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鄰近的超級地球—巨蟹座55e可能是顆鑽石行星

臺北天文館_96
・2012/10/14 ・1152字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

耶魯大學天文學家Nikku Madhusudhan等人表示:他們發現一顆直徑約為地球兩倍的岩質行星,可能是顆鑽石行星。這是天文學家首度發現基本化學組成和地球不同的岩質行星,這顆行星可能覆滿所謂石墨,在石墨之下則是很厚的一層鑽石,而非一般岩質行星常見的水和花崗岩。

這顆鑽石行星編號為巨蟹座55e(55 Cancri e),直徑約為地球的2倍,質量則約為地球的8倍,故被歸類為所謂的「超級地球(super-Earth)」。它是在巨蟹座55星旁發現的第4顆行星;而巨蟹座55星本身距離地球僅約40光年,以天文尺度而言,就像是在太陽系的後院一樣近,以肉眼就可見到其光點。

巨蟹座55e以超高速繞著它的母恆星跑,環繞其母星一周僅需18小時,相較於地球繞太陽一圈需要365天而言,簡直就是火箭和蝸牛的強烈對比。由於這顆行星距離其母恆星非常近,因此表面相當酷熱,溫度高達攝氏2150度,完全不適合居住。

這顆行星是在去年首度經由凌日的方式偵測到;利用凌日法,天文學家得以精確測量這顆行星的半徑。這個新獲得的訊息,再與最近所估算出的質量加以結合之後,可讓Madhusudhan等人經由電腦模擬方式,推測出有哪些化學組成符合他們所觀測到的特徵。

天文學家先前曾報告過巨蟹座55星的碳元素含量比氧還多,Madhusudhan等人確定這顆行星精確的碳、碳化矽(silicon carbide,即俗稱的金剛砂)和幾乎可忽略的水冰含量,這些組成成分都是可在行星形成階段形成的元素或分子。

而先前天文學家也曾認為:如果巨蟹座55e的化學組成與地球類似的話,那麼應會含有大量過熱水(super-heated water);但Madhusudhan等人的最新研究卻顯示這顆行星完全不含水,卻是有著大量的碳,而且是以石墨和鑽石型式出現的碳,此外還有鐵、碳化矽,另外或許還有少量的矽酸鹽類;其中,這顆行星總質量的1/3以上(約相當於3倍地球質量)可能都是鑽石,與地球內部富含氧、但極度缺乏碳的情形迥異;地球內部的碳含量,不到地球質量的1/1000。Madhusudhan等人之後將繼續追蹤觀測並研究巨蟹座55e的大氣層以及其母恆星的化學組成,落實有關這顆行星化學組成的發現。

確認這顆是富碳的超級地球後,意味著遙遠的岩質行星們的化學組成、內部結構、大氣層或生物等不再弒必得與地球類似。這項發現同時為地球級系外行星的地球化學與地球物理研究領域開啟一扇新窗,因為含碳豐富的狀況必定會影響這些行星的熱能演化和板塊構造,例如行星上的火山作用、地震活動和造山運動等都可能會有所不同。

恆星本身是很單純,只要給定恆星質量和年齡,就可以得出恆星的基本結構和歷史。可是行星就複雜的多了,這顆富含鑽石的超級地球可能只是這類發現的其中一個範例,未來天文學家們必定會在鄰近其他恆星周圍發現更多特別的行星。

資料來源:Nearby super-Earth likely a diamond planet. Yale News [October 11, 2012]

轉載自 網路天文館

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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向豐富多元的變質岩提問——《磐石紀事:追蹤 46 億年的地球故事》
貓頭鷹出版社_96
・2021/04/01 ・2564字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 513 ・六年級

  • 文 | 貝鳶業如

變質隱喻

變質(「後來形成的」)岩石是岩石世界中少數的多語通曉者,一生至少曾在兩種不同的地質環境中居住過。這些岩石所代表的是多元文化,而非文化熔爐。變質作用與熔融無關,而與固態狀態下的再結晶有關,就跟粉狀的新雪被埋起並變得易碎一樣。因此,變質岩的結構和成分風格各異,是其所棲環境的混合產物,這使變質岩成為所有地質文章中最豐富的一種。

