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新奇星系透露閃亮故事

臺北天文館_96
・2011/09/05 ・2158字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 579 ・九年級

(中研院天文所祝熹博士研究)

距離地球16億光年外,一個有著多重特色的星系,為天文學家帶來了一個前所未有的大好機會,得以直接一窺宇宙早期歷史。新發現的這些重要證據不僅對於星系及星系團如何生長的過程細節具有關鍵意義,整個發現進行的過程也令人驚嘆連連。

橢圓星系往往產生許多強大、以接近光速移動的次原子粒子噴流。相對於橢圓星系,目前為止,螺旋星系方面已知則僅只有兩個星系具有此強大噴流現象,本次研究主題,研究員起名以Speca稱之的星系,正是其中之「唯二」,(另一則是著名的M87星系)。且特別值得一提:Speca還顯示出這些噴流活動分階段發生於三個個別不同的時期。

高速而巨型的粒子噴流,能量由位在星系核心的超大質量黑洞供應,無論橢圓星系和螺旋星系都蘊藏有黑洞,但在諸多螺旋星系中,目前只發現Speca和M87這兩個螺旋星系發射出巨型噴流。噴流物質,從環繞著黑洞快速旋轉的氣體盤兩極向外大量噴出,並且這些噴流還會「時開時關」,此情節,以橢圓星系來說,天文學家已目睹過不下十餘回,但除了Speca以外,另外就只有一個橢圓星系拿得出像這樣在單一星系中顯示出三階段的證據。

中研院天文所博士後研究員Ananda Hota(中譯名:祝熹)表示:「這可能是我們所見過最奇特的一個星系。它將帶領我們認識星系和星系團最初如何形成,並發展成我們今天所看到的星系和星系團。」

科學家們認為距離地球17億光年的Speca,以及位在同一星系團中,其他60位兄弟姐妹星系,能讓我們更加清楚認識宇宙在較早期的年輕樣貌為何。當我們的宇宙年輕時,星系團裡的星系一定是有著很多用不玩的剩餘材料、相簇相擁、聚集成堆、相互碰撞,上演著新興恆星持續爆發的形成過程,並且也和自外向內落入星系團的原始物質維持著互動進行式。

祝熹說:「Speca最特別之處是它帶來許多證據可以支持這些多樣化的現象,未來我們希望能找到更多和Speca相似的星系,詳細了解當宇宙年齡遠比現在年輕時,一般性的演化過程怎樣進行,以及當時的環境狀況如何。」

位在17億光年以外的Speca星系一開始是如何吸引了祝熹和其他研究團隊成員的目光呢?首先他們參考的是一張SDSS巡天計劃在可見光中所得的影像,該張圖像已和美國國家科學基金會贊助的VLA電波望遠鏡陣列FIRST巡天計畫資料合成。接下來,研究團隊又陸續參考了臺灣鹿林山望遠鏡的可見光觀測所得,以及NASA的GALEX衛星的紫外線資料,經多方資料綜合後,確認該發射出無線電波訊號之電波波瓣,的確來自於一個恆星正在形成的螺旋星系無誤。按天文觀測過去的經驗,通常只在橢圓星系中曾發現此類波瓣的影蹤。

祝熹和他的團隊接下來又借助來自美國NSF的NVSS巡天資料檢視Speca星系的圖像,進一步強化他們的研究,並且又運用了專長於「長波長觀測」的印度GMRT電波望遠鏡(Giant Meterwave Radio Telescope),重新進行新的觀測項目。上述每一組望遠鏡設備都為這道謎底解開帶來相當重要的貢獻。

經過收集電磁頻譜上各種不同波段的數據後,研究人員開始能夠揭開Speca星系複雜、引人入勝的歷史面紗。

從VLA的FIRST巡天計畫中,研究人員看到第一對發射出無線電波訊號的波瓣。而VLA的NVSS圖像則顯示了另一對較遠、與第一對不同的電波波瓣。 第二對電波波瓣在GMRT的觀測中,不僅獲得證實,並且GMRT又在較為靠近該星系的區域中發現另一個較小的電波波瓣,據猜測,那應該是最近一次噴流粒子噴出時剛留下的新證據。

「透過這麼多組數據的回報確認,我們發現Speca的噴流活動很明顯有三個階段。」

故事還未停住,最大的意外驚喜來自於電波波瓣最古老、位置在最外面的那一層所傳來的訊號。雖然最外面的那一層粒子物質所發出的無線電波,早應該已經失去大部分的能量,也不再發出電波訊號,從那裏仍發出多數為低頻性質的訊號,那些低頻訊號向我們揭露了一些不僅對Speca星系有價值的線索,並且甚至對Speca所屬的整個星系團都很有意義的一些環境介紹資訊。

祝熹解釋說:「當星系團持續吸積物質時,快速移動的物質從外面落入其中,造成衝擊波,我們認為這些年老的殘留波瓣,是被衝擊波重新點燃的。」

許許多多精采而得的現象集中在Speca這個星系和其鄰近區域中,種種條件使它成為從事星系演化研究者不可不造訪的一座重要實驗室。

印度國家電波天文物理研究中心,NCRA – TIFR的Sandeep K. Sirothia認為,「隨著TIFR GMRT的低頻巡天觀測計畫持續進行,我們將會在星系團中發現更多過去一度活躍的黑洞所遺留下來的無線電波波瓣和其現象,Speca只是一個開始。」

NCRA – TIFR的Govind Swarup則表示,這一發現對「星系形成模型」具有重大意義,也展現了GMRT在長波高靈敏度觀測的重要性,是一個非常傑出的研究成果。

除了祝熹和Sandeep以外,研究團隊成員還包括中央研究院天文所的:Youichi Ohyama(大山陽一)、Chiranjib Konar(柯永生)和 Satoki Matsushita(松下聰樹);韓國Chungnam National University的Suk Kim和Soo-Chang Rey,NCRA的D.J. Saikia,英國University of Southampton的Judith H. Croston。本篇研究論文將刊載於Monthly Notices of the Royal Astronomical Society。

頁首圖片說明:17億光年外的螺旋星系Speca因為其罕見的黑洞物質噴射特性引起研究人員的關注。此前諸螺旋星系中,只有著名的M87星系中央的大質量黑洞具有這樣的噴流現象。上圖顯示Speca合成了多種光譜波段的一個圖像:星系在SDSS(史隆數位巡天計劃)拍到的可見光中為黃色;來自美國國家電波天文臺VLA(特大天線陣列)低分辨率無線電波圖像是藍色,印度的GMRT所提供的高分辨率無線電波圖像則為紅色。

圖片來源: Ananda Hota (中譯名: 祝熹)等人, SDSS, NCRA-TIFR, NRAO/AUI/NSF

資料來源:中研院天文網

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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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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