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2005 YU55小行星近掠地球觀測影片與影像

臺北天文館_96
・2011/11/15 ・395字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

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以下是由金石雷達站的70米深空雷達天線於2011年11月7日拍攝的28幅2005 YU55影像製作的動態影片,可見小行星自轉的狀況。

以下影片則是由史威福觀測衛星(Swift)在2011年11月9日,小行星最接近地球之後的幾小時,以紫外/可見光望遠鏡(UVOT)所拍攝的小行星影像,可見小行星在視野中移動的景象。背景星空是利用數位巡天計畫(DSS)的可見光影像予以合成的結果,拍攝當時,小行星位在飛馬四邊形中。

以下是位在夏威夷、口徑10米的凱克II望遠鏡(Keck II)於2011年11月9日所拍攝的2005 YU55紅外影像,科學家藉此證實2005 YU55應該沒有衛星,且其直徑比科學家原本認為的400公尺還小一些。

資料來源:

  1. http://www.nasa.gov/news/index.html[2011.11.11]
  2. KECK TELESCOPE SNAPS IMAGES OF ASTEROID’S EXIT[2011.11.09]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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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

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  • 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。

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。

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?

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。

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

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  • 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。

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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謎樣的「超快自旋小行星」——什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解?
科技大觀園_96
・2021/12/23 ・2604字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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超快自旋小行星的自旋週期小於兩小時。圖/沈佩泠繪

科學家相信,一顆小行星的內部可能是由一堆大大小小的碎片組成,這些碎片靠著彼此的重力聚集成一顆小行星,這就是所謂的「瓦礫堆模型」。瓦礫堆小行星無法自旋太快,如果自旋速度超過一個極限,整顆小行星就會遭受強大的離心力而崩解。瓦礫堆模型可以解釋為什麼小行星有一個自旋週期 2 小時的極限,因為超過這個極限,小行星就會瓦解。 

圖中的黑點是一般小行星,圖中虛線是 2 小時的自旋週期,藍色圓點是超快自旋小行星,它們的自旋週期比一般小行星快,短於 2 小時。圖/章展誥提供

「凡事都有例外」,這句話在小行星的自旋週期上也適用。2002 年,科學家發現一顆特別的小行星,它的長度大約 700 公尺,自旋週期只有半小時!這種小行星被稱為「超快自旋小行星」。這個例外讓天文學家感到困惑,是什麼原因讓它自旋這麼快而不崩解?瓦礫堆模型不適用了嗎?還有其他更多的超快自旋小行星嗎?這些問題就成了章展誥的研究主題。

如何量測小行星的自旋週期?

小行星本身不發光,只會反射太陽光。假設小行星的形狀是長橢圓形,當太陽照射到面積最大那一側,小行星看起來最亮;當太陽照射面積最小那一側,小行星看起來最暗。從小行星的亮度變化就可以知道它的自旋週期。 

從小行星的亮度變化可以推算出它的自旋週期。圖/沈佩泠繪

章展誥於 2011 年取得中央大學天文所博士學位,當時是跟隨高仲明教授研究銀河系結構。畢業後他先留在原團隊做博士後研究,後來轉跟隨葉永烜教授,與美國加州理工學院合作研究小行星的旋轉與結構模型,自此與超快自旋小行星結緣。

為了尋找其他的超快自旋小行星,章展誥利用加州理工學院帕洛馬瞬變工廠(Palomar Transient Factory)的 1.2 公尺廣視野望遠鏡,進行大量小行星自旋週期的測量。2014 年春季,他發現一顆疑似超快自旋小行星,這顆小行星的亮度相當暗,無法確定它是不是真的轉得很快,就像聽音樂時,音量很低,很難聽清楚是哪一首歌;這時如果你有一對大象般巨大的耳朵,就可以把旋律聽得清楚。音樂和光一樣都是一種訊號,章展誥需要大口徑的望遠鏡,進一步確認這顆小行星是不是真的轉得很快。 

