0

0
0

文字

分享

0
0
0

M101星系中的超亮超新星SN 2011fe

臺北天文館_96
・2011/09/06 ・1241字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

天文學家在2011年8月24日晚(國際標準時,UT,以下皆同),在著名的M101星系中發現一顆超新星,目前正式編號為SN 2011fe。由於這顆超新星變亮速度極快,且是數十年來所發現的距離最近的Ia型超新星,已引起全球天文學家與業餘觀測者的注意,持續監測中。

這顆超新星是利用帕洛瑪天文台(Palomar Observatory)1.2米Oschin史密特望遠鏡(Oschin Schmidt Telescope)發現的;這座望遠鏡的極限星等約20.6等,近年來積極投入亮度變化快速的瞬變事件(transient event)搜尋工作,即所謂的Palomar Transient Facility (PTF),成效斐然。

PTF於8/23晚觀測影像中尚未見到M101中有任何超新星,但卻在8/24晚的觀測影像中出現,因此推測這顆超新星是在8/23望遠鏡收工後幾個小時內就開始爆發,原始編號為PTF 11kly,位在M101星系中心以西59角秒、以南271角秒之處。一開始觀測到的亮度約為17.2等,但SN 2011fe亮度變化相當快速,在8/25達13.8等,8/27達12.4等,8/30達11.5等,到了8/31已達10.8等,且似乎仍持續增亮中。可點選此處觀看美國變星觀測者協會(American Association of Variable Star Observers,AAVSO)彙整的各地觀測報告所繪製的SN 2011fe超新星亮度變化曲線。右上圖則為PTF於2011年8/23~8/25觀測M101中的SN 2011fe超新星影像。Credit: PTFIa型超新星是雙星系統裡其中一顆子星為白矮星,當主要成分為碳和氧的白矮星掠奪伴星物質,致使總質量超過1.4倍太陽質量的錢卓極限時,所引起的爆發。由於一般認為Ia型超新星最亮的絕對亮度皆相同,但因距離不同,所以在地球上所見的視亮度也會不同,因此可藉此推估超新星所在的宿主星系的距離,是天文學家很重要的量天尺之一。

對天文學家而言,從未見過像SN 2011fe這樣在爆發極早的增亮時期就觀測到,且如此明亮的Ia型超新星,因此意義相當重大。根據後續光譜觀測結果,SN 2011fe光譜中的譜線很寬,且有藍位移現象,從鈣離子和矽離子譜線的寬度,推測爆發後的物質正以每秒14,500~16,500公里的速度向外膨脹中;但SN 2011fe光譜中沒有氫譜線。這是Ia型超新星的光譜特徵。

M101距離地球約2300萬光年,位在大熊座北斗七星的斗柄下方,亮度約7.7等,是個幾乎正面面對地球的螺旋星系,相當壯觀而美麗,有風車星系(Pinwheel Galaxy)的美稱,是天文攝影的最愛目標之一。天文學家認為:如果沒有星際介質的吸收,那麼在此距離的超新星最亮應可達10.0等左右。利用口徑10公分以上的望遠鏡就可以觀察,千萬別錯過機會。

不過,在此季節的M101位在傍晚的西北方天空中,仰角快速降低中,所以想觀測的人,可得盡快把握機會了。

建議觀看照片:

  1. http://www.ia.ucsb.edu/pa/image.aspx?pkey=2550&Position=1
  2. http://farm7.static.flickr.com/6207/6079812340_0270150a00_o.jpg
  3. http://admin.slooh.com/files/m101_position.png
  4. http://www.flickr.com/photos/43846774@N02/6079812340/
  5. http://virtualtelescope.bellatrixobservatory.org/m101sn.html
  6. http://antelopehillsobservatory.org/SNpictures/PSNJ14030581+5416254final.jpg

參考資料:

  1. Central Bureau Electronic Telegrams, CBET 2792, CBET 2804
  2. http://www.skyandtelescope.com/observing/home/128430288.html
  3. http://www.aavso.org/special-notice-250-possible-type-ia-supernova-m101

引用自 網路天文台

文章難易度
臺北天文館_96
477 篇文章 ・ 12 位粉絲
臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!


0

0
0

文字

分享

0
0
0

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
156 篇文章 ・ 375 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策