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克卜勒任務首度發現同時環繞兩顆恆星公轉的系外行星

臺北天文館_96
・2011/09/19 ・1214字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

  美國航太總署(NASA)克卜勒任務(Kepler)首度發現一顆環繞雙星公轉的行星(circumbinary planet),這個發現使得欣賞雙落日不再是星際大戰(Star Wars)電影的科幻情節,而是個科學事實。

  先前研究就已經暗示可能有環雙星的系外行星存在,但一直無法清楚證明,這個問題已懸宕了10幾年。克卜勒任務是經由凌日法(transit)偵測到這顆行星的存在,亦即當它經過所環繞的恆星前方時,會使恆星亮度稍微下降的現象。

  這顆編號為Kepler-16b的系外行星,距離地球約200光年遠;體積相當於土星,或許是由一半氣體、一半岩石所組成;繞兩星公轉一週約229天,類似金星繞太陽公轉一圈的天數,但與星際大戰中的塔圖因(Tatooine,天行者路克出生的行星)不同的是:由於母恆星們都是表面溫度不高、輻射不強的矮星,所以Kepler-16b也是顆溫度不高的行星,表面的水可能都在冰的狀態,不適合生命居住。不過這顆行星的發現,至少證明了我們銀河系中有各式各樣的行星系統,不見得都和太陽系相同。克卜勒任務首席研究員William Borucki表示:由於我們銀河系中的恆星大多是雙星系統或聚星系統的成員之一,這個發現也顯示生命可存在的區域範圍比先前所認為得更廣泛。

  由SETI研究所Laurance Doyle領軍的研究團隊,經由克卜勒太空望遠鏡15萬顆恆星的亮度變化觀測資料搜尋系外行星。科學家在這批資料中發現Kepler-16系統有顆新行星,而Kepler-16本身又是食雙星系統,兩星互繞一週約41天,兩子星都比太陽稍小,其中A子星僅有太陽質量的69%,為K型矮星,表面溫度約4400K左右;另一顆B更僅有太陽質量的20%而已,是顆紅矮星,表面溫度當然也比我們的太陽低得多。當比較小的B部分遮蔽到較大的A時,會發生主食(primary eclipse),而A部分遮蔽或完全遮蔽這個較小的B子星時,亮度下降的比較少,是所謂的「次食(secondary eclipse)」。

  然而當他們再仔細觀測這個系統的亮度變化狀況時,發現在主食和次食之外,還有其他的亮度下降現象,顯示應有第3個天體存在。這些被稱為「三食(tertiary eclipse)」和「四食(quaternary eclipse)」的亮度變化,時間間隔並不規則,意味著每次第3個天體通過這對雙星中任一顆恆星前方時,彼此的相對軌道位置都不太相同。這顯示第3個天體是以很寬的軌道同時環繞這對雙星公轉,而非單僅環繞其中一顆子星公轉。

  從第3個天體的重力拖曳(gravitational tug)對恆星們造成的掩食時間變化,科學家可估算出第3個天體的質量大小,結果發現其重力拖曳非常微弱,所以第3個天體的質量必定不大。

  天文學家絕大部分對恆星質量大小的認知都來自這種食雙星系統,而從凌日事件中又可得知行星的體積大小。讓Doyle等人最狂喜的發現,就是Kepler-16在一個恆星系統中,同時結合了這兩種狀況,這讓Kepler-16b成為有史以來質量測得最精準的系外行星之一,這些天文學家們得以好好認識這個特異的行星系統。

資料來源:NASA’s Kepler Mission Discovers a World Orbiting Two Stars [09.15.11]

轉載自 網路天文台

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臺北天文館_96
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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
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