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發現最年輕、正在形成的系外行星

臺北天文館_96
・2011/10/21 ・1118字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

天文學家利用位在夏威夷的2座10米凱克望遠鏡(Keck telescopes)首度直接捕捉到一顆正在形成的系外行星影像。

這顆新發現的天體編號為LkCa 15 b,似乎是顆熾熱的「原行星(protoplanet)」,周圍還環繞著一圈溫度較低的塵埃和氣體,且這些塵埃氣體還正落往這顆正在形成的原行星上。影像顯示這顆正在形成的行星恰好位在年輕母星與一個更外側的塵埃盤之間的間隙中。

夏威夷大學(University of Hawaii)天文研究所(Institute for Astronomy)的天文學家Adam Kraus表示:LkCa 15 b是迄今發現的系外行星中最年輕的,年齡大約只有之前已知最年輕系外行星的1/5而已。由於它還處在形成過程中,以往的技術與儀器根本無法測量到這麼靠近母星旁的這類現象。但是藉由2座凱克望遠鏡的自適應光學系統(Adaptive Optics)及孔鏡遮罩干涉(aperture mask interferometry)技術,天文學家才得以首度直擊並測量正在形成的行星以及其周圍的塵埃物質。

干涉技術從1800年代開始發展,但直到7年前開始與自適應光學系統結合之後,天文學家才有能力研究鄰近年輕恆星周圍的細節。其中,自適應光學系統可抵銷地球大氣擾動的干擾,而孔徑遮罩干涉技術則是在望遠鏡前方光路上加裝挖了好幾個洞的小型遮罩來進行干涉觀測,就像是有一組小型鏡片組成的望遠鏡陣列一樣,可以抑制光波變形。如此一來,天文學家便可消除恆星周圍明亮的光輝,讓比較昏暗的行星和塵埃盤顯現出來。

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Left: The transitional disk around the star LkCa 15. All of the light at this wavelength is emitted by cold dust in the disk. the hole in the center indicates an inner gap with radius of about 55 times the distance from the Earth to the Sun. Right: An expanded view of the central part of the cleared region, showing a composite of two reconstructed images (blue: 2.1 microns, from November 2010; red: 3.7 microns) for LkCa 15. The location of the central star is also marked.   Credit: Kraus & Ireland 2011  左圖左中可見凱克拍攝到的LkCa 15恆星周圍的塵埃盤,這是由塵埃盤中的低溫塵埃所發出的輻射,塵埃盤中間的空洞是半徑約55AU的間隙。左圖右則是將中間部分再放大,星星記號顯示中央母星的位置,正在形成中的LkCa 15 b與母星相距約11AU左右,約比土星到太陽的距離再稍遠一些。Credit: Kraus & Ireland 2011。

LkCa 15位在金牛座方向,鄰近金牛座Tau星附近,R濾鏡亮度約11.8星等,距離約456光年。LkCa 15 b的發現是在一個巡天計畫中,所找到的位在各恆星形成區內150個富有塵埃的年輕恆星之一。Kraus等人再從中挑選了約10顆恆星進行深入觀測。

The location of LkCa 15 can be found using this chart. Credit: Adam Kraus/IAU/Sky & Telescope

不過LkCa 15並不是Kraus等人的首選目標,只是排名第2的而已,卻讓Kraus等人有此驚訝的發現,讓Kraus等人開心不已。

Kraus等人等人計畫一年後再回頭來以同樣方式觀察LkCa 15 b,看看有沒有什麼變化。不過,屆時他們可能會用各種不同的波段來進行研究,以便蒐集更多資訊。

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資料來源:YOUNGEST PLANET SEEN AS IT’S FORMING

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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哈伯也懂漂移?3D-DASH:哈伯太空望遠鏡最大的近紅外巡天計畫
Tiger Hsiao_96
・2022/07/10 ・2933字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

若問當前軌道上最強的可見光太空望遠鏡是誰,那當然非哈伯太空望遠鏡莫屬。身處太空的它有著直徑 2.4 公尺的主鏡,可以在不受大氣層干擾的情況下,清晰地拍攝遙遠且黯淡的天體。然而,哈伯望遠鏡並非全能,雖然它在解析度(angular resolution)和靈敏度(sensitivity)上都無人能及,但也有不擅長的領域 ── 它的視野相當小。

