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太空科技和巧克力慕斯蛋糕有啥關係?

臺北天文館_96
・2012/07/20 ・988字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

所有甜點主廚都知道:完美的巧克力慕斯,得靠部分科學和部分藝術才能完成。歐洲太空總署(ESA)微重力(microgravity)研究的課題之一,是協助食品工業瞭解藏在多種泡沫狀食物或飲料中的科學,例如:法式蛋白酥皮(meringue)和咖啡等,以達到客戶的期望與需求。

食品製作過程中產生的泡沫並非都相同。顧客期望他們從賣場購買的巧克力慕斯蛋糕到回家進冰箱之前都能保持原來的形狀和風味;但某些飲料上泡沫如果沒有在幾分鐘內消失的話,則會覺得很奇怪。所以,能製造出需要的泡沫型態,可就是製造商或主廚們的功力問題了。在地球上,液態流體會因重力而自然向下流,泡沫則會被作用在泡泡上的重力拉扯而被破壞掉。

在無重力環境中研究泡沫 比較容易,這是因為氣泡會均勻散佈,而不會像在地表上,比較大的氣泡會浮在小氣泡之上。ESA從1980年代開始研究泡沫,研究成果約在10年前引起雀巢食品公司(Nestlé)的注意。

雀巢研究中心科學家Cécile Gehin-Delval表示:如果能對泡沫多瞭解一點,或許能協助改善產品質地。巧克力慕斯裡穩定的泡沫可讓人嚐起來有乳脂般的感受。而好的咖啡泡沫,則需要製造不那麼穩定的泡泡,這樣才會讓泡泡比較輕而類似乳脂的口感。

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在微重力環境中製造泡沫可不簡單,科學家現在只對地球上泡沫如何產生比較瞭解。在經過數次實驗之後,科學家終於能在太空中,藉由電磁動力活塞不斷拍打液體的方式來產生泡沫。

雀巢食品公司利用ESA拋物線飛機飛行(parabolic flight)的方式來進行研究,在飛機從上升過渡為下降的轉折點這接近20秒幾近無重力狀態的短瞬間,測試這套儀器,並藉此觀察牛奶中的蛋白質。

拋物線飛行只是科學家研究「零重力(zero-gravity)」環境下各種現象的方式之一;探空火箭(sounding rocket)可以提供約6分鐘左右的無重力狀態;而一直繞地球飛行的國際太空站(International Space Station,ISS)則是目前唯一的微重力常設實驗室。

透過拋物線飛行測試並改善泡沫產生裝置,並分析其所產生的泡沫後,這些科學家計畫下一步就是登上ISS去繼續他們的泡沫研究大計。

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ESA的Olivier Minster解釋:一般人家裡冰箱內的食品,約有半數左右是泡沫狀或乳狀。如果我們可以無須增加原料就能製造出更穩定的泡沫,將可改善這些食品的保存期限。

不幸的是,科學家只需要少量食品就能進行實驗,所以太空站裡的太空人根本沒機會品嚐成果。

資料來源:Space for dessert?[2012.07.09]

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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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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狂吐白沫的竟是雨後的尤加利樹,而非飲鴆止渴的無尾熊?!
胡中行_96
・2022/07/21 ・3095字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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在 2019 年 7 月到 2020 年 3 月的「黑色夏季」森林大火的期間,[1] 有天澳大利亞東岸的新南威爾斯州,突然迎來了一場傾盆大雨。知名觀光區 Bondi [註1] 海灘一帶的尤加利樹,喜逢久旱甘霖,竟開始源源不絕地吐出雪白的泡沫!為安撫驚慌失措,擔憂行道樹被化學物質汙染的市民,當地的 Waverley 市政府即時發佈臉書貼文:「冷知識星期五:有沒有注意到今天我們的尤加利樹哪裡怪?嗯,那些從樹幹上沖刷下來的泡沫,不是香皂、清潔劑或阻燃劑,而是…」[2]

  

一起來看雨後的樹木冒泡泡~。oO。oO 。oOO 來源:Megabattie on YouTube

  

天然皂素

尤加利樹的葉子和樹皮裡,本來就有天然皂素(saponin,又稱「皂苷」),[3],是由親脂性配醣基(aglycone,又名「皂元」)與親水性配醣體(glycoside,又叫「醣苷」)結合而成 [4, 5] ,用來抵禦外侮。[6] 皂素有起泡的特性,[5] 經過滂沱大雨的洗滌和溶解,便自然產生反應。如果之前長期缺乏降水,使得樹木有時間囤積庫存,雨後湧出的泡沫量就更是一發不可收拾。[6]

