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從中子星合併產生的重力波訊號, 解開宇宙中黃金形成之謎!

PanSci_96
・2017/10/23 ・2165字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

中央大學天文所研究團隊在科技部計畫補助下,參與美國加州理工學院主導之「全球瞬變現象聯測網(Global Relay of Observatories Watching Transients Happen, GROWTH)(註1)」,而GROWTH對LIGO所偵測到之重力波結果加以確認來源之研究成果,則為人類首次之發現!本次發現不但驗證了愛因斯坦廣義相對論,未來也有助於解開宇宙中黃金形成之謎。這項重要成果"Illuminating Gravitational Waves: A Concordant Picture of Photons from a Neutron Star Merger"刊載在最新一期的國際頂尖期刊《科學》(Science)上。

我國天文團隊與研究成果:探高計畫(TANGO)主持人中央大學葉永烜教授(右),台灣參與GROWTH 計畫主持人饒兆聰教授(後),俞伯傑博士(中)。

「全球瞬變現象聯測網 (GROWTH)」是由美國加州理工學院主導,全球共8個國家包含美國、日本、德國、英國、瑞典、以色列、印度及台灣共14個研究所(含18座天文台)組成的團隊。我國則以科技部計畫補助下之葉永烜院士(註2)、饒兆聰教授(註3)和俞伯傑博士(註2)及鹿林天文台(註4)所組成之團隊,藉由本部長期補助之探高計畫(TANGO)(註2)及參與臺美雙邊PIRE國際合作計畫(註3)機會加入GROWTH,以此投入國際天文合作研究。此次成果亦使鹿林天文台再次躍上國際聯測研究舞台。

我國鹿林天文台與其一公尺望遠鏡:參與全球聯測計畫,追蹤重要的天體瞬變現象,為東亞唯二參加的天文台之一。

百年前愛因斯坦的廣義相對論早就預測了重力波存在,但是偵測極為困難,只有當極度緻密的天體,例如黑洞、中子星等天體合併才發出足夠的訊號。2017年諾貝爾物理獎頒發給萊納·魏斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorn)以及巴瑞·巴利許(Barry Barish),表彰他們設計建造重力波偵測器LIGO以及人類首次偵測到重力波的成就。LIGO團隊在2015年9月14號首次探測到由兩個黑洞合併所產生的重力波,之後陸續觀測到合計四次因黑洞合併所產生的重力波,驗證了愛因斯坦廣義相對論的預測。然而,由於前幾次重力波事件只有美國LIGO偵測器進行觀測,對於重力波源的定位能力有限,無法得知重力波源自哪一個星系。

由於歐洲重力波Virgo偵測器的加入觀測,在本(2017)年8月17日LIGO首次偵測到由中子星合併所產生的重力波(編號GW170817)事件中,位於智利Las Campanas天文台因此標定重力波來源之可能星系(編號NGC4993),並發現一個可能的光學對應體。於是GROWTH團隊以其全球聯測網,在往後兩個星期利用全球各波段的望遠鏡,包含可見光,紅外,無線電,及X射線波段,對其做後續追蹤觀測,以觀測結果與中子星合併理論模型進行比較後,發現GW170817重力波與LIGO前幾次因黑洞合併造成的重力波事件不同,依此確認這是由兩個中子星碰撞合併所產生的重力波事件。

中子星合併發生的地點:位於夏威夷的泛星計畫(Pan-STARRS) 望遠鏡所拍攝的星系NGC4993可見光影像。白色圓圈為中子星合併發生的地點。

由於現今的超新星爆炸理論無法解釋宇宙中重金屬的形成,因此重金屬(例如黃金)的形成過程還是個謎題。而新的理論認為在中子星合併的過程會產生「快中子捕獲過程(r-process)」形成比鐵更重的元素,而有助於解釋像黃金這類的重金屬形成。這次偵測到中子星合併所產生的重力波與後續的多波段觀測,將成為重力波天文學的先導,並有助於人類解開宇宙中的重金屬形成的謎題。

科技部記者會合照:左起為國立中央大學物理系張元翰教授、國立中央大學天文所饒兆聰副教授、國立中央大學天文所俞伯傑博士、科技部自然司吳俊傑司長、國立中央大學天文所陳文屏所長。

備註

  1. GROWTH團隊:GROWTH團隊是由美國加州理工學院主導,利用全世界在不同時區的望遠鏡對發生瞬變現象的天體做接力觀測,以便得到完整的光變曲線。
  2. 探高計畫(TANGO,Taiwan New Generation Optical Astronomy):科技部補助之大型國際合作計畫(含鹿林山天文台),主要參加加州理工學院Palomar Transient Factory(簡稱PTF)計畫,利用在美國加州南部帕羅馬天文台的P48(1.2m)廣角望遠鏡,P60(1.5m)望遠鏡及P200(5m)望遠鏡的組合進行巡天觀測。PTF的後續計畫為iPTF以及明年初將開始的ZTF(Zwicky Transient Facility)巡天計畫。PTF/iPTF/ZTF計畫其中一個主要的科學目標是尋找重力波來源的光學對應體。另外,探高計畫其中的工作目標之一的近紅外相機已經完成購置,並暫時與夏威夷大學天文所以合作方式,安裝於該所的UH88(2.2m)望遠鏡上,進行測試以及科學研究工作。因UH88望遠鏡所處的位置觀察條件絕佳,將是台灣以後對重力波源在近紅外波段後續追蹤觀測的重要據點。
  3.  PIRE國際合作計畫:由NSF所主辦之國際合作計畫,目標是建立強大的科學研究和教育合作夥伴關係,有效的運作全球化的團隊,使來自不同國家和文化背景的合作夥伴共同合作,以促進更卓越的研究,同時也創造及增進學生和年輕的研究人員參與實際性的國際研究經驗。PIRE計畫通過國際合作促進卓越科學與工程的發展,有利於培植多元化,全球性的科學和工程人員。
  4. 鹿林天文台網站

附記

歐美合作團隊主要記者會

  • 歐洲南方天文台(ESO):台北時間10月16日下午10時
  • 美國NSF & LIGO/Virgo Team:台北時間10月16日下午10時
  • 美國加州理工學院GROWTH Team:台北時間10月17日上午0時

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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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