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首次人體核磁共振攝影 │ 科學史上的今天:07/03

張瑞棋_96
・2015/07/03 ・899字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

侖琴於 1895 年發現 X射線,發布其夫人的左手骨骼相片,震驚世人。隔年,愛迪生即推出商用 X光機,供醫療診斷之用。然而核磁共振現象雖然早在 1938 年就由美國物理學家拉比(Isidor Rabi)發現,卻等了將近四十年,才首度用於掃描人體。

拉比當初是讓原子束或分子束通過變化的磁場,而發現原子核的磁距、角動量會跟著改變,與磁場共振,因此稱之為核磁共振(NMR)。1946 年,瑞士物理學家布洛赫(Felix Bloch)與美國物理學家伯塞爾(Edward Mills Purcell)各自獨立發現在液體與固體上也能產生核磁共振的方法,兩人因而共同獲得 1952 年的諾貝爾物理獎。不過當時都只用來分析化學元素,直到 1969 年,美國醫師達瑪狄恩(Raymond Damadian)才率先主張腫瘤組織與健康組織在核磁共振下的反應有所不同。

七○年代初,美國化學家羅特堡(Paul C. Lauterbur)因為學校的核磁共振儀老是無法產生均勻一致的磁場,而嘗試再外加一個可改變強度的磁場作為補償,結果反而可以藉由磁場梯度的變化測出樣品的空間位置,而得到三度空間的影像,成為實現核磁共振攝影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)的關鍵。但羅特堡只拿來拍蛤蠣與老鼠,尚未用人體試驗,不過他成功區分出一般水與重水就極具意義,因為人體有 70% 都是水。

有了羅特堡的技術,達瑪狄恩著手打造專門診斷腫瘤的核磁共振儀。1977 年的今天,他的病人成為史上第一位接受核磁共振掃描的人。然而他的機器並不實用,花了將近五個小時才拍出只有 160 個三維像素的胸部照片。

這個問題有待英國物理學家曼斯菲爾德(Peter Mansfield)解決。他於 1977 年開發出「回波平面造影術」,利用數學演算法將磁場梯度變化產生的資料快速轉換為影像,不但可得到解析度更高的人體器官影像,還能應用於偵測血液流量與血氧濃度。

MRI 是非侵入性的掃描方式,而且不像 X光或電腦斷層那樣會產生游離輻射,沒有輻射傷害的疑慮,既快速又安全,如今已是現代醫學不可或缺的診斷工具。而這都得感謝羅特堡與曼斯菲爾德的貢獻,他們兩人也因此共同獲頒 2003 年諾貝爾生理或醫學獎的肯定。

 

 

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。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 577 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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【2002 諾貝爾化學獎】質譜與核磁共振
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/06/01 ・5803字 ・閱讀時間約 12 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2002諾貝爾化學獎】質譜與核磁共振

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

今年的諾貝爾化學獎是由三位學者所共享,他們的研究涵蓋了兩個重要領域:質譜與核磁共振。這三位得獎者是美國 Virginia Commonwealth 大學的 John B. Fenn,日本島津(Shimadzu)公司年僅四十三歲的研發工程師田中耕一(Koichi Tanaka)以及瑞士理工學院的 Kurt Wuthrich,前二者所專精的是質譜方面的研究,而後者是由於在核磁共振方面的研究而得獎。他們最主要的貢獻,是利用這些工具來解決巨大的生化分子之結構問題,他們的成就代表了一個革命性的突破,使得"化學生物"(chemical biology)成為現今的"大科學"(big science)。化學家們現在已經可以快而準確的鑑定一個試樣中含有的蛋白質為何物,他們也能夠繪出蛋白質分子在溶液中的三度空間圖像,也就是說,化學家已有能力"看到"蛋白質並瞭解它們在細胞中如何的作用。

生化分子的革命性分析方法

為什麼要研究生化的高分子

所有的生物體 ─ 細菌,植物及動物 ─ 都含有相同型態的大分子或高分子,而這些分子與我們所謂的生命是息息相關的。在細胞中所發生的現象是由核酸(例如DNA)來控制的,我們可稱之為細胞的"導演",而各種蛋白質則是細胞的"主角"。每一個蛋白質都具有一種功能,並可隨著環境而變化。例如血紅素將氧氣輸送到人體內的各個細胞。

個別蛋白質的研究並非一項新的研究領域,然而蛋白體學(proteomics),也就是研究不同的蛋白質如何相互的聯合以及合併與其它的物質在細胞中共同運作,卻是一個在過去數年間極速成長的新興領域。隨著一個個生物體的基因之定序完成,以及相關的尖端研究不斷向前挺進,新的問題亦隨之而產生:人類約三萬個左右的基因,其密碼是如何的對應到千百來種不同的蛋白質?如果一個基因損傷或缺少了,會發生什麼狀況?像阿茲海默症或狂牛症是如何發生的?上述的新化學領域是否可運用到更快速的診斷出以及醫治好這些威脅到人類的疾病?

