藏有青春永駐秘密的M4星團

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。

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。

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。

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）」：

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。

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。

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。

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。

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

極亮超新星（super-luminous supernova）是近年來發現的新型爆發現象，比一般超新星（supernova）亮十到百倍，但究竟是什麼物理機制造成如此璀璨的亮度，目前科學界還沒有定論。由英國貝爾法斯特女王大學（Queen’s University Belfast）領導的跨國合作團隊，認為極亮超新星的能量來源，極可能是磁星(magnetar)：一種擁有強烈磁場且一秒內旋轉數百次的快速自轉中子星（neutron star）。該團隊今日在國際知名期刊《自然》（Nature）上，發表了這份重要研究。

超新星是巨質量恆星演化到末期時的劇烈爆炸現象，經由爆發將產生的重元素拋入星際空間中，這些元素豐富了宇宙的化學組成，更組成了你我，或許這就是我們這麼熱切地尋找這些珍貴爆發的契機。當然，還有一個更重要的原因，就是它們很明亮—比太陽亮數十億倍，因此很多業餘天文學家用小型望遠鏡即可投入尋找超新星的行列，他們監測很多鄰近星系，夜復一夜，將新取得的影像與舊的影像對減，並通報給國際天文聯合會（IAU）可能的超新星候選者。

近幾年來，全世界大型的巡天計畫如火如荼地展開對全天空的監測，其中，座落於夏威夷Haleakala山，擁有全世界最大的數位相機的泛星（Pan-STARRS）計畫，其單幅曝光影像的範圍相當於35倍滿月的面積，對尋找超新星有驚人的貢獻，平均每年可以發現超過百顆超新星。泛星計畫屏除了傳統超新星巡天的選擇效應，並非針對單一的高表面亮度或漩渦星系逐一搜尋，而是進行無偏差的全天監測，因此發現了這種全新類型的極亮超新星，其偏好在矮星系（dwarf galaxy）環境中產生，也是傳統巡天策略下，不易偵測的部分。

一些理論物理學家認為，這類超新星的爆發來自於宇宙中質量最大的恆星，演化到生命終點時，產生類似原子彈的爆炸，這個原子彈有如三千萬倍的地球大小、或一百倍太陽質量，將整個恆星炸得粉身碎骨，也就是所謂的不穩定對超新星（pair-instability supernova）。貝爾法斯特女王大學帶領的國際合作團隊，利用泛星計畫望遠鏡與其他世界各地的大型天文台，追蹤觀察兩顆極亮超新星的光度變化情況，取得超過一年的完整觀測資料。然而，根據收集到的寶貴資料，並不支持上述超巨質量恆星的假設，研究團隊提出快速自轉的磁星模型，更能解釋極亮超新星現象。

該論文第一作者Matt Nicholl解釋：「我們知道當巨質量恆星演化到生命末期時，它的外層劇烈拋出成為超新星，而中間核心則塌縮成中子星。中子星是一種質量相當於太陽，但體積卻僅有數十公里的高密度天體。我們認為，在一些條件下，有些中子星擁有非常強烈的磁場，並且自轉非常快速，一秒鐘可旋轉三百次。當其自轉減速時，將轉動的能量經由磁場轉移給超新星，造成其比一般超新星明亮。此理論模型吻合我們所觀測到的資料。」

其指導教授、團隊主持人Stephen Smartt教授補充道：「極亮超新星真是很特殊的超新星！正因它們如此明亮，我們可以利用它們來當作照亮遙遠宇宙的火炬。光以等速在空間中旅行，也就是說當我們看得越遠，就是看到越久遠的過去。藉由了解這些炫目的爆發過程，我們可以探查宇宙剛誕生不久後的樣貌。我們的目標是在早期宇宙尋找這類超新星，偵測第一代恆星的形成，並了解它們如何產生宇宙中第一代的化學元素。」

