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重力波:探測十三億光年外的黑洞合併──《宇宙的顫抖》

臺大出版中心_96
・2018/02/07 ・3487字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

  • 文/李傑信│美籍華裔科學家,美國航空暨太空總署(NASA)太空任務科學家

引力波訊號 GW150914,「看不見」的黑洞相撞

2015 年 9 月 14 號,臺北時間 15 時 50 分 45 秒,美國兩個雷射干涉引力波觀測站,前後收到了引力波(重力波)的訊息。東南方的路易斯安那州比西北方的華盛頓州的訊號早到了 0.0069 秒,即 6.9 ms。引力波的振幅約為 10 的負 18 公尺(10−18 m),收到的訊號前後總共約 0.5 秒不到。

以北京清華大學發展出的電腦軟件分析,找出這個引力波是由兩個巨大的「自旋」(spinning)黑洞互繞、相撞、衰蕩(ringdown)、合併後產生, 其中一個黑洞為 29 個太陽質量,另一個為 36 個太陽質量,在相撞前 10 億年即尋獲彼此並互繞了 10 億年,最後以近光速 60% 的速度相撞後二合為一, 衰蕩形成一個 62 個太陽質量的單一黑洞,3 個不見了的太陽質量(29 + 36 − 62 = 3),經由愛氏(編按:本文簡稱愛因斯坦)的 E = mc2,完全轉變成引力波能量,在愛氏四維黎曼流形堅硬美麗的時空纖維中,以光速傳播了約13 億年,最後給了我們約 0.5 秒不到的引力波訊號。這個引力波被命名為 GW150914

如果這 3 個不見的太陽質量完全轉換成電磁能量,它是整個宇宙可接收到的電磁能量的 50 倍,但我們在電磁波段,竟然沒看到一點火花。愛氏的引力波孤獨營生,和電磁波世界是陰陽兩界、生死不相往來。

圖 27 GW150914 引力波可能來自「大麥哲倫星雲」方向,但距離約為13 億光年,比 LMC 離太陽系的 16.3 萬光年遠很多。紫色彎月內為 90% 置信度範圍。左上角小紫色區域為下文提到的 GW151226 方向,亦為 90% 置信度範圍。(Credit: LIGO/Axel Mellinger)

這個引力波由南邊的觀測站先收到,所以訊號來自南方星空「大麥哲倫星雲」(Large Megellanic Clouds,LMC)方向(圖27)。雙黑洞相撞地點,距地球約 13 億光年。

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由引力波的資料一窺黑洞合併的故事

儘管引力波和電磁波是陰陽兩界,天文學家還是正在密集搜索這塊宇宙地盤,企圖尋找這個雙黑洞合併的暴烈事件前,在電磁波光譜上留下的蛛絲馬跡,如雙黑洞相撞前周圍帶電星塵異常的X 光光譜變化和伽瑪射線閃爆等,但目前尚無斬獲。

有的專家認為兩個黑洞相撞合併的同時,也應會產生大量的微中子(neutrinos)。但在 GW150914 抵達地球的前後各 500 秒時段內,以南極洲的 IceCube 和地中海底的 ANTARES 微中子探測器檢查,竟然毫無與 GW150914 同方向來的微中子跡象。偵測不到微中子,原因可能是這兩個探測器的靈敏度還不夠嗎?還是有其他與暗物質(微中子是已知的暗物質)有關的更深層物理原因?

