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INTEGRAL破解部分宇宙線電子散漫訊號的物理機制

臺北天文館_96
・2012/01/10 ・1911字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

天文學家分析INTEGRAL伽瑪射線觀測衛星6年來的觀測資料,終於找出宇宙線電子(cosmic-ray electron)產生銀河系高能星際輻射的個別過程,辨認出可形成硬X射線(hard X-ray)和軟伽瑪射線(soft gamma-ray)等輻射的各種物理機制,對瞭解在銀河系中流竄的高能粒子分布細節有相當大的幫助。

宇宙線(cosmic ray)是高能帶電粒子,普遍散佈於各星系中,當然也包括我們的銀河系,而且能量高到足以逃離星系的掌控,跨越星系之間的空間,抵達宇宙另一空間。自1912發現它們的存在以來,天文學家已經藉由宇宙線的幫助瞭解一些星系整體的性質,例如熱平衡或星系含有的總能量等。

天文學家可以經由宇宙線和地球大氣物質的撞擊狀況直接偵測並追蹤宇宙線的來源,也可以經由宇宙線和星系中其他粒子、光子或磁場等的交互作用所發出的輻射來間接追蹤宇宙線來源。在銀河系中,這些現象是銀河盤面獨特的瀰散輻射(diffuse emission)的主要來源;銀盤上的瀰散輻射從低能的電波、微波到高能的硬X射線和伽瑪射線,各種波長的電磁輻射都有,這是因為含有多種不同的物理過程,每種物理過程所產生的輻射波長也不同;天文學家不斷嘗試用各種不同波段進行觀測,配合各式物理模型,企圖分辨出究竟哪些物理過程造就了這些瀰散輻射,找出充斥整個銀河系的帶電粒子來源。

法國圖盧茲大學(Université de Toulouse)Laurent Bouchet表示:硬X射線和軟伽瑪射線波段的瀰散輻射是用來追蹤宇宙線電子和其反粒子—正子的絕佳工具;其中,正子雖然只佔了銀河系很小的比例,但在高能粒子族群中卻相當重要。Bouchet等人利用INTEGRAL觀測衛星資料,研究全天能量介在20keV和2.4MeV之間的狀況。由於INTEGRAL已經運作了接近10年之久,所累積的資料已使解析度好到足以滿足Bouchet等人的需求,將不同物理過程所造成的結果各自分辨開來。

Bouchet等人處理資料的第一步,是仔細檢視後,將所有包含銀河系和河外星系中的點源移除。他們共處理了數百個點源,以確保這些點源的輻射(下圖黑色部分)不會污染宇宙線所產生的瀰散輻射(下圖藍色部分)的資料。在此同時,他們發現點源主要影響範圍是瀰散輻射中能量最低的部分(20~100keV)。接著,將移除點源之後的結果,和理論模型預測的結果相互比較,以便將個別物理過程造成的輻射分辨開來。

Different contributions to the total emission at hard X-ray and soft gamma-ray energies, as measured with INTEGRAL/SPI. Courtesy of L. Bouchet (Univ. Toulouse and IRAP)Bouchet表示:有趣的是,他們發現一個主要由逆康普頓散射(Inverse Compton (IC) scattering)過程產生的瀰散輻射,在INTEGRAL最初幾年的觀測中,曾暗示應該有這樣的過程,但一直到現在才予以確認。逆康普頓散射是星際空間中的高能電子或正子,與低能光子互撞的過程中,部分能量由電子或正子傳遞給光子,使光子能量被提高到X射線和伽瑪射線波段的結果。宇宙線電子經由逆康普頓散射過程,與恆星發出的紅外波段及可見光波段的光子進行交互作用,也是透過逆康普頓散射與無所不在的宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background radiation)光子進行交互作用。

這個研究團隊是利用一個非常詳細的銀河系內側星際輻射場模型來進行各種不同物理過程的模擬,再結合INTEGRAL觀測資料後,確認能量在100~200keV之間,以及600keV~2MeV之間的瀰散輻射,主要都是由逆康普頓散射所造成的。(左上圖綠色曲線部分為理論模擬逆康普敦散射貢獻的結果)

除了逆康普頓散射之外,Bouchet等人也分辨出正子與電子對滅(annihilation)、不穩定原子核發生放射性衰變等過程所產生的瀰散輻射。當帶正電的正子和帶負電的電子對撞時,會發生兩種狀況:一是可能會立刻互相毀滅並釋放出一對能量為511keV的光子;要不然可能是會產生一個不穩定、生命期極短的「正子電子偶(positronium)」,這個雙粒子系統會隨即衰變成2個以上的光子,並因而產生能量在511keV以上的連續光譜顯著特徵。資料顯示,在能量高於1MeV之處也有2種不穩定同位素—鋁-26(26Al)和鐵-60(60Fe)的明顯衰變特徵。這顯示這些經由近期超新星爆炸過程的核融合所產生的放射性原子核,遍及銀河系各處的瀰散星際介質中。(左上圖紫色實線部分為理論模擬正子電子對滅的結果)

Bouchet還表示:除了這些物理機制外,觀測資料中能量低於50keV的來源部分必須再深入探討。根據INTEGRAL先前利用IBIS相機觀測的資料,這部分很可能來自許多尚未解析出的暗源所發出的輻射互相重疊的結果;其中,擁有非常熾熱日冕的恆星和激變星(cataclysmic variable stars)等,則最有可能是這些尚未解析的輻射來源天體。(左上圖紅色曲線為理論模擬暗源貢獻的結果)

目前INTEGRAL還在正常工作中,Bouchet等人希望未來資料繼續累積後,能再提高資料的靈敏度與解析度,讓他們能繼續測試尚未解出的部分,並將各種輻射源的重要物理參數範圍縮減,一一找出各種粒子的真實來源天體。

資料來源:INTEGRAL deciphers diffuse signature of cosmic-ray electrons[2011.12.21]

轉載字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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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