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整個宇宙,都像是科學家的廣播電台!進化版的光波收音機

活躍星系核_96
・2021/03/26 ・2570字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 577 ・九年級
  • 文/ 蔡乃玉、游雨婕│ 臺灣大學物理學系學生

即使是目前發現最靠近地球的黑洞,也距離我們遠達上千光年,更別說那些上萬、上億光年的遙遠天體了,面對如此遙不可及的距離,你是否有想過,科學家究竟是得到來自它們的訊息呢?現今人類到底運用了什麼樣的科技,竟然可以獲得億萬光年之外的宇宙訊息?

無線電波,就是科學家的好工具!

整個宇宙,都像是科學家的廣播電台!

所謂的無線電波(Radio Wave),通常是指波長在 100000 公里(108 公尺)到 0.1 毫米(10-4 公尺)之間,頻率為 3 Hz~3000 GHz(3 THz)的電磁波段,一般通訊使用的頻段大約落在 3 kHz ~ 30 GHz,30~300 GHz 的頻段又因波長大小,稱為「毫米波」,是未來 5G 通訊使用的頻段。

(2021 / 4 / 1)編按:更正頻率與波長對應的錯誤,無線電波的定義以國際電信聯盟(ITU)的無線電頻譜為準,毫米波的頻段跟微波重疊,而 3 THz 也已經接近遠紅外線(FIR)的頻段。

事實上,無線電波不只可以拿來接收宇宙資訊,在我們的日常生活中,其實早就有很多使用無線電的裝置,像是廣播、無線電對講機、雷達、Wi-Fi 與藍芽都是透過無線電波來傳訊的唷!

大家在聆聽廣播時,多多少少都有聽過「AM、FM」這兩個字彙,你知道它們分別代表的意思是什麼嗎?

廣播、無線電對講機、雷達、Wi-Fi 與藍芽等日常生活中常見的設備,都是透過無線電波來傳訊。圖/Pexels

AM、FM 是兩種傳遞信號的技術,也是我們生活中最容易接觸到的傳訊技術之二,它們可以讓「電磁波的振幅」隨著不同的因素而變化,同樣的,我們也可以讓無線電透過這兩種方法來傳遞訊號。

首先,AM,是振幅調變 (amplitude modulation) 的簡寫,它會讓電磁波的振幅隨著聲波的「振幅」而改變,當聲波的振幅變大、電磁波的振幅也變大,早期無線電大多使用這種技術,它可以讓訊號傳遞到比較廣的地方,但缺點是噪音很多。

FM 即為調頻 (frequency modulation) ,它會讓電磁波的振幅隨著聲波的「頻率」而改變,雖然 FM 沒有辦法像 AM 傳遞到那麼遠,但 FM 的優點是噪音比較少。

然而,即使 FM 的噪音已經減少了很多,FM 的噪音仍然很難、很難完全去除,相信大家聆聽 FM 廣播電台時,也有這樣的困擾。對於科學家來說,這可是不能默默忍受的缺點!因此,科學家也不斷努力研發出降低、去除無線電噪音的技術。

無線電波不夠讚,把它變成「光」吧!

光學纖維(俗稱光纖)是一種使用石英玻璃或塑膠製成的纖維,會用「光」進行資料傳輸,比起剛剛所提到的 FM 和 AM ,光纖不僅速度更快、噪音也更少!

由此可知,「光」也是非常棒的傳訊技術,若我們可以將無線電波轉為光波,就可以像光纖一樣,更有效的降低噪音!目前已經有很多種方式能夠將這兩種電磁波進行轉換,在市面上,我們也早就可以很簡單的買到光電轉換器囉!

