多少像素才「夠看」？

本文與 美商德州博藝社科技 HEART 合作，泛科學企劃執行。

提到台灣令人焦慮的交通，多數人會想到都市裡的壅塞車潮，但真正致命的「塞車」，其實正悄悄發生在我們體內的動脈之中。

這場無聲的危機，主角是被稱為「壞膽固醇」的低密度脂蛋白（ Low-Density Lipoprotein，簡稱 LDL ）。它原本是血液中運送膽固醇的貨車角色，但當 LDL 顆粒數量失控，卻會開始在血管壁上「違規堆積」，讓「生命幹道」的血管日益狹窄，進而引發心肌梗塞或腦中風等嚴重後果。

科學家們還發現一個令人困惑的現象：即使 LDL 數值「看起來很漂亮」，心血管疾病卻依然找上門來！這究竟是怎麼一回事？沿用數十年的健康標準是否早已不敷使用？

膽固醇的「好壞」之分：一場體內的攻防戰

膽固醇是否越少越好？答案是否定的。事實上，我們體內攜帶膽固醇的脂蛋白主要分為兩種：高密度脂蛋白（High-Density Lipoprotein，簡稱 HDL）和低密度脂蛋白（ LDL ）。

想像一下您的血管是一條高速公路。HDL 就像是「清潔車隊」，負責將壞膽固醇（ LDL ）運來的多餘油脂垃圾清走。而 LDL 則像是在血管裡亂丟垃圾的「破壞者」。如果您的 HDL 清潔車隊數量太少，清不過來，垃圾便會堆積如山，最終導致血管堵塞，甚至引發心臟病或中風。

因此，過去數十年來，醫生建議男性 HDL 數值至少應達到 40 mg/dL，女性則需更高，達到 50 mg/dL（ mg/dL 是健檢報告上的標準單位，代表每 100 毫升血液中膽固醇的毫克數）。女性的標準較嚴格，是因為更年期後]pacg心血管保護力會大幅下降，需要更多的「清道夫」來維持血管健康。

相對地，LDL 則建議控制在 130 mg/dL 以下，以減緩垃圾堆積的速度。總膽固醇的理想數值則應控制在 200 mg/dL 以內。這些看似枯燥的數字，實則反映了體內一場血管清潔隊與垃圾山之間的攻防戰。

那麼，為何同為脂蛋白，HDL 被稱為「好」的，而 LDL 卻是「壞」的呢？這並非簡單的貼標籤。我們吃下肚或肝臟製造的脂肪，會透過血液運送到全身，這些在血液中流動的脂肪即為「血脂」，主要成分包含三酸甘油酯和膽固醇。三酸甘油酯是身體儲存能量的重要形式，而膽固醇更是細胞膜、荷爾蒙、維生素D和膽汁不可或缺的原料。

這些血脂對身體運作至關重要，本身並非有害物質。然而，由於脂質是油溶性的，無法直接在血液裡自由流動。因此，在血管或淋巴管裡，脂質需要跟「載脂蛋白」這種特殊的蛋白質結合，變成可以親近水的「脂蛋白」，才能順利在全身循環運輸。

肝臟是生產這些「運輸用蛋白質」的主要工廠，製造出多種蛋白質來運載脂肪。其中，低密度脂蛋白載運大量膽固醇，將其精準送往各組織器官。這也是為什麼低密度脂蛋白膽固醇的縮寫是 LDL-C (全稱是 Low-Density Lipoprotein Cholesterol )。

當血液中 LDL-C 過高時，部分 LDL 可能會被「氧化」變質。這些變質或過量的 LDL 容易在血管壁上引發一連串發炎反應，最終形成粥狀硬化斑塊，導致血管阻塞。因此，LDL-C 被冠上「壞膽固醇」的稱號，因為它與心腦血管疾病的風險密切相關。