變質沉積岩是其中最易閱讀的一種,因為它們可能尚保有分層、漣漪紋,甚至化石等可見的特徵,於是可以由所形成的變質沉積岩(也就是它們的原岩,意為「第一岩石」)中分辨出此種岩石。這就好像你憑著耳朵上一道疤痕的形狀,而認出一位你自孩提時代後就再沒見過面的老朋友。但即便再結晶作用和變形作用已然抹去這些特徵,變質岩的成分還是記錄著自己的起源身分(雖然外貌變了,你的朋友還是記得很久以前的某個夏天,曾與你一同在海灘消磨時光)。

大理岩是由石灰岩加熱所形成,而這兩種岩石主要也都由方解石礦(碳酸鈣,CaCo)所組成。

意大利托斯卡尼的大理石采石場。圖/Pixabay

大理岩之所以呈半透明狀,單純就是因為再結晶顆粒的平均尺寸較大之故。板岩、千枚岩和片岩是頁岩(泥岩)不斷經由高溫烘烤而成。晦暗無光澤的黏土會依變質作用壓力與溫度條件的不同,而形成閃亮的雲母、耐看的紫色石榴石或天藍色的藍晶石,全都是由原來黏土中本來就有的鋁和矽重組而成。

此類只在相當嚴格的物理條件範圍內才會形成的礦物,稱為指標性礦物,是烙印在岩石生涯旅程各個不同關卡的印記。地質學家研讀指標性礦物,便能夠就特定岩石從其起源一路追溯到最深的掩埋處所,再回到他當初無意間撿起這塊岩石的地表。像鑽石這種主要藉由壓力而形成的礦物,是良好的地壓計,提供了礦物形成之時,岩石所處深度的測量讀數。其他只在特定溫度下才會結晶形成的礦物,則被當成地熱計使用。這些受壓力和溫度影響的礦物即便在旅行前往地表時,依然是其宿主岩石的亞穩成分,這就像大雪堆在氣溫升至冰點上之後,還可以繼續存在一段時間。不過,從熱動力學的角度來看,鑽石不盡然恆久遠。與在地表的情況不同的是,鑽石會慢慢劣化成另一種平凡得多的碳結晶形態——石墨,也就是用來製造鉛筆芯的「鉛」。好在對珠寶商和客戶而言,鑽石劣化要耗去好幾段的地質時間。

藉由壓力而形成的鑽石,是良好的地壓計。圖/Pixabay

指標性礦物是辨識岩石變質時構造環境的關鍵。在地球大陸地殼的洞穴裡,溫度會以每公里攝氏二十度的速率穩定上升。

此種變化在礦坑深處便可直接觀察得到,在礦坑的較深處,溫度之高可能使人熱到無力。有些變質岩所含有的礦物集合與這種地熱梯度一致。也就是說,礦物所記錄下的溫度,正與我們預期中岩石所經歷受的壓力(深度)相當。這種以常見方式發展成熟的岩石所經歷過的,稱為一般性的深埋變質作用。

但許多其他的變質岩石所記錄下的溫度和壓力高峰情況,卻與這種典型的地熱梯度並不一致,亦即就岩石所到達的深度而言,這些岩石成分所暗示的溫度要不是太高,就是太低。

這意味著岩石是在熱混亂的情況下產生變質,而這正是岩漿或構造活動的標記。

若一塊岩石所含的指標性礦物在低壓下記錄到高溫(就像天才兒童過早深入成人世界),那麼這岩石必然曾在接近熱源處產生再結晶,熱源則多半是地底的大塊岩漿。

經歷接觸變質作用的岩石,所接觸的熱源大部分為地底的岩漿。圖/Pixabay

此種岩石所經歷的,稱為接觸變質作用。相反地,若一塊岩石含有高壓礦物(如石榴石、玉、罕見的鑽石等),卻從未經歷過相應的高溫,那麼這塊岩石位於深處之時,必然有某種東西使之冷卻,或至少將之隔絕開來(就像一個天真的成人過著異乎尋常受保護的生活)。

