從太空窺探金星表面的派克太陽探測器

• 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。

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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。

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

回顧 2022 年，有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢？約莫兩星期前，《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破，從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來，每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦，廢話不多說，現在就來揭曉答案吧！

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年，韋伯太空望遠鏡（JWST）帶來的震撼，相信你我都印象深刻。

早在 1990 年，哈伯太空望遠鏡發射升空後，科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙，也想透過不同的波長，分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實，紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星，但隨著數十億年過去，這些新星發出的光，穿過不斷膨脹的宇宙，來到地球，被拉伸到更長的紅外線波長後，哈伯就沒輒了⋯⋯

• 延伸閱讀：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）
• 延伸閱讀：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）

那麼，要怎麼看見更遙遠的宇宙呢？去年底，歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空，開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段，包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

• 延伸閱讀：太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征 —— 認識韋伯太空望遠鏡（三）
• 延伸閱讀：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）

今年 6 月底，韋伯開始收集數據，三星期後就傳回了第一批深空照片，讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系，徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說，這是一個充滿奇蹟的時代，韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

• 延伸閱讀：解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義

研發多年生水稻 PR23，減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物，水稻肯定有一席之地！現今，大部分水稻都是一年二至三穫，每年收穫後都得重新種植，對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月，中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種，不但可以達到和傳統水稻相仿的產量，還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多，但從第二年開始，農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟，降低約 50% 的人力成本，到了第五年才需要重新種植。

在中國，PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃，平均產量則是每公頃 6.8 噸，略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據，PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時，科學家也正在觀察兩個潛在問題：一、雜草和病原體是否會積累在田地中，導致 PR23 需要更多除草劑，二、是否會排放更多的一氧化二氮，加劇溫室效應。但目前不可否認的是，多年生水稻有助於降低成本、提高收益，確實是一項重要的突破。

• 延伸閱讀：如何幫畜牧業減排溫室氣體？——教會小奶牛上廁所，可有效降低「一氧化二氮」排放！

誰說 AI 沒創意？AI 的創造力可是超乎想像呢！

說到 AI，有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢？沒錯，去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊，而在今年，他們著手設計全新的蛋白質，用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

• 延伸閱讀：2021 年《Science》年度十大科學突破

與此同時，DeepMind 發布了 AlphaTensor，用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一，可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

• 延伸閱讀：地表最速乘法傳說！碰到大得要命的數字，這是最快的乘法方式

另外，DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中，AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者，取得排名前 54% 的成績，跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外，AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後，今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2，只要輸入幾個字詞，AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月，有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風，卻也引來了哲學辯論和道德抨擊，但毫無疑問的是，人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力，開發出更多、更好的工具。

• 延伸閱讀：AI 是大藝術家？人工智慧演算出的作品可以被稱為藝術嗎？——《再．創世》專題

超級華麗的大～大～大細菌！

在你的印象中，細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢？今年 2 月，科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌（Thiomargarita magnifica），震驚了生物學界。

• 延伸閱讀：肉眼可見的「微生物」！科學家發現有史以來的最大細菌，平均長度大於 0.9 公分

一般來說，細菌沒有細胞核和膜狀胞器，遺傳物質都在細胞中自由漂浮，但華麗硫珠菌真的很華麗，不只可以長到 2 公分，比多數細菌大上 5000 倍，而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物，華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義，甚至有機會成為一塊拼圖，補足細胞進化過程中缺失的環節。

• 延伸閱讀：長達 5 億年的空白：真核生物從何而來？「洛基」是人類起源的解答嗎？──《纏結的演化樹》

開發新疫苗，呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年，美國感染呼吸道合胞病毒（RSV）的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強，通常只會引起類似感冒的輕微症狀，但在嬰幼兒身上，這種病毒會使肺部發炎，而在老年人身上，會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前，就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗，但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後，開發就此中斷。後來，科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱，不只殺不掉活生生的病毒，還能反過來幫助病毒破壞氣管。

