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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

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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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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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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],是由親脂性的配醣基(aglycone,又名「皂元」)與親水性的配醣體(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] 和客澳氏合歡 [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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參考資料

  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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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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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、恆星的生命循環與系外行星。

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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