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來認識「躺著自轉」的天王星!——太陽系內唯二的冰巨行星

ntucase_96
・2021/10/31 ・2771字 ・閱讀時間約 5 分鐘

天王星是非常有趣的行星。希臘羅馬神話中,它是土星的爸爸、木星的爺爺、火星的曾祖父。比起其他行星是「站著自轉」,天王星是「躺著自轉」。太陽系 8 顆行星當中大多都觀測到了 X 光的訊號。唯獨兩顆冰巨行星:天王星、海王星沒有。終於,研究團隊從 2002 年以及 2017 年的資料中找到了天王星上 X 光訊號的證據。本文帶大家認識一些天文星有趣的歷史、文化、以及認識這一篇 X 光的研究成果。

天王星的發現與特色

天王星的視星等大約為 5.5,是一顆非常暗的星,幾乎接近人眼的極限。平時在一般都市環境中非常不容易直接用肉眼看到,只有在晴朗、沒光害的夜空中比較有機會。

航海家 2 號於 1986 年拍攝的天王星。圖/維基百科

正式的發現、命名者是英國的威廉.赫雪爾(William Herschel)。一開始猜測是個彗星,後來才確認是個行星。英國國王喬治三世還因此以一年 200 英鎊的薪水聘僱他,依照零售物價指數(Retail Prices Index)來推算的話,相當於現今一年一百萬台幣的薪水 [2]

這筆薪資顯然相當優渥,本來赫雪爾想要將這顆星命名為「喬治之星」(Georgium Sidus)。不過當時除了喬治三世和赫雪爾以外,當時喜歡這個點子的人並不多。畢竟其他的行星都用希臘神話來命名,突然冒出一顆用英國國王命名的行星怎麼樣看都不合適。

最後由柏林天文學家約翰.波德(Johann Bode)的建議定案為「Uranus」,這個字的詞源是希臘神話中的天空之神「烏拉諾斯」。幾乎每個希臘神話中的腳色都能在羅馬神話中找到對應。「烏拉諾斯」對應到的就是「凱路斯(Caelus)」,是「薩圖恩(Saturn,即土星)」的爸爸;是「朱比特(Jupitar,即木星)」的祖父;更是「馬爾斯(Mars即火星)」的曾祖父。

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因此在希臘羅馬神話當中,天王星、土星、木星、火星可是祖孫四代呢。

恆星一般在天空中的相對位置幾乎是不變的,要花千年、甚至萬年才有可能看到一些變化。離太陽愈遠的行星,在天上的相對位置變化愈慢。木星要回到原來的位置要花 12 年、土星更要花上 30 年,天王星更慢,要 84 年!因為天王星在天上的相對位置實在變化得太慢了,以至於早期先民即使看到了天王星,也認為它是一顆恆星。

航海家 2 號(Voyager 2)即將跟隨它的前輩航海家 1 號(Voyager 1)離開太陽圈(Heliosphere)了。圖/NASA[3]

與其它的行星比起來,天王星離地球非常遙遠。唯一抵達天王星過的太空探測器是 1977 年發射,飛了將近 9 年後才抵達的航海家 2 號(Voyager 2)。這台探測器從地球出發,觀測了木星、土星、天王星、海王星之後,繼續一路向外飛,現在幾乎已經離開了太陽系。

上面大多數的儀器都已經缺少電力、無法運作,只保留了最基本的功能。去年底對它發射訊號時,在將近 35 小時之後還是收到了回應。

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天王星在太陽系的八顆行星裡面,有著一個非常奇特的性質:「躺著自轉」。其他七顆行星的自轉與公轉差不多是在同一個平面上,以地球為例子,地球的自轉軸與公轉軸只差了 23.5° 左右。

但是天王星的自轉軸與公轉軸相差了 98°。如果把公轉面想像成水平面的話,地球的自轉就像是一個旋轉的陀螺,而天王星則是電風扇的扇葉。

太陽系各顆行星的自轉方向及轉軸,大多數的行星都像陀螺一樣、自轉平面與公轉一致,但是天王星卻是躺著的。圖/NASA[4]

天王星上的 X 光訊號!

