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超大質量黑洞互繞共舞

臺北天文館_96
・2013/12/20 ・1411字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

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天文學家利用美國航太總署(NASA)的廣角紅外巡天探測器(Wide-field Infrared Survey Explorer,WISE),罕見地在遙遠星系的核心觀測到兩個超大質量黑洞(supermassive black holes)互繞運轉,就像一對翩翩起舞的伴侶。

澳洲望遠鏡緻密陣列(Australia Telescope Compact Array)和智利雙子南座望遠鏡(Gemini South telescope)的後續觀測更發現此星系不尋常的特徵,像是一條起伏不定的噴流-這可能是其中一個黑洞的噴流受到另一黑洞重力影響而搖擺不定的關係。

本篇研究刊載在12月10日出版的「天文物理期刊」(the Astrophysical Journal),第一作者蔡肇偉畢業於台灣大學物理系及中央大學天文學研究所,於美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)取得天文學博士學位,目前於美國航太總署噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)任職。蔡肇偉表示:「我們認為其中一個黑洞的噴流被另一個黑洞的重力影響,因此就像舞者的的彩帶般搖曳。若真如此,這兩個黑洞可能十分靠近,且重力互相牽絆影響。」

這項發現將幫助天文學家更了解超大質量黑洞是如何靠互相合併而成長。

WISE廣角紅外巡天探測器在2011年進入休眠狀態之前,已在紅外線波段進行兩次全天巡天工作。美國航太總署最近喚醒WISE使它重獲新生,它的新計畫代號是NEOWISE,而使命則是搜尋小行星。

這項新研究使用先前WISE所釋出的紅外巡天資料,天文學家查看了遍佈全天的數百萬個大質量黑洞影像,發現一個奇特的天體WISE J233237.05-505643.5。

本研究的共同作者,同時也是WISE計畫經理的Peter Eisenhardt指出:「一開始我們以為WISE在此星系所觀察到的不尋常現象,是因為快速的恆星形成所造成,但仔細確認後,我們認為這更有可能是巨大黑洞合併所產生的死亡迴旋。」

幾乎所有的大星系的核心都有達數十億太陽質量的超大質量黑洞存在,但黑洞究竟如何長成這麼大?其中一個方法是吞食周圍的物質,而另一個途徑則是透過星系的相噬。當兩個星系碰撞,它們的黑洞會掉入新結構的中心,深錮在重力探戈的舞步之中,直到合併成為一個更大的黑洞。

一開始黑洞互繞的舞步相當緩慢,兩者之間距離數千光年,目前天文學家僅確認少數幾個黑洞是處在此一合併的早期階段。雖著黑洞逐漸旋轉接近對方,兩者之間的距離會縮短到只剩數光年。

我們很難發現這一類的黑洞雙星,由於它們的體積太小,即使用最強大的望遠鏡也很難解析。迄今只有數個距離地球較近的黑洞雙星被確認,而新發現的WISE J233237.05-505643.5距離我們則遠的多,有38億光年之遙。

使用澳洲望遠鏡緻密陣列所觀測到的無線電波影像,對於確認WISE J233237.05-505643.5是個雙黑洞相當重要。位於星系核心的超大質量黑洞一般來說都會射出筆直的噴流,但此天體的噴流卻呈現彎曲的形狀,科學家們認為這正是由於另一個黑洞的重力影響所導致。

使用智利雙子南座望遠鏡所獲取的可見光光譜資料,也同樣不尋常,天文學家們認為這是因其中一個黑洞的重力使另一個黑洞的吸積盤物質堆積所導致。這些跡象指出,這極有可能是一個密近雙黑洞系統,儘管天文學家還無法確認這兩個黑洞之間的距離。

本文共同作者之一,在噴射推進實驗室任職的Daniel Stern指出:「我們在解釋這個謎樣的系統時相當小心,此系統有許多不尋常的特徵-從多重無線電波噴流,到雙子望遠鏡所暗示的不穩定吸積盤。雙黑洞在我們的宇宙中應該是個尋常的現象,也是能夠解釋目前所有觀測結果最簡單的模型了。」

天文學家預測,兩個黑洞合併的最終階段會釋放重力波,在時空中傳播。天文學家正利用脈衝星來偵測重力波的存在,以期能夠更瞭解這群謎樣的黑洞舞者。

資料來源:Massive Black Hole Duo: Possible Sighting by NASA’s WISE. JPL NASA[December 03, 2013]

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!

科技大觀園_96
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