兩格獨立觀察站觀察到的資料,藍線位於 Livingston, Louisiana,紅線位於Hanford, Washington. 圖/LIGO

如果把兩個觀測站分別獨立接收的訊號,在時間軸上移動約0.007 秒,兩處的引力波訊號,有如同卵雙胞胎般完美重疊,證明它們是同一個訊號(上圖)。

GW150914 在合併前後的衰蕩期,即圖中右邊最後的0.025 秒,包含了大量寶貴的雙黑洞物理資料,可直接驗證愛氏四維時空黎曼流形「度量」尺標的正確性。衰蕩期的引力波振幅及相位訊息,破天荒第一次接收到,也可用電腦來計算愛氏「強」場方程左右兩邊的未知函數。這些從 GW150914 引力波取得的數據,為愛氏場方程注入了最鮮猛的生命力。

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當然,這兩個黑洞在合併前的互繞期間,尤其是最後以接近光速 60% 相撞前,所輻射出來的引力波,要比泰勒和胡爾塞脈衝雙子星系統的幅度強度高出甚多,也是印證愛氏「強」場方程的重要數據庫(圖 29)。

圖 29 類似 GW150914 兩個自旋黑洞互繞期間輻射引力波的電腦模擬示意圖。兩組彩色虛線代表黑洞互繞衰減的軌道,綠色箭頭代表黑洞自旋的方向,菊色花瓣代表輻射出去的引力波。(Credit: NASA/ Ames Research Center/C. Henze [Public Domain], via Wikimedia Commons)

GW150914  出身於暴烈的自旋雙黑洞相撞合併事件。它誕生地的四維時空黎曼流形的「度量」尺標,彎曲的程度難以想像。而這個「度量」尺標因兩個巨大黑洞合併,產生了瞬時劇烈的變化,引力潮有如滔天的海嘯,能將宇宙所有的物質結構揉得粉碎,引力波也以海嘯幅度即刻以光速散播出去。引力波上路後,波幅就以和原生地距離的平方成反比衰減,於 13 億多光年的旅程後抵達地球,引力波的振幅衰減到只剩下 100 億億分之一公尺,帶給人類的只是宇宙一個微弱的顫抖。

但這個微弱的 GW150914 出身豪門,以愛氏的「強」場方程追本溯源,讓人類看清楚了這場在宇宙中發生過的驚心動魄往事。

在黑洞橫屍遍野的宇宙,偵測更多引力波

經過五個月的數據分析,人類第一次直接偵測到的引力波GW150914 的驚世發現,以「雙黑洞合併的引力波觀測」[22] 論文發表,列出包括「引力波三傑」索恩、維思和追沃等作者共1,860名,與 136 所大學和研究機構,北京和臺灣的清華大學和作者也都上榜。論文中強調 GW150914 的數據正確的置信度(confidence level,CL)為 5.1σ(標準誤差),即約 99.99996%,也是每約五百萬次才出一次錯,以嚴格的高能粒子發現的黃金標準衡量, 只能算夠上了薩根(Carl Sagan,1934-1996)較次等級的「驚世聲明需要驚世數據」(Extraordinary claims require extraordinary evidence)的規格。論文換另一個角度看數據置信度問題,宣稱宇宙送出 GW150914 類數據的「虛驚」率,每 203,000 年一次。以地球年齡 46 億年估計,宇宙已送出類似 GW150914 的「虛驚」訊號 22,660 次,兩萬多筆可不是個小數目,所以這個置信度尚未達到五星級標準。

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等全部六個引力波觀測站聯網作業後,只要六站同時接收到有如圖 28 同卵六胞胎的引力波訊號,置信度可能會超過 7σ,訊號的置信度比現在會高上十萬倍,甚至超過希格斯波色子 7σ 拍板定案的標準。

2015 年 12 月 26 日,美國的兩座 LIGO 站又觀測到第二起引力波事件,也是由雙黑洞互繞、相撞、衰蕩和合併引起,距地球約 14 億光年,黑洞大小為 14.2 和 7.5 太陽質量,其中至少一個黑洞有自旋現象,合併後為 20.8 太陽質量,0.9 太陽質量轉變成引力波能量。

東南站比西北站早 1.1 ms 收到訊號,表示引力波大約由西南方向而來,在圖 27 中以左上角小紫色區域圈出 90% 置信度範圍。沿用 GW150914 已建立起的傳統,這個引力波被命名為 GW151226

