太陽鄰近區域或許真有大量暗物質

本文由 新萃 Nutri Source 委託，泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢，或是身上出現不明紅疹？當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣，也會有過敏反應，過敏可依照「來源」分為三種：吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

不管是哪一種過敏反應，在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理，如果是接觸性或吸入性過敏，即使你把家裡打掃得很乾淨，還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此，對飼主來說，最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢？其實，「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」（Adverse Food Reaction, 簡稱AFR）（Jackson, H. , 2009），指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏（Food Allergy）和食物不耐受（Food Intolerances）兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》，你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應，因此全名為「過分敏感」；而食物不耐受則並非免疫性反應，而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒，例如狗不能吃洋蔥或巧克力，否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權，只能吃飼主提供的食物，如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分，就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外，最明顯的外在症狀就是皮膚問題，包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病，讓許多飼主狂跑獸醫院的同時，獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏（Ermel, R et al.,1997），但最新的研究卻發現，無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源（Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019），甚至會造成偽陽性誤判。因此，目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」（Food Elimination Method）。

食物排除法的原理相當簡單粗暴，類似我們過去在學校做的實驗一樣，抓出「控制組與對照組」。首先，將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質；同時嚴格限制牠對其他食物接觸，包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意，此為「對照組」，如此持續 8～12 週，觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善，那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」，在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原（例如常見的牛肉、雞蛋等），有如「控制組」，等到症狀又出現，就可以確認哪種食物成分是過敏原，未來就可以在飼料中排除，讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄，不僅要在漫長的試驗期，更需要在控制期一一排除所有不可能之後，才能找到答案。而其中最困難的部分，也是實驗的基礎可能是第一步：「提供狗狗牠從未吃過，且肉品單一的蛋白質」，這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務，因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了，搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

那該怎麼進行食物排除法呢？別擔心，沒有找不到的肉品，只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料，新萃推出了一系列低敏肉，包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類，是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外，新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素，能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃，有消化不良症的狗狗也適用。

• 新萃產品說明

參考資料

1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服，為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用？
9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善？小心食物過敏！ – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
10. 寵物知識+／毛孩對什麼食物過敏？獸醫：驗血完全不準！診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

觀測星系時，科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等，所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

不過，後來我們了解到，宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質，那就是「暗物質（dark matter）」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質，卻實際存在於宇宙中，而且暗物質在宇宙中的含量，遠多於我們看得到的「物質」。

1934 年，瑞士的天文學家茲威基（Fritz Zwicky，1898～1974）觀測「后髮座星系團」時，發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量，與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快，推測存在 400 倍以上的重力缺損（missing mass）。

在這之後，美國天文學家魯賓（Vera Rubin，1928～2016）於 1970 年代觀測仙女座星系時，發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別，並推論仙女座的真正質量，是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年，科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構，發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構，僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足，科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質＝暗物質」。

看不到卻存在？暗物質究竟是什麼？

前面提到我們看不見暗物質，而且不只用可見光看不到，就連用無線電波、X 射線也不行，任何電磁波都無法檢測出這種物質（它們不帶電荷，交互作用極其微弱）。

因為用肉眼、X 射線，或者其他方法都看不到它們，所以稱其為「暗」物質。

不過，從星系的運動看來，可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力（質量）」。這就是由暗物質造成的重力。

• 延伸閱讀：暗物質比先前認為的還要「暗」

看不到的能量：暗能量

事實上，科學家們也逐漸了解到，宇宙中除了暗物質之外，還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為，宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對，不過，1998 年觀測 Ⅰa 型超新星（可精確估計距離）時，發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量（dark energy）」。而且，暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」，以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例，如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星（美國）於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射（CMB），計算出來的結果。

後來，普朗克衛星^＊（歐洲太空總署）於 2013 年起開始觀測宇宙，並發表了更為精準的數值。

歐洲太空總署（ESA）為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射（CMB）而發射至宇宙的觀測裝置（人造衛星）。可與 NASA 發射，廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖，計算出宇宙年齡應為 137 億年左右，誤差在正負 2 億年內；普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖，並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右，誤差在正負 6000 萬年內，數字更為精準。  

