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光篩式低價塑膠望遠鏡2014年上天空

臺北天文館_96
・2012/04/19 ・672字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

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用塑膠材質製成,具有可撓曲特性的望遠鏡升空後可以從方塊型微衛星中推展出來,在太空望遠鏡一時被太陽風暴擊中,或者萬一軍事用途的人造衛星被敵軍打下來時,快速發揮臨時替補功能。這項研發成果有一部分要歸功於中國在2007年所展示的一枚反人造衛星飛彈所帶來的刺激與靈感 – 美國空軍是從那時候就開始思索如何研發廉價的望遠鏡,否則一座座花了美國納稅人幾十億美金的國家資產,在太空中的命運很可能正是如此脆弱不堪一擊,當意外降臨時只能眼睜睜看著它轉眼成廢鐵!

不像傳統式望遠鏡用折射或反射原理,光篩式(photon sieve)望遠鏡的原理是用篩子型的幾百萬個微型洞洞,扎在可撓曲的薄膜塑膠材質上,光子穿過微型洞洞時,可產生各種不同的角度的繞射光,形成焦點面。缺點是它的篩式原理讓焦點面上得到的光量相對也少很多,不能很精美地成像,也不能拍彩色,只能拍黑白,但好處是便宜,可以摺疊可以展開,可以做得很大。這種廉價型望遠鏡並無意、也無法取代JWST或者哈柏,但是它的應用很廣泛。預定2014年就可以發射升空開始服役。它可以塞在10 × 10 × 30 公分見方的立方體微衛星裡,第一階段先拍一張太陽的照片向大家証實一下概念可行,接下來就可以委以重任,航向遠方 – 出發去拍拍系外行星、找找外星生命囉。

至於地面上的用途,美國空軍打算用它來監測類似飛彈運載卡車那種大小的物體,長度大約1公尺的東西,解析度都還夠拍得到,應用應該不少,用途留著以後再慢慢想。(Lauren 譯)

資料來源:中研院天文網, 2012.04.12

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

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出來單挑啊!同樣都是鼎鼎大名的太空望遠鏡,哈伯與韋伯到底誰比較強?
htlee
・2022/09/21 ・2029字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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最近,韋伯太空望遠鏡發布首批科學影像,終於看到敲碗好久的結果——韋伯拍到了人類從未見過的許多東西!有人說,韋伯是哈伯的繼任者,但不知道大家是否好奇過,哈伯和韋伯到底誰比較強?

哈伯望遠鏡和韋伯望遠鏡之戰,正式開打!

這個問題有點難回答,因為兩部望遠鏡都是當代科技的結晶。哈伯是 1990 年升空的王者,韋伯是 30 年後科技進步下的產物,我試著用客觀的方式來比較這兩部太空望遠鏡。

哈伯觀測可見光,韋伯觀測紅外光

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺,韋伯則是 6.5 公尺,韋伯的主鏡直徑比哈伯大 2.7 倍,這也是大家最常比較的部分。可是,如果主鏡大就比較厲害,那麼夏威夷大島上的凱克 10 公尺望遠鏡,不就比哈伯和韋伯更強?

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺(左),韋伯的則是 6.5 公尺(右)。圖/維基百科

哈伯與韋伯觀測的波段不同,用途也不一樣。哈伯主要觀測的波段在可見光,可見光是指人類眼睛可以看見的光或顏色範圍,也就是紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫。從紅光到紫光,光的波長由長到短,紅光的波長大約是 0.62–0.74 微米(1 微米=0.001 公釐),紫光的範圍則是 0.38–0.45 微米。

紅外光是指比紅光波長更長的光,也就是波長比 0.7 微米更長,這是韋伯望遠鏡主要觀測宇宙的波段。

哈伯和韋伯太空望遠鏡觀測的波段,一個在可見光,另一個在紅外光,所以在功用上本來就不一樣,如果要比較的話就要小心,不然就像拿橘子跟蘋果相比,拿不同的東西做比較顯得很突兀。

誰看得比較清楚?來比一比解析度吧!

哈伯與韋伯可以拿來做比較的是解析度,解析度的值(角秒)愈低,表示能看到天體愈細微的部分,解析度跟主鏡直徑和觀測的波長有關。望遠鏡主鏡愈大,解析度愈好;另外也跟觀測的波長成正比。

解析度的計算公式。

以下兩張影像分別是史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)和韋伯拍的天空中同一區域紅外光影像,拍攝的紅外波長也差不多(史匹哲:8 微米,韋伯 7.7 微米),不過兩幅影像的解析度卻差很多,韋伯的影像中可以看到更多的細節,史匹哲則好像糊成一團。

史匹哲與韋伯望遠鏡的影像解析度比較,顯然韋伯的影像解析度高很多。圖/NASA

當觀測的波長一樣時,解析度跟觀測望遠鏡的主鏡直徑成反比。史匹哲的主鏡是 0.85 公尺,所以韋伯的解析力是史匹哲的 6.5/0.85=7.8 倍!主鏡的大小直接反應在解析度上,韋伯與史匹哲在解析度上高下立判!