高密度脂蛋白（HDL） 則恰好相反。其組成近半為蛋白質，膽固醇比例較少，因此有許多「空位」可供載運。HDL-C 就像血管裡的「清道夫」，負責清除血管壁上多餘的膽固醇，並將其運回肝臟代謝處理。正因為如此，HDL-C 被視為「好膽固醇」。

過去數十年來，醫學界主流觀點認為 LDL-C 越低越好。許多降血脂藥物，如史他汀類（Statins）以及近年發展的 PCSK9 抑制劑，其主要目標皆是降低血液中的 LDL-C 濃度。

然而，科學家們在臨床上發現，儘管許多人的 LDL-C 數值控制得很好，甚至很低，卻仍舊發生中風或心肌梗塞！難道我們對膽固醇的認知，一開始就抓錯了重點？

傳統判讀失準？LDL-C 達標仍難逃心血管危機

早在 2009 年，美國心臟協會與加州大學洛杉磯分校（UCLA）進行了一項大型的回溯性研究。研究團隊分析了 2000 年至 2006 年間，全美超過 13 萬名心臟病住院患者的數據，並記錄了他們入院時的血脂數值。

結果發現，在那些沒有心血管疾病或糖尿病史的患者中，竟有高達 72.1% 的人，其入院時的 LDL-C 數值低於當時建議的 130 mg/dL「安全標準」！即使對於已有心臟病史的患者，也有半數人的 LDL-C 數值低於 100 mg/dL。

這項研究明確指出，依照當時的指引標準，絕大多數首次心臟病發作的患者，其 LDL-C 數值其實都在「可接受範圍」內。這意味著，單純依賴 LDL-C 數值，並無法有效預防心臟病發作。

科學家們為此感到相當棘手。傳統僅檢測 LDL-C 總量的方式，可能就像只計算路上有多少貨車，卻沒有注意到有些貨車的「駕駛行為」其實非常危險一樣，沒辦法完全揪出真正的問題根源！因此，科學家們決定進一步深入檢視這些「駕駛」，找出誰才是真正的麻煩製造者。

LDL 家族的「頭號戰犯」：L5 型低密度脂蛋白

為了精準揪出 LDL 裡，誰才是最危險的分子，科學家們投入大量心力。他們發現，LDL 這個「壞膽固醇」家族並非均質，其成員有大小、密度之分，甚至帶有不同的電荷，如同各式型號的貨車與脾性各異的「駕駛」。

早在 1979 年，已有科學家提出某些帶有較強「負電性」的 LDL 分子可能與動脈粥狀硬化有關。這些帶負電的 LDL 就像特別容易「黏」在血管壁上的頑固污漬。

台灣留美科學家陳珠璜教授、楊朝諭教授及其團隊在這方面取得突破性的貢獻。他們利用一種叫做「陰離子交換層析法」的精密技術，像是用一個特殊的「電荷篩子」，依照 LDL 粒子所帶負電荷的多寡，成功將 LDL 分離成 L1 到 L5 五個主要的亞群。其中 L1 帶負電荷最少，相對溫和；而 L5 則帶有最多負電荷，電負性最強，最容易在血管中暴衝的「路怒症駕駛」。

2003 年，陳教授團隊首次從心肌梗塞患者血液中，分離並確認了 L5 的存在。他們後續多年的研究進一步證實，在急性心肌梗塞或糖尿病等高風險族群的血液中，L5 的濃度會顯著升高。

L5 的蛋白質結構很不一樣，不僅天生帶有超強負電性，還可能與其他不同的蛋白質結合，或經過「醣基化」修飾，就像在自己外面額外裝上了一些醣類分子。這些特殊的結構和性質，使 L5 成為血管中的「頭號戰犯」。

當 L5 出現時，它並非僅僅路過，而是會直接「搞破壞」：首先，L5 會直接損傷內皮細胞，讓細胞凋亡，甚至讓血管壁的通透性增加，如同在血管壁上鑿洞。接著，L5 會刺激血管壁產生發炎反應。血管壁受傷、發炎後，血液中的免疫細胞便會前來「救災」。

