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系外衛星怎麼找?跟著無線電波就對了!

臺北天文館_96
・2014/09/25 ・1308字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

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近年來科學家已發現超過1800個系外行星, 卻一直無法證實系外衛星的存在。現在,美國德州大學阿靈頓分校( University of Texas at Arlington)的物理學家相信, 追踪無線電波或許能幫助我們找到系外衛星!

這篇研究發表在8月10日出版的《天文物理期刊》(the Astrophysical Journal), 文章描述木星磁場和木衛一(Io)交互作用產生無線電波, 而他們認為透過木星和木衛一動力學的詳細計算, 能夠尋找無線電波發射,進一步推測環繞系外行星的衛星存在。

德州大學阿靈頓分校物理學教授, 同時也是此篇論文的共同作者Zdzislaw Musielak表示,「這是尋找系外衛星的新方法!我們在想, 如果這種機制也發生在太陽系以外會怎麼樣? 於是我們做了詳細的計算,結果顯示,若真有系外衛星存在, 我們可以用這種方法發現它!」

生命可能存在於衛星的這種想法啟發了不少科幻靈感, 像是星際大戰裡住在Endor衛星上的伊娃族(Ewoks)。 科學家甚至認為太陽系內的某些衛星-土衛二( Enceladus)和木衛二(Europa)— 考量其大氣組成、水存在的可能性、與太陽的距離等因素, 就有可能蘊藏生命。

Musielak表示,要利用現有方法觀測系外衛星是有困難的, 像是美國航太總署(NASA)的克卜勒(Kepler) 太空望遠鏡,利用測量恆星亮度變化以發現凌日行星, 但目前科學家還無法將凌日曲線中衛星的貢獻可靠地分離出來。

這組研究團隊依據之前利用無線電波觀測發現系外行星的理論為基礎 ,應用在木衛一和其電離層上,電離層是帶電的上層大氣, 很可能是由木衛一極度活躍的火山所創造。

在公轉軌道上,木衛一的電離層與木星的磁層( 一層保護行星不受輻射影響的帶電電漿)交互作用產生摩擦電流, 因此發射無線電波,這被稱為「由木衛一控制的十米波發射」(Io-controlled decametric emissions)。研究人員相信,在已知的系外行星附近尋找類似的無線電波發射,或許正是預測系外衛星是否存在的關鍵。

本篇論文的第一作者-博士研究生Joaquin Noyola表示,「我們必須注意,當以木衛一為例研究其他的行星-衛星對關係時,像木衛一那樣的火山活動並非衛星擁有電離層的必要條件。比較大的衛星,像是土星最大的衛星土衛六(Titan),就能維持厚實的大氣層,這也意味著電離層可能存在。」

這篇研究認為,由木衛一和木星磁層交互作用所產生的阿耳芬波(Alfvén waves,在電漿中沿磁場方向傳遞的電磁波),也能在相似的狀況下被用來尋找系外衛星。阿耳芬波是磁場裡電漿的漣漪,由瑞典物理學家Hannes Alfvén在1940年代早期提出。

研究團隊在此篇論文中指出可能有兩個系外衛星的存在,對此他們抱持謹慎樂觀的態度,認為將來觀測天文學家能根據此研究的計算,利用更敏銳的電波望遠鏡,尋找這兩個和月球大小相似的系外衛星-距離我們15光年遠的Gliese 876b和10.5光年遠的天苑四b(Epsilon Eridani b)。本論文的共同作者-博士研究生Suman Satya表示,「 現有的電波望遠鏡,像是美國國家科學基金會(National Science Foundation)資助的長波長陣列(Long Wavelength Array ),能用來探測距離我們較近的行星系統中的系外衛星,當然,越大的衛星被偵測到的機率也越高。」

他也認為,目前所發現的系外行星大部分都是氣體巨行星,其中很多都位於適居區( habitable zone)。雖然生命無法在這些氣體巨行星上生存,但環繞這些行星的系外衛星仍有可能孕育生命。

資料來源:Follow the radio waves to exomoons, UT Arlington physicists say. The University of Texas at Arlington [August 11, 2014]

本文轉載自網路天文館

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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誰在海邊蓋天文台啊(惱)──世界第一座電波干涉儀
全國大學天文社聯盟
・2022/04/15 ・4114字 ・閱讀時間約 8 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 文/玄冥
    曾經做過 Radio Astronomy,現在叛逃去 Structure Formation 了,但也許有天會再回去。喜歡的動物是樹懶。