欲參閱發表在自然期刊的論文，請點選連結：

無法下載者請參考：astro-ph

發稿單位：英國貝爾法斯特女王大學（經原作者同意轉譯）
編譯者：陳婷琬（該篇「自然」期刊論文的共同作者，現為英國貝爾法斯特女王大學博士候選人）

資料來源：Queen’s University Belfast scientists solve riddle of brightest exploding stars in the universe[2013.10.17]

轉載自網路天文館

天文學家利用歐南天文台（ESO）超大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）觀測資料所做的最新研究顯示：那些最為明亮的高質量恆星（high-mass star）並不是單獨存在，幾近四分之三的這類高質量恆星擁有伴星，這個比例遠高於先前的認知。更讓這些天文學家驚訝的是，這些高質量恆星所在的雙星系統，子星之間存有強烈的交互作用，質量會由其中一顆子星轉移到另一顆子星；其中甚至有三分之一這類高質量恆星雙星系統，最終會合併成單一恆星。相關論文發表在2012年7月27日出刊的科學（Science）期刊中。

宇宙中的恆星各式各樣、不一而足。荷蘭阿姆斯特丹大學（University of Amsterdam）天文學家Hugues Sana等人利用VLT研究O型星（O-type stars），這類恆星的質量、表面溫度和所發出的亮度都比一般恆星高很多，質量約為太陽的15倍以上，亮度是太陽的百萬倍以上，表面溫度更高達攝氏30,000度以上，是恆星中的巨獸等級。然而，也由於這些特點，使得這些發出藍白色光芒的O型星，壽命極短而劇烈，對星系演化具有關鍵作用。O型星也與被戲稱為「吸血鬼恆星（vampire stars）」的極端現象有關，這種在這種雙星系統中，較小的子星會掠奪較大子星的表面物質，到一定程度後，可能引發伽瑪射線爆發（gamma-ray burst，GRB）現象。

這些天文學家研究銀河系中6個鄰近的疏散星團中的71顆O型星，其中有些是單星，有些是雙星。分析之後發現約75%的O型星位在雙星系統中。雖然他們發現這個比例比之前認為的還高，但更重要的是：這些O型星雙星系統中，兩顆子星的距離近得足以使他們彼此間有可以交換質量或甚至合併的交互作用，也就是吸血鬼恆星的比例也遠比先前所認為的還高。

O型星只佔宇宙眾多恆星的一小部分，但常發生各式劇烈現象或爆發事件，因此對其週邊環境影響甚鉅。這些恆星巨獸所發出的強烈恆星風和震波，都會觸發或阻止周圍其他恆星的形成；它們所發出的強烈輻射則會照亮周圍的星雲；而當這些恆星走道生命終點，進而發生超新星爆炸，可讓星系中的與生命息息相關的重元素含量增加；這些O型星也與GRB這個宇宙中最劇烈的爆發現象有關。換言之，O型星是驅使星系演化的重要機制之一。上圖是含有許多明亮而熾熱的O型星的3個著名恆星形成區，最左側是船底座星雲（Carina Nebula），中間為老鷹星雲（Eagle Nebula，M16），右為IC 2944。

當一顆恆星鄰近有其他恆星時，其一生受到這些鄰近恆星的影響相當大。若雙星中兩互繞的子星靠得很近，甚至有可能合併成一顆；Sana等人估計約有20~30%的O型星最終命運會是與近鄰合併成一顆更大的恆星，而O型星合併往往引發劇烈事件。即使不合併，而是比合併溫和一點的結局，它們也會互相撕扯、剝奪近鄰的表面物質；Sana等人估計這種結局佔了約有40~50%左右，嚴重影響了這些恆星的演化。

到目前為止，天文學家絕大部分認為密近大質量雙星系統在宇宙中算是罕見現象，不過這些少數就可以解釋X射線雙星、波霎雙星或黑洞雙星等奇怪的現象。但Sana等人的研究卻顯示密近大質量雙星在宇宙中雖不是非常普遍，但也不算罕見，而星系的命運、甚至是整個宇宙的命運，幾乎是掌握在這些大質量雙星或吸血鬼恆星身上，瞭解它們是非常重要的事。

