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百倍於哈伯觀測能力,大小尺度通通包辦!——NASA 的下一個旗艦級「羅曼太空望遠鏡」

EASY天文地科小站_96
・2021/01/14 ・3606字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 507 ・六年級
  • 文/林彥興(EASY天文地科團隊總編輯,就讀清大理學院學士班)

「一個哈伯不夠用,那你有試過來一百個嗎?」

哈伯太空望遠鏡可說是世上最著名的科學儀器之一。在它 1990 年升空的這三十年中,拍攝了無數令人嘆為觀止的宇宙奇景。然而,隨著時光流逝,垂垂老矣的哈伯剩下的時日恐怕已經不多。

倘若再次出現嚴重故障,可能就得和這座傳奇的天文望遠鏡永遠告別。好在,哈伯並非後繼無人,在今 (2021) 年十月韋伯太空望遠鏡升空之後,NASA 的下一個旗艦級太空望遠鏡,將以相仿的體型,卻百倍於哈伯的觀測能力幫助天文學家更深入了解宇宙的奧秘。它就是「南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope 」。

南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/Wikimedia common

誰是羅曼?人稱哈伯之母的天文學家

在介紹望遠鏡之前,讓我們先來看看羅曼究竟是誰,居然偉大到讓 NASA 以她的名字命名下一代的旗艦級望遠鏡。

南希.葛莉絲.羅曼 (1925-2018) 是著名的美國天文學家。在二十世紀前葉,科學界中的性別不平等遠比現在嚴重。但她仍然努力撐過他人的冷眼與勸退,選擇攻讀天文並在取得博士學位後,在恆星分類、星團運動等領域貢獻卓越。

1959年,羅曼到 NASA 任職,並從此長年擔任 NASA 的首席天文學家。在她任職的時代,太空科技才剛剛起步,人們對太空望遠鏡的概念也相當陌生。但羅曼憑著她的遠見,參與、主持了許多 1960 與 1970 年代 NASA 的太空望遠鏡計畫,並四處為這些計畫籌措資金,為現代太空望遠鏡的蓬勃發展打下基礎。

同時,她也推動 NASA 將觀測到的資料開放給全世界使用,最終讓天文界開放資料的文化延續至今。她對 NASA 太空望遠鏡計畫的卓越貢獻,最終讓她獲得「哈伯之母」的美譽。

1972 年的羅曼博士,攝於 NASA 哥達德太空中心。圖/NASA

我要一個打一百個!羅曼的超廣視野

在被命名為羅曼太空望遠鏡之前,這個望遠鏡計畫名為「廣域紅外巡天望遠鏡
WFIRST 」
。顧名思義,這是一台觀測可見光與近紅外線,用於進行廣域巡天——也就是觀測大範圍天空——的望遠鏡。預計將在 2020 年代中期發射,與蓋亞、韋伯等前輩一起運行於日地第二拉格朗日點。

在望遠鏡的構造上,羅曼與哈伯太空望遠鏡相當類似,都使用一面直徑 2.4 公尺的主鏡。但得益於三十年來的科技進步,同樣是 2.4 公尺的主鏡,性能卻大不相同。

首先,利用先進的新式材料,羅曼的主鏡重量僅有哈伯的兩成,約 186 公斤重。再者,為了增加鏡片的反射率,一般的望遠鏡都會在鏡片的表面鍍上一層高反射率的金屬。比如哈伯太空望遠鏡的鏡片表面,就鍍上了一層約 850 奈米厚的鋁。但鋁雖然能夠很好的反射可見光與紫外光,對紅外線的反射率卻不夠理想。因此作為一個觀測近紅外線為主的望遠鏡,羅曼的主鏡片表面鍍上了厚度 400 奈米的銀,讓它能夠更好反射來自宇宙深處的黯淡紅外線。

2020 年中完成製造的主鏡。圖/L3 Harris Technologies

但單純只是反射還不夠,想要得到清晰的影像,就得精確的讓光線聚焦到正確的位置。因此,望遠鏡需要非常精密的拋光。羅曼的主鏡在拋光完成後,鏡片表面的平均起伏僅有 1.2 奈米。這有多平整呢?如果我們將鏡片放大到跟地球一樣,那它表面的起伏將僅有 6 毫米高!

最後,當光線經過一連串複雜的鏡片聚焦之後,將匯聚到羅曼的相機—— 3 億像素的「廣域儀器 Wide Field Instrument 」上,轉化為影像資料後送回地球讓天文學家分析。在這一整套光學系統的合作下,羅曼太空望遠鏡保有與哈伯相同解析度的情況下,擁有視野一百倍以上的超廣視野!

羅曼太空望遠鏡的超廣視野。圖/NASA

視野超大,然後咧?

誒不過話說回來,視野廣大有什麼用呢?

望遠鏡不是要讓我們去看更暗、更小的東西用的嗎?視野變大了,解析度卻沒有提升,這樣真的算是有進步嗎?

