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終於在太空中找到氧分子

臺北天文館_96
・2011/08/06 ・1615字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

赫歇爾太空大型望遠鏡和最先進的紅外探測器首度為我們證實了:在太空中也發現氧分子,這是在獵戶座恆星形成區中的新發現。

單一原子氧在太空中很常見,尤其在大質量恆星的周圍。但是氧分子,也就是構成我們所呼吸空氣約20%的氣體,過去一直和天文學家玩著捉迷藏,直到這回才現身。

赫歇爾計劃首席科學家,本篇論文的主要作者Paul Smith說:「氧氣這種氣體在1770年代時便已發現,但終於能肯定地說,這個非常簡單的分子,在太空裡真的存在,卻花了我們230年」,該團隊的最新 發現即將刊載於Astrophysical Journal。

幾十年來,天文學家為了搜尋難以捉摸的太空氧分子,用上了熱氣球搭載的偵測儀器,地面和太空望遠鏡。2007年,瑞典的奧丁望遠鏡對氧分子曾有過驚鴻一瞥,但再次確認卻一直沒消息。

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這次發現氧分子的Goldsmith和他的同事認為,氧氣是被鎖在水冰裡,被微小塵埃微粒包覆住。赫歇爾望遠鏡在獵戶座星雲探測到的氧,是冰顆粒受暖於星光後,釋放出水所形成。冰變成水,轉換成氧分子。

這次的發現可能可以說明太空中還有一些氧可能藏身何處,論文作者Goldsmith說:「這次,我們並沒有發現大量的氧分子,並且也還沒搞懂,這回觀測到氧分子的這個所在處,到底有何特別,所以,目前為止,宇宙還是對我們謹守著許多不透露的秘密。」

Goldsmith團隊計劃繼續往其他的恆星形成區去尋找氧分子。

氧在宇宙常見元素榜上排名第三。它的分子形式在太空中必然豐富,華府總部的赫歇爾計畫科學家表示,赫歇爾望遠鏡是探測這個未解之謎的有力工具,它是個 創新的工具,為天文學家提供了一個最佳指示器,能在一套新的不同波長中查看,究竟誰能洩露出氧分子訊跡何藏。(Lauren譯)

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下圖圖說:太空氧不再音訊渺茫


鄰近於獵戶座星雲的恆星形成中心,在一塊氣體塵埃密集區裡,赫歇爾望遠鏡發現了 – 氧分子。

天文學家終於在太空中找到了氧分子獨特的訊跡(signature),這種氧分子正是我們在地球上每天所呼吸空氣的組成成分之一。雖然在赫歇爾太空望 遠鏡的觀測中,仍未解答為什麼宇宙裡的氧分子一直如此罕見,不過這個最新觀測成果,倒是對於為甚麼過去一向以來,氧分子從不肯在宇宙裡現身,提供了一些線 索。

天文學家認為,可能是新生恆星溫熱了附近的冰微粒(icy grain),釋放出水,然後水轉換為氧。但至於為何在同一塊氣體塵埃雲裡的其他部分,卻並未檢測到氧分子呢?或許是因為那裏的氧仍被鎖在冰微粒裡。

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圖片的放大區裡顯示的是,氧分子在藝術家筆下的概念圖,其中,兩兩相連的球體表現的是:兩顆氧原子結合在一起變成一個氧分子。背景中的獵戶座星雲由NASA的史匹哲太空望遠鏡於紅外光波段中拍攝。


下圖圖說:獵戶座星雲裡的氧

圖中彎彎曲曲的線條,或者又稱為「譜線」,表現的是氧分子的訊跡,由赫歇爾太空望遠鏡在獵戶座星雲發現。

  本圖說明了天文學家終於在太空裡發現了氧分子! 位置就在獵戶座星雲核心附近的恆星形成區中。早先已有人提出氧分子可能存在,但直到這次才藉由赫歇爾太空望遠鏡觀測獲得明確證實。圖中彎彎曲曲的線條,或 者又稱為「譜線」,表現的是氧分子的訊跡,由赫歇爾太空望遠鏡在獵戶座星雲發現。