要想解決類似這樣的問題,化學家不斷的追求有關蛋白質的更多知識,以及瞭解它們如何相互聯合或與其它的分子聯合而在細胞中運作,這是因為它們的結合將會影響其結構,而在蛋白質結構上一點點的變化,就會對其功能有決定性的影響,因此下一步就是要掌握其活動狀況:當蛋白質相互作用的那一瞬間,蛋白質分子是何長相?尤其是在那決定性的一刻又如何?若想要瞭解,那我們就必須擁有“目睹”的能力。

質譜 ─ 一個鑑定分子的方法

質譜現在能讓我們利用分子的質量快速的鑑定出一個試樣中的化合物結構,這項技術早就被化學家運用在小型與中型的分子鑑定工作上,這項工具靈敏到能探察非常少量的分子。例如在吸毒以及藥物濫用的檢查,食品的控管以及環境的檢測等方面,質譜的運用在現今已是如例行公事般的尋常。

其實早在十九世紀末頁,質譜就已奠下了基礎,在 1912 年,湯木森(Joseph J. Thompson)就報告了第一例的小分子結構分析。好幾個二十世紀的諾貝爾獎工作就是直接倚賴質譜分析,例如 Harold Urey 發現氘(1934年諾貝爾獎),以及"碳足球"富勒烯(fullerenes 又稱碳六十)的發現,導致 Robert Curl、Harold Kroto 與 Richard Smalley 得到 1996 年的諾貝爾獎。

當然將質譜運用在高分子上的目標早就吸引了許多的科學家,在 1970 年代已經能成功的將高分子轉化成氣相的離子,稱為脫附技術(desorption technology),這成為過去二十年間在此領域中革命性進展之基礎。

雖然與其它的小分子比較,高分子的確很大,但實際上一個單一的高分子仍然是極為渺小的,例如血紅素的一個分子的質量只不過是10-19克左右,那麼要如何量度這麼小的質量呢?關鍵就在於如何讓蛋白質分子相互分開,並形成一片可自由飛翔,並且攜帶電荷的蛋白質離子雲霧,緊接著量度這些離子質量(因之而能鑑定蛋白質)的常用方法,就是在一個真空室中將它們加速,然後量度其飛行時間(Time Of Flight, TOF),它們達到目的地的先後與其質量以及電荷有關,越輕而且電荷越高者,越快抵達。

現今有兩種做法能使得蛋白質轉變為氣態離子而不會改變其結構與形體,這兩種方法背後的發明者就是今年共享一半諾貝爾獎的兩位學者。其中由 John B. Fenn 所發展的方法是運用一個很強的電場將試樣噴灑出去(稱為電灑法,見圖一),而產生一個個帶電荷並能自由飛翔的離子。另一種方式是運用一個強烈的雷射脈衝,在適當的條件下(視能量,與試樣的結構和化學環境而定)運作,試樣可接受雷射脈衝的能量而被釋放成為自由的離子(見圖二),頭一個展示這種"輕雷射脫附"(soft laser desorption)現象可運用在蛋白質這種大分子的人就是田中耕一(Koichi Tanaka)。

(圖一)電灑法
(圖二)雷射脫附法

Fenn 的貢獻 ─ 透過噴灑的飛翔

在 1988 年 John B. Fenn 發表了兩篇後來被視為突破性的質譜論文,那是有關電灑高分子的研究。在第一篇論文中,他研究具有未知質量的聚乙二醇(polyethylene glycol)的質譜,發現可以運用他的方法處理具有高分子質量及高電荷的大分子。他的第二篇論文顯示這個方法亦可運用在中等大小的蛋白質上。離子的釋出是藉由一個電場將試樣噴灑出去,形成許多帶電荷的水滴,當水滴中的水蒸發之後就剩下了帶電而且可自由翱翔的赤裸裸蛋白質分子,這個方法被稱為電灑游離法(electrospray ionization , ESI)。

當這些分子具有很高的電荷時,質量/電荷的比值就會小到可用普通的質譜儀來分析。另一個好處就是相同的分子可能攜帶不同的電荷,因此會得到一系列的訊號,雖然這個現象使得圖譜變得複雜,甚至對早先的研究者造成困擾,但這也產生了更多的資訊,使得鑑定的工作變得較容易。

