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藉重力透鏡星系測量「哈伯常數」,宇宙膨脹比目前預期快!

活躍星系核_96
・2017/02/09 ・2110字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 587 ・九年級
  • 位於影像正中央的 HE0435-1223,是目前已取得最佳重力透鏡類星體的其中一個,在前景星系周圍產生了來自遙遠類星體的 4 個影像。圖/擷取自哈伯望遠鏡影片

國際天文團隊以獨立的方法,使用星系為透鏡,用哈伯太空望遠鏡測量了宇宙膨脹速度,得到和此前測量鄰近宇宙膨脹速率一致的結果。然而耐人尋味的是,這些結果卻和測量早期宇宙膨脹速率的結果不一致。暗示我們對宇宙的了解,在關鍵核心上可能有根本問題。

哈伯常數,即宇宙膨脹率,是描述我們宇宙的幾個基本量之一。中央研究院天文及天文物理研究所訪問學者蘇游瑄,前中研院天文所助研究員,目前任職於德國馬克斯普朗克天文物理研究中心及德國慕尼黑科技大學,率領「H0LiCOW」團隊(註 1),以包括哈伯太空望遠鏡在內的天文台(註 2)觀察 5 個星系,目標是以獨立的方法測量哈伯常數。(註 3)

新的測量方法完全獨立於其他測量鄰近宇宙哈伯常數之方法,結果卻也與它們完全一致;其他測量方法採用造父變星超新星為基準。

不過,蘇游瑄團隊的結果以及以造父變星/超新星測量的數值,兩者卻都不同於普朗克衛星計劃的測量值,其中一項重要差異是:普朗克用觀測宇宙微波背景輻射的方法,測量的是早期宇宙的哈伯常數。

用普朗克測量數值給出的哈伯常數,雖相符於我們目前對宇宙的認知,一些天文學者在鄰近宇宙測量出來的數值,卻和這目前獲大家接受的宇宙理論模型歧異。對此,蘇游瑄進一步說明,「宇宙膨脹率現在已經開始透過不同方式在精確地測量,這些歧異有可能帶出新的物理,超乎我們現有宇宙知識。」

這項研究的主題是地球和遙遠類星體之間的大質量星系。類星體是超級明亮的星系核,從遠端類星體所發出的光,在途經大質量星系時受強重力透鏡作用(註 4)會在大質量星系四周遭到彎曲變形。這使得位在背景的類星體,會有好幾個分身影像產生,有些會瀰散拉長變形成弧狀。

因為星系重力造成的變形並不呈完美球對稱,而且透鏡星系和類星體也不總是剛好地對齊,從後方類星體產生出來的幾個分身影像所走的光路長短,也略有不同,加上類星體的光度還會隨著時間而起伏變化,所以,天文學家能看到這些影像於不同時間點閃爍的情形,閃爍間延遲多久,則取決於光路徑的長短。這樣的時間延遲,和哈伯常數直接相關。該研究計畫的另一位共同主持人,瑞士 EPFL 的研究員 Frédéric Courbin 說明,「我們這種方法是最簡單而直接的哈伯常數測量,因為只用到幾何和廣義相對論,不需要其他假設。」

透過精確測量不同影像的閃爍時間差,加上電腦模型,該團隊取得了非常準確的哈伯常數,精準到誤差度竟只有 3.8% (註 5)。EPFL 的 Vivien Bonvin 認為「精準測量哈伯常數,是當今宇宙學奪獎呼聲最高的幾個項目之一。」蘇游瑄補充:「哈伯常數對現代天文學至關重要,因為它能協助我們去證實或反駁『宇宙是由暗能量、暗物質和普通物質組成』──這樣的宇宙認知,到底是否正確,或者是我們還少了某些關鍵。」

(本文為中研院天文所新聞稿)

註解:

  1. H0LiCOW 全名是 H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring,此計畫部分研究成果係於蘇游瑄任職中央研究院天文及天文物理研究所時期內完成。
  2. 該研究使用到的望遠鏡包括有:哈伯太空望遠鏡(NASA/ESA)、凱克望遠鏡甚大望遠鏡 (ESO)Subaru 望遠鏡Gemini 望遠鏡、臺灣團隊參與儀器研發的「加法夏望遠鏡」Canada-France-Hawaii telescope)、 NASA 的史匹哲太空望遠鏡。研究還使用到 Swiss 1.2-metre Leonhard Euler TelescopeMPG/ESO 2.2-metre telescope 等望遠鏡所提供資料。
  3. 此研究團隊使用「重力透鏡時間差」這種哈伯常數測量方法所得到的哈伯常數值具有其特殊重要地位,因為這種方法幾乎獨立於宇宙三種組成成分以外:普通物質、暗物質、暗能量。
  4. 重力透鏡效應,於大約 1 百年前,由愛因斯坦預測。宇宙中所有物質都會彎曲其周圍的空間,質量較大的效果更加明顯。在行經質量非常龐大的物體譬如星系的附近時,光會遵循扭曲的空間,讓原來的行進路線出現程度清晰可辨的彎曲,這就叫做強重力透鏡效應。
  5. H0LiCOW 團隊得到的哈伯常數值是 71.9±2.7 公里/秒/百萬秒差距,即「每增加百萬秒差距的距離,膨脹秒速增加 71.9 公里誤差 2.7 公里」。另一科學團隊於 2016 年以哈伯太空望遠鏡測得之值是 73.24 ± 1.74 公里/秒/百萬秒差距。歐洲太空總署普朗克衛星於 2015 年測量的哈伯常數是 66.93 ± 0.62 公里/秒/百萬秒差距,仍是目前最精確的哈伯常數值。

補充資料

哈伯太空望遠鏡是一項歐洲太空總署和美國航太總署的國際合作。與此研究相關系列論文將由《英國皇家天文學會月報》出版,各篇名資料如下:

  • “H0LiCOW I. H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring: Program Overview”, by Suyu et al.,
  • “H0LiCOW II. Spectroscopic survey and galaxy-group identification of the strong gravitational lens system HE 0435−1223”, by Sluse et al.,
  • “H0LiCOW III. Quantifying the effect of mass along the line of sight to the gravitational lens HE 0435−1223 through weighted galaxy counts”, by Rusu et al.,
  • “H0LiCOW IV. Lens mass model of HE 0435−1223 and blind measurement of its time-delay distance for cosmology”, by Wong et al.,
  • “H0LiCOW V. New COSMOGRAIL time delays of HE 0435−1223: H0 to 3.8% precision from strong lensing in a flat ΛCDM model”, by Bonvin et al.

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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臺灣半數肺癌患者沒吸菸!不吸菸肺癌的致病成因是?

PanSci_96
・2020/07/20 ・2263字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 605 ・十年級

肺癌傳統被認為與吸菸畫上等號,不過,臺灣的不吸菸肺癌患者卻比吸菸者多。中央研究院與臺大醫學院跨單位研究團隊以蛋白基因體技術建立臺灣早期肺癌病人的多體學大數據,找到不吸菸肺癌患者可能的致病機制。

研究主要有三個發現,首先是肺癌和人體體內APOBEC*突變特徵的高低、其次與致癌物的曝露有關;最後更發現一個從未被發現的新亞型肺癌,及其致癌基因突變的差異,有助早期發現臨床潛在的高風險肺癌患者。

*註:APOBEC的突變被認為跟癌症的發生有關。

研究主持人中研院化學所所長陳玉如表示,「這是東亞第一套結合深度多體學大數據及完整臨床資料,深度解析不吸菸肺癌成因的研究成果」,也是美國臨床蛋白基因體學腫瘤分析聯盟(CPTAC)首次和國際聯盟團隊(臺灣)攜手合作,以蛋白基因體學揭開臺灣及美國病人肺癌生物學的面紗。臺美二個獨立成果於今年(2020)7月9日同步發表在國際頂尖期刊《細胞》《Cell》上,並共同榮登本期雜誌封面。

肺癌致病的關鍵:APOBEC突變特徵、致癌物效應

肺癌是全球癌症死亡的主因,即使藥物治療近年有長足的進展,5年存活率仍低於20%,目前仍是國人癌症死亡頭號殺手。研究指出,在美國不吸菸者約佔肺癌患者的20%,而東亞地區(包括臺灣)的肺腺癌有獨特的特色,不吸菸者(尤其是女性)患病的比率高過於吸菸者。在臺灣有50%以上的肺癌病患並不吸菸,超過9成得肺癌的女性都不抽菸,而且近十年有年輕化的趨勢。為釐清東亞不吸菸肺癌的致病機制,此研究分析東亞地區103名肺癌病患,探究早期不吸菸肺癌的發病與進展。

癌細胞基因突變結果顯示,東西方病人突變的基因背景大為不同;肺腺癌癌變與APOBEC的突變特徵很有關。罹癌患者中,高達74%從未吸菸年輕女性(小於60歲)和所有無肺癌「表皮生長因子受體(EGFR)」 驅動突變的女性患者APOBEC突變特徵程度高,顯示APOBEC的突變特徵可能為女性早期肺癌的驅動因素;而高APOBEC突變特徵又與免疫療法療效呈正相關。因此,APOBEC突變特徵可能成為早期診斷和免疫治療的潛在生物標誌物。

