矮星系吹泡泡

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

• 林彥興｜EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生，努力在陰溝中仰望繁星

2022 年 1 月底，兩位天文學家在頂尖科學期刊《自然》發表的論文中，宣布他們發現矮星系「Henize 2-10」中的超大質量黑洞，觸發了一批新恆星的誕生。可是，我們印象中的黑洞不是會以極強的重力撕碎、吞噬周遭一切的嗎？怎麼這樣毀滅性的天體，居然還能誕生新的恆星？今天就讓我們來一探究竟！

黑洞：宇宙燈塔核心

多數人對黑洞的印象，大概是一個擁有強大重力、會撕碎與吞噬一切的純黑球體。由於連光也無法逃離它的魔爪，因此黑洞總是隱身在宇宙黑暗的背景中難以觀測。

這樣的圖象雖然大致正確，卻不是事情的全貌。黑洞確實會以它強大的重力吃進物質，天文學家也確實相信茫茫星海中，有許多難以觀測的黑洞漫步其中。但是被黑洞重力捕獲的物質，往往不會直直地朝黑洞落去，而是會在黑洞週遭形成一個旋轉的盤狀構造，稱為「吸積盤 Accretion Disk」。

在吸積盤上，物質之間不斷的碰撞、摩擦、緩緩向黑洞靠近，在過程中將重力位能轉化為動能、熱能、磁能等各式各樣的能量形式，並釋放出橫跨伽瑪射線到無線電波的電磁輻射。在許多系統中，還可以觀測到物質快速的從黑洞附近噴出，通常速度較慢（約每秒數百至數千公里）者通常稱為「外流 Outflow」，速度較快（接近光速）者則稱為「噴流 Jet」。

黑洞產生的輻射、噴流與外流，不僅讓我們能夠用各式各樣的觀測手段去尋找和研究黑洞，它們同時也會對黑洞所在的環境產生影響。

尤其當身處星系中心、質量是太陽數百萬倍以上的「超大質量黑洞 SMBH」們在大快朵頤週遭的氣體時，能夠以太陽數百萬倍、甚至數千億倍以上的功率釋放能量，成為宇宙中最明亮的天體。

如此龐大的能量，足以影響整個星系乃至於星系團的演化。它可能促進星系中恆星的形成，為星系帶來新生；或者是抑制星系中恆星的形成，讓星系變得死氣沉沉。另一方面，星系中恆星的形成、超新星爆炸等其他現象，也會決定有多少氣體能夠流到位於星系中心的黑洞上，從而影響黑洞的成長。

超大質量黑洞與星系之間互相影響、共同演化的機制，統稱為「活躍星系核回饋 AGN Feedback」，是當代天文物理非常重要的研究領域。

過去 20 多年的無數理論與觀測成果，讓天文學家相信活躍星系核回饋確實對星系的演化有重要的影響。但是具體是怎麼影響？影響多大？目前仍沒有明確的結論，甚至連直接的觀測證據都十分稀少。因此，天文學家迫切的想要找到更多活躍星系核回饋的直接證據，了解黑洞究竟是怎麼與星系一同成長。

瞄準目標：矮星系 Henize 2-10

在這個研究中，天文學家鎖定位在羅盤座（Pyxis）、距離地球約 3400 萬光年的矮星系「Henize 2-10」。過去其他天文學家以無線電與 X 射線觀測的結果顯示，這個星系中心可能有一個正在進食的超大質量黑洞，因此是尋找活躍星系核回饋證據的絕佳場所。

為了得到高解析度的影像，天文學家使用哈伯太空望遠鏡仔細的研究星系中心的影像與光譜，發現在星系的中心有一道長約 500 光年、由游離氣體組成的纖維狀結構，源自星系中心的超大質量黑洞噴出的外流。而黑洞東方（圖中的左手邊）約 230 光年外，有一片正在形成許多新恆星的區域（稱為恆星形成區），與外流相連。

天文學家仔細分析星系的光譜後，認為黑洞的外流正是催生這片恆星形成區的幕後推手。因為外流推擠、壓縮了星系中的氣體，增加了氣體的密度，才進一步激發了這批新恆星的形成。對研究黑洞與活躍星系核的天文學家來說，這無疑是一次振奮人心的發現！

結語：萬里長征的一小步

黑洞不只是能夠吞噬一切的引力怪獸。它在囫圇吞棗的過程中，其實可以釋放出巨大的能量。尤其是位於星系中心的超大質量黑洞們，它們產出的能量之龐大，甚至能夠影響整個星系的演化，稱為活躍星系核回饋。但是怎麼影響？影響多大？天文學家們仍在積極的研究。

