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對面的E.T.看過來!韋伯太空望遠鏡曲折的追星路──《五十億年的孤寂》

八旗文化_96
・2017/04/04 ・5468字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

  • 【科科愛看書】在浩瀚無垠的宇宙中,誰願意寂寞寂寞就好?自古以來,每當人們仰望星空,都希望找到其他生命的痕跡,即便旅途漫長艱辛,我們也從未停止腳步。讓我們跟著《五十億年的孤寂:繁星間尋找生命》了解人類探詢外星生命的故事,或許有生之年,你我便能在光年以外,找到外星好厝邊。

劃時代望遠鏡,揭開宇宙面紗

當哈伯望遠鏡在二十一世紀頭十年或二十年達到使用年限後,它就會脫離軌道墜入太平洋,一台更具革命性的全新自動軌道天文台,將會取代它的位置。1996 年,發布了哈伯望遠鏡的後繼者──「新一代太空望遠鏡」(Next Generation Space Telescope);2002 年,為了向在阿波羅計畫光榮時代帶領 NASA 團隊的局長致敬,而改名為「詹姆士.韋伯太空望遠鏡」(James Webb Space Telescope,JWST)。

這台望遠鏡的任務是全面揭開宇宙最初星系的面紗,這個星系在哈伯望遠鏡的最深空影像中,只顯現為一個小紅點。詹姆士.韋伯太空望遠鏡將只是個開頭,因為美國天文學社群很快就會擬定計畫,設計出更多又大又有野心的太空望遠鏡;就像一名貪得無厭的饕客,在菜單上選了好幾道足以撐破肚皮的前菜一樣。

向在阿波羅計畫光榮時代帶領 NASA 團隊的局長致敬的「詹姆士.韋伯太空望遠鏡」。圖/By NASA, Public Domain, wikimedia commons

正當 NASA 持續加碼在詹姆士.韋伯太空望遠鏡上的時候,系外行星學也開始快速興起。天文學家第一次能理性地討論找到另一個類地行星的可能,並得到可觀的公眾利益和人們的讚揚。

這些行星獵人計算出來,若是隔著星際距離觀看我們的行星,在一張哈伯深空的影像中,地球會比一個典型的星系還要稍微黯淡一些。理論上來說,那是詹姆士.韋伯太空望遠鏡可以偵測到的東西,且該望遠鏡確實在「讓和恆星有段距離的年輕氣體巨行星呈現在影像中」這點上表現傑出。

但實際上,可居住行星太靠近比它們亮太多的母星,這會導致計畫中的望遠鏡,無法獲取能滿足行星獵人或其大眾粉絲所需的高動態影像。舉例來說,在可見光的範圍內,我們的地球就比太陽暗了大約一百億倍,這個數字代表著,地球每反射一個光子到太空,太陽就會噴出超過一百億個。在紅外線中,其對比則會稍微好一些—在這個波段中,太陽只比地球亮大約一千萬倍。

天文學家喜歡把「拍下繞著似日恆星的另一個地球」和「從幾千英哩外,拍攝一隻螢火蟲在一個明亮光點附近飛舞」做類比,但簡單的事實更有力:要拍下一顆環繞恆星的岩石行星,就有如捕捉一粒靠在熱核能火球邊緣的灰暗砂粒,或是像拍攝一根緊貼著點燃氫彈但自己沒有點燃的火柴一般。要做到這點,你得先要有辦法擋住上百萬或十億個熱核光子,才能讓行星的光子被看見。對幾乎所有的恆星來說,地球大氣的模糊干擾,排除了從地面做出準確測量的可能性—只有太空中的軌道天文台,才能傳收任何環繞其他恆星的可能可居住行星光芒。

想找外星生命?重重考驗等著你

在 1996 年初美國天文學會於德州聖安東尼奧(San Antonio)舉行的一場會議上,就在傑佛瑞.馬西揭露其研究團隊首度發現熱木星後不久,日後將成為 NASA 局長的丹.高丁(Dan Goldin)登台報告了關於「NASA 在後詹姆士.韋伯太空望遠鏡時代可以立刻做些什麼,來支援搜索其他可居住行星」的誘人前景。

