恆星天文學之父：赫歇爾誕辰｜科學史上的今天：11/15

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

• 撰文｜許世穎
• 本文轉載自 CASE 科學報《天王星上的 X 光》

天王星是非常有趣的行星。希臘羅馬神話中，它是土星的爸爸、木星的爺爺、火星的曾祖父。比起其他行星是「站著自轉」，天王星是「躺著自轉」。太陽系 8 顆行星當中大多都觀測到了 X 光的訊號。唯獨兩顆冰巨行星：天王星、海王星沒有。終於，研究團隊從 2002 年以及 2017 年的資料中找到了天王星上 X 光訊號的證據。本文帶大家認識一些天文星有趣的歷史、文化、以及認識這一篇 X 光的研究成果。

天王星的發現與特色

天王星的視星等大約為 5.5，是一顆非常暗的星，幾乎接近人眼的極限。平時在一般都市環境中非常不容易直接用肉眼看到，只有在晴朗、沒光害的夜空中比較有機會。

正式的發現、命名者是英國的威廉．赫雪爾（William Herschel）。一開始猜測是個彗星，後來才確認是個行星。英國國王喬治三世還因此以一年 200 英鎊的薪水聘僱他，依照零售物價指數（Retail Prices Index）來推算的話，相當於現今一年一百萬台幣的薪水 ^[2]。

這筆薪資顯然相當優渥，本來赫雪爾想要將這顆星命名為「喬治之星」（Georgium Sidus）。不過當時除了喬治三世和赫雪爾以外，當時喜歡這個點子的人並不多。畢竟其他的行星都用希臘神話來命名，突然冒出一顆用英國國王命名的行星怎麼樣看都不合適。

最後由柏林天文學家約翰．波德（Johann Bode）的建議定案為「Uranus」，這個字的詞源是希臘神話中的天空之神「烏拉諾斯」。幾乎每個希臘神話中的腳色都能在羅馬神話中找到對應。「烏拉諾斯」對應到的就是「凱路斯（Caelus）」，是「薩圖恩（Saturn，即土星）」的爸爸；是「朱比特（Jupitar，即木星）」的祖父；更是「馬爾斯（Mars即火星）」的曾祖父。

因此在希臘羅馬神話當中，天王星、土星、木星、火星可是祖孫四代呢。

恆星一般在天空中的相對位置幾乎是不變的，要花千年、甚至萬年才有可能看到一些變化。離太陽愈遠的行星，在天上的相對位置變化愈慢。木星要回到原來的位置要花 12 年、土星更要花上 30 年，天王星更慢，要 84 年！因為天王星在天上的相對位置實在變化得太慢了，以至於早期先民即使看到了天王星，也認為它是一顆恆星。

與其它的行星比起來，天王星離地球非常遙遠。唯一抵達天王星過的太空探測器是 1977 年發射，飛了將近 9 年後才抵達的航海家 2 號（Voyager 2）。這台探測器從地球出發，觀測了木星、土星、天王星、海王星之後，繼續一路向外飛，現在幾乎已經離開了太陽系。

上面大多數的儀器都已經缺少電力、無法運作，只保留了最基本的功能。去年底對它發射訊號時，在將近 35 小時之後還是收到了回應。

天王星在太陽系的八顆行星裡面，有著一個非常奇特的性質：「躺著自轉」。其他七顆行星的自轉與公轉差不多是在同一個平面上，以地球為例子，地球的自轉軸與公轉軸只差了 23.5° 左右。

但是天王星的自轉軸與公轉軸相差了 98°。如果把公轉面想像成水平面的話，地球的自轉就像是一個旋轉的陀螺，而天王星則是電風扇的扇葉。

天王星上的 X 光訊號！

太陽系的行星成員當中，除了地球以外，水星、金星、火星、木星、土星都偵測到過 X 光的訊號，甚至連彗星、以及矮行星冥王星都偵測到過 X 光。在最近這篇研究出來之前，行星當中就只剩下兩顆冰巨行星：天王星、海王星還沒有量測到 X 光。

最近，研究團隊檢視了「錢卓拉 X 射線天文台（Chandra X-ray Observatory）」的觀測數據，研究團隊量測到了天王星上的 X 光，研究結果發表在期刊《地球物理研究期刊：太空物理學（JGR: Space Physics）》當中 ^[5]。

錢卓拉 X 射線天文台是當代最重要的 X 射線望遠鏡。自 1999 年發射升空服役到現在，累積了非常多的觀測資料，有許許多多 X 光的重要觀測貢獻都來自於這台望遠鏡。然而宇宙間能觀測的天體實在太多啦，對天王星的觀測其實非常稀少。截至 2020 年 6 月，只有三次對天王星的觀測：2002 年 1 次、2017 年 2 次。到了這一兩年研究團隊才從這些資料中找到了天王星上 X 光的訊號。