• 延伸閱讀：燃燒吧，小宇宙！疫情之下，研發疫苗大絕招有哪些？

如今，莫爾豪斯醫學院（Morehouse School of Medicine）開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞（Pfizer）和葛蘭素史克藥廠（GSK）進行臨床試驗後，證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人，不會引起嚴重副作用，而在孕婦注射後，也能將抗體傳給胎兒。

• 延伸閱讀：新藥的研發流程概論

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮，但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全，其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

好啦～這篇到這裡，先介紹前五項突破就好！因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了，為了避免讀者一次閱讀太多字很累，只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後，如果你好奇另外五項突破是何方神聖，就來看第二篇吧！

接續下篇：2022 年《Science》年度十大科學突破（下）：EBV 病毒與發燒的地球

1761 年 6 月 6 日，歐洲的天文學家們乘船抵達世界各地的天文台，爭相用最先進的儀器紀錄一個罕見的天文現象──金星凌日， 因為此天文現象可以幫助人們精確測算地球與太陽的距離。在英法七年戰爭的氛圍下，兩國的天文學家尤其較勁，都想要第一個量出日地距離，為天文學史畫下濃墨重彩的一筆。然而當大家拭目以待地望向剛與太陽重疊的金星時，卻都露出了驚訝的表情──金星變形了！

說到金星凌日，大家最有印象的或許是 2012 年的一次金星凌日，從天文學家到各個職業的人們都拿著減光濾鏡共襄盛舉，畢竟下一次的金星凌日要到 2117 年才會再發生。然而在過去，金星凌日並不只是歡樂的娛樂事件，也是非常嚴肅的科學事件。

在十八世紀時，多數天文學家都接受哥白尼的日心說，而克卜勒提出的行星運動三大定律，則可以推導出各行星軌道半徑與地球軌道半徑之間的相對長度，然而最大的問題是當時的人們並不知道地球軌道半徑（地球到太陽的平均距離）的絕對長度。為了解決這個問題，英國天文學家愛德蒙．哈雷於 1716 年提出了使用金星凌日來測量日地距離的方法。如圖一所示，金星凌日的軌跡長短與在地球上的何處觀測有關，在軌跡較長處金星凌日的時間較長，反之則較短，這是因為在地球上不同處觀測金星的視角不同造成的。

假設我們在地球上的 A 與 B 兩處量測金星凌日的時間，我們可以量出兩地觀測金星時的視角差，在知道 A 與 B 間距的前提下，我們可以用視差法量出地球到金星在金星凌日發生時的距離（見圖二）。最後根據克卜勒第三行星運動定律─行星公轉太陽週期平方與行星到太陽的平均距離立方成反比─可以得出金星到太陽的距離約為地球到太陽距離的 0.7 倍，我們也可以得知地球與金星在金星凌日時的距離是地球到太陽距離的0.3倍，由此可以推導出太陽與地球的距離。

此方法在當時極大鼓舞了天文學家的士氣，大家都摩拳擦掌的為 1761 年的金星凌日作出準備，共一百多名天文學家乘船至世界各地以測量不同地方金星凌日的時長，其中較為著名的有英國派出的庫克船長於大溪地觀測金星凌日，以及荷蘭則派出的 Johan Maurits Moh 到歷史課本中提過的荷蘭東印度公司巴達維雅總部進行觀測（圖三）。

然而正當金星與太陽重疊時，大家卻不知道何時該按下碼表記錄金星凌日開始的時間，因為金星變形了。圖四是最早關於金星變形的紀錄，在金星靠近太陽的邊緣時金星的旁邊會出現黑色的陰影與太陽邊緣相連接，而這樣的陰影狀似水滴，因此這個現象也被稱作「黑滴現象」。

當時的天文學家們為黑滴現象提出了各種不同的解釋，有些天文學家認為黑色的陰影是金星大氣對太陽光的散射與折射造成的錯覺，也有人認為這是地球大氣擾動造成的現象，還有人認為是太陽光通過金星時繞射所造成的陰影。

前面兩種解釋在 1999 年 NASA 的 TRACE 太空望遠鏡對水星凌日的觀測後被否定，因為太空中沒有地球大氣干擾，水星上則沒有大氣可以散射或折射太陽的光線，而觀測的照片中卻仍出現黑滴效應（圖五）。光的繞射所能造成的影響則不足以產生黑滴現象（繞射影響在約 10^{-9} 角秒，可忽略^[1]）。

