掩星觀測顯示鬩神星和冥王星大小幾乎相等

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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尋找第九顆行星

1846年發現了太陽系中的第八顆行星海王星後，許多科學家就試著要去找第九顆行星。波士頓的富豪帕西瓦爾·羅威爾（Percival Lowell）非常喜歡天文，1890年代他在亞利桑納的旗竿鎮建造了羅威爾天文台（Lowell Observatory），羅威爾除了觀測火星外，也參與尋找第九顆行星的計畫。但是1916年羅威爾去世為止，第九顆行星一直沒有被發現。

1929年，在當時只有23歲的湯博（Clyde Tombaugh）受僱於羅威爾天文台，他主要的工作便是尋找第九顆行星。湯博使用的是一部33公分的望遠鏡，他在不同晚上拍攝天空中同一個區域的天體，然後將不同的照片做比對：因為相對於天空星星的位置行星會緩慢地移動，如果發現一個不曾發現的緩慢移動的天體，那麼它可能就是正在尋找的第九顆行星！

1930年2月18日，湯博比較1月23日和1月29日拍攝的照片時，發現一個小亮點移動了位置。接下來一段日子的觀測，確認這個天體確實在移動！3月13日他們把發現結果公諸於世。

這個重大的發現立刻成為世界各地的頭條新聞，羅威爾天文台於是公開徵求對這個天體命名，在許多的建議當中，最後選定「Pluto」冥王這個名字，因為這個字的開頭PL和羅威爾天文台的贊助人帕西瓦爾·羅威爾（Percival Lowell）名字的縮寫是一樣的。

冥王星和其他夥伴有點不一樣？

當冥王星的軌道被計算出來後，科學家就發現它和其他的行星相當不一樣，太陽系其他行星以接近圓形的軌道繞太陽運行，但是冥王星的軌道形狀卻相當橢圓，離太陽最近和遠的距離分別是29.7 AU和49.3 AU （AU是地球到太陽的平均距離），當冥王星離太陽最近時，甚至比海王星還靠近太陽。另外，太陽系裡的其他行星幾乎都在黃道面上繞太陽運行，但是冥王星的軌道卻偏離黃道面達17度！

除了軌道特異外，冥王星的質量還比其他行星小很多。1978年發現冥王星的最大衛星夏戎（Charon）後，透過夏戎繞冥王星的軌道，科學家可以計算出冥王星的質量，冥王星的質量只有地球的0.2%！

冥王星被發現後，就有天文學家預測在海王星外，還有許多小天體還沒被發現。但是一直到1992年才在海王星外發現另一個天體，1992 QB1。而到2017年年初為止，已經在海王星外發現了超過2000顆的這類天體，這些天體泛稱為海王星外天體（Trans-Neptunian object, TNO），其中2004年發現的妊神星（Haumea），它的質量大約是冥王星的三分之一，這些天體的軌道和冥王星類似，冥王星會不會只是海王星外天體中最大的一顆而已呢？

新天體的發現反而讓冥王星「降級」了？

2005年1月，麥克·布朗（Mike Brown）和他的團隊發現了一個新的天體，這個天體後來被稱為鬩神星（Eris），鬩神星的名字源自希臘神話，她代表著不和與紛爭，鬩神星就如同它的名字一樣，引發了冥王星是不是行星的爭論。

鬩神星的質量比冥王星稍大，但是體積比冥王星稍小，當鬩神星被發現時，有人稱它為第十號行星！但是另一些科學家卻不認為鬩神星是一顆行星，他們主張冥王星和鬩神星不同於其他行星，應該另外分類成一種新的天體。

冥王星到底是不是一顆行星？這個問題應該要回到最根本的地方，什麼是「行星」？如果行星被清楚的定義，那麼就可以解決冥王星是不是行星的問題。國際天文聯合會（International Astronomical Union, IAU）邀集了專家學者討論這個問題，2006年8月時公布了行星的定義：