哈伯太空望遠鏡。圖/NASA

即使是哈伯裝備的所有相機中視野最大的「先進巡天相機(ACS)」,其視野也只有 202 角秒 x 202 角秒而已,相當於滿月的 1.5%,或是一個十元硬幣在約 25 公尺外的大小。可以想見,想要用這麼小的視野拍攝廣大的區域,是相當緩慢而沒有效率的事。

直到最近幾年,天文學家發明了稱作「Drift And SHift (DASH)」的新型觀測模式,可以在不改變哈伯硬體設備的前提下,大大增加哈伯在近紅外線波段的拍攝效率。利用這項技術,來自多倫多大學的團隊展開名為 3D-DASH 的大型紅外線巡天計畫,其拍攝的天空範圍,是前一個紀錄保持人「CANDELS」的七倍之多。

不斷選擇「引導星」的傳統觀測模式

想了解為什麼 DASH 技術可以大大提升哈伯的觀測效率,就要先從哈伯原本是怎麼觀測的開始談起。

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不知道大家有沒有在黑夜中拍照的經驗呢?在低亮度的環境中,相機總需要比較長的時間進行曝光,才能拍出清楚的照片。而如果你在曝光的過程中不小心移動了相機,那拍出來的照片就會糊成一團。同理,由於天文學家想要拍攝的目標,大多是極其遙遠且黯淡的天體,所以天文觀測時單張照片的曝光時間,往往動輒數百秒以上。因此,專業天文望遠鏡常會配備「導星(Guiding)」系統,以確保望遠鏡能在數百秒的時間內,都精準的指向同一個位置。

導星的原理很簡單,就是在望遠鏡和相機觀測的同時,同時用另一套相機監測視野中星星的位置。一旦發現畫面中恆星的位置有任何小小的移動,導星系統就會命令望遠鏡調整指向(pointing),即時把誤差修正回來。在哈伯望遠鏡上,這個負責導星的相機叫作「精細導星感測器(FGS)」。而這個用來幫望遠鏡「導航」的星星,就被稱為「引導星(guide star)」。

哈伯在進行拍攝時,需要找一顆導星來隨時校正方向。圖/GIPHY

一般來說,在哈伯望遠鏡每指向一個新的目標,都需要先花費一段約十分鐘的時間選擇引導星,然後才能進行科學拍攝。然而,由於哈伯的軌道週期僅有 97 分鐘左右,因此在一次軌道中,哈伯基本上只能拍攝一或兩個固定的天區,不然就會有大量的觀測時間被浪費在尋找引導星的過程中。如此一來,天文學家若想透過哈伯來拍攝 800 個不同指向,就需要花費 800 次的軌道繞行時間才能結束這項任務。

花費很多時間有什麼問題呢?哈伯望遠鏡的觀測,是由美國「太空望遠鏡科學研究所(STScI)」向全世界天文學家公開徵求觀測企劃之後,再從中挑選出最具科學效益的企劃後實施。一個耗時 800 個軌道週期的觀測,很難在競爭激烈的觀測計劃書中脫穎而出。

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但如果,天文學家真的很需要用哈伯進行大面積的巡天,該怎麼辦呢?

提升效率的新方法

如前述,一般來說哈伯每指向一個新目標,都需要花費十分鐘來進行捕捉引導星。但換個角度想,如果把導星功能關掉,不就可以省下這些時間了嗎?

計画通り!圖/GIPHY

還真是沒錯,哈伯的設計的確是可以關掉導星系統,利用其中的陀螺儀來進行控制。但陀螺儀的能提供的穩定性終究不如導星系統,一旦曝光時間過長,望遠鏡的微小移動還是會造成最後曝光出來的星星像塗抹花生醬一樣糊成一片,這樣的影像是很難用於科學分析的。

開導星耗時間,不開導星又沒辦法長曝,該怎麼辦呢?

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這時就輪到「Drift And SHift(DASH)」技術出場了!DASH 的核心概念很簡單:

  • 為了省時,我們就關掉導星。
  • 關導星不能長曝,那我們就拍很多短曝光時間的照片,降低每張照片的模糊程度,再把它們對齊之後疊起來。

以 3D-DASH 計劃來說,關掉導星會讓哈伯的指向以每秒 0.001 至 0.002 角秒的速度緩緩飄移。因此天文學家將每張照片的曝光時間壓縮到 25 秒以下,讓星點在畫面中的移動不超過一個像素(WFC-3 的像素大小為 0.129 角秒)。利用這樣的技術,天文學家就能在哈伯的一次軌道週期中,拍攝八個不同的指向,把觀測效率提升了八倍!

