克卜勒衛星捕捉到眾多多重行星系統

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

浩瀚宇宙中，地球是唯一具有生命的星球嗎？會不會在銀河系內的某顆星球上，也有個高度文明在凝視著我們？望著繁星點點的夜空，總不免會興起這樣的念頭吧？然而我們看到的星星，除了幾顆是系內行星與人造衛星之外，其實都是像太陽這樣的恆星，上面本來就不可能有生命。要尋找外星生命，我們得把目標放在繞著恆星轉的行星。

問題是，行星本身不會發亮，我們如何看見太陽系外的行星？

的確，即使行星會反光，若非過於微弱，就是被恆星的光遮蔽。因此長久以來，天文學家普遍相信我們不可能發現系外行星。但是1995年，瑞士日內瓦大學的梅爾（Michel Mayor）與奎羅茲（Didier Queloz）卻宣稱在51光年外的飛馬座51恆星發現一顆行星。這是怎麼做到的？

原來行星繞著恆星公轉時，恆星會因行星的重力作用拉扯而產生輕微擺動，影響恆星朝向地球與遠離地球時的速度，而產生不同的光譜偏移。從偏移程度可以推知恆星相對於地球的運動速度，如果速度呈現週期性變化，就表示有行星存在，而且還能推算出行星的質量大小。

不過這個方法除了質量，對行星仍一無所知。不過，1999年11月5日，美國加州大學柏克萊分校在飛馬座中距離地球約150光年處，發現一顆繞行恆星HD 209458的行星，除了知道它的質量是木星的0.7倍（相當於地球的220倍），還知道體積是木星的2.5倍、大氣成分含有氧和碳。

這顆編號為HD 209458b，別名「歐西里斯」（Osiris）的行星是首度以「凌日法」觀測到系外行星。凌日法的原理是：行星軌道若介於母恆星與地球之間，當它橫過恆星表面時會擋住一小部分的光，我們就可以根據恆星發光的減少程度推算行星的體積。而且恆星的光穿過行星的大氣層時，會被其中所含的元素吸收特定頻率的光，而改變光譜，因此可以得知行星的大氣成分。

歐西里斯的發現是尋找系外行星的重要里程碑，因為知道大氣組成有助於更有效率地發現適合居住的星球。至2014年為止已經發現了約一千顆系外行星，而在質量略大於地球的「超級地球」中，擁有大氣層與一定溫度以上的系外行星更被視為尋找外星生命的優先對象，就讓我們拭目以待吧。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

美國航太總署（NASA）所屬的克卜勒衛星（Kepler）以凌日法搜尋系外行星的方式成果卓越，不僅在任務開始的頭4個月就發現1200多顆疑似系外行星的資料，而且其中的408筆資料是在多重行星系統中，也就是說，這個系外行星系統很可能包含了2個以上的系外行星，而這些多重行星系統有很多都與我們太陽系迥異。

克卜勒衛星是利用行星行經母星前方，遮蔽母星而使母星亮度下降的凌日法來偵測系外行星的存在。從母星星光降低的程度，天文學家可估計行星的大小；再從行星穿越母星盤面的時間，可估算出行星繞母星一周的公轉週期。換言之，這種方式必須是行星軌道面幾乎側向地球；而在同一個行星系統中觀測到好幾個凌日行星，代表這些行星的軌道通通得幾乎側向地球。

在我們太陽系中，有些行星的軌道相對於黃道面的傾角高達7度左右。如果有個其他行星系統上的外星天文學家觀察我們太陽系，並無法透過凌日法看到全部8顆行星，尤其是軌道傾角高達7度的水星和高達3.4度的金星。因此相較之下，克卜勒偵測到的多重行星系統，似乎多半比太陽系還扁平，它們的軌道傾角差異多在1度之內。為什麼會這樣？

天文學家認為：其中一個線索在於行星本身。克卜勒衛星發現的多重行星系統，主要都是以比海王星小的行星為主，缺乏木星級的氣體巨行星。科學家相信：氣體巨行星的強大重力，在行星系統剛形成沒多久的階段，會擾亂行星系統，增加鄰近行星的軌道傾斜角。證據之一是其他研究已找到許多有氣體巨行星的行星系統，但這些行星系統不像克卜勒衛星找到的那樣扁平。

