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什麼?一邊上廁所還能一邊學恆星演化?!

臺北天文館_96
・2016/10/17 ・2873字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

文/胡佳伶|任職於臺北市立天文科學教育館

日本人熱愛天文是眾所皆知的,但您能想像一邊上廁所,還能一邊學習恆星演化嗎?

原來這是由日本國立天文台 (National Astronomical Observatory of Japan, 簡稱 NAOJ)的學生所發起的「天文廁紙」 (Astronomy Toilet Paper,簡稱 ATP)計畫。 可惜,目前僅在日本國內販售,一捲大約兩百元日幣左右,有計畫前往日本旅行的朋友,不妨多帶幾捲廁紙回來,送禮自用兩相宜喔!

這捲廁紙以 6 張為一個循環,70 公分 6 小張的廁紙中,就說盡了太陽型恆星 100 億年的歷史。圖/《臺北星空》提供。
這捲廁紙以 6 張為一個循環,70 公分 6 小張的廁紙中,就說盡了太陽型恆星 100 億年的歷史。圖/《臺北星空》提供。

這捲廁紙以 6 張為一個循環,70 公分 6 小張的廁紙中,就說盡了太陽型恆星 100 億年的歷史,從宇宙中的氣體分子雲中誕生了原恆星,逐漸脫離雲繭,形成金牛座 T 型星,進入壯年時期的主序星和行星系統,用盡燃料的老年時期膨脹成為紅巨星,最後將氣體拋回太空,以行星狀星雲畫下生命的句點。恆星的生死輪迴以氣體開始,也以氣體結束,這些氣體又將成為下一代恆星、行星,更包含你的身體、和你現在舉目所及一切事物的原料。這樣壯闊的循環,是不是也和我們的消化循環有著異曲同工之妙呢?下次上廁所時,不妨好好思考一下這個問題吧!

分子雲

即使是在接近真空的宇宙中,仍有極少量的氣體存在,氣體中有些特別濃密的部分稱為分子雲(暗雲),宇宙中閃亮的恆星就是從這些暗星雲中誕生出來,分子雲因為本身的重力而塌縮,並分裂成一塊塊,密度較高的部分就是分子雲核心,也就是恆星寶寶誕生的地方。

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分子雲是恆星寶寶誕生的地方。圖/《臺北星空》提供
分子雲是恆星寶寶誕生的地方。圖/《臺北星空》提供

宇宙豆知識

夜空中閃閃發亮的星星也會歷經誕生和死亡的過程。星星是從飄浮在宇宙中的氣體開始輝煌的一生,也在噴發出氣體後結束生命,下一代的星星又從這 些氣體中誕生。這捲廁紙呈現出類似太陽恆星的璀璨的一 生。

原恆星

分子雲的核心會因自身的重力收縮,恆星寶寶(原恆星)就由此誕生,恆星寶寶和太陽這類的成年恆星不同,還不會有核融合反應,氣體和塵埃會在恆星周圍聚集形成旋轉的的圓盤,再繼續往原恆星落下,讓原恆星越長越大。原恆星也會向兩極噴出氣體噴流。

恆星寶寶(原恆星)和太陽這類的成年恆星不同,還不會有核融合反應。圖/《臺北星空》提供。
恆星寶寶(原恆星)和太陽這類的成年恆星不同,還不會有核融合反應。圖/《臺北星空》提供。

宇宙豆知識

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圖中天體的規模大小以「天文單位」(Astronomical Unit)來表示,一天文單位也就是太陽和地球的平均距離,約為 1 億 5000 萬公里。太陽和冥王星的距離約為 40 AU,太陽離最近的恆星約有 27 萬 AU。

金牛座 T 型星 + 原行星盤

當原恆星周圍的氣體和塵埃逐漸消散,我們就能看到恆星寶寶從雲氣中誕生,氣體和塵埃仍然會在恆星周圍以原行星盤的形式環繞著,天文學家認為像地球和木星這樣的行星就是從原行星盤中形成的。這樣的恆星開始能被可見光觀察到, 周圍還有氣體和塵埃形成的圓盤,就稱為金牛座 T 型星。