高丁企圖重塑 NASA 與天體生物學相關的整體科學計畫,並由新的生命搜索太空望遠鏡擔任主打明星。他解釋,「大約從現在開始的十年後,」NASA 將準備好發射「行星發現者」這種軌道天文台,它不但可以定位可能可居住的行星,還能透過多種星光阻擋技術,拍攝該行星的低解析影像。這個軌道天文台將在每一小團行星碎點的光譜中,尋找大氣中的生物標識。

這是 NASA 第一次向公眾提及日後所謂的「類地行星發現者」任務概念,高丁對入迷的觀眾說,如果「類地行星發現者」在鄰近恆星發現了有機會的行星,那麼「或許在二十五年內」就會打造企圖心更大的望遠鏡,以「能看見海洋、雲朵、大陸和山脈的解析度」,來拍攝那些行星。高丁為一個並不遙遠的未來做出排程,在那之中,多虧美國的財富智慧,外星地表地圖可讓全球各地學校教室的牆壁增色。他接著又說,在二十一世紀的某一刻,那些顯現為可居住的行星,會成為自動星際探測機的首要目標。

在高丁的如意算盤中,「類地行星發現者」可能會在 2006 年升空,未來則由一座 2020 年代前半登場的太空望遠鏡接班;屆時那台新望遠鏡將開始在任一鄰近的系外類地行星上,實施蘭德麥奈利(Rand McNally)地圖繪製。

然而不幸地,詹姆士.韋伯太空望遠鏡的發展,最終比計畫要困難許多。為了要拍攝最早的恆星和星系,這台望遠鏡需要比哈伯大上很多的主鏡,並且需要為拍攝分子雲、巨行星和最早星系最明亮放射的紅外線而特別進行優化。它也得要進行低溫冷卻,好讓其內在熱度不會洗去宇宙曙光期的微弱光線。最後,它不能在近地軌道上運作,因為我們地球有如電燈泡一樣的紅外線光芒,會污染精細的觀測結果。

經過許多年的眾多開發週期,設計終於拍板定案:詹姆士.韋伯太空望遠鏡將配備 6.5 公尺的主鏡,其集光區域將近哈伯的七倍,並安置於地球與太陽連線上的一個穩定點,離地球有一百萬英哩,約比地球跟月球的距離遠四倍。

這望遠鏡的每一個方面,都需要大規模的新技術。一面有波音七三七那麼長、那麼寬的多層「太陽罩」,保護著望遠鏡以及整套特製最先進的儀器和偵測器。這整套組合無法讓任何現有火箭裝載,因此為了要發射出去,整個軌道天文台要像摺紙一樣折疊起來;在它於太空深處張開之前,就像蛹中的蝴蝶一樣。為了要能摺疊,詹姆士.韋伯太空望遠鏡的主鏡會分成十八片可調整角度的鍍金六角形,每一片都以極輕且高毒性的鈹金屬雕製而成。

韋伯太空望遠鏡將安置於地球與太陽連線上的一個穩定點,離地球有一百萬英哩,約比地球跟月球的距離遠四倍。然而它所需要的技術實在太高,發展比預期難上非常多。圖/By NASA/ESA, Public Domain, wikimedia commons

多個國際夥伴簽約打造這個儀器或是提供發射載具,但 NASA 將負擔主要成本,初估大約是十五億美元。發射時間則預定在 2010 年前後。隨著該計畫真正的複雜度和實際規模逐漸明朗,成本預估不斷持續上修,但該增加的資助卻越來越不見蹤影,以至於詹姆士.韋伯太空望遠鏡所需的費用,得從 NASA 其他太空科學計畫挪來使用。到最後,光是技術開發就要花上二十億美元。

詹姆士.韋伯太空望遠鏡的進度表開始失控,計畫總成本不斷膨脹,只好將越來越多的主要支出向後挪移。到了 2012 年,詹姆士.韋伯太空望遠鏡的建造、測試、發射,以及頭五年的運作費用,總共估計將近九十億美元,而發射日期不會早於 2018 年。

