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福爾摩斯會很羨慕的5項尖端鑑識科技

陸子鈞
・2014/05/02 ・2327字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

UNH 3//7/2012

就連享譽國際的鑑識專家李昌鈺博士,也需要頂尖的鑑識科學發展,才能找到關鍵證據顯露真相。李博士知道鑑識科學對辦案的重要性,因此他也不遺餘力在世界各地幫忙警政單位建立相關的鑑識科技,培訓警探。隨著遺傳學、生化、奈米技術、粒子物理……等領域的研究成果蓬勃發展,有些成果就被應用在鑑識技術上,甚至還能從過去難以偵破的案件中,再找出新的關鍵證據。這裡介紹5項近年來發展出了的頂尖鑑識科技。

唇印辨識

圖片來源:CC by Rob J Phillips@flickr
圖片來源:CC by Rob J Phillips@flickr

在犯罪現場,嫌犯的嘴唇可能不經意接觸了紙巾、香煙、杯子、床單,甚至是死者的嘴唇。這些資訊都有利於鑑識科學家還原出事發經過,所以比對唇印就顯得很重要。

要比對唇印前,必須先採樣。以往採樣唇印的方式會破壞證物,所以很少採集這項重要的證據。不過英國肯特大學(University of Kent)的研究團隊,利用拉曼光譜(Raman spectroscopy)設計出一套技術,能在證物袋外就收集到唇印。

當雷射光打到證物表面,唇印的部份會散射出不同波長的光,顯微鏡偵測這些不同波長的光,就能製作出拉曼光譜,就能和已知唇印的拉曼光譜比對。

Salahioglu, F., Went, M. J., & Gibson, S. J. (2013). Application of Raman spectroscopy for the differentiation of lipstick traces. Analytical Methods, 5(20), 5392-5401.

飲食不健康的嫌犯比較容易被抓到

圖片來源:CC by CPOA@flickr
圖片來源:CC by CPOA@flickr

平時飲食含有高鹽、高糖的人,所留下的指紋更容易被採集。這是因為他們流的汗中含有較多的鹽類,較容易侵蝕物體表面。

一般而言,指紋很容易被抹去,不過一旦汗侵蝕了物體表面,就會將指紋也「烙印」在上面,就連高溫蒸汽蒸過也無法抹去。英國萊斯特大學(University of Leicester)的研究團隊就開發了一套技術,能收集這些侵蝕留下的指紋,這也使得很多過去的懸案有機會找出新的關鍵證據。

這項技術在2008年首度發表,還登上了《時代》雜誌當年「50項年度最佳發明」。2010年,研究團隊嘗試將這款設備設計成手持式,讓鑑定工作更為便利。

New industrial application for revolutionary forensic metal fingerprinting technique. [Oct 20, 2010]

New fingerprint breakthrough by forensic scientists [June, 2008]

3D臉孔辨識

圖片來源:CC by Jerry Reynolds@flickr
圖片來源:CC by Jerry Reynolds@flickr

電影《機器戰警》(Robocop)中,半人半機器的主角墨菲警官有和犯罪資料庫連結,能快速比對出眼前這張臉是否曾經有犯罪前科。不過事實上臉孔辨識沒這麼容易,最大的問題在於犯罪資料庫中的照片都是在完美角度與光線下所拍的大頭照,監視器可沒辦法如此清楚拍下嫌犯的臉,更枉說要用來比對資料了。

佛羅里達大西洋大學(Florida Atlantic University)的兩位生物鑑識專家想到一個辦法,讓犯罪大頭照資料庫能更廣泛應用。研究團隊利用演算法,根據影像中臉上的陰影運算出3D的臉孔,如此就更可能比對資料庫中與監視器拍到的影像了。這項技術也可以用來找尋失蹤人口。

Xin Guan, Hanqi Zhuang. A method of creating 3-D face images from 2-D photos for face recognition. International Journal of Biometrics, 2011; 3 (1): 40 DOI: 10.1504/IJBM.2011.037713

從臀部看出性別與年齡

Gray242

要是能知道無名屍的性別與年紀,就能更快找出屍體的身分。想推測屍體的年齡與性別有許多線索,不過有時候屍體已經嚴重腐爛,很難從肉體外表準確鑑定年齡與性別,此時位於我們臀部的前側下半段的恥骨(pelvic bone)形態就是不錯的選項。

2010年北卡羅來納大學(North Carolina State University)開發出一套軟體,能建立恥骨的3D影像,再利用影像中幾個關鍵的特徵點判斷出性別,準確率高達98%;就算只剩15%的恥骨,也能鑑定。根據這套系統,2013年西班牙格拉納達大學(University of Granada)的研究團隊又設計出另一套技術,將屍體的恥骨區分成四個區域,並與資料庫中的恥骨型態資料比對,就能推測出恥骨主人的性別與年齡,準確度高達95%,其中最準確的族群是50歲的男性。

Joan A. Bytheway, Ann H. Ross. A Geometric Morphometric Approach to Sex Determination of the Human Adult Os Coxa. Journal of Forensic Sciences, 2010; DOI: 10.1111/j.1556-4029.2010.01374.x

Researchers design a new imaging technique for identifying the age and sex of a corpse. [January 23, 2013]

這兩塊是同一片玻璃嗎?

圖片來源:CC by crayons121@flickr
圖片來源:CC by crayons121@flickr

當犯罪現場有打破的玻璃,而嫌犯衣服上也沾了玻璃碎片,要怎麼知道這些玻璃是不是源自於同一個被打破的玻璃製品呢?這時候就要借用雷射剝蝕感應耦合電漿質譜儀(Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry ; LA-ICP-MS)。

雷射剝蝕感應耦合電漿質譜儀不是刑事鑑定專用的儀器,它廣泛被使用在工業、醫學、礦業、環境監測…等領域,特色是所需的樣本量不大、不需要前處理、非常敏銳,而且對樣本的破壞非常細微。LA-ICP-MS鑑定的方式,是將雷射脈衝打在樣本的表面,表面會被剝蝕出約人類頭髮直徑一半的坑洞,剝蝕出的樣本被送往質譜儀,被氬氣電漿離子化後就能偵測出樣本獨特的圖譜,藉此來比對細微玻璃碎片是否來自同一個玻璃製品。

Berends-Montero, S., Wiarda, W., de Joode, P., & van der Peijl, G. (2006). Forensic analysis of float glass using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS): validation of a method. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 21(11), 1185-1193.

不過李博士也在他的著作中強調過:「無論法庭科學技術多麼先進,它都不能取代人類智慧。在一定程度上,技術的創新與改良只是充當了追求正義的支持工具。

—————————

想知道更多關於刑事鑑識的科學,或者想親身體驗神探如何讓看似微不足道的證據成為伸張正義的關鍵線索,就來參加由聯合遊學中心 udn camp舉辦、李昌鈺鑑證科學中心學術承辦的「2014 美東CSI鑑證科學營」吧。

 

營隊時間:2014/7/7-7/24
營隊地點:美國康州紐海芬大學 (University of New Haven)
說明會時間:2014/5/18(日) 下午1:30
說明會地點:聯合學苑 (臺北市信義區基隆路一段180號3樓) 捷運市政府站1號出口

更多資訊請參考聯合遊學中心:www.udncamp.com
電話: 02-86925588分機2327
E-mail: kare.chung@udngroup.com

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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