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天文學家首度利用微重力透鏡視差法精確測定遙遠系外行星的距離

臺北天文館_96
・2015/04/20 ・1516字 ・閱讀時間約 3 分鐘

美國哈佛史密松恩天文物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics,CfA)天文學家Jennifer Yee等人利用美國航太總署(NASA)史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)和OGLE(Optical Gravitational Lensing Experiment)計畫位於智利Las Campanas觀測站的Warsaw望遠鏡進行聯合觀測,發現一顆距離遠達13000光年的氣體行星OGLE-2014-BLG-0124L,是迄今已知最遠的系外行星之一。這項發現有助於天文學家瞭解系外行星在扁平、螺旋狀的銀河系中如何分布:究竟是比較喜歡集中在星系中心區域呢?還是會平均散佈在銀河各處?

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OGLE計畫是以微重力透鏡(microlensing)方式搜尋系外行星,即當某顆恆星行經另一顆遠方恆星與地球之間時,其微弱的重力場會類似放大鏡般,將遠方恆星的光集中並變亮;如果這顆前景恆星恰好有行星環繞,將使遠方恆星亮度變亮加劇,天文學家便可藉此事件察覺系外行星的存在。

我們的太陽系其實是位在銀河系的郊區,約銀河系半徑2/3之處。利用微重力透鏡法,可以偵測從太陽系鄰近區域一直到銀河中心區,可偵測範圍比其他系外行星偵測方式廣泛得多,因此與其他偵測方式相互配合的話,可有效地瞭解整個銀河系內的系外行星分布概況。其中,離地球約27000光年遠的銀河系核球區,因恆星密度高,彼此遮蔽的機會也隨之增加,是微重力透鏡事件最容易發生的方向。到目前為止,已經以微重力透鏡法在核球區發現約30顆系外行星,其中最遠的約為25000光年左右。

雖然微重力透鏡可以偵測比較遠的系外行星,但卻有個關鍵問題:它無法精確的測定造成微重力透鏡事件的前景天體的距離。事實上,若不是遠方恆星的亮度被增亮,有時候根本連前景恆星都無法察覺其存在與否。所以,測定精確距離變成是微重力透鏡法的最大挑戰。事實上,迄今已知的30個以微重力透鏡法發現的系外行星中,有半數不知其精確位置,這讓天文學家彷彿抱著沒有標示「X」的藏寶圖一般,不知該如何下手去尋寶。

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在史匹哲太空望遠鏡的協助下,天文學家終於有機會找到藏寶圖上那個X標示之處。史匹哲太空望遠鏡距離地球約2億700萬公里,跟隨地球之後一起繞太陽公轉。由於和地球相距甚遠,因此當史匹哲太空望遠鏡與在地球上的望遠鏡觀測到同一個微重力透鏡事件時,它們「看到」背景恆星變亮的時間點並不相同,從兩座望遠鏡觀測到變亮的時間差便可估算出前景天體的距離。這和一般的「視差法(parallax)」一樣,故稱為「微重力透鏡視差法(microlens parallax)」;這也是天文學家第一次用微重力透鏡視差方式獲得系外行星的距離訊息。

利用太空望遠鏡觀察微重力透鏡事件並不容易。地面望遠鏡一旦偵測到微重力透鏡事件後會立即向天文社群發佈「警報」,不過這個觀測活動很快就結束,平均只有約40天左右。史匹哲團隊得趕在收到警報的3天後,倉促地排開其他原已排定的觀測工作,轉而開始觀測微重力透鏡事件。

在這顆新發現的系外行星OGLE-2014-BLG-0124L案例中,微重力透鏡現象持續了150之久,與往常案例相較之下就顯得相當不尋常。OGLE首先偵測到這個事件,而後史匹哲也加入監測的行列;之後OGLE和史匹哲都偵測到象徵有系外行星的亮度突亮的現象,不過史匹哲觀測到的時間比OGLE早了20天左右。Yee等人由此估算這顆行星的距離約13000光年;而一旦知道距離之後,又由此估算出這顆行星的質量約為0.5倍木星質量,因此比較可能是顆氣體行星,而非類似地球這樣的岩質行星。

到目前為止,史匹哲和OGLE及其他地面望遠鏡已經合作觀測了其他22個微重力透鏡事件,雖然都沒有發現新的系外行星,但還是可據以瞭解並統計銀河中心區的恆星和行星的族群分布狀況。因此根據計畫,史匹哲太空望遠鏡在今年夏季將要監測120個額外的微重力透鏡事件,以便達到天文學家想要進行的統計目標。

資料來源:

本文轉載自網路天文館

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「新太空 2.0」時代來臨!盤點新創太空產業的衛星部署手段