太陽系的行星成員當中,除了地球以外,水星、金星、火星、木星、土星都偵測到過 X 光的訊號,甚至連彗星、以及矮行星冥王星都偵測到過 X 光。在最近這篇研究出來之前,行星當中就只剩下兩顆冰巨行星:天王星、海王星還沒有量測到 X 光。

最近,研究團隊檢視了「錢卓拉 X 射線天文台(Chandra X-ray Observatory)」的觀測數據,研究團隊量測到了天王星上的 X 光,研究結果發表在期刊《地球物理研究期刊:太空物理學(JGR: Space Physics)》當中 [5]

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圖/NASA [1]

錢卓拉 X 射線天文台是當代最重要的 X 射線望遠鏡。自 1999 年發射升空服役到現在,累積了非常多的觀測資料,有許許多多 X 光的重要觀測貢獻都來自於這台望遠鏡。然而宇宙間能觀測的天體實在太多啦,對天王星的觀測其實非常稀少。截至 2020 年 6 月,只有三次對天王星的觀測:2002 年 1 次、2017 年 2 次。到了這一兩年研究團隊才從這些資料中找到了天王星上 X 光的訊號。

錢卓拉 X 射線天文台(Chandra X-ray Observatory)。圖/NASA [1]

X 光是電磁波頻譜上高頻率、高能量的波段。要產生 X 光,一般來說要有特殊的環境才可以。天王星上 X 光最主要的來源是對太陽光的散射。太陽光本身是一個很強的 X 光光源,即便天王星離太陽這麼遠,太陽所發出來的X光到了天王星以後,被天王星的氣體分子散射開。這個機制是天文學家已知的,過去在木星、土星上面看到的 X 光也都是這一類。

特別的事情是,天文學家藉由木星、土星的數據推算了一個天王星上可能量測到的 X 光強度。但研究量測後卻發現 X 光的強度比推算的數值還要更強。這有幾個可能,一個是天王星對太陽 X 光散射的效果比木星、土星更好。另外一個可能性就是天王星有額外的 X 光產生機制。

目前推論與天王星周遭的帶電粒子有關。比方說,天王星和土星一樣,周圍有一圈環。當帶電粒子撞擊到天王星環的時候,就有機會放出 X 光。另外一個可能性是「極光」,當帶電粒子因為磁場等效應掉進大氣層、與大氣分子相撞後,也有機會放出 X 光。這個現象在木星上也看到過。不過到底是哪個機制就仰賴未來更多的觀測了。

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天王星在太陽系是很重要的存在,它是離我們最近的冰超巨星、而且還躺著自轉,讓我們有機會以不同的角度觀測行星。太陽系的冰超巨星只有兩顆,由於距離遙遠,都很不容易觀測。現在好不容易在天文星上看到了 X 光的影像,使我們得以更全面地了解冰超巨星的性質。對太陽系內、太陽系外的行星都能有更全面的理解。

參考資料:

  1. NASA / First X-rays from Uranus Discovered
  2. Measuring Worth
  3. NASA Planetary Photojournal / NASA Voyager 2 Could Be Nearing Interstellar Space
  4. WASP Planets
  5. R. Dunn et al., A Low Signal Detection of X-Rays From Uranus, Journal of Geophysical Research,  (2021)
  6. SciTechDaily / First Detection of X-rays From Uranus
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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秋季星空中一抹光亮:北落師門殘屑盤的觀測史——《科學月刊》
科學月刊_96
・2024/01/19 ・4118字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 謝承安/ EASY 天文地科團隊成員,因喜愛動畫《戀愛中的小行星》開始研究小行星,現就讀臺大物理系。
  • 林彥興/清大天文所碩士, EASY 天文地科團隊總編輯,努力在陰溝中仰望繁星。
  • Take Home Message
    • 殘屑盤是恆星周遭的盤狀結構,由於北落師門殘屑盤離地球僅 25 光年,數十年來天文學家時常會藉由觀測它以了解殘屑盤的特性。
    • 去(2023)年韋伯望遠鏡的觀測結果與過去不同,顯示北落師門殘屑盤其實分成多個部分,更讓他們相信北落師門中有多個行星環繞。
    • 韋伯望遠鏡提供的影像還揭露許多來源未知的構造及現象,例如內側殘屑盤與內側裂縫等,都有待繼續探索。

