「泛星計畫」再度發現肉眼可見的彗星

• 文／Heidi
• 本文編譯自《Science’s 2022 Breakthrough of the Year: A telescope’s golden eye sees the universe anew》

接續上篇：2022 年《Science》年度十大科學突破（上）：持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡

看過 2022 年十大科學突破的前五項後，你是否迫不及待想知道另外五項呢？讓我們繼續看下去吧！

多發性硬化症的元兇：EBV 病毒

多發性硬化症（Multiple sclerosis）是一種中樞神經系統疾病，初期症狀只有視力模糊、手腳麻木、走路不穩等，到了後期便逐漸讓病患喪失視力、無法說話和行走。

• 延伸閱讀：免疫細胞誤擊友軍造成神經「短路」！——症狀千變萬化的多發性硬化症

長久以來，科學家懷疑多發性硬化症的元兇是「人類疱疹病毒第四型病毒」（EBV）。這種病毒主要透過唾液傳播，幾乎每個人一生中都會感染到，然後病毒會潛伏在白血球中。雖然患者大多都有 EBV 抗體，但 95% 的健康成年人也有，難以作為判定依據。

然而，今年 1 月刊載在《Science》的研究指出，感染 EBV 將導致罹患多發性硬化症的風險增加 32 倍。另一篇《Science》研究也發現潛伏在白血球中的病毒可能會「甦醒」，而病毒的其中一種蛋白質，會誘使免疫系統攻擊中樞神經細胞。

這些新發現給了科學家開發疫苗的方向。目前，有一種 EBV 疫苗正在進行臨床試驗，要是數據顯示疫苗有效，那麼在未來，多發性硬化症或許就能像小兒麻痺一樣，從此絕跡。

• 延伸閱讀：小兒麻痺疫苗的誕生——沙克誕辰｜科學史上的今天：10/28

美國簽署《降低通膨法案》，搶救發燒的地球

今年 2 月，聯合國 IPCC 第六次評估報告指出，若是全球平均升溫超過 1.5°C，各地都將出現多種極端氣候災害，部分地區也將不再適合人類居住。

• 延伸閱讀：IPCC 最新氣候變遷報告說了什麼？更熱的地球與更脆弱的人類

8 月，美國總統拜登（Joe Biden）簽署了《降低通膨法案》（Inflation Reduction Act），試圖從綠能、醫療、稅收等三大面向解決通貨膨脹的問題，同時減少溫室氣體排放，堪稱美國史上最重要的氣候法案。

身為全球第二的溫室氣體排放國，美國將在未來 10 年撥出 3690 億美元，投入綠能、電動車、核能發電等產業，目標是在 10 年後（2032 年）將溫室氣體排放量降低到 2005 年的 40%。

目前，全球平均升溫（相較於工業革命前）來到 1.2°C，而且今年的溫室氣體排放量仍持續上升，沒有下降趨勢。許多氣候科學家都認為升溫幅度必然超過《巴黎協定》規範的 1.5°C 上限，因此我們都需要盡快採取更多行動保護地球。

• 延伸閱讀：巴黎協定 5 年了，來看看它有沒有好好運作

逃過黑死病的方法，竟然是遺傳？

700 年前，橫行歐洲的黑死病殺死了 1/3 到 1/2 的人口。關於那些倖存者，科學家好奇了很久，想知道他們當初是如何逃過一劫，以及黑死病究竟帶來了什麼影響。

• 延伸閱讀：花粉揭秘：黑死病災情，歐洲各地很不一樣

今年 10 月， ㄧ篇《Science》的研究顯示倖存者體內可能有基因變異，提升他們對鼠疫桿菌（Yersinia pestis）的免疫反應。團隊分析了 500 多具遺骨中的古代 DNA，發現在英國倫敦爆發黑死病後，倖存者體內有 245 處的基因都有出現變異。

在這些 DNA 裡，內質網胺肽酶 2（ERAP2）引起了科學家的注意。這種蛋白酶有兩種變體：一種是完整尺寸，另一種較短，但都可以幫助免疫細胞識別、對抗病毒。科學家發現，遺傳完整尺寸 ERAP2 的人類存活機率是 2 倍，因為他們能夠生成更多細胞激素，協助免疫系統對抗鼠疫桿菌。