這樣的恆星開始能被可見光觀察到, 周圍還有氣體和塵埃形成的圓盤,就稱為金牛座 T 型星。圖/《臺北星空》提供
這樣的恆星開始能被可見光觀察到, 周圍還有氣體和塵埃形成的圓盤,就稱為金牛座 T 型星。圖/《臺北星空》提供

宇宙豆知識

天文學家不只用可見光,還用「不可見」的光──像是無 線電波、紅外線、紫外線、X 射線──這些電磁波來觀察宇宙。 不同波長的電磁波能幫助我們觀測、理解不同的天文現象。

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主序星和行星系統

終於恆星邁向稱為主序星的穩定階段,在恆星的核心進行核融合反應,產生我們所看見的星光。恆星的壽命是由質量 決定,越重的恆星壽命越短,越輕的恆星壽命越長。像太陽這樣的恆星大約可以在主序帶活 100 億年,目前的太陽已經有 50 億歲,還可以再活 50 億歲。在這個階段原行星盤中的氣體和塵埃已經逐漸形成行星。

恆星邁向稱為主序星的穩定階段,在恆星的核心進行核融合反應,產生我們所看見的星光。圖/《臺北星空》提供
恆星邁向稱為主序星的穩定階段,在恆星的核心進行核融合反應,產生我們所看見的星光。圖/《臺北星空》提供

宇宙豆知識

目前我們已經在太陽系外發現超過 100 個系外行星了,大部分都是像木星這樣巨大的行星,但是隨著觀測儀器和技術的進步,很快我們就能發現像地球這麼小的行星了。

註:自克卜勒(Kepler)太空望遠鏡升空後,發現系外行星的數量大幅增加,截至 2016 年 5 月 19 日,已確認的系外行星有 3268 顆。也已經發現不少類似地球大小的行星,詳細資料可參考 NASA 系外行星介紹頁面

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紅巨星

當恆星將核心的氫燃料用盡之後, 恆星會開始膨脹,此時表面的溫度會下降並轉變為紅色,這個階段稱為紅巨星。像是天蝎座心臟的心宿二,和獵戶座左肩的參宿四,都是相當典型的紅巨星。

當恆星將核心的氫燃料用盡之後, 恆星會開始膨脹,此時表面的溫度會 下降並轉變為紅色,這個階段稱為紅巨星。圖/《臺北星空》提供
當恆星將核心的氫燃料用盡之後, 恆星會開始膨脹,此時表面的溫度會 下降並轉變為紅色,這個階段稱為紅巨星。圖/《臺北星空》提供

宇宙豆知識

再過 50 億年後,太陽也會逐漸變老,形成紅巨星,那時候的太陽表面會膨脹到地球的軌道。最後太陽會以行星狀星雲結束它一百億年的生命。

行星狀星雲

像太陽這樣不是太重的恆星在形成紅巨星時,會相當不穩定,無法以自身的重力抓住恆星外圍的氣體,因此外層的氣體會不斷向外膨脹,形成行星狀星雲,這些氣體最終會回歸到宇宙中,成為下一代恆星和行星的原料。你的身體和這捲廁紙,都是由恆星的殘骸所形成的。

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無法以自身的重力抓住恆星外圍的氣體,外層的氣體會不斷向外膨脹,形成行星狀星雲。圖/《臺北星空》提供
無法以自身的重力抓住恆星外圍的氣體,外層的氣體會不斷向外膨脹,形成行星狀星雲。圖/《臺北星空》提供

宇宙豆知識

在行星狀星雲的中心,會有恆星的核心殘存下來,稱為白矮星。白矮星的表面溫度一開始高達攝氏幾萬度,接著會逐漸冷卻。周圍的氣體會以每秒數十公里的速度向外膨脹。


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本文轉載自台北市立天文館期刊《臺北星空》第 73 期,2016 年秋季號,點此看線上電子書

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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

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在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

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腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

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最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

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與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

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肺部為何會「結疤」?揭開比癌症更致命的「菜瓜布肺」,科學家如何找到破解惡性循環的新契機
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/05/08 ・2041字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作,泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡,乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生;但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視,那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」(IPF),其預後往往不太樂觀,確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先,我們得先破解一個迷思:肺纖維化並不是單一疾病,而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」,腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象,患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕,像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是,IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化,是兩種完全不同的概念。

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IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉 / 圖示來源:shutterstock

肺部為何會變成「菜瓜布」?