田中耕一的貢獻 ─ 透過轟擊的翱翔

在同時,於世界的另一端也正進行著另一份精采的工作,在日本東京的島津儀器公司,有一位年輕的日本工程師田中耕一,發表了另一種截然不同的技術來解決那最重要的第一步。在 1987 年的一項學術會議中(並於一年後發表論文),田中耕一展示蛋白質分子可藉由輕雷射脫附(soft laser desorption , SLD)的技術而游離。有別於電灑法,一個處於固相或粘稠的液相狀態的試樣以一束雷射脈衝撞擊,試樣接受能量之後被炸成許多小塊塊,然後分子相互分離,釋出自由翱翔的完整離子,其電荷不高,然後藉由一個電場加速,並透過其飛行時間的長短探測之。田中耕一是展示可運用雷射的技術於生化高分子上的第一人,其原理是現今許多極為有用的雷射脫附技術的基礎,特別是簡稱為 MALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization,基質輔助雷射脫附游離),SELDI(Surface Enhanced Laser Desorption Ionization,表面強化雷射脫附游離),以及 DIOS(Direct Ionization On Silicon)等三種方法。

質譜的應用

電灑游離法(ESI)與輕雷射脫附法(SLD)可運用在許多領域。這個在現在生化分析中已經成熟的方法,在數年前還不過是個夢想。研究蛋白質之間的作用對瞭解生命體中的訊號系統是非常重要的,這些以非共價鍵結合的生化分子錯合體,可以運用 ESI 來研究,這種方法優於其它方法的原因,在於具有快速,靈敏以及能發現作用機制的多項好處。質譜分析的方法相對而言算是便宜的,這也使得此項技術迅速的擴散到世界上各各角落的實驗室中。現在輕雷射脫附法(MALDI 的形式)與電灑游離法已成為分析胜肽,蛋白質與碳水化合物的標準方法,它們可以迅速的分析出一個完整的細胞或活組織中的蛋白質成分。從下面所列現今的一些研究領域之例子,就可看出今年的諾貝爾獎工作所衍生的運用之廣泛:

  • 製藥的發展:先期的藥物研發已進行了型態的改變。搭配分離的技術,ESI-MS 可以做到每天分析好幾百個化合物。
  • 瘧疾:科學家最近發現了新的方法來研究瘧疾的擴散。借助輕雷射脫附法,現在已可進行早期診斷,人類血紅素上攜帶氧的部份在此處用來吸收雷射脈衝的能量。
  • 卵巢癌,乳癌與攝護腺癌:過去這一年中對於各種不同的癌症之早期診斷方法,以更快的速度被發表出來。只要能取得癌細胞所附著的表面,然後以輕雷射脫附法分析,化學家能比醫生更迅速的發現癌症。
  • 食物的品管:ESI 技術也在小分子的分析上有所進展。在過去這幾個月,我們發現某些製備食物的方法會產生一些有害人體健康的分子,例如可導致癌症的丙烯醯胺(acrylamide),藉著質譜,食物可以在不同的階段接受迅速的分析,藉著溫度以及材料的改變,有害物質的產生可以避免或減少。

生化高分子的核磁共振

質譜可針對譬如說蛋白質所提出的"哪一種?"與"有多少?"的問題給予答案。簡言之,核磁共振則可回答"長相如何?"。即使是最大的蛋白質在任何顯微鏡底下的解析度仍然很低,因為它仍然太小了,為了要能得到一張蛋白質真正長相的圖片,就必須用其它的方法,核磁共振(NMR,nuclear magnetic resonance)的技術就是其中之一。透過核磁共振光譜訊號的解釋,我們就可以對所研究的分子繪出一張三度空間的圖像。其巧妙之處在於試樣可以是一種溶液態,如果是蛋白質的話,那正是細胞中的自然情況。

在核磁共振發展之前,以晶體的 X 光繞射光譜來決定蛋白質分子的三度空間結構是唯一的方法,在 1957 年發表了第一個真正的蛋白質(肌紅蛋白)之三維結構,這使得 Max Perutz 因此於 1962 年得到諾貝爾化學獎。這種結晶學是基於 X 光在蛋白質晶體中的繞射現象,導致了更進一步的一些諾貝爾獎工作之發展。化學家一直在尋求另一種與 X 光結晶學互補的方法,能夠決定分子在溶液相中之結構,因為這較能模擬生化分子在自然界中存在的狀態。

物理學家 Felix Bloch 與 Edward Purcell 早在 1945 年就發現,將某些原子核置於一個強大的磁場中時,透過所謂的核轉量(nuclear spin),會吸收無線電波的頻率,這個發現導致他們得到了 1952 年的諾貝爾物理獎。在這之前幾年也已發現核磁共振的頻率不但與磁場的強度以及核種有關,同時也與這個原子週遭的化學環境有關,更進一步的,不同的核之核轉量會相互影響而在光譜中產生一些細部結構,換言之會因此在核磁共振光譜中產生更多的訊號。

