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錯過日環食?那來認識另類日食「凌日」吧!

科學大抖宅_96
・2020/06/21 ・2710字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

日環食你看了嗎?如果錯過這次2020年6月21日的天文奇觀,下次要在台灣本島看到日環食,可得等到2215年了(希望到時獵人已經完結)。真的錯過也沒關係,除了去其他國家看之外,也可以用特別的方式來「看日食」喔!?

先說說,什麼是日食?

日食指的是月球運行至太陽和地球之間,遮住太陽光線的現象;如果月球剛好離地球較近,在部分地區就能看到月球將太陽完全遮住,稱為日全食;要是月球離地球較遠,以致看起來比較小,沒辦法將太陽全部掩蓋,看到的就是日環食。

圖中A(本影區)可看到日全食;B(偽本影區)可見日環食;C(半影區)能看到日偏食。(圖片來源
  • 編按:也歡迎觀賞我們的影片認識日食喔

而關於日食現象,經典漫畫《哆啦A夢》裡也曾出現過探討。在〈迷你實物大百科〉故事中,主角大雄的爸爸向其解釋日食的原理之後,大雄追問一句:「月球比太陽小很多吧?」然後畫下僅在中心處被月球遮住的太陽圖像。

(圖片來源:哆啦A夢大合輯第10集)

從物理的角度來看,大雄完全抓到問題的核心:日全食、日環食、還是(像大雄畫的)太陽僅被遮掩一小塊區域,在本質上並沒有太大不同,只取決於地球和太陽之間的天體大小,和其距離地球的遠近。

另類的「日食」:水星和金星的凌日

事實上,可不是只有月球會擋住太陽;比地球更靠近太陽的水星和金星,同樣可能跑到太陽和地球之間,遮擋太陽發至地球的光線――稱為水星凌日和金星凌日。只不過,水星和金星不但比太陽小得多,也比月球距離地球更遠,看上去就真的如同大雄所描述,太陽只被遮住一小點而已。

最近一次水星凌日的照片(2019年11月11日),可見到水星在畫面中僅為一個黑點。下次水星凌日則是在2032年。 Credit: (NASA/Joel Kowsky)

相較於水星凌日平均每世紀出現13到14次,金星凌日就稀少得多。上次金星凌日是在2012年,也是二十一世紀最後一次;下次再看到金星凌日,可是2117年了。不僅如此,水星和金星還可能同時凌日,但極為罕見,人類有史以來尚不曾發生過,下一次同時凌日則會在西元69163年,有興趣的朋友千萬別錯過!

  • NASA的金星凌日記錄影片

系外行星的「日食」:凌日光度測定法

日食或凌日並非只會發生在太陽身上;對於遙遠的其他恆星,同樣存在類似的現象:從地球看過去,當系外行星[1]從母恆星前方通過,短暫遮住恆星的部分光芒,我們觀測到的恆星亮度就會稍微減弱――利用這個特性,如果發現某恆星的亮度會週期性地變暗,那便有很大機率代表系外行星的存在。

只不過,上述方法有一些先天的限制;例如,系外行星的軌道要是不經過地球和母恆星之間,就沒辦法觀測。再者,若該系外行星越大、越接近母恆星,顯然對母恆星的亮度影響會越大;這也使得早期利用凌日光度測定法(Transit photometry)發現的系外行星,多屬極度接近母恆星的氣體巨行星,稱為熱木星[2]。然而,隨著觀測技術的進步,已經有更多不同種類的系外行星被發現――這一切很大程度要歸功於克卜勒太空望遠鏡(Kepler Space Telescope)。

克卜勒太空望遠鏡首度發現的五顆系外行星在凌日的時候,對其母恆星造成的亮度變化比較。(圖片來源

觀察凌日的好夥伴:克卜勒太空望遠鏡

克卜勒太空望遠鏡是美國國家航空暨太空總署(NASA)發展的計畫,其設計目的是為了尋找約莫地球大小、位於適居帶[3]的系外行星,進而調查銀河系中,恆星擁有行星的比例。克卜勒太空望遠鏡尋找系外行星的方法,就是凌日法,也使得凌日法成為目前發現最多系外行星的方法。

至2020年3月5日為止,不同的系外行星觀測法發現的系外行星數目比較。橫軸為年份,縱軸為發現的系外行星數目。綠色即代表凌日法。(圖片來源

克卜勒太空望遠鏡於2009年升空運作,並於2018年退休;九年多的日子裡,一共觀察了530506顆恆星,發現2662顆系外行星,佔了至今已確認的系外行星總數六成以上。

2013年,因為相繼失去四個反作用輪中的兩個,觀測方向受到很大限制,克卜勒太空望遠鏡被迫停止十五萬個恆星的持續追蹤工作,僅能以推進器和剩餘的反作用輪有限度地調整望遠鏡方位,執行替代計畫。在這個階段,除了系外行星之外,其他天體也在觀測之列。總的來說,克卜勒太空望遠鏡不但在尋找系外行星上居功厥偉,對於我們理解行星系的構造和多樣性,同樣功不可沒。

克卜勒太空望遠鏡(圖片來源

台灣命名的系外行星

長久以來,科學家一直疑惑,太陽之外的其他恆星,是否也擁有自己的行星呢?如果有,那些系外行星跟太陽系的行星類似嗎?又有多少比例的恆星擁有自己的行星呢?無奈受限於觀測技術,我們無從解答這些疑問。

直到上個世紀80年代末、90年代初,才陸續有系外行星的觀測證據出現。後來,瑞士日內瓦大學的天文學家梅爾(Michel Mayor)和奎洛茲(Didier Queloz)於1995年首度發現繞行主序星[4](飛馬座51)的系外行星(飛馬座51b)[5];在那之後,學界對系外行星的認知突飛猛進,也有越來越多的系外行星被發現。在可見的將來,說不定還能從系外行星的大氣組成判斷生命存在的可能性呢?人類在宇宙中是否孤單地存在,也有機會得到解答。

而在台灣方面,2019年12月,慶祝國際天文聯合會成立一百週年的系外行星命名活動中,因為清華大學江瑛貴教授的協助,台灣民眾成功命名了恆星HD 100655為「麗(Formosa)」,以及其行星HD100655b為「水沙連(Sazum)」。這一對恆星及行星,將帶著與台灣文化深切相關的名字,持續在宇宙中運行下去。

註釋

  • [1] 即太陽系之外的行星,不繞行我們的太陽運轉。
  • [2] 此類行星如同木星為氣體巨行星,但又非常靠近母恆星以致溫度極高,固有此稱呼。
  • [3] 指行星系中,行星表面得以存在液態水的軌道範圍區間。
  • [4] 指恆星進行氫核融合反應,處於其生命活躍期的階段。
  • [5] 兩人因此獲頒2019年的諾貝爾物理學獎。

參考資料

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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/


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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_96
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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》