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搶劫星系造星材料的宇宙吹葉機—NGC 3801星系

臺北天文館_96
・2012/05/24 ・1512字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

根據最新研究結果顯示:超新星爆炸和黑洞怪獸的噴流,像是清除道路上的落葉用的吹葉機一樣,時常會將星系中製造新恆星所需的氣體塵埃等物質吹到星系之外。這項發現,填補了一個關於星系演化尚未完全解決的難題。這項發現,乃是在職於印度的Ananda Hota,在中央研究院物理及天文物理研究所(Institute of Astronomy & Astrophysics at Academia Sinica,ASIAA)擔任博士後研究員期間,利用美國航太總署(NASA)的星系演化探測者號(Galaxy Evolution Explorer,GALEX)和其他儀器所得的資料進行研究而得。

天文學家早已知道像銀河系這樣富含氣體的螺旋星系互相碰撞合併後,會逐漸形成橢圓星系。這些巨大的橢圓星系中,恆星形成的活動非常低,使得星系中的恆星年齡大都偏老,讓整個星系的外觀顏色偏紅。讓充滿生機的年輕螺旋星系劇烈過渡到死寂的年老橢圓星系,關鍵之處就在於星系中的製造恆星的材料—低溫氣體快速流失。這個快速流失的過程,起始於超新星爆炸使物質開始外移,緊接著受到超大質量黑洞的震波對這個物質流失的過程推波助瀾。Hota等人便是觀察到一個新近合併的星系恰處在這個氣體流失的過程中;這是星系演化的研究領域中,迄今尚未找到關鍵證據的階段。

超大質量黑洞位在星系中心,當星系合併時,會因吞噬大量氣體而造成亮度陡然增亮,並向外發出強力噴流;這類超大質量黑洞稱為「活躍星系核( active galactic nucleus,AGN)」。根據理論,噴流所造成的震波或加熱橢圓星系裡的低溫氣體,並驅使逸散,從而使橢圓星系中的新恆星誕生工作中斷。Hota等人檢視的星系NGC 3801,恰好就處在前述這個星系演化階段中。
Timeline of the Rise and Fall of NGC 3801. Diagram Credit: NASA/JPL-Caltech  NGC 3801有明顯證據顯示過去曾有過一場星系合併的事件,合併後的星系中心超大質量黑洞噴流所製造的震波近期才開始向外擴散。他們利用GALEX測定星系中的恆星年齡,並由此推測這個星系的演化歷史。紫外觀測顯示NGC 3801的恆星形成速率約在過去1~5億年間逐漸變得疲軟,證明這個星系已經開始脫離它的青年期。缺乏巨大的藍色新恆星,使得NGC 3801在可見光波段中呈現黃色至紅色的色調,這一點也顯示它正在步入中年期。

到底是什麼原因讓這個星系逐漸變老、新恆星產出速率愈來愈少?那些在星系剛合併完所形成的藍色恆星壽命並不長,已經演化至超新星,將物質向外吹散。來自哈柏太空望遠鏡的觀測資料顯示這些超新星爆炸事件已經在NGC 3801星系中心區域促使被加熱的氣體形成一道向外的快速物質流;星系中製造新恆星所需的低溫氣體庫存,逐漸被這到物質流帶走,使得NGC 3801製造新恆星的工作因原料匱乏而無法繼續。

根據紫外波段的GALEX和紅外波段的史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)觀測顯示:NGC 3801星系中仍有零星的新恆星在形成。但從錢卓X射線觀測衛星(Chandra X-ray Observatory)的資料來看,這個殘燭餘火之舉,很快地就會在超大質量黑洞噴流的震波搗弄下熄滅。這股從星系中心向外疾衝的震波,速度高達每秒900公里左右;Hota等人估計,僅需約1000萬年的時間,就可衝到星系邊緣,將任何殘餘的低溫氫氣清除完畢,此時這個星系就當真進入紅而死寂的階段了。因此,這批天文學家運氣真好,恰好捕捉到處在恆星形成開始被抑制這個演化轉折點上的NGC 3801。

Hota表示:來自活躍星系核的反饋,約在10億年內便可完全抑制NGC 3801星系中的恆星形成,以典型大型星系約100億年的壽命而言,1億年算是很短的時間了。超大質量黑洞震波的威力如此之強,強到足以改變整個星系的演化,改變了這個星系的未來。Hota等人希望能繼續利用美國新墨西哥州甚大電波陣列(Very Large Array)和可見光波段的史隆數位巡天(Sloan Digital Sky Survey)資料,進一步研究這個星系的轉折概況。

資料來源:Cosmic ‘Leaf Blower’ Robs Galaxy of Star-Making Fuel [2012.04.03]

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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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》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》