被金融海嘯沖垮的太空計畫

詹姆士.韋伯太空望遠鏡的「分娩痛」,又因為反覆的國家與全球經濟災難加劇,並在 2008 年開始的經濟大衰退達到頂點。在大衰退中,美國政府花了上兆美元,來防止主要銀行和其他金融機構全面崩盤。一度預期會穩定成長的 NASA 預算,此刻還幸運地維持平盤,但即便如此仍無法趕上通貨膨脹的速度。1990 年代由總統柯林頓所儲存建立的上兆元聯邦剩餘資產,在 2000 年代因減稅和繼任總統小布希的失控開支,轉為數兆美元的虧損。

在哥倫比亞號太空梭事故之後,小布希委任一項大膽的新任務給 NASA,讓這單位又回到 NASA 原本的後阿波羅時代計畫:打造新的重型運載火箭,然後用它們回到月球,並把人送往火星。這任務日後被稱做「星座計畫」(Constellation program)。

但小布希其實並沒有提供足夠的資助,也沒有來自美國國會的大力支持,更沒有在他首度發表後再度提起這計畫。就跟小布希任內開始的眾多政府計畫一樣,星座計畫看起來唯一的長處,就是把幾十億美元的公共資金與聯邦資金,轉移到與此脈脈相連的私人承包商金庫裡,而那些單位總是只回報一丁點結果而已。

小布希委任一項新任務給 NASA,後阿波羅時代計畫:打造新的重型運載火箭,然後用它們回到月球,並把人送往火星。這任務日後被稱做「星座計畫」。然而這個計畫更加劇了韋伯太空望遠鏡的難產。圖/By NASA, Public Domain, wikimedia commons

2006 年,NASA 選擇從它的科學預算中挪用數十億美元,支撐小布希這個失敗的計畫,而讓詹姆士.韋伯太空望遠鏡的開發陷入混亂之中,並讓一個即刻的 TPF 開發與發射計畫正式宣告「無限期延遲」,而沒了指望。並不是每個人都為這損失哀悼—許多不是研究系外行星的天文學家已經開始覺得,「類地行星發現者」的狹隘目標和預計成本,對於他們同樣需要太空望遠鏡但乏人關照的子領域來說,幾乎是種生存威脅。確實,有些人甚至主動透過具影響力的研究團體和計畫委員會,以遊說方式阻止它的進行。

經過多年不上不下的結果和超過一百億的支出後,星座計畫在 2010 年由總統歐巴馬中止,但這已經對 NASA 科學計畫造成損害。為了資助詹姆士.韋伯太空望遠鏡,整個單位被迫縮編,延後或取消幾乎所有下一代天文物理學及行星科學的主要任務。這個軌道天文台若想成功,只有在有效排除 NASA 絕大多數太空科學代表作的龐大花費下,才有可能辦到。隨著前一代老化的太空望遠鏡一台接一台地破損故障,不論詹姆士.韋伯太空望遠鏡最終何時升空,屆時天上都可能只剩下這台望遠鏡,獨自在一個突然沒有其他大型軌道天文台的天空中,望向宇宙的邊緣以及時間的起點。

在缺乏金錢和強大機構支援的情況下,「類地行星發現者」就跟那些遙遠的恆星一樣,如此地遙不可及。因為計畫持續延遲超支,美國國會也反覆威脅要把支助詹姆士.韋伯太空望遠鏡的資金抽掉,哈伯望遠鏡的接班計畫也就可能無法達成。就算達成,望遠鏡的可用年限也只有十年,因為屆時其燃料儲存將會用盡,設備也會退化。天文學家私下議論,由哈伯開啟的黃金時代恐怕就要結束了。

