星團裡的星團—NGC 6604

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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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。

　　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。）

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。

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]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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。

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]

轉載自台北天文館之網路天文館網站