人類追尋了五十餘年引頸以盼的引力波,在短短的三個多月內,連續兩次以雙黑洞合併劇碼登場,給愛氏的場方程提供了最厲害的「強」引力場檢驗,也直接證明了愛氏的黎曼流形中四維時空的纖維結構更加美麗堅固的存在。

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2017 年 6 月 1 日,美國的兩座 LIGO 站再接再厲地宣布成功偵測到第三起引力波  GW170104。這次的兩個黑洞分別為 31.2 和 19.4 太陽質量,相撞合併後為 48.7 太陽質量,1.9 太陽質量轉變成引力波能量,經過 30 億年的傳播,抵達地球。

在 LIGO 的網站上並可尋得尚有另外六個引力波事件正在分析確認中。目前的跡象已很明顯,雙黑洞相撞合併後激發的引力波事件在宇宙中可能層出不窮,已達欲罷不能的地步。(第四起引力波 GW170814 已被確認。第五起的引力波 GW170817 也被確認了是第一起雙中子星引力波, 並偵測到同時發生的伽瑪閃爆電磁波訊號。)

引力波頻頻以活躍的雙黑洞合併後剩餘能量出現,就表示我們目前的宇宙已可能黑洞橫屍遍野,正在快速甚或加速地朝老化方向演化。但從正面角度去看,雙黑洞合併頻率高,就能常常激發出引力波在宇宙中蕩漾。未來只要 LIGO 的靈敏度持續改進,偵測引力波可能會成為稀鬆平常事件。

人類未來的挑戰:暗物質、暗能量與宇宙「暴脹」的引力波

二十一世紀的人類,面臨嚴峻的智慧挑戰,一定要弄懂暗物質和暗能量的物理規律(圖 30)。引力波的出現為人類打開了一扇巨大嶄新的天文窗口,電磁波無法照亮的宇宙黑暗角落,引力波可通行無阻,和暗能量、暗物質親密互動,探清它們的底細。

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圖 30 宇宙組成成分示意圖。暗物質和暗能量是面臨二十一世紀人類最嚴峻的智慧挑戰。

但宇宙中還有另一類的引力波,也在愛氏相對論管轄範圍之內。這類引力波起源於宇宙「暴脹」(inflation)前後的極高能量混沌初開時期,它可能像電磁背景微波一樣,仍然在宇宙中蕩漾。宇宙凝聚後的雙黑洞合併引力波,如 GW150914 和 GW151226, 由於捕捉訊號的窗口狹窄,時機稍縱即逝。但宇宙混沌初開時的原初(primodial)引力波永遠在那蕩漾,等待人類的發掘,只是它更遙遠、更微弱、更低頻。

人類得投入比 LIGO 昂貴 10 倍以上的經費,再花個 10 年、20 年時間,在地球繞日軌道籌建一座「雷射干涉太空天線」(Laser Interferometer Space Atenna,LISA), 如圖 31, 三道雷射束通道距離 500 萬公里, 靈敏度高於 LIGO 上千倍,覆蓋的宇宙空間體積大於 LIGO 上億倍(LISA 目前因NASA 方面經費情況膠著,由 ESA 以 eLISA 繼續發展。)

愛氏的場方程,波濤壯闊,歷久彌新,它將帶領二十一世紀的人類,解讀宇宙暗能量與暗物質的奧祕。

  • 直接偵測到引力波的發現,獲 2017 年諾貝爾物理獎。引力波三傑之一的追沃(Donald Drever, 1931-2017)不幸於2017 年 3 月 7 日逝世,令人扼腕。維思、巴利許(Barry Barish,1936-)和索恩(Kip Thorne, 1940-)獲頒 2017 年諾貝爾物理獎。

 

 

 

本文摘自《宇宙的顫抖:談愛因斯坦的相對論和引力波》,台大出版中心出版。

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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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用「世界上最大的望遠鏡」觀測黑洞!臺灣也參與其中!
PanSci_96
・2024/07/15 ・3876字 ・閱讀時間約 8 分鐘

台北時間 1 月 18 號下午四點,中研院天文所公布了一張黑洞照!別小看這張照片,裡頭有玄機!不論是驗證愛因斯坦的廣義相對論,還是要研究 M87 黑洞有沒有什麼特性,都得從這張照片著手。

為什麼我們能拍到比之前更清楚的照片呢?這是因為,這次「事件視界望遠鏡」的團隊,加入了格陵蘭望遠鏡的觀測數據。它不僅是全球第一座位於北極圈內的重要天文觀測站,此外,這座觀測站,也和台灣脫不了關係喔!