哈伯大夫:我們並不孤單

這個想法讓約翰.格朗菲德(John Grunsfeld)的心情格外沉重。這位留著大八字鬍的天文物理學家,也是歷經五次太空梭任務的 NASA 太空人。他的五次任務中,其中三次就是造訪哈伯望遠鏡。哈伯望遠鏡能夠成功,有不少部分得歸功於格朗菲德在三次哈伯維修任務中,在創紀錄的五十八小時半太空漫步時,套著太空裝展現了精湛的修復工夫。媒體盛讚格朗菲德是個英雄,稱他為「哈伯大夫」。透過將太空梭駛入軌道,維修史上最具生產力的太空望遠鏡,再以同一台望遠鏡研究脈衝雙星以及其他異常迷人的天文現象,格朗菲德經歷到 NASA 載人太空計畫與科學太空計畫的強大協同利益。

約翰.格朗菲德是歷經五次太空梭任務的 NASA 太空人。哈伯望遠鏡能夠成功,有不少部分得歸功於格朗菲德在三次哈伯維修任務中,在創紀錄的五十八小時半太空漫步時,套著太空裝展現了精湛的修復工夫,因此被稱為「哈伯大夫」。圖/By NASA, Public Domain, wikimedia commons

他針對花在國際太空站與太空梭上的上億美元,以及維持太空望遠鏡黃金時代所需的資助深思。並思考 NASA 生氣蓬勃的載人探索計畫,該怎麼像太空梭和大型軌道天文台計畫一樣,再一次與這機構純然的科學研究一同打造強大的合作關係,好讓雙方都大幅獲益。2003 和 2004 年間,他擔任 NASA 的首席科學家,協助開發小布希星座計畫的科學應用;結果發現,巨大火箭拿來發射特大號天文望遠鏡,跟把太空人送往月球一樣管用。舉例來說,這樣的火箭可以在不耗費大量成本且把主鏡切片折疊的艱難條件下,就把詹姆士.韋伯太空望遠鏡發射出去。它也能讓更大的 TPF 式軌道天文台變得更便宜。然而,當這計畫的科學預算蒙上一層飢餓的陰影時,事情變得事與願違。

在完成最後一次哈伯維修任務後,2010 年年初,格朗菲德離開 NASA,前往馬里蘭州巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所擔任副所長。在差不多兩年的任期內,他與研究所所長—天文學家麥特.曼騰(Matt Mountain)緊密合作,替該研究所某天可能也會著手的 TPF 式望遠鏡打下基礎。他們把自家設計很巧妙地縮寫為 ATLAST(總算),全名為技術進階大口徑太空望遠鏡(Advanced Technology Large- Aperture Space Telescope),讓它成為一台除了其他功能外,還能傳送可能可居住的系外行星影像的重負荷天文學儀器。哈伯大夫就此成為了「類地行星發現者大夫」,或是「總算大夫」。

格朗菲德擺脫了備受矚目的 NASA 公僕角色之後,在新職位任職的他講起話來變得熱心而詳盡,甚至會主動提及打造新軌道天文台,來尋找其他行星及生命的重要性和價值。然而,2011 年下半年,格朗菲德的電話響起,那通電話來自一個 NASA 工作的朋友。NASA 希望他回來擔任科學任務部的副行政官—這職位將會讓格朗菲德執掌全球最大一筆純科學預算,儘管這筆預算過去未曾達成 NASA 的無數任務。

他接受了,並在回歸 NASA 後,馬上收斂起自己過去對打造「生命搜索用太空望遠鏡」暢所欲言的擁護,取而代之的是一種強調 NASA 所有科學計畫都要保持平衡的謹慎公眾人格。雖然在外星地球搜尋方面沒有給予大膽的新資助,但格朗菲德的好友和舊交都沒忘記他以前的熱情。在我花了將近一年與 NASA 媒體團隊進行徒勞的 e-mail 往來,期盼能採訪到格朗菲德副行政官後,我對先前訪談中格朗菲德副所長的暢所欲言,充滿了欣慰與確幸之情。

「哈伯和韋伯太空望遠鏡,可能會讓宇宙中是否有其他生命的問題懸而未決,」他說。「在下一世代的大型太空望遠鏡中,我們需要的能力,是觀察最靠近我們的一千顆恆星周圍,每顆可能可居住行星的大氣層和其表面特色。」