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含有皂素的食物

許多常見的經濟作物,都含有微量皂素,例如:燕麥、甜菜、藜麥、碗豆、黃豆、綠豆、紫花苜蓿、四季豆、蠶豆、番茄、馬鈴薯、大蒜、韮蔥、洋蔥、細香蔥、山藥、菠菜、蘆筍和茶樹。人類的腸道菌落可以破壞皂素,所以適量食用,並不會嘔吐、腹瀉。[5]

不同的是尤加利樹不僅有皂素,還配備別的一樣也能對抗微生物、昆蟲與草食動物的化學毒素,[5-8] 避免負責呼吸的葉子都被吃光。[7] 然而就在它幾乎要自認天下無敵的時候,無尾熊以與生俱來的天賦從容面對。世間一物剋一物,無尾熊一天啃上 500 公克的尤加利葉不嫌多,有機會的話,還順道豪飲尤加利茶![7]

  

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無尾熊品茶特寫。圖/參考資料 6(CC BY 4.0 license):Echidna Walkabout and Koala Clancy Foundation 提供。

  

無尾熊舔尤加利樹的莖流

無尾熊的英文「koala」,源自澳洲原住民語,意思是「不喝水」。 [9] 長期以來,科學家也一直為牠們憨傻慵懶的外表所騙,想說整天窩在樹上的無尾熊,就只知道吃和睡,連水都不喝。出乎意料的是, 2006 年至 2019 年期間,無尾熊於澳洲各地,被觀察到 46 次喝「茶」的紀錄。雖然以牠們缺乏活力的天性,無法自己起身泡茶,但仍非常認命地坐在原位狂舔樹幹。[7]

沿樹幹流下,摻入眾多雜質的雨水,稱為「莖流」(stemflow);[7, 10] 而穿過枝葉,落到地上的,則叫做「穿透流」(throughfall)。[10] 莖流一旦開始,可以維持數個小時。生活閒適悠哉的無尾熊,就在那裏跟它耗。一次喝上 15 到 30 分鐘左右,每秒約能舔樹幹 2 下。某次的紀錄甚至顯示,有隻無尾熊連續舔了 34 分鐘,休息 2 分鐘後,馬上又繼續,[7] 簡直就是飲鴆止渴馬拉松。

  

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無尾熊品茶側錄。來源:Frontiers on YouTube

  

人類不該口服尤加利油

臺諺說得好,做人千萬不要「無彼號尻川(屁股),想欲食彼號瀉藥」。[11] 咱們不是無尾熊,就別胡亂品嚐這款有機茶。澳洲某水利公司專文警告,尤加利落葉和樹皮若是掉入水塔,會引發類似冷泡茶的現象,影響飲水安全,而且一旦化學物質混進自來水中,就連專業人員也無法將之濾淨。嚴重的話,得把整個水塔的水都放掉,清洗消毒,然後重新儲水,相當大費周章。[3] 此外,儘管從尤加利油萃取出來的桉油醇(Eucalyptol),能增添食物風味,且每天攝取少量,長達 12 週也應該不會出事;尤加利油本身卻是絕對喝不得的。後者光 3.5 毫升便足以致命,[12] 其餘誤食的症狀,還包括:腹痛、嘔吐、腹瀉、癲癇、昏迷、中樞神經系統異常、肌肉無力,以及吸入性肺炎等。 [12, 13]

  

尤加利產品、肥皂樹及客澳氏合歡

目前澳大利亞常見的尤加利樹相關產品,以精油和消毒、清潔用品為主,其中有些也外銷臺灣。(可惜廠商沒有贊助本文,所以在此略過品牌評比。)早在尤加利樹被商業化行銷之前,澳洲原住民就已經拿它的汁液來當藥水。[14] 有趣的是,在介紹部落植物運用的資料裡,常被提及的傳統清潔劑,卻非偶爾會冒泡泡的尤加利樹,而是其他也含有皂素的植物,例如:肥皂樹(soap tree、red ash,學名Alphitonia excelsa) [15]客澳氏合歡 [註2] (Cole’s wattle [16],學名Acacia colei [17])等。最後,就讓我們來看澳洲人示範怎麼用植物洗手吧!

