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極大質量恆星的出現並未打破現行恆星形成理論

臺北天文館_96
・2012/08/15 ・1541字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

天文學家曾在2010年在大麥哲倫星系(Large Magellanic Cloud,LMC)R136星團中發現4個怪獸級恆星,每個的初始質量應該都超過太陽的300倍以上,其中一顆質量最大的R136a1,演化迄今的殘餘質量都還有265倍太陽質量這麼多(請參考天文新知2010-07-23 發現比太陽重265倍的超大單一恆星)。雖然它們亮到不可思議的地步,不過天文學家卻從不曾在R136以外的其他地方發現類似的怪異天體。對此,現在德國波昂大學(University of Bonn)的天文學家們有新解:這些極大質量恆星(ultramassive star)可能是密近雙星系統中兩顆子星合併而成的。相關論文發表在英國皇家天文學會月刊中。

大麥哲倫星系距離約160,000光年,是距離銀河系第三近的衛星星系。大麥哲倫星系中含有許多活躍的恆星形成區,其中最活躍的就是直徑寬達1,000光年的蜘蛛星雲(Tarantula Nebula),這片龐大的氣體塵埃雲又稱為劍魚座30星(30 Doradus,30 Dor),R136星團就位在這片複合型星雲中心區,含有多顆重量級恆星,是LMC中最明亮的恆星搖籃,甚至是整個本地星系群(Local Group)中最明亮的恆星誕生區。本地星系群由50幾個星系所組成,包含銀河系和仙女座星系(M31)。上圖最左側為歐南天文台(ESO)拍攝的蜘蛛星雲整體影像,將星雲中心區域放大觀看即可見到R136星團。

在2010年這4顆恆星怪獸發現之前,天文學家於銀河系和鄰近其他星系中發現的恆星質量上限約為150倍太陽質量,而這個上限值似乎在整個宇宙都通用。由於不止是單一恆星的質量上限,甚至是新生恆星的原料,似乎都與它們誕生地無關,因此一般認為宇宙各地的恆星誕生過程應該都相同。左圖為質量最小的紅矮星(red dwarf,約0.1倍太陽質量)、類似太陽的低質量黃色矮星(yellow dwarf)、質量稍大的藍色矮星(blue dwarf star),以及R136a1這顆極大質量恆星的比較。

不過,R136這4顆超亮恆星怪獸的發現打破了上述被天文學界普遍接受的恆星質量上限規則,這意味著劍魚座30裡的恆星誕生方式是否與宇宙他處不同?若果如此,那麼關於恆星誕生過程的宇宙通則便受到了嚴厲的挑戰。

波昂大學Sambaran Banerjee領軍的研究團隊利用電腦模擬類似R136星團內恆星之間的交互作用;且為求逼真,總共模擬了170,000多顆恆星緊緊聚集的狀況。模擬中已設定剛開始時的所有恆星質量都在正常範圍內,且以一般預期的狀況分佈在星團內。僅僅是要計算這個相當單純的星團如何隨時間變化,這個模擬就得重複解510,000多條方程式。不過由於受到每顆恆星內部核反應所釋出的能量影響而使模擬開始變得複雜,而當兩顆恆星互撞並合併時複雜度更為大增,然而這都是一個擁擠的星團常常會遇到的情況。這種逐星、逐星仔細計算的模擬方式稱為「直接多體模擬(direct N-body simulations)」,是迄今最值得信賴、最準確的星團模擬方式。

當模擬計算完成時,這位科學家馬上就瞭解這4顆重量級恆星怪獸其實一點也不神秘。由於恆星彼此間非常擁擠,在星團形成之初,星團內就有許多靠得很近的密近雙星,而且三不五時就會發生恆星間的碰撞,因此因恆星碰撞而合併成單一、質量更大的恆星,簡直就是不可避免、時勢所趨之事。而這也不難理解R136星團中最後會出現這4顆極大質量恆星:想像原本就不小的恆星近距離互繞,不過後來受到鄰近其他恆星的重力影響而被迫分離,導致它們原本圓形的規律軌道被拉長變形,這兩顆恆星就有機會在某次擦身而過的時候碰在一起合併成單一的極大質量恆星。

這些科學家表示:雖然這項直接多體模擬工作牽扯到兩星合併之時非常複雜的物理過程,但他們仍確信這項模擬真的可以解釋蜘蛛星雲中何以出現極大質量恆星。而結果一出,許多天文學家終於得以放心,因為這表示現行的恆星形成理論並未受到嚴厲挑戰,仍是宇宙通行法則。

資料來源:Astronomers crack mystery of the “monster stars”[2012.08.07]

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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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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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》