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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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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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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

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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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