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摘肥皂樹的葉子,加水搓揉洗手。來源:ApiaGoodLife on YouTube
將客澳氏合歡的果莢,加水搓出泡沫。來源:Questacon on YouTube

  

備註

【註1】可能是因為拼字的關係,「Bondi」常被誤譯為「邦迪」,但實際上澳洲人都唸「邦黛」。根據新南威爾斯州立圖書館的介紹,該地名源自原住民語的詞彙「Boondi」,意思是「海潮的聲音」。[18]

【註2】澳洲的Coles超市在臺灣自稱「客澳市」,所以筆者把網路上查不到中文譯名的Cole’s Wattle,索性翻成「客澳氏合歡」。

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  1. Bushfires – Black Summer (Australian Disaster Resilience Knowledge Hub, 2020)
  2. Fun fact Friday: Notice something strange today about our eucalyptus trees? (Waverley Council on Facebook, 2020)
  3. Tannis and Saponins from Eucalyptus leaves can contaminate your Water Tanks (Pristine Water Systems, 2021)
  4. Saponins (Cornell University, 2019)
  5. 食品中植物性天然毒素技術報告(國家衛生研究院,2017)
  6. Mystery over why hundreds of trees are ‘foaming’ in heavy rain (Yahoo News Australia, 2020)
  7. Mella V and Van Stan II J. (2021) ‘Koalas Give Tree Bark a Licking’. Frontiers for Young Minds.
  8. Naidoo S, Külheim C, Zwart L, et al. (2014) ‘Uncovering the defence responses of Eucalyptus to pests and pathogens in the genomics age’. Tree Physiology, 4, 9, pp. 931–943.
  9. Koala facts (Queensland Government – Department of Environment and Science, 2022)
  10. 樹木於土壤容洪能力的省思(水利署電子報,2018)
  11. 無彼號尻川,想欲食彼號瀉藥。(教育部臺灣閩南語常用辭典,2011)
  12. Eucalyptus (MedlinePlus, 2021)
  13. Lee K, Harnett JE, and Cairns R. (2019) ‘Essential oil exposures in Australia: analysis of cases reported to the NSW Poisons Information Centre.’ The Medical Journal of Australia, 212, 3, pp. 132-133.
  14. Indigenous Plant Use (The Clean Air and Urban Landscapes Hub, 2020)
  15. Soap Tree (Toohey Forest Environmental Education Centre, 2020)
  16. Australian Trees and Shrubs: Species for Land Rehabilitation and Farm Planting in the Tropics (Australian Centre for International Agricultural Research, 1997)
  17. IY2019: Making soap with bush science (Australian Government – Department of Infrastructure, Transport, Regional Development, Communications and the Arts, 2019)
  18. Word Of the Week: Boondi (State Library of NSW, 2015)
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解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義
EASY天文地科小站_96
・2022/07/14 ・4350字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 作者:林彥興|EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生,努力在陰溝中仰望繁星

萬眾矚目的詹姆士韋伯太空望遠鏡,在經過半年的校準與測試後,終於公開了它拍攝到的第一批成果。這些五彩斑斕、美麗絕倫的照片究竟是什麼樣的天體,照片的背後又有哪些深藏的意義?就讓我們一起深入解密,韋伯的第一批照片吧!

韋伯望遠鏡是什麼?

詹姆士.韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲與加拿大太空總署合作開發的新一代旗艦級紅外線太空望遠鏡,也是無數天文學家夢寐以求、能幫助人類破解許多未解天文迷團的利器。

韋伯的研發其實早從 1996 年就已經開始,但是由於開發時遇到諸多困難,導致嚴重的預算超支與進度延宕,這台耗資上百億美金的超級望遠鏡,直到去年年底才終於從法屬圭亞那發射中心,用一枚亞利安 5 號運載火箭發射升空,前往距離地球 150 萬公里的日地第二拉格朗日點。

拉格朗日點是什麼?

