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被4顆恆星監管的行星

臺北天文館_96
・2015/03/16 ・1505字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 505 ・六年級
4恆星
Image credit & Image copyright: Karen Teramura, UH IfA

美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室(JPL)天文學家Lewis Roberts等人發現第2顆位在四合星系統內的系外行星。其實以前就已知這顆行星的存在,只是當時認為它是在一個三合星系統中,直到最近才確認這個系統中其實有4顆恆星。這項發現將有助於天文學家瞭解多重恆星系統會如何影響行星的發展和它未來的命運。

我們太陽系中只有太陽一顆恆星,行星們都只繞太陽公轉。但目前已知有些行星環繞的母恆星不只一顆,Roberts等人利用裝置Robo-AO和自適應光學系統(adaptive optics system)的帕洛瑪天文台(Palomar Observatory)進行觀測,每晚可監測數百顆恆星以便能探查它們是否有伴星。結果發現了一個位在四合星系統白羊座30(30 Ari)中的系外行星,及另一個在三合星系統HD 2638中的行星。之後再利用帕洛瑪天文台中解析度更高的PALM-3000儀器予以確認。

編號為KIC 4862625的行星是第一個在四合星系統中發現的系外行星,它是公民科學家於2013年時利用NASA釋出的克卜勒任務(Kepler mission)資料庫發現的。相隔這麼久,才又再度發現一個四合星系統中的系外行星,以目前系外行星發現速率而言,這樣的狀況顯示四合星系統的系外行星數量相當稀少,至少,比之前認為的還要少,反倒是環繞遠距雙星的系外行星數量比原本設想的還多,畢竟銀河系中雙星系統是相當普遍的。天文學家估計約有4%的類太陽恆星位在四合星系統中,比以前的估計數量還高一些,主要是因為觀測技術穩定改善的結果。

白羊30四合星系統,距離地球約136光年,位在白羊座方向。這個系統中發現的行星是顆氣體巨行星,質量約為木星的10倍,繞其母恆星白羊30B公轉一周約為335天,比地球繞太陽一圈稍短一些。Roberts等人新發現白羊30B附近有個很近的伴星,只有23AU遠,不過行星本身並沒有環繞這顆伴星公轉。而這對近距雙星和另一對近距雙星白羊30A又互相環繞公轉,兩組雙星相距約1670AU,所以整個白羊30是個4合星系統。(註:AU為astronomical unit的縮寫,1AU相當於1億5000萬公里,為地球到太陽的平均距離。)

Image credit: NASA/JPL-Caltech
白羊30四合星系統示意圖。 (Image credit: NASA/JPL-Caltech)

如果可以站在這顆行星表面看天空,那麼看到的景象,應該是一顆小型的太陽,加上兩顆非常明亮、即使在白天也能看到的星星。而若利用夠大望遠鏡觀察其中一顆恆星,將發現這是一對會互相環繞的雙星。Roberts等人認為在這樣系統中的這顆行星,或任何可能環繞這顆行星公轉的衛星,都不太可能適合生命生存。

銀河系內有單星、雙星、三合星、四合星等各種不同的恆星系統,行星在不同的恆星系統中發展時,會受到不同的影響。觀測證據顯示伴星會影響行星的軌道,甚至讓某些行星可以長得更大更重,例如:熱木星(hot Jupiter),即那些木星等級質量且非常靠近母恆星的氣體巨行星,可能會受到伴星的重力擾動而被推得離母恆星更近一些。

而在HD 2638三合星系統中發現的行星,也是顆熱木星,距離母恆星非常近,公轉一周僅需3天左右。科學家已經知道這顆作為主星的母恆星和另一顆恆星間有重力束縛,兩者相距約0.7光年,相當於44000AU,以雙星觀點而言,這兩者的距離算是有點遠的。但近期觀測發現這個系統中還有第3顆恆星,離擁有行星的這顆主星只有28AU,約比太陽至海王星軌道小一些,近得足以影響這顆熱木星的軌道與未來的發展。

好玩的是,白羊30新發現的第4顆恆星和主星行星的距離,比HD 2638的第3顆恆星與主星行星的距離還近,但白羊30系統卻未見這第4顆恆星對主星行星的軌道有任何影響。這些天文學家無法解釋為何會出現這迥異的結局,只好期待未來持續的深度能讓他們解惑,進一步瞭解恆星的精確軌道,以及整個恆星系統複雜的動力狀態。

 

資料來源:

1. Planet ‘Reared’ by Four Parent Stars. [NASA, March 4, 2015 ]

本文轉載自網路天文館

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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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