我們終將發現自己並不孤單,我們終將發現其他可居住行星,原則上每一顆人類都能造訪,這就是未來的大局面。

「而我想說服公眾、美國國會以及未來的政府當局,這樣的下一步是值得投資的。」很明顯地,格朗菲德讀過齊奧爾科夫斯基。


 

 

本文摘自《五十億年的孤寂:繁星間尋找生命》,八旗文化出版。

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八旗文化_96
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外部視野,在地思索, 在分眾人文領域,和你一起定義、詮釋和對話。

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寵物過敏原有很多種,避免飲食過敏困擾,可選擇單一/特殊肉種寵物飼料
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/06/06 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 新萃 Nutri Source 委託,泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢,或是身上出現不明紅疹?當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣,也會有過敏反應,過敏可依照「來源」分為三種:吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

寵物的過敏源有哪些?

不管是哪一種過敏反應,在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理,如果是接觸性或吸入性過敏,即使你把家裡打掃得很乾淨,還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此,對飼主來說,最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢?其實,「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」(Adverse Food Reaction, 簡稱AFR)(Jackson, H. , 2009),指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏(Food Allergy)和食物不耐受(Food Intolerances)兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》,你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應,因此全名為「過分敏感」;而食物不耐受則並非免疫性反應,而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒,例如狗不能吃洋蔥或巧克力,否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權,只能吃飼主提供的食物,如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分,就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外,最明顯的外在症狀就是皮膚問題,包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病,讓許多飼主狂跑獸醫院的同時,獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏(Ermel, R et al.,1997),但最新的研究卻發現,無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源(Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019),甚至會造成偽陽性誤判。因此,目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」(Food Elimination Method)。

以食物排除法,找出毛孩的食物過敏原!

食物排除法的原理相當簡單粗暴,類似我們過去在學校做的實驗一樣,抓出「控制組與對照組」。首先,將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質;同時嚴格限制牠對其他食物接觸,包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意,此為「對照組」,如此持續 8~12 週,觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善,那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」,在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原(例如常見的牛肉、雞蛋等),有如「控制組」,等到症狀又出現,就可以確認哪種食物成分是過敏原,未來就可以在飼料中排除,讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄,不僅要在漫長的試驗期,更需要在控制期一一排除所有不可能之後,才能找到答案。而其中最困難的部分,也是實驗的基礎可能是第一步:「提供狗狗牠從未吃過,且肉品單一的蛋白質」,這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務,因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了,搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

飼料成分多而雜,可選單一肉種飼料降低過敏。

那該怎麼進行食物排除法呢?別擔心,沒有找不到的肉品,只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料,新萃推出了一系列低敏肉,包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類,是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外,新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素,能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃,有消化不良症的狗狗也適用。

新萃商品選擇的是單一/特殊肉種的成分,低敏感肉品讓寵物吃了更安心。

參考資料

  1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
  2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
  3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
  4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
  5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
  6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
  7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
  8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服,為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用?
  9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善?小心食物過敏! – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
  10. 寵物知識+/毛孩對什麼食物過敏?獸醫:驗血完全不準!診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
  11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News
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平民登月計劃?核融合真的來了?——2023 最值得關注十大科學事件(下)
PanSci_96
・2023/01/31 ・3226字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

在上一篇中,我們介紹了將在 2023 年發生的五個醫藥健康大事件。

延伸閱讀:
用迷幻藥治憂鬱?基因編輯療法將通過批准?——2023 最值得關注十大科學事件(上)

這次我們轉向能源、宇宙與科技領域,從首趟平民月球之旅、物理學的標準模型新發現,再到第一個核廢料永久儲存設施正式營運!

