暗物質（dark matter）在我們對於宇宙的了解中仍是一個巨大的問號，不過，瑞士洛桑聯邦理工學院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）天文學家David Harvey等人利用哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）和錢卓X射線觀測衛星（Chandra X-ray Observatory）觀測星系團（galaxy clusters）互撞時，星系團中的暗物質會有什麼樣的行為模式，結果發現暗物質彼此間的交互作用程度比先前認為的還要少，但這一發現也將暗物質可能的「身份」範圍縮減，希望最終能揭開暗物質的神秘面紗。

目前科學家們對暗物質的瞭解仍然非常粗淺，僅知宇宙中的暗物質含量比可見的一般物質還要多。造成這種尷尬境況的原因在於：暗物質不反射、發射或吸收光線，因此無從用現代儀器「看到」這些暗物質，只能透過暗物質對一般可見物質的重力效應來窺見暗物質的存在，因此才會將之稱為「暗」物質。由於對它的不瞭解，因此對暗物質性質的猜測相當多元化而複雜。

為了更瞭解這些神秘的物質，Harvey等人透過類似研究可見物質的實驗，期待觀察到暗物質與一般物質撞擊時會發生什麼事。因為規模夠大才能看出撞擊效應，他們挑選了星系團作為觀察目標。星系主要由恆星、氣體雲和暗物質組成。當星系團發生碰撞事件時，散佈在星系各處的氣體雲會彼此撞擊，而後逐漸減速或甚至停下；換言之，星系撞擊時的氣體-氣體交互作用（gas-gas interaction）非常強。然而恆星本身則很少受到星系團撞擊時的氣體阻滯力（gas-star drag）影響，而且由於恆星彼此間的間隙很大，所以並不會彼此影響而使速度減慢，不過如果真的發生恆星互撞，則摩擦減速的力道也還是很龐大的。

先前認為暗物質的行為應該類似子彈星團（Bullet Cluster）中所呈現的。但僅有一個案例，很難預測將會看到什麼。每一次的星系團碰撞都耗時數億年才結束，因此以人類生命而言，我們只能從一個特定角度看到碰撞事件的某一瞬間。但碰撞案例數量若能增加許多，那麼便可從各個碰撞呈現的片段資訊，拼貼出比較完整的劇情，瞭解事態的發展走向。

Harvey等人從哈伯和錢卓觀測資料中選取的72個大型星系團撞擊事件進行研究。這些撞擊事件發生在不同時期，所見的撞擊角度也互異，有些是從側邊所見，有些則是正面的俯瞰景象。既然已知氣體和恆星在星系團互撞過程中會如何行動，以及會在何處發生這些事件，那麼僅需對照暗物質如何作用，就可以幫助科學家縮減暗物質可能的組成成分的範圍。

這些天文學家發現：像恆星一樣，暗物質在劇烈撞擊時會持續前進，並不會慢下來。然而又和恆星不一樣，暗物質之所以不會慢下來，並不是暗物質彼此間距離很遠，碰不到一起的關係。現行公認的理論認為暗物質是均勻的散佈在星系團內，因此暗物質粒子彼此間應該靠得很近。所以暗物質在星系團撞擊過程中之所以不會慢下來，是因為它們不僅幾乎不與一般可見物質粒子交互作用，而且暗物質彼此間的交互作用程度也比之前認為的還低；這項事實，正是讓Harvey等人能縮減暗物質的可能性質的關鍵。

現行最被接受的暗物質理論認為暗物質可能是由「超對稱粒子（supersymmetric particle）」所組成。在標準模型（Standard Model）中，認為電子、質子、中子等所有粒子都有它自己的超對稱粒子伙伴，這些超對稱粒子伙伴的質量比粒子本身稍重一些。這項理論迄今還無法獲得實驗證實，不過已經可以協助科學家們解決一些紛爭；超對稱理論其中一項概念認為粒子是穩定且為電中性，與標準模型中的一般粒子僅有很微弱的交互作用。而這些性質，似乎都能解釋暗物質的性質。

Harvey等人目前計畫要繼續增加碰撞星系團的案例數，甚至考慮將單獨的星系撞擊也納入研究範圍，畢竟單獨星系撞擊的事件比星系團碰撞要常見多了。

資料來源：

1. Dark matter even darker than once thought. [Hubble space telescope, March 26, 2015 ]
2. Harvey, D., Massey, R., Kitching, T., Taylor, A., & Tittley, E. (2015). The nongravitational interactions of dark matter in colliding galaxy clusters. Science, 347(6229), 1462-1465.

本文轉載自網路天文館。

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• 本文轉載自科技大觀園，原文為《接棒福三，福衛七號讓天氣預報更準確！》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

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。

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。 

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。 

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。

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。 

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！

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