孤獨恆星的寂寞之光

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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哈佛大學（Harvard University）物理學家提出假設，認為可能有一種傳統物理模型不曾提及的新型暗物質，其行為模式與一般物質類似，所以或許並非所有暗物質都如現行理論所認為的又冷又幾乎不會互撞。

在可見宇宙中，星系會逐漸形成扁盤狀，例如我們銀河系就是其中一個最佳例子，星系中的所有成員大致排列在單一盤面上，這是因星系重力和自轉所造成的。另一方面，暗物質似乎喜好棲息在星系周圍如銀暈這樣的地方—至少，現行理論是這麼說的。所以，一般認為暗物質又暗、又冷，而且幾乎不含有什麼能量，所以暗物質粒子鮮少能與另一個暗物質粒子發生碰撞。

在新研究中，哈佛的物理學家們推測：應該還有另一種暗物質，可是和傳統認為的暗物質不同，而是其行為模式比較像一般可見物質；而且正因如此，它們會因暗物質特有的重力特性而聚在一起，然後也如星系一般最後會形成扁盤狀結構。這些物理學家稱之為雙盤暗物質（double-disk dark matter，DDDM）的暗物質，大約佔了總暗物質的5%左右。

為了讓這些暗物質聚集在一起，這些暗物質勢必得有和可見物質類似的某些性質。為此，這些物理學家推測：宇宙中可能存在所謂的暗原子（dark atom）、暗光子（dark photon），也可能具有某種型式的暗電磁力（dark electromagnetic force）。

科學家在暗物質議題上已經投入數十年的努力，建構一個暗物質能以球形存在的模型，其中星系位在這個球形的中間，所以處在星系中的觀測者無論朝向什麼方向都能「看到」暗物質存在。但是哈佛團隊認為暗物質也可能以別種形狀存於宇宙，就像可見物質組成的宇宙各種構造一樣。

可見宇宙中的物質幾乎都是重子（baryon），也就是由強作用費米子組成的物質；然而現行理論認為這些重子物質僅佔了宇宙所有物質的5%而已。因此，哈佛團隊建議：新型暗物質所佔的比例，可能與可見物質差不多。

如果哈佛團隊所提為真，那麼就應該存有全部都由暗物質組成的星系，只是因現今技術的關係而偵測不到。目前有更多的研究投入這個議題中，未來這種新型暗物質可能會被納入各類模型中；只是在此之前，新型暗物質都還只是個概念性的理論而已。

資料來源:Physicists suggest possible existence of other kinds of dark matter[2013.05.24]

轉載自網路天文館

一項來自史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）觀測的新研究顯示，遍及全天的神秘紅外光輝，可能是來自星系邊緣的孤立恆星（isolated stars）。這些恆星可能一度屬於星系，但因星系間劇烈的合併事件而被扯出星系外，遠離家鄉，進入空曠無垠的太空中。

美國加州大學（University of California）Asantha Cooray等人表示：天空中背景紅外光（background infrared light）的成因久為天文研究的大謎題之一，現在有新證據證明這些紅外輻射來自徘徊在星系間的孤星們；這些孤星因太暗而無法見到恆星本身，但我們觀察到的背景紅外光卻是這些孤星們所發出的光匯集而成，並非單一一顆星的功勞。

不過，這項發現和另一個同樣以史匹哲觀測到的背景紅外光為基礎的理論不相符。由美國航太總署（NASA）哥達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）Alexander “Sasha” Kashlinsky領導的研究小組於今年6月發表論文指出：史匹哲影像所呈現的斑駁紅外光斑，是遙遠的第一代恆星和星系所造成的。（請參考〈史匹哲發現第一代天體猛烈焚燒所釋出的光〉）

在這個新研究報告中，Cooray等人透過所謂的牧夫座星區影像（Bootes field）來進行研究。牧夫座星區影像涵蓋範圍相當於50倍滿月面積，是史匹哲太空望遠鏡針對這個區域累積曝光了約250個小時的結果；雖然其資料靈敏度不如Kashlinsky等人的小組，但因視野涵蓋範圍大得多，讓Cooray等人更能分析出背景紅外光分佈的型態與模式。

在小心地分析牧夫座星區觀測資料後，Cooray等人再利用電腦模擬第一代恆星和星系可能造成的背景紅外光型態，發現與牧夫座星區觀測資料不符。電腦模擬結果顯示：由於第一代星系不若現代星系這麼大、數量這麼多，如果背景紅外光真的是第一代星系造成的話，那麼背景紅外光不可能這麼亮。這些研究學者因而提出另一種理論來取代第一代星系，那就是「星系團間（intracluster）」或「銀暈間（intrahalo）」的星光。

資料來源：NASA’s Spitzer Sees Light of Lonesome Stars. NASA JPL [October 24, 2012]

轉載自 網路天文館

上圖是雙子天文臺（Gemini Observatory）捕捉到的NGC 660星系影像，這是個相當特殊的極環星系（polar-ring galaxy），擁有繞極的環狀星流，是曾經歷兩星系交互作用的結果。

極環星系是很特殊的天體，迄今已知的極環星系數量很少，相當罕見，因此對於它們的起源所知不多。絕大部分極環星系的中間是早型螺旋星系系統（early-type spiral system），即所謂的透鏡星系（lenticular galaxy）。NGC 660位在雙魚座方向，距離約4000萬光年，和其他極環星系不同的是，NGC 660中間部分是目前唯一已知的晚型透鏡星系（late-type lenticular galaxy）。不過，所有的極環星系都有一個共同特徵，就是擁有一圈由恆星、塵埃和氣體組成、和星系盤面垂直的繞極環狀構造，可綿延長達數萬光年。