黃 正中_96
・2021/09/26 ・3448字 ・閱讀時間約 7 分鐘

近年來以美國為首,國際上民營新創太空產業如雨後春筍,以新技術、新概念吸引風險投資,挑戰傳統太空產業,稱為新太空(NewSpace)2.0。

新太空的新創公司通常規模比較小,為了增加競爭力,常以併購或合資的方式,加速產業成長;所涵蓋的範圍包括火箭、小型衛星或衛星元件等領域,以價格破壞性經營,加強與傳統太空產業的競爭。

本文將分析量產的衛星精確部署到太空軌道,提高太空任務的新功能與價值;並盤點在此潮流下創新技術,和新創的太空產業。

論「快速量產衛星」的必要

新創航太公司為了更貼近市場需求,創新衛星量產技術、使用商用(COTS)元件,快速切入市場,提高產品附加價值的新衛星功能。例如使用微衛星以每小時拍攝一次地球上任何地點,並快速提供詳細圖像;使用衛星連接地面上廣大地區,構建太空網路;或者利用衛星開採小行星高價值的稀有礦物等等。

新創衛星公司所使用商用零件,設計小型或立方衛星,儘管它們的尺寸很小,但可以共同提供功能和服務,卻比傳統衛星更大、數據產品媲美大衛星。量產衛星優點是可以一次發射許多衛星,發射費用比傳統的大衛星便宜得多,但是缺點是,設計 / 任務壽命較短。

最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)

新創公司為了發堀利基市場,開發最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)1。一旦建立了 MVP 衛星,新創公司再進行優化調整。MVP 為了減輕重量,加快生產速度,設計時忽略了部分功能,如推進次系統(Propulsion Subsystem)、部分姿態控制(AOCS)或沒有備份設計(backup design)等等,以便快速進入市場。

美國的 Planet Labs 公司 180 顆遙測照相衛星,Spire Global 公司 110 顆氣象服務衛星公司,或挪威的 Iceye 公司 10 顆透過雲層對地球照相的合成孔徑雷達小型衛星等等,證明 MVP 可以在很少的預算下,製造和發射衛星到太空,並傳送數據返回地球。

美國 Planet Labs 公司的 Dove satellites。圖/Planet Labs 臉書

快速量產的代價——衛星損壞率高

但是,利用商用航電元件快速製造,在太空高輻射的環境,可能面臨高衛星損壞率,例如新創 Planet Labs 公司 2設計和製造著名的 Doves Triple- CubeSat 微型衛星,2015 年創立後發射了 339 顆 3U 高解析度的 Dove 遙測立方衛星,但是 2021 年 8 月只剩下約 180 顆衛星運作中。

另外的案例 Spire Global 公司從太空觀測雲數據和分析,提高了天氣模型的預測能力。自創建以來,已發射了 140 多顆衛星,目前有 110 顆 3U 立方氣象衛星星系營運中。

SpaceX 的 Starlink 太空網路公司3,到 2021 年 9 月 14 日為止,已經發射了 1791 顆低軌通訊衛星,統計有 125 顆衛星故障或離開太空返回地球,目前太空網路擁有 1615 顆低軌衛星建構太空網路,所以新太空的高衛星損壞率,令人印象深刻。

搭公車上太空,立方衛星「以量取勝」

大量微小或立方衛星搭乘所謂的「公車火箭」到太空,若是衛星計畫經費較多,可以搭乘單個火箭進入太空。但是大部分的計劃在預算限制下,搭乘「公車火箭」到達軌道後,整“群”離開火箭,微小 / 立方衛星以一種相當不受控制的方式繞地球漂移。

福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭。圖/科技部臉書

這種「下車」方式,對於遙測照像任務,「打群架」方法是有效的,但不是最佳的方式,每顆衛星都可以拍照並發送下來,但個別衛星可能會聚集在一起,從而照相送回多餘的圖像。

對於通信衛星架構,「打群架」是沒有經濟價值的,因為在不受控制的衛星群體,只能隨機覆蓋地表,對於地面用戶來說,無法定時收到監控資料,也無法忍受隨時斷訊的通訊。

新創公司的決勝關鍵:更精確的太空軌道部署

為了增加小衛星任務所產生的產品價值,未來更精確的軌道部署,將會產生革命性的決勝關鍵,每顆衛星將被更仔細、周到地放置到精確的軌道上,使整個星系的價值,大於各自執行任務的總和。