然而，這些免疫細胞在吞噬過多包括 L5 在內的壞東西後，會堆積在血管壁上，逐漸形成硬化斑塊，使血管日益狹窄，這便是我們常聽到的「動脈粥狀硬化」。若這些不穩定的斑塊破裂，可能引發急性血栓，直接堵死血管！若發生在供應心臟血液的冠狀動脈，就會造成心肌梗塞；若發生在腦部血管，則會導致腦中風。

L5：心血管風險評估新指標

現在，我們已明確指出 L5 才是 LDL 家族中真正的「破壞之王」。因此，是時候調整我們對膽固醇數值的看法了。現在，除了關注 LDL-C 的「總量」，我們更應該留意血液中 L5 佔所有 LDL 的「百分比」，即 L5%。

陳珠璜教授也將這項 L5 檢測觀念，從世界知名的德州心臟中心帶回台灣，並創辦了美商德州博藝社科技（HEART）。HEART 在台灣研發出嶄新科技，並在美國、歐盟、英國、加拿大、台灣取得專利許可，日本也正在申請中，希望能讓更多台灣民眾受惠於這項更精準的檢測服務。

一般來說，如果您的 L5% 數值小於 2%，通常代表心血管風險較低。但若 L5% 大於 5%，您就屬於高風險族群，建議進一步進行影像學檢查。特別是當 L5% 大於 8% 時，務必提高警覺，這可能預示著心血管疾病即將發作，或已在悄悄進展中。

對於已有心肌梗塞或中風病史的患者，定期監測 L5% 更是評估疾病復發風險的重要指標。此外，糖尿病、高血壓、高血脂、代謝症候群，以及長期吸菸者，L5% 檢測也能提供額外且有價值的風險評估參考。

隨著醫療科技逐步邁向「精準醫療」的時代，無論是癌症還是心血管疾病的防治，都不再只是單純依賴傳統的身高、體重等指標，而是進一步透過更精密的生物標記，例如特定的蛋白質或代謝物，來更準確地捕捉疾病發生前的徵兆。

您是否曾檢測過 L5% 數值，或是對這項新興的健康指標感到好奇呢？

最近，韋伯太空望遠鏡發布首批科學影像，終於看到敲碗好久的結果——韋伯拍到了人類從未見過的許多東西！有人說，韋伯是哈伯的繼任者，但不知道大家是否好奇過，哈伯和韋伯到底誰比較強？

這個問題有點難回答，因為兩部望遠鏡都是當代科技的結晶。哈伯是 1990 年升空的王者，韋伯是 30 年後科技進步下的產物，我試著用客觀的方式來比較這兩部太空望遠鏡。

哈伯觀測可見光，韋伯觀測紅外光

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺，韋伯則是 6.5 公尺，韋伯的主鏡直徑比哈伯大 2.7 倍，這也是大家最常比較的部分。可是，如果主鏡大就比較厲害，那麼夏威夷大島上的凱克 10 公尺望遠鏡，不就比哈伯和韋伯更強？

哈伯與韋伯觀測的波段不同，用途也不一樣。哈伯主要觀測的波段在可見光，可見光是指人類眼睛可以看見的光或顏色範圍，也就是紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫。從紅光到紫光，光的波長由長到短，紅光的波長大約是 0.62–0.74 微米（1 微米＝0.001 公釐），紫光的範圍則是 0.38–0.45 微米。

紅外光是指比紅光波長更長的光，也就是波長比 0.7 微米更長，這是韋伯望遠鏡主要觀測宇宙的波段。

哈伯和韋伯太空望遠鏡觀測的波段，一個在可見光，另一個在紅外光，所以在功用上本來就不一樣，如果要比較的話就要小心，不然就像拿橘子跟蘋果相比，拿不同的東西做比較顯得很突兀。

誰看得比較清楚？來比一比解析度吧！

哈伯與韋伯可以拿來做比較的是解析度，解析度的值（角秒）愈低，表示能看到天體愈細微的部分，解析度跟主鏡直徑和觀測的波長有關。望遠鏡主鏡愈大，解析度愈好；另外也跟觀測的波長成正比。