北落師門(Fomalhaut)又稱南魚座 α 星,是秋季星空中著名的亮星之一。去年 5 月,以美國亞利桑那大學(University of Arizona)天文學家加斯帕(András Gáspár)為首的研究團隊在《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊上發表,他們藉由詹姆士.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST,簡稱韋伯望遠鏡),在北落師門周圍殘屑盤(debris disk)中首次發現了「系外小行星帶」的存在。韋伯望遠鏡拍下美麗的照片,也瞬間席捲各大科學與科普媒體的版面(圖一)。

圖一:韋伯望遠鏡在波長約 25 微米(μm)的中紅外線拍攝的北落師門影像,首次呈現北落師門殘屑盤中的三層結構。(NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

天文學家選擇北落師門作為目標並非偶然。半個世紀以來,北落師門一直是天文學家研究殘屑盤時的首選目標之一。韋伯望遠鏡的新影像為我們帶來什麼新發現?過去與現在的觀測方式又有什麼差異?本文將帶著大家一起回顧北落師門殘屑盤的觀測史。

行星相互碰撞後的殘屑盤

殘屑盤是環繞在恆星周遭,由顆粒大小不一的塵埃所組成的盤狀結構。如果讀者們聽過行星形成的故事,也知道行星是從恆星四周、由氣體與塵埃組成的「原行星盤」(protoplanetary disk)中誕生,那你或許會認為殘屑盤可能就是行星形成後剩下的塵埃。但實際上並非如此,在恆星形成初期的數百萬年間,原行星盤中的氣體和塵埃會被恆星吸積或是吸收恆星輻射的能量後蒸發,同時也會聚集成小型天體或行星,這些原因都會使原行星盤消散。而殘屑盤則是由盤面上的小行星等天體們互相碰撞後,產生的第二代塵埃組成(圖二)。

圖二:殘屑盤想像圖(NASA/JPL-Caltech)

這些塵埃發光的機制主要有兩種。第一,塵埃本身可以散射來自母恆星的星光,從而讓天文學家能在可見光與近紅外波段看到它們。第二,塵埃在吸收來自恆星的星光之後,以熱輻射的形式將這些能量重新釋放。由於恆星的光強度與距離成平方反比,愈靠近恆星,塵埃的溫度就愈高,因此發出的輻射以近紅外線為主;反之,愈是遠離恆星,塵埃的溫度就愈低,發出的光就以中遠紅外線為主。

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觀測目標:北落師門

北落師門殘屑盤的觀測始於 1983 年。當時,美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的紅外線天文衛星(Infrared Astronomical Satellite, IRAS)發現北落師門在紅外線波段的亮度異常高,代表周圍很可能有殘屑盤圍繞。由於北落師門離地球僅約 25 光年,這項發現引起眾多天文學家的關注,並在未來數十年前仆後繼地拿出各波段最好的望遠鏡,希望藉此深入了解殘屑盤的特性。其中,哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST,簡稱哈伯望遠鏡)、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)與韋伯望遠鏡擁有非常好的空間解析度,因此能夠清楚地觀測殘屑盤的結構。

● 哈伯的觀測

2008 年, NASA 公布哈伯望遠鏡在 2004 與 2006 年對北落師門的觀測結果(圖三),讓天文學家首次清晰地看到北落師門殘屑盤的影像。這張照片是哈伯望遠鏡以日冕儀(coronagraph)在 600 奈米(nm)的可見光波段下拍攝,中間的白點代表北落師門的位置,而周圍的環狀亮帶正是因散射的北落師門星光而發亮的殘屑盤,放射狀的條紋則是日冕儀沒能完全消除的恆星散射光。除此之外,天文學家還發現有一個亮點正圍繞著北落師門運行,並認為此亮點可能是一顆圍繞北落師門的行星,於是將它命名為「北落師門 b 」。很可惜在往後的觀測中,天文學家發現北落師門 b 漸漸膨脹消散,到 2014 年時就已經完全看不見了。因此它很可能只是一團塵埃,而非真正的行星。

圖三:哈伯望遠鏡於 2008 年公布的北落師門。中間白點代表北落師門的位置,周圍環狀亮帶是因散射北落師門的星光而發亮的殘屑盤,放射狀條紋則是沒完全消除的恆星散射光。右下角亮點當時被認為是圍繞北落師門的行星,但很可能只是塵埃。(Ruffnax (Crew of STS-125);NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, and E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Calif.), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.)