解析度除了跟主鏡的直徑成反比,也跟觀測的波長成正比。所以同一面主鏡觀測天體,用愈短的波長觀測解析度愈好。下圖是史匹哲望遠鏡觀測 M81 星系的結果,同樣 0.85 公尺的主鏡觀測,隨著觀測波長的增加,解析度變差。

史匹哲望遠鏡拍攝的 M81 星系,拍攝的波段是 24(上)、70(中)、160 微米(下),拍攝的波段愈長,解析度愈差。圖/NASA

答案揭曉——哈伯的解析度略勝一籌!

前面提到解析度跟主鏡直徑與觀測波長的關係有一個重要前提,主鏡必須研磨到完美、光滑,也就是主鏡上不能出現高低起伏。如果主鏡不完美,像遊樂場裡的哈哈鏡,不能聚焦成像,解析度自然不好。

波長愈短對鏡面的要求愈高。哈伯太空望遠鏡的鏡面對 0.5 微米波長更長的光是完美的,比 0.5 微米波長更短的光波則呈現不完美,韋伯望遠鏡的主鏡則是對 2 微米更長的波長是光滑的。(光學上,物理學家的說法是哈伯和韋伯分別在 0.5 和 2 微米達到繞射極限。)

哈伯和韋伯望遠鏡最佳解析度分別在 0.5 微米和 2 微米,根據前面的解析度公式,哈伯在 0.5 微米的解析度是 0.05 角秒,而韋伯在 2 微米的解析度是 0.08 角秒,結論是哈伯的解析度比韋伯稍微好一點!也就是哈伯老當益壯,一點也不比韋伯差。

史蒂芬五重星系,哈伯(左)與韋伯(右)拍攝的影像,從解析度來看,兩部太空望遠鏡不相上下。圖/NASA

從哈伯到韋伯,有如長江後浪推前浪

天文學家從 1990 年開始,透過哈伯望遠鏡研究宇宙,這三十年來科學家已經把哈伯的功能發揮到極致,我們對宇宙的了解很多都來自哈伯的觀測。不過這三十年的努力也讓天文學家發現哈伯不足的地方,科學家知道關鍵在紅外線觀測能力。前一代的紅外望遠鏡史匹哲無法達到需求,天文學家只能殷殷期盼韋伯。

韋伯首批公布的影像中,幾乎都是哈伯曾經拍過的天體,從科學上來說,比較可見光和紅外影像資料可以對目標天體更多了解,不過我認為這應該是韋伯對哈伯致敬的方式,感謝哈伯三十多年的貢獻!

韋伯站在巨人的肩膀上,必定能看得更暗、更遠!

htlee
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屋頂上的天文學家-李昫岱,中央大學天文所博士,曾經於中央研究院天文所和美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校從事研究工作。著有《噢!原來如此 有趣的天文學》、《天文很有事》,翻譯多本國家地理書籍和特刊。 目前在國立中正大學教授「漫遊宇宙101個天體」和「星空探索」兩門通識課。天文跟其他語文一樣,有自己的文法和結構,唯一的不同是天文寫在天上!現在的工作是用科學、藝術和文化的角度,解讀、翻譯和傳授這本無字天書,期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好!

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【水獺媽媽專欄:從日常學永續】誰亂丟垃圾?飄進海裡的垃圾讓動物們吃壞肚子了!
PanSci_96
・2022/09/09 ・703字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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每年的 6 月 8 日被訂為世界海洋日,這個節日是希望每個人都可以好好認識海洋,並且重視汙染與資源過度開發的問題,因為海洋大約佔了地球的 70%,扮演著對於地球非常重要的角色,但近年來因為過度的開發,導致海洋生態系遭受破壞。

甚至,在荒野保護協會 2020 年的調查報告中發現,海洋垃圾中佔比的前五名,分別是寶特瓶、塑膠瓶蓋、菸蒂、吸管和塑膠提袋,這五項中就有四項是塑膠製品!

前五名的海洋垃圾中,有四個都是塑膠製品。圖/水獺媽媽提供

那我們要怎麼幫助減少海洋垃圾呢?