日地拉格朗日點一共有五個。當物體在這些點上,其受到來自太陽與地球的重力恰到好處,因此太空船只需要少量的燃料,就可以長期與地球和太陽保持穩定的相對位置,可謂是地球軌道附近的風水寶地。

而韋伯繞行的,是位於地球後方的第二拉格朗日點,簡稱 L2。之所以選擇這裡,是因為只有 L2 的位置剛好會讓地球、太陽、月亮都在同一側,而這三個星體正是天文望遠鏡的主要紅外線光害來源。位在 L2 的韋伯,就可以用它的遮陽帆一次把三顆星體全部擋住,認真凝望遠方而不受干擾,因此 L2 可以說是觀測宇宙的絕佳地點。升空的幾個月之間,韋伯已經完成一系列的儀器校準工作,一步步把望遠鏡調整到最佳狀態。

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相比知名前輩「哈伯太空望遠鏡」,韋伯的優勢不只是擁有比哈伯大六倍的鏡面,更重要的是它是以紅外線為主力觀測波段。宇宙膨脹造成嚴重紅移,但哈伯望遠鏡的守備範圍主要是可見光,波長範圍是 90 – 2500 奈米,可說是鞭長莫及啊。

這時換上以波長 600 – 28500 奈米的紅外線為守備範圍的韋伯,就可以讓我們看到更遙遠、更古老的宇宙。此外,同一個天體在可見光和紅外線看起來,往往長得相當不一樣。這個強大的紅外線觀測能力,正是韋伯最引以為傲的武器。

作為深具儀式感的第一批科學影像,韋伯這次公布的影像分別對應四個主要科學主題:早期宇宙星系演化恆星的生命循環系外行星

1. 早期宇宙—— 星系團 SMACS 0723 與重力透鏡效應

星系團 SMACS 0723。圖/Webb Space Telescope

畫面中心黃白色的天體,是由成百上千的星系共同組成的星系團 SMACS 0723。在韋伯之前,哈伯太空望遠鏡就曾經花費數個禮拜的時間拍攝這個星系團。然而擁有更大鏡面、更精良儀器的韋伯,僅用了 12.5 個小時就拍出了解析度更高、畫面品質更好的照片,讓我們看到許多以前難以辨識的黯淡星系。可見哈伯與韋伯在觀測能力上的差距。

對天文學家來說,圖中最令人興奮的其實不是前景壯闊的星系團,而是後方這些經過重力透鏡扭曲和放大的小小星系們。星系團龐大的質量扭曲了周圍的時空,讓整個星系團好像一塊巨大的放大鏡一樣,可以偏折和聚焦通過的星光,稱為「重力透鏡效應」。

當星系團後方更遙遠、更古老的星系發出的光線通過星系團時,就會被星系團的重力透鏡效應偏折和聚焦,形成而圖中無數弧形的扭曲影像。

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紅圈為照片上受重力透鏡影響的區域之一,可以看到星系被拉長。

這些仍在襁褓中的小小星系,往往正在快速的孕育新的恆星,或是互相合併,因此有著混沌不規則的形狀。離我們越遠的星體發出的光,需要越長的時間才能到達我們的眼中。因此研究這些遙遠且古老的星系,能幫助天文學家理解宇宙早期的模樣。

2. 星系演化——史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)

上一張照片讓我們認識星系的起源,這張「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」則可以讓天文學家更仔細地研究星系內的複雜結構,以及星系與星系之間的交互作用。

史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)。圖/Webb Scape Telescope

正如其名,「史蒂芬五重奏(Stephan’s Quintet)」是由五個視覺上相當靠近的星系所組成。但其實最左邊的這個星系(NGC7320)與另外四者並無關聯,只是從地球上看剛好位在天空中差不多的位置而已。

圖片中偏向黃白色,感覺如絲綢般順滑的部分是在近紅外線波段拍攝,主要顯示的是星系中恆星的分布;而醒目的橘紅色,則是來自中紅外波段的資料,展示的是星系中的高溫塵埃,以及星系中的氣體高速對撞時產生的震波(Shock wave)。

除了影像,韋伯還使用光譜儀仔細檢視了影像中右上方的星系(NGC 7319)中心,因為那裏有一顆比太陽重 2400 萬倍的超大質量黑洞,正在吸食周遭的氣體,並在過程中釋放巨大的能量。

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藉由觀察光譜的細節,韋伯可以分辨出像是氬離子、氖離子或是氫分子等等化學組成,甚至知道氣體的溫度、運動速度這些從一般照片難以辨識的資訊。