● ALMA 的觀測

ALMA 對北落師門的完整觀測於 2017 年亮相,他們展示出更加清晰漂亮的環狀結構,且位置與哈伯望遠鏡的觀測吻合。正如前面提到,殘屑盤中的塵埃溫度愈低,放出的輻射波長就愈長。因此 ALMA 在 1.3 毫米(mm)波段觀測到的影像,主要來自離殘屑盤中恆星最遠、最冷的部分。

圖四: ALMA 於 2017 年拍攝的北落師門殘屑盤,展示出清晰漂亮的環狀結構。(Sergio Otárola|ALMA (ESO/NAOJ/NRAO);M. MacGregor)

● 韋伯望遠鏡的觀測

最後則要來看去年韋伯望遠鏡所使用中紅外線儀(mid-infrared instrument, MIRI)拍攝的影像(圖五)。與之前的觀測不同,這次的影像顯示北落師門的殘屑盤其實分成幾個部分:

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圖五:韋伯望遠鏡在 25 微米波段觀測到的北落師門殘屑盤。(NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez;NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

首先,哈伯望遠鏡與 ALMA 之前就已觀測到的塵埃環,它的半徑約 136~150 天文單位(AU)、寬約 20~25 AU,而溫度則落在約 50~60 K,與太陽系的古柏帶(Kuiper belt)十分相似,因此被稱為「類古柏帶環」(KBA ring)。雖然在觀測上的溫度相似,但其實此塵埃環與北落師門的距離是古柏帶到太陽的四倍;不過北落師門光度約為太陽的 16 倍,根據前述提及的平方反比關係,才導致兩者的溫度相近。此外,在更外層名為「暈」(halo)的黯淡結構則對應古柏帶外圍天體密度較低的區域。

再來,韋伯望遠鏡還發現了更多未解的謎團:內側殘屑盤(inner disk)與中間環(intermediate ring)。其實早在本次韋伯望遠鏡的觀測之前,天文學家就已經從北落師門的光譜推測,北落師門的殘屑盤中除了存在前面提過的類古柏帶環之外,應該還有另一批更靠近恆星、溫度更高的塵埃,溫度與大小對應太陽系中的環狀小行星帶。但當韋伯望遠鏡實際觀測後,卻發現與太陽系的環狀小行星帶相比,北落師門有著相當瀰散的內側殘屑盤。為什麼會有這樣的不同呢?目前天文學家也不清楚,仍待進一步研究。

最後,在類古柏帶環與內側殘屑盤之間,還存在著一個半長軸約 104 AU 的「中間環」,在太陽系中則沒有對應的結構,這項新發現也需要進一步的研究來了解它的來源。

此外,雖然北落師門 b 最終被證實並不是一顆行星,但這並不代表北落師門旁沒有行星環繞。最初,殘屑盤的形成原因是由小行星等天體不斷碰撞所產生,經過不斷地碰撞合併,其實就有可能已經產生直徑數百到數千公里的行星。從北落師門的殘屑盤還可以推論,在內側殘屑盤與中間環之間可能有一顆海王星質量以上的行星,它就像鏟雪車般清除軌道上的塵埃,從而產生「內側裂縫」(inner gap)的結構。

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另一方面,天文學家也藉由數值模擬發現,如果僅考慮來自北落師門的重力影響,類古柏帶環應該要比觀測到的更寬才對。因此他們推測,很可能在類古柏帶環內外兩側有兩顆行星,像控制羊群的牧羊犬一樣以自身的重力限制塵埃移動,才產生了這麼細的塵埃環。

