖像。(Lauren 譯)

資料來源:Giant black holes lurking in survey data. RAS [08 October 2012]

轉載自 網路天文館

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臺北天文館_96
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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!

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