史蒂芬五重奏就像一個天然的實驗場,讓天文學家研究星系演化的詳細過程。

3. 系外行星——WASP-96 b 的大氣光譜

這一張照片可能是整批影像中,視覺上最不起眼的一張,它是系外行星 WASP-96 b 的大氣光譜。

WASP-96 b 的大氣光譜。圖/Webb Scape Telescope

最近 20 多年來,人類對太陽系以外行星的認識越來越多。截至今日,人類已經發現超過 5000 顆系外行星。然而,以現有的觀測技術,天文學家通常只能用一些間接的方法,測量它們的質量、半徑、軌道週期等粗略的特性。想知道這個行星是否適合生命生存,就不能少了行星大氣層的化學組成和溫度資訊。

那要怎麼取得行星的大氣資訊呢?當行星通過恆星跟地球中間時,恆星的一部分星光將會通過行星的大氣層,並被行星的大氣吸收。吸收的多寡和波段,取決於行星大氣層的溫度和化學組成等特性。此時,天文學家就可以藉由分析光譜中的各種特徵,去回推行星大氣層的性質。

圖片中的白點,即是韋伯實際觀測 WASP-96 b 時取得的光譜資訊。而藍色的線,則是天文學家認為最貼合觀測數據的理論模型。

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根據這個觀測結果,天文學家計算出 WASP-96 b 的大氣溫度約為 725°C,大氣中明顯有著水氣,並推測可能還有雲和霾存在。未來進一步的分析和觀測,將為世人揭開更多系外行星的神祕面紗。

4. 恆星的生命循環——「南環狀星雲」與「船底座大星雲(Carina)」

最後兩張照片都與恆星的生命循環有關。正如人會有生老病死,恆星也是一樣。

恆星一般誕生在巨大分子雲中,氣體在重力吸引下逐漸塌縮、升溫並點燃核融合,成為一顆恆星。

當小質量的恆星步入晚年,其結構容易變得不穩定,最終將自己的外層氣體拋射出去,形成美麗的行星狀星雲,也將氣體吐回到星際空間中,成為下一代恆星的養分。氣體都拋射完之後留下的核心,就是白矮星。

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各位現在看到的,是暱稱「南環狀星雲」的行星狀星雲,左右兩張圖分別於近紅外線與中紅外線拍攝。

南環狀星雲。圖/Webb Scape Telescope

我們可以看到,左圖中的影像比右圖要更清晰一些,這是因為在相同的望遠鏡口徑下,波長越短所能達到的理論解析度就越高。

有趣的是,在左圖中看起來位於星雲中心的明亮恆星,其實並不是行星狀星雲的核心。真正的核心其實是在其左下方,一顆被塵埃包裹著的黯淡白矮星。在近紅外線波段的影像中,這顆白矮星幾乎淹沒在隔壁恆星的炙烈星芒之中。

但在中紅外波段,由於恆星的亮度相對降低,包裹著白矮星的塵埃發出的光就變得清晰可見。再次展示即使是同一個天體,使用不同的波段進行觀測,往往可以看到不同的東西。

最後這片壯麗的宇宙山崖,則是位於「船底座大星雲 Carina」西北角的 NGC3324 恆星形成區。在這裡,源自星雲中無數初生恆星所發出的炙烈輻射、恆星風與噴流,吹散、游離了星雲中原有的濃密氣體與塵埃。交織出這片壯闊而複雜的結構。

船底座大星雲(Carina)。圖/Webb Scape Telescope

這張照片一共結合了這六個不同的濾鏡的影像拍攝而成。每個濾鏡涵蓋的波段各不相同,代表的物理意義也不一樣。比如(F090W、F200W、F444W)這三個寬帶濾鏡,分別在影像中按照波長順序,以藍色、綠色和紅色這三原色呈現,為照片打下骨幹。而在此之上,照片的製作團隊又疊上青色代表氫原子的(F187N)濾鏡影像,以黃色代表氫分子的(F470N)濾鏡影像,以及用橘色代表甲烷和多環芳香烴的 (F335M) 濾鏡影像,為照片再添更多的細節。

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想要將這麼多個波段的影像全部結合起來,仔細調整讓細節更加突出,最終呈現出一張如此絢麗又震撼的照片,是非常不容易的。這展示了韋伯太空望遠鏡不僅在科學上相當重要,在藝術上也價值非凡。

最後別忘了,以上只挑選介紹了第一批資料中最具代表性的幾張,更多關於五個目標的照片和光譜,可以在韋伯的官網上找到。而這批照片,又只是韋伯未來二十年服役生涯中,前兩個月的小試牛刀而已。韋伯的時代,才剛剛要開始!

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