X 光是電磁波頻譜上高頻率、高能量的波段。要產生 X 光，一般來說要有特殊的環境才可以。天王星上 X 光最主要的來源是對太陽光的散射。太陽光本身是一個很強的 X 光光源，即便天王星離太陽這麼遠，太陽所發出來的X光到了天王星以後，被天王星的氣體分子散射開。這個機制是天文學家已知的，過去在木星、土星上面看到的 X 光也都是這一類。

特別的事情是，天文學家藉由木星、土星的數據推算了一個天王星上可能量測到的 X 光強度。但研究量測後卻發現 X 光的強度比推算的數值還要更強。這有幾個可能，一個是天王星對太陽 X 光散射的效果比木星、土星更好。另外一個可能性就是天王星有額外的 X 光產生機制。

目前推論與天王星周遭的帶電粒子有關。比方說，天王星和土星一樣，周圍有一圈環。當帶電粒子撞擊到天王星環的時候，就有機會放出 X 光。另外一個可能性是「極光」，當帶電粒子因為磁場等效應掉進大氣層、與大氣分子相撞後，也有機會放出 X 光。這個現象在木星上也看到過。不過到底是哪個機制就仰賴未來更多的觀測了。

天王星在太陽系是很重要的存在，它是離我們最近的冰超巨星、而且還躺著自轉，讓我們有機會以不同的角度觀測行星。太陽系的冰超巨星只有兩顆，由於距離遙遠，都很不容易觀測。現在好不容易在天文星上看到了 X 光的影像，使我們得以更全面地了解冰超巨星的性質。對太陽系內、太陽系外的行星都能有更全面的理解。

參考資料：

1. NASA / First X-rays from Uranus Discovered
2. Measuring Worth
3. NASA Planetary Photojournal / NASA Voyager 2 Could Be Nearing Interstellar Space
4. WASP Planets
5. R. Dunn et al., A Low Signal Detection of X-Rays From Uranus, Journal of Geophysical Research,  (2021)
6. SciTechDaily / First Detection of X-rays From Uranus

• 文／陳子翔（現就讀師大地球科學系， EASY 天文地科團隊創辦者）

距離我們大約兩百億公里的太空中，有一架名為航海家二號的探測器已經工作了數十年，就在不久前，NASA 送出了久違的訊息試圖再次與她連絡上……

為什麼說久違呢？是這樣的，今年初因為位在澳洲坎培拉，負責聯繫航海家二號的訊號收發站要進行天線設備升級，然而這又是目前唯一能和航海家二號聯繫上的訊號收發站，也因此必須暫停與航海家二號的聯繫。

43 年從未斷訊的航海家二號

雖然說這次與航海家二號數個月的斷訊是計畫之中的事情，但其實還是讓 NASA 的工程師與科學家們有些緊張。各位可以回想看看，自己用過壽命最長的電子產品或家電用品是什麼呢？也許你會想到用了五年的手機，十年的電視機，又或是用了二、三十年的電鍋或冰箱。但相信應該很少人家裡有超過四十年，而且完全沒有維修過卻還能使用的電器吧。然而航海家二號從發射至今已經獨自在廣大的太空中運作超過 43 年了，在她離開地球時，台灣第一條高速公路與電氣化鐵路都還在建設中呢！也因此要與一架骨董級探測器斷訊八個月的確滿讓人擔心的。

不過話說現在科技已經進步非常多，近年也不乏許多先進的新探測器持續進入太空探索，為什麼我們仍這麼關心航海家二號的動向呢？其中有個很大的原因是，即便新的探測器有著更先進的儀器設備，航海家二號帶來的貢獻和歷史意義仍然難以被超越。

就讓我們藉由著個機會來重溫這架傳奇探測器光輝的故事吧！

航海家二號的誕生：太空「大航海時代」的序章

在太空探索的歷史上，1960 年代是載人太空任務發展的黃金年代，第一位進入到太空的人與第一位踏上月球的人都是在 1960 年代發生的。而 1970 年代，就可說是探索太陽系的「大航海時代」了，在這十年間，許多無人探測器先後出發探訪太陽系的各大家族成員，像是首次登陸火星、首次飛掠各大行星的成就都在這幾年間達成，而航海家二號可說是其中最具代表性的探測器之一。

揭開太陽系外圍的神秘面紗，乘載希望奔向宇宙深處

有別於先前多數的太空探測器都是以一顆特定星球作為目標，航海家二號最特別之處，就在於她造訪了所有外太陽系的氣體行星—木星、土星、天王星和海王星。而要完成這樣的壯舉必須仰賴這四顆行星特殊的排列位置，讓探測器在每在造訪一顆行星的同時，也正好能巧妙地讓該行星的重力拉自己一把，幫助探測器用最節省燃料的方式飛向下一顆行星，而這樣的機會每隔 176 年才會有一次呢！