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布?這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織,就是肺部間質組織(interstitium)的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍,包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下,肺部損傷後會啟動修復機制,並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內,這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號,導致負責修復工作的「纖維母細胞」(fibroblasts)被過度活化,進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織,最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現,這個過程之所以棘手,在於它是一個「惡性循環」,肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ,它們相互加乘,演變成難以阻斷的強大破壞力。

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雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸,特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外,患有自體免疫疾病(如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎,)的患者,他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人,必須特別警覺。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。/ 圖示來源:shutterstock

打斷惡性循環的挑戰,為何只對抗「纖維化」還不夠?

面對這個不可逆的疾病,醫學界長年束手無策,直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥:Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺,首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而,這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望,卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看,這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題:既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊,那麼,我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略,從而更有效地打斷這個惡性循環?

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找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題,科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素:磷酸二酯酶 4B(PDE4B)

為什麼鎖定它?讓我們看看它的「雙重作用」機制:

  1. 關鍵位置: PDE4B 同時存在於免疫細胞(與發炎有關)與纖維母細胞(與纖維化有關)當中。
  2. 作用機制: PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP(環磷酸腺苷) 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
  3. 雙重抑制: 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性,細胞內的 cAMP 就不會被分解,濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞,同時產生抗發炎抗纖維化的雙重效應。

簡單來說,鎖定並抑制 PDE4B,就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程,有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來,全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗,我們相信,在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後,期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

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最後,我們必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手,雖然現有的治療手段能延緩惡化,但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織,因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。/ 圖示來源:


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在獵戶座大星雲探測「熱微核」——尋找生命起源的線索!
研之有物│中央研究院_96
・2021/12/20 ・3972字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|歐柏昇
  • 美術設計|林洵安

為什麼要研究宇宙中的複雜分子?

生命如何在宇宙中起源?這是天文學家關注的一個大哉問,也許我們可以從星際中的複雜分子,獲得一些可能線索。「研之有物」團隊專訪中央研究院天文及天文物理研究所呂聖元副研究員,他長期研究天文化學,2020 年普查在獵戶座大星雲的恆星形成區,探測到 4 顆富含複雜分子的「熱微核」(hot corino),有助於釐清恆星誕生時周遭雲氣的化學演化。

美麗的獵戶座星雲,其恆星形成區有著富含複雜分子的熱微核。圖/Wikimedia Commons

尋找星際中的複雜分子

天文學家很早就知道,星際空間中存在著成分以氫氣為主的分子雲(molecular cloud)。到了 1960 年代,隨著電波天文學進展,學者們在分子雲中陸續偵測到新的分子訊號。這才發現,分子雲裡面除了氫氣,還摻雜著很多不同的分子。由於分子雲是恆星與行星系統誕生的地方,不禁讓人聯想,其中或許存在一些和生命起源有關的分子。

相較於簡單分子而言,由至少 6 個以上原子構成的有機分子,天文學家稱為「複雜有機分子」(complex organic molecules),可能和生命起源有更多連結。過去天文學家就試著尋找複雜有機分子,不過早期望遠鏡靈敏度低,所以起初偵測到的分子都較為簡單。

天文學家偵測星際雲氣中分子的方法,是量測分子的轉動光譜。氣態的分子有時轉得快、有時轉得慢,當分子在不同轉動模式變換時會發出或吸收光線,而這些具有特徵的光線就構成分子的轉動光譜。

