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超大質量的黑洞會吞掉銀河系嗎?──黑洞大解密(三)

屋頂上的天文學家
・2018/07/30 ・2124字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 469 ・五年級

本文為系列文章,前文請見:
黑洞是什麼?速度要多快才能脫離黑洞呢?──黑洞大解密(一)
太陽會變成黑洞嗎?可不可以利用黑洞做時空旅行?──黑洞大解密(二)

超大質量黑洞是什麼?

依照黑洞的質量來分類,黑洞主要分成兩種,一種是恆星質量黑洞,這是超過 25 倍太陽質量恆星演化的最終結果,這類黑洞的質量大約是幾倍到幾十倍的太陽質量之間。另一種是超大質量黑洞,超大質量黑洞的質量非常巨大,大約是數十萬到數十億太陽質量。我們銀河系中心有一個超大質量黑洞,這顆黑洞位在人馬座的方向,所以被稱為人馬座 A*(Sgr A*),它距離我們約 26000 光年。

錢卓 X 光觀測衛星拍攝人馬座 A*的 X 射線影像,圖/NASA

人馬座 A* 黑洞的質量有多大呢?算出人馬座 A* 黑洞質量的方法,跟算出太陽質量的方法是一樣的。我們知道地球跟太陽的距離和地球繞太陽的時間,運用簡單的牛頓力學就可以得到太陽的質量。

科學家用地面上的巨大望遠鏡,經過數十年的觀測,發現幾顆恆星以橢圓軌道繞著人馬座 A* 運行,人馬座 A* 位在橢圓的焦點上。這些恆星都繞著人馬座 A* 運行,不過它們並沒有被黑洞吞食。這些恆星運行的速度非常快,如果不是人馬座 A* 有強大的重力把它們拉住,它們早就不知道飛到哪裡去了。

其中一顆編號 S2 的恆星繞人馬座 A* 的週期是 15.6 年,S2 距離人馬座 A* 最近時只有 120 天文單位,也就是地球和太陽距離的 120 倍。根據 S2 的運行軌道,科學家就可以算出人馬座 A* 的質量,這個黑洞的質量大約是太陽質量的 400 萬倍!

根據 S2 的橢圓軌道和繞人馬座A* 的週期,運用牛頓力學就可以算出人馬座A* 的質量。圖/Eisenhauer, F. et al.

人馬座 A* 這個超大質量黑洞會吞掉整個銀河系嗎?當然不會,因為它連距離非常近的恆星 S2 都吃不到,其他的天體離人馬座 A* 更遠,更不會受人馬座 A* 影響,所以人馬座 A* 不會吞掉整個銀河系。

人馬座 A* 事實上正在挨餓中?

我們的銀河系中心有個巨大黑洞,其他星系的中心也有巨大黑洞嗎?根據天文學家的研究,幾乎每個大質量星系的中心都有一個超大質量黑洞存在著。距離我們相當近的仙女座星系,就有一顆大約 1 億倍太陽質量的黑洞!另外,M87 橢圓星系裡的超大質量黑洞則超過 10 億倍太陽質量!

目前人馬座 A* 並不活躍,也就是它幾乎沒有在進食,這一點可以從人馬座 A* 的 X 射線影像看出來。超大質量黑洞發出愈強的 X 射線,代表黑洞吞食愈多物質、愈活躍,而目前人馬座 A* 發出的 X 射線並不強烈,表示人馬座 A* 沒有在進食。不過人馬座 A* 並不是在節食不吃東西,而是食物吃完了,又沒有人持續餵它食物,所以這個超大質量黑洞目前在挨餓中⋯⋯。

不過,一樣是超大質量黑洞,類星體的超大質量黑洞可就幸運多了,它現在可正在大吃特吃呢!類星體是一種相當特別的天體,它的超高亮度正是因為這顆吃貨超大質量黑洞,類星體 3C 273 就是一個例子。

類星體 3C 273 是什麼?

1959 年,英國劍橋大學發表第三個無線電波天體目錄(Third Cambridge Catalogue of Radio Sources,簡稱為 3C),這是當時最完整的無線電天體目錄之一,目錄中一共有 471 個天體。這些無線電波天體就以 3C 加上流水號命名,3C 273 就是這個目錄中第 273 號天體。

天文學家在無線電波發現新的天體時,通常會先去找這個天體在可見光相對應的天體,這是因為天文學家對可見光的天體比較熟悉。這 471 個天體中,有些是已知會放出無線電波的電波星系和超新星殘骸,例如 3C 405 是天鵝座 A 電波星系, 3C 461 則是仙后座 A 超新星殘骸。

不過天文學家對其中一些無線電波源卻是一無所知,例如 3C 273。天文學家在仔細比對 3C 273 的位置後,發現 3C 273 在可見光是一個像星星的天體,看起來相當於 13 等星。因為這類的天體看起來像是一顆星星,所以稱它們為「類星體」。

哈伯太空望遠鏡拍攝的 3C 273 影像,3C 273 看起來就像是一顆星,它的十點鐘方向有一個從黑洞噴發出來的噴流。 圖/NASA

根據光譜的觀測,3C 273 的紅位移是 0.16,表示 3C 273 距離我們相當遙遠;即使看起來像顆星星,卻不屬於銀河系,它是距離我們大約 24 億光年的天體!從 3C 273 的距離,推算它的亮度大約是銀河系這樣星系的百倍以上!

為什麼類星體那麼亮?

根據天文學家的研究,類星體跟我們的銀河系都一樣是星系,它們的核心都有一個超大質量黑洞,不同的地方是類星體的超大質量黑洞正在吞食吸積盤上的物質,而銀河系內的超大質量黑洞則正在節食。銀河系的能量主要來自於恆星發出的光,而類星體則來自於環繞黑洞的吸積盤,吸積盤上的物質相互摩擦,發出巨大能量!這種產生能量的效率比恆星的核融合反應還要高約十倍以上!這就是為什麼類星體會這麼亮的原因。

類星體中超大質量黑洞的示意圖。超大質量黑洞有一個吸積盤,它在吸積物質時也會形成一股巨大的噴流。 圖/NASA

類星體中的超大質量黑洞是怎麼來的?是靠恆星質量黑洞吞食黑洞和恆星而形成的嗎?如果超大質量黑洞是恆星質量黑洞和恆星合併來的,那至少需要數萬顆恆星質量黑洞或恆星合併在一起,黑洞和黑洞(或恆星)之間的距離遙遠,要讓這麼多天體合併在一起相當困難。要如何形成一顆超大質量黑洞?這些問題對科學家來說還是一個未解之謎。

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屋頂上的天文學家
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屋頂上的天文學家-李昫岱,天文學博士,曾服務於中央研究院天文所及美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校。大學時交了一群天文社的朋友,從此過著離不開天文的生活,希望透過寫作拉近遙遠天體的距離,讓你發現天文的美好! 歡迎來「屋頂上的天文學家」臉書和部落格,一起航向宇宙,浩瀚無垠!


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》