1946 年 2 月的某個清晨,澳洲東海岸的一群無線電科學家嚴陣以待,將電波接收器對向海的彼岸。如果是幾年前,他們會膽顫心驚地觀察日軍戰機的動向,但是今天不一樣,他們滿懷期待地等著日出。因為科學家們知道,他們正將原本用於國家間內鬥的利器 —— 電波干涉術(Radio Interferometry),用於人類探索太空的共同嚮往。

電波干涉術原先是二戰時用來提高電波觀測準確度的技術,如果說大家對電波干涉術不熟悉的話,那麼對人類拍攝的第一張黑洞影像應該記憶猶新(圖一)。這張黑洞影像的成像原理便是電波干涉術,拍攝這張照片的電波干涉儀則是遍佈全球的「事件視界望遠鏡(EHT)」(圖二)。

圖一:事件視界望遠鏡拍攝之 M87 星系中心的超大質量黑洞。圖/EHT
圖二:事件視界望遠鏡。圖/NRAO

大家聽到「電波干涉儀」時,腦海中浮出的想像,可能都是如圖二中的碟狀接收器。然而實際上,電波干涉儀最初的樣貌是非常簡單的(圖三),以下這篇文章會分別介紹電波和干涉術,再介紹兩者結合的原理,一步步帶大家了解電波干涉儀的原型機是如何被設計出來的。

圖三:在澳洲 Dover Heights 岸邊的電波干涉儀。圖/CSIRO

什麼是無線電波?

無線電波(Radio wave,簡稱電波)是一種電磁波,它充斥於我們現代生活的各個角落。例如手機產生的信號、衛星轉播,以及藍牙、WIFI 等等。電波與可見光是唯二能在地球大氣中自由穿行的電磁波波段,因此大多數地面望遠鏡都以觀測可見光跟電波為主。重要的是,相對於可見光波,電波波長更長(約 1 mm 以上),較容易穿過障礙物,讓它更便於觀測藏在宇宙塵埃後的物體(如原恆星)。然而,能穿透障礙物的代價是,在相同的望遠鏡口徑下,電波望遠鏡的「角解析度(Angular resolution)」比較低。

角解析度(或稱角分辨率)是探知物體細微移動或分辨兩個鄰近物體的能力,白話的說就是它能看得多「清楚」。角解析度正比於望遠鏡的直徑,但反比於所觀測的電磁波波長。做一個誇張的比喻,如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話,我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛,才能看得跟現實中一樣清楚。有限的角解析度,是電波天文台在 1930 年代剛出現時所面臨的主要困境之一。這個問題一直到二戰時期才得到解方 —— 干涉技術。

如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話,我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛,才能看得跟現實中一樣清楚。圖/envato elements

光的干涉,相信大家在高中的物理實驗中都見過。在實驗中,我們將光源對準布幕,並將切有兩條平行狹縫的一塊紙板隔在光源與布幕之間。此時通過兩條狹縫的光,便會在布幕上產生黑白相間的干涉條紋。這些條紋,源自光通過不同狹縫抵達布幕所需的距離不同,因此不同狹縫發出的光波到達布幕時的震動方向會有所不同。如果兩道光波震動方向相反,會造成相消干涉而形成暗紋;若抵達布幕時震動方向相同,則造成相長干涉而形成亮紋。

利用動畫可能更好理解一些(見圖四、五)。從實驗設備的上方俯視,藍色的點代表光源,紅色的點則是紙板上的狹縫位置,圖片底端是布幕,白色與黑色的部分即為光波的亮紋和暗紋。從圖四我們發現,當狹縫間距越遠,布幕上亮紋就越細緻,而從圖五則可以看見,當光源橫向移動時,布幕上的亮紋及暗紋亦會大幅移動。結合這兩張圖可以看出,越細緻的亮紋對光源的移動就越敏感,電波作為一種波亦有相同的特性。

圖四(左)、圖五(右):雙狹縫干涉示意圖。

軍隊如何利用電波干涉偵測敵軍?

