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從黑洞自旋速度推估「暗物質」的可能真面目!——極輕玻色子

CASE PRESS_96
・2021/11/12 ・2341字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 撰文|劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報 《宇宙中的旋轉木馬——利用黑洞尋找暗物質

空無一人的遊樂園中,旋轉木馬快速的旋轉著。突然,憑空出現一群小孩跳上木馬,從旋轉木馬獲得高速後,又集體跳下,一哄而散,只留下轉速驟降,緩慢旋轉的木馬……。這看似荒誕的場景,卻是理論預測可能在宇宙中隨時發生的事。其中旋轉木馬指的是什麼?憑空出現的孩子們又代表了誰?

圖/pixabay

在生活的周遭,我們能夠感受到(看到、摸到)某個東西存在。是因為構成我們周遭世界的粒子,幾乎都會透過電磁力互相作用。但是在廣闊的宇宙中,這樣的物質只佔總數的 15%,剩下 85% 物質,我們摸不到、看不到,因此被稱為「暗」物質。科學家透過天文觀測證據,推測在宇宙中必須存在龐大數量的暗物質,它們提供的重力,使各個星系不至於分崩離析。因此,暗物質是種「我們知道它應該要存在,但又不知道它是什麼」的東西,是當下最前沿的物理學研究在嘗試明白的重要議題。關於暗物質的真面目,目前有各種物理模型嘗試描述,其中一模型預測了一種假想粒子:「極輕玻色子[1]」。

印度物理學家-薩特延德拉·納特·玻色,他的量子物理研究為愛因斯坦凝聚理論提供了基礎;玻色子就是以他的名字為命名依據。
(圖/維基百科

暗物質的可能真面目——極輕玻色子

在基本粒子中,電子的質量已經算是較輕的。而極輕玻色子,它的質量大約只有電子質量的 10 億分之一,因此稱它為「極輕」,和其他理論模型預測的大質量暗物質候選人區隔。由於他們幾乎不跟周圍的物質發生交互作用,因此到目前為止,科學家尚無法確認這種粒子究竟存不存在。如果存在,那它們很有可能就是暗物質的真面目。

面對這種未知,科學家們是如何尋找暗物質的呢?其中一種策略是「排除法」。想像我們有天回家時發現手機不見了,理論上來說,手機可能出現的地方有無數個,但我們會透過回憶、親朋好友的描述,來限縮手機可能出現的範圍,如此就能避免海底撈針的窘境,大大增加了找到的可能性。

根據理論推估,極輕玻色子的質量範圍可能落在 10-33-10-6 電子伏特這麼龐大的範圍之中。科學家目前正嘗試用各種方法,有的經由設計精密的實驗對特定質量範圍進行地毯式搜索,有的透過天文觀測數據嘗試去限縮可能的質量範圍。在《物理評論快訊》4 月的一篇論文中[2],麻省理工學院-雷射干涉引力波天文台(LIGO)實驗室的科學家,利用「黑洞」來搜尋這種極輕粒子。這種概念聽起來十分不可思議,黑洞的質量至少是電子的倍,比極輕玻色子的質量至少大了 70 個數量級,作為對比,一個成年人和太陽質量大約只差了 30 個數量級。如此一個超級巨型的天體,是如何與微觀世界的基本粒子扯上關係的呢?這要提到量子理論預測的神奇現象:「超輻射(Superradiance)」。

麻省理工學院-雷射干涉引力波天文台(LIGO)。(圖/ LIGO

超輻射與黑洞自旋速度

量子理論告訴我們,在非常小的尺度下,古典理論將會失效,我們不再能將粒子視為一個單一質點。這個尺度被稱為康普頓波長(Compton Wavelength),它和粒子的質量成反比。質量極小的極輕玻色子,所對應的康普頓波長則非常大。對於特定質量的玻色子,其康普頓波長會和黑洞的尺寸差不多。當這個條件滿足,超輻射便會發生:黑洞附近強大的重力場,從真空中產生數量龐大的玻色子向外輻射出。這些玻色子,會將黑洞的能量帶走,使其自旋減慢。根據科學家的估計,這個減速作用可以持續數千年,使黑洞的自旋速度明顯減慢。

(圖/ pixabay

黑洞的自旋速度,可以透過分析 LIGO 偵測器訊號得知。LIGO 偵測器主要偵測黑洞、中子星互相環繞、合併所放出的微弱重力波訊號(關於重力波偵測器的更多詳細介紹,可參考 CASE:「愛因斯坦預測成真:首次偵測到重力波訊號」及相關系列文章)。研究團隊分析了 45 組黑洞互繞事件,這些黑洞具有 10-70 倍太陽質量。這對應到和它們發生交互作用的玻色子質量介於電子伏特。

其中有兩個黑洞,被發現以非常高的轉速在旋轉著。若是這個質量範圍的玻色子確實存在,那這些黑洞速度應該被減速至一半以下。因此,這兩個高轉速黑洞的存在,暗示著沒有與其發生交互作用的極輕玻色子。那有沒有可能黑洞的確被減速,但存在其他加速機制使黑洞又重新被加速?例如藉由吸入大量吸積盤[2]物質,獲得能量及動量?研究團隊也對此進行了仔細的估算,發現各種重新加速的機制,皆要耗費極長時間才能加速到現在的速度,這種可能性微乎其微。因此,這兩個高轉速黑洞的存在,基本上可以排除了特定範圍的極輕玻色子質量範圍。

這個實驗協助縮小了搜尋極輕玻色子的質量範圍,也是首個利用黑洞重力波資訊尋找暗物質的嘗試,可以說是一個重力波實驗與粒子物理很棒的跨界合作!

註解

  1. 在量子力學中,粒子可被分為「費米子」、「玻色子」,兩者具有截然不同的性質。若以比喻的說法,費米子較為孤僻,不喜歡大量群聚;玻色子則恰恰相反。
  2. 在黑洞周圍,受黑洞強大重力吸引的物質所形成的圓盤狀結構。

參考資料

  1. Fast-spinning black holes narrow the search for dark matter particles
  2. K. Y. Ng et al. , Constraints on Ultralight Scalar Bosons within Black Hole Spin Measurements from the LIGO-Virgo GWTC-2, Phys. Rev. Lett. 126, 151102. 2021

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CASE PRESS_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。


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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》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》