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首度在太陽系以外發現含有水冰雲的證據

臺北天文館_96
・2014/09/14 ・803字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

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天文學家早就已知我們自己太陽系中的木星、土星、天王星和海王星等氣體巨行星的大氣中含有水冰形成的水冰雲(water ice cloud),但尚未在太陽系以外的天體上偵測到過。卡內基科學研究所(Carnegie Institution for Science)Jacqueline Faherty等人利用位在智利的Las Campanas觀測站以FourStar近紅外相機進行研究,首度發現系外天體也擁有水冰雲的證據。

Faherty等人利用FourStar近紅外相機監測已知溫度最低的棕矮星們,在3晚共拍攝了151幅的影像中,發現編號為WISE J085510.83-071442.5(縮寫為W0855)的棕矮星含有水冰雲。W0855最早由NASA發射至太空中的廣角紅外探測器(Wide-Field Infrared Explorer,WISE)偵測到,並在2014年初公布;這些極低溫棕矮星都非常昏暗,天文學家並不確定能否利用地面上的觀測儀器予以探測。但FourStar近紅外相機成功偵測到W0855且還確認它含有水冰雲,讓這些天文學家喜出望外。

棕矮星的質量比恆星小很多而無法點燃核心的核融合反應,所以天文學家並不把棕矮星當成是正式的恆星,但也不會把棕矮星當成是氣體巨行星。棕矮星的表面溫度差異頗大,從和恆星類似到與行星差不多者皆有,其質量則介在恆星與行星之間。它們之所以引起天文學家的興趣,是因為棕矮星有著恆星形成過程的線索,同時因表面溫度與行星差不多,但因數量繁多且比系外行星稍亮一些,亦即比系外行星容易偵測研究,所以可以將棕矮星的一些大氣性質套用到系外行星上。

W0855是離太陽系第4近的系統,以天文尺度而言,簡直就是太陽系的隔壁鄰居一樣。將Faherty等人的W0855近紅外影像,和棕矮星大氣理論模型加以比對之後,Faherty等人發現有硫化物和水等成分凍結成雲的證據。Faherty表示:雖然理論預測系外行星大氣中含有冰雲,且冰雲的存在相當重要,但在這之前,從來沒有實際觀測到過。這些難怪Faherty等人會如此激動了。

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資料來源:2014.09.09, KLC
First evidence for water ice clouds found outside our solar system
First Evidence for Water Ice Clouds Found outside Solar System

本文轉載自網路天文館

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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發現一顆年輕時和恆星一樣熱的Y型棕矮星
臺北天文館_96
・2014/08/27 ・1169字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 542 ・八年級
相關標籤: 棕矮星 (8)

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天文學家發現一顆極低溫天體,雖然它現在的表面溫度低到和行星差不多,但它可能曾有過多變多端的過往歷史,溫度變動極大,甚至可能在它年輕時有數百萬年的時間,表面溫度和一般恆星一樣熱。

這顆編號為WISE J0304-2705的極低溫天體,位在南天的天爐座方向,距離約在33~55光年之間,表面溫度僅有攝氏100~150度左右,是所謂的Y型棕矮星(Y dwarf)。Y型棕矮星是目前已知表面溫度最低的恆星類天體,讓恆星按溫度的光譜分類擴展成OBAFGKMLT。雖然WISE J0304-2705的溫度就介在金星和地球的表面溫度之間,但它們並不是類似地球這樣的岩質行星,反而比較類似木星這樣的氣體巨行星。

英國赫特福德大學(University of Hertfordshire)David Pinfield等人,利用廣角紅外巡天探測器(Widefield Infrared Survey Explorer,WISE)的觀測資料進行分析研究,最後發現這顆天體,因此其名稱中包含WISE,至於J0304-2705代表的則是這顆天體的赤經與赤緯座標。WISE採用中紅外波段進行觀測,波長比人類眼睛可見的還長,所以人眼不得見。發現WISE J0304-2705之後,Pinfield等人又利用8米雙子南望遠鏡(Gemini South Telescope)、6.5米麥哲倫望遠鏡(Magellan Telescope)和歐南天文台3.6米新技術望遠鏡(New Technology Telescope)等大型望遠鏡拍攝它的光譜,由光譜來估算它的表面溫度,並瞭解它的過往歷史。

到目前為止,已知的Y型棕矮星僅有20顆,WISE J0304-2705在其中是個特異份子,有著和其他Y型棕矮星不同的發射光譜特徵。Pinfield等人認為:從這顆棕矮星的化學組成或連同它的年齡來看,它可能是銀河系較老的成員星之一;這意味著它的溫度演化可能非常極端,開始時的表面溫度高達數千度,可是現在也頂多是杯沸騰茶水的程度而已。

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WISE J0304-2705之所以會歷經這樣劇烈的冷卻史,是因為它是一顆所謂的次恆星天體(ub-stellar object),它的內部從未達到可點燃氫核融合反應的溫度,無法自行產生熱能,這讓它除了不具備正式的恆星資格外,也無法維持穩定的溫度,因此冷卻和變暗是它無可避免的命運。

如果WISE J0304-2705是顆年老天體,它的溫度演化將如右上圖所示(左上至右下):在最初2000萬年左右,它的表面溫度約為攝氏2800度,約與像比臨星(Proxima Centauri,半人馬座αC星或南門二C星)這類紅矮星(red dwarf)相當。1億年後,它冷卻到攝氏1500度左右,大氣中的矽酸鹽凝結成雲。10億年後,它的溫度降至攝氏1000度左右,低到讓甲烷氣體和水蒸汽得以主宰它的表面。數十億年之後的現在,它已逐漸冷卻到攝氏100~150度。