早期 NMR 的運用受限於其低靈敏度:它需要非常濃的溶液,不過在 1966 年,瑞士的化學家 Richard Ernst(1991年諾貝爾化學獎)的研究顯示,若改變過去慢慢改變掃描頻率的做法,而以一個短而強的無線電波脈衝施於樣品,則可以大幅提昇其靈敏度。他的貢獻也包括了在 1970 年代所發展的方法,能決定在一個分子中每一個核的相鄰關係,因此透過 NMR 光譜的判讀就可以推導出該分子的長相,也就是它的結構。這種方法對於相當小的分子是很成功的,然而對於大的分子就很難分辨不同的核之訊號,這種分子的光譜就好像一塊草皮一般(每一根草代表一根訊號),含有上千根的訊號,造成無法區辨哪一個訊號是屬於哪一個核的。最後解決了這個問題的科學家就是瑞士的化學家 Kurt Wuthrich。

Kurt Wuthrich ─ 顯示NMR可運用在蛋白質上

在 1980 年代初期,Kurt Wuthrich 發展了一個如何將 NMR 運用到像蛋白質這樣的生化分子的想法,他發明了一種系統化的方法將訊號與正確的氫核配對,此法稱為循序指認法(sequential assignment),堪稱為現今所有 NMR 結構分析的基石。他又展示接著如何找出許多對氫核之間的距離,然後運用一個基於距離與幾何結構的數學方法,搭配以上的資訊,計算出該分子的三維結構。

在 1985 年 Wuthrich 的方法第一次成功的解出了一個蛋白質的完整三維結構,到目前為止,在所有上千已知的蛋白質結構中約有 15-20% 是透過 NMR 決定的,其它的則主要是利用 X 光結晶學而定的,加上少數幾個是運用電子繞射或中子繞射的方法。

NMR運用於生化分子的領域

在許多方面,NMR 與 X 光結晶學的方法在結構的決定上是互補的,如果一個蛋白質用這兩種方法都分析一遍,前者在溶液中後者則是晶體的形式,通常會得到一致的結果,例外常是發生在一些表面較易受到環境影響的區域 ─ 在晶體中緊密堆積的蛋白質分子相互的影響,在溶液中包圍著分子的溶劑分子的影響。雖然 X 光結晶學的方法強在能非常準確的決定非常大的三維結構,NMR 的方法也有其獨到之處,因為它可以決定在溶液中的結構,代表我們可以模擬真正的生理條件。它最強的地方在於顯示出分子中沒有結構性或動態最高的區域,它可探知其游動性與活動狀況,以及瞭解在蛋白質的鏈上這些運作如何變化。利用同位素的標籤,亦有助我們對結構的鑑定。

一個利用 NMR 決定蛋白質結構的例子是有關一種稱為 prion 的蛋白質,這個蛋白質攸關好幾種危險的疾病,例如狂牛症(1997年 Stanley Prusiner 所得的諾貝爾醫學獎)的發生。Wuthrich 與其工作夥伴運用 NMR 的技術顯示一個正常的 prion 蛋白質具有兩個部份:此一蛋白質約有一半在水溶液中具有一個整齊而且相當堅固的三維結構,而另一半則不具結構性而且游動性很高。

NMR 亦可以運用在其它的生化高分子的結構與動力研究上,例如 DNA 或 RNA。

NMR 也運用在製藥工業中,解決一些蛋白質以及其它可能可以作為新藥目標的高分子的結構,以及瞭解進一步的性質問題。藥物分子的設計就是要能與蛋白質結合 ─ 就像鑰匙與鎖的關係。NMR 或許在工業上面最重要的運用就是在尋找具有潛力,能與特定生化高分子作用的藥物分子,如果一個小分子與一個大的分子結合時,那個大分子的 NMR 光譜通常會有所改變,因而此法可用在發展新藥時,迅速的在早期篩選大量的可能候選者。

結語

在過去這五年,我們看到了在生命科學領域中所出現的"全像"概念,例如基因體學,蛋白質體學以及代謝體學的興起,這種思維主要的觀念是採取一種整體而大規模的研究策略,而非如早期的研究般,採取簡化策略,以解決問題為出發點。現在我們已經可以描述一個生命體中的整個基因體,同樣的,現在也已經可以開始考慮,在一個活的細胞中某一階段所參與的整組蛋白質的運作,只不過尚未能達到定量的階段。這個概念也同樣的運用在整個代謝物流上。這些新的可能性,有一部份是源自於新方法的發展,其中質譜與 NMR 在生物高分子上的運用應為重要的例子。不過隨伴著以企業化方式大幅度的繪製生命體中分子性質的圖譜之時,我們仍有更殷切的需求,深入的瞭解在分子的層次,生化過程是如何發生的。在這個由基本的生化科學所構成的世界裡,質譜及 NMR 在生物高分子上的運用,已成為增進對生命的瞭解之過程中,重要的基石。

參考資料

蔡蘊明譯自諾貝爾化獎委員會公佈給大眾的新聞稿:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2002/popular.html

若需要進一步的資訊,請至以下網頁點選:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2002/advanced-chemistryprize2002.pdf

諾貝爾化學獎譯文_96
15 篇文章 ・ 18 位粉絲
「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列

