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天文學未來 10 年的 3 大目標:探索適居行星、動態宇宙與星系演化—— Astro2020 報告

EASY天文地科小站_96
・2021/11/26 ・3393字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 作者/林彥興|EASY 總編輯,現就讀清大天文所,努力在陰溝中仰望繁星

經過三年的漫長等待,Astro2020 終於在台灣時間 11/5 凌晨公布了結果報告。這場十年一次的大型天文會議,產出了一份 600 多頁的報告書,對美國國家天文發展策略提出建議。這份報告,將影響未來數十年美國乃至於全世界的天文物理發展。

圖/NASA/ESA; NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet; Illustris Collaboration; NASA Goddard; NASA/JPL-Caltech; NASA/Ames/JPL-Caltech

這項「十年調查」為何至關重要?

Astro2020 的全稱為「天文學和天體物理學十年調查 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics 2020」。正如其名,這是美國國家學院大約每十年會召開一次的超大型會議。會中將蒐集來自各方天文學家的觀點,回顧過去十年間天文物理的重大突破,鎖定未來十年美國最應該優先投資的研究領域,並且研擬達成這些科學目標所需要的方法與技術,最終將這一連串的構想整理後,向政府機構(如 NASA、NSF)提出建議,成為它們規劃預算的重要參考。換言之,這場會議將會左右未來十年數十億甚至上百億美金的預算分配,重要性可想而知。

Decadal Survey 的歷史相當悠久,第一屆舉辦於 1964 年,之後大約每隔十年開一次,一路進行到今天。歷史上多個重要的天文計畫,比如:

  • 甚大天線陣列 VLA(1960s / 1970s):著名的美國無線電陣列望遠鏡。
  • 哈伯太空望遠鏡 HST(1970s):NASA 的大型軌道天文台(Great Observatories)之一,無人不知的光學太空望遠鏡。
  • 錢卓 X 射線太空望遠鏡 Chandra(1980s):大型軌道天文台之一,軌道上最頂級的 X 射線天文台之一。
  • 史匹哲太空望遠鏡 Spitzer(1990s):大型軌道天文台之一,觀測中紅外線波段的太空望遠鏡。
  • ALMA(2000s):當代最頂尖的次毫米波陣列望遠鏡。
  • 韋伯太空望遠鏡 JWST(2000s):即將於今年底升空,新一代的旗艦級紅外線望遠鏡。
  • 羅曼太空望遠鏡 Roman(2010s):下一代近紅外太空望遠鏡,在不犧牲解析度的前提下,擁有比哈伯大 100 倍的視野。
  • 薇拉.魯賓天文台 Rubin(2010s):預計兩年內落成的革命性巡天望遠鏡。

它們都曾是 Decadal Survey 推薦優先執行的重要計畫。

JWST(左)與 Roman(右)太空望遠鏡分別是 2000 年與 2010 年 Decadal Survey 推薦優先執行的太空望遠鏡任務,它們預計將在 2020 年代的天文觀測中扮演重要的角色。由此也可以看到,Decadal Survey 所推薦的大型旗艦計畫,往往需要十多年甚至二十年以上的時間才能發展成熟。圖/NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez|GSFC/SVS

天文學未來 10 年的 3 大目標

Astro2020 提出,2020 年代天文物理的三個優先領域分別是:

  1. 通往適居世界之路 Pathways to Habitable Worlds
    以高對比度(high contrast)的探索系外行星與其中可能存在的生命跡象。
  2. 動態宇宙的新窗口 New Windows on the Dynamic Universe
    以重力波、微中子等多個資訊信使研究超新星爆炸、中子星合併等劇烈事件。
  3. 揭密星系演化推手 Unveiling the Drivers of Galaxy Growth
    研究宇宙一百多億年來的星系演化。

綜合上述三個領域的需求之後,Astro2020 提出未來美國應該優先投資的幾項重大計畫分別如下。

首先,Astro2020 對太空望遠鏡計畫的建議可能是最令人驚喜的。報告建議,美國應該啟動一系列「大型軌道天文台技術成熟計畫 Great Observatories Mission and Technology Maturation Program」,為 20 至 30 年後天文物理需要的天文台計畫鋪路。

其中最高優先度的計畫,是建造一座六米級的光學(從紫外線到近紅外線)望遠鏡,預計成本 110 億美元。從觀測的波段來看,它可以看成是現役哈伯太空望遠鏡的超級強化版;又或者,從 NASA 在 2019 年提供的四座「The New Great Observatories」概念研究來看,可以看成是縮小版的 LUVOIR-B,或是增強版的 HabEx。

Astro2020 認為,這樣的規格才有機會同時讓望遠鏡有辦法達成前述三大優先領域的需求(尤其是直接拍攝類似太陽-地球系統的系外行星大氣光譜),且有希望在 2040 年代前期升空。另外兩個應當在 2020 年代後半開始發展的計畫,分別是下一代 X 射線與遠紅外線的任務(分別可以看成 Lynx 和 Origin 的縮小版)。