No. 5 氣候與能源衝擊

世界各國能否聽從科學家的警告,採取實際行動,朝淨零之路前進嗎?看起來不行。由於疫情與俄烏戰爭,去年 11 月在埃及舉辦的「聯合國氣候變化會議 COP27」幾乎是原地踏步。

不過還是有一個重要的決議,那就是建立氣候損失和損害基金。根據協議,排放量較高的富裕國家將在經濟上補償受氣候變化影響最大的貧窮國家。「過渡委員會」將於 2023 年 3 月底前舉行會議,提出資金運用的建議,並在 11 月的 COP28 會議上提交給世界各地的代表。

至於核能的部分,新型核分裂發電與核融合發電,都會在 2023 年有所進展。

另外,世界上第一個核廢料儲存設施,今年將在芬蘭西南海岸外的奧爾基洛托島正式啟用。這個由芬蘭政府於 2015 年批准建造的地下處置庫,將負責封存超過 6500 噸有放射性的鈾;這些鈾會被裝在銅罐中,再用厚厚的粘土覆蓋,最後埋在地下 400 公尺深的花崗岩隧道內,預期將被密封數十萬年,直到輻射水平達到完全無害的程度。

另一個好消息是,今年 1 月 1 日就任的巴西總統——魯拉(Luiz Inácio Lula da Silva),將推翻前任總統開放的雨林開發,保護生態與文化。

然而深海則有新危機。若 2023 年 7 月前,聯合國的國際海床管理局(ISA)沒能讓各國對深海採礦管理準則達成共識,那海底的礦產資源可能會被某些政府和企業盯上,不受限制地開挖,海洋生態將迎來浩劫……。

許多關於能源的抉擇包含了科學和政治,能源短缺也激勵了綠能跟潔淨能源的投資力道及採用意願;至於今年還會不會發生更棘手的麻煩?使能源轉型更加舉步維艱。

巴西新任總統推翻雨林開發,保護生態與文化。圖/Envato Elements

No. 4 超越標準模型

2022 年 4 月,美國費米國家加速器實驗室的物理學家,公佈了渺子 g-2 實驗的首批結果;這項實驗研究了被稱為「渺子的短命粒子在磁場中的行為」。

過去 50 年來,標準模型(Standard Model)[註]的理論預測通過了所有測試,但其實物理學家普遍認為標準模型肯定還不完備,並且認為可以從渺子身上找到破綻;如果今年再次公佈更精確的數據,顯示渺子的磁矩比理論預測來得大,那就代表還有新粒子等待被發現,而標準模型就得修正。

位於中國廣東的江門地下的微中子實驗觀測站,也將在今年展開尋找超越標準模型的物理學之旅;利用位於地下七百公尺的探測器,來準確測量微中子的振盪。

註:標準模型為能描述強核力、弱核力、電磁力這三種基本力,以及所有物質基本粒子的理論。

另外,物理學家們在今年會有升級的新設備。第一個是 LCLS-II 直線加速器相干光源 2 代(Linac Coherent Light Source-II),它將創造終極 X 射線機器,看到分子內原子的運動!另一個則是新的重力波獵人—— Matter-Wave Laser Interferometric Gravitation Antenna(物質波雷射干涉重力天線);這個設施把銣原子冷卻成「物質波」,能夠梳理黑洞和其他超大質量天體碰撞產生的時空漣漪,揪出現有重力波設施錯放的事件,甚至可以幫我們尋找暗物質!

而在瑞典隆德附近、由歐洲 17 國攜手成立的歐洲散裂中子源(ESS),將使用史上最強大的線性質子加速器產生強中子束,來研究材料的結構;雖然預計 2025 年才會完工,但於今年迎來第一批研究人員,開始實驗。

No.3 就是要抬頭看天空

許多人心中 2022 年科學事件第一名,正是韋伯太空望遠鏡傳回的驚人照片;沒有意外的話,韋伯在 2023 年會繼續大顯身手,揭露星系演變的真相,與遙遠系外行星的生命印記,找尋地球之外的生命。

今年還會有更多驚喜!來自於新的太空望遠鏡,如:由歐洲太空總署開發的歐幾里得太空望遠鏡,今年發射後將繞行太陽六年,拍攝宇宙的 3D 圖;日本宇宙航空研究開發機構 JAXA 的 X 射線成像、光譜任務 XRISM,則是繞地球軌道運行的太空望遠鏡,將探測來自遙遠恆星和星系的 X 射線,預計在今年 4 月升空。