按照電腦模擬結果，極環星系可能是由兩個星系碰撞合併而形成，與其他星系碰撞事件稍不同的是，這兩個螺旋星系的盤面是以幾乎直角的角度相互碰撞的，碰撞之後，富含氣體螺旋星系中的物質受到主星系的重力（潮汐作用）而被剝離，逐漸形成一個環狀結構。在此劇烈碰撞事件中，可能引發大量恆星誕生，使得這個長達40,000光年的極環滿佈明亮而色彩斑斕的新生恆星、星團或星雲。

在狂暴事件中誕生

美國亞利桑納大學（University of Arizona）的Brian Svoboda近期正在研究NGC 660的化學組成和環境溫度，他相信這個獨特的型態是這個星系之前曾與一個富含氣體的星系有交互作用的結果。NGC 660的極環中所含的氣體量比主星系還多。不過NGC 660極環的幾何形狀，確切的說，並不是真的繞極，而是與主星系盤面傾斜45度角；以電腦模擬星系碰撞，無法模擬出這種低角度的極環，然而若是採用潮汐加速模式（tidal accretion scenario），則可呈現這種低角度極環。

NGC 660的極環中已經衍生出數百個天體，其中有相當多的是藍巨星和紅巨星。其中最年輕的恆星大約僅有700萬歲左右，顯示極環中的造星運動已經持續好一陣子，而且仍未衰竭。除了顯眼的極環之外，NGC 660上還有與明亮背景成鮮明對比的暗色塵埃線（dust lane）橫越星系盤面。整個星系畫面簡單，卻美麗！

掂掂證據的份量

如果真的是兩個星系合併的結果，那麼就應該會有向內收縮的核心和大量恆星形成的現象。而天文學家的確有看到這兩個現象。但讓天文學家感到最驚奇的一點，卻是NGC 660的極環和主星系部分，都含有極豐富的氣體。如果只是單純的重力累積，則極環中的氣體與富含氣體的主星系就不會有強烈的交互作用；然而，如果是有重力交互作用，那麼就會導致氣體向中心區域流動，引發如我們現在所見的大量恆星誕生現象。

更進一步的證據，是NGC 660缺乏雙核心，也就是兩個原螺旋星系中心的超大質量黑洞；通常在星系合併事件中，如果星系還沒有完全合而為一，那麼應該會有雙核心。

天文學家並沒有偵測到NGC 660有向外延伸的潮汐尾（tidal tail），這是許多星系有潮汐交互作用的關鍵特徵之一。通常一個星系近距離掠過另一個星系時，彼此間的重力交互作用（稱為「潮汐作用」）會將星系內的恆星、氣體和塵埃拖曳而出，在星系後方形成一道燦爛的尾巴。但前述兩種極環星系的模型，都會產生沒有潮汐、但新恆星誕生活躍的極環。

Svoboda等人估計這場碰撞事件造成的極環大約10億歲左右，因此扯出極環的另一個星系已經跑遠了。

浴火重生的鳳凰？

在眼睛看不到的電波波段，科學家偵測到在NGC 660的核心有個直徑小於32光年的緻密電波源。這些天文學家相信，應該是在核心附近的緻密塵埃氣體雲中有數千顆恆星所組成的超級星團（ super cluster），這些藍色恆星年輕且熾熱，因而能輻射出大量無線電波。

星系的核心區通常是由紅色的老恆星擁有主導權，但可能是某次NGC 660曾經歷的星系碰撞事件，在這個星系的核心區激發了大量恆星誕生；有可能是因為兩星系之間的重力交互作用製造一波波的震波衝入巨大氣體雲時導致雲氣收縮而形成大量恆星，其中許多恆星的質量可能超過100倍太陽質量。這些恆星怪獸們壽命都不長，並在生命終點發生超新星爆炸，爆炸過程又產生更多震波，導致下一波新恆星誕生。如此惡性循環之下，NGC 660核心便匯聚了大量新生的熾熱恆星，讓它不僅是個極環星系，也是個所謂的星遽增星系（starburst galaxy）。這些歷程，讓NGC 660的核心區成為迄今已知最密集、最劇烈的恆星誕生環境。

偵測暗物質

極環星系的極環的自轉速度與主星系相當。藉由測定離星系核心不同距離的極環自轉速度，這些天文學家可以探找星系銀暈中的神秘暗物質。電波觀測顯示雖然極環靠星系核心一側的自轉速度是正常的，但遠離核心的外側部分一直到缺乏氣體的區域，自轉速度卻仍保持相同；然而理論上，離核心愈遠，自轉速度應會明顯降低。因此自轉速度均一的現象，顯示NGC 660星系的銀暈中含有大量暗物質。

天文學家相信暗物質會影響整個星系的動力學，但要瞭解暗物質卻是天文學界最大的挑戰之一。因此，這些天文學家們希望未來能藉由研究NGC 660的奇特環境來進一步探索暗物質的真相。

資料來源：Poetry in Motion: Rare Polar-Ring Galaxy Captured in New Image. Gemini Observatory [October 18, 2012]

轉載自 網路天文館