天文學家發現尺度最大的宇宙結構

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

• 作者／豪爾赫．陳、丹尼爾．懷森
• 譯者／徐士傑、葉尚倫

如果我被吸進黑洞會怎麼樣？

很多人似乎都有這個疑問。

「進入黑洞後會發生什麼事呢？」在許多科學書籍中都有提到，也是我們聽眾和讀者經常提出的問題。但是為什麼大家對這問題特別有興趣呢？難道公園裡處處都是黑洞？或是有人計畫在黑洞附近野餐，但又擔心放任他們的孩子在旁邊跑來跑去會發生問題？

可能不是。這個問題的吸睛度與實際上會不會發生無關，而是源自我們對迷人太空物體的基本好奇心。眾人皆知，黑洞是神祕莫測的奇怪空間區域，是時空結構中與宇宙實體完全脫節的「空洞」，任何東西都無法逃脫。

不過，掉入黑洞是什麼感覺呢？一定會死嗎？和掉進普通洞裡的感覺有什麼不同？你會在洞內發現宇宙深處的祕密，還是看到時空在你的眼皮子底下伸展開來？在黑洞裡面，眼睛（或大腦）能正常發揮功能嗎？

只有一種方法可以找到答案，那就是跳進黑洞。所以抓起你的野餐墊，和你的孩子說聲再見（也許是永別），然後牢牢抓緊，因為我們即將深入黑洞公園展開終極冒險。

接近黑洞

當你接近黑洞時，注意到的第一件事可能是，黑洞確實看起來就像「黑色的洞」。黑洞是絕對黑色，本身完全不發射或反射光線，任何擊中黑洞的光都會被困在裡面。所以當你觀察黑洞時，眼睛看不到任何光子，大腦會將其解釋為黑色。

黑洞也是個不折不扣的洞。你可以將黑洞視為空間球體，任何進入黑洞的東西都會永遠留在裡面。這是因為已經留在黑洞內的東西所造成的重力效應：質量在黑洞中被壓縮得十分密集，進而產生巨大的重力影響。

為什麼？因為離有質量的東西愈近，重力愈強，而質量被壓縮代表你可以十分靠近質量中心。質量很大的東西通常分布得相當分散。以地球為例，地球質量大約與一公分寬（大約一個彈珠大小）的黑洞等同大小。如果你與這個黑洞距離一個地球半徑長，感受到的重力就如同站在地球表面一樣，都是 1g。

但是當你分別接近兩者中心時，會發生截然不同的狀況。當你愈靠近地球中心點，愈感覺不到地球重力。那是因為地球圍繞著你，把你平均的往各個方向拉。相反的，當你離黑洞愈近，感受到的重力愈大，因為整個地球質量近在咫尺的作用在你身上。這就是黑洞強大的威力，超緊緻質量對周圍事物立即產生巨大影響。

真正緊緻的質量會在自身周圍產生極大重力，並且在一定距離處，把空間扭曲到連光都無法逃脫（請記住，重力不僅會拉動物體，還會扭曲空間）。光不能逃脫的臨界點稱為「事件視界」，在「某種程度」上，事件視界定義了黑洞從何處開始，以此距離為半徑的黑色球體則稱為黑洞。

黑洞的大小會隨著擠進多少質量而發生變化。如果你把地球壓縮得足夠小，會得到一個彈珠大小的黑洞，因為在大約一公分距離內，光再也無法逃脫。但是如果你再壓縮更多質量，黑洞半徑就會更大。例如，你把太陽壓縮變小，空間扭曲程度更高，事件視界更遠，大約發生在距離中心點三公里處，因此黑洞寬度約六公里。質量愈大，黑洞愈大。

其實，黑洞的大小並沒有理論限制。在太空中我們已探測到的黑洞寬度，最小約有二十公里，最大可達數百億公里。實際上，黑洞形成的限制只有周圍環繞物質的多寡，以及所允許的形成時間。

當你接近黑洞時，可能會注意到的第二件事是，黑洞通常不孤單寂寞。有時你會看到周圍東西掉進黑洞。或者更準確的說，你會看到東西在黑洞周圍旋轉等待落入。

這種東西稱為「吸積盤」，是由氣體、塵埃和其他物質組成。這些物質沒有被直接吸入黑洞，而是在軌道上盤旋等待、螺旋進入黑洞。這景象對於小黑洞而言，可能不是那麼令人印象深刻，但如果是超大質量黑洞，確實值得一看。氣體和塵埃以超高速度飛來飛去，產生非常強烈的純粹摩擦力，導致物質被撕裂，釋放出許多能量，創造出宇宙中最強大的光源。這些類恆星（或稱類星體）的亮度，有時比單個星系中所有恆星的亮度總和還要高數千倍。

幸運的是，並不是所有黑洞，甚至是超大質量黑洞，都會形成類星體（或耀星體，就此而言，像是吃了類固醇的類星體）。大多數時候，吸積盤並沒有合適的東西或條件來創造如此戲劇化的場景。這也算是一樁美事，否則的話，你一靠近活動劇烈的類星體，可能會讓你在瞥見黑洞之前就氣化了。希望你選擇落入的黑洞周圍有個漂亮的、相對平靜的吸積盤，讓你有機會接近並好好欣賞。