● 更多的殘屑盤觀測

北落師門雖然是一顆年齡僅4.4億年的年輕恆星,卻已經是一個擁有殘屑盤、形成行星的成熟恆星系統。而來自韋伯望遠鏡的最新觀測結果,無疑讓天文學家更深入地認識殘屑盤中複雜的結構,也更令他們相信北落師門系統中有多個行星環繞。

不過,北落師門系統仍舊有許多未解之謎。例如為什麼太陽系有著環狀的小行星帶,北落師門卻是瀰散的內側殘屑盤?在無數的恆星中,究竟是太陽系還是北落師門的殘屑盤構造比較常見?殘屑盤中是否有行星存在?如果有,在北落師門的演化歷史中又扮演著怎樣的角色呢?這些問題都有待更多的觀測與理論模擬來解答。

在北落師門之後,觀測團隊預計將韋伯望遠鏡指向天琴座的織女星(α Lyr, Vega),以及位於波江座的天苑四(ε Eri),兩者都是離地球非常近且擁有殘屑盤的恆星。其中織女星的溫度與質量比北落師門更大,而天苑四的質量與溫度雖然比太陽小,卻有強烈的磁場活動。藉由觀測不同系統中殘屑盤的性質差異,並與太陽系進行對比,不僅能更加認識殘屑盤的起源、與行星的交互作用,更能理解我們自己的恆星系中,數百萬顆的太陽系小天體從何而來。

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JWST 原始資料的處理過程影片介紹,非常值得一看!

  • 〈本文選自《科學月刊》2024 年 01 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

延伸閱讀

  1. Galicher, R. et al. (2013). Fomalhaut b: Independent analysis of the Hubble space telescope public archive data. The Astrophysical Journal, 769(1), 42.
  2. MacGregor, M. A. et al. (2017). A complete ALMA map of the Fomalhaut debris disk. The Astrophysical Journal, 842(1), 8.
  3. Gáspár, A. et al. (2023). Spatially resolved imaging of the inner Fomalhaut disk using JWST/MIRI. Nature Astronomy, 1–9.
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多功能又超便利USB Type-C顯示器,看似完美其實潛藏風險?
宜特科技_96
・2023/07/28 ・3713字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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一個人正在同時使用雙螢幕連接筆電跟桌機
圖/宜特科技

可傳輸、可充電,且高清畫面的 USB Type-C 顯示器,你了解多少呢?如此多功能,幾乎可取代主機的 USB Type-C 顯示器,卻隱藏了五個潛在風險!

本文轉載自宜特小學堂〈別讓相容性成為產品的絆腳石 如何解決USB Type-C顯示器雙功能支援問題〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

2022年底,歐盟議會正式拍板定案,強制在2024年秋季前,在歐盟銷售的手機、平板、數位相機等消費性電子產品,都必須統一使用 USB Type-C 充電介面,降低電子垃圾產量。

歐盟執行委員Margrethe Vestager拿著各種規格的線材
歐盟通過2024年底充電器將統一 Type-C 規格,圖為歐盟執行委員。圖/Margrethe Vestager推特

消息一出,市場目光紛紛轉向獨立規格的蘋果,更有傳言,今年九月登場的蘋果旗艦手機 iPhone 15 系列,也終將改為 USB Type-C,正式跟 Lightning 說再見。

其實不只是手機,近年來在消費性電子產品, USB Type-C 早已是主流規格。無論是系統端、筆記型電腦、儲存裝置、顯示器等,各種 3C 周邊產品,都可看到 USB Type-C 介面的蹤跡。

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一台蘋果的平版跟Lightning、USB TYPE-C 接頭
USB Type-C 將取代 Lightning 接頭。圖/宜特科技

為什麼 USB Type-C 如此受到歡迎?它的最大優勢,就是可以將檔案傳輸、影像輸出及充電功能全部集合在同一條連接線中,並提供高達 100W 的充電電流!也不像早期一種產品就需要一種規格的線,光 USB 這個介面,就讓消費者常常被混淆不清到底是用了哪一種規格的 USB 線材。

因應市場趨勢,許多顯示器大廠也將顯示器不拘限於單一功能,而是開發出集多功能於一身的機種。例如:結合了 USB Hub (USB集線器)功能與網路功能,可替消費者節省另外購買USB Hub等周邊產品的費用,也增加了桌面使用空間。於是,顯示器是否具備多功能,也逐漸成為使用者選購的指標之一。

那你的螢幕有 USB Hub 功能嗎?若螢幕不再只是螢幕,對生活有多少改變嗎?

