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費米太空望遠鏡發現最年輕的毫秒波霎

臺北天文館_96
・2011/11/10 ・1641字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

一組跨國的研究小組,利用美國航太總署(NASA)的費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)發現一顆威力超強的毫秒波霎(millisecond pulsar,或稱毫秒脈衝星),而且這項發現還讓現行對此類天體形成的理論構成威脅。在此同時,另一組研究人員則利用新發展的分析技術,從費米觀測資料定出9個新的伽瑪射線波霎(gamma-ray pulsar),這項發現同時讓費米所發現的波霎總數超過100顆了!

右上圖是9顆新波霎的位置,由於表面磁場強度極強,這些波霎又被稱為磁星(magenta);而新發現的最年輕毫秒波霎則以綠色顯示。Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

波霎是自轉快速、磁場極強且以固定週期發出電磁波輻射的中子星,基本上是質量高達地球的50幾萬倍、但體積卻只有一座普通城市大小而已的天體,如此稠密的性質,使得在中子星表面,一茶匙的糖會像一座聖母峰那樣重;而由於中子星表面的磁場強度非常強,伴隨其快速的自轉,促使其兩極持續發出從波長最長的無線電波到波長最短的伽瑪射線等的電磁波光束,隨中子星自轉而轉動,從地球上觀察就變成規律的脈衝訊號,像是燈塔一樣。天文學家認為中子星是到目前為止,性質最接近黑洞但可直接觀測的天體。

在2008年費米升空前,僅知7顆會發出伽瑪射線的波霎;而經由費米觀測,目前已知的伽瑪射線波霎已超過100顆,成果斐然。其中有一群波霎的自轉速度快到不可思議,每分鐘可自轉43,000轉左右,換言之,自轉一圈僅需數毫秒而已(millisecond,1毫秒=1/1000秒)。目前天文學家認為毫秒波霎的自轉速度之所以會這麼快,是因為它與另一顆一般恆星組成雙星系統所致,一般恆星是指還處在主序階段的恆星,當一般恆星的氣體物質不斷從一般恆星流向波霎的過程中,不斷撞擊波霎,因而讓波霎的自轉速度愈來愈快。

典型的毫秒波霎年齡大約為10億年左右,但費米太空望遠鏡最新發現的毫秒波霎PSR J1823−3021A,年齡卻只有2500萬年而已,是迄今已知最年輕的毫秒波霎。PSR J1823−3021A位在NGC 6624球狀星團中,這個星團已經100億歲了,位在人馬座方向,距離地球約27,000光年遠。天文學家之前曾在電波輻射波段進行觀測,當時就已鑑定出PSR J1823−3021A是顆波霎。不過,新發現的9顆新伽瑪射線波霎,都不是毫秒波霎,而且只有其中一顆有發出電波輻射。

費米大面積望遠鏡(Large Area Telescope,LAT)觀測之J1823-3021A波霎所發出的伽瑪射線「開」和「關」的脈衝狀態,這個波霎的脈衝頻率約為每秒183.8次,相當於自轉一週約為5.44毫秒。Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

左圖顯示費米大面積望遠鏡(Large Area Telescope,LAT)觀測之J1823-3021A波霎所發出的伽瑪射線「開」和「關」的脈衝狀態,這個波霎的脈衝頻率約為每秒183.8次,相當於自轉一週約為5.44毫秒。Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

球狀星團基本上是由比較年老的恆星所組成的恆星集團,成員數從數萬到數十萬不等,整個星團的外觀幾乎成圓球形。從費米大面積望遠鏡(Large Area Telescope,LAT)觀測資料,天文學家發現共有11個球狀星團發出伽瑪射線輻射,這是數十顆毫秒波霎所發出的伽瑪射線累積的結果,但因每顆單獨毫秒波霎的伽瑪射線太微弱,費米無法分辨出單獨的毫秒波霎。

但是,NGC 6624中的毫秒波霎卻很特別,費米發現它的伽瑪射線只來自一個單獨的毫秒波霎。德國普朗克電波天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)Paulo Freire等人對此結果相當驚訝,因為這表示這顆波霎應該才剛形成不久,所以才能發出這麼強的輻射。在年紀非常老的球狀星團中發現如此年輕的毫秒波霎,與天文學家認為的毫秒波霎成因有所衝突,因此關於毫秒波霎的理論勢必得重新修正。

雖然費米LAT望遠鏡靈敏度很高,但這些昏暗的波霎每100,000轉中,只能偵測到一次伽瑪射線輻射。因此必須藉助改編自偵測重力波(gravitational wave)的Einstein@Home新分析技術來測定波霎的精確位置,以及光子抵達LAT的時間點。Einstein@Home是利用全球各地自願者的電腦閒置時間,協助分析觀測資料的龐大網絡,如此一來便可節省所需的分析時間。Freire等人從2011年7月開始將Einstein@Home計畫擴展到費米LAT伽瑪射線波霎的資料分析上,才讓這些發現進展的如此快速。

資料來源:NASA’s Fermi Finds Youngest Millisecond Pulsar, 100 Pulsars To-Date [2011.11.03]

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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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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