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銀河系中心的超大質量黑洞,中研院揭曉「人馬座 A 星」的神秘面紗!
PanSci_96
・2022/05/13 ・4664字 ・閱讀時間約 9 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  •  文/泛科學編輯部(曹盛威、郭令鈞、雷雅淇、侯郁家、劉品萱)

你看過黑洞嗎?不論有沒有,你都可以再靠近一點!這張就是黑洞近照:

首張銀河系中心黑洞照片。圖 / EHT Collaboration

還記得 2019 年 4 月拍攝到的第一張黑洞照片嗎?那是來自 5500 萬光年以外的 M87 星系。三年後的現在,也就是臺灣時間 2022 年 5 月 12 日晚間,「事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)」舉辦全球記者會,公布人類史上第二張黑洞照片。

第二張黑洞照片主角的所在地,你一定很熟悉,因為它跟我們一樣都位在「銀河系」——沒錯,銀河系中心的超大質量黑洞首次亮相啦!這張轟動全球的照片為什麼如此振奮人心呢?一切都要從「銀河系中心」開始說起。

在帕瑞納天文台(Paranal Observatory)的夜空中觀賞到的銀河系中心。圖/維基百科

我們怎麼知道銀河系中心有黑洞?

銀河系的中心到底有什麼呢?整個 20 世紀,科學家都在猜測這個問題的答案。

1933 年,美國貝爾實驗室的工程師央斯基(Karl G. Jansky)在解決背景雜訊干擾無線電通訊的過程中,意外發現最強烈的干擾源是來自人馬座方向的無線電短波,而這個方向正好指向銀河系中心。後來,這個無線電波源的位置就被稱為「人馬座 A」。這是人類第一次使用可見光以外的電磁波段觀測銀河,從此開啟了無線電天文學的發展。

二戰結束後,各國紛紛投入無線電天文學的領域。1970 到 1980 年代,隨著科技不斷進步,天文學家發現人馬座 A 是由多重結構所組成。

1974 年,巴利克(Bruce Balick)和布朗(Robert Brown)使用更精巧的電波望遠鏡,發現人馬座 A 的某特定區域釋放出明亮且緻密的無線電波,由於此特定區域是人馬座 A 最活躍的地方,因此以原子激發態—— *(唸作 Star 或「星」)來表示,將其命名為人馬座 A 星(Sagittarius A*)。

以波長 90 公分的無線電波,拍攝人馬座 A 區域的照片。圖/維基百科

不知表面攝氏千萬度是何許天體也

根據不同波長的電波與射線得到的觀測結果,銀河系中心簡直是「金光閃閃、瑞氣千條」,各個波段的電磁波應有盡有!其中,最耐人尋味的是 X 射線。為什麼呢?

根據黑體輻射原理(Black-body radiation),如果一個物體主要發出的是 X 射線,那它的表面溫度估計超過攝氏 1000 萬度;相較於我們的太陽,主要發出的是可見光,表面溫度約為攝氏 5500 度。

天啊!這個「攝氏 1000 萬度以上」的天體究竟是何方神聖?

1960 年代,天文學家姑且把這些未知天體稱為「類星體(Quasar)」。一開始推測類星體可能是黑洞、中子星、脈衝星、超新星等等,而目前主流學界認為「類星體就是黑洞」

在黑洞的吸積盤上,高速繞行的物質會因劇烈的摩擦、碰撞,而產生高溫與磁場,並且激發強烈的電磁輻射。因此,天文學家認為,銀河中心強烈 X 射線的來源可能是黑洞。

電磁波的波長與性質。圖/維基百科

另外一種觀測黑洞的方式是長時間紀錄恆星的軌道。如果發現這些恆星正在繞著看不見的天體運行,這個天體就有可能是個黑洞。

2020 年的諾貝爾物理學獎得主是德國科學家根策爾(Reinhard Genzel)和美國科學家吉茲(Andrea Ghez)。他們透過當時世界上最大的光學望遠鏡,花了 30 年監看銀河系中心,追蹤附近恆星的軌道運動,發現人馬座 A 星附近,有很多恆星快速地環繞運行。

地球的運行速度最快只有每秒 30 公里,但在人馬座 A 星附近,有一顆稱為「S2」的恆星,最快甚至能以每秒 7000 公里的速度運行!從 S2 的完整軌道與速度來計算,人馬座 A 星的質量相當於 400 萬個太陽,半徑卻只有太陽的 17 倍。這樣極端的密度指向了一種可能性,那就是超大質量黑洞

所以啦,早在 1990 到 2000 年代,「銀河系中心有個超大質量黑洞」就成了整個天文界乃至全世界都有的共識。

環繞人馬座 A 星公轉的恆星 S2 的完整軌跡觀測結果。圖/2020 諾貝爾物理學奬官網

至於超大質量黑洞是怎麼來的,目前還是個謎。

一般認為黑洞是恆星死亡後的產物,但根據觀測,這些超大質量黑洞在宇宙大爆炸後的七億年就存在了。矛盾的是,那時的宇宙可以說是處在幼兒階段,重力還在吸引星雲聚集,成形的恆星屈指可數,完全無法解釋為何會有恆星死亡變成黑洞。這也成了世界各地的天文學家爭相研究的謎團。

有圖有真相,人馬座 A 星有照片嗎?

