首度在太陽系以外發現含有水冰雲的證據

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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天文學家發現一顆極低溫天體，雖然它現在的表面溫度低到和行星差不多，但它可能曾有過多變多端的過往歷史，溫度變動極大，甚至可能在它年輕時有數百萬年的時間，表面溫度和一般恆星一樣熱。

這顆編號為WISE J0304-2705的極低溫天體，位在南天的天爐座方向，距離約在33~55光年之間，表面溫度僅有攝氏100~150度左右，是所謂的Y型棕矮星（Y dwarf）。Y型棕矮星是目前已知表面溫度最低的恆星類天體，讓恆星按溫度的光譜分類擴展成OBAFGKMLT。雖然WISE J0304-2705的溫度就介在金星和地球的表面溫度之間，但它們並不是類似地球這樣的岩質行星，反而比較類似木星這樣的氣體巨行星。

英國赫特福德大學（University of Hertfordshire）David Pinfield等人，利用廣角紅外巡天探測器（Widefield Infrared Survey Explorer，WISE）的觀測資料進行分析研究，最後發現這顆天體，因此其名稱中包含WISE，至於J0304-2705代表的則是這顆天體的赤經與赤緯座標。WISE採用中紅外波段進行觀測，波長比人類眼睛可見的還長，所以人眼不得見。發現WISE J0304-2705之後，Pinfield等人又利用8米雙子南望遠鏡（Gemini South Telescope）、6.5米麥哲倫望遠鏡（Magellan Telescope）和歐南天文台3.6米新技術望遠鏡（New Technology Telescope）等大型望遠鏡拍攝它的光譜，由光譜來估算它的表面溫度，並瞭解它的過往歷史。

到目前為止，已知的Y型棕矮星僅有20顆，WISE J0304-2705在其中是個特異份子，有著和其他Y型棕矮星不同的發射光譜特徵。Pinfield等人認為：從這顆棕矮星的化學組成或連同它的年齡來看，它可能是銀河系較老的成員星之一；這意味著它的溫度演化可能非常極端，開始時的表面溫度高達數千度，可是現在也頂多是杯沸騰茶水的程度而已。

WISE J0304-2705之所以會歷經這樣劇烈的冷卻史，是因為它是一顆所謂的次恆星天體（ub-stellar object），它的內部從未達到可點燃氫核融合反應的溫度，無法自行產生熱能，這讓它除了不具備正式的恆星資格外，也無法維持穩定的溫度，因此冷卻和變暗是它無可避免的命運。

如果WISE J0304-2705是顆年老天體，它的溫度演化將如右上圖所示（左上至右下）：在最初2000萬年左右，它的表面溫度約為攝氏2800度，約與像比臨星（Proxima Centauri，半人馬座αC星或南門二C星）這類紅矮星（red dwarf）相當。1億年後，它冷卻到攝氏1500度左右，大氣中的矽酸鹽凝結成雲。10億年後，它的溫度降至攝氏1000度左右，低到讓甲烷氣體和水蒸汽得以主宰它的表面。數十億年之後的現在，它已逐漸冷卻到攝氏100～150度。

WISE J0304-2705的質量約僅為木星的20～30倍，大約介在最輕的恆星和典型行星之間。但若以溫度的觀點來看，它則是從類恆星狀態演變成類行星狀態。

目前並不確知Y型棕矮星的溫度下限，太陽系鄰近區域中或許可能有許多溫度更低的各式天體尚未被偵測到。WISE於2009年發射升空，2011年2月休眠，2013年12月喚醒後繼續工作，預定可再延長3年任務時間。利用它在紅外波段的優勢，或許這3年內又會帶給天文學家們更多的驚訝與震撼。

資料來源：

• Planet-like object may have spent its youth as hot as a star/2014.08.05

本文轉載自網路天文館

法國天文學家Philippe Delorme等人利用位在智利的超大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）和位在夏威夷的加法夏望遠鏡（Canada-France-Hawaii Telescope，CFHT），發現一顆不屬於任何恆星的疑似行星，正獨自在星際空間中流浪。這個天體距離太陽系僅約100光年左右，如果確認它是行星的話，那麼它將是離太陽系最近的獨立行星（free-floating planet，或譯為孤兒行星或自由行星）。這顆行星距離這麼近，又少了恆星過亮的光芒在旁干擾，提供天文學家一個特別的機會，可以直接且詳細地研究這顆行星的大氣狀況，並將研究結果應用在未來以儀器拍攝其他恆星旁的系外行星影像上。