——本文摘自《宇宙大哉問：20個困惑人類的問題與解答》，2022 年 8 月，天下文化，未經同意請勿轉載。

• 文／陳明堂，中央研究院天文所及天文物理研究所研究員，兼天文所夏威夷運轉副所長。

去 (2019) 年，臺灣黑洞團隊與事件視界望遠鏡 (Event Horizon Telescope, EHT) 公布第一張黑洞照片。一年後，他們雖然沒有呈現新的黑洞照片，卻推出一張所未見的黑洞噴流影像。黑洞噴流如同兩隻金魚的發光體，起初讓研究團隊摸不著頭緒。所幸 EHT 強大的解析能力逐漸解開噴流的真面目，原來圖片左上的影像是噴流的源頭，右下則是逐步遠離的噴流。此外，這把宇宙等級的噴火槍其實是耀變體，在觀測中展現出許多令人驚奇的特性。

宇宙級的噴火槍：3C 279

在去年公布的首張黑洞影像後，事件視界望遠鏡團隊今 (2020) 年又再次發表另一張超高解析度的影像（下圖）。這次的目標是一個叫做 3C 279 的星體，影像呈現出一對橢圓狀的發光體。這兩個光體的位置左上右下，似乎處在一種隨遇而安的狀態。與去年發表的黑洞甜甜圈不同，反而像在一潭黝黑的池水中，偶爾浮上水面的兩條金魚。

3C 279 是一個類星體（quasar，下圖），位在室女座（Virgo Constellation，又稱處女座）附近，靠近春季大三角 (Spring Triangle) 的角宿一 (Spica)。

雖然肉眼看不見 3C 279，但是從過去的觀測，天文學家知道它是銀河系外頭的另一個星系。它發出的訊號，從低能量的無線電波、紅外線到可見光、紫外線延伸至高能量的 X 光，應有盡有；甚至也會發出強烈的超高能量的射線。

與去年的 M87* 黑洞相比，為什麼這次的影像中沒有看到甜甜圈呢？

因為 3C 279 距離地球太遠了，相比之下，去年拍到 M87* 離地球「僅僅」5500 萬光年，而 3C 279 則幾乎是 100 倍遠的距離。不僅如此，根據天文學家的估計，3C 279 中心黑洞的大小還不到 M87* 的五分之一。由於又小又遠，因此以目前 EHT 的影像解析能力，還無法完全看到 3C 279的黑洞，所以在此影像中才看不到任何的甜甜圈。

黑洞物理參數的比較

看不見甜甜圈沒關係，EHT 還是有辦法解析！

雖然看不到黑洞，但是天文學家可以利用 EHT 的超級解析能力來研究黑洞外圍的物理現象。

當環繞黑洞的星際物質從吸積盤掉進黑洞時，並非所有物質都會進入黑洞之中。其中一部份的物質會以電漿能量包的形式，以極高的速度從黑洞的兩個極點朝外噴出，物質噴出的速度趨近光速，這就是所謂的噴流。目前科學家還不了解噴流的確切成因，但是一般認為是吸積盤與黑洞周遭的磁力場所造成，這也是 EHT  的科學家研究 3C 279 的主要動機。

人們對黑洞的了解是建立在愛因斯坦的廣義相對論。黑洞是經由重力塌縮 (gravitational collapse) 後形成的星體，它具有質量、自轉和事件視界 (event horizon)。根據理論，任何發生在事件視界裡面的資訊都無法傳遞到外面，所以對外界的觀察者而言，黑洞的物理性質來自於事件視界之外的空間，因此事件視界代表黑洞的視覺大小。

2017 年 4 月的觀測期間，EHT 除了使用參與團隊的天文台之外，還另外動用其它兩組望遠鏡陣列，總共三組陣列透過不同的電波波長擷取 3C 279 的影像。其中，長波段的影像（超長基線陣列 VLBA 波長 7 mm）擷取到 3C 279 大範圍的相貌，影像明顯顯示左上角黑洞所在的熱點及從熱點衝往右下方向的噴流；中波段的影像（全球毫米波特長基線陣列 GMVA 波長 3 mm）把目光聚焦在靠近黑洞和噴流的起始點，期望從影像中能透露出關於噴流起源的訊息。但結果卻不盡人意，此波段呈現出來的影像幾乎是長波長的翻版，導致很難從結果中分辨出熱點和噴流之間的差別。

要看得更仔細， EHT 使用 8 座次毫米波電波觀測站同時朝熱點觀看，能提供更細微的影像解析能力（波長 1.3 mm），所得到的影像與中、長波段的結果相比，的確有出乎意料的發現。EHT 的影像出現左上與右下兩個獨立的部份，經由影像分析，EHT 團隊科學家認為右下部份訊號的移動方向與速度，和中、長波長影像中的噴流類似，因此他們認為右下部分的光影是大尺度噴流的一部份。此結論比較是可以預期，而沒有太多的爭論。可是該如何解釋位於左上的訊號就不是那麼容易了。