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圖片為一氧化碳分子(亦為簡單分子)在不同轉動模式變換的示意圖,從快轉切換到慢轉的過程中會發出光子。而天文學家想要尋找的複雜有機分子,轉動模式會更為複雜。圖/Wikimedia Commons

為什麼複雜分子的訊號會比較微弱呢?呂聖元說主要原因有兩個:首先,複雜分子通常需要經歷很多化學過程才能形成,所以在星際雲氣中的豐度(註1)相對來說比較低。第二,簡單分子的轉動模式比較單純,複雜分子的轉動模式卻很多,使得每條輻射譜線的亮度相對微弱而更不容易觀測。

隨著天文儀器越來越靈敏,實驗室量測到、用來比對的分子光譜數量越來越多,科學家在星際偵測到的分子種類迅速增加,並找到更多結構複雜的分子。目前已偵測到的星際分子種類,從 50 年前的個位數,增加到最近的 200 多個。進入 21 世紀後,綠堤望遠鏡(GBT)以及阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA,中研院亦參與研發建造)等新儀器相繼上線運作,搜尋複雜有機分子的成果更是突飛猛進。

雖然目前已找到的複雜有機分子,尚未能直接連結到生命起源,不過天文學家繼續努力搜尋和生命有關的分子。例如,許多學者努力在星際間尋找「甘胺酸」(Glycine),甘胺酸是一種構造相對簡單的胺基酸,是構成人體蛋白質的成分之一,若能找到這種分子,有望幫助我們掌握生命起源的線索。

天文學家在星際間偵測到的分子種類數量,在 1960 年代只有個位數,隨著電波天文學進展,例如綠堤望遠鏡與 ALMA 相繼上線,到 2021 年已經發現了 200 多種分子,並持續增加中。圖/McGuire 2021, arXiv

在獵戶座星雲偵測到新的「熱微核」

1990 年代找到的許多複雜有機分子,都是在大質量恆星誕生的區域發現,這些地方稱為「熱分子核(hot molecular core)」或者「熱核」。發現熱核之後,天文學家進一步想:在類似太陽系的小質量恆星誕生區,是否也能找到複雜有機分子呢?

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2004 年起,科學家的確在小質量恆星誕生的區域,找到了一些複雜有機分子。這些天體比起「熱核」來說,不論是大小或是質量都要來得小,因此被稱之為「熱微核(hot corino)」。

呂聖元指出,不論「熱核」或是「熱微核」,所謂的「熱」,其實只是相對一般的雲氣來說比較高溫。一般分子雲只有大約絕對溫度 10 度(10K,約 -263 ℃),非常寒冷,而熱(微)核可達大約 100K 至 200K(約 -173℃ 至 -73 ℃)。在恆星形成的過程中,部分雲氣密度變高,同時被加熱,於是可在毫米波與紅外線波段看到比較亮的區域,而「熱微核」就是相對高溫的緻密區域。

2020 年,臺灣大學的博士生許世穎和呂聖元合作發表論文,登上《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal),他們在獵戶座大星雲偵測到了 4 個新的熱微核!在此之前,已知的熱微核並不多,只有不到 20 個,主要出現在經常被觀測且已知的明亮恆星形成區。

呂聖元研究團隊採用全然不同的途徑,不去觀測已知的恆星形成區,而是像矇著眼睛般,普查獵戶座星雲中之前沒被發現、或是尚未被詳細研究過的恆星形成區域,結果就發現了裡面的熱微核。這項重要發現受惠於 ALMA 望遠鏡的高靈敏度,故可偵測到過去可能無法被看見的訊號。

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事實上,幫助呂聖元團隊找到熱微核的這項 ALMA 觀測計劃,最初的目的並非尋找複雜有機分子,在呂聖元團隊看過光譜之後,才發現熱微核就在其中,可說是意外的驚喜。

那麼,偵測到新的熱微核意味著什麼?