1. 行星必須繞太陽運行。
2. 行星的質量夠重足以讓自己呈圓形。
3. 行星能夠清除軌道附近上的其他天體。

冥王星雖然符合第一和第二個定義，但是卻不符合第三個條件，因為冥王星的軌道上有許多的海王星外天體，那麼冥王星應該歸類為什麼樣的天體呢？

天文上常常用「矮」這個字來描述較小的天體，例如紅矮星是質量最小天恆星；棕矮星是比恆星質量小一些，不會產生氫核融合的天體；而矮星系是比一般星系還要小的星系。天文學家於是把不符合行星第三個條件的天體稱為「矮行星」（dwarf planet），所以冥王星和鬩神星就被歸類為這種天體。目前國際天文聯合會認定的矮行星有五顆：冥王星、鬩神星、妊神星、鳥神星（Makemake）和穀神星（Ceres），另外還有一些天體在矮行星的候選名單之中，科學家相信還有許多矮行星在海王星之外等著被發現。

麥克·布朗本來以為發現了第十顆行星，但是因為鬩神星的出現，最後太陽系行星的數量，反而從九顆降為八顆，這可能是他沒有預料到的結果。麥克·布朗因為發現鬩神星，讓冥王星被降級，所以他被封為冥王星殺手，麥克·布朗似乎還蠻喜歡這個封號，他還為此寫了一本書《我是如何殺了冥王星的》！！

所以冥王星就從此過著身為矮行星的生活了嗎？

仔細看一下國際天文聯合會對行星的定義，這個定義似乎是為冥王星量身定做的，感覺就好像刻意要將冥王星排除在行星之外。

其中感觸最深的應該是艾倫·斯特恩（Alan Stern），他是新視野號太空船的計畫主持人，2006年1月新視野號（New Horizons）發射升空時，這艘太空船的最主要目的是探索太陽系裡還未被太空船探訪的最後一顆行星：冥王星，結果新視野號升空幾個月後，冥王星就被降級為矮行星，原本要探訪的冥王星，變得不再是一顆行星，情何以堪！

艾倫·斯特恩認為國際天文聯合會對行星的定義有問題，也不夠嚴謹。以木星為例，木星繞太陽的軌道上並不是只有木星而已，它的軌道上還有兩大群的特洛伊小行星（Trojan），這些小行星和木星一起繞著太陽運行，這表示木星並沒有清光軌道上的其他天體。另外，地球附近也有近地小行星，地球也沒有完全清光軌道上的天體。如果根據國際天文聯合會的定義，木星和地球也不能算是行星！

最近有一些人（主要是包括艾倫·斯特恩在內的新視野號團隊）主張應該把冥王星再列為行星，他們認為行星應該重新定義：行星是比恆星還要小的天體，它們不會進行核融合反應，本身的重力能夠讓自己呈球形，而且和它們的運行軌道沒有關係。根據他們的定義，太陽系裡的行星數量會暴增到大約110顆！因為一些較大的衛星（包括我們的月球）都會升級成行星！他們已經將提議交給國際天文聯合會，冥王星會不會重新回到行星的行列？就讓我們拭目以待吧！

• 原文刊登於科普寫作網路平台，以及作者部落格「屋頂上的天文學家」。

天文學家利用鬩神星掩星的方式，精確測量鬩神星的直徑，結果發現鬩神星的直徑幾乎與冥王星相同；這個結果同時暗示鬩神星的表面反照率比預期還高，很可能在其表面佈滿了均勻的薄冰層。相關論文發表在自然（Nature）期刊中。

鬩神星是太陽系目前已知的5顆矮行星之一，發現至今，一度認為其直徑比冥王星大，而讓天文學決定新增一個分類–矮行星，且造成冥王星被從行星改分類為矮行星的關鍵因素。當鬩神星從某顆遙遠恆星的前方通過時，會掩蓋星光，天文學家可以根據掩星時間長短來精確測定鬩神星的直徑；這是天文學家用以測定遙遠太陽系天體直徑的方法中最精確的，而且常常是唯一的方式。此外，如果多點同時觀測，綜合各地觀測結果後，可估算出這些遙遠天體的大致形狀。