• 延伸閱讀：發炎反應的關鍵訊號「細胞激素」和它們的發現者—— 2020 唐獎生技醫藥獎

如今，約有 45% 的英國人體內還存有完整尺寸的 ERAP2 變體，但代價就是 ERAP2 也會增加罹患克羅恩病（Crohn’s disease）和類風濕性關節炎等自體免疫性疾病的風險。

碰！NASA 撞歪小行星！

多年來，NASA 持續監測直徑超過 0.5 公里的近地小行星，並且透過「雙小行星重定向測試計劃」（DART）研究多種讓小行星偏離軌道的方法。

• 延伸閱讀：披著喜劇外皮的警世寓言：《千萬別抬頭》背後的科學真相

今年 9 月，NASA 讓 DART 飛行器以 22,530 公里的時速撞擊小行星 Dimorphos，讓 Dimorphos 更靠近它繞行的另一顆小行星 Didymos，縮短了 32 分鐘的公轉週期，比 NASA 原先設定的目標還要高出 26 倍。

目前為止，天文學家估計軌道與地球軌道相交的近地小行星有 25,000 顆，大小都足以摧毀一座大城市。雖然行星防禦系統（Planetary Defense）尚未建構出完整情報，但針對人類首次改變天體運行的壯舉，NASA 署長表示「這是行星防禦任務的分水嶺，也是人類文明的分水嶺」，有助於降低小行星或隕石撞到地球的機率。

• 延伸閱讀：Just Look Up！小行星監測系統「哨兵」全面升級

從永凍土提取環境 DNA，重建古代生態系統

以往普遍認為 DNA 的保質期約為 100 萬年，但在今年 12 月，科學家從北極寒漠的永凍土中，提取了 200 萬年前殘留至今的環境 DNA 片段。透過分析這些片段，科學家還原了格陵蘭東北部皮里地（Peary Land）約 200 萬年前生態系統的樣貌。

英國劍橋大學研究顯示，在 200 萬至 300 萬年前，皮里地的平均氣溫比現在高 11℃ 至 19℃。從 5 處沉積層中提取的 41 個 DNA 片段，證實了當時有楊樹、樺樹、崖柏和各種針葉樹，也有野兔、旅鼠、馴鹿、囓齒動物，以及 1 萬年前滅絕的大象近親——乳齒象。過去從來沒有科學家料到乳齒象的活動範圍竟然延伸到那麼遠的北方。

可惜的是，因為缺少脊椎動物的化石，目前還不清楚確切的生物群落組成，但這項研究證明了利用環境 DNA 追溯 200 萬年前的古生物是可行的，而這也有助於科學家進一步探討生物和環境的演化。

• 延伸閱讀：不用觀落陰，DNA 帶你重回人類大歷史現場 ——古代 DNA 追追追（上）
• 延伸閱讀：啊～追著你的人、追著你從哪來、追著你的發展歷史——古代 DNA 追追追（下）

• 文／蕭予揚 清大天文所碩士生，將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士、
  　　林彥興 清大天文所碩士生，EASY 天文地科團隊總編

若問當前軌道上最強的可見光太空望遠鏡是誰，那當然非哈伯太空望遠鏡莫屬。身處太空的它有著直徑 2.4 公尺的主鏡，可以在不受大氣層干擾的情況下，清晰地拍攝遙遠且黯淡的天體。然而，哈伯望遠鏡並非全能，雖然它在解析度（angular resolution）和靈敏度（sensitivity）上都無人能及，但也有不擅長的領域 ── 它的視野相當小。

即使是哈伯裝備的所有相機中視野最大的「先進巡天相機（ACS）」，其視野也只有 202 角秒 x 202 角秒而已，相當於滿月的 1.5%，或是一個十元硬幣在約 25 公尺外的大小。可以想見，想要用這麼小的視野拍攝廣大的區域，是相當緩慢而沒有效率的事。