以吸血鬼恆星為例，雙星中比較小、質量比較低的恆星，是藉由吸食它近鄰表面的新鮮氫氣而回春；由於它的質量穩定增加，有了外來支援之後，不僅可比它的近鄰活得更久，而且也比同質量的單星活得更久。然而，這個身為犧牲者的近鄰，雖然原本的質量比較大，但表面物質被惡鄰不斷掠奪，害它根本沒機會變成一顆非常明亮的紅超巨星（red super giant），而是將它原本的熾熱核心一點一點暴露出來，呈現偏藍的色調，像是一顆剛誕生沒多久的年輕恆星一樣。如此一來，雙星中的兩顆子星都彷彿重生過，將讓遙遠星系中的星族表現得比原本該有的年齡還年輕；如果能得知這類高質量雙星系統的正確比例，將有助於校正這些遙遠星系的特性。

天文學家唯一能取得遙遠星系訊息的方式只有它們發出的光。如果不能全盤瞭解這些光究竟是哪種星體發出的，就不能獲得星系的完整面貌，不知道整個星系總質量究竟有多大，也不知道這個星系到底年輕到什麼地步。如果一開始的假設就是錯的，那麼最後得到的星系性質結論也不可能正確到哪去。因此，天文學家們希望透過觀測與電腦模擬，雙管齊下，瞭解高質量雙星的演化，以及高質量雙星對星系演化的影響。

資料來源：VLT finds most stellar heavyweights come in interacting pairs[2012.07.26]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

上圖是歐南天文台（ESO）位在智利的La Silla觀測站MPG/ESO 2.2米望遠鏡加廣角相機（Wide Field Imager，WFI）所拍攝的M4星團（NGC 6121）。這個球狀星團含有數萬顆古老恆星，是迄今已知最緊密、被研究的最多的球狀星團之一。ESO天文學家近期的研究成果顯示這個星團中有顆恆星具有奇特而意外的特性，似乎藏有可青春永駐的秘密。

銀河系中已知的的球狀星團超過150個，一般認為這些球狀星團應該是在宇宙極早時期形成後遺留至今，幾乎與宇宙同壽。M4星團是最靠近地球的球狀星團之一，位在天蝎座，鄰近全天最紅的1等星—天蝎座主星心宿二。這個星團相當明亮，以雙筒望遠鏡就可輕易看到一團霧狀外貌，口徑稍大一些的業餘望遠鏡還可分辨出其中一些成員星。

此外，天文學家還利用ESO的超大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）針對M4裡的恆星單獨研究，將來自成員星的星光分裂成光譜，可藉此瞭解恆星的化學組成和年齡。按標準宇宙論的推測，宇宙大霹靂時主要產生的元素主要為氫，少部分為氦，還有極少量的鋰；這些輕元素以外的其他重元素都來自後來恆星演化，經由恆星內部核融合反應而製造出來，然後隨著恆星死亡又回歸宇宙空間，成為下一代恆星的製造原料。因此，欲古老的恆星所含重元素比例愈低，愈晚期誕生的恆星所含有重元素比例愈高。

但這項新研究的結果卻發現由古老恆星組成的M4，成員星們所含重元素比例應該非常低，但其中有顆成員星所含有的鋰卻比預期的還多。鋰元素是氫氦以外的重元素中最輕的，它的來源是個謎題。因為這個元素通常會隨著恆星經歷數十億的演化後而逐漸被摧毀。但這顆恆星顯然手中持有青春永駐的秘密，要不就是有某些方式可保留原始的鋰元素，要不就是有什麼奇特的方法可補充或新製造鋰元素。天文學家目前還無法解釋這個奇特的性質，謎題仍有待解決。

資料來源：A Cluster with a Secret. ESO [5 September 2012]

轉載自 網路天文館