WISE J0304-2705的質量約僅為木星的20~30倍,大約介在最輕的恆星和典型行星之間。但若以溫度的觀點來看,它則是從類恆星狀態演變成類行星狀態。

目前並不確知Y型棕矮星的溫度下限,太陽系鄰近區域中或許可能有許多溫度更低的各式天體尚未被偵測到。WISE於2009年發射升空,2011年2月休眠,2013年12月喚醒後繼續工作,預定可再延長3年任務時間。利用它在紅外波段的優勢,或許這3年內又會帶給天文學家們更多的驚訝與震撼。

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發現離太陽系最近的獨立行星
臺北天文館_96
・2012/11/15 ・1460字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

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法國天文學家Philippe Delorme等人利用位在智利的超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)和位在夏威夷的加法夏望遠鏡(Canada-France-Hawaii Telescope,CFHT),發現一顆不屬於任何恆星的疑似行星,正獨自在星際空間中流浪。這個天體距離太陽系僅約100光年左右,如果確認它是行星的話,那麼它將是離太陽系最近的獨立行星(free-floating planet,或譯為孤兒行星或自由行星)。這顆行星距離這麼近,又少了恆星過亮的光芒在旁干擾,提供天文學家一個特別的機會,可以直接且詳細地研究這顆行星的大氣狀況,並將研究結果應用在未來以儀器拍攝其他恆星旁的系外行星影像上。

獨立行星是行星級的天體,不似一般行星一樣,環繞某顆恆星公轉。以前也曾經發現過獨立行星,但之前的案例都無法確定這些獨立行星的年齡,因此無法確定這些天體究竟真的是行星,還是那有「失敗的恆星」之稱的棕矮星。

最新發現的這個天體編號為CFBDSIR J214947.2-040308.9,簡稱為CFBDSIR2149,這些研究學者從專門搜尋低溫棕矮星天體的CFHT棕矮星巡天計畫(Canada-France Brown Dwarfs Survey ,CFBDS)紅外觀測資料中先發現這個天體,之後才利用VLT做後續觀測分析,因此這個天體的編號為CFBDS計畫名稱+IR波段+天體赤經與赤緯座標的結果。

研究結果顯示CFBDSIR2149似乎位在銀河系內一個由年輕恆星組成的星流—劍魚座AB移動星群(AB Doradus Moving Group)中,劍魚座AB移動星群是離太陽系最近的移動星群,位在南天的劍魚座方向;移動星群內的恆星們一起朝一個特定方向漂流。一般認為星群內的恆星們應該是幾乎在同一時期內形成的,換言之,它們的年齡相差無幾。如果CFBDSIR2149真的與劍魚座AB移動星群有關,代表這個天體也很年輕。光從這一點,再結合更多這個天體的性質,包括溫度、質量及其大氣組成等,天文學家又可以說出一齣故事來。

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由此可知,確認CFBDSIR2149和劍魚座AB移動星群的關係,確定CFBDSIR2149的年齡,是進行下一步研究的關鍵線索。在假設CFBDSIR2149與劍魚座AB移動星群的前提下,得出CFBDSIR2149的質量約為4~7倍木星質量,表面溫度約攝氏430度(與金星差不多),年齡則與劍魚座AB移動星群相仿,約5000萬~1億2000萬年左右。這是第一個在移動星群中找到的獨立行星級天體,這個與移動星群之間的關係,讓它成為天文學家眼中最有趣的疑似獨立行星。不過,也不能完全排除這個天體只是恰巧在劍魚座AB移動星群方向,與這個移動星群無關的可能性;不過研究學者們經由分析CFBDSIR2149的自行運動估算CFBDSIR2149與劍魚座AB移動星群有關的機率高達87%,有95%以上的機率是顆相當年輕的行星級天體,所以他們基本上已經認定它是移動星群的一份子了。

一般認為像CFBDSIR2149這樣的獨立行星的形成過程應該如同正常行星一樣,之後才因不明原因被踢出原本的行星系統;也可能是類似質量最小的恆星或棕矮星的形成過程,因而成為一個孤獨的天體,在太空中流浪。無論哪一種形成方式,都讓人心生疑惑。而現在,如果能確認CFBDSIR214確實是一個被原生行星系統拋棄的獨立行星,天文學家或許可以進一步重建並檢視這個行星從誕生到被拋棄的過程,或者也可藉之瞭解一般恆星的誕生過程到底可產生的恆星質量下限是多少。

天文學家們認為獨立天體可能為數不少,可能和正常恆星一樣多,甚至近期有研究顯示銀河系中獨立天體的數量是主序星的兩倍之多(請參見〈一拍個不見陽光的流浪星球〉〈孤兒行星的數量恐比恆星還多〉)。如果CFBDSIR2149與劍魚座AB移動星群無關,沒辦法透過移動星群瞭解它的本質與特性,那麼它可能就會被歸類為是小型的棕矮星。不過,無論是獨立行星還是棕矮星,都是瞭解行星和恆星如何形成和有何行為舉止的重要線索。

資料來源:Lost in Space: Rogue Planet Spotted? ESO [14 November 2012]

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