此外,研究也發現,暴露於致癌物而引起的基因體編輯突變特徵,亦可能是癌症早期的主要驅動因素。在部分較年長女性(大於70歲)中程度較高,化學致癌物代謝和解毒過程及特定途徑的活化可能影響腫瘤癌化、惡化和免疫調節異常。換言之,減少生活中致癌物的暴露率可能是預防肺癌的有效策略。

發現「新亞型」肺癌 有助早期發現潛在高風險患者

過去研究已知,臺灣肺癌患者主要在EGFR基因上會發生Del19和L858R兩種突變,病患若是發生L858R突變,存活率較低,且容易產生惡性胸腔積液和癌細胞轉移,不過至今仍未發現明確的生物機轉。此次透過蛋白體學特徵可將肺腺癌分為五個亞型,其中有一個從未被發現的新型早期肺癌「類晚期」亞型。此亞型可區分出Del19和L858R突變的腫瘤在早期癌症之惡性特徵。因此,臨床醫師有機會可藉惡性特徵發現早期肺癌患者,進一步提供密集的監測和考慮可能的佐劑加以治療。此外,「類晚期」亞型的早期腫瘤也可發現顯著增加的蛋白,如間質溶解素MMP11等,可能可以作為檢測的生物標誌。

東亞第一個解析不抽菸肺腺癌之多體學大數據

工欲善其事,必先利其器,有賴於深度蛋白質基因體技術和多體學數據整合分析,及臺灣肺癌臨床團隊提供高品質檢體及臨床資料分析,此次跨領域及院校研究方能就東亞肺癌有此重大突破。肺癌團隊主持人楊泮池指出,「蛋白基因體學發現不吸菸肺癌患者在腫瘤發生和癌症進程上存在著人種和地域上的獨特性,此研究為早期不吸菸者肺腺癌提供了新的見解」。

除中研院之外,研究團隊成員由臺灣大學、臺北醫學大學、臺中榮總提供病人檢體、臨床數據及檢測技術等,共同呈現前所未有的東亞肺腺癌完整鳥瞰圖景,包括針對男女族群、吸菸與不吸菸族群,描繪出更清晰的肺腺癌疾病進程,並且發現新的癌症標誌物與找出導致臺灣肺腺癌的可能病因。

首次攜手合作 臺美「癌症登月計畫」重大發現

本院擁有領先世界的蛋白基因體技術、生物資訊分析平台與大數據分析技術,且臺灣醫療團隊具備完善的長期追蹤資料。藉此優勢,本院與美國國家癌症研究所(National Cancer Institute, NCI)於2016年簽署「癌症登月計畫(Cancer Moonshot)」合作備忘錄,參與國際癌症蛋白基因體學聯盟(International Cancer Proteogenome Consortium, ICPC)。同年10月臺灣通過生醫產業推動方案,科技會報將癌症登月計畫納入為「推動特色重點產業」策略之一,提供利用蛋白基因體大數據開發創新診斷及新藥研發之契機。

持續關注肺腫瘤生物學及早期肺腺癌的研究進展,將有助推動肺癌檢測開發和相關管理策略。「癌症登月計畫」臺灣團隊認為,臨床資訊、多體學技術及體學大數據為發展癌症精準醫學之必要基礎工程,為欲深入研究和發展肺腺癌精準醫療的研究人員和臨床醫生的最大後盾。若能進一步凝聚跨學研單位、醫學中心及跨部會及產學合作,透過與國際癌症登月計畫團隊分享各國數據與資源,持續研發新策略,有助未來發展臺灣特色的精準醫學。

記者會合影

論文共同第一作者為本院化學所陳誼如博士後研究員、本院統計所張雅媗博士後研究員及英國癌症研究所Theodoros I. Roumeliotis,本院資訊所陳鯨太博士後研究員及時任本院化學所林妙霞博士後研究員(現任臺灣大學)亦列為共同第二作者。研究團隊包括本院化學所陳玉如所長、臺大醫學院內科教授楊泮池(本院院士)、本院統計所陳璿宇副研究員、英國癌症研究所Jyoti S. Choudhary、臺灣大學醫學檢驗暨生物技術學系與基因體暨精準醫學研究中心俞松良教授、臺大醫院外科醫師陳晉興、本院資訊科學研究所宋定懿研究員及臺北醫學大學韓嘉莉助理教授等。本次研究經費主要來自科技部、中研院及臺灣大學支持。


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