當然有囉!

在大家的印象中,天文學家好像總拿著望遠鏡,鉅細靡遺的觀察、研究某個天體。這當然是其中一種重要的方式,但並不是天文研究的全貌。其實在真正的天文物理研究中,很多天文學家想知道的並不是特定天體的特性(比如仙女座銀河有幾根懸臂、有多少顆恆星),而是藉由大量普查宇宙中該種天體的基本性質,然後在海量的資料中尋找擁有科學價值的寶藏。

覺得這像有字天書嗎?沒關係,我們舉個比較親民的例子。

如果你今天想知道新課綱對孩子們的學習成效如何,你會怎麼做呢?也許你可以找幾個孩子出來談談,仔細地問問他們對新課綱的想法。就像那些鉅細靡遺的研究特定目標的天文學家一樣;但你也可以用更宏觀的方式,比如看看他們全體的考試成績或補習花費,來了解新課綱的影響。

同理,對宇宙學家與星系天文學家來說,羅曼太空望遠鏡的廣大視野,讓他們可以在相同的時間內拍攝更廣的天空,或是在對同一片天空拍攝更久的時間,以看見更暗的天體。

當羅曼升空之後,將會拍攝早期宇宙中數以百萬計的大量星系與超新星,並對其中一部份進行更詳盡的光譜分析,藉由觀測這些星系的紅移、位置分佈、形狀、亮度、大小⋯⋯等等資訊,可以回推出宇宙膨脹歷史(與暗能量有關)、星際間暗物質的分佈(利用重力透鏡效應)、尋找早期宇宙中的特殊星系、甚至是幫忙測量本星系群之中的恆星移動。

天文學家將利用羅曼拍攝大量的星系影像進行分析,了解暗能量、暗物質與星系演
化。圖/NASA

另一方面,系外行星學家也對它充滿期待。羅曼太空望遠鏡將藉由兩種方式來偵測系外行星:

一個是藉由「微重力透鏡 Microlensing 」效應。當一顆恆星通過一個背景光源時,恆星的質量會扭曲周圍的時空並匯聚後方的光源,使得背景光源看起來像在短時間內快速的變亮、然後又恢復原狀,而且亮度變化的曲線有相當明顯的特徵。而如果這顆恆星旁邊有行星環繞,那行星的質量也將對亮度曲線造成影響。天文學家就能藉由分析亮度的變化曲線,來探測系外行星的存在。

微重力透鏡效應的示意圖。圖片/NASA

第二個重點,羅曼將攜帶最先進的日冕儀 (CGI),直接拍攝系外行星與原行星盤。

甚麼是日冕儀呢?顧名思義,它最早是為了研究太陽的日冕而發明的儀器。由於平常的太陽實在太亮,使得旁邊相對黯淡的日冕相當難以觀測,因此科學家發明了日冕儀,藉由複雜的光學系統,遮擋住視野中心來自太陽的強光,才能好好的拍攝、研究黯淡的日冕。

而系外行星的探測中,由於系外行星本身又小又暗、又非常靠近明亮的母恆星,想要直接拍攝到他們,就像要你直視著汽車頭燈,然後尋找頭燈旁的蚊子一樣困難。因此,天文學家必須借助日冕儀的力量才能夠直接拍攝到它們。

哈伯太空望遠鏡 STIS 儀器的日冕儀拍攝的北落師門。藉由遮住中心恆星的強光,才能拍攝北落師門四周複雜的塵埃結構。圖/NASA

而羅曼搭載的光譜儀,將更進一步利用各種特殊的光學元件,以及類似調適光學技術中採用的可變形鏡片,利用破壞性干涉來消除主恆星的光線,讓我們能看到主恆星旁 邊,比恆星暗數百萬倍的系外行星。並進一步研究它們的光譜,看看他們溫度多高、 是由甚麼組成、讓我們更加了解這些外星世界。 

結語:值得期待的未來

作為韋伯之後的下一款大型光學太空望遠鏡,天文學大尺度與小尺度的問題羅曼通通包辦。它將能夠以哈伯等級的解析度,拍攝廣大宇宙中數以百萬計中的星系來研究宇宙學與星系演化;同時,它搭載的新一代日冕儀將能讓我們更清楚的直接拍攝系外行星。羅曼太空望遠鏡將產出哪些令人驚艷的資料?又將如何協助我們揭開宇宙的神秘面紗?就讓我們拭目以待吧!

參考資料

  1. STSCI, Roman. Nancy Grace Roman Space Telescope
  2. Roman Space Telescope NASA 官網. Roman Space Telescope/NASA
  3. 主鏡製造商 Nancy Grace Roman Space Telescope 
  4. Roman Lecture Series
  5. 初稿:【時事新聞】羅曼太空望遠鏡的鍍銀主鏡

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EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事


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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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