岩石是效能極低的熱導體,因此一塊岩石(尤其是大塊的岩石)是有可能在被熱得多的岩石包圍的情況下,依然保持著涼爽。

「隱沒帶」海洋地殼因自身重量的拉扯而下沉(就像厚重棉被掉下床去)回到溫暖地函之處,此處便是此種隔絕現象可能出現的地質場景。海洋地層運動進入地函(對流循環的下降部分)的速率,較其因傳導而升溫的速率快了許多倍(岩石很不容易因傳導而增溫),因此海洋地層在隱沒到地函裡千百萬年後,依然能夠保持異常冰冷的表層,這一點甚至可由地震「觀察」得到,因為穿行地球內部的震波在通過這些較冷地帶時,運動速率會提高一些。

已進入隱沒帶的岩石有時候又會再度回到地表,但我們對這種地球消化不良的現象所知極少。這些岩石含有高壓低溫礦物的特徵,很容易被辨識出來。這些岩石稱為藍片岩,因為其中一種富含鈉、稱為「藍閃石」的礦石呈牛仔布色而得名。藍閃石非常罕見,但科學期刊討論它們的篇幅卻很多,因為它們明確地訴說進入隱沒帶的旅程,使我們全都能夠免於走這一遭。再說一次:你得找到對的岩石提問才行。

圖中礦物深藍色的部分即為藍閃石。圖/wikimedia

與隱沒有關的變質岩無疑為地球所獨有。月球、水星、火星和金星上沒有將岩石從地表推回地底深處的構造循環作用,因此應該沒有變質岩的存在(除非你要把因隕石撞擊而受創,發生驚嚇變質的岩石也算進去)。

火星和金星上大規模的火山作用可能使較老的岩石被覆蓋住,因而經歷了深埋變質作用,但由於缺乏有效侵蝕媒介的存在,這些岩石就一直無聲地停留在難以企及的深處,無法到地表來訴說它們的故事。

——本文摘自《磐石紀事:追蹤 46 億年的地球故事》,2020 年 12 月,貓頭鷹出版社
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貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

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怎麼合成人造鑽石?人工合成的鑽石是真的嗎?
李赫
・2019/01/29 ・2355字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

人造鑽石搭配完美車工一樣耀眼動人。
圖/diamant

「鑽石恆久遠,一顆永流傳」是大家耳熟能詳的廣告詞。

鑽石是自然礦物當中最堅硬的,所以被用來象徵愛情的堅定。鑽石的形成相當不容易,要在地心承受熱力及壓力,經過幾千萬年,才能把碳化物轉化成鑽石,還要等待時機,藉由火山爆發或其他自然地心變動,才能將它由地心帶上地表,因此非常稀有。

圖/pixabay

鑽石的組成引起科學家的興趣。西元 1796 年,英國化學家譚能特 (Smithson Tennant, 1761-1815) 發現等重量的木炭與鑽石經過燃燒會產生等體積的二氧化碳氣體,因而證明鑽石與木炭同樣是碳元素的組成物,只是兩者外型不同而已。這項實驗結果發表後震驚學術界,吸引了不少科學家爭相投入研究並且合成鑽石,但此後的 150 年內並沒有任何一位科學家成功合成鑽石。

我想把石墨變成鑽石!可行嗎?

鑽石與石墨(常見用途為鉛筆筆心)兩者均是由碳原子組成,特性卻有天壤之別,其主要差異來自於原子排列方式不同。即使相同的元素組成,只要排列方式不同,特性就不同。

換句話說,如果能夠將石墨進行重新排列,就能夠將低價的石墨變成閃閃發亮的鑽石,這可能會比找到失落的寶藏更令人振奮。

首先我們來看看石墨與鑽石在結構排列上的差異:

(A) 石墨的碳原子排列  (B) 鑽石的碳原子排列
圖/John A. Dutton e-Education Institute

如圖中 (A)、(B) 所示,石墨的結構為平面的層狀排列,而鑽石則為三維度的立體排列。

另外,在上圖中可以看到,石墨上的每一個碳原子周圍有三個碳原子相接鄰(專業的說法稱為「配位」),也就是三配位;而在鑽石當中,則是每一個碳原子為四配位。

換句話說,如果要將石墨轉化成鑽石,最主要的部分就是碳原子配位數的改變。而這樣的改變涉及結構的重組,需要很大的能量。

來打造一顆鑽石吧!