赫歇爾太空望遠鏡上的遠紅外線外差儀器,一部分是由NASA的JPL(噴氣推進實驗室,位於加州帕薩迪納)所開發的,這次,它被用來將獵戶座星雲一塊 特定區域所發出來的光線,在次毫米波中將它進一步又拆分成好幾個不同的波長(如圖,270, 390和 620 micron: 微米)。天文學家使用這種叫做光譜圖的圖形來表達這些訊息,也呈現出分子所特有,像人類有「指紋」一樣的特徵。譬如,這次以氧分子為例來說,他們辨識出三 個氧分子所具有的獨特指紋,參見如頻譜圖所示。三線條呈現出不同的波長範圍,屬於氧分子訊跡的又以粉紅色加以標示。獵戶座星雲是由NASA的史匹哲太空望 遠鏡於紅外光波段中拍攝。圖片來源: ESA/NASA/JPL-Caltech

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資料來源:轉載自中研院天文網

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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糖、香料,還有一切美好事物?轟!人體組成了——《完全圖解 元素與週期表》
PanSci_96
・2019/12/09 ・2192字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

身體的組成,元素都知道

你體重的大約 65% 是由氧(O)所構成。體重 60 公斤的人,竟然有將近 40 公斤是氧原子的重量。下方插圖是表示組成人體的元素的內容(質量比例)。

組成人體的元素的內容(質量比例),人體的主要材料有 6 種元素。圖/人人出版提供

人體的 70% 左右是水(H2O),而氧是水的構成要素。構成身體的蛋白質和核酸(DNA 等)也需用到氧。此外,肺所攝取的氧會溶於血液中,供應給全身的細胞。

第 2 名之後依序為碳(C)、氫(H)、氮(N)等等。這些元素也是蛋白質以及核酸等製造人體的物質的材料。接下來的鈣(Ca)是骨骼的成分, 磷(P)主要做為製造核酸的成分。以上這些前 6 名的元素,占有體重的 98.5%。構成人體的元素,和構成地球的元素一樣,追本溯源,都是在宇宙空間或恆星裡面誕生的元素。

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人體也含有鐵(Fe)、鋅(Zn)等金屬。而且已知某些特定金屬是維持人體正常機能不可或缺的必需元素(請參照下表)。例如鐵,成人的體內含有大約 5 公克,主要用於製造血紅素(hemoglobin,血紅蛋白),這是一種在紅血球中負責與氧結合的蛋白質。眾所周知,如果鐵含量不足,輸送氧的能力會下降,導致貧血。

表格為包括微量元素在內的更詳細內容。依據含量的多寡分成多量、少量、微量、超微量等幾類。表格中以藍色字體書寫的是人體的必需元素。由表可知,有些元素雖然數量極微,卻是人體不可或缺的必需元素。

分類 元素名稱
(藍色為必需元素)
比例 體重 60 公斤中所含的量
多量元素 65% 39公斤
18% 11公斤
10% 6.0公斤
3% 1.8公斤
1.5% 900公克
1% 600公克
少量元素 0.25% 150公克
0.2% 120公克
0.15% 90公克
0.15% 90公克
0.05% 30公克
微量元素 5.1公克
2.6公克
1.7公克
1.7公克
0.27公克
0.27公克
0.17公克
0.10公克
86毫克
68毫克
超微量元素 51毫克
43毫克
17毫克
15毫克
11毫克
10毫克
9.4毫克
8.6毫克
8.6毫克
8.6毫克
1.7公克
1.7毫克
1.3公克
0.17公克
  • 註:1 mg = 0.001 g
  • 含量較多的前 6 名元素,占有體重的 98% 以上。人體含有各式各樣的元素,但其中有 23 種元素,如果欠缺的話會引發某種障礙,稱為必需元素。

人體內也有金屬存在?!

金屬元素是人體所必需的,這件事是在 1745 年第一次獲得確認。義大利醫師門吉尼(Vincenzo enghini)發現燃燒血液剩餘的灰燼可被磁鐵吸引,因而第一次注意到人的體內有金屬存在。

此外,汞(Hg)和砷(As)這類攝取太多會有害的元素,其實在人體裡面也含有微量(體重 60 公斤之中,就含有數毫克~數十毫克的程度)。這些元素到目前為止還沒有發現它們是人體所必需(承擔某種機能)的證據,但也有學者認為它們是必需的。

元素在體內如何被運用?

主要的元素在體內如何被運用。前6名元素是用來做為製造身體的蛋白質、核酸(DNA)、骨骼等的材料。此外,鈉及鉀等金屬材料則溶於體液中,發揮酸度的調節、細胞間的訊息傳送等功能。

主要的元素在體內如何被運用。(點圖放大)圖/人人出版提供

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  • 水(H2O):占體重的70%左右。以充滿於細胞間的體液或血液的形態,溶解氧等氣體、糖等營養成分、各種離子。
  • 丙胺酸(C3H7NO2):丙胺酸(alanine)是胺基酸的一種。蛋白質是由丙胺酸等 20 種胺基酸串連在一起而構成。在半胱氨酸(cysteine)這種胺基酸裡面含有硫。
  • 葡萄糖(C6H12O6):葡萄糖是糖的一種,以血糖形態溶於血液中,做為主要的能源使用。
  • DNA:在所有細胞的細胞核裡面,以遺傳基因的形態存在。DNA 由碳、氮、氧、氫、磷等 5 種原子構成。由於氫的數量很多,為了避免妨礙觀察,在上方的插圖中省略不畫。
  • 鈣(Ca):存在於體內的鈣之中,90% 以和磷結合的形態存在,做為製造骨骼的材料。
  • 鈉(Na):主要以鈉離子(Na+)的形態存在於體液中,用於酸度及離子濃度的調整等。
  • 鉀(K):主要以鉀離子(K+)的形態存在於細胞內,具有促進細胞代謝等的機能。
  • 氯(Cl):主要以氯化物離子(Cl)的形態,存在於細胞內及體液中,具有調整離子濃度等等的功用。
  • 鎂(Mg):約有 6 成存在於骨骼中,約有 4 成存在於肌肉等處。

——本文選自《完全圖解 元素與週期表:解讀美麗的週期表與全部118種元素!》,2019 年 9 月,人人出版

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PanSci_96
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氧,會讓判斷有沒有外星生物變成一場瞎忙嗎?
臺北天文館_96
・2013/10/29 ・1016字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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最新研究指出,系外行星的大氣即便有豐富的氧-卻未必見得都是生物造成的現象-反倒有可能只是恆星輻射的紫外線組合過於特別而導致的。

地球大氣中本不該有單體氧存在。但是,還好有光合生物出場,在距今大約22億至24億年前,單體氧的豐度開始增加,直到今天它都還在(為此,大家都該感恩)。

許多天文生物學家相當樂見在系外行星上也出現的是相同情形 – 尤其那些以M型矮星為母恆星的系外行星 – M型矮星周圍的系外行星向來是這類搜索的首選標的,在我們的銀河系裡,這類恆星數量特別豐富,壽命長而穩定,溫度涼爽,黯淡不亮,質量較低,這幾大特徵,讓發現這類恆星附近的行星相對變得容易。

善於計算宇宙中一些機率問題的天文學家最近掐指運算,發現,在這種M矮星附近找到類地行星的機率高達近50%,並且如果大氣裡含氧,那就更暗示「生物活性」的活躍啦。

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可不是。但未必盡然。

由中國國家天文台田丰教授主導的國際團隊,近日在一場行星科學會議中發表最新報告,提供一種想法說明了位於M型矮星適居區內的行星,「可能有很多單體氧,但其實完全沒有生命現象」,田教授團隊認為這種假陽性的機率頗高。

這關鍵要看母恆星所發出能量如何。今年稍早,科羅拉多大學一支團隊(Kevin France主導),用哈柏太空望遠鏡對6個M型矮星做研究,光球區雖不太亮,這些M型矮星輻射出大量紫外線。飆出相當於太陽等級的遠紫外輻射,但是近紫外輻射卻不到太陽的0.1%。

UV_flux_plot_M-Dwarfs

田丰說,遠近紫外線兩者比例的強烈懸殊,讓這些系外行星大氣化合物的組合也大不相同。意思是,遠紫外光子可以分解二氧化碳並產生氧原子,氧分子(O2),甚至臭氧(O3),在和氫發生反應後,產生其他副產品包括H2O2和HO2(注意:不是H2O)。但倘若近紫外光子的數量遠遠不足,將會導致重組成CO2反應作用也無法維持太久,而最終,氧濃度會變高。

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以光譜儀檢測氧氣不難,設計製造未來的太空飛行器以執行系外行星大氣偵測任務是指日可待。不過,會不會到頭來,含有氧的這項條件對其實根本不存在的生物活性反而造成誤判呢?雖不至於,但田丰教授提醒的是,我們得學個功課,恐怕該先對紫外線的環境好好地摸熟,再號稱系外行星上「有生命存在」。(Lauren譯)

資料來源:Is Oxygen a False Positive for Alien Life?

轉載自中研院天文網[2013.10.08]
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