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黑洞成長可能與暗物質相關之觀測證據

臺北天文館_96
・2012/06/28 ・1402字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 615 ・十年級
black_hole_grow_synch photo source:pichp
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在錢卓X射線太空望遠鏡發現了新證據之下,星系中央超大質量黑洞如何生長的既有概念最近受到挑戰。天文學家原先認為,同樣是位在星系中央的超大質量黑洞和核球,其生長速度應該會是同步的:核球越大,黑洞越大。不過,哈佛史密松天文物理中心(CfA)的新研究透過錢卓望遠鏡所提供的資料中卻發現,至少有2個鄰近星系的超大質量黑洞的生長速度,是比星系本身還更快。

位在星系中央的黑洞,通常質量約是核球質量的0.2%,比例不高(核球即為一團「環繞在星系中央周圍附近的恆星密集區域」)。最近錢卓太空望遠鏡在觀測NGC 4342和NGC 4291這兩個鄰近星系時發現,黑洞質量和核球質量在比較下,竟成了預期數值的10至35倍之多。同時,經由錢卓望遠鏡新觀測發現到的這兩個星系的星系暈 – 也就是星系「住處」附近一圈質量相當可觀的暗物質 – 在此也同樣呈現質量超重的情形。

新研究所做成的結論認為,這兩顆超大質量黑洞的演化史和暗物質暈間,可說是關係密切,不過與星系核球的生長速度卻並未同步。如此看來,黑洞和暗物質暈的質量並未超重,星系總質量卻似乎太低。

CfA研究員Akos Bogdan表示,這個新發現讓我們找到目前最為神祕的兩種天文物理現象,也就是 – 黑洞與暗物質,兩者間彼此關連密切的有力證據。

以宇宙的尺度而言,NGC 4342和NGC 4291是兩個鄰近於地球的星系,和我們的距離分別是7,500萬光年和8,500萬光年。在稍早的觀測中,天文學家已知這些宿主星系中存在著一些相對而言質量很大的黑洞,但至於大小不一致該現象的原因卻無法得知。在新觀測結果中,率先從可疑原因名單中被排除的,是一個叫做潮汐剝離的現象。

潮汐剝離這種現象發生的時機是當兩個星系於近距離內相遇時,其中一個星系裡的部分恆星會因重力作用被剝離。當潮汐剝離現象發生時,星系暗物質暈也大多會隨之消失,這是因為暗物質大多延展到遠超過了星系以外很遠的地方,暗物質暈和恆星不同:星系暗物質暈與星系間的關連程度更低,更容易被扯開。

為了要排除潮汐剝離這項可能性,天文學家是使用錢卓X射線太空望遠鏡去搜尋這兩個目標星系周圍那些高熱且輻射出X射線的氣體。由於熱氣體壓力(資料透過X射線影像推估而得)平衡了星系裡所有物質的重力拉力,因此新取得的錢卓資料便能提供暗物質暈的相關資訊。經分析發現,熱氣體在這兩個星系中的分佈範圍相當廣,這意味著兩個星系都有質量大得非比尋常的暗物質暈,因此也幾乎不可能發生潮汐剝離。

來自CfA的本篇論文另一位共同作者Bill Forman說明,以鄰近星系而言,在目前所取得關於「黑洞比宿主星系生長速度更快」的各種證據中,這是其中最明確的一次。

至於為何宿主星系中的黑洞質量生長速度比恆星質量快?論文作者為這個疑問提出的說明是:在該星系的成長歷史中,早期本來曾有一塊很大的濃密氣體在星系中央,以慢速度自旋,這就是餵養黑洞成長的食物。黑洞成長得很快,而當黑洞成長時,它所吸積(或吞吃)的氣體量也和吸積過程所釋出的能量一起等量地成長。黑洞達到臨界質量時,持續進食氣體所引起的爆發造成它無法冷卻,也限制了新恆星的生長。

超大質量黑洞,有可能是早在星系中有很多恆星之前便已累積出很重的質量,這對我們在思考星系和黑洞如何共同演化的方向上,可能是個明顯的大轉彎。

本篇研究結果於220屆美國天文學會會議期間發表,獲刊於ApJ。(Lauren譯)

資料來源:中研院天文網[2012.06.18]

轉載自台北天文館網之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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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》