就讓我們來看看,這張黑洞照到底是怎麼拍的?這幾張黑洞甜甜圈照,又藏有哪些重要資訊?

近年的黑洞觀測

大家應該都還記得 2019 年的黑洞熱潮,當年 4 月,人類第一張黑洞照——M87 的真面目,被公開了,我們終於取得了黑洞存在的最直接證據。3 年後的 2022 年 5 月,我們也終於看清楚那個在我們所在的星系中,在銀河系最深處的黑洞——人馬座 A*。這兩張像是甜甜圈的照片,掀起黑洞熱潮,也帶給我們不少感動,想必很多人都還記得。

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圖/ESO、EHT Collaboration

但是,這兩張模糊的甜甜圈,不管對於科學家還是我們,想必都還不滿足!我們想看到的,是能跟電影星際效應中一樣,帶給我們強烈震撼的完整黑洞樣貌。

很快就有好消息,在 M87 照片公開的三年後。2022 年 4 月,天文學家展示了另一組 M87 的照片,除了原本的黑洞以外,還能看到外圍三條噴流,與圍繞在黑洞旁邊的吸積流,更加完整的黑洞結構同時存在在一張照片上。

圖/Lu, RS., Asada, K., Krichbaum, T.P. et al. A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet. Nature 616, 686–690 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05843-w

有趣的是,在 2022 發表的觀測結果中,黑洞似乎胖了一圈,直徑比 2019 年發表的結果大了 50%。這可不是說黑洞在幾年間就變胖了 1.5 倍,不用擔心,宇宙不會因此毀滅。這主要是選用觀察的電磁波波段不一樣,2019 年觀察的電磁波波長是 1.3 毫米,2022 年的波長則是 3.5 毫米。但其實,1.3 毫米比 3.5 毫米的電磁波穿透力更好。也就是 2019 年的影像更接近黑洞的實際長相。

對了,2022 年的黑洞照並不是事件視界望遠鏡發的。你知道「事件視界望遠鏡」並不是唯一在進行黑洞觀測的計劃嗎?

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為了觀測黑洞,全球的電波望遠鏡進行同步串聯,打算打造一個等效直徑幾乎等於地球直徑的超大望遠鏡。因為我們無法直接打造一面面積跟地球一樣大的望遠鏡,因此我們得將分布在各地的望遠鏡同步串聯,由數據分析來拼湊出整體樣貌。你可能不知道,全球的大型黑洞觀測國際合作計畫其實有兩個,一個就是大家比較常聽到的「事件視界望遠鏡 」,簡稱 EHT,主要以 1.3 毫米的波段進行觀測,也就是大家熟悉的甜甜圈照。而另一個大計畫是「全球毫米波特長基線陣列」,簡稱 GMVA,以 3.5 毫米為主要觀測波段。2018 年 GMVA 還加入了新成員,讓我們能看到最新的這張照片。其中一個是超強力助手 ALMA,另一個,就是第一座位於北極圈內,由台灣中研院主導的格陵蘭望遠鏡 GLT。

為什麼黑洞會那麼難觀察?