這次在 Henize 2-10 星系中觀測到的黑洞外流與其激發的恆星形成，是活躍星系核回饋相當重要的直接證據。未來，天文學家將繼續在更多的星系中，尋找黑洞與星系互動的蛛絲馬跡，直到揭開活躍星系核回饋的神秘面紗。

參考資料

• Black-hole-triggered star formation in the dwarf galaxy Henize 2-10 – NASA/ADS
• Dr. Becky: A supermassive black hole FORMING new stars! | Positive and negative black hole feedback
• Reviewing Fantastic Beasts: AGN Feedback in Galaxies and Clusters | astrobites
• Observational Evidence of Active Galactic Nuclei Feedback – NASA/ADS
• Hubble finds a black hole igniting star formation in a dwarf galaxy
• 出事了哈伯！細數哈伯太空望遠鏡31 年來的維修升級史

• 採訪編輯｜歐柏昇 美術編輯｜張語辰

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

天文學家無法做實驗來製造一個宇宙，卻可以在超級電腦中製造小宇宙，探索宇宙中複雜的現象。中研院天文及天文物理研究所的助研究員陳科榮，利用電腦模擬，揭開觀測背後的物理過程，了解超新星爆發的機制，以及超新星與宇宙學的關聯。

模擬天文學家的望遠鏡：超級電腦

對於模擬天文學家而言，超級電腦就是望遠鏡。我們可以在超級電腦裡模擬我們的小宇宙。

為什麼研究宇宙需要用電腦模擬呢？陳科榮說明，物理、化學研究可以在實驗室裡做測試，但是天文學家不可能自己做一個宇宙出來，必須仰賴電腦來做實驗。

用電腦模擬來研究宇宙，其基礎在於我們對物理的理解。我們覺得牛頓定律、電磁學等在宇宙其他地方也適用，就可用數學、物理的方程式，推算宇宙星體經歷的過程。然而，宇宙中的許多系統很複雜，沒辦法用人腦、用筆去算。因此，把物理方程式寫成程式，讓超級電腦計算。

何謂「超級電腦」？陳科榮解釋，當一台電腦的記憶體、運算速度，大約是一般筆電的超過一萬倍以上，就可稱做超級電腦。也就是說，在一般筆電要花一萬個小時的計算，在超級電腦只要花一小時。近年來，電腦運算速度越來越快，幫助我們處理更複雜的問題。

「模擬」是根據基本數學、物理建構出來，製造一個虛擬的世界。虛擬世界跟實際世界是否真的相關聯，這就需要驗證。

陳科榮舉了工業上的例子，說明電腦模擬的應用。過去沒有電腦模擬，若要測試新型汽車的效能，就會先製造一個實體的模型車，放在「風洞」裡，讓風吹向車子，觀察流線的分布，來判斷模型是否優良。現在不必花高成本製造模型車，只要用電腦模擬，計算流體力學，就可以了解流線的情況。確定模擬出的最佳結果之後，才需要做出實體的模型車，再放到風洞裡做實驗，省下了很多開發資源。

用電腦模擬，追探觀測背後的玄機！

用電腦模擬來研究天文，可以幫助我們了解：天文觀測到的現象背後，到底發生了什麼事。

陳科榮說明，我們一般看到宇宙都是看到「光」，光會帶來很多訊息，但有時比較表面。就像我們在大樓裡面討論事情，有些訊號可能會傳到大樓外，但是大部分的光線都被牆壁擋住，大樓外面的人無法得知我們在做什麼。

例如，超新星爆炸是發生在恆星內部的過程，我們只能看到爆炸後的現象，卻也想了解超新星爆炸內部的過程。做模擬的天文學家，便試著去探索背後的機制，了解爆炸怎麼產生。

以上方影片為例，這是陳科榮模擬「磁星」(magnetar) 的超新星爆發過程。簡單來說，中間有個很大的中子星，中子星放出的輻射促成了超新星的第二次爆炸。這種超新星爆炸會發出非常亮的光，且在輻射機制的加速過程中，被推出來的物質會承受流體的不穩定性。一開始小小的不均勻，可成長出「渦流」(eddy)，形成大尺度的不穩定結構。

