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我們正慢慢掉進巨大的黑洞裡-《世界第一好懂的科學課》

PanSci_96
・2015/01/26 ・2283字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 506 ・六年級
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時間就是空間

 

你我都覺得一維的時間和三維的空間是兩樣分開的東西;但愛因斯坦卻認為它們是混在一起的,混合的程度則與你的移動速率有關-慢慢移動時,空間和時間看起來是分開的,而你的移動速率接近光速時,二者就會加速混合。

我們可以來感受看看:想像你(和愛因斯坦一樣)正有點無聊地在辦公室工作,而你望向窗外、兩眼盯著對面大樓上的大鐘,期待它快點走到下午五點。因為你和大鐘彼此間是相對靜止的,所以時間和空間並不會混在一起,你可以清楚看到秒針的每次跳動。

如果指針指到五點時,你以光速遠離鐘面而去,對你來說,沒有任何「五點之後來的光」能夠追上你,所以鐘面上的時間將永遠維持在五點。開始有點感覺了嗎?在大鐘前方坐著不動的無聊上班族,會看到它以正常的速率在走;而以光速遠離同一個大鐘的你,則會看到鐘面上的時間靜止不動。

一般來說,我們在地球上旅行的速率相較於光速來說非常慢,所以我們不會注意到時間與空間混合在一起的相對性效應。但是,對地球軌道上運行的人造衛星而言,它繞行地球的速率,比地面上事物的移動速率要快得多,就要考慮相對論所要求的修正量了。

空間是一切的驅動力

有了廣義相對論的時空概念,可以幫助我們了解恆星、行星、黑洞及宇宙到底是怎麼回事。愛因斯坦說,巨大質量的物體會讓時空變得扭曲,而我們所認為的「重力」,其實只是其他物體回應這種扭曲的方式。

在時空中的兩點之間,光會選擇走最短的路徑,它也會像物質一樣,受到被太陽所扭曲的時空山谷(地球就有點像在一記困難的推桿後,高爾夫球繞著球洞轉圈)影響,而改變行進方向。

這種「重力透鏡」的奇特現象通常發生在某個黑洞剛好位在你的望遠鏡與一個遠處星系之間時。此時這個星系不會被完全檔住,而黑洞周圍的彎曲時空會表現得像哈哈鏡,讓這個星系看起來呈環狀或弧形,甚至成為多重的圖像。

拜廣義相對論之賜,我們終於弄清楚宇宙爆炸之謎的真相:並不是星系往外爆炸,而是空間自己擴張,並帶著物質跟著它一起動。原來,宇宙比較像烘焙中的水果蛋糕,其中的葡萄乾代表星系。

當蛋糕在烤箱中膨脹時,裡面的葡萄乾會離彼此愈來愈遠。不去看蛋糕的話,葡萄乾的確像是炸了開來;但是看整個蛋糕,你就知道葡萄乾其實是隨著蛋糕一起膨脹的。我們發現,空間原來一點也不「空」--它是一切事物背後的的驅動力。

我們正在掉入黑洞中

現在你知道,夜空是黑的,因為宇宙有個起點,至今仍在擴張中。恆星就像是燃燒原子發出烈焰般的巨大營火:最大的那些恆星活得精采、死得也快,最後以超新星的形式爆炸,並製造出週期表中九十二種自然存在的元素。剩下的殘骸則會壓擠成由高熱鑽石構成的「白矮星」或非常緻密的「中子星」,甚或是恆星級的黑洞。

我們自己的星系—銀河系,是個扁平狀的漩渦,夜空中看起來就像一條帶子。我們的太陽系位在銀河系旋臂的半路上,並且正繞著銀河系中心,一個太陽質量四百萬倍的超大型黑洞旋轉(就像這個星系裡的每樣東西一樣)。

廣義相對論告訴我們,我們以及周遭的恆星、氣體、塵埃和旋轉臂,都以自由落體的模式在被黑洞彎曲的四維時空移動,就像一大盆洗澡水呈漩渦狀快速流進排水孔那樣,我們全都正在加速掉入這個巨大黑洞中。所幸我們離那個黑洞還非常遠,加上還有足夠的動量使我們不至被吞掉。

我們的結局就是這樣

想像一下你搭乘太空船在外太空做實驗。你很快知道沒有辦法透過實驗來分辨加速度與重力的差別,所以你決定把太空船設定成自動駕駛模式,好睡上一覺。但筋疲力盡的你腦袋有點混亂,不小心將太空船設定成航向銀河系中央極速飛行。幾個小時後,你醒來才沮喪地發現,你正掉進那個天文學家稱為「射手座A*」的超級大黑洞裡。

接下來會發生什麼事?你會看到什麼?我們來做個最符合廣義相對論的猜測吧。

對如此巨大的黑洞來說,事件視界大約會距離黑洞中心三千萬公里遠。當你從那個距離五十倍遠的地方飛向黑洞時,因為黑洞後面的恆星及星系的光,受到黑洞的強大重力而聚焦在黑洞前方的一點上,所以你最先可能看見的會是一個明亮的點。當你更接近黑洞時,黑洞圓盤會開始變得清晰可見,圍繞在最外面的是一個由緊密堆砌的恆星與星系構成的渦旋環。

如前所述,黑洞邊緣的彎曲時空會讓從它周遭的恆星而來的光開始偏斜;從某個角度來說,你甚至可能看到同一顆星兩次。當然黑洞是不會發出任何光線的,所以雖然它基本上是個三維物件,但你的肉眼會覺得奇怪,彷彿宇宙的某些部分被這個扁平的黑色圓圈「裁掉」了。

在你經過事件視界時從窗戶往外看,看起來不過就像愈來愈靠近黑洞的表面,而地平線附近的天空因為時空扭曲,所以會有一大堆藍移的恆星擠在一起。

最後當你靠近黑洞中心,也就是所有質量集中的那個「奇異點」時-如果像雨點般打在你身上的藍移輻射沒有先把你炸熟-那麼無比巨大的時空曲率會把你和你的太空船拉長成一條線。

那麼,太空救援船上的搜救人員呢?他們沒能阻止你落入黑洞,但他們會看到什麼?怪異的是,他們不會看到你跨越事件視界。他們只會看到你的太空船愈來愈靠近黑洞的黑色表面,接著看起來就像是凍結在時間中,不斷產生紅移的現象,直到你最終完全從他們眼前消失。

有一個理論主張,如果你能在到達奇異點之前就經過蟲洞進入另一個宇宙,就能逃過一劫。但是就算你真的能從另一個宇宙裡冒出來,又怎麼能確定那裡的物理定律和這個宇宙裡的相同?在你身上的原子自動爆炸而結束你的一生之前,說不定你會發現你在另一個宇宙裡竟然留著又粗又大的墨西哥八字鬍呢!

本文摘自《世界第一好懂的科學課》,天下文化出版社出版。

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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
156 篇文章 ・ 376 位粉絲
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