一、 再也不必彎腰找主機插槽,從螢幕就能輕鬆傳輸資料

如同前面所述,當螢幕顯示器不再只有基礎的顯示功能,新增的 USB Hub 端搭配 Type-C 介面,更能幫助使用者將眾多裝置集結在一台裝置中。

例如:儲存裝置,如外接硬碟及小型隨身碟、外接鍵盤、滑鼠等,或是其它不需再外接電源的 USB 相關設備,都可以一併接到螢幕的 USB Hub ,再也不必再彎腰找主機的 USB 插槽,還擔心電線亂糟糟。

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USB TYPE-C螢幕顯示器可以連接的裝置示意圖
螢幕不僅有顯示功能,後端的 USB Hub 搭配 Type-C 介面,讓使用者輕鬆連結許多裝置。圖/宜特科技

甚至,已經有推出可支援網路介面的顯示器!讓使用者在電腦主機沒有網路介面的情況下,可以透過顯示器使用有線網路,讓自己無論是處在有線或無線的網域時,都能夠方便的使用網路,真是太方便了。

二、 USB Type-C 顯示器支援雙功能,高速傳輸還是高清畫質,由你來決定

擁有 USB Hub 的顯示器,還有一個更厲害的功能,就是使用者可在高速傳輸和高解析度這兩項功能中,自行切換優先權。

基於 USB Type-C 介面在顯示部分中,依循的規範是 VESA(Video Electronics Standard Association, 視訊電子標準協會)DisplayPort 規範中的 Display 替代模式(DisplayPort Alt Mode)。

而將 DP 技術應用在 USB Type-C 介面中,被稱為 DisplayPort Alt Mode Over Type-C 技術。 DisplayPort Alt Mode 擁有多樣性傳輸模式,即可同時傳遞高解析度影像、USB 檔案傳輸及充電功能。

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品牌廠在開發商品時,為了製造更便利於消費者的功能,便在設計上賦予 USB Type-C 使用者自行選擇「顯示解析度」或「資料讀取速度」這兩方面的優先權 (USB Prioritization Function)。

VESA 是什麼單位?什麼又是 Lane?
VESA 是「視訊電子標準協會」英文全名 Video Electronics Standards Association的縮寫,該協會制定了許多關於視訊及顯示周邊產品功能的安裝標準、測試規範、標準測試認證等等,它們為 PC、工作站和消費電子行業制定行業範圍的接口標準,展現產品有獲得 VESA 的認證,對於廠商來說是品質的肯定。

那什麼是「Lane」?
DisplayPort 這個介面,跟 HDMI 之類的顯示介面不同,它分成四個通道(Lane)來發送訊號。依據使用者的視頻產品設定,決定頻寬的使用量,看會需使用到兩個通道或四個通道的頻寬,也就會稱為 2 Lane 或 4 Lane 。
而當DP技術應用在 USB Type-C 介面中,就是把 DisplayPort 的顯示頻寬與 USB Type-C 的 USB 頻寬,都必須包含在 4Lane 頻寬內去使用。

看起來可能有點抽象,我們依循 VESA Display Port 規範,實際舉例兩種使用情境來說明:

(一) 降低解析度,提高傳輸速度,使用 DisplayPort 2 Lane 頻寬:High Data Speed

第一種,使用 2 Lane 頻寬,僅用原本顯示頻寬的一半,來處理顯示的解析度及畫面構成,並將 USB 資料傳輸頻寬,調整至 USB 3.0 的速度來使用。

例如:為提高 USB 資料的傳輸速度至 USB 3.0 ,來達到高速傳輸的效果,更改使用設定為: 將原可支援到 4K 解析度更新率為 60fps (3840×2160@60Hz)的螢幕,調降成顯示解析度至 4K 解析度更新率為 30fps(3840×2160@60Hz)或是 2K(2560×1440)的解析度。

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(二) 支援高解析度最佳畫質,降低資料傳輸頻寬使用 DisplayPort 4 Lane 頻寬:High Resolution

第二種,使用 4 Lane 頻寬,讓支援到 4K(3840×2160@60Hz)更新率的高解析度螢幕,可優先使用最佳畫質來顯示。由於 USB Type-C 的頻寬是固定的,資料傳輸就會降到 USB 2.0 的速度。

三、方便之餘,潛在的風險知多少?

