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熱木星會引起母星自轉軸擺動

臺北天文館_96
・2014/09/16 ・840字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

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根據美國康乃爾大學(Cornell University)天文學家Natalia I. Storch等人的研究:熱木星(hot Jupiter)在繞它們的母恆星公轉時,會使母恆星不穩定而發生自轉軸擺動(wobble)的現象。

熱木星是太陽系以外的氣體巨行星,且通常非常接近它們的母恆星,一般相信它們是在離母恆星比較遠的地方誕生後,受到某些重力擾動,例如雙星中的另一顆子星,造成這氣體巨行星的軌道變得不同尋常,最後逐漸向著母恆星愈繞愈近。雖然熱木星的質量只有太陽的千分之一左右,但系外行星系統中的恆星還是會受到環繞它們公轉的熱木星的影響,使恆星的行為發生改變。

在我們太陽系中,太陽的自轉軸(spin axis)和所有行星的公轉軸(orbital axis)方向幾乎為同軸;公轉軸是指與行星繞公轉平面垂直的法線方向。在那些擁有熱木星的系外行星系統中卻與太陽系不同。近期觀測顯示系外行星系統的母恆星自轉軸不見得與其行星公轉軸同軸,這個恆星與其行星之間的自轉-公轉異軸(spin-orbit misalignment)現象,著實讓天文學家困惑不已。

Storch的指導教授Dong Lai表示:當1990年代最初發現系外行星時,全都是像木星一樣的大型行星;但讓人驚訝的是這些巨行星居然這麼靠近它們的母恆星。我們太陽系中的水星最靠近太陽的行星,但這些大如木星一般的熱木星卻遠比水星還要靠近它們的太陽,簡直就像貼在它們的母恆星邊上一樣。

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藉由電腦模擬這些怪異行星系統的動力學模式,Storch等人發現當類似木星的系外行星接近它們的母恆星時,行星的重力影響會迫使恆星的自轉軸進動,也就是自轉軸的朝向發生改變,像是旋轉中的陀螺一般。其實,如果自轉軸只有進動還是單純的,有時候情況會更複雜而混亂。這或許可作為解釋自轉-公轉異軸現象的理由之一,或者還可幫助天文學家進一步瞭解這些謎樣行星的來源。

此外,Storch等人的工作還發現了一個有趣的現象,就是這個恆星自轉軸混亂變動的現象,和其他自然界中的諸多混沌現象類似,如天氣系統和氣候等,這些現象或許有著某種物理關聯或相通的特性。

參考資料:‘Hot Jupiters’ provoke their own host suns to wobble. Science Daily [September 11, 2014]

本文轉載自網路天文館

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584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

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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哈柏發現3顆乾得驚人的系外行星
臺北天文館_96
・2014/07/29 ・974字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

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透過大氣頻譜圖可以觀察水份在三顆熱木星上被吸收的狀況。Credit: NASA, ESA, N. Madhusudhan (University of Cambridge), and A. Feild and G. Bacon (STScI)

英國劍橋大學(University of Cambridge)天文學家Nikku Madhusudhan等人透過哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)尋找並研究系外行星大氣中的水汽,結果發現有3顆系外行星水汽含量比原本預期的還低很多。

這3顆系外行星分別為HD 189733b、HD 209458b和WASP-12b,距離介在60光年至900光年之間,三者均為熱木星(hot Jupiter),即類似木星的氣體巨行星,但非常接近其母恆星,使得其表面溫度偏高,介在攝氏540度至2200度之間,所以是尋找水汽的好目標。他們的確在這些系外行星的大氣中找到水汽了,然而結果卻讓這些天文學家相當驚訝,因為這些系外行星大氣中的水汽含量僅有標準行星形成理論所預測的1/10至1/1000而已。這個結果,顯然讓現行的標準行星形成理論相當難堪,必須進行檢討與修正,尤其是熱木星的部分。

雖然水汽含量不若預期,好在他們的確在系外行星大氣中發現水汽,而這3顆又是很靠近母恆星而使表面溫度偏高的熱木星,這意味著在距離母恆星稍遠一些的適居區中,在地球級大小的系外行星表面偵測到水的存在是極有希望的。只不過未來太空望遠鏡上用來偵測系外行星大氣中水汽的儀器,其靈敏度必需再提高,才能應付這些比預期還乾燥許多的狀況,或是質量比熱木星小許多、比較沒辦法留住水分的超級地球。