更精確的軌道部署將成為任務規劃中首要考量,當雜亂無章的群轉變成精心編排的星系,其中均勻分佈的小衛星以優化其覆蓋範圍和數據價值時,小衛星架構的價值將得到充分體現。

優化「衛星系」的兩種辦法

有兩種實現衛星系(Constellation)優化的方法,第一種是單獨發射小衛星,或者一次發射兩到三個在特殊的小型火箭上發射,這些火箭可以「隨時隨地」運送航太器,眾多的小型火箭新創公司 Rocket Lab 和 Vector Space Systems 等,瞄準此新市場,計劃將小型衛星運送到低軌太空。

這種方法存在兩個挑戰,可能無法使其適用於所有星系。首先,大型星系需要大量發射,即使每週發射一枚火箭,完全部署一個星系也可能需要數月甚至數年的時間,其次發射費用按公斤計算,總經費也不便宜。

優化星系的第二種方法是為每個小衛星配備機載推進次系統,許多衛星可以共用火箭發射,例如由 SpaceX 的 Falcon 9 或 Falcon Heavy 等發射器的低每公斤成本發射,離開火箭以後就需要耗費自身燃料,抵達任務軌道。儘管所有飛行器都將成群離開火箭,但它們可以使用各自的推進系統分散到預先選擇的各個軌道中,以優化星系均勻性。

這種方法的好處是可以利用機載推進系統提供額外的任務價值,例如通過補償阻力來延長任務壽命,重新配置星系以彌補發射失誤,或在壽命結束時使衛星脫離軌道,減少太空垃圾,但是燃料使用過多,減少任務壽命卻也無可奈何。

獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

成本太高?新型「微推進系統」問世

新太空 2.0 的新創公司,有許多小衛星沒有包含推進次系統,主要是因為技術還不夠成熟,而且成本太高,無法納入 MVP。精確部署衛星所需的推進系統成本,市場上推進系統大部分是手工建造的,對於新創公司無法負擔。設計、開發和製造過程,還沒有發展到大規模生產。

但市場對於大量製造的機載推進系統需求強大,針對此問題,美國 Orbion Space Technology 以及 ExoTerra Resources 新創公司推出霍爾效應推進器(Aurora Hall-effect thruster),以及 Tethers Unlimited、Deep Space Industries 和 Momentus 公司,亦推出水離子推進器(Water Plasma propulsion),水離子推進裝置,進入太空小型推進器的市場。

水離子推進器。圖/參考資料 5

沒錢裝推進系統?你需要的是「太空運輸」服務

針對為了節省燃料以提高壽命,以及沒有配備星載推進系統的立方 / 微衛星,美國新創太空運輸的 Momentus 公司,推出離開火箭以後,在太空將立方 / 微衛星或其他小型衛星,在太空中運輸到所需任務軌道。

義大利的 D-Orbit 公司今年(2021)5 月部署了 20 顆義大利 ION 衛星,成功示範可以改變高度和傾角的太空運輸。D-Orbit 公司並計劃於今年(2021)10 月為 Planet SuperDove 公司在太空「最後一英里的太空運輸」服務,運輸 12 顆地球遙測衛星。

但是你可知道「最後一里路」要走多久?

以我國的福爾摩沙七號衛星星系為例,衛星設計有星載的推進系統和攜帶燃料,用來調整衛星在太空的飛行軌道;福衛七號的六顆衛星於2019年6月25日發射升空,離開獵鷹九號火箭以後,總共花了 20 個月逐漸調整軌道,才將六枚衛星的軌道面布置,形成在地球上空以 60、120、180、240、300度的夾角,涵蓋全球的氣象觀測衛星星系部署。

新太空 2.0 時代來臨!將顛覆傳統衛星公司

新太空(NewSpace)2.0 顛覆甚至於威脅到傳統衛星公司,例如 Intelsat 同步軌道通信衛星公司因過時或更高的價格使他們無法與低成本寬頻通訊競爭導致破產4,同樣的澳洲衛星通訊公司 Speedcast 和為航空公司和船舶提供 Wi-Fi 服務的 Global Eagle 公司與 Intelsat 公司一樣也都負債累累。

新太空快速的行業變化,也影響了衛星地面部分;例如衛星天線製造商 Phasor 在被新創 Kymeta 用更高效率覆蓋整個 Ku 頻段衛星天線公司淘汰而申請破產。去年 OneWeb 的破產困境源於缺乏靈活性,讓 SpaceX 競爭對手以超越其技術而破產。

因此新太空的來臨,太空產業需著重技術創新,適應快速市場變遷,隨時關注市場的變化與趨勢。對於一個創新技術競爭的衛星新創參與者,摩爾定律將主導創新和開發新市場。

參考資料

  1. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  2. 〈Wikipedia〉Planet_Labs  
  3. 〈Wikipedia〉Starlink
  4. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  5. Water propulsion technologies picking up steam
  6. Satellite bankruptcies circa 2000 vs. 2020: We’ve come a long way!me-a-long-way

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