這不就來了嗎?2022 年 5 月 12 號,事件視界望遠鏡(EHT)公佈了人馬座 A 星的影像,請大家掌聲鼓勵!就讓我們來解讀這個最新的黑洞寫真吧!

解密銀河系中心的神祕天體:超大質量黑洞「人馬座 A 星」。圖/EHT Collaboration

由於黑洞本身不發光,我們要觀測的是黑洞周圍的光線被吃掉的範圍,也就是黑洞中央黑色區域的大小。不過,黑洞本身的尺寸其實比中心那塊陰影區域更小!

首先,「黑洞本身的尺寸」正確來說是「事件視界」的大小。事件視界的半徑即為「史瓦西半徑(Schwarzschild radius)」,只要知道黑洞質量就能推算出來,像人馬座 A 星的史瓦西半徑是 1200 萬公里。

當光行經事件視界外圍,也會沿著因重力而扭曲的空間彎折,最終被吸進黑洞,成了我們看不見的那塊圓形陰影,而「黑洞吃掉的影像範圍」(或稱為「陰影」)指的就是除了事件視界本身以外,還有多少範圍是全然的黑暗。

根據廣義相對論,「陰影」的半徑是史瓦西半徑的 2.6 倍。

陰影的半徑是史瓦西半徑的 2.6 倍。圖/Veritasium

包傑夫(Geoffrey Bower)是中研院天文所的資深天文學家,同時也是 EHT 計畫的成員。他在記者會上表示,「這次公布的影像捕捉到被強大的黑洞重力所扭曲的光線,而亮環大小也吻合愛因斯坦的廣義相對論」。

EHT 如何捕捉黑洞影像?

天文影像的解析度將整個天空分成 180 度,每度有 60 角分,每角分有 60 角秒,每角秒分成 1000 毫角秒,每毫角秒再分成 1000 微角秒。以黑洞成像而言,人馬座 A 星與 M87 黑洞的陰影尺寸分別是 50 微角秒和 42 微角秒。

因此,從地球觀測這兩個黑洞的難度相當高,可以想像成從地球看月球上的一顆橘子,需要直徑非常大,甚至等同地球直徑大小的望遠鏡才能辦到。所以,EHT 真的在宇宙中建造了和跟地球一樣大的……(不要瞎掰好嗎!)

EHT 使用了特長基線干涉(VLBI)這項技術。簡單來說,就是透過結合兩座或多座無線電望遠鏡的觀測資料,重組出宛如單一望遠鏡的觀測結果。望遠鏡彼此之間的距離越大,組合出的解析度越好!根據中研院天文所郭駿毅博士的形容,EHT 的解析度銳利到足以從臺北看見東京的一粒沙

EHT(綠線)與 GMVA(黃線)之望遠鏡陣列分布。圖/維基百科

那為何不是先拍到距離我們比較近的人馬座 A 星,而是先公布 M87 的影像呢?其實,在 2017 年時,EHT 就同時觀測 M87 星系和銀河系中心的超大質量黑洞。人馬座 A 星雖然離地球較近,約 27,000 光年,但質量較小,難以觀測。

美國斯圖爾德天文台(Steward Observatory)的 EHT 科學家陳志均解釋,黑洞附近的氣體移動速度接近光速,加上人馬座 A 星比 M87 黑洞小 2,000 倍,周圍的軌道也更小,其造成的氣體擾動導致影像變化速度過快,「就像在拍一隻追著自己尾巴跑的小狗」,必須使用更複雜的成像技術,才能取得足夠清晰的照片。

也因為這樣的速度差異,這次銀河系中心黑洞的照片才會跟 M87 長得不一樣,形成有三個亮點的圖片。不過,這些明暗差異並不是都卜勒效應造成的。師大物理系助理教授卜宏毅表示,只要拍攝物體移動過快,就會留下殘影。然而,這並不影響我們解析黑洞半徑。

這次並沒有明確觀測到噴流。科學家對於銀河系中心黑洞是否存在噴流,目前仍有待商榷。

特長基線干涉技術支援科學家黃智威表示,這次的黑洞圖像也替未來的黑洞觀測打下良好的基礎。目前,學界將「超大質量」定義為 100 萬倍到 10 億倍太陽質量的數量級,估計 M87 約為 35 至 66 億太陽質量,而這次的銀河系黑洞為 400 萬太陽質量。

也就是說,目前觀測到唯二有清晰影像的黑洞,正好就是超大質量黑洞的最小值與最大值,而這兩張影像所呈現的特徵有許多相似之處,比如皆具有黑洞剪影及光環。如果連極端值都具有這些特徵,那麼理論上,其他大小的黑洞也都會有。