獨立行星是行星級的天體，不似一般行星一樣，環繞某顆恆星公轉。以前也曾經發現過獨立行星，但之前的案例都無法確定這些獨立行星的年齡，因此無法確定這些天體究竟真的是行星，還是那有「失敗的恆星」之稱的棕矮星。

最新發現的這個天體編號為CFBDSIR J214947.2-040308.9，簡稱為CFBDSIR2149，這些研究學者從專門搜尋低溫棕矮星天體的CFHT棕矮星巡天計畫（Canada-France Brown Dwarfs Survey ，CFBDS）紅外觀測資料中先發現這個天體，之後才利用VLT做後續觀測分析，因此這個天體的編號為CFBDS計畫名稱+IR波段+天體赤經與赤緯座標的結果。

研究結果顯示CFBDSIR2149似乎位在銀河系內一個由年輕恆星組成的星流—劍魚座AB移動星群（AB Doradus Moving Group）中，劍魚座AB移動星群是離太陽系最近的移動星群，位在南天的劍魚座方向；移動星群內的恆星們一起朝一個特定方向漂流。一般認為星群內的恆星們應該是幾乎在同一時期內形成的，換言之，它們的年齡相差無幾。如果CFBDSIR2149真的與劍魚座AB移動星群有關，代表這個天體也很年輕。光從這一點，再結合更多這個天體的性質，包括溫度、質量及其大氣組成等，天文學家又可以說出一齣故事來。

由此可知，確認CFBDSIR2149和劍魚座AB移動星群的關係，確定CFBDSIR2149的年齡，是進行下一步研究的關鍵線索。在假設CFBDSIR2149與劍魚座AB移動星群的前提下，得出CFBDSIR2149的質量約為4~7倍木星質量，表面溫度約攝氏430度（與金星差不多），年齡則與劍魚座AB移動星群相仿，約5000萬～1億2000萬年左右。這是第一個在移動星群中找到的獨立行星級天體，這個與移動星群之間的關係，讓它成為天文學家眼中最有趣的疑似獨立行星。不過，也不能完全排除這個天體只是恰巧在劍魚座AB移動星群方向，與這個移動星群無關的可能性；不過研究學者們經由分析CFBDSIR2149的自行運動估算CFBDSIR2149與劍魚座AB移動星群有關的機率高達87%，有95%以上的機率是顆相當年輕的行星級天體，所以他們基本上已經認定它是移動星群的一份子了。

一般認為像CFBDSIR2149這樣的獨立行星的形成過程應該如同正常行星一樣，之後才因不明原因被踢出原本的行星系統；也可能是類似質量最小的恆星或棕矮星的形成過程，因而成為一個孤獨的天體，在太空中流浪。無論哪一種形成方式，都讓人心生疑惑。而現在，如果能確認CFBDSIR214確實是一個被原生行星系統拋棄的獨立行星，天文學家或許可以進一步重建並檢視這個行星從誕生到被拋棄的過程，或者也可藉之瞭解一般恆星的誕生過程到底可產生的恆星質量下限是多少。

天文學家們認為獨立天體可能為數不少，可能和正常恆星一樣多，甚至近期有研究顯示銀河系中獨立天體的數量是主序星的兩倍之多（請參見〈一拍個不見陽光的流浪星球〉、〈孤兒行星的數量恐比恆星還多〉）。如果CFBDSIR2149與劍魚座AB移動星群無關，沒辦法透過移動星群瞭解它的本質與特性，那麼它可能就會被歸類為是小型的棕矮星。不過，無論是獨立行星還是棕矮星，都是瞭解行星和恆星如何形成和有何行為舉止的重要線索。

資料來源：Lost in Space: Rogue Planet Spotted? ESO [14 November 2012]

轉載自 網路天文館