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50個星系團 照亮暗物質研究新方向

臺北天文館_96
・2013/06/25 ・1853字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

由中央研究院天文及天文物理研究所主導的國際天文團隊使用Subaru望遠鏡,測量了50個星系團的暗物質密度分布情形,結果發現暗物質密度最高的地方的確是星系團的中心,並漸漸向星系團外圍遞減,遞減情形和「冷暗物質」(CDM)描述吻合。暗物質充斥全宇宙,其屬性仍然是謎,本次暗物質密度分布的最新突破性研究結果,讓暗物質特性更清楚,謎團也縮小了一點點。

天文學界從80年前便首度獲得暗物質存在的證據,現在科學家大多認同暗物質的確存在。但在漆黑夜空中看不到暗物質,在粒子物理學者的實驗中,迄今也仍未找到暗物質的粒子。由於暗物質的質量占我們的宇宙總質量高達85%,「什麼是暗物質?」成為目前天文學者和粒子物理學者最想解決的問題。

星系團是宇宙中質量最大的天體結構,由中研院天文所博士後研究員岡部信主持的國際天文研究團隊,本次利用Subaru主焦點相機,共測量了50個星系團的暗物質密度特性。共同參與研究的英國伯明罕大學(Birmingham University)的Graham Smith解釋,星系團很像是:「你在晚上飛過一座大城市的上空時所看到的鳥瞰圖,你可以把每一盞明亮街燈都當作一個星系,把街燈間空隙想像成充滿暗物質。星系團裡的星系是存在於一個由暗物質構成的背景裡,除了看得到的燈光以外,其實背景裡還有連接著街燈的電線、街道。」岡部團隊認為,就像從市中心到郊區,街道和電線分布密度並非總是相同,所以他們也想以數量更多的星系團取樣得來知暗物質密度如何變化的普遍狀況。

日常生活中,我們每天接觸到的物質,密度由它的組成成分決定,同理,暗物質的密度也取決於暗物質粒子之不同屬性。所謂的「冷暗物質」的描述,在目前暗物質理論中居主流地位,它描述的暗物質粒子僅在彼此間才相互作用,和其他物質之間的交互作用,可能僅限於藉重力才發生;相互作用很少,屬性是冷的,因而稱為「冷暗物質」(Cold Dark Matter)。

暗物質既不發出也不吸收任何電磁輻射,在觀測上極度困難,因此岡部團隊採用「重力透鏡」的方式來觀測暗物質;根據愛因斯坦的廣義相對論,當極遙遠光源所發出的光束在接近大質量天體(譬如星系團)附近時,光束會彎曲,(條件是星系團位置必須在光源和觀測者之間,且三者大致排列成一直線),由於星系團裡有很多暗物質,結果造成背景星系形狀改變,因此看到星系形狀的細微改變就可偵測得到暗物質。

根據這個重力透鏡的原理,在觀測上的確發現到,受星系團裡暗物質的影響,遙遠星系的形狀和位置確實會改變。要去測量很遙遠又很暗的星系會受到暗物質在星系團裡藉重力帶來的微小變化,目前最佳測量儀器是Subaru望遠鏡,因為,它測量得非常精確,除此之外,極暗淡星系在外觀上變化微渺、總數量龐大,如何取樣也是一項關鍵技術,也是岡部在研究中獲得的重要突破。

冷暗物質理論用兩個數字描述星系團裡的暗物質分布如何由中心朝外圍由高而低遞減。其一是星系團質量,也就是它含有多少總數的質量。其二是結構參數(concentration parameter),或不妨稱為星系團物質分布的平均密度。

岡部團隊將50個已知質量最大的星系團在觀測中獲得的結果予以加總,獲得一個整體的平均密度。結果發現暗物質密度確實由星系團外圍向星系團中心遞增,與冷暗物質模型理論相符,且這張平均分布圖顯現暗物質分布是高度對稱的,中心的密度峰(peak)很明顯。個別星系團的質量密度分布值有高有低,不盡相同,先前的研究因星系團取樣數量太少,結構參數(平均密度)偏高,結果導致與「冷暗物質」所描述不符,這次岡部團隊將星系團數量增加,結構參數的平均值也隨之改變,結果正與冷暗物質理論吻合!

岡部團隊對暗物質研究的下一步計畫是,從更小尺度去測量暗物質密度,那也就是在星系團的中心部份。星系團中心就像是大城市的市中心鬧區,探討在更小尺度上測量暗物質密度,又可幫助我們再更進一步釐清暗物質的性質。

本篇論文共同作者,東京大學Kavli數物連攜宇宙研究機構高田昌?教授,對這個研究領域的未來充滿期待:「把很多星系團的重力透鏡觀測結果精確地合成為單一結果,是非常厲害的技術。臺灣和日本的天文學家正聯手合作,準備以Subaru望遠鏡上的新一代超廣角相機(HSC: Hyper Suprime-Cam)來進行人類史上最大的星系普查計劃之一。本次研究新成果,證實了運用HSC這座超廣角相機來進行重力透鏡的研究,的確前景看好並且可行。」

全文請詳閱:

資料來源:中研院天文網[2013.06.14]

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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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