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之所以先挑選這三顆系外行星做為主要目標,是因為它們的母恆星比較亮,較容易取得它們的紅外光譜。恆星星光穿過行星大氣時,會被行星大氣中的水汽吸收部分星光而形成吸收譜線,這些天文學家便可透過譜線來估計行星大氣中的水汽含量。

現行較為人接受的太陽系中巨行星形成理論是所謂的核吸積理論(core accretion),在恆星非常年輕的時期,主要由氫、氦、冰粒和塵埃組成的原行星盤中,塵埃彼此沾黏聚集成長成愈來愈大的塵粒,最終形成一個固態核心;而後這個固態核心便能飛快地聚積固態和氣態物質,直到一顆巨行星誕生。

這個理論預期行星上不同元素所佔的比例比其母恆星還多,特別是氧元素。一旦巨行星形成之後,其大氣中的氧元素會與氫元素結合而形成水分子。然而,Madhusudhan等人的低水汽含量偵測結果,顯示行星形成過程中的化學組成顯然與理論預期的不相同,顯示核吸積理論必須予以修正,才能符合實際觀測結果。

資料來源:Hubble Finds Three Surprisingly Dry Exoplanets. HubbleSite [24 July,  2014]

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轉載自 網路天文館

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氣體巨行星都到哪兒去了?
臺北天文館_96
・2012/09/19 ・971字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

2012年系外行星界的最大新聞或許是從克卜勒太空望遠鏡(Kepler)釋出的觀測資料,發現銀河系中的地球級岩質系外行星相當普遍,很可能每顆恆星旁都至少有一顆這樣的岩質行星。但對於大一點、那些所謂的「熱木星(Hot Jupiters)」—與我們太陽系中的木星類似且非常靠近母恆星的氣體巨行星,有最新研究顯示:與那些小型的岩質行星相較之下,這些熱木星或許是稀有品種。

由於熱木星質量大且靠近母恆星,對母恆星的重力擾動比較容易偵測得到,因此事實上天文學家最先發現的系外行星就是熱木星,這種偵測方式稱為「徑向速度法(radial velocity method)」;後來才因克卜勒任務的關係而陸續偵測到小型岩質行星。加州理工學院(Caltech)天文學家John Johnson等人,分析克卜勒太空望遠鏡的觀測資料後卻發現:木星級的大型氣態行星並沒比地球級的小型岩質行星容易偵測到。

克卜勒太空望遠鏡是以「凌日法(transit)」來偵測系外行星,也就是行星經過恆星前方時,會使恆星亮度稍微下降的現象。不過,Johnson等人小心分析比較克卜勒所偵測到的熱木星凌日資料,與地面望遠鏡以徑向速度法偵測到熱木星的發現率,結果發現克卜勒資料中所發現的熱木星比例低到不可思議的地步。

對於這個異常現象可能的解釋之一,是這些熱木星必須在特定的恆星周圍才能成長。當一顆恆星形成後,其誕生地殘餘的氣體塵埃雲中所含有的重元素比例有的高、有的低。有個理論認為:重元素含量(即所謂的「金屬豐度,metallicity」)較高的恆星比較容易形成類似木星的氣體巨行星。

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Johnson表示:徑向速度法所搜尋的恆星絕大部分都在太陽附近。我們可能恰好處在銀河系一個金屬豐度比較高的部分,因此在太陽鄰近區域搜尋到的熱木星比較多。相對的,克卜勒任務所偵測的恆星範圍廣泛,並不侷限在太陽鄰近區域,由此可知,熱木星的數量可能並不如先前認為的那樣普遍。

Johnson等人目前計畫嘗試要在克卜勒任務觀測的天區進行系外行星金屬豐度的測量,看看它們的金屬豐度是否比較低。測量結果或許就可以解釋為何克卜勒任務所發現的熱木星級系外行星比預期中還少的狀況,並證實我們太陽系是否真的恰好處在銀河系中金屬豐度比較高的區域。更甚者,如果木星級系外行星真的比認為的還要稀少,那麼我們的太陽系或許就是個「不正常」的行星系統。

資料來源:Where are the giants? NASA JPL [August 08, 2012]

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