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星團裡的星團—NGC 6604

臺北天文館_96
・2012/05/17 ・932字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

右圖是利用位在智利La Silla觀測站MPG/ESO的2.2米望遠鏡廣角相機(Wide Field Imager)拍攝的NGC 6604星團影像。這個星團常會被鄰近另一個更顯著的天體—老鷹星雲(Eagle Nebula,M16)掩去風采。不過WFI的這幅塵埃氣體雲氣繚繞的景象,卻將NGC 6604本身的美麗景色凸顯出來,抹去平時那陪襯角色的不起眼印象。

NGC 6604星團就在這張影像的左上方,這是個相當年輕的星團;不過,其實NGC 6604只是一個散佈範圍更廣的巨蛇座星協(Serpens OB association)裡最密集的部分,而這個星協本身則是由約一百顆明亮的O型或B型藍白色恆星所組成的恆星集團,類似疏散星團,但成員的分佈比疏散星團更為鬆散、散佈範圍更廣。影像中同時呈現出與NGC 6604星團有關的星雲,包括Sh2-54這個發光的氫離子雲,以及其他塵埃雲。

NGC 6604位在巨蛇座(尾部)方向,距離地球約5,500光年。在地球所見的夜空中,它位在M16老鷹星雲北方2度遠之處。透過小型望遠鏡可輕易看見星團中的明亮恆星,因此早在1784年,就被威廉‧赫歇爾(William Herschel)收錄進新總表(NGC星表)中。然而,直到1950年代,天文學家Stewart Sharpless才從帕洛瑪星圖(National Geographic–Palomar Sky Atlas)中發現圍繞在它周邊的Sh2-54等昏暗星雲,並收錄進他於1959年出版的夏普利斯氫離子區星表(Sharpless catalogue of HII regions)。

NGC 6604星團中的年輕熾熱恆星正在幫助最新一代的新恆星誕生,因為這些年輕熾熱恆星所發出的強烈恆星風和紫外輻射,不斷地將周邊的雲氣推擠聚集,從而稠密到得以誕生新恆星的地步。由於最亮的年輕恆星質量比較大,核融合速率高而使得它們壽命比較短,因此新一代恆星將很快的取代現在所見的這個恆星世代。

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除了可供觀賞的美景價值外,對天文學家而言,NGC 6604其實是真有科學價值的,因為這個星團中正向外發射一個奇怪的熾熱離子氣體柱。銀河系內他處和其他螺旋星系中,都曾發現類似的熾熱氣體柱,這是年輕星團的物質向外流失的管道;但由於以天文尺度而言,NGC 6604的5,500光年算是非常近的,讓天文學家得以詳細地研究這種氣體柱的性質。這種被天文學家暱稱為「煙囪(chimney)」的氣體柱,通常垂直於銀河盤面,一般會向上或向下延伸達650光年。天文學家認為NGC 6604裡的這些氣體柱應該是熾熱恆星造成的,不過還有待持續研究以期能進一步瞭解這些煙囪形成的細節。

資料來源:A Cluster Within a Cluster, 2012.04.25

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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。

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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。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

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。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

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)」:

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  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。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

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。

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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。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

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。

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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

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首度目擊超大質量黑洞吞噬氣體雲的瞬間
臺北天文館_96
・2011/12/22 ・1487字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

天文學家利用歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)NACO紅外相機和SINFONI紅外光譜儀,觀察位在銀河系中心的超大質量黑洞(supermassive black hole)人馬座A*(Sgr A*),結果發現一個質量約為地球數倍大的氣體正加速朝黑洞而去。這是天文學家首度看到這類氣體雲被超大質量黑洞吞噬的瞬間。相關論文發表在2012年1月5日出版的自然(Nature)期刊。

天文學家相信我們銀河系的中心有個質量高達400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。但因連宇宙中速度最快的光接近黑洞時,都會被黑洞吞噬,無法直擊黑洞的情形,因此必須藉助周圍其他天體來間接瞭解這個黑洞。

由德國普朗克地外物理研究所(Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics)Reinhard Genzel領軍的研究團隊,利用ESO望遠鏡執行一個長達20年的計畫,監測Sgr A*周圍的恆星運動狀況。在監測過程中,他們發現一個獨特的新天體正高速向黑洞接近。過去7年間,這個天體的速度幾乎增加為發現時的2倍,達時速800多萬公里。