在地球上,位於智利的薇拉魯賓天文台(Vera C. Rubin Observatory)將於今年 7 月啟用;其望遠鏡採用特殊的三鏡面設計,相機包含超過 30 億像素的固態探測器,每三個夜晚就能掃描整個南天,也是監測可能危害地球小行星的守護者之一。而世界上最大的可動望遠鏡——新疆奇台射電望遠鏡(QTT)也將在今年完工;其口徑達 110 公尺,能夠觀測天空中 75% 的星星。

詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,JWST)去年發布的圖片——史蒂芬五重星系。圖/維基百科

No. 2 好多月球任務,還有一個鐵小行星

2022/12/11 這天,包括阿拉伯聯合大公國的拉希德漫遊者月球車、NASA 的月球手電筒立方衛星、以及日本的白兔 HAKUTO-R M1 登陸器,共同搭乘 SpaceX 的獵鷹九號發射升空;HAKUTO-R 如今正緩緩帶著拉希德前往月球,預計在今年 4 月著陸。

而印度太空研究組織 ISRO 的第三次探月任務月球飛船 Chandrayaan-3,預計今年年中發射,並於月球的南極著陸。

還有首次民間人士的月球之旅 dearMoon。SpaceX 的 Starship 將載著 11 位平民上太空,包含創業家、明星跟 YouTuber;如果 Starship 成功發射,將會成為史上最大的火箭。Blue Origin 的 New Glenn 也預計在今年首度發射。若兩者都成功,將推動太空科學與商業進入新時代,讓進入太空的成本大幅下降。

歐洲太空總署的木星冰月探測器 JUICE 也將在今年 4 月升空,並於 2031 年抵達木星系統;目標是研究木星以及三顆衛星:木衛二三四的環境,了解他們有沒有可能支持生命存在。

NASA 將於今年 10 月後發射延遲了一年的 Psyche 靈神星小行星軌道飛行器,其研究對象為 16 Psyche 靈神星小行星;科學家認為它可能不是一般的小行星,而是一顆年輕行星裸露的鐵核心。如果今年順利發射,將在 2029 年到達。 

看來對太空迷來說,2023 又將是幸福熱鬧的一年。

由超大型望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)拍攝的靈神星。圖/維基百科

No.1 GPT-4 跟 AlphaFold 的衝擊波襲來

借過借過,AI 已預約登上 2023 年最大科學事件!

如果 GPT-3.5 開發的 ChatGPT 還沒有嚇到你,那 GPT-4 就要來了!

而在科學領域,DeepMind 的 AlphaFold 帶來的衝擊不亞於 ChatGPT;它能夠根據蛋白質的一維氨基酸序列,準確預測折疊後的三維形狀,對生物與醫療研究影響非常大。 AlphaFold 2 於 2021 年發布了另外 2 億多種蛋白質的結構,幾個月來,來自 190 個國家/地區、超過 50 萬名研究人員,使用 AlphaFold 研究了 200 萬種不同的蛋白質結構。另外,Meta 的 ESMFold 的速度甚至又比 AlphaFold 快 60 倍,預測的蛋白質超過 6 億種!

基於 AlphaFold 跟 ESMFold 的研究量將大大增加,這些龐大新知識也將開始應用於各學科,包括新疫苗和塑膠開發。

法規管制總是比科技進步緩慢,隨著 AI 越來越強大、滲透到社會的方方面面,各國政府必須回應。歐盟在今年將通過人工智慧法案,為使用人工智慧制定標準,其他國家和科技巨頭將密切關注,跟進與調適。

圖/GIPHY

以上就是「2023 最值得關注十大科學事件」,你最期待的是哪一個?哪個是你心中的 No.1?又有哪些我們漏掉了,但你覺得該列入的呢?歡迎留言討論!

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PanSci_96
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2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡
PanSci_96
・2022/12/30 ・3733字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

回顧 2022 年,有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢?約莫兩星期前,《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破,從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來,每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦,廢話不多說,現在就來揭曉答案吧!

