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哈柏扯破鬼星系面具

臺北天文館_96
・2012/07/24 ・2692字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

就在銀河系外不遠處,有些非常黯淡的超小矮星系,那裡的恆星數量非常少,長久以來,天文學者對於這些矮星系的恆星數量為何極低的現象一直很好奇。

這些貌似鬼影(可能是因為人「煙」稀少,像一座座鬼城而得名)的星系,一般都認定它們是宇宙中「最微小、最古老、又最原始」的星系。過去10年以來,在SDSS (Sloan Digital Sky Survey:史隆數位巡天計畫)的電腦全自動全天掃描的協助下,一部分這類型的星系初步已被發現,而更進一步想知道為什麼在這些星系中恆星的數量超低,則或許可由哈柏太空望遠鏡來幫忙解答。

經過哈柏望遠鏡的鑑定得知,這三個幼小星系裡的恆星出生時間差不多都是同一年代,它們開始形成恆星的時間大約都是在130億年前左右,然後在宇宙大霹靂開始起算10億年之後,突然間,它們集體退場,開始不再玩恆星形成的遊戲。

像這樣的星系,現在卻成為一個特別的證據使我們能得知,宇宙早期曾有過一段「過渡期」,該期間發生了一些特別的事情,讓一些微星系裡的恆星製造工廠被迫停擺。這些星系的年紀都差不多一樣的古老,如今看來,當時它們彷彿集體被一座斷頭台之類的東西給齊頭砍斷似的,因在同一時間內,它們的恆星形成過程全都一律中斷了。同樣地,也是在這段時間裡,第一代恆星燒掉冷氫氣霧,而那個過程被稱為再電離。根據這個研究的主持人Tom Brown表示,若要解釋這個現象,再電離可能是個最好的說明。

宇宙的再電離自大霹靂後約10億年左右開始。在此時期中,第一代恆星發出輻射,剝離了原始氫原子的電子,像這樣的冷氫氣的電離過程,可使氫氣體在紫外線中變成是透明的。

就像在這篇最新研究發現論文中所看到的現象一樣,然而,相當諷刺的是,啟動了宇宙再電離的這種輻射,另一方面似乎卻也打壓著矮星系裡的恆星生成。這些小得異常的星系,誕生時間大約是在再電離時期即將開始前大約1億年時,當時微星系們才剛開始吐出新恆星。這些小星系非常迷你,寬度只有2千光年,它就像位在銀河系附近那些較為明亮的矮星系的「縮小版」,兩者間彼此有著彷彿表兄弟般的類似。不過,和它們的大個頭表兄弟相比之下,這些不會製造恆星的小個頭星系,因為質量不夠,並沒有辦法抗禦紫外線的猛烈襲擊,當紫外線如洪水掃街經過這些小個頭星系時,小星系連僅有的一點點氣體也被紫外線掠劫一空!如此一來,供應氣體的源頭完全匱乏,小星系也就不能再製造新恆星了。

其次,這個研究的發現還能解釋另一個天文學家同樣略感疑惑的一個現象,也就是所謂的「衛星星系消失」的問題。長期以來,雖然在模擬中做出來的預測結果顯示著銀河系附近應該有幾千個矮星系,但在觀測中,我們一向能觀測到的卻大約只有幾十個而已。其中一個可能性就是:在那上千個矮星系當中,很多「最迷你」等級的矮星系全有著很低很低的恆星生成率-或者是根本沒有任何恆星生成,這對於要想觀測到這類矮星系來說,顯然無異於雪上加霜。

最近史隆數位巡天計畫在銀河系附近初步發現了十多個這種恆星數量超低的矮星系,不過這還只是該計畫完成1/4巡天掃描時所得到的結果,由此可推論,如果整個天區都完成掃描的話,這種矮星系的數量應該會增加到幾十個。再者,現在又找到了在這些最小的矮星系中有著恆星形成「遭到打壓中斷」的證據,這就使得天文學家可以進一步推論,或許「完全沒有恆星形成的矮星系」,數量更是應該高達幾千個之多也說不定。

