橢圓星系是從中心區開始「死透」

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

天文學家新發現了一個幾乎要破紀錄的超大黑洞，它的質量等同於170億個太陽！這個黑洞不僅出乎意料的位於宇宙中的「荒郊」，也比預估的巨大。這個黑洞是由台裔天文科學家、加州大學柏克萊分校教授馬中珮領導的團隊發現，也是團隊在近五年來發現的第二個大型黑洞。

這個超大黑洞在哪裡呢？

它位於宇宙中的偏遠地區，星體數量少，距離我們 2 億光年遠的橢圓形星系 NGC 1600 中。

這個發現跌破了許多天文學家的眼鏡，他們原本認為大型黑洞只會出現在大型星系團的中心，偏偏這個大黑洞出現在這種偏遠、只有 20 幾個星系的星系團中。而說它「幾乎要破紀錄」，就代表還有比它更龐大的黑洞。目前發現最大的黑洞，質量為太陽的 210 億倍，它就是在后髮座星系團（Coma cluster） 這個相對比較大、擁擠的星系團，這個星系團就有超過 1000 個星系。

領導這次研究的加州大學柏克萊分校天文學家馬中珮說：「這次的發現就像看到一棟摩天大樓出現堪薩斯州的麥田中，而不是在大樓林立的曼哈頓。」

大黑洞特別在哪裡？

面對這個出乎意料的新發現，接下來天文學家還有得忙呢！首先，他們得調查更多星系，去看看這一個位於偏遠地區的 NGC 1600 大黑洞是特例，還是只是廣大宇宙中的冰山一角？馬中珮說，宇宙中還有不少與 NGC 1600 星系所屬的星系團相似的環境，這樣的環境甚至是后髮座星系團的 50 倍，這其中還會不會再次發現更多大型黑洞，就有待這些天文學家繼續研究了。

此外，NGC 1600 黑洞也比天文學家預期的「更大隻」。天文學家原先根據哈柏調查（Hubble Survey）對於黑洞的研究，歸納出了黑洞質量和它所在星系中央核心（galaxy’s central bulge of stars）大小成正比關係。這一次 NGC 1600 黑洞質量超級大，但它的星系中央核心卻顯得很稀疏，這個「正比關係」似乎沒有辦法應用在這個巨大的黑洞上了。

馬中珮團隊也嘗試對這超乎意料的現象提出解釋，他們認為這個大黑洞的成因，可能是因為早年兩個星系合併的結果。早期可能有兩個比較靠近的星系合併在一起，而在兩個星系中心的黑洞也越靠越近、越靠越近，直到形成一個更大型的黑洞。而且馬中珮也形容這個黑洞可能非常的「貪吃」，它在形成過程中不斷吞噬周圍的氣體，讓它自己越長越大，越來越壯。

「不過，現在它是一個『沉睡的巨人』了。」馬中珮說，大黑洞現在已經不再大量吞噬氣體。

怎麼發現這個大黑洞？

馬中珮和她所領導的 MASSIVE survey 計畫團隊，是這次發現大型黑洞的幕後功臣。

黑洞沒有辦法直接觀察到，需要透過一些間接的方式去找。以這次來說，馬中珮團隊透過位於夏威夷的雙子望遠鏡（Gemini Multi-Object Spectrograph）測量星體移動速度，他們發現這些星體明顯受到黑洞的引力，星體的移動速度也幫助團隊計算出黑洞的質量。

他們發現在星系中心往外 3000 光年內的星體，一部份圍繞著黑洞轉，而且小心翼翼避免和黑洞太靠近；但另一部份卻直直遠離中心，這表示它們曾與黑洞靠太近以至於被黑洞的力量往外推，特別可能是發生在雙黑洞的狀況。以往拍攝的哈柏望遠鏡的影像也支持這樣的推測，他們發現 NGC 1600 星系中間的亮度，明顯比其他橢圓星系弱，這些被往外推的星體數量推測可能有 400 億個，根本就是把整個銀河系的星體都彈出去了！