這類的產品設計上,對於使用者來說,真是一項智慧及便利的功能。但其實,在設計及開發的過程中,要完美兼具顯示及 USB 資料傳輸功能,卻不是一件容易的事。

為了確認產品品質,廠商需要讓顯示器做相容性測試(Compatibility Test),而宜特訊號測試實驗室,從累積了上千筆的實驗數據中,分享五項最常見的疑難雜症:

(一) 畫面全黑,突然從螢幕中看到了自己
在螢幕相容性上最常出現的問題,就是顯示器因無法正常接送訊號,而呈現出畫面全黑的狀況,也就是所謂的黑屏,造成使用者無法正常看到電腦畫面。
然而,這只是常見問題之一。

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一個男人的螢幕呈現黑屏
顯示器因相容性問題造成的黑屏狀況。圖/宜特科技

(二) 畫面出現雜訊,不是你眼花是它真的有問題
另一種在相容性上很常出現的問題,顯示器會出現零點幾秒鐘,甚至長達一至兩分鐘的雜訊畫面,干擾了使用者正常使用電腦的狀況。

一個女子的螢幕顯示器畫面出現雜訊問題
因相容性問題導致螢幕出現雜訊。圖/宜特科技

(三) 電腦主機莫名重新啟動,導致使用者資料通通消失
相容性中有一個很深奧的問題,就是 USB 速度上的切換,會使得電腦主機無端地自動重新啟動,導致使用者正在使用的資料,均無法被儲存,工作中的任何內容,都有被抹滅的風險。

(四) 資料存取速度慢,說好的 USB 3.0 高速傳輸呢?
資料傳輸速度應該提高至 USB 3.0 的裝置,卻仍舊停留在 USB 2.0 的速度。如何確認產品達到 USB 3.0 宣稱的 Super Speed ? 我們可藉由檢查 USB 速度的軟體工具,來確認其 USB 速率模式是否只有 High Speed ,而非宣稱的 USB 3.0 Super Speed。

(五) 資料無法被讀取
USB 設備無法被電腦讀取或使用,此點比例稍低於前面幾項。當此問題發生時,通常 USB Hub 還能運作,只是對於某些品牌的 USB 設備相容性較差,導致該設備無法在螢幕 USB Hub 上正常運作。而發生問題的設備也較廣泛,常見的包含 USB 隨身碟、視訊攝影機、滑鼠鍵盤等等。

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五大常見的螢幕相容性問題比例圓餅圖
透過宜特訊號測試實驗室的資料庫,上述問題發生的比例。圖/宜特科技

上述五項問題中,「黑屏」(Black Screen)與「雜訊」(Corruption),算是比較嚴重且常見的相容性問題,深切影響使用者對於該產品,乃至整個品牌的信任度。按圖四來看,在螢幕 USB Hub 問題中,此兩種加起來所占的比率將近50%之多,不可不重視。

近年,各大品牌廠力推的整合型產品,對於消費者來說,增加了更多的便利性,能搭配的周邊設備種類也是千變萬化。但隨之而來的,即是各類設備的相容性問題浮上檯面,那要廠商該如何確保產品品質呢?

宜特訊號測試實驗室,除了可提供 USB/DisplayPort/HDMI/VESA DisplayHDR 等多項標準測試及官方認證服務外,針對各式各樣不同的客戶產品功能,能客製化制定相容性的測試項目,並依循著使用者角度,設計出專業詳細的測試步驟,找出產品與其周邊設備相容性的問題點,協助客戶解決棘手問題,更能為品牌客戶的 USB Type-C 及其他各類產品的相容性嚴格把關。

本文出自 宜特科技

宜特科技_96
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