• 本文轉載自科技大觀園，原文為《那些年，哈伯望遠鏡帶我們看到的宇宙》
• 作者／歐柏昇｜科技大觀園特約編輯

以哈伯望遠鏡觀測的經典天文照片

哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）在 1990 年 4 月 24 日發射升空，今年歡慶 31 週年。這座舉世聞名的望遠鏡，以前所未有的解析度與靈敏度，讓人們窺見宇宙中許多天體的真面目。 

哈伯望遠鏡網站上，經常公布五彩繽紛的天文照片。大家可能不知道，許多經典的天文照片，幕後推手是中央研究院天文及天文物理研究所所長朱有花。朱有花在 2014 年返回臺灣之前，是美國伊利諾大學天文系教授，長期使用哈伯望遠鏡進行研究。她拍的許多天體影像，經過哈伯望遠鏡後製團隊巧奪天工之手，變成網路上廣為流傳的經典照片。

朱有花的一件得意作品，是 NGC 3603 星雲的照片。這張照片在 2000 年 1 月登上《國家地理雜誌》封面。朱有花說，當時她剛好有訂閱雜誌，收到雜誌才發現，封面竟然是自己的觀測影像，於是立刻打開來看，想知道內文如何介紹他們的成果。結果發現書中內容與這張照片毫無關係，只是因為雜誌編輯很喜歡這張照片，而將它放在封面。 

經典天文照片，藏著對宇宙的問題與解答 

哈伯望遠鏡拍攝的照片不只是美麗，更重要的是提供許多科學訊息。在 NGC 3603 星雲照片的左上角（雜誌封面的字母 G 上方）有一顆藍超巨星，與著名的超新星 1987A 的前身星相似。早先地面望遠鏡在這顆星周圍偵測到恆星拋出的物質，引起朱有花的興趣，於是她利用哈伯望遠鏡的高解析度，看見了清楚的環狀構造，發現半徑與超新星 1987A 周圍的環相近。朱有花認為，這顆藍超巨星大概很快就會爆炸，說不定會成為 21 世紀銀河系內的第一顆超新星！

在 NGC 3603 星雲的照片中間，還可看到一個星團，而星團中的大質量恆星把周圍氣體吹出一個氣泡。恆星風吹出的氣泡，也是朱有花利用哈伯望遠鏡研究的重要課題。

「大質量恆星都會吹出氣泡嗎？」朱有花在 1976 年讀博士班的時候，就提出這個問題。理論上，大質量恆星都會吹出氣泡，然而大多數恆星的影像中，都無法看到氣泡。到了 1990 年代，朱有花就想，假如氣泡真的存在，那哈伯望遠鏡總該看得到了吧！

然而觀測結果出爐後，卻發現仍然看不見氣泡。不過，朱有花利用光譜做動力學分析，確實找到了膨脹的氣泡。原來是因為氣泡膨脹速度太慢，約每秒 10-15 公里，只比宇宙中游離化氣體的聲速快一點（相較於地表，這些氣體密度很低、溫度很高，因此聲速快很多），因此震波（shock wave）微弱，不容易用影像拍攝的方式偵測。簡而言之，氣泡真的存在，只不過拍照拍不出來。經過 25 年努力，朱有花的疑惑終於得到解答！

朱有花也曾用哈伯望遠鏡，嘗試在超新星殘骸 N63A 尋找氣泡，結果沒有看到氣泡，卻看到許多微小的雲氣團塊。這些團塊被超新星殘骸快速膨脹的震波侵襲、加熱，正在蒸發。這個奇特的現象，讓人們窺見星雲之中複雜的交互作用。哈伯拍攝到的 N63A 影像相當特殊，但僅能看到雲氣團塊，無法看到超新星殘骸的球形外殼，需要 X 射線望遠鏡才能掌握全貌。 

2014 年回到臺灣後，朱有花主持科技部計畫，利用哈伯望遠鏡的資料研究 Ia 型超新星殘骸的起源。Ia 型超新星的爆炸機制，目前有兩種主流的說法：「一顆白矮星吸取伴星的物質而爆炸」，以及「兩顆白矮星合併而爆炸」。如果以第一種機制爆炸，伴星理論上會存活下來，因此若能找到存活的伴星，就是第一種機制的重要佐證。2017 年，朱有花與指導的學生李傳睿（現為中研院天文所博士後研究）合作，在超新星殘骸 N103B 尋找存活下來的伴星，找到一顆可能是伴星的星球，並在《天文物理期刊》發表成果。 

想使用哈伯望遠鏡，先提出觀測計畫 

朱有花能夠用哈伯望遠鏡拍攝這麼多影像，並非易事。事實上，想要使用哈伯望遠鏡，必須先提出觀測計畫，與全世界天文學家激烈競爭，以 2019 年來說，只有不到 20% 的觀測計畫通過。朱有花說，競爭到最後還是有點運氣成分，許多自認完美的計畫最後失敗了，反而有些倉促完成的計畫書，竟然無心插柳柳成蔭。光是爭取望遠鏡時間，天文學家就有不少甘苦談。

除了主動爭取觀測時間之外，朱有花也常利用哈伯的資料庫做研究。筆者在朱有花老師門下，亦有從資料庫中挖到寶的經驗。哈伯望遠鏡 30 年來累積了大量珍貴的數據，仍蘊藏許多人們未曾發掘的資訊。

哈伯望遠鏡拍攝的每一張美麗照片，背後都有天文學家的艱辛，以及豐富的科學內涵。欣賞照片的同時，不妨試著了解，人們如何透過這些照片，認識宇宙精彩的面貌。

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• 本文轉載自科技大觀園，原文為《接棒福三，福衛七號讓天氣預報更準確！》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

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。

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。 

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。 

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。

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。 

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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