那麼有沒有辦法把廉價的石墨轉化成昂貴稀有的鑽石呢?我們先來了解鑽石在自然界中是如何形成的:

鑽石在地球深處約 5 萬大氣壓力和攝氏 1,200 度以上的條件生成後,經由火山噴出,快速冷卻;但若冷卻緩慢、停留時間夠長,鑽石就有可能轉化成石墨。

所以如果要製造鑽石,就要在實驗室想辦法創造在地殼內形成的這些條件。

高壓高溫法

在 1954 年聖誕節前,美國通用電器公司以高壓高溫法 (High Pressure and High Temperature, HPHT) 在 70,000 大氣壓及攝氏 1,600 度的環境之下將石墨轉化為鑽石,合成出第一顆人造鑽石。但這顆鑽石很小,只有 0.15 mm ,距離量產還相當遙遠。

第一顆人造鑽石的誕生。
圖/The New York Sun

在此合成的過程中,將石墨置於熔融狀態的鐵、鈷、鎳當中,使石墨也處於熔融狀態,可以進行重排並且催化反應的進行。這樣的環境提供了石墨轉化為鑽石所需要的能量。在此情形之下,層狀石墨(如下圖 (a))。仍然為三配位,漸漸地有少數碳與其他層間的石墨形成四配位,局部破壞了原有的石墨結構。當反應繼續進行下去,有愈來愈多的碳形成四配位的碳(如下圖 (d)),最後形成了鑽石的結構。

石墨轉化為鑽石的機制。
圖/論文〈Mechanism for direct graphite-to-diamond phase transition

化學氣相沉積法

前述高壓高溫法這樣製造鑽石方式過程太過緩慢,無法滿足商業需求。於是到了 1960 年代,又發展出化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD)。

經過改良且適合用於量產的化學氣相沉積法,是先將一顆小小的鑽石「核心」放入真空環境去除雜質,然後科學家往裡注入溫度高達攝氏 3,000 度的甲烷和氫氣,這些高溫氣體會裂解生成帶電荷離子體,而從甲烷裂解物中釋放出碳原子。碳離子會沉積在「核心」表面,並且複製原來放進去的天然小鑽石核心的結構繼續成長,以每小時 0.006 公厘的速度生長,一顆 1 克拉鑽石可以在幾天內生長完成(如下圖所示)。

氣相沉積法製造人造鑽石。
圖/dailymail

目前生產人造鑽石的公司 Diamond Foundry ,則是將高壓高溫法 (HPHT) 與化學氣相沉積法 (CVD) 兩者混合使用,但實際製造方法因具有高度商業價值所以極為保密。

人造鑽石再也不是夢

在實驗室長出來的人造鑽石跟天然鑽石的化學結構完全相同,它們有相同的物理特性,甚至鑽石鑑別專家僅憑肉眼也無法分辨。也因為沒有開採的昂貴成本,這些人造鑽石的市場售價能比天然鑽石低 20% 到 40% 不等。

所以當你看到人造鑽石的時候,千萬不要說它是假的,因為它可能比天然鑽石更純、雜質更少。

圖/pixabay

參考文獻 :

  1. H. Tracy Hall, 88, Created Man-Made Diamonds 
  2. Xie, H., Yin, F., Yu, T., Wang, J., & Liang, C. (2014, August 4). Mechanism for direct graphite-to-diamond phase transition. Scientific Reports
  3. Get YOUR wedding ring 20% cheaper! Scientists GROW diamonds in a lab that are almost indistinguishable from natural stones 

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