另外,黑洞也扮演著孕育恆星的重要角色。只要能夠深入了解黑洞的結構,想必也能更加深刻地了解銀河系的歷史。

天文所紀柏特(Britton Jeter)博士將拍攝人馬座 A 星的過程描述為「將一部電影濃縮成為一張影像」。這整個過程費時 5 年,有賴美國、加拿大、歐洲及臺灣的努力,利用世界各地的超級電腦運算龐大的觀測資料,再經由多次模擬、調校,才得以成像,讓我們能夠親眼看到這個「潛伏在銀河系中心的巨獸」。

臺灣在黑洞計畫中扮演的角色

這次公布的黑洞影像,由全球各地 8 座望遠鏡共同完成,其中有 3 座和臺灣淵源匪淺,分別是由中研院參與建造或負責運轉的「次毫米波陣列(SMA)」、「馬克斯威次毫米波望遠鏡(JCMT)」,以及「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)」。

觀測銀河系中心黑洞的 8 座天文望遠鏡,其中 3 座由臺灣支援建造或運作。表/中央研究院新聞稿

從 2017 年黑洞計畫啟動以來,中研院天文所就參與其中,合作夥伴包括國立中山大學、國立臺灣師範大學、國家中山科學研究院。從觀測、分析數據到成像,尤其在疫情之下,能夠持續投入,並且有如此卓越的成果,實屬不易。

未來展望

目前,EHT 團隊正在分析 2018 與 2021 年的觀測資料。除了上表 8 座天文望遠鏡以外,這些觀測活動還有格陵蘭望遠鏡(Greenland Telescope)與另外兩個望遠鏡參與,想必可以讓我們更清楚地看到 M87 和人馬座 A 星的黑洞影像。未來,團隊也期許能夠透過更高頻率的觀測,一窺更小的黑洞。

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如何預防阿茲海默症?好好睡覺可能有幫助——《當大腦開始崩壞》
八旗文化_96
・2019/04/26 ・2769字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

就如波斯人所言,睡眠有如玫瑰。
——弗拉基米爾.納博科夫(Vladimir Nabokov)

人為什麼要睡覺?

沒有人知道為什麼我們會睡覺。最明顯的答案是因為我們疲倦了。但大腦在睡眠時仍有百分之九十五和清醒時一樣活躍。再考慮到我們在演化史中一直是大型掠食者的獵物,更別提我們花在繁殖與採集食物上的時間,在在都讓睡眠的理由更加神祕。

圖/pixabay

數十年來出現一些解釋睡眠的理論,從傷口療癒、熱調節,到鞏固記憶與夢境誘發創意思考等各種說法皆有,但最近由頂尖科學期刊發表的研究則主張,睡眠或許亦是為了讓大腦免於阿茲海默症而存在。

這理論是從二○○五年開始,一群都柏林聖詹姆士醫院(St James Hospital)的精神科醫生,示範失眠增加與白天睡覺等睡眠障礙與阿茲海默症病患失智嚴重程度之間的關連。這一點也不令人意外——許多腦部疾病都與睡眠障礙有關——因此它被視為一種實用知識,可協助醫生和照顧者選擇正確藥物,以此幫助病患改善睡眠。但其他人相信此連結的影響更為深遠;有更深層的事正在發生。

因此科學家開始著手複製阿茲海默症老鼠的典型範例。

圖/pxhere

睡眠會影響大腦中的 β 類澱粉蛋白濃度

這些人當中有個團隊是由聖路易斯華盛頓大學的大衛.霍爾茲曼(David Holtzman)所領導,他的團隊展示了 β 類澱粉蛋白濃度會隨著睡眠清醒週期而波動:剝奪老鼠的睡眠會增加 β 類澱粉蛋白濃度;而以化學方式刺激睡眠則會降低其濃度。那發生在二○○九年,而此發現很快得到該團隊反向觀察的支持:

二○一二年,他們為老鼠施打對抗 β 類澱粉蛋白的疫苗後,老鼠回復了正常的睡眠模式。

一年後,紐約羅徹斯特大學(University of Rochester)的麥肯.尼德加德(Maiken Nedergaard)和她的團隊發現,大腦在睡眠時會自我清理的證據。大腦會利用填滿脊髓液的微通道網路來移除 β 類澱粉蛋白,此通道網路被稱為「 膠淋巴途徑」(glymphatic pathway),是一種由膠質細胞組成,會清除大腦廢棄物的管線系統。她把睡眠中的大腦比喻為「 洗碗機」在清潔分子「 汙垢」。此項發現令人印象深刻,唯一的疑慮只有老鼠是夜行動物,牠們的睡眠行為與我們不同。因此亟需在人類上的研究。

睡眠中的大腦就像「 洗碗機」在清潔分子「 汙垢」。圖/pixabay

睡眠和記憶的的關聯在哪?