以下兩張影像分別是史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）和韋伯拍的天空中同一區域紅外光影像，拍攝的紅外波長也差不多（史匹哲：8 微米，韋伯 7.7 微米），不過兩幅影像的解析度卻差很多，韋伯的影像中可以看到更多的細節，史匹哲則好像糊成一團。

當觀測的波長一樣時，解析度跟觀測望遠鏡的主鏡直徑成反比。史匹哲的主鏡是 0.85 公尺，所以韋伯的解析力是史匹哲的 6.5/0.85=7.8 倍！主鏡的大小直接反應在解析度上，韋伯與史匹哲在解析度上高下立判！

解析度除了跟主鏡的直徑成反比，也跟觀測的波長成正比。所以同一面主鏡觀測天體，用愈短的波長觀測解析度愈好。下圖是史匹哲望遠鏡觀測 M81 星系的結果，同樣 0.85 公尺的主鏡觀測，隨著觀測波長的增加，解析度變差。

答案揭曉——哈伯的解析度略勝一籌！

前面提到解析度跟主鏡直徑與觀測波長的關係有一個重要前提，主鏡必須研磨到完美、光滑，也就是主鏡上不能出現高低起伏。如果主鏡不完美，像遊樂場裡的哈哈鏡，不能聚焦成像，解析度自然不好。

波長愈短對鏡面的要求愈高。哈伯太空望遠鏡的鏡面對 0.5 微米波長更長的光是完美的，比 0.5 微米波長更短的光波則呈現不完美，韋伯望遠鏡的主鏡則是對 2 微米更長的波長是光滑的。（光學上，物理學家的說法是哈伯和韋伯分別在 0.5 和 2 微米達到繞射極限。）

哈伯和韋伯望遠鏡最佳解析度分別在 0.5 微米和 2 微米，根據前面的解析度公式，哈伯在 0.5 微米的解析度是 0.05 角秒，而韋伯在 2 微米的解析度是 0.08 角秒，結論是哈伯的解析度比韋伯稍微好一點！也就是哈伯老當益壯，一點也不比韋伯差。

從哈伯到韋伯，有如長江後浪推前浪

天文學家從 1990 年開始，透過哈伯望遠鏡研究宇宙，這三十年來科學家已經把哈伯的功能發揮到極致，我們對宇宙的了解很多都來自哈伯的觀測。不過這三十年的努力也讓天文學家發現哈伯不足的地方，科學家知道關鍵在紅外線觀測能力。前一代的紅外望遠鏡史匹哲無法達到需求，天文學家只能殷殷期盼韋伯。

韋伯首批公布的影像中，幾乎都是哈伯曾經拍過的天體，從科學上來說，比較可見光和紅外影像資料可以對目標天體更多了解，不過我認為這應該是韋伯對哈伯致敬的方式，感謝哈伯三十多年的貢獻！

韋伯站在巨人的肩膀上，必定能看得更暗、更遠！

• 文／林彥興（EASY天文地科團隊總編輯，就讀清大理學院學士班）

「一個哈伯不夠用，那你有試過來一百個嗎？」

哈伯太空望遠鏡可說是世上最著名的科學儀器之一。在它 1990 年升空的這三十年中，拍攝了無數令人嘆為觀止的宇宙奇景。然而，隨著時光流逝，垂垂老矣的哈伯剩下的時日恐怕已經不多。

倘若再次出現嚴重故障，可能就得和這座傳奇的天文望遠鏡永遠告別。好在，哈伯並非後繼無人，在今 (2021) 年十月韋伯太空望遠鏡升空之後，NASA 的下一個旗艦級太空望遠鏡，將以相仿的體型，卻百倍於哈伯的觀測能力幫助天文學家更深入了解宇宙的奧秘。它就是「南希．葛莉絲．羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope 」。