3D-DASH 的觀測天區和其他觀測計畫天區大小、深度(最暗可拍到的天體星等)的比對圖。圖/arxiv

拍這些照片有什麼用?3D-DASH 的科學意義

3D-DASH 計畫的觀測資料最近已於網路上公開,不過這龐大的資料量,觀測團隊以及其他科學家們還需要更多時間進行分析。不過,在公布這個計劃的論文中,團隊已經提出了一些值得分析的科學問題。

舉例來說,天文學家認為如今多數的橢圓星系(elliptical galaxy)們,都是由較小的星系合併而來。因此尋找合併中的星系,並測量它們的各項物理性質,是研究星系演化歷史的重要方法。但很多時候,地面望遠鏡可以大略看到一個光點可能是兩或多個相鄰的天體組成,卻沒有足夠的解析度可以研究它們的細節。但有了 3D-DASH 的資料,天文學家就可以清楚的看到星系們合併的細節,並研究其中細微的結構以及測量更多複雜的物理量。

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合併中的星系們。圖/NASA

不過這種大範圍的巡天計畫也不是完美的。為了拍攝廣大的天區,每個天區分配到的平均觀測時間就會比較少,因此比起 CANDELS 等前輩們,3D-DASH 只能看到相對亮的星系們。雖然如此,3D-DASH 這種相對廣而淺的觀測,不僅可以提供更大量的星系樣本,幫助天文學家使用強大的統計方法進行分析;也可以讓天文學家先大概了解這片天區裡有些什麼,如果發現了有趣的目標,就可以使用哈伯或韋伯等其它強大的望遠鏡們進行更深入的觀測!

3D-DASH 的所涵蓋的天區,以及其超高的解析度。圖/arxiv

參考資料

延伸閱讀

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「泛星計畫」再度發現肉眼可見的彗星
臺北天文館_96
・2022/01/13 ・2598字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 文/林建爭|美國夏威夷大學天文研究所、泛星計畫博士後研究員
  • 校稿/王品方|美國夏威夷專案文物修復師

位於美國夏威夷茂宜(Maui)島哈萊阿卡拉(Haleakal)山上,由夏威夷大學天文研究所執行的泛星計畫(Pan-STARRS)望遠鏡近期又發現了一顆新的彗星。這顆彗星將在明(2022)年四月底至五月初最接近地球,目前估計其亮度最亮可達 5 等,因此人們將很有機會透過肉眼或是雙筒望眼鏡看見。

泛星計畫英文全名是(Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System; Pan-STARRS),直譯為全天域觀測望遠鏡及快速反應系統,其最主要目的是藉由此觀測系統,指認出軌道可能與地球相交的近地小行星,使人們能預警撞擊與研擬避免撞擊地球的解決方案,關於泛星計畫《臺北星空 42 期》有詳細介紹。該計畫原本要建置四座 1.8 米口徑的望遠鏡,不過由於經費限制,目前僅建造兩座望遠鏡(PS1 與 PS2)並投入科學觀測中,圖 1 是 PS1 圓頂。PS1 及 PS2 裝載了目前世界上最大的數位相機,大約有 14 及 15 億像素,一幅影像視野約 7 平方度。

圖 1. 泛星原型望遠鏡及圓頂。圖/Pan-STARRS

每天晚上每個望遠鏡總觀測天區約 1,000 平方度的夜空,而每個目標星場會曝光四次,每次曝光約 45-120 秒,每次間隔約 15 分鐘。圖 2 是泛星計畫所使用的六個濾鏡,分別是 grizyw,其中 w 波段較寬,橫跨 gri 三個波段,而 y 波段接近 1 微米近紅外線。目前搜尋小行星主要以 w 波段觀測,曝光時間 45 秒,其他波段的曝光時間則依其科學目的而有所調整。天文臺拍攝完的影像,會同步下載到夏威夷大學計算中心的伺服器上,團隊人員隨即處理影像,接著每兩幅影像互相比較,因此在一小時內移動的星體便能即時辨識;如果有近地小行星軌道與地球軌道重疊,且有撞擊地球之風險,泛星團隊會立即回報給小行星中心,全世界大大小小望遠鏡將會對該星體進行後續的觀測,以估算其軌道和大小,並進一步確認它們對地球構成威脅的機率。一般說來,泛星團隊在觀測後的 12 小時內,便能將當晚觀測到已知或新發現的近地小行星位置及亮度匯報給小行星中心。