除了減少使用一次性塑膠製品之外,我們在去海邊遊玩的時候,如果有看到沙灘上有散落的垃圾,也可以一起幫忙搜集起來丟掉,以免在漲潮時候被海浪拍打進海裡,被海洋動物誤食。

如果垃圾還是不小心掉到海裡怎麼辦呢?於是世界各國開始研究起了清理海洋垃圾的方法。

澳洲的 Seabin 海洋垃圾桶就是一個成功的例子,它將港口或者岸邊的垃圾作為主要回收目標,可以 24 小時運轉,一年可以清理掉 1.5 噸的垃圾!

淨灘活動對於減少海洋垃圾非常有幫助。圖/水獺媽媽提供

其實還有很多很有創意的發明,都可以幫我們解決海洋垃圾的問題,但是如果我們從根源做起,不亂丟垃圾、確實做好回收分類,看到公共區域的垃圾可以隨手撿起來,改變自己小小的習慣,大家都有這樣的共識,就可以發揮無限大的效用。

隨手撿垃圾、不亂丟、要分類,就能讓海洋更乾淨!圖/水獺媽媽提供
PanSci_96
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冷鏈成本太高?遞送小鼠「冷凍精子」的最佳解出爐:現在寄張明信片就搞定!
Carol
・2021/09/05 ・4645字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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在古代有飛鴿傳書,在霍格華茲裡更有貓頭鷹負責寄送會發出聲響的信件。信件不僅是文字、訊息往來的方式,現今更可直接作為生物材料的寄送媒介。研究團隊發現,經冷凍乾燥處理的小鼠精子,可於沒有液態氮的環境中妥善保存,並且在室溫下帶於普通郵件中寄送。

放置於普通郵件小鼠精子。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

傳統保存方式:充滿液態氮的超低溫環境

典型保存精子的方式,是將精子保存於液態氮或乾冰中,極低溫的環境可讓精子處於冷凍的狀態下進行運送。待解凍之後,會再透過人工授精或是試管外(in vitro)授精來繁衍後代[2][3] 。然而,使用液態氮仍可能會產生一些問題,例如,在 196℃ 超低溫度下,進行樣本處理需要非常小心,因為液態氮可能會造成凍傷或是並且因飽和氣體造成窒息等問題,並且在部分國家及地區也可能有難以取得液態氮的問題。

除此之外,為了要讓小鼠精子一直維持在極低溫的環境,需不斷地補充液態氮,這也會造成昂貴的花費。因此,對於部分國家的研究機構來說,這樣難以保存小鼠基因來源。更不用說,若遇到停電、大災難等突發狀況可能會導致的極低溫的環境受到影響,小鼠精子解融、退冰,並導致精子無法使用。

液態氮,可以創造極低溫的環境,操作過程需小心。圖/ThoughtCo.

玻璃安瓿保存法很讚,但仍不適合長期保存

為了解決低溫環境難以控制的問題,日本山梨大學(University of Yamanashi)生殖生物學家 Daiyu Ito 的研究團隊發展出一項技術,將小鼠精子放入細頸瓶或玻璃安瓿(Ampoules,一種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶,常用於盛裝藥品等溶液。)並置於 4℃ 的環境中三個月,然後再放置於室溫中 1 個月。經過冷凍乾燥處理,可放置於室溫環境中一年。雖然經過處理後的小鼠精子已死亡,無法移動,但精子中的 DNA 仍然維持完整性[4]

爾後,再將這些冷凍乾燥後的小鼠精子在注射入卵子時,一樣能繁衍出正常的後代。這項冷凍乾燥的技術已運用與許多物種,例如實驗小鼠、倉鼠、兔子、馬以及綿羊等物種[5]。然而,使用玻璃安瓿仍有一些缺點。Daiyu Ito 說:「雖然玻璃安瓿的體積小,但它們相當笨重且易碎,容易影響小鼠後代的繁衍。所以將小鼠精子儲存在玻璃安瓿並不適合用來長期保存。因此,我們希望發展新的保存技術。」

圖為玻璃安瓿(Ampoules),為種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶,常用於盛裝藥品等溶液。圖/ISDIN

紙類保存凍乾精子有搞頭,但哪種材質最適合?