現在大家都知道,我們已經能確實拍到黑洞了。即使黑洞的本體是全黑的,圍繞在黑洞周邊快速旋轉的物質,也會因為彼此摩擦與同步輻射,放出強烈的電磁波,被我們看到。

但即便它會發光,仍然是個難以觀測的天體,直到近年,我們才補捉到它樣貌。這是因為,比起亮度,更難的地方在於尺寸,黑洞好小,更準確來說,是看起來好小。M97 和人馬座 A* 實際上都比太陽大上不少,但因為距離我們十分遙遠,從地球上來看,人馬座 A* 與 M87 黑洞的陰影尺寸,分別是 50 微角秒和 64 微角。從我們的視角來看,就跟月球上的一顆甜甜圈一樣大。

但即便很困難,看到黑洞對我們來說十分重要,我們需要有確切的證據來證明我們對於黑洞的預測並沒有錯。例如在 2022 年有照片證明「銀河系中間真的有黑洞!」之前,2020 的諾貝爾物理獎頒獎時,仍以「大質量緻密天體」來稱呼銀河系中央的「那個東西」。現在,從黑洞噴流、吸積盤、自轉軸、到光子球層,我們還有好多黑洞特性,需要更高解析度的照片來幫我們驗證,驗證廣義相對論的預測是否正確,而我們對於黑洞與宇宙的認識是否需要調整。

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好的,我們知道為了追星,嗯,是追黑洞,科學家無不卯足全力提升望遠鏡的解析度。但是為何格陵蘭望遠鏡的加入,就能提升照片解析度呢?

組成世界上最大的望遠鏡?

越大的望遠鏡看得越清楚,為了將全世界的電波望遠鏡串聯,打造等效口徑幾乎等於地球的超大望遠鏡。這些望遠鏡使用了特長基線干涉測量法,這些望遠鏡則稱為電波干涉儀。

這些電波干涉儀通常由一系列的天線組成,例如位於智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 ALMA,就是由 66 座天線組成,最遠的兩座天線距離長達 16 公里。在觀測同一個訊號時,透過比較每座望遠鏡收到訊號的相位差,就能計算出訊號的方位角,進一步推算出原始訊號的樣貌。而當這些天線數量越多、距離越遠,就等於是一座更高解析度、口徑更大的望遠鏡。例如 ALMA 的影像解析度高達 4 毫角秒,能力比知名的哈伯太空望遠鏡還要好上 10 倍。另一座位於夏威夷的次毫米波陣列望遠鏡 SMA,則是由 8 座天線組成,雖然單座天線的直徑只有 6 公尺,卻足以以模擬出一座直徑 508 公尺的大型望遠鏡。

利用相同技術,只要透過原子鐘將全球的望遠鏡同步,就能模擬出直徑幾乎等於地球直徑的超巨大望遠鏡,也就是「事件視界望遠鏡 」或是「全球毫米波特長基線陣列」。

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沒錯,格陵蘭望遠鏡 GLT 也扮演重要角色。但為什麼要把望遠鏡建在北極圈內?

畢竟這可不簡單,為了讓望遠鏡能在最低零下 70 度 C 的嚴苛環境中工作,還期望它能發揮超越過去的實力,科學家改造了不少設備,甚至還要加裝除霜裝置。

但這一些都是值得的,因為光是 ALMA、SMA、GLT 三座望遠鏡,就可以在地球上構成一個大三角型,等於一台巨大的電波干涉儀。

圖/First M87 Event Horizon Telescope Results. II. Array and Instrumentation – Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/Map-of-the-EHT-Stations-active-in-2017-and-2018-are-shown-with-connecting-lines-and_fig1_333104103 [accessed 15 Jul, 2024]

而對於事件視界望遠鏡來說也十分重要,因為在地球的南邊已經有南極望遠鏡了,東西向則有許多來自中低緯度的望遠鏡。剩下的關鍵位置,當然就是北極的格陵蘭望遠鏡了。而特長基線干涉技術要在不同頻段發揮作用,每個望遠鏡的相對位置也十分重要。格陵蘭的地理位置與良好的大氣環境,讓格陵蘭望遠鏡可以觀測 230GHz 這個特殊波段的訊號,並且補足黑洞的諸多細節。根據官方消息,未來還要真的登高望遠,更上一層樓地把整座格陵蘭望遠鏡搬上格陵蘭島山頂的峰頂站台基地 (Summit Camp ),觀測 690GHz 的特殊訊號,期待能看到黑洞的光子球層,驗證廣義相對論的預測。

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順帶一提,這邊提到的 SMA、ALMA 和格陵蘭望遠鏡,不僅合作關係密切,這些重要計畫台灣還都參與其中!