暗物質的真面目，究竟是什麼？微中子嗎？

既然暗物質有質量，那會不會是由某種基本粒子構成的呢？也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞（原始黑洞），而我也致力於這些研究，不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子（共 17 種）以及其他未知粒子，都有可能是暗物質，在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷，不與其他物質產生交互作用，會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且，宇宙中也確實充滿了微中子。因此，微中子很可能是暗物質的真面目。

不過，目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

為什麼微中子被撇除了呢？

這是因為，雖然微中子大量存在於宇宙中，質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少，不過依照目前的宇宙論，3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子，那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對，兩者相差過大。

另一方面，暗物質中的冷暗物質（cold dark matter）的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動，進而產生暗物質的擾動（空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同），這種微妙的重力偏差，會讓周圍的暗物質聚集，提升重力，進一步吸引更多原子聚集，最後形成我們現在看到的星系。

相較於此，微中子過輕（屬於熱暗物質，hot dark matter），會以高速飛行。微中子無法固定在一處，這樣就無法聚集起周圍的原子，自然也無法形成星系。

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」，指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射（CMB）可顯示出宇宙初期的溫度起伏，因而得知存在相當微小，卻十分明顯的擾動，此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中，物質會往較濃的部分聚集，並形成星系或星系團等大規模結構。

不過，如同我們前面提到的，科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子，在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下，很難形成現今的星系團。

於是，科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子（SUSY 粒子）」當中光的超伴子——超中性子（neutralino）、名為軸子（axion）的假設粒子；另外，也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」，雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時，即使不假設這些未知粒子的存在，在標準模型的範圍內，微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的，當我們認為微中子應該不是主要暗物質時，就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論，這點十分重要。

那麼，微中子真的完全不可能是暗物質嗎？

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子，由於我們還不曉得它的質量以及存在量，所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過，這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下，一切都還未知。關於這點，我們將在《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》，2022 年 6 月，台灣東販，未經同意請勿轉載。

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

• 撰文｜劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報 《宇宙中的旋轉木馬——利用黑洞尋找暗物質》

空無一人的遊樂園中，旋轉木馬快速的旋轉著。突然，憑空出現一群小孩跳上木馬，從旋轉木馬獲得高速後，又集體跳下，一哄而散，只留下轉速驟降，緩慢旋轉的木馬……。這看似荒誕的場景，卻是理論預測可能在宇宙中隨時發生的事。其中旋轉木馬指的是什麼？憑空出現的孩子們又代表了誰？

在生活的周遭，我們能夠感受到（看到、摸到）某個東西存在。是因為構成我們周遭世界的粒子，幾乎都會透過電磁力互相作用。但是在廣闊的宇宙中，這樣的物質只佔總數的 15%，剩下 85% 物質，我們摸不到、看不到，因此被稱為「暗」物質。科學家透過天文觀測證據，推測在宇宙中必須存在龐大數量的暗物質，它們提供的重力，使各個星系不至於分崩離析。因此，暗物質是種「我們知道它應該要存在，但又不知道它是什麼」的東西，是當下最前沿的物理學研究在嘗試明白的重要議題。關於暗物質的真面目，目前有各種物理模型嘗試描述，其中一模型預測了一種假想粒子：「極輕玻色子^[1]」。

暗物質的可能真面目——極輕玻色子

在基本粒子中，電子的質量已經算是較輕的。而極輕玻色子，它的質量大約只有電子質量的 10 億分之一，因此稱它為「極輕」，和其他理論模型預測的大質量暗物質候選人區隔。由於他們幾乎不跟周圍的物質發生交互作用，因此到目前為止，科學家尚無法確認這種粒子究竟存不存在。如果存在，那它們很有可能就是暗物質的真面目。