關於黑滴現象的成因一直到 2004 年才得到令人信服的解釋，天文學家 Glenn Schneider 認為黑滴現象是由望遠鏡的點擴散函數（Point Spread Function, PSF）以及太陽的周邊減光造成的 ^[2]。

為了簡單瞭解他所提出的概念，大家可以將大拇指與食指放在一光源之前漸漸靠近（直視強光源會傷害眼睛，請注意光源強度不可以太強），在兩指快要靠在一起時，可以看見兩指中間突然浮現出一段陰暗的橋將兩指相連（如圖六）。

這是因為非點光源會在兩指的邊緣製造出模糊的陰影，而人眼對模糊的陰影並不敏感，因此直到兩指特別靠近時，兩指的陰影重疊導致陰影變明顯才看得出來。圖七與圖八中的兩塊陰影可以幫助大家更好地破除這個錯覺，圖七單純顯示兩塊模糊的陰影，而圖八將陰影的等暗度線畫出來。比較兩圖我們可以發現雖然圖七中兩塊陰影像是連接在一起，然而實際上圖八卻顯示兩陰影並沒有連接在一起 ^[3]。

金星凌日所產生的黑滴效應也是透過類似的方式產生的，不過金星模糊陰影與太陽邊緣模糊的成因不同。金星陰影在望遠鏡的觀測中，會因為望遠鏡的點擴散函數而在成像時顯得模糊。望遠鏡的點擴散函數，指的是一望遠鏡在觀測點光源時成像的樣子，不同望遠鏡的點擴散函數有所不同，但通常口徑小或做工差的望遠鏡會有較大之點擴散函數，點光源被模糊化的程度也越高，看的也就越不清晰。

回到金星的陰影，當古代人們用做工差且口徑較小的望遠鏡觀測金星時，其陰影非常模糊、黑滴現象較現在的望遠鏡明顯的多，這也是為什麼各地回報黑滴現象的次數隨著望遠鏡的進步逐漸地減少 ^[4]。

太陽邊緣的模糊則主要是因為太陽是一團沒有銳利邊緣的發光電漿。如圖九所示，假設每單位體積電漿能發出的光相同，我們可以看到往太陽邊緣的線上通過的電漿比往太陽中心的線上通過的電漿要少，這也代表著往太陽中心看去的光線較亮，而越往太陽邊緣看去亮度會逐漸減少。圖十是一個比較誇張的示意圖，圖中一模糊的黑影為金星，一模糊的白色邊緣則代表太陽邊緣，即便兩者的邊緣沒有接觸，我們仍能看到金星的邊緣伸出了黑影，與太陽邊緣相連接，這便是黑滴現象的由來。

回到日地距離的問題上，難道在這兩百多年的時間中沒有其他方式能量測金星與地球的距離嗎？實際上在雷達與遙測技術的加持下，人們早在 1964 年就能夠以高精度量測地球到金星間的距離了，因此如今的日地距離測量早已與金星凌日無關。

不過黑滴現象這一歷史悠久的問題，仍在一代一代天文學家的不懈努力下被解決了；時至今日，我們仍面臨著宇宙的諸多未知，而我由衷的期待這些現在看似無解的問題，能在未來的某一天被解決，無論花上幾十年、幾百年的時間。

參考資料：

1. The Transit of Venus and the Notorious Black Drop, Schaefer, B. E. (2000) https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000AAS…197.0103S/abstract
2. TRACE observations of the 15 November 1999 transit of Mercury and the Black Drop effect: considerations for the 2004 transit of Venus, Glenn Schneider (2004) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103503003841?via%3Dihub
3. Stackexchange, Why do shadows from the sun join each other when near enough? (2014) https://physics.stackexchange.com/questions/94235/why-do-shadows-from-the-sun-join-each-other-when-near-enough
4. The black-drop effect explained, Jay M. Pasachof (2005) https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2005tvnv.conf..242P/abstract