而後,來自柏克萊加州大學,由神經科學家馬修.沃克(Matthew Walker)所領導的團隊著手進行這研究。對這位來自英格蘭、稚氣未脫又幽默的年輕教授來說,睡眠與記憶的關連比起任何人所知的還要緊密。他喜歡在演講前先告知人們聽他演講睡著了沒關係。「 看到各位在瞭解睡眠與記憶之間的關係時,」最近他對聽眾說,「 忍不住用睡覺來加強我正在說明的事,對我來說這真的是最好的恭維了。」

二○一五年七月,沃克與他的團隊招募了二十六位平均年齡七十五歲的健康人士,準備揭開睡眠、β 類澱粉蛋白與記憶之間的關係。一開始,沃克先在志願者身上進行 PiB-PET 掃描,以測量他們大腦中類澱粉蛋白的配額。接著,他要求參與者在於睡眠實驗室過夜之前,先記住多組成對文字。在此實驗室中,他們的睡眠模式會被專業監看。

圖/wikipedia

正常睡眠大概是以九十分鐘為一個週期,並由快速動眼睡眠(REM)與非快速動眼睡眠(NREM)階段組成。REM 睡眠大約只維持十分鐘,並且於做夢期間發生(不過為什麼眼球會動則未知)。深層且無夢的 NREM 睡眠占了每個週期的大部分時間,但在夜晚後期,REM 睡眠稍微增長後,NREM 睡眠的比重便會減少。記憶鞏固被認為是發生在 NREM 階段中稱為慢波睡眠的期間——此為發生同步低頻脈衝電波活動的時期。這是沃克在人體研究中特別感興趣的部分。

隔天早上,沃克的志願者會在進行功能性 MRI 大腦掃描時,重做一次文字組測驗。結果參與者中 β 類澱粉蛋白值最高的人測出的慢波活動最低,並且在記憶回顧的分數上表現最糟。此降低的慢波活動在前額葉皮質中最為明顯,此區域亦為大腦中 β 類澱粉蛋白累積最多的區域。在修正年齡、性別以及大腦尺寸等因素後,情況亦是如此。此外,參與者被告知,需在參加試驗前兩天戒除咖啡與酒精等刺激物。若以數學表示,β 類澱粉蛋白影響睡眠的程度是呈線性關係,而睡眠又會影響記憶。這使得睡眠本身成為阿茲海默症治療性干預的可能候選項目。沃克在《自然神經科學》(Nature Neuroscience)上發表此篇研究。正如預期,造成新聞界全面轟動。

新的見解和研究方向

但此研究有兩個問題。

首先,此項發現是互相關連的:並無法證明因果。

若要證明因果,必須追蹤人們的睡眠習慣長達數年。

其次,測試結果有可能因為參與者必須睡在新環境中而左右。

沃克曾要求他們填寫在家睡眠的紀錄,並告知他們可依相同方式在實驗室中睡覺,但由於並未測量兩種環境的差異,此調查的結果仍有待解釋。而這正是霍爾茲曼(Holtzman)與其神經學家同僚布蘭登.盧西(Brendan Lucey)正在做的事。

「 儘管存在這些問題,」他們在伴隨此份研究的觀點文章中寫道,「 沃克團隊的研究為臨床前阿茲海默症在睡眠和記憶的變化,提供了重要新見解,並且指出新的可能調查方向。」他們主張 β 類澱粉蛋白、睡眠與記憶等三要素,是以不同方式形成關連。據他們的說法,可能是 β 類澱粉蛋白同時影響睡眠與記憶,或是與年齡相關的睡眠問題會影響記憶與 β 類澱粉蛋白,而後者又回過頭來影響睡眠,產生一個自我持續的毀滅循環。而纖維纏結是如何加入則仍屬未知。撇開各種障礙不說,沒有人會對睡個好覺的重要性有所質疑,而此蓬勃發展的新研究領域,將完全無可辯駁地加深該想法。

關於阿茲海默症,到底事實如何,至今仍充滿許多矛盾。圖/pixabay

為什麼事實總是產生如此多的矛盾?如果祖父到今日仍活著,或許會告訴你要活得像個搖滾明星;他一輩子嚴格的生活方式顯然仍保護不了他。但是我們無法否認,儘管有衝突,對抗阿茲海默症非藥理性對策的證據依然存在。當然,身為科學家,我會說光有證據仍不足夠——必須是好證據才行:大量樣本、廣泛複製等等──但既然我們知道這些生活方式不論如何對我們都有好處,最合理的方式便是謹慎為上。所以請遵行地中海飲食、運動、避免壓力、多刺激你的大腦、好好睡眠。

對你絕對百利而無一害。

 

 

 

 

——本文摘自《當大腦開始崩壞:科學 X 人性 X 歷史,人類對阿茲海默症的奮戰》,2018 年 6 月,八旗文化

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