面對這種未知，科學家們是如何尋找暗物質的呢？其中一種策略是「排除法」。想像我們有天回家時發現手機不見了，理論上來說，手機可能出現的地方有無數個，但我們會透過回憶、親朋好友的描述，來限縮手機可能出現的範圍，如此就能避免海底撈針的窘境，大大增加了找到的可能性。

根據理論推估，極輕玻色子的質量範圍可能落在 10^-33－10^-6 電子伏特這麼龐大的範圍之中。科學家目前正嘗試用各種方法，有的經由設計精密的實驗對特定質量範圍進行地毯式搜索，有的透過天文觀測數據嘗試去限縮可能的質量範圍。在《物理評論快訊》4 月的一篇論文中^[2]，麻省理工學院－雷射干涉引力波天文台（LIGO）實驗室的科學家，利用「黑洞」來搜尋這種極輕粒子。這種概念聽起來十分不可思議，黑洞的質量至少是電子的倍，比極輕玻色子的質量至少大了 70 個數量級，作為對比，一個成年人和太陽質量大約只差了 30 個數量級。如此一個超級巨型的天體，是如何與微觀世界的基本粒子扯上關係的呢？這要提到量子理論預測的神奇現象：「超輻射（Superradiance）」。

超輻射與黑洞自旋速度

量子理論告訴我們，在非常小的尺度下，古典理論將會失效，我們不再能將粒子視為一個單一質點。這個尺度被稱為康普頓波長（Compton Wavelength），它和粒子的質量成反比。質量極小的極輕玻色子，所對應的康普頓波長則非常大。對於特定質量的玻色子，其康普頓波長會和黑洞的尺寸差不多。當這個條件滿足，超輻射便會發生：黑洞附近強大的重力場，從真空中產生數量龐大的玻色子向外輻射出。這些玻色子，會將黑洞的能量帶走，使其自旋減慢。根據科學家的估計，這個減速作用可以持續數千年，使黑洞的自旋速度明顯減慢。

黑洞的自旋速度，可以透過分析 LIGO 偵測器訊號得知。LIGO 偵測器主要偵測黑洞、中子星互相環繞、合併所放出的微弱重力波訊號（關於重力波偵測器的更多詳細介紹，可參考 CASE：「愛因斯坦預測成真：首次偵測到重力波訊號」及相關系列文章）。研究團隊分析了 45 組黑洞互繞事件，這些黑洞具有 10－70 倍太陽質量。這對應到和它們發生交互作用的玻色子質量介於電子伏特。

其中有兩個黑洞，被發現以非常高的轉速在旋轉著。若是這個質量範圍的玻色子確實存在，那這些黑洞速度應該被減速至一半以下。因此，這兩個高轉速黑洞的存在，暗示著沒有與其發生交互作用的極輕玻色子。那有沒有可能黑洞的確被減速，但存在其他加速機制使黑洞又重新被加速？例如藉由吸入大量吸積盤^[2]物質，獲得能量及動量？研究團隊也對此進行了仔細的估算，發現各種重新加速的機制，皆要耗費極長時間才能加速到現在的速度，這種可能性微乎其微。因此，這兩個高轉速黑洞的存在，基本上可以排除了特定範圍的極輕玻色子質量範圍。

這個實驗協助縮小了搜尋極輕玻色子的質量範圍，也是首個利用黑洞重力波資訊尋找暗物質的嘗試，可以說是一個重力波實驗與粒子物理很棒的跨界合作！

註解

1. 在量子力學中，粒子可被分為「費米子」、「玻色子」，兩者具有截然不同的性質。若以比喻的說法，費米子較為孤僻，不喜歡大量群聚；玻色子則恰恰相反。
2. 在黑洞周圍，受黑洞強大重力吸引的物質所形成的圓盤狀結構。

參考資料

1. Fast-spinning black holes narrow the search for dark matter particles
2. K. Y. Ng et al. , Constraints on Ultralight Scalar Bosons within Black Hole Spin Measurements from the LIGO-Virgo GWTC-2, Phys. Rev. Lett. 126, 151102. 2021