猶如宇宙噴火槍的耀變體

說到這裡，如果讀者對類星體有些認識，可能會猜測左上的光影應該是黑洞吸積盤發出的能量，黑洞就躲在巨大的吸積盤中間；而右下部份的狹長光影就是黑洞的噴流結構。噴流與吸積盤呈現接近 90 度的相對位置，此猜想符合天文學家想像中的類星體（下圖），可是問題卻沒有那麼簡單。

3C 279 是類星體中的特殊例子，特別的地方在於它的噴流方向非常接近觀測的視線。如果把噴流當作是一把宇宙噴火槍的火焰，那麼在地球上觀看 3C 279 的方向幾乎是往火槍的噴嘴裡頭看進去，高能量的噴流就只對著地球上的觀測者打出來。由於都卜勒效應 (Doppler effect) 的關係，此噴流看起來會特別亮，因此天文學家給這類型的類星體一個特殊的名字：耀變體（blazar，或稱耀星體）。

令人匪夷所思的觀測結果

換句話說，從地球的角度觀測，3C 279 除了具有一個非常強烈的中心訊號源外，天文家認為應該可以看到整個吸積盤才對，並認為從此角度觀測，吸積盤應該是接近圓形。但是在 EHT 的影像中，左上的光體卻是個狹長的橢圓形，該如何解釋異形怪狀的吸積盤，對理論學家是一大挑戰。

有一種解釋說法認為，左上與右下的光影其實是一樣的，都是噴流的高能量聚集的電漿能量包。二者不同之處在於，左上的能量包非常接近黑洞的噴嘴，並以更對準觀測者視線的角度而來，當然此角度並不完美，因此高能噴流的還是會在觀測的視線中投射出一個狹長的橢圓光影。雖然可以合理解釋觀察到的左上光影，但又該如何解釋左上與右下的能包移動的方向似乎不一樣？難道噴流會改變它的方向？

關於這一點，天文學家從其它類星體的觀測經驗，知道由於吸積盤附近的強大磁場作用，噴流的確有可能改變方向。在類星體中心的磁場作用下，噴流的路徑可能比上下 360 度翻滾的雲霄飛車還複雜，因而造成 EHT 觀測到的奇怪影像，所以目前 EHT 的團隊相信這是一個比較合理的解釋。

觀測「超光速」移動的噴流？

這次 EHT 共花了4 天的時間觀測 3C 279，而每天都會產生一組非常類似的影像，經過仔細檢查，EHT 的團隊發現影像中的兩個光體的距離每天都有些不同。事實上，兩個光體正在分開中。此觀察符合前一段的論證：左上的光影代表噴流的源頭，右下是正在離開的噴流。

有了 EHT 望遠鏡的超級解析度，天文學家可估計噴流的移動速度。EHT 的團隊發現右下的能量正以超過 10 倍光速的速度離開噴流的源頭位置。讀者可能會納悶，超光速運動是有可能的嗎？

其實天文學家在半世紀前就已經知道，類似耀星體所發出來的噴流「看起來」會有超光速現象 (superluminal motion)。如此奇怪的現象是因為高能量的噴流速度接近光速，但是由於觀測角度的關係，從遠方看起來噴流的速度超過光速。此現象其實可以用相對論解釋，所以看起來超光速並不代表真正超越光速。

宇宙的更多故事等著被挖掘

53 億年前，那時太陽系正在慢慢成形，地球根本還沒存在。然而，隨著科學的進展，一個發生在距離地球 53 億光年外的物理現象，竟然被天文學家看到了！

此次 EHT 發布的影像雖然沒有如同去年 M87* 黑洞的影像引起一陣轟動，然而 3C 279 的影像透露出來的新資訊，似乎讓天文學家產生更多的問題與好奇。這就是科學發展，隨著 EHT 突破性的觀測儀器發展，人們將會看到許多前所未見的現象，並引導好奇的科學家們，更進一步了解所處在的宇宙。

2017 年參與 EHT 的八座望遠鏡中，臺灣參與建造或運作的一共有三座，包含夏威夷的次毫米波陣列 (SMA)、詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡 (JCMT) 和智利的阿塔卡瑪大型毫米波及次毫米波陣列 (ALMA)，再加上貢獻運作經費與觀測人力，讓臺灣團隊占有顯著的地位，這也是總共 13 席的 EHT 董事成員，臺灣中研院就占兩席的原因。

臺灣團隊一手主導的格陵蘭望遠鏡，直到 2018 年才加入 EHT，並參與 3C 279 的觀測。目前的觀測資料正在處理中，EHT 團隊期待格陵蘭望遠鏡的加入，能夠揭露更多噴流結構的細節，能讓天文學破解出黑洞周遭的祕密。如此的結果將會大大的提升臺灣天文學家在黑洞研究的地位，也讓臺灣獨特的貢獻受到世人的重視。

延伸閱讀

• Jae-Young Kim et al., Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution, Astronomy & Astrophysics, 2020.

本文轉載自《科學月刊》 宇宙中的噴火槍—黑洞噴流影像現蹤跡

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