此圖由 ALMA 望遠鏡拍攝,呈現獵戶座大星雲中一個恆星形成區的一氧化碳分布,可見到明顯的分子外流(outflow)構造。富含複雜有機分子的「熱微核」位於藍色圓圈區域。圖/呂聖元

宇宙中可能更普遍存在複雜有機分子

熱微核並不是所有恆星形成區域都能看到,但是看不到熱微核的地方是真的沒有熱微核,或者只是我們「視而不見」呢?

呂聖元團隊研究發現,目前找到的熱微核,大多仍出現在總亮度相對比較亮的恆星形成區。為什麼比較亮的地方才看得到熱微核?許世穎和呂聖元等即將發表的新論文提供了解釋:明亮的原恆星附近輻射比較強,因此可造成範圍較大的熱區,使得熱微核較容易被看到。

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呂聖元進一步說明,依照目前主流的了解,複雜有機分子經常在星際塵埃表面的冰晶形成。在熱區之中,冰晶中的分子得以揮發成為氣態,而能被人們透過分子轉動光譜觀測到。明亮的原恆星附近造成較大的熱區,可能就是比較容易觀測到熱微核的原因。

如果以上的解釋正確,就表示目前找到的熱微核數量,可能只是冰山一角。可能在更多的恆星形成區都有熱微核存在,只不過有些熱微核尺度不夠大,所以在目前儀器的靈敏度下沒能偵測到。

呂聖元團隊運用 ALMA 望遠鏡的高靈敏度觀測,確實已在一些過去沒有看到熱微核的地方,找到了較黯淡的熱微核,能夠支持以上的推論。也就是說,可能許多恆星形成區都有熱微核,或者說複雜分子的分布比原先想像更加普遍。

最近還有其他研究發現,在恆星誕生之前的冷雲氣中也偵測到複雜有機分子。也就是說,雲氣還沒有加熱之前,複雜有機分子就已經在氣態中。這表示可能有除了原恆星加熱外的其他管道將冰晶中的複雜有機分子釋放出來,或是有其他的化學反應機制來形成複雜有機分子。

呂聖元團隊運用 ALMA 望遠鏡的高靈敏度觀測,找到了過去儀器偵測不到的熱微核,複雜分子在星際中的分布,可能比原先想的更加普遍。圖/研之有物

持續尋找生命起源的線索

複雜有機分子與生命起源的關聯,雖然尚未有明確答案,但天文學家持續探討這類分子的相關形成機制。呂聖元團隊中的博士後研究員沙德培(Dipen Sahu),近期主導研究甘胺酸的同分異構物——氨基甲酸甲酯(Methyl carbamate)在熱微核環境的形成機制。這項研究考慮了相關的化學反應,利用天文化學模型,計算出恆星形成區此分子的含量,推導的結果與針對熱微核量測出的分子含量上限一致。

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呂聖元也談到複雜有機分子與生命起源研究的展望。他認為,這些研究值得以跨領域的方向來發展。國外有些研究單位,已能結合冰晶實驗、化學、天文觀測來研究複雜有機分子,而國內的學者在各個相關項目也有專長。長遠來說,如果要研究生命起源,則需結合天文學與生物學的知識,朝著「天文生物學」的方向發展。

天文學家利用 ALMA 望遠鏡的高靈敏度、高解析度觀測,不但在星際中找到更多種類的複雜有機分子,也在更多恆星形成區發現了富含複雜有機分子的「熱微核」。這些分子最終能否留在它們的太陽系,還有很多關卡要過。未來更進一步的科學研究與發現,將能幫助人們釐清星際中的化學過程,繼續向前一步回答生命起源的大哉問。

甘胺酸(左)與其同分異構物氨基甲酸甲酯(右)的分子結構示意圖,兩者的原子組成相同,但是鍵結方式不一樣。圖/Wikimedia Commons

註1:一般指該分子成分相對於氫分子(H2)的數量。好比最常見的一氧化碳分子(CO),其在星際分子雲中的豐度大約是10-4,也就是大約每 1 萬個氫分子才有 1 個一氧化碳分子。

延伸閱讀

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什麼?一邊上廁所還能一邊學恆星演化?!
臺北天文館_96
・2016/10/17 ・2873字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

文/胡佳伶|任職於臺北市立天文科學教育館

日本人熱愛天文是眾所皆知的,但您能想像一邊上廁所,還能一邊學習恆星演化嗎?