為了找出最適合用於保存冷凍乾燥的小鼠精子(mouse FD spermatozoa)的材料,研究團隊檢測了六種材質,分別是:日式傳統和紙(Washi)、包裝紙(Wrap)、乙烯基板(Vinyl sheet)、秤量紙(Weighing paper)、過濾紙(Filter paper)、日式糖果紙(Oblate)。

首先,過濾紙(Filter paper)是不可以使用的,因為小鼠精子容易卡在紙上,並且在解凍時無法順利取出精子。日式糖果紙(Oblate)也被認為無法作為保存材料,原先認為當日式糖果紙全部溶解於水中,就可以輕易地將冷凍乾燥的精子取出。然而,實際試驗後才發現,日式糖果紙溶解時仍會有部分殘餘物,導致難以收集小鼠精子。此外,其餘的四種材料雖然可用於收集小鼠精子,但仍有一些小缺點,例如:包裝紙太容易撕破,乙烯基板則在乾燥的過程中容易損失精子。

相對來說,日式傳統和紙是個較好的材料,但是在於脫水後的恢復過程中容易汙染,使得收集小鼠精子會遇到困難。秤量紙相較於乙烯基板較薄,但比包裝紙還要硬,是可作為小鼠精子乾燥過程的材料。因此,在此六種材料中,秤量紙是最適合用來處理小鼠精子的。

且經實驗發現,無倫是保存在玻璃安瓿或四種材料(傳統和紙、包裝紙、乙烯基板及秤量紙)的冷凍乾燥小鼠精子,其精子受精率(fertilization rates)沒有顯著差異。然而,在胚胎的發展成桑葚胚(morulae)或囊胚(blastocyst)的比率,最高的是以秤量紙(Weighing paper)包裝的小鼠精子。

使胚胎妥善的發育的比率,是作為小鼠精子是否有成功保存最重要指標,而在四種材料中,使用秤量紙(Weighing paper)包裝的小鼠精子其後代存活率數值為 21%,後代存活比率數值最高。考量到精子發育的程度,以及材料操作容易程度,最後採用秤量紙包裝冷凍乾燥精子,並用塑膠片作為分隔是最適合的選項。

上圖 A 為玻璃安瓿及用四種不同材質的紙保存的冷凍乾燥精子。下圖 D 為細胞質內精子注射(intracytoplasmic sperm injection, ICSI)。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
 圖 G,小鼠精子的受精率,玻璃安瓿及使用四種材料包裝小鼠精子的售經比率相差不大。
圖 H,受精卵發育成桑葚胚(Morula)或囊胚(Blastocyst)的比率[註1]。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

塑膠片會影響精子的DNA完整度嗎?

為進一步了解使用塑膠片保存精子是否會影響精子內的 DNA,研究團隊藉由彗星分析法(comet assay),來比較玻璃安瓿和塑膠片的精子中 DNA 的完整性。彗星分析法可用來檢測單細胞中 DNA 的損害程度,若 DNA 有損害,其結構會較為鬆散,斷裂或破碎的 DNA 片段會在進行電泳(gel)時被拖出細胞,在顯微鏡之下會呈現出一個類似彗星的形狀。不同程度的 DNA 損傷則會造成拖尾程度的差異,至於未損傷的 DNA 則會保持球狀。

從觀察結果得知,保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA,其彗星尾相較保存於塑膠片的小鼠精子 DNA 慧星尾長度稍短一些,不過,就統計結果而言,兩者之間有顯著差異。

但另方面,在小鼠精子進行細胞質內精子注射(ICSI)之後,藉由使用 γ-H2Ax 染色來比較玻璃安瓿和塑膠片的雄原核(male pronucleus)中 DNA 損壞程度,結果卻發現,相較於保存在塑膠片的小鼠精子,保存於玻璃安瓿的小鼠精子經 γ-H2Ax 染色後,其雄原核[註2]有較高的亮度,顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。

綜合上述,保存於塑膠片中的小鼠精子 DNA 完整度,與保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA 完整度,是可以相比擬的。

圖 J 為保存於玻璃安瓿小鼠精子 DNA,圖 K 為保存於塑膠片的小鼠精子 DNA。可發現圖 J 的DNA 其彗星尾較短。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
圖 M 為保存於玻璃安瓿小鼠精子,其雄原核有較高的亮度,顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

如何製備冷凍乾燥的小鼠精子?