多重行星系統可能提供一個機會，讓天文學家得以確認那些體積較小的岩質行星的密度。行星質量愈大，利用徑向速度法（radial velocit）偵測到的機會愈大，也就是說，它們的重力拉動母恆星、使母星位置變動的情形會更明顯。但類似地球體積、地球軌道的系外行星，其質量不足以拖曳母星、使它的位置變動大到現代科技得以偵測的地步。

在那些有一個以上凌日行星的系外行星系統中，天文學家可以從另一方面來檢測行星狀態，就是凌日時間的變動。各個行星從母星前方通過所需的凌日時間，其實會因彼此間的重力交互作用而稍有變動，變動量的大小就與這些行星的質量有關。克卜勒衛星觀測到得多重行星系統，許多都有這樣的凌日時間變動現象。

目前克卜勒衛星仍持續收集資料中，它可以觀測到距離母星較遠的寬軌行星，其中有些還剛好位在其母恆星的適居區（水能以液態存在的區域）中。而凌日時間變動在確認岩質行星工作上，可能是個關鍵；如果這些岩質行星又恰好位在適居區中，那麼這些岩質行星的表面或許就有對生物生存很重要的液態水存在。

資料來源：Kepler’s Astounding Haul of Multiple-Planet Systems, 2011.05.23, KLC

本文引用自臺北天文館之網路天文館網站

(Kepler-37系外行星家族與其他太陽系行星的大小比較。圖出處:NASA)

文 / WhyJ

天文學界搜尋系外行星的競賽在一般人的眼中看起來可能很有趣：找到越小的系外行星，代表你或你的研究團隊越厲害！筆者推測，Kepler-37b這顆NASA在今年二月宣布發現的比水星還小的系外行星，應該可以讓他們炫耀好一陣子吧。

從第一顆系外行星被發現以來，至今雖然未滿20個年頭，但在這短短的時間內，進展可謂一日千里。從剛開始只能探測比木星還要大好幾倍的氣體巨星，逐漸地增加探測下限，世界各國的研究者都在絞盡腦汁思考如何能探測更小的行星，尤其是像太陽系內類地行星的這種大小，更是天文學家亟欲搜尋的熱門焦點。

近幾年來，觀測技術與儀器的進步終於讓我們以大海撈針的搜索方式找到了跟地球大小差不多尺寸的系外行星，例如NASA在2009年發射的克卜勒太空望遠鏡，就是專門用來執行搜索系外行星的任務。而它也不負眾望，到目前為止竟然已經發現了2740顆可能的系外行星！其中有些甚至是同一顆恆星具有許多衛星，儼然已經是「另一個太陽系」。

這次的主角Kepler-37，也是克卜勒太空望遠鏡所調查的一顆恆星。今年二月Barclay等人新出爐的研究指出，在Kepler-37的光度隨時間變化的曲線中，存在著因為行星運行至恆星前面，而造成恆星的光度短暫下降，並週期性重複的現象。這種方法稱為「凌日法」，是目前探測與地球大小相當的系外行星的少數辦法之一。由於行星越小，凌日時能夠遮掩恆星的部分越少，觀察到的光度下降量就越低，因此越難偵測。但如果反過來思考，只要知道恆星的光度下降量，就可以回推系外行星的精確大小。經過計算後，Kepler-37有三個行星，分別為Kepler-37b, -37c與-37d，而他們的相對大小如圖所示。

發現了嗎? Kepler-37b比水星還要小，跟月球的尺寸相當。這發現可謂意義重大：如果有個一模一樣的「太陽系」在遙遠的深空彼端，科學家終於有能力把裡面的成員一一揪出來了! 雖然對外星生命的狂熱者來說，因質量太小而不太可能有大氣或海洋存在的Kepler-37b可能是個令人失望的行星，但Barclay等人的論文中倒是有句宣示意味濃厚的結語：「以後這種大小的行星一定會越找越多!」，看來系外行星探索的任務，還真是令人期待。

參考資料：

• NASA’s Kepler Mission Discovers 461 New Planet Candidates. NASA [01.07.2013]
• Barclay et al. (2013), A sub-Mercury-sized exoplanet. Nature 494, 452-454.