由於鬩神星體積不大，而且又很遙遠，在天空中的移動速度緩慢，所以鬩神星掩星事件相當稀少且觀測難度高；下一場鬩神星掩星事件得等到2013年呢！這場鬩神星掩星事件發生於2010年11月，由於機會難得，由法國、比利時、西班牙和巴西等國的天文學家組成一個聯合團隊，在掩星事件發生前就開始小心地計畫觀測事宜，全球總觀測點則多達26處，多半沿著預測的掩星帶分佈，其中包含一些業餘天文台。

　　而專業天文台中，有2處位在南美智利；Bruno Sicardy等人利用歐南天文台（ESO）La Silla觀測站的0.6米比利時TRAPPIST望遠鏡（TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope）進行觀測，這是La Silla最新設置的自動望遠鏡；而另一處阿卡塔瑪的聖佩卓（ San Pedro de Atacama）則有兩座望遠鏡加入觀測。而在掩星之前，天文學家已經用同樣在La Silla的2.2米MPG/ESO望遠鏡確認過將被鬩神星掩過的這顆昏暗恆星。這3座望遠鏡都記錄到鬩神星掩星瞬間，恆星亮度突然下降的現象。將智利這兩處的觀測資料整合後，發現鬩神星的形狀非常幾近正球形，沒有過於龐大的山脈將此天體拉到變形。

先前利用其他方式觀測鬩神星直徑，顯示鬩神星的直徑約比冥王星大25%，接近3000公里。但利用掩星方式測得的新結果則僅約2326公里，誤差僅±12公里。這個數值與冥王星直徑約2300~2400公里相當。冥王星的直徑比較不易測量，是因為冥王星具有薄薄的大氣層，讓掩星過程中，冥王星邊緣顯得有點模糊所致。

天文學家先前也曾利用鬩神星的衛星鬩衛一（Dysnomia）來估算鬩神星的質量，得出1.66×10²² kg，約比冥王星重27%，但僅及月球的22%而已。綜合直徑與質量資料後，得出鬩神星的平均密度約為2.52g/cm³，雖比月球的3.3g/cm³低，但仍顯示鬩神星很可能是一個龐大的岩質天體，其中核心處佔了約85%的是岩石，而在最外層約100公里厚的是佔了剩餘15%的水冰。

此外，鬩神星的表面反照率（反射太陽光的比例）高達0.96，換言之，每100%的陽光照射到鬩神星之後，有多達96%的陽光會被反射回太空。這個反射率比地球的雪面反射率還高，讓鬩神星和土衛二（Enceladus）一起成為太陽系中反照率最高的天體。相較之下，月球表面反照率低達0.136，和煤炭差不多。

從光譜觀測已知鬩神星表面富含氮與甲烷等成分，因此這些天文學家猜想：鬩神星表面反照率之所以這麼高，很可能是因為表面覆蓋一層富含氮冰和甲烷冰的冰層，但冰層極薄，僅約幾毫米厚而已，應是鬩神星沿著其狹長的軌道遠離太陽時，所接收到的太陽光熱愈來愈少、愈來愈冷，稀薄大氣中的氮和甲烷等成分因而在鬩神星表面凝固成霜的結果，與其下方100公里厚的水冰層不同。天文學家估計，當鬩神星未來再度沿著軌道逐漸接近太陽到近日點附近時，離太陽僅約57億公里，此時表面這些凍霜就有機會昇華成氣體，重新變成大氣的一部份。

這個新觀測結果也讓這些研究團隊有機會測得鬩神星的表面溫度。估計結果顯示鬩神星表面僅約攝氏零下238度，在鬩神星背對太陽的夜晚面應該比這個溫度更低。

利用小望遠鏡，經由掩星方式，就可以獲得這麼多這顆矮行星的訊息，讓這些天文學家喜出望外。Sicardy說道：在矮行星被定義出來5年後的這時，我們才終於有機會能進一步瞭解其中一個矮行星成員了。

資料來源：Faraway Eris is Pluto’s Twin[2011.10.26]

轉載自台北天文館之網路天文館網站