LUVOIR-B 概念圖。Astro2020 推薦優先發展的下一代旗艦太空望遠鏡可能與此相似。圖/NASA GSFC

在地面望遠鏡方面,當務之急是繼續興建美國的兩座下一代巨型望遠鏡:三十米望遠鏡(TMT)與巨型麥哲倫望遠鏡(GMT)。在使用自適應光學的情況下,這個等級的望遠鏡將能達到 0.01 – 0.02 角秒等級的超高解析度,龐大的集光面積也將使它們能夠擁有非常高的靈敏度(sensitivity)。這樣的能力幾乎對天文物理的所有領域都能有革命性的幫助,比如它將能夠偵測、拍攝、甚至取得類地行星的大氣光譜。

但是,相比起另一個類似定位的歐洲計畫「歐洲極大望遠鏡 EELT」,GMT 與 TMT 的進度目前都嚴重落後。尤其原定要建造在夏威夷的 TMT,因為與當地原住民的衝突,自 2015 年開始就難以施工。Astro2020 建議,政府應該提供更多援助,幫忙解決兩個計畫預算不足的情況。但如果兩個計畫進度持續落後,Astro2020 也提供一套標準讓政府決定是否要放棄其中之一。

TMT 與 GMT。圖/USELTP/NOIRLab/TMT/GMT/NSF/AURA

除了光學之外,報告也建議在智利與南極建立下一代的微波望遠鏡,在宇宙微波背景(CMB)中尋找暴漲等宇宙學事件的證據,並且能夠提供前所未有的大面積、高靈敏度次毫米波天圖。下一代的甚大陣列望遠鏡(ngVLA)的先期研究也是重點之一,為其在 2030 年代的建造鋪路。此外下一代微中子探測器(IceCube-2)、重力波探測器(LIGO)等中等大小的計畫也要持續推進。

位於南極的 IceCube 微中子偵測器,是了解宇宙中高能事件的重要窗口之一。圖/Felipe Pedreros, IceCube/NSF

讓天文研究者更平等,也是重要議題

除了上述科學/科技相關的主題之外,Astro2020 也是 Decadal Survey 首次提到天文物理領域中存在的性別/種族等社會與倫理問題,以及許多對於「人」相關的建議。

報告中強調了美國天文學界的性別/種族倫理問題依舊嚴重,並且建議應將多元性納入獎項的評審機制,增加對學生、新進研究人員的資源投注,以及強化對各種不平等現象的資料收集,以更準確的將資源提供給需要的人。最後,報告也指出 Starlink、5G 等人類活動對天文研究產生的干擾。

Starlink 衛星群通過望遠鏡的視野中。這對天文觀測,尤其是對大面積的光譜巡天(Spectral Survey)會產生巨大的干擾。圖/ CTIO, NOIRLab, NSF, AURA and DECam DELVE Survey

結語

Decadal Survey 是美國天文物理界十年一遇的盛事。它回顧過去十年的天文物理成果,並為未來十年的發展劃下藍圖。Astro2020 建議,美國應該繼續建造兩座三十米級的地面光學望遠鏡(TMT、GMT),讓它們能在 2030 年代投入觀測。並且為 2040 年代的六米級大型光學太空望遠鏡的開發鋪路。除了科學與科技上的規劃,報告也指出天文物理界仍存在許多性別、種族等與「人」相關的問題有待改善。

整體來說,Astro2020 為 2020 年代的天文物理描述了令人興奮的未來。接下來,就讓我們一同期待,這些斑斕的夢是否能夠成為現實吧!

參考資料

  1. Interactive Overview: Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s
  2. Astro2020 Science White Papers · Bulletin of the AAS
  3. The New Great Observatories
  4. US astronomy’s 10-year plan is super-ambitious
  5. Influential U.S. astronomy wish list calls for giant space telescope to spot an Earth analog

延伸閱讀

  1. 出事了哈伯!細數哈伯太空望遠鏡31 年來的維修升級史- PanSci 泛科學
  2. 百倍於哈伯觀測能力,大小尺度通通包辦!——NASA 的下一個旗艦級「羅曼太空望遠鏡」 – PanSci 泛科學
  3. 為何NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空?——認識韋伯太空望遠鏡(一) – PanSci 泛科學
  4. 史上最大口徑的JWST 要如何塞進火箭?——認識韋伯太空望遠鏡(二) – PanSci 泛科學
  5. 太空巨獸JWST 升空後的150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡(三) – PanSci 泛科學
  6. 淺談JWST 的科學意義:探索宇宙深處與塵埃後的外星世界!——認識韋伯太空望遠鏡(四) – PanSci 泛科學
  7. 放眼系外行星的新一代望遠鏡:HabEx太空望遠鏡
  8. 天文學家的野望LYNX X射線太空望遠鏡
  9. 一閃一閃亮晶晶,滿天都是人造衛星- PanSci 泛科學

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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。

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