資料來源：NASA

黑洞是一具極強大且有效率的引擎，一邊吞吃物質，一邊將所進食物質的能量歸還給宇宙。當黑洞吸引了物質進入，另一方面它也啟動了一個輻射出密集的Ｘ射線的機制，並供應著噴流的動能。不過，似乎卻並非每個黑洞都以同樣方式進行進食和能量釋出。這件事情教天文學家頗感困惑；最近，荷蘭天文研究團隊研究兩個活躍黑洞後找到了一些證據並提出一種新看法，他們嘗試為這個問題提出這麼一個解答：就像汽車引擎的換檔機制一樣，或許每顆黑洞也都是在兩種模式當中來去切換。

黑洞的噴流，從中央向外爆發出速度逼近光速的強力物質流，它就像燈塔發出的強力聚光燈光束，也能夠對週遭環境演化帶來重大影響。譬如星系中央超大質量黑洞的噴流，能夠在一個星系群中吹出巨大的泡泡並加熱星系群中的氣體。

黑洞噴流還有另一類大手筆製作，就是大家也不太陌生的哈尼天體(Hanny’s Voorwerp)。在該地區中的氣體在被鄰近星系的黑洞噴流束擊中後，新恆星開始形成。諸如此類的現象表達出一個訊息：了解黑洞如何製造和傳遞其能量實在有其重要性，不過到目前為止其中已知的訊息仍充滿著不確定，這種情形直到最近才有所改觀。

要明瞭黑洞這個引擎運作的方式，必須先能解釋黑洞釋放的X射線和黑洞的噴流兩者之間具有怎樣的關連性，這一點，直到2003年時，才因有了實際的觀測而較為明朗。在發現兩者間具有關連性的頭一年所見的現象，似乎顯示所有的黑洞都以同樣的模式進食和運作，不過很快地，「怪胎」開始出現。一些特別不尋常的例子出現了，它們似乎仍然遵循著「能量經由X射線釋放轉換噴流」的規則，但是它們在進和出的比例上，卻和「模範寶寶」型黑洞之間似乎存在著差異。後來又發現到這種怪胎的數量竟是越來越多，看來似乎是「有兩種黑洞」：一種是燒汽油的引擎，而另一種則是燒柴油的引擎，所以運作模式才不盡相同。

多年來天文學家都在努力，希望合理化這兩類黑洞族群間所呈現的不同特性，但成績不太好。最近Michael Coriat等人的研究成果總算向前跨了一大步。他們發現，同一顆黑洞，似乎會在兩種高低效能模式當中做切換，亮度也會不同。這意思是黑洞未必按照兩種不同的引擎來做分類，反倒是，每顆黑洞都可遵循兩套規則，時而柴油，時而汽油，就好像在高、低檔上做切換一樣。

現在，兩位來自荷蘭SRON 太空研究所的研究員Peter Jonker 和他的博士後學生Eva Ratti同樣也對這個謎體的解開做出重要貢獻。他們使用錢卓太空望遠鏡做X射線的觀測，又用位於新墨西哥州的Extended VLA做電波觀測，觀測目標是，兩個黑洞系統的完整瘋狂進食過程。Eva Ratti 發表評論說：「無獨有偶地，我們所觀測的這兩顆黑洞也是會換檔的黑洞，這表示會換檔並非單一一個特別的黑洞所獨具的特性。事實上，我們的研究結果認為換檔現象應該在所有黑洞中都相當普遍。同時我們也發現，在這三個黑洞系統中發生換檔的時機，都同樣是在一個固定的X射線亮度範圍內」

上述最新研究成果對解釋黑洞的引擎功能，以及黑洞對於其週遭環境的演化影響等相關理論模型，是相當有意思的發現。相關論文獲刊於皇家天文學會月刊(MNRAS)。(Lauren譯）

資料來源：中研院天文網[2012.06.15]

轉載自台北天文館之網路天文館網站