小鼠精子經過預先培養之後,會秤量紙作為載體,將含有精子的溶液滴定於秤量紙上。將鋁箔紙摺出一個凹槽,依序放入裁切好的塑膠片及帶有小鼠精子的秤量紙,然後將整包鋁箔包放入保麗龍盒,最後在保麗龍盒內加入液態氮。

接下來,將冷凍的精子溶液乾燥,乾燥之後的冷凍小鼠精子會呈現粉末的狀態。然後,將冷凍乾燥後的小鼠精子取出,並用兩張秤量紙包裝,最後放在塑膠片上並用膠水將其密封起來。待需要使用時,再用剪刀將塑膠片剪出一個缺口,並用鑷子取出小鼠精子,最後再用水回溶精子。

小鼠精子的冷凍階段,依序各種材料放入保麗龍盒中,最後再加入液態氮,將小鼠精子懸浮液冷凍 10 分鐘。
(①Pipet chip,定量吸管,用來吸取小鼠精子溶液。②Sperm suspension,小鼠精子的懸浮液。③Material,用來作為小鼠精子溶液載體的各種材質,此處為秤量紙。④Plastic sheet,塑膠片。⑤Aluminum boat,鋁箔紙船)。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
冷凍小鼠精子的乾燥、密封及使用階段。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

凍乾的小鼠精子,可在室溫下藉由明信片運輸

雖然相較於保存在 -30℃ 的環境,冷凍乾燥(freeze-dried,FD)的小鼠精子保存在室溫環境下三天,其後代存活率較差,但仍可繁衍出後代。利用塑膠片保存的小鼠精子可以夾帶在明信片中,並放置於 -30℃ 的環境。待到要寄信的那天,可直接利用普通郵件的方式寄送,不需額外的保護措施。而收到郵件後,只需再將小鼠精子放回 -30℃ 的環境即可。

研究團隊曾使用此方式,將冷凍乾燥後的小鼠精子從東京大學寄至山梨大學,兩校之間的距離約為 200 km,並且郵件會在 2 天之內寄達。而這些冷凍乾燥的小鼠精子也能順利進行胚胎發育。因此,冷凍乾燥的小鼠精子,是可在沒有其他保護措施之下,在室溫下藉由明信片寄送。

將數千個小鼠品系的精子片保存於一個卡片夾,進而可以製作成一本“精子書”。這種方法很容易運輸及處理,並且可以降低了保存失敗的風險、成本以及空間要求。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
上圖為新年賀卡,賀卡上還夾帶冷凍乾燥後的小鼠精子。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

使用信件運輸小鼠精子的優缺點

Daiyu Ito 說:「遺傳資源對於人類未來而言,是個重要資產。即使有許多遺傳特徵可能已不適用於生存,但這些遺傳資源可能有利於某些物種在環境變遷或未知疾病擴散時存活下來。」哺乳類動精子保存,有利於不孕、維持品系中修飾過的基因序列。這個使用塑膠片夾帶小鼠精子的方式,可以方便保存數千種的小鼠品系(strain),除了有利於實驗室及研究機構間的合作往來,更可以促進生殖技術及科技的發展。

然而,使用如此方便及簡易的運送方式可能會造成許多不合法的運輸過程發生,因此需有更完善的法規制度來審查及保護動物精子的運輸。

 科技技術的發達,使得小鼠精子可藉由郵件寄送的方式從 A 實驗室寄送至 B 實驗室。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

註解

  1. 受精卵會在 24 小時分裂成 2 細胞,約 48 小時分裂成 4 細胞,約 72 小時分裂成 6~8 細胞,並在約 96 小時分裂成桑葚胚(Morula);之後才會形成囊胚(Blastocyst)。
  2. 雄原核,指的是在受精之後,精核進入卵子內,但尚未於雌原核(female pronucleus)融合。

參考資料

  1. Ito, D., Wakayama, S., Emura, R., Ooga, M., & Wakayama, T. (2021). Mailing viable mouse freeze-dried spermatozoa on postcards. iScience, 102815.
  2. Benson, J. D., Woods, E. J., Walters, E. M., & Critser, J. K. (2012). The cryobiology of spermatozoa. Theriogenology78(8), 1682-1699.
  3. Sztein, J. M., Takeo, T., & Nakagata, N. (2018). History of cryobiology, with special emphasis in evolution of mouse sperm cryopreservation. Cryobiology82, 57-63.
  4. Wakayama, S., Kamada, Y., Yamanaka, K., Kohda, T., Suzuki, H., Shimazu, T., … & Wakayama, T. (2017). Healthy offspring from freeze-dried mouse spermatozoa held on the International Space Station for 9 months. Proceedings of the National Academy of Sciences114(23), 5988-5993.
  5. Choi, Y. H., Varner, D. D., Love, C. C., Hartman, D. L., & Hinrichs, K. (2011). Production of live foals via intracytoplasmic injection of lyophilized sperm and sperm extract in the horse. Reproduction142(4), 529.
Carol
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Carol|生科系畢業,喜歡植物,喜歡小丑魚。