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銀河系如何殘害它的衛星星系們?

臺北天文館_96
・2011/10/26 ・1357字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

來自法國斯特拉斯堡天文台(Observatoire Astronomique de Strasbourg)、「宇宙黑暗時期之光(Light in the Dark Ages of the Universe,LIDAU)」計畫的2名研究人員Pierre Ocvirk和Dominique Aubert,首度發現第一代恆星在銀河系中誕生的新線索。距今120億年前,第一代恆星所發出的強烈紫外輻射驅散了銀河系衛星星系中的氣體,讓它們沒辦法再繼續大量誕生新恆星,扼殺它們的燦爛未來,被迫成為黯淡無光的銀河系同伴。

宇宙中的第一代恆星約在大霹靂後約1億5000萬年左右出現。回到當時,宇宙中到處充斥的氫和氦,已經降溫到足以讓原子核和電子結合成為電中性的氫原子與氦原子。但當第一代恆星出現後,它們所發出的強烈紫外輻射(UV)再度讓中性氫原子和氦原子被游離而成為所謂的「電漿態(plasma state)」。這個稱為「再游離」的過程不僅明顯的加熱氣體,而且讓氣體溫度高到足以逃脫低質量星系的微弱重力場,原本不多的恆星材料也在這樣的過程中被趕跑了,讓這些低質量星系雪上加霜,恆星形成的工作從此一蹶不振。但是UV加熱的結果,也讓這些星系在UV波段相當敏感而容易觀察。

目前普遍接受這個過程可以解釋銀河系最暗的矮衛星星系中的恆星數量這麼少但年齡通常很老的現象,也能解釋為何銀河系周圍的衛星星系數量遠少於預期,即所謂的「遺失的衛星星系(missing satellites problem)」問題。這個問題約在10年前被提出,經標準宇宙論模型的數值模擬結果,銀河系應有多達500個衛星星系,但當時卻僅發現10個衛星星系,直到今日已發現的總數也不過21個而已,差距之大,讓天文學家百思莫解。要不是標準宇宙論模型錯了、根本沒這麼多星系,就是這些星系的確存在、但因某些未知因素而偵測不到。右上圖是目前已知的21個衛星星系之一的牧夫II矮星系(Bootes II)。

衛星星系通常很靠近銀河系,距離約30,000到900,000光年不等,以天文尺度而言算是很近的了,讓天文學家可以仔細研究這些星系;未來下一代更大的望遠鏡建置完成後,可見細節必定更多。比較每個衛星星系中的星族與衛星星系所在位置之間的關連性,讓Ocvirk等人能以獨特的觀點來瞭解銀河系中最老恆星們所發出的輻射的影響。

不同理論模型中,隨離銀心距離的UV輻射變化情形。Credit: P. Ocvirk  到目前為止,關於此過程的理論模型大都假設衛星星系中的氣體流失是所有鄰近的大型星系幹的好事,所以背景UV輻射應該相當均勻(左圖紅線)。而Ocvirk等人的新模型證明這個假設是錯誤的。由於Ocvirk等人將不可見的暗物質加入數值計算中,這些暗物質大都集中在銀河系盤面上下與周圍的廣大空間中,他們模擬被困在暗物質暈中的氣體,看看這些氣體對UV輻射如何反應。

與先前其他模擬相反的是:所產生的UV輻射場並不均勻,離銀河中心愈遠、UV輻射愈弱(左圖藍線);如此一來,愈靠近銀河中心的衛星星系,其中的氣體逃逸得愈快,所以星系中的恆星少到難以用現代望遠鏡偵測到。同時,愈遠的衛星星系所受到的UV輻射愈弱,能保有氣體的時間愈久,也就能形成愈多的恆星,所以比較容易偵測到,看起來比較普遍。

這些模擬結果與目前觀測結果(左圖黑線)相當接近,顯示銀河系的第一代恆星是讓衛星星系中氣體受到光蒸發(photo-evaporation)的主角,換言之,衛星星系的殺手是銀河系本身,而非先前錯怪的鄰近大型星系。

資料來源:How the Milky Way killed off its satellites

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》