原來這是由日本國立天文台 (National Astronomical Observatory of Japan, 簡稱 NAOJ)的學生所發起的「天文廁紙」 (Astronomy Toilet Paper,簡稱 ATP)計畫。 可惜,目前僅在日本國內販售,一捲大約兩百元日幣左右,有計畫前往日本旅行的朋友,不妨多帶幾捲廁紙回來,送禮自用兩相宜喔!

這捲廁紙以 6 張為一個循環,70 公分 6 小張的廁紙中,就說盡了太陽型恆星 100 億年的歷史。圖/《臺北星空》提供。
這捲廁紙以 6 張為一個循環,70 公分 6 小張的廁紙中,就說盡了太陽型恆星 100 億年的歷史。圖/《臺北星空》提供。

這捲廁紙以 6 張為一個循環,70 公分 6 小張的廁紙中,就說盡了太陽型恆星 100 億年的歷史,從宇宙中的氣體分子雲中誕生了原恆星,逐漸脫離雲繭,形成金牛座 T 型星,進入壯年時期的主序星和行星系統,用盡燃料的老年時期膨脹成為紅巨星,最後將氣體拋回太空,以行星狀星雲畫下生命的句點。恆星的生死輪迴以氣體開始,也以氣體結束,這些氣體又將成為下一代恆星、行星,更包含你的身體、和你現在舉目所及一切事物的原料。這樣壯闊的循環,是不是也和我們的消化循環有著異曲同工之妙呢?下次上廁所時,不妨好好思考一下這個問題吧!

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分子雲

即使是在接近真空的宇宙中,仍有極少量的氣體存在,氣體中有些特別濃密的部分稱為分子雲(暗雲),宇宙中閃亮的恆星就是從這些暗星雲中誕生出來,分子雲因為本身的重力而塌縮,並分裂成一塊塊,密度較高的部分就是分子雲核心,也就是恆星寶寶誕生的地方。

分子雲是恆星寶寶誕生的地方。圖/《臺北星空》提供
分子雲是恆星寶寶誕生的地方。圖/《臺北星空》提供

宇宙豆知識

夜空中閃閃發亮的星星也會歷經誕生和死亡的過程。星星是從飄浮在宇宙中的氣體開始輝煌的一生,也在噴發出氣體後結束生命,下一代的星星又從這 些氣體中誕生。這捲廁紙呈現出類似太陽恆星的璀璨的一 生。

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原恆星

分子雲的核心會因自身的重力收縮,恆星寶寶(原恆星)就由此誕生,恆星寶寶和太陽這類的成年恆星不同,還不會有核融合反應,氣體和塵埃會在恆星周圍聚集形成旋轉的的圓盤,再繼續往原恆星落下,讓原恆星越長越大。原恆星也會向兩極噴出氣體噴流。

恆星寶寶(原恆星)和太陽這類的成年恆星不同,還不會有核融合反應。圖/《臺北星空》提供。
恆星寶寶(原恆星)和太陽這類的成年恆星不同,還不會有核融合反應。圖/《臺北星空》提供。

宇宙豆知識

圖中天體的規模大小以「天文單位」(Astronomical Unit)來表示,一天文單位也就是太陽和地球的平均距離,約為 1 億 5000 萬公里。太陽和冥王星的距離約為 40 AU,太陽離最近的恆星約有 27 萬 AU。

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金牛座 T 型星 + 原行星盤

當原恆星周圍的氣體和塵埃逐漸消散,我們就能看到恆星寶寶從雲氣中誕生,氣體和塵埃仍然會在恆星周圍以原行星盤的形式環繞著,天文學家認為像地球和木星這樣的行星就是從原行星盤中形成的。這樣的恆星開始能被可見光觀察到, 周圍還有氣體和塵埃形成的圓盤,就稱為金牛座 T 型星。