讓我們將焦點拉回二戰時期。當時的英國軍隊為了能預警敵機,通常會將電波接收器對準海平面,隨時觀察敵機的位置。圖六和圖七是電波接收器(紅點)跟敵機(藍點)以及海面(黑色區域)的相對位置圖,此時敵機發出的電波會從兩條不同路徑抵達電波接收器,其中較短的電波是從敵機直達接收器,而較長的則是經海面反射後抵達接收器,這兩條路徑的電波會互相干涉並形成明暗相間的條紋。

圖六(左)、圖七(右):海岸干涉儀示意圖。

這些干涉條紋如同雙狹縫干涉所產生的條紋一樣,對波源的移動非常敏感(圖六),因此可以非常準確的判斷出敵機的位置;而如圖七所示,當電波接收器與海平面之間的高度差愈大,干涉條紋愈細緻,這表示電波接收器的海拔高度正比於其角解析度。實際上,如果將電波接收器放在濱海的峭壁上,其影像的清晰度約為一台口徑為兩倍峭壁高度的電波接收器,這便是「電波干涉儀」最初的樣子——也就是圖三那一台在峭壁上的電波接收器。

隨著二戰結束,許多軍事科技被轉為民用或科研用途,電波干涉儀也不例外。對於研究太陽黑子的天文學家們來說,電波干涉儀在這一年轉為民用更是生逢其時,因為隔年恰好迎來了百年內規模最大的太陽極大期。

太陽活動通常以 9~14 年為週期。在太陽活動最旺盛的時候,往往會伴隨著許多太陽黑子的出現、以及被磁場束縛住的日冕物質所迸發的強電波。然而過去受限於電波觀測的低角解析度,人們只知道電波的強度與太陽黑子數量呈正相關,卻並不知道電波具體源自太陽的何處。隨著電波干涉儀的出現,天文學家得以精確地觀測出電波強度的分佈,其範圍比太陽小、且位置與太陽黑子高度重疊,這為此後的太陽黑子研究以及電波通訊應用提供了不少幫助。(1)(2)(3)

使用電波干涉儀探索宇宙吧!

銀河系和太陽,是天空中兩個最亮的電波源,因此是天文學家最先望向的目標。但天文學家們也注意到,較弱的電波源其實散佈於天空各個角落。這些電波源在沒有干涉儀的時代,因低角解析度以及來自銀河系的電波干擾而遲遲無法精確定位,而這一情況在電波干涉儀出現後得到改善。

二戰後,澳洲海軍負責雷達設備的軍官 John Bolton 以及他的助手,在澳洲沿海各處搭建了電波干涉儀,以觀測來自天鵝座的電波。他們將該電波源的位置精確度,由先前透過一般電波望遠鏡量測的五度推進至七角分(約 1/10 度),也得知這個天體的大小在八角分以下。

在美國新墨西哥州的無線電干涉儀:甚大天線陣Very Large Array。圖/Hajor, CC BY-SA 3.0

然而弔詭的是,如果量測到的電波源自於這八角分不到的天體,這個天體所蘊含的能量密度將遠超出任何已知的天體!更令人驚訝的是,該天體並沒有對應到任何可見光影像中的恆星,於是他們將這個只出現在電波影像的天體稱為天鵝座 A(4) 。隨後他們用電波干涉儀掃瞄了南方的天空,陸續發現了許多類似天鵝座 A 的天體。

在後續技術發展下,天文學家終於找出這些電波天體在可見光的真身 —— 電波星系(5)(圖八、九)。電波星系在可見光波段的影像如同一般星系,然而在電波望遠鏡下,時常能看見噴流從電波星系中心噴湧而出,噴流的痕跡可達星系本體的數倍。現在我們知道,噴流是在星系中心大質量黑洞進食(吸積)時所噴出的強烈電漿流,其中的帶電粒子在噴流磁場的加速下會發出強電波,從而被電波干涉儀接收。

圖八:由甚大天線陣列(VLA)拍攝之天鵝座A電波星系的電波影像。圖/Mhardcastle, VLA data
圖九:由歐洲南方天文台拍攝之人馬座 A 電波星系,結合可見光與電波的影像。圖/ESO

這些噴流能夠改變星系的氣體與能量分佈,因此對星系演化有著至關重要的影響,今日人們也在透過更先進的電波望遠鏡了解這些星系。

時過境遷,如今的電波干涉儀,已經能夠將遍布全球各地多個電波接收器收到的電波進行干涉,不再是依託於大海的孤立接收器;干涉儀技術的改良,立基於全世界探索宇宙深空的好奇與嚮往,而非國家間互相對抗的戰火。

回首過往,人們在戰爭中其實並未忘記對宇宙的嚮往,因此當硝煙散去,人們便互相合作,將戰時的科技化作探索太空的利器,揭開宇宙奧秘、滿足人類的好奇。如今,我們擁有更強大的科技,希望人們能夠繼承這份嚮往,一同探索更多宇宙的未知。