直到最近幾年，天文學家發明了稱作「Drift And SHift (DASH)」的新型觀測模式，可以在不改變哈伯硬體設備的前提下，大大增加哈伯在近紅外線波段的拍攝效率。利用這項技術，來自多倫多大學的團隊展開名為 3D-DASH 的大型紅外線巡天計畫，其拍攝的天空範圍，是前一個紀錄保持人「CANDELS」的七倍之多。

不斷選擇「引導星」的傳統觀測模式

想了解為什麼 DASH 技術可以大大提升哈伯的觀測效率，就要先從哈伯原本是怎麼觀測的開始談起。

不知道大家有沒有在黑夜中拍照的經驗呢？在低亮度的環境中，相機總需要比較長的時間進行曝光，才能拍出清楚的照片。而如果你在曝光的過程中不小心移動了相機，那拍出來的照片就會糊成一團。同理，由於天文學家想要拍攝的目標，大多是極其遙遠且黯淡的天體，所以天文觀測時單張照片的曝光時間，往往動輒數百秒以上。因此，專業天文望遠鏡常會配備「導星（Guiding）」系統，以確保望遠鏡能在數百秒的時間內，都精準的指向同一個位置。

導星的原理很簡單，就是在望遠鏡和相機觀測的同時，同時用另一套相機監測視野中星星的位置。一旦發現畫面中恆星的位置有任何小小的移動，導星系統就會命令望遠鏡調整指向（pointing），即時把誤差修正回來。在哈伯望遠鏡上，這個負責導星的相機叫作「精細導星感測器（FGS）」。而這個用來幫望遠鏡「導航」的星星，就被稱為「引導星（guide star）」。

一般來說，在哈伯望遠鏡每指向一個新的目標，都需要先花費一段約十分鐘的時間選擇引導星，然後才能進行科學拍攝。然而，由於哈伯的軌道週期僅有 97 分鐘左右，因此在一次軌道中，哈伯基本上只能拍攝一或兩個固定的天區，不然就會有大量的觀測時間被浪費在尋找引導星的過程中。如此一來，天文學家若想透過哈伯來拍攝 800 個不同指向，就需要花費 800 次的軌道繞行時間才能結束這項任務。

花費很多時間有什麼問題呢？哈伯望遠鏡的觀測，是由美國「太空望遠鏡科學研究所（STScI）」向全世界天文學家公開徵求觀測企劃之後，再從中挑選出最具科學效益的企劃後實施。一個耗時 800 個軌道週期的觀測，很難在競爭激烈的觀測計劃書中脫穎而出。

但如果，天文學家真的很需要用哈伯進行大面積的巡天，該怎麼辦呢？

提升效率的新方法

如前述，一般來說哈伯每指向一個新目標，都需要花費十分鐘來進行捕捉引導星。但換個角度想，如果把導星功能關掉，不就可以省下這些時間了嗎？

還真是沒錯，哈伯的設計的確是可以關掉導星系統，利用其中的陀螺儀來進行控制。但陀螺儀的能提供的穩定性終究不如導星系統，一旦曝光時間過長，望遠鏡的微小移動還是會造成最後曝光出來的星星像塗抹花生醬一樣糊成一片，這樣的影像是很難用於科學分析的。

開導星耗時間，不開導星又沒辦法長曝，該怎麼辦呢？

這時就輪到「Drift And SHift（DASH）」技術出場了！DASH 的核心概念很簡單：

• 為了省時，我們就關掉導星。
• 關導星不能長曝，那我們就拍很多短曝光時間的照片，降低每張照片的模糊程度，再把它們對齊之後疊起來。

以 3D-DASH 計劃來說，關掉導星會讓哈伯的指向以每秒 0.001 至 0.002 角秒的速度緩緩飄移。因此天文學家將每張照片的曝光時間壓縮到 25 秒以下，讓星點在畫面中的移動不超過一個像素（WFC-3 的像素大小為 0.129 角秒）。利用這樣的技術，天文學家就能在哈伯的一次軌道週期中，拍攝八個不同的指向，把觀測效率提升了八倍！

拍這些照片有什麼用？3D-DASH 的科學意義

3D-DASH 計畫的觀測資料最近已於網路上公開，不過這龐大的資料量，觀測團隊以及其他科學家們還需要更多時間進行分析。不過，在公布這個計劃的論文中，團隊已經提出了一些值得分析的科學問題。

舉例來說，天文學家認為如今多數的橢圓星系（elliptical galaxy）們，都是由較小的星系合併而來。因此尋找合併中的星系，並測量它們的各項物理性質，是研究星系演化歷史的重要方法。但很多時候，地面望遠鏡可以大略看到一個光點可能是兩或多個相鄰的天體組成，卻沒有足夠的解析度可以研究它們的細節。但有了 3D-DASH 的資料，天文學家就可以清楚的看到星系們合併的細節，並研究其中細微的結構以及測量更多複雜的物理量。

不過這種大範圍的巡天計畫也不是完美的。為了拍攝廣大的天區，每個天區分配到的平均觀測時間就會比較少，因此比起 CANDELS 等前輩們，3D-DASH 只能看到相對亮的星系們。雖然如此，3D-DASH 這種相對廣而淺的觀測，不僅可以提供更大量的星系樣本，幫助天文學家使用強大的統計方法進行分析；也可以讓天文學家先大概了解這片天區裡有些什麼，如果發現了有趣的目標，就可以使用哈伯或韋伯等其它強大的望遠鏡們進行更深入的觀測！

參考資料

• 3D-DASH — Lamiya Mowla
• [2206.01156] 3D-DASH: The Widest Near-Infrared Hubble Space Telescope Survey
• Hubble Space Telescope captures largest near-infrared image to find universe’s rarest galaxies — ScienceDaily

延伸閱讀

• 未來的高解析度近紅外線巡天計畫
  • 丈量宇宙幾何：歐幾里德太空望遠鏡- 科學月刊Science Monthly
  • 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
• 哈伯太空望遠鏡
  • 讓人們窺見宇宙天體的真面目 ——哈伯太空望遠鏡- PanSci 泛科學
  • 出事了哈伯！細數哈伯太空望遠鏡31 年來的維修升級史

• 文／邵思齊，現就讀臺大地質科學系，著迷於大自然的鬼斧神工。

現代的人們生活在充滿明亮人造光源的城鎮中，難以想像純粹的夜空是什麼樣子。對宇宙中天體的印象，多半來自各地天文台與太空望遠鏡所捕捉的絢麗星雲、星團、星系。但這些影像中的顏色是真實的嗎？如果我們能夠用肉眼看到這些天體，它們的顏色真能如影像中如此的五彩繽紛嗎？

色彩的起源：為什麼人眼能看到顏色？

電磁波跨越各種尺度的波段，有波長遠小於 1 奈米的伽瑪射線，也有波長數百公里長的無線電波。但人類眼睛中的的感光細胞僅能感測到波長介於 400-700 奈米之間的電磁波，也就是僅有這段電磁波能夠以紅到紫的色彩出現在人類的視野當中，所以我們對外界的認知就受限於這小一段稱為可見光（Visible Light）的視窗。人之所以能夠辨識不同的顏色，靠的是人眼中的視錐細胞。視錐細胞分成 S、M、L 三種，分別代表 short, medium, long，其感測到的不同波長的光，大致可對應到藍色、綠色、紅色。

肉眼可以，那相機呢？

在還沒有電子感光元件的時代，紀錄影像的方法是透過讓底片中的銀離子曝光、沖洗後，變成不透光的金屬銀（負片），但這樣只能呈現出黑白影像。於是，歷經長時間的研究與測試，有著三層感光層的彩色底片誕生了。它的原理是在不同感光層之間加上遮色片，讓三層感光片能夠分別接收到各自顏色的光線。最常使用的遮色片是藍、綠、紅三色。進入數位時代，電子感光元件同樣遇到了只有明暗黑白、無法分辨色彩的問題，但這次，因為感光元件無法透光，不能像底片一樣分層感光，工程師們只好另闢蹊徑。

於是專為相機感光元件量身打造的拜爾濾色鏡（Bayer Filter）誕生了，也就是由紅色、綠色、藍色三種方形濾光片相間排列成的馬賽克狀濾鏡，每一格只會讓一種顏色通過，如此一來，底下的感光元件就只會接收到一種顏色的光。接著，再把相鄰的像素數值相互內插計算，就可以得到一張彩色影像。由於人的視錐細胞對綠色特別敏感，因此拜爾濾色鏡的設計中，綠色濾光片的數量是其他顏色的兩倍。

這種讓各個像素接收不同顏色資訊的做法，雖然方便快速，卻需要好幾個像素才能還原一個區塊的顏色，因此會大幅降低影像解析度。這對寸解析度寸金的天文研究來說，非常划不來，畢竟我們既想得知每個像素接收到的原始顏色，又想獲得以像素為解析單位的最佳畫質，盡可能不要損失任何資訊。

要怎麼讓每個像素都能獨立呈現接收到的光子，而且還能夠完整得到顏色的資訊呢？最好的方法就是在整塊感光元件前加上一塊單色的濾色鏡，然後輪流更換不同的濾色鏡，一次只記錄一種顏色的強度。然後，依照濾鏡的波段賦予影像顏色，進行疊合，得到一張還原真實顏色的照片。如此一來，我們就能用較長的拍攝時間，來換取最完整的資訊量。以天文研究來說，這種做法更加划算。

另外，由於視錐細胞並不是只對單一波長的光敏感，而是能夠接收波長範圍大約數百奈米寬的光，因此若是要還原真實顏色的影像，人們通常會使用寬頻濾鏡（Broadband filter），也就是波段跨足數百奈米的濾鏡進行拍攝。

美麗之外？濾鏡的科學妙用

雖然還原天體的真實顏色是個相當直覺的作法，但既然我們有能力分開不同的顏色，當然就有各式各樣的應用方法。當電子從高能階躍遷回到低能階，就會釋放能量，也就是放出固定波長的電磁波。若是受到激發的元素不同，電子躍遷時放出的電磁波波長也會隨之改變，呈現出不同顏色的光。

如果我們在拍攝時，可以只捕捉這些特定波長的光，那我們拍出的照片，就代表著該元素在宇宙中的分佈位置。對天文學家來說，這是相當重要的資訊。因此，我們也常使用所謂的窄頻濾鏡（Narrowband filter），只接收目標波段周圍數十甚至數個奈米寬的波長範圍。常見的窄頻濾鏡有氫（H）、氦（He）、氮（N）、氧（O）、硫（S）等等。

有時候，按照原本的顏色疊合一組元素影像並不是那麼妥當，例如 H-alpha（氫原子）和 N II（氮離子）這兩條譜線，同樣都是波長 600 多奈米的紅色光，但如果按照它們原本的波長，在合成影像時都用紅色表示，就很難分辨氫和氮的分布狀態。這時候，天文學家們會按照各個元素之間的相對波長來配製顏色。

以底下的氣泡星雲（Bubble Nebula, NGC7635）為例，波長比較長的 N II 會被調成紅色，相對短一點的 H-alpha 就會調成綠色，而原本是綠色的 O III 氧離子則會被調成藍色。如此一來，我們就可以相對輕鬆地在畫面中分辨各個元素出現的位置。缺點是，如果我們真的用肉眼觀測這些天體，看到的顏色就會跟圖中大不相同。

當然，這種人工配製顏色的方法也可以用來呈現可見光以外的電磁波，例如紅外線、紫外線等。舉哈伯太空望遠鏡的代表作「創生之柱」為例，他們使用了兩個近紅外線波段，比較長波的 F160W 在 1400~1700nm，比較短的 F110W在900~1400nm，分別就被調成了黃色和藍色。星點發出的紅外光穿越了創生之柱的塵埃，與可見光疊合的影像比較，各有各的獨特之處。

望遠鏡接收來自千萬光年外的天體光線，一顆一顆的光子累積成影像上的點點像素，經過科學家們的巧手，成為烙印在人們記憶中的壯麗影像。有些天體按照他們原始的顏色重組，讓我們有如身歷其境，親眼見證它們的存在；有些影像雖然經過調製，並非原汁原味，卻調和了肉眼所不能見的波段，讓我們得以一窺它們背後的故事。