這樣的恆星開始能被可見光觀察到, 周圍還有氣體和塵埃形成的圓盤,就稱為金牛座 T 型星。圖/《臺北星空》提供
這樣的恆星開始能被可見光觀察到, 周圍還有氣體和塵埃形成的圓盤,就稱為金牛座 T 型星。圖/《臺北星空》提供

宇宙豆知識

天文學家不只用可見光,還用「不可見」的光──像是無 線電波、紅外線、紫外線、X 射線──這些電磁波來觀察宇宙。 不同波長的電磁波能幫助我們觀測、理解不同的天文現象。

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主序星和行星系統

終於恆星邁向稱為主序星的穩定階段,在恆星的核心進行核融合反應,產生我們所看見的星光。恆星的壽命是由質量 決定,越重的恆星壽命越短,越輕的恆星壽命越長。像太陽這樣的恆星大約可以在主序帶活 100 億年,目前的太陽已經有 50 億歲,還可以再活 50 億歲。在這個階段原行星盤中的氣體和塵埃已經逐漸形成行星。

恆星邁向稱為主序星的穩定階段,在恆星的核心進行核融合反應,產生我們所看見的星光。圖/《臺北星空》提供
恆星邁向稱為主序星的穩定階段,在恆星的核心進行核融合反應,產生我們所看見的星光。圖/《臺北星空》提供

宇宙豆知識

目前我們已經在太陽系外發現超過 100 個系外行星了,大部分都是像木星這樣巨大的行星,但是隨著觀測儀器和技術的進步,很快我們就能發現像地球這麼小的行星了。

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註:自克卜勒(Kepler)太空望遠鏡升空後,發現系外行星的數量大幅增加,截至 2016 年 5 月 19 日,已確認的系外行星有 3268 顆。也已經發現不少類似地球大小的行星,詳細資料可參考 NASA 系外行星介紹頁面

紅巨星

當恆星將核心的氫燃料用盡之後, 恆星會開始膨脹,此時表面的溫度會下降並轉變為紅色,這個階段稱為紅巨星。像是天蝎座心臟的心宿二,和獵戶座左肩的參宿四,都是相當典型的紅巨星。

當恆星將核心的氫燃料用盡之後, 恆星會開始膨脹,此時表面的溫度會 下降並轉變為紅色,這個階段稱為紅巨星。圖/《臺北星空》提供
當恆星將核心的氫燃料用盡之後, 恆星會開始膨脹,此時表面的溫度會 下降並轉變為紅色,這個階段稱為紅巨星。圖/《臺北星空》提供

宇宙豆知識

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再過 50 億年後,太陽也會逐漸變老,形成紅巨星,那時候的太陽表面會膨脹到地球的軌道。最後太陽會以行星狀星雲結束它一百億年的生命。

行星狀星雲

像太陽這樣不是太重的恆星在形成紅巨星時,會相當不穩定,無法以自身的重力抓住恆星外圍的氣體,因此外層的氣體會不斷向外膨脹,形成行星狀星雲,這些氣體最終會回歸到宇宙中,成為下一代恆星和行星的原料。你的身體和這捲廁紙,都是由恆星的殘骸所形成的。

無法以自身的重力抓住恆星外圍的氣體,外層的氣體會不斷向外膨脹,形成行星狀星雲。圖/《臺北星空》提供
無法以自身的重力抓住恆星外圍的氣體,外層的氣體會不斷向外膨脹,形成行星狀星雲。圖/《臺北星空》提供

宇宙豆知識

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在行星狀星雲的中心,會有恆星的核心殘存下來,稱為白矮星。白矮星的表面溫度一開始高達攝氏幾萬度,接著會逐漸冷卻。周圍的氣體會以每秒數十公里的速度向外膨脹。


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本文轉載自台北市立天文館期刊《臺北星空》第 73 期,2016 年秋季號,點此看線上電子書

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