誰是羅曼？人稱哈伯之母的天文學家

在介紹望遠鏡之前，讓我們先來看看羅曼究竟是誰，居然偉大到讓 NASA 以她的名字命名下一代的旗艦級望遠鏡。

南希．葛莉絲．羅曼 (1925-2018) 是著名的美國天文學家。在二十世紀前葉，科學界中的性別不平等遠比現在嚴重。但她仍然努力撐過他人的冷眼與勸退，選擇攻讀天文並在取得博士學位後，在恆星分類、星團運動等領域貢獻卓越。

1959年，羅曼到 NASA 任職，並從此長年擔任 NASA 的首席天文學家。在她任職的時代，太空科技才剛剛起步，人們對太空望遠鏡的概念也相當陌生。但羅曼憑著她的遠見，參與、主持了許多 1960 與 1970 年代 NASA 的太空望遠鏡計畫，並四處為這些計畫籌措資金，為現代太空望遠鏡的蓬勃發展打下基礎。

同時，她也推動 NASA 將觀測到的資料開放給全世界使用，最終讓天文界開放資料的文化延續至今。她對 NASA 太空望遠鏡計畫的卓越貢獻，最終讓她獲得「哈伯之母」的美譽。

我要一個打一百個！羅曼的超廣視野

在被命名為羅曼太空望遠鏡之前，這個望遠鏡計畫名為「廣域紅外巡天望遠鏡
WFIRST 」。顧名思義，這是一台觀測可見光與近紅外線，用於進行廣域巡天——也就是觀測大範圍天空——的望遠鏡。預計將在 2020 年代中期發射，與蓋亞、韋伯等前輩一起運行於日地第二拉格朗日點。

在望遠鏡的構造上，羅曼與哈伯太空望遠鏡相當類似，都使用一面直徑 2.4 公尺的主鏡。但得益於三十年來的科技進步，同樣是 2.4 公尺的主鏡，性能卻大不相同。

首先，利用先進的新式材料，羅曼的主鏡重量僅有哈伯的兩成，約 186 公斤重。再者，為了增加鏡片的反射率，一般的望遠鏡都會在鏡片的表面鍍上一層高反射率的金屬。比如哈伯太空望遠鏡的鏡片表面，就鍍上了一層約 850 奈米厚的鋁。但鋁雖然能夠很好的反射可見光與紫外光，對紅外線的反射率卻不夠理想。因此作為一個觀測近紅外線為主的望遠鏡，羅曼的主鏡片表面鍍上了厚度 400 奈米的銀，讓它能夠更好反射來自宇宙深處的黯淡紅外線。

但單純只是反射還不夠，想要得到清晰的影像，就得精確的讓光線聚焦到正確的位置。因此，望遠鏡需要非常精密的拋光。羅曼的主鏡在拋光完成後，鏡片表面的平均起伏僅有 1.2 奈米。這有多平整呢？如果我們將鏡片放大到跟地球一樣，那它表面的起伏將僅有 6 毫米高！

最後，當光線經過一連串複雜的鏡片聚焦之後，將匯聚到羅曼的相機—— 3 億像素的「廣域儀器 Wide Field Instrument 」上，轉化為影像資料後送回地球讓天文學家分析。在這一整套光學系統的合作下，羅曼太空望遠鏡保有與哈伯相同解析度的情況下，擁有視野一百倍以上的超廣視野！

視野超大，然後咧？

誒不過話說回來，視野廣大有什麼用呢？

望遠鏡不是要讓我們去看更暗、更小的東西用的嗎？視野變大了，解析度卻沒有提升，這樣真的算是有進步嗎？

當然有囉！

在大家的印象中，天文學家好像總拿著望遠鏡，鉅細靡遺的觀察、研究某個天體。這當然是其中一種重要的方式，但並不是天文研究的全貌。其實在真正的天文物理研究中，很多天文學家想知道的並不是特定天體的特性（比如仙女座銀河有幾根懸臂、有多少顆恆星），而是藉由大量普查宇宙中該種天體的基本性質，然後在海量的資料中尋找擁有科學價值的寶藏。