The centre of the Milky Way showing a newly discovered and rapidly moving cloud. Credit: ESO/MPE  它的軌道相當橢圓,Genzel等人估計約在2013年年中左右,這個天體就會離Sgr A*這個黑洞的事件穹界(event horizon)僅約400億公里之遙。這個距離聽起來很遠,可是僅相當於36光時(light-hours),以天文尺度而言,算是與超大質量黑洞非常近的距離了。而估計這團雲氣所能最靠近黑洞而沒被瓦解的距離,大約是3AU以內。(註:1光時代表光行走1小時的距離,相當於300000公里/秒*60秒*60分鐘=10.8億公里,大約比太陽到木星距離多一點。1AU代表太陽到地球的平均距離,相當於1.5億公里;3AU大約相當於在火星到木星之間。)

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然而觀測資料顯示,這個天體的溫度遠低於附近的恆星,僅有攝氏280度左右(一般正常恆星的表面溫度約數千度到數萬度),主要是由氫與氦等元素所組成。這是個含塵量偏高的離子氣體雲,總質量約為地球的3倍左右。由於受到鄰近眾多而熾熱的恆星所發出的強烈紫外輻射影響,這個雲氣已被游離化而發出光芒。

這個雲氣的密度比環繞在Sgr A*黑洞周圍吸積盤內的熾熱氣體還高許多,但當它愈來愈接近黑洞時,愈來愈高的外來壓力會壓縮這個雲氣,在此同時,來自黑洞的重力也愈來愈強,使得雲氣速度持續增加,最後導致雲氣在邊環繞、邊落往黑洞表面的過程中,會被拉扯變形,沿著環繞黑洞的軌道散佈。

在科幻片或科幻圖畫中,常可見接近黑洞的太空人被拉長成麵條一般的景象,但現在卻是真實看到類似的事情發生。這樣被拉扯變形的結果,將使雲氣分裂瓦解,再被黑洞一一吞噬。由於這些天文學家從2008年和2011年所拍的影像中已經看到這個雲氣的邊緣碎裂的現象,顯示正在加速分裂的徵兆,所以他們估計這個雲氣結構可能在未來數年內便會完全瓦解。

此外,當散在軌道上的物質於2013年愈來愈接近Sgr A*時,其溫度也會愈來愈高,屆時可能會發出X射線輻射。目前少有物質接近Sgr A*,因此當這團新發現的雲氣物質將是Sgr A*未來數年內唯一的餐點。

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對於這團雲氣的來源,有天文學家認為可能是鄰近的年輕大質量恆星因所發出的恆星風非常強烈,導致其快速流失質量所致。這類恆星基本上會將流失的氣體吹得很遠。天文學家在Sgr A*附近發現一對雙星正環繞Sgr A*運轉,它們的恆星風互相撞擊激盪,非常可能就是因此而形成這團雲氣。

Genzel表示:未來2年內,這團雲氣和超大質量黑洞之間的互動狀況必定非常有趣,如能密切監視其發展,對於瞭解黑洞周圍物質的行為特性有非常大的幫助。而Sgr A*是離我們最近、最容易觀察的超大質量黑洞,如能對其性質進一步瞭解,更可將對Sgr A*的瞭解,延伸應用到其他星系中心的超大質量黑洞上。

資料來源:A Black Hole’s Dinner is Fast Approaching[2011.12.14]

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星團裡的星團—NGC 6604
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・2012/05/17 ・932字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

右圖是利用位在智利La Silla觀測站MPG/ESO的2.2米望遠鏡廣角相機(Wide Field Imager)拍攝的NGC 6604星團影像。這個星團常會被鄰近另一個更顯著的天體—老鷹星雲(Eagle Nebula,M16)掩去風采。不過WFI的這幅塵埃氣體雲氣繚繞的景象,卻將NGC 6604本身的美麗景色凸顯出來,抹去平時那陪襯角色的不起眼印象。

NGC 6604星團就在這張影像的左上方,這是個相當年輕的星團;不過,其實NGC 6604只是一個散佈範圍更廣的巨蛇座星協(Serpens OB association)裡最密集的部分,而這個星協本身則是由約一百顆明亮的O型或B型藍白色恆星所組成的恆星集團,類似疏散星團,但成員的分佈比疏散星團更為鬆散、散佈範圍更廣。影像中同時呈現出與NGC 6604星團有關的星雲,包括Sh2-54這個發光的氫離子雲,以及其他塵埃雲。