SMA 是 2003 年啟用,全世界第一座可觀測次毫米波的望遠鏡陣列,也是史密松天體物理台與台灣中研院天文所合作興建與運作的望遠鏡,每年也有許多台灣參與或主導的研究發表。

2013 年啟用,位於智利的 ALMA,則是由東亞、歐洲、北美共同合作的國際計畫,台灣當然也參與其中。擁有66座望遠鏡的 ALMA,也是地面上最大的天文望遠鏡計畫。而有趣的是,由中研院主導的格陵蘭望遠鏡所使用的天線,就是使用 ALMA 的原型機改造而成的!

最後,這次最新的黑洞照就是這張,在 2018 年 4 月拍攝,歷經將近 6 年分析,才正式公布的照片。它與 2017 拍攝,2019 年公開的第一張黑洞照一樣,主角都是 M87。

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你說兩張照片看起來都一樣?嗯,沒錯,雖然還是看得出差異,但兩張照片大致上看起來的確差不多。

這兩張照片所得出的光環半徑相同,代表在相隔一年的拍攝期間,黑洞半徑並沒有產生變化。因為 M87 並不會快速增加質量,所以這個觀測結果非常符合廣義相對論對於光環直徑的預測。並且這張照片也讓我們更加確定,2017 年拍攝到的甜甜圈結構,並不是黑洞的偶然樣貌。

有相同的地方,也有不一樣的地方。這兩張照片光環上最亮的位置逆時針偏轉了 30 度,光是這點,就將開啟下一波的黑洞研究熱潮。透過比較不同時間拍攝的照片,科學家將可以深入研究黑洞的自轉軸角度,以及自轉軸隨著時間偏轉的「進動」現象,並更進一步分析黑洞周圍的磁場與電漿理論。

因為 GLT 的加入,有效提升了 EHT 的影像保真度,科學家能取得更加真實的黑洞照,為未來的黑洞研究打下基礎,例如挑戰很難被拍到的光子環。

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特別感謝中研院天文所研究員,同時也是格陵蘭望遠鏡計畫執行負責人的陳明堂老師協助製作。我們還有一場與陳明堂老師的直播對談,直接來和大家聊聊這次的黑洞結果以及回答各式各樣的黑洞問題。一起繼續來體驗黑洞的魅力吧!

也想問問大家,現在有了一批新資料,你最期待下一次的黑洞成果發表,帶來什麼消息呢?

  1. 我們成功觀察到了霍金輻射!
  2. 黑洞的模擬結果發現超越廣義相對論的新理論!
  3. 黑洞中其實有其他文明,而且我們已經成功接觸了!

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電磁波全揭秘:了解頻帶、頻寬、頻率和通信技術的基礎知識
數感實驗室_96
・2024/06/13 ・672字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

先前我們介紹了多位為通信科技發展做出貢獻的科學家。現在,我們要深入探討無線通信的技術層面。

無線通信,顧名思義不像傳統的電話或電報那樣需要一條實體的線路來傳遞信號。但這些信號並非憑空傳遞,它們依賴的正是電磁波。

電磁波在現代社會無處不在,從微波爐、手機到基地台,這些設備都會發射電磁波。但其實即使沒有這些科技裝置,電磁波依然存在於我們周圍。什麼意思呢?答案就是:當我們白天走到戶外,看到的光,它其實也是電磁波的一種。

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希望大家掌握了這些電磁波、頻帶、頻寬等基礎知識後,未來在閱讀相關的電信新聞時更加了解他們提到的術語,以及各種縮寫。以後無論是科技發展的動態還是市場新技術,都能更有概念地理解。

更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/