把握住這樣的機會，航海家二號在 1977 年八月升空，並在接下來的十年先後收集了四顆氣體行星的重要科學資料，同時也傳回了許多令人屏息的經典照片。更特別的是，在四十多年後的今天，航海家二號仍然是唯一造訪過天王星和海王星的探測器，因此下次看到像是下圖這樣清晰漂亮的天王星和海王星影像，就可以跟朋友說這個照片是航海家二號拍攝的，也許朋友就會以崇拜的眼光看你（並不會）

1989 年航海家二號飛掠了最後一個計劃中的目標天體—海王星，然而她的任務卻還會持續下去，繼續為我們帶來外太陽系，甚至是「太陽系外」的第一手資訊，例如太陽磁層頂的位置、星際空間的磁場與宇宙射線強度等等……

同時，航海家二號也帶著地球人想送給外星人的「小禮物」，一張收錄用全球各種語言打招呼的錄音，以及數張影像檔案的唱片和唱片播放器。雖然說要在茫茫宇宙中「不小心撿到」這個禮物的機率實在太低，但這樣的紀念品某種程度也象徵著人類踏出航向宇宙的步伐時，做出的浪漫宣示吧！

重新連繫航海家二號

今年十月天線更新完成後，NASA 終於能送出睽違八個月，一封「來自地球的家書」給航海家二號，而她也順利收到並有所反應，彷彿對地球上的我們說：「哈囉地球上各位，好久沒有各位的消息了，很高興又收到你們的信，我在遙遠的太陽系外也都還好喔！」

這次成功的聯繫也代表著航海家二號的任務依然持續進行著，不過 NASA 的工程師也估計探測器的電力應該所剩不多了，我們終究在未來的某一天必須和這部偉大的探測器告別，但航海家二號仍將繼續帶著人們探索未知世界的精神，航向星空深處。

參考資料

• Jet Propulsion Laboratory Voyager
• Deep Space Network Canberra Deep Space Communication Complex
• NASA finally makes contact with Voyager 2 after longest radio silence in 30 years

《銀河系大定位》一書中如此描述赫歇爾：「他像個先知般，領先運用現代方法展開深遠太空的天文學研究。當許多天文學家仍在使用視野狹窄的折射式望遠鏡窺視行星時，他已經截獲無數由極遠星雲和星系在遠古時代所發出的光芒。當其他天文學家正在將太陽系裡的各項距離修正至小數點後第二位時，他已經在測繪星系與星系之間的一些星群了。當他們還在以估計出來的光速調整木衛的軌道計算時，他已經探索至宇宙深處，並知道他所見者為數百萬年前的宇宙模樣。」誰能想像這位領先時代，被稱為「恆星天文學之父」的赫歇爾其實正職是音樂家，而且在35歲之前都還沒碰過望遠鏡！

出生於漢諾威的赫歇爾原本在軍樂隊裏吹奏雙簧管，逃到英國後因為展現各項音樂才華而很快就擔任要職，躋身上流社會。然而當他將目光轉向夜空，心思從此被閃閃發亮的星星佔據，甚至在不惑之年放棄名利，全心投入孤寂的觀測工作。
赫歇爾為了能看到更多星星，決定自製反射式望遠鏡，連鏡片與金屬鏡都親自打磨。他望遠鏡越做越多，越做越大；前後一共做了四百多具，最大的一具口徑126公分，鏡筒長12米，重達一噸。進行觀測時必須爬上15公尺高的鷹架，才能將眼睛湊上目鏡。

由於當時還沒有可以抵銷地球自轉的驅動裝置，赫歇爾不得不發展出逐次觀察一段狹長區域的「掃描法」，並大聲讓妹妹卡凱若琳記錄下來；久而久之，北半球的星圖也刻印在赫歇爾的腦海裏。也因此當他在1781年瞥見天王星時，馬上就警覺到那個位置不該有恆星。於是赫歇爾因為發現天王星而聲名大噪，獲選為英國皇家學會會員，並被任命為宮廷天文學家，也因而得以建造前述那具最大的望遠鏡，啟用後很快就發現了土衛二和土衛一。

赫歇爾不斷探索更深遠的太空，他將當時已知的星雲數目由100個擴增至2,500個。他根據恆星的分佈推測銀河系像個圓盤；並且發現太陽並非宇宙的中心，而是繞著銀河系中心移動。

赫歇爾如此豐碩的成果當然要歸功於他數十年如一日的勤奮工作。只要天候許可，他就整晚用望遠鏡觀測星空；八十歲時他仍興奮地寫信給妹妹凱若琳，要她過來幫忙一起觀測彗星。支持著赫歇爾一輩子鞠躬盡瘁，死而後已的，無非是對於點點繁星與浩瀚宇宙的熱愛與好奇；或許是受到如此巨大的熱情感染，妹妹凱若琳與兒子約翰·赫歇爾也都成為著名的天文學家。在太空中有個以他為名的赫歇爾太空望遠鏡，也是鞠躬盡瘁，運作四年後才在2013年四月底因冷卻劑耗盡而停止工作。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。