NGC 6604位在巨蛇座(尾部)方向,距離地球約5,500光年。在地球所見的夜空中,它位在M16老鷹星雲北方2度遠之處。透過小型望遠鏡可輕易看見星團中的明亮恆星,因此早在1784年,就被威廉‧赫歇爾(William Herschel)收錄進新總表(NGC星表)中。然而,直到1950年代,天文學家Stewart Sharpless才從帕洛瑪星圖(National Geographic–Palomar Sky Atlas)中發現圍繞在它周邊的Sh2-54等昏暗星雲,並收錄進他於1959年出版的夏普利斯氫離子區星表(Sharpless catalogue of HII regions)。

NGC 6604星團中的年輕熾熱恆星正在幫助最新一代的新恆星誕生,因為這些年輕熾熱恆星所發出的強烈恆星風和紫外輻射,不斷地將周邊的雲氣推擠聚集,從而稠密到得以誕生新恆星的地步。由於最亮的年輕恆星質量比較大,核融合速率高而使得它們壽命比較短,因此新一代恆星將很快的取代現在所見的這個恆星世代。

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除了可供觀賞的美景價值外,對天文學家而言,NGC 6604其實是真有科學價值的,因為這個星團中正向外發射一個奇怪的熾熱離子氣體柱。銀河系內他處和其他螺旋星系中,都曾發現類似的熾熱氣體柱,這是年輕星團的物質向外流失的管道;但由於以天文尺度而言,NGC 6604的5,500光年算是非常近的,讓天文學家得以詳細地研究這種氣體柱的性質。這種被天文學家暱稱為「煙囪(chimney)」的氣體柱,通常垂直於銀河盤面,一般會向上或向下延伸達650光年。天文學家認為NGC 6604裡的這些氣體柱應該是熾熱恆星造成的,不過還有待持續研究以期能進一步瞭解這些煙囪形成的細節。

資料來源:A Cluster Within a Cluster, 2012.04.25

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太空吸血鬼族現形記
臺北天文館_96
・2011/12/11 ・921字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 462 ・五年級

天文學家捕捉到一幅太空吸血鬼正在作案的畫面:在一個雙星系統中,其中一顆子星的質量絕大部分都被它的吸血鬼伴星掠奪。不過,讓天文學家意外的不是掠奪的現象,而是這顆伴星掠奪物質的速度比天文學家原本預期的還要溫和。

法國IPAG天文學家Nicolas Blind等人,利用歐南天文台(ESO)帕拉瑪天文臺(Paranal Observatory)的VLTI干涉陣列(Very Large Telescope Interferometer)進行聯合觀測,如此一來便如同使用口徑130米的單一望遠鏡來觀察一樣,影像解析度比哈柏太空望遠鏡還精細50倍以上。因此Blind等人所取得的影像,不僅可將這對雙星解析開來,看到兩顆個別恆星互繞的景象,而且還可以測量出兩星中比較大的那顆恆星的體積。

這個特別的雙星系統是天兔座SS星(SS Leporis),兩星互繞週期約為260天,彼此間的距離相當於地球到太陽的距離(1AU,1天文單位,相當於1億5000萬公里);其中較大但表面溫度較低的主星,其半徑就佔了1/4(0.25AU)左右,換言之,若將這顆恆星放在太陽的位置,那麼它的表面大概只比水星軌道小一點,是顆所謂的「紅巨星(red giant)」。正因這兩顆星這麼接近的緣故,所以較小但表面溫度比較高的伴星子星,已經掠取了主星約一半的質量了。

雖然天文學家早已知道這個雙星系統中有質量轉移的現象,但轉移速度遠比天文學家預期的還慢,和現行的理論模型預測的過程截然不同;這顆吸血伴星的動作雖慢,但卻非常有效率。

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根據這個最新觀測結果,由於影像夠銳利,主星比先前預期的還小,天文學家們很難解釋這顆紅巨星的質量是如何傳遞給伴星的。目前,這些天文學家猜想,說不定這顆紅巨星原本只是因向外發出恆星風之故,才會使得部分物質被伴星「接收」,而非如先前所想的直接從主星傳遞物質給伴星。

天兔座SS星,又名天兔座17號星或HD 41511,視亮度在4.82~5.06等之間變化,於無光害、天空清朗之處,以肉眼便可看見這顆星。距離地球約1,069光年,原為光譜雙星,意思是,僅能經由光譜觀測中,譜線的移動而得知有伴星存在的雙星系統:但現在藉由解析力極佳的VLBI協助,天文學家才能看到個別的恆星。因此,顯見未來將會有更多的光譜雙星在VLBI的鷹眼下,一一現形。

資料來源:Vampire Star Reveals its Secrets[2011.12.07]

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