圖 2. 泛星計畫所使用的濾鏡與集光通量分布圖,該濾鏡由 Asahi 公司設計、製作。每個波段下方數字表示單次曝光的星等誤差小於 0.2 等的極限星等。(台北星空原稿PDF沒有放圖說)

泛星計畫在發現近地小行星方面一直處於領先的角色,自從泛星望遠鏡上線後,有近五成較大的近地小行星(直徑>140 米)由該望遠鏡發現,圖 3 顯示自 2014 年起,泛星計畫的小行星發現數量開始領先其它巡天計畫並持續至今。自從 2010 年十月泛星計畫發現了第一顆新彗星 P/2010 T2 以來,該計畫在發現彗星方面也有不少收穫;其中過去五年(2016 年至 2021 年)從美國噴射推進實驗室小行星資料庫的統計中,新發現的彗星約有 350 顆,而泛星計畫發現約 130 顆,每一年佔新發現的彗星中約有三成五以上。

圖 3. 過去十年由不同巡天計畫所發現的近地小行星統計圖。泛星計畫(Pan-STARRS)及卡特林那巡天計畫(Catalina)兩大計畫是過去幾年來最主要的貢獻者。圖/NASA

今年 7 月底,泛星計畫望遠鏡再度發現了一顆新彗星,當時被暫時命名為「P11ibiE」,這顆彗星預估在明(2022)年四月底至五月初最接近地球,當彗星接近地球和太陽時,太陽的輻射會使彗星表面變暖,隨著氣體和塵埃從其冰冷的表面釋放出來後,整體的表面積(塵埃與氣體)變大,讓更多陽光從彗星反射出來,這樣的過程使得彗星變亮。也因此這顆彗星讓我們很有機會透過肉眼或是雙筒望遠鏡看見。

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這顆彗星是由夏威夷大學天文所的天文學家 Robert Weryk 在 2021 年 7 月 26 日首次觀測記錄,通報至小行星中心,接著由全球的望遠鏡協助觀測確認後,在 8 月 1 日正式命名為 Comet C/2021 O3(PANSTARRS)。儘管這顆彗星正逐漸接近地球,但屬於對地球沒有威脅的星體,其軌道預測近日點距離約 0.29 天文單位(註:地球與太陽距離是 1 天文單位),目前與地球的距離約 3 天文單位,如圖 4 所示,這顆彗星以雙曲線軌道繞行太陽,目前預計在 2022 年 4 月 21 日經過近日點,接著它就會展開新的旅程,朝太陽系外遠去。

圖 4. Comet C/2021 O3(PANSTARRS)在 2021 年 8 月 1 日在太陽系中的位置圖。該彗星當時離地球約 4 天文單位,不過該彗星於截稿時離地球約 3 天文單位。圖/NASA

夏威夷大學天文所的天文學家 Richard Wainscoat 也表示,類似這種長週期彗星的軌道是相當難預測其未來的路徑,它可能受到其他行星(例如:木星)的重力影響而改變軌道週期。而 Comet C/2021 O3(PANSTARRS)在運行的過程中,也有可能會因重力或其他小行星體撞擊而偏離軌道,甚至可能會變成週期彗星而回歸,不過即使再次回來,也是數百或是千年後的事了。Robert Weryk 認為這顆彗星不大,這可能會導致它在接近太陽時,受太陽重力拉扯碎裂解體;即使沒有,太陽的輻射也會使彗星內的物質蒸發,形成彗星特有的標誌「彗尾」。目前預估要觀察該彗星的最佳機會是明年五月的前幾天,屆時彗星將在日落後低懸於西方天空。

YouTube 相關影片:

世界上最大的數位巡天資料庫。影/YouTube
日冕噴發造成彗星變亮。影/YouTube
彗星、流星、小行星大不同。影/YouTube

參考資料:

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