STSI(太空望遠鏡科學研究所)研究員表示,在那些受觀測的矮星系中針對它們的恆星形成歷史進行測量所獲得的結果是,哈柏望遠鏡終於能確認,在那些團塊最小的矮星系裡,它們的恆星形成活動的確是會在「再電離」中被完全中斷。這個理論預測早先便已存在,如今藉由觀測獲得證實。

矮星系像是早期宇宙留下來的化石,它們幾十億年來都沒發生任何改變,它和銀河系附近大部分有著相當長的恆星形成歷史的星系們不盡相同。

在化石矮星系中,它們所蘊含的恆星數量大約只有幾百到幾千顆而已,亮度不太一定,若拿我們的恆星太陽來與之相比,從更暗到更亮的都有。雖然說以恆星數量論,這些星系奇缺恆星無比,但是它們卻有豐富的暗物質,而星系卻正是靠這些暗物質所架撐起來的。在銀河系附近的正常矮星系含有的暗物質是比普通物質多約10倍(所謂「普通物質」指的就是那些構成氣體和恆星的物質)。但是超暗矮星系卻不一樣,它的暗物質和普通物質之間的比例高達100:1。正如同Brown等人所進行的這個研究中所顯示的,小星系大部份組成成分都是暗物質,這是因為它們的氫氣體已經電離,恆星也無法發光,在史隆巡天計劃發現它們之前,這些暗物質孤島已經默不作聲地和我們銀河系長相左右了長達幾10億年之久。

剛發現這些星系時,天文學家曾提出多種解釋,以說明這些星系的恆星為什麼會那麼少。有些人相信這種現象是來自星系內部動力學所造成,譬如像是因為超新星爆炸,把製造恆星所需的氣體給吹出來了。有些人主張星系只不過是剛剛好用光了所有氣體,而它們的氣體量本來也不是很多。更有一部分人認為星系是誕生於早期宇宙,在「再電離期間」,把恆星形成的功能給關閉了。

接下來, 天文學研究人員在地面觀測方面取得了一些進展,因為他們找到在兩個新發現的星系中有清晰的證據顯示有著非常古老的恆星。這使Brown團隊決定使用哈柏的先進巡天相機深入到6個星系裡面去詳細看一些星族,以便能得知它們的誕生時間。目前為止Brown團隊已完成其中3個星系的資料分析:武仙座(Hercules), Leo IV, 和大熊座(Ursa Major)。此3個星系和地球的距離大約33萬到49萬光年遠。

Brown團隊是用分析亮度和顏色的方式來測量恆星年齡的,他將這些星系裡的恆星和位在26000光年以外一個古老的M92球狀星團裡的恆星加以比較,M92是宇宙中最古老的天體之一,年紀至少在130億歲以上,而分析結果顯示,這3個星系裡的恆星的年齡和M92裡的恆星是同等古老。

超暗矮星系裡的恆星分佈很稀疏,這正是為什麼沒有人用哈柏望遠鏡來觀測它們的原因。不過Brown團隊卻反而覺得超暗矮星系可以是哈柏相當好的觀測目標,原因是哈柏有針對恆星年齡做精密鑑定的能力。雖然一張張哈柏照片時乍看之下,裡頭幾乎很難找到恆星,「但重點是我們找到的少數幾顆卻已經能告知我們星系的年齡是多少。」(Lauren譯)

圖說:三張由哈柏望遠鏡取得的圖像,顯示出一個暗淡,恆星數量很少的矮星系: Leo IV。左圖顯示星系的局部,白色矩形框長寬為163x 83光年,中間圖像是左圖白色矩形框的放大。Leo IV這顆矮星系裡的恆星,在鄰近恆星以及遙遠的背景星系相襯下,顯得相當黯淡。右圖則僅顯示出Leo IV矮星系裡的恆星。該恆星含有幾千顆恆星,主要由類似太陽的較暗的紅矮星或者一些比太陽亮的紅巨星組成。Credit:NASA, ESA, and T. Brown (STScI)

資料來源:中研院天文網[2012.07.17]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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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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