加州理工學院帕洛馬瞬變工廠的執行地——帕洛馬天文台。圖/Wikipedia

當時他正在加州理工學院訪問,便與加州理工學院的合作者使用他們的 5 公尺口徑望遠鏡進行自旋週期確認,結果顯示它確實是一顆超快自旋小行星。這顆超快自旋小行星的發現,證實了 2002 年發現的第一顆超快自旋小行星並不孤單,超快自旋小行星是一個族群。 

提到那次經驗,章展誥心中除了喜悅還有震撼,原來美國一流名校是這樣做研究的!取得 5 公尺望遠鏡的使用時間就像是走到對街買杯奶茶一樣容易,資源如此豐富,做研究自然得心應手。

除了轉得快,與其他小行星有什麼不同?

因為超快自旋小行星的相關研究成果,在 2017 年 4 月舉行的「小行星、彗星、流星國際研討會」(Asteroids, Comets, Meteors 2017, ACM 2017)上,國際天文學會(IAU)宣布將編號 10679 的小行星命名為 Chankaochang——章展誥小行星。到 2020 年 3 月為止,已知的超快自旋小行星一共有 26 顆,其中的 23 顆是章展誥的團隊發現的。除了尋找更多超快自旋小行星,章展誥還進一步研究它們的組成和分佈,比較它們與其他小行星有什麼異同。

小行星距離我們那麼遠,天文學家要如何研究小行星的組成呢?假設建築工地裡有三種建材,分別是磚頭、水泥和大理石,如果它們放在手碰不到的距離,要如何分辨?你一定知道從顏色就可以分辨它們的材質,紅色是磚頭,灰色是水泥,白色是大理石。實際上天文學家也用類似的方法,他們用小行星的顏色來分辨它們的組成。章展誥的研究發現,這些超快自旋小行星的組成與一般的小行星並沒有不同。

小行星主要分佈在火星與木星的軌道之間,這些小行星分佈的區域稱為小行星帶。超快自旋小行星在小行星帶的分佈位置有什麼特別的地方嗎?它們比較靠近火星或木星?章展誥發現超快自旋小行星分佈的位置並不特別,與其他小行星分佈的位置很相似。

超快自旋小行星除了自旋得超快,它們的組成與分佈跟其他小行星並沒有什麼不同。至於為什麼它們可以轉得超快而不裂解,目前仍是未解之謎,期待未來章展誥能夠解開謎團,告訴我們答案。 

章展誥目前是中央大學天文所的助理研究學者。圖/章展誥提供

從星團到小行星 章展誥繞著天文轉

章展誥大學是念中央大學物理系,修過普通天文學後,覺得天文容易上手,後來進入天文所蔡文祥教授的研究室做暑期學生,開始他的天文研究之路。當時的時空背景,大多數的大學生畢業後都會選擇念碩士班,章展誥覺得天文比較親近,所以選擇報考天文所。考上中央大學天文所,繼續跟隨蔡文祥教授研究球狀星團。

碩士班畢業後,章展誥到成功大學物理系許瑞榮教授實驗室協助研究紅色精靈,紅色精靈是一種高空閃電現象,他參與的團隊很幸運地拍到紅色精靈,這是臺灣首次記錄這種特殊、罕見的現象。

離開成大後,章展誥曾經到科技業工作,後來覺得不同部門之間,對解決問題方式存在很大的差異,因此在一年後離開企業界,回到中央大學擔任高仲明教授的研究助理,工作是用大量的天文數據和影像建構虛擬天文台。處理大數據的經驗,讓他可以幫助學弟解決研究上的問題,這讓章展誥興起攻讀博士的念頭。於是在 2006 年,他進入中央大學天文所博士班就讀,研究銀河系;博士後一直到現在,則聚焦在小行星。

從球狀星團、紅色精靈、虛擬天文台、銀河系到小行星,章展誥跨足天文、太空多個研究領域,至於未來,且讓我們拭目以待!

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