覺得這像有字天書嗎？沒關係，我們舉個比較親民的例子。

如果你今天想知道新課綱對孩子們的學習成效如何，你會怎麼做呢？也許你可以找幾個孩子出來談談，仔細地問問他們對新課綱的想法。就像那些鉅細靡遺的研究特定目標的天文學家一樣；但你也可以用更宏觀的方式，比如看看他們全體的考試成績或補習花費，來了解新課綱的影響。

同理，對宇宙學家與星系天文學家來說，羅曼太空望遠鏡的廣大視野，讓他們可以在相同的時間內拍攝更廣的天空，或是在對同一片天空拍攝更久的時間，以看見更暗的天體。

當羅曼升空之後，將會拍攝早期宇宙中數以百萬計的大量星系與超新星，並對其中一部份進行更詳盡的光譜分析，藉由觀測這些星系的紅移、位置分佈、形狀、亮度、大小⋯⋯等等資訊，可以回推出宇宙膨脹歷史（與暗能量有關）、星際間暗物質的分佈（利用重力透鏡效應）、尋找早期宇宙中的特殊星系、甚至是幫忙測量本星系群之中的恆星移動。

另一方面,系外行星學家也對它充滿期待。羅曼太空望遠鏡將藉由兩種方式來偵測系外行星：

一個是藉由「微重力透鏡 Microlensing 」效應。當一顆恆星通過一個背景光源時，恆星的質量會扭曲周圍的時空並匯聚後方的光源，使得背景光源看起來像在短時間內快速的變亮、然後又恢復原狀，而且亮度變化的曲線有相當明顯的特徵。而如果這顆恆星旁邊有行星環繞，那行星的質量也將對亮度曲線造成影響。天文學家就能藉由分析亮度的變化曲線，來探測系外行星的存在。

第二個重點，羅曼將攜帶最先進的日冕儀 (CGI)，直接拍攝系外行星與原行星盤。

甚麼是日冕儀呢？顧名思義，它最早是為了研究太陽的日冕而發明的儀器。由於平常的太陽實在太亮，使得旁邊相對黯淡的日冕相當難以觀測，因此科學家發明了日冕儀，藉由複雜的光學系統，遮擋住視野中心來自太陽的強光，才能好好的拍攝、研究黯淡的日冕。

而系外行星的探測中，由於系外行星本身又小又暗、又非常靠近明亮的母恆星，想要直接拍攝到他們，就像要你直視著汽車頭燈，然後尋找頭燈旁的蚊子一樣困難。因此，天文學家必須借助日冕儀的力量才能夠直接拍攝到它們。

而羅曼搭載的光譜儀，將更進一步利用各種特殊的光學元件，以及類似調適光學技術中採用的可變形鏡片，利用破壞性干涉來消除主恆星的光線，讓我們能看到主恆星旁 邊，比恆星暗數百萬倍的系外行星。並進一步研究它們的光譜，看看他們溫度多高、 是由甚麼組成、讓我們更加了解這些外星世界。 

結語：值得期待的未來

作為韋伯之後的下一款大型光學太空望遠鏡，天文學大尺度與小尺度的問題羅曼通通包辦。它將能夠以哈伯等級的解析度，拍攝廣大宇宙中數以百萬計中的星系來研究宇宙學與星系演化；同時，它搭載的新一代日冕儀將能讓我們更清楚的直接拍攝系外行星。羅曼太空望遠鏡將產出哪些令人驚艷的資料？又將如何協助我們揭開宇宙的神秘面紗？就讓我們拭目以待吧！

1. STSCI, Roman. Nancy Grace Roman Space Telescope
2. Roman Space Telescope NASA 官網. Roman Space Telescope/NASA
3. 主鏡製造商 Nancy Grace Roman Space Telescope 
4. Roman Lecture Series
5. 初稿：【時事新聞】羅曼太空望遠鏡的鍍銀主鏡