延伸閱讀

  1. 毀滅與新生:超大質量黑洞觸發的恆星形成- PanSci 泛科學
  2. 黑洞甜甜圈之後:宇宙噴火槍3C 279 黑洞噴流影像現蹤跡!——《科學月刊》 – PanSci 泛科學
  3. 黑洞攝影怎麼拍?七個問答來解謎——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
  4. 仰望宇宙的好據點,大國爭相來插旗:「白山」毛納基亞——《黑洞捕手》
  5. 太陽升起前,把握最後的永夜!與時間賽跑的組裝任務——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
  6. 人類史上首張黑洞近照:這張動員全球、沖洗兩年的照片是怎麼來的? – PanSci 泛科學

參考資料

  1. Some Highlights of Interferometry in early Radio Astronomy, Woodruff T. Sullivan III (2016)
  2. Pawsey, J. L., Payne-Soott, R., & McCready, L. L. (1946). Radio-frequency energy from the SunNature157(3980), 158-159.
  3. McCready, L. L., Pawsey, J. L., & Payne-Scott, R. (1947). Solar radiation at radio frequencies and its relation to sunspotsProceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences190(1022), 357-375.
  4. Bolton, J. G., & Stanley, G. J. (1948). Variable source of radio frequency radiation in the constellation of Cygnus. Nature161(4087), 312-313.
  5. Bolton, J. G., Stanley, G. J., & Slee, O. B. (1949). Positions of three discrete sources of galactic radio-frequency radiation. In Classics in Radio Astronomy (pp. 239-241). Springer, Dordrecht.

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整個宇宙,都像是科學家的廣播電台!進化版的光波收音機
活躍星系核_96
・2021/03/26 ・2570字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 文/ 蔡乃玉、游雨婕│ 臺灣大學物理學系學生

即使是目前發現最靠近地球的黑洞,也距離我們遠達上千光年,更別說那些上萬、上億光年的遙遠天體了,面對如此遙不可及的距離,你是否有想過,科學家究竟是得到來自它們的訊息呢?現今人類到底運用了什麼樣的科技,竟然可以獲得億萬光年之外的宇宙訊息?

無線電波,就是科學家的好工具!

整個宇宙,都像是科學家的廣播電台!

所謂的無線電波(Radio Wave),通常是指波長在 100000 公里(108 公尺)到 0.1 毫米(10-4 公尺)之間,頻率為 3 Hz~3000 GHz(3 THz)的電磁波段,一般通訊使用的頻段大約落在 3 kHz ~ 30 GHz,30~300 GHz 的頻段又因波長大小,稱為「毫米波」,是未來 5G 通訊使用的頻段。

(2021 / 4 / 1)編按:更正頻率與波長對應的錯誤,無線電波的定義以國際電信聯盟(ITU)的無線電頻譜為準,毫米波的頻段跟微波重疊,而 3 THz 也已經接近遠紅外線(FIR)的頻段。

事實上,無線電波不只可以拿來接收宇宙資訊,在我們的日常生活中,其實早就有很多使用無線電的裝置,像是廣播、無線電對講機、雷達、Wi-Fi 與藍芽都是透過無線電波來傳訊的唷!

大家在聆聽廣播時,多多少少都有聽過「AM、FM」這兩個字彙,你知道它們分別代表的意思是什麼嗎?

廣播、無線電對講機、雷達、Wi-Fi 與藍芽等日常生活中常見的設備,都是透過無線電波來傳訊。圖/Pexels

AM、FM 是兩種傳遞信號的技術,也是我們生活中最容易接觸到的傳訊技術之二,它們可以讓「電磁波的振幅」隨著不同的因素而變化,同樣的,我們也可以讓無線電透過這兩種方法來傳遞訊號。

首先,AM,是振幅調變 (amplitude modulation) 的簡寫,它會讓電磁波的振幅隨著聲波的「振幅」而改變,當聲波的振幅變大、電磁波的振幅也變大,早期無線電大多使用這種技術,它可以讓訊號傳遞到比較廣的地方,但缺點是噪音很多。

FM 即為調頻 (frequency modulation) ,它會讓電磁波的振幅隨著聲波的「頻率」而改變,雖然 FM 沒有辦法像 AM 傳遞到那麼遠,但 FM 的優點是噪音比較少。

然而,即使 FM 的噪音已經減少了很多,FM 的噪音仍然很難、很難完全去除,相信大家聆聽 FM 廣播電台時,也有這樣的困擾。對於科學家來說,這可是不能默默忍受的缺點!因此,科學家也不斷努力研發出降低、去除無線電噪音的技術。

無線電波不夠讚,把它變成「光」吧!