利用光在玻璃或塑料製成的纖維中以全反射原理傳輸的光纖,有效提升了訊號傳遞的效率。圖/Pixabay

為了讓光波傳訊的品質更上一層樓,科學家們研發出光學相位調變 (optical phase modulation) 技術,偵測光的「相位」變化來使得精密度提高,可以有效降低無線電噪音,進而提高訊息的完整度

以 T.Bagci 和 A.Simonsen 曾發表在 Nature 的論文為例,該研究團隊使用了奈米薄膜為材料,而奈米薄膜可以結合「無線電波頻率共振電路 」和 「薄膜表面反射的光」,使得這些無線電頻率訊號能夠透過光學的相位變化的形式被觀測到,也就是將無線電波轉換成了光波,以光波的形式傳遞。

以這種方式傳遞訊息的話,連極小的尺度都能被觀測,非常靈敏。

用數據來比較的話,噪音的單位 V/ √Hz (伏特/√赫茲),現在市面上的光電轉換器能將噪音降低到 nV 尺度(奈米級,10-9),而對這一項技術電路本身的噪音為 800pV/√Hz(飛米級,10-12),轉換成光波後最低可降至 5pV/√Hz!

5pV/√Hz 的噪音有多低呢?論文指出,對 MRI 而言,對噪音的要求只要低於200pV/Hz 就足夠了!噪音被大幅降低後,不但可以讓訊號不失真,也可以讓弱小的訊號更容易被偵測到。

光、電怎麼變身?就像大鼓變芝麻(X)

以下將簡述這個裝置的原理,以及轉換的進行過程。

實驗中使用了鍍了鋁的氮化矽的奈米薄膜,當輸入無線電訊號進去時,奈米薄膜就會像鼓面受到震動一樣,當輸入的訊號不同,鼓面震動的幅度也會不同。

此時,將雷射光照到薄膜上時,就像灑一把芝麻到鼓面上,隨著鼓面著震動,芝麻會跑到不同的地方去,而我們只要藉由觀察芝麻的反應,也就是反射光的變化,就可以得知輸入的訊號了。

科學家們就是透過這樣的方法,順利將無線電訊號以低噪音的方式轉換成光波。

實驗示意圖。

如同前文所提到的數據,在這個實驗進行時,電路本身還是會有些許噪音,大約800pV/√Hz 左右,主要來源為熱擾動,科學家們為了更進一步地減少噪音,除了光學相位調變技術之外,也搭配並採取了降低溫度、施加電壓以抵銷噪音頻率等等措施,成功讓無線電的噪音被降到極低的尺度。

當我們可以聽到更細膩的聲音後…?

這項技術將可以將無線電波轉換成低噪的光波,因此可以用已經建立好的測量模型來觀測這些信號,讓人類得以研究這些微小的電波,使我們可以得到比以前更精準的訊號,觀測到以前所無法得到的宇宙訊息,或是讓核磁共振圖像更精準,是電子學在訊號傳遞上的一大突破!

未來,隨著通訊技術日新月異,你覺得我們可以在宇宙之間得到讓人意想不到的訊息嗎?也許…來自外星生物的打招呼訊息?讓我們一起解開更多來自外太空的秘密吧!

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告,感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。

參考資料:

  1. Bagci, T. et al. Optical detection of radio waves through a nanomechanical transducer. Nature 507, 81–85 (2014).
  2. A. Horneff; B. Schlecker; M. Häberle; E. Hell; J. Ulrici; V. Rasche; J. Anders. “A New CMOS Broadband, High Impedance LNA for MRI Achieving an Input Referred Voltage Noise Spectral Density of 200pV/Hz√” IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019.
  3. 無線電(Radio Waves)

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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透過「生長激素刺激測驗」,評估孩童生長激素是否不足

careonline_96
・2022/05/19 ・1899字 ・閱讀時間約 3 分鐘

當孩童因「身高不足」或「生長遲緩」就診「兒童內分泌科」,醫師評估有「生長激素不足症」之疑慮時,會安排小朋友做「生長激素刺激測驗」。

究竟這是什麼樣的檢查呢?什麼時候需要做這個檢查?如何執行?這樣的檢查安全嗎? 以下由林口長庚醫院兒童內分泌科邱巧凡醫師,針對以上家長常見問題做完整說明。

生長激素刺激測驗——什麼時候要做?

  1. 「長的矮」而且「長的慢」!
    (1)長的矮: 身高落在該性別年齡「第三百分位」以下。
    (2)長的慢: 「一年長不到四公分」,或身高曲線往下掉兩大條百分位曲線。
  2. 初步檢查顯示: 骨齡明顯落後,血液檢驗 IGF-1 與 IGFBP-3 濃度不足。
  3. 伴隨其他生長激素不足可能合併的特徵(如前額凸出、顴骨發育不良、鼻梁塌陷、低血糖、陰莖短小、尿道下裂,或合併其他賀爾蒙異常等。)

當以上情形發生,醫師認為孩子有「生長激素缺乏症」的可能,將進一步安排「生長激素刺激測驗」。

生長激素刺激測驗——是什麼?

邱巧凡醫師指出,平常生長激素的分泌呈現「脈衝式分泌」,因此無法從隨機、單一次的血液檢測直接反映個體生長激素分泌的能力。生長激素刺激測驗是藉由藥物的刺激,營造出生長激素必須要分泌的情境,藉此情境來了解分泌的功能是否正常。

目前在台灣可用來做為生長激素刺激測驗的藥物包含:胰島素、clonidine、L-Dopa、Arginine 及 Glucagon。

生長激素刺激測驗——怎麼做?

  • 檢查前的準備
  1. 自檢查當天凌晨零時起「禁食」任何食物。
  2. 填寫「檢查同意書」。
  • 生長激素刺激測驗檢查流程
  1. 於早上 7~9 點,幫受檢兒童建立靜脈留置針(通常選擇上肢靜脈),並執行第一次的抽血,隨後給予受檢兒童檢查用之「口服藥物」或「靜脈注射藥物」。
  2. 之後約每隔 15 至 30 分鐘執行一次抽血,檢測生長激素濃度。(不同之檢測藥物,其抽血頻率與時間略有不同)
  3. 一次的「生長激素刺激測驗」檢查流程約 2~3 個小時完成,最後一次抽血完畢後,若身體無不適,便可移除靜脈留置針頭,完成檢查。並給孩童進食一頓大餐。

生長激素刺激測驗——安全嗎?

邱巧凡醫師說,生長激素刺激測驗執行過程,有可能發生以下狀況,須特別留意,因此在林口長庚醫院本檢查需住院執行,在專業醫療團隊照護下執行此測驗。

  1. 暈針: 由於需透過口服或靜脈注射藥物刺激生長激素分泌,加上得抽血數次,因此在兒童、青少年族群有可能因為心理壓力與恐懼感,在測驗過程中出現眩暈與噁心等暈針症狀。通常只要休息一段時間即可恢復,也不會因此產生後遺症。
  2. 測驗藥物的作用: 檢查期間所服用或注射的藥物,會造成血糖偏低、血壓偏低,可能出現口乾、頭痛、冒冷汗、臉色蒼白、嗜睡、疲倦、頭暈、噁心、嘔吐等症狀。一般只要適度休息,並於檢查後進食即可逐漸恢復。少數有特殊病史的孩童(如癲癇、腦瘤等)可能在此過程出現抽搐發作等狀況。

生長激素刺激測驗——檢查注意事項

  1. 自檢查當天凌晨零時起,至檢查流程完畢,期間禁止飲食,否則會影響檢查結果的準確性。 
  2. 抽血期間如出現頭暈、噁心、臉色蒼白、抽搐、意識不清等情況,請立即告知醫護團隊。
  3. 檢查期間應坐在椅子上或臥床休息,儘量不要起身走動。

生長激素刺激測驗——檢查結果

檢查結果醫師將針對患童本身狀況與兩項不同藥物刺激後的生長激素分泌能力進行判讀,若判斷為「生長激素缺乏症」,將進一步安排「腦部核磁共振檢查」以釐清生長激素缺乏的可能原因,並衡量「生長激素治療」的適當性與時機,與家長進行說明與討論。


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