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年,韋伯太空望遠鏡(JWST)帶來的震撼,相信你我都印象深刻。

韋伯發布的第一批照片拍到了 SMACS 0723 星系團。圖/Science

早在 1990 年,哈伯太空望遠鏡發射升空後,科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙,也想透過不同的波長,分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實,紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星,但隨著數十億年過去,這些新星發出的光,穿過不斷膨脹的宇宙,來到地球,被拉伸到更長的紅外線波長後,哈伯就沒輒了⋯⋯

韋伯望遠鏡可以清楚看見狼蛛星雲的塵埃、氣體雲和碳氫化合物。圖/Science

那麼,要怎麼看見更遙遠的宇宙呢?去年底,歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空,開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段,包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

韋伯利用四種不同的紅外線波段觀測系外行星 HIP 65426 b。圖/Science

今年 6 月底,韋伯開始收集數據,三星期後就傳回了第一批深空照片,讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系,徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說,這是一個充滿奇蹟的時代,韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

2022 年十大科學突破之首:韋伯太空望遠鏡。影/Science

研發多年生水稻 PR23,減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物,水稻肯定有一席之地!現今,大部分水稻都是一年二至三穫,每年收穫後都得重新種植,對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月,中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種,不但可以達到和傳統水稻相仿的產量,還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多,但從第二年開始,農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟,降低約 50% 的人力成本,到了第五年才需要重新種植。

在中國,PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃,平均產量則是每公頃 6.8 噸,略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據,PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時,科學家也正在觀察兩個潛在問題:一、雜草和病原體是否會積累在田地中,導致 PR23 需要更多除草劑,二、是否會排放更多的一氧化二氮,加劇溫室效應。但目前不可否認的是,多年生水稻有助於降低成本、提高收益,確實是一項重要的突破。

有了多年生水稻,農民每年都能省下好幾週的工作量。圖/Science

誰說 AI 沒創意?AI 的創造力可是超乎想像呢!

說到 AI,有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢?沒錯,去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊,而在今年,他們著手設計全新的蛋白質,用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

與此同時,DeepMind 發布了 AlphaTensor,用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一,可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

另外,DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中,AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者,取得排名前 54% 的成績,跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外,AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後,今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2,只要輸入幾個字詞,AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月,有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風,卻也引來了哲學辯論和道德抨擊,但毫無疑問的是,人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力,開發出更多、更好的工具。

使用 Midjourney 創作的科羅拉多州博覽會首獎作品。圖/Science

超級華麗的大~大~大細菌!

在你的印象中,細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢?今年 2 月,科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌(Thiomargarita magnifica),震驚了生物學界。

一般來說,細菌沒有細胞核和膜狀胞器,遺傳物質都在細胞中自由漂浮,但華麗硫珠菌真的很華麗,不只可以長到 2 公分,比多數細菌大上 5000 倍,而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物,華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義,甚至有機會成為一塊拼圖,補足細胞進化過程中缺失的環節。

華麗硫珠菌挑戰了「細菌」的傳統定義。圖/Science

開發新疫苗,呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年,美國感染呼吸道合胞病毒(RSV)的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強,通常只會引起類似感冒的輕微症狀,但在嬰幼兒身上,這種病毒會使肺部發炎,而在老年人身上,會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前,就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗,但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後,開發就此中斷。後來,科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱,不只殺不掉活生生的病毒,還能反過來幫助病毒破壞氣管。

如今,莫爾豪斯醫學院(Morehouse School of Medicine)開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞(Pfizer)和葛蘭素史克藥廠(GSK)進行臨床試驗後,證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人,不會引起嚴重副作用,而在孕婦注射後,也能將抗體傳給胎兒。

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮,但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全,其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

RSV 疫苗證實能有效保護易受感染的嬰幼兒和老年人。圖/Science

好啦~這篇到這裡,先介紹前五項突破就好!因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了,為了避免讀者一次閱讀太多字很累,只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後,如果你好奇另外五項突破是何方神聖,就來看第二篇吧!

接續下篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球

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