陳科榮發現，磁星的超新星爆炸機制，模擬出來的結構，竟然與下方右圖的蟹狀星雲非常像，推測蟹狀星雲可能是由這種爆炸機制形成。

陳科榮再舉一個爆炸模擬，如下方影片所示。一般想像的爆炸是四面八方擴散，但其實有種不均向的超新星，稱為極超新星 (hypernova)。爆炸能量主要集中在南北極，產生噴流的結構形成極大的不對稱性。這就像是大砲把恆星轟一個大洞，整顆炸開。

化作春泥更護花──超新星與宇宙學

陳科榮在博士班三年級的時候，得到一個獎學金，去德州大學做研究，開啟了宇宙學和超新星關聯的研究旅程。超新星對宇宙有何影響呢？陳科榮引用詩句來詮釋：

落紅不是無情物，化作春泥更護花。

星星就像是一朵花，這朵花是由它的泥土滋養而來。超新星爆炸時，這朵花就散落了，但是花瓣回歸到泥土，就繼續滋養下一代的花長大。超新星也是一樣，散出去的物質，變成之後下一代星星成長所需要的元素。因此，超新星是宇宙、恆星生命週期中的重要過程。

宇宙很大，恆星很小，恆星卻能影響宇宙。這就像是人體很大，細胞很小，但是細胞發生問題，可能會影響到整個人體。恆星、超新星、宇宙之間的關聯性相當重要，但因為跨越了巨大的物理空間，是不易研究的課題。

為求了解恆星對宇宙的影響，陳科榮做了宇宙結構的模擬，如下方影片所示。首先，恆星會發光，將周圍氣體加熱、游離化。如果恆星死亡後直接變成黑洞，氣體會慢慢冷卻。但若恆星變成了超新星，則會發生許多有趣的變化。

在超新星的爆炸過程，會見到「紊流」這個現象。無序的紊流，是普遍發生於自然界的擴散過程。例如，滴下一滴墨水，很快地，杯子裡的水都變成藍色。其實短短時間內發生的物理過程很複雜，出現了「瑞利 – 泰勒不穩定性」等現象，使得流體混合在一起。透過下方的電腦模擬影片，我們可以仔細品味其中的過程，以及無序之美。

• （紊流影片來源│謝宜達提供）

難以入眠的模擬天文學家

宇宙星體很美麗，卻看似離實際利用較遙遠，那研究目的是什麼呢？陳科榮認為，研究基礎科學最重要的動機，是對人類知識做出貢獻，滿足人類的好奇心、求知慾。是否能夠拿來賺錢，總是往後才應用出來的事。

陳科榮舉例，電磁學之父法拉第發明了「電場」的概念，國王問他，這個東西對國王有什麼用？法拉第回答，他也不知道這能幹嘛，但是相信它未來會貢獻國王的稅收。後來，全世界一半以上的產值都和「電」有關。研究天文、宇宙，現在也不知道馬上能夠拿來幹嘛。

但若未來人類要去外太空旅行，也許就能知道要避開哪些爆炸的超新星。

談到研究的甘苦，陳科榮說，其實研究大部分時間都是苦的。一個研究結果出現，經常是失敗過很多次了。不過，痛苦與樂趣是相對的，如果沒有痛苦，就不會覺得快樂。如果有問題在腦中徘徊，經常睡覺就沒有睡好，但是想到答案時就很高興。他也有忙裡偷閒的方式，像是在美國時，有時自己一個人開車到山上躲個幾天，調劑身心。

模擬天文學家的另一項樂趣，是把研究成果作為藝術。超新星模擬結果的圖片，經常讓人感到新奇，容易登上新聞版面。陳科榮也常用模擬結果作為素材，創作出富有哲思的藝術品。

另一方面，陳科榮認為，能夠當科學家是得到一種「優待」，可以做自己喜歡的事，又有薪水過活；在研究上，自己就是自己的「老闆」，是個自由的工作。

相對地，科學家也有許多義務，不僅要做好研究，對人類知識做出貢獻，也有一些社會責任：將知識傳承下去，教育下一代。陳科榮回到臺灣之後即身體力行，在中研院成立了「爆炸小組」，帶領學生一起做研究，希望幫助學生，並且讓研究環境變得更好。

延伸閱讀

• 陳科榮的天文所網頁
• 陳科榮的個人網站
• 陳科榮「爆炸小組」團隊網站
• 【地球證詞導讀】宇宙的黎明─真正的創世時刻

本著作由研之有物製作，原文為《電腦裡的小宇宙，重現絢麗的恆星爆炸！專訪陳科榮》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位