光學纖維(俗稱光纖)是一種使用石英玻璃或塑膠製成的纖維,會用「光」進行資料傳輸,比起剛剛所提到的 FM 和 AM ,光纖不僅速度更快、噪音也更少!

由此可知,「光」也是非常棒的傳訊技術,若我們可以將無線電波轉為光波,就可以像光纖一樣,更有效的降低噪音!目前已經有很多種方式能夠將這兩種電磁波進行轉換,在市面上,我們也早就可以很簡單的買到光電轉換器囉!

利用光在玻璃或塑料製成的纖維中以全反射原理傳輸的光纖,有效提升了訊號傳遞的效率。圖/Pixabay

為了讓光波傳訊的品質更上一層樓,科學家們研發出光學相位調變 (optical phase modulation) 技術,偵測光的「相位」變化來使得精密度提高,可以有效降低無線電噪音,進而提高訊息的完整度

以 T.Bagci 和 A.Simonsen 曾發表在 Nature 的論文為例,該研究團隊使用了奈米薄膜為材料,而奈米薄膜可以結合「無線電波頻率共振電路 」和 「薄膜表面反射的光」,使得這些無線電頻率訊號能夠透過光學的相位變化的形式被觀測到,也就是將無線電波轉換成了光波,以光波的形式傳遞。

以這種方式傳遞訊息的話,連極小的尺度都能被觀測,非常靈敏。

用數據來比較的話,噪音的單位 V/ √Hz (伏特/√赫茲),現在市面上的光電轉換器能將噪音降低到 nV 尺度(奈米級,10-9),而對這一項技術電路本身的噪音為 800pV/√Hz(飛米級,10-12),轉換成光波後最低可降至 5pV/√Hz!

5pV/√Hz 的噪音有多低呢?論文指出,對 MRI 而言,對噪音的要求只要低於200pV/Hz 就足夠了!噪音被大幅降低後,不但可以讓訊號不失真,也可以讓弱小的訊號更容易被偵測到。

光、電怎麼變身?就像大鼓變芝麻(X)

以下將簡述這個裝置的原理,以及轉換的進行過程。

實驗中使用了鍍了鋁的氮化矽的奈米薄膜,當輸入無線電訊號進去時,奈米薄膜就會像鼓面受到震動一樣,當輸入的訊號不同,鼓面震動的幅度也會不同。

此時,將雷射光照到薄膜上時,就像灑一把芝麻到鼓面上,隨著鼓面著震動,芝麻會跑到不同的地方去,而我們只要藉由觀察芝麻的反應,也就是反射光的變化,就可以得知輸入的訊號了。

科學家們就是透過這樣的方法,順利將無線電訊號以低噪音的方式轉換成光波。

實驗示意圖。

如同前文所提到的數據,在這個實驗進行時,電路本身還是會有些許噪音,大約800pV/√Hz 左右,主要來源為熱擾動,科學家們為了更進一步地減少噪音,除了光學相位調變技術之外,也搭配並採取了降低溫度、施加電壓以抵銷噪音頻率等等措施,成功讓無線電的噪音被降到極低的尺度。

當我們可以聽到更細膩的聲音後…?

這項技術將可以將無線電波轉換成低噪的光波,因此可以用已經建立好的測量模型來觀測這些信號,讓人類得以研究這些微小的電波,使我們可以得到比以前更精準的訊號,觀測到以前所無法得到的宇宙訊息,或是讓核磁共振圖像更精準,是電子學在訊號傳遞上的一大突破!

未來,隨著通訊技術日新月異,你覺得我們可以在宇宙之間得到讓人意想不到的訊息嗎?也許…來自外星生物的打招呼訊息?讓我們一起解開更多來自外太空的秘密吧!

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告,感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。

參考資料:

  1. Bagci, T. et al. Optical detection of radio waves through a nanomechanical transducer. Nature 507, 81–85 (2014).
  2. A. Horneff; B. Schlecker; M. Häberle; E. Hell; J. Ulrici; V. Rasche; J. Anders. “A New CMOS Broadband, High Impedance LNA for MRI Achieving an Input Referred Voltage Noise Spectral Density of 200pV/Hz√” IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019.
  3. 無線電(Radio Waves)
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia