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天文學家完成黑洞三根毛理論完整敘述

臺北天文館_96
・2011/11/24 ・1564字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

光線雖然無法逃離黑洞,不過黑洞的機密總還是會有曝光的一天。透過多種天文儀器觀測,歷經20年,哈佛史密松天文物理中心和San Diego州立大學的天文學家終於首度為天鵝座X-1這個X射線雙星系統提出完整的描述,回溯它6百萬年前的形成,也解開裡面這個黑洞的身世起源之謎。

天鵝座X-1系統有一顆黑洞,一直持續地從它旁邊那顆藍色超巨星伴星吸取著物質。大約50年前,天文學家就發現到它發射出強烈的X射線。自1964年開始,天文學家一直嚴密注意該強烈X射線源,希望得到它的質量和自旋資料。但在不確切知道它和地球之間距離究竟多少,只知大約5,800~7,800光年左右這樣有限的資料之下,天鵝座X-1裡到底蘊藏著什麼秘密?先前可說是全憑臆想。

如今,藉由美國國家科學基金會(National Science Foundation)的特長基線陣列(VLBA:Very Long Baseline Array,一個橫跨洲際的大型電波干涉陣列望遠鏡),天文學家Mark Reid及他的團隊,以三角視差法直接測量了天鵝座X-1與地球間的距離,精確得到一個數字:6,070光年。

包括Mark Reid團隊在內,近期共有三篇和天鵝座X-1相關論文,同時刊載於天文物理期刊快訊Astrophysical Journal Letters上,其中Mark Reid這位作者在新聞發佈時表示,「由於再也沒有其他訊息可逃離黑洞魔掌,所以要得到關於黑洞的完整描述,全得靠得知它的質量、自旋和電荷,而黑洞的電荷幾乎是零,所以,只要測量質量和自旋,就完成了一個黑洞的描述。」

運用精確的距離測量方法,並且在錢卓X射線觀測衛星、Rossi X射線計時探測衛星(RXTE: Rossi X-ray Timing Explorer) 、宇宙學和天文物理高階衛星(ASCA)和其他數座可見光波段觀測衛星的通力協助下,集20餘年之努力,天文學家已經為「無毛定律」(”No Hair” theorem)拼出一幅完整圖像。確認出這個X射線源具有將近15倍太陽質量,每秒鐘自旋800次。San Diego州立大學的共同作者Jerry Orosz說:「現在我們知道它應該是銀河系裡質量最大的一個恆星黑洞,其自旋速度一點都不慢,就和所有其他我們曾觀測到的黑洞一樣快,毫不遜色。」無毛定律和三根毛定律敘述相同的理論,黑洞像個頭上無毛、只剩三根的大光頭,所以只要「三根毛」就可完整描述它:質量、自旋和電荷。

天文學家在使用VLBA測量距離之餘,順便測量了天鵝座X-1在銀河系中的運動,因此得到意外的收穫,他們在2009年和2010年的觀測中發現,天鵝座X-1運動速度緩慢,因此進一步確認,當初天鵝座X-1形成時,可能根本沒有發生過「超新星爆炸」這個臨門一大腳,較可能的誕生成因是:超過100倍太陽質量的原星直接暗塌縮。「先前有些理論認為天鵝座X-1裡的這顆黑洞最初並不是靠超新星爆炸形成的,而這種理論在我們的研究結果中獲得了證實。」

著名物理學者霍金教授數十年前曾和加州理工學院的理論物理教授Kip Thorne拿天鵝座X-1打過賭,霍金賭的是,天鵝座X-1裡沒有黑洞。但在一些測量結果的證據下,霍金認輸(1976年)。

Kip Thorne在最近的訪談中表示:「從霍金認輸那年開始到現在,將近40年,天鵝座X-1幾乎成為黑洞的代名詞;然而天鵝座X-1裡『真的有一顆黑洞』這件事,我一直還未完全被說服。不過現在,由這三篇論文和這些作者所建立起來的模型,在天鵝座X-1雙星系統裡,確實已為黑洞提供了一個完整的敘述。」(Lauren譯)

頁首圖片說明:左圖是一張數位巡天普查所拍攝的可見光照片,照片中近中央位置,天鵝座X-1被以紅色框框了起來。這個位在銀河系、寬700光年的恆星形成區,範圍相當大且活動活躍。在右圖中,藝術家為天鵝座X-1繪製了另一幅想像圖,根據天文學家認為,天鵝座X-1系統的現況是,黑洞正在從鄰近的一顆超巨星藍色伴星吸取物質。吸收來的物質正形成一個圍繞著黑洞旋轉的吸積盤,是以紅色和橙色表示;接下來會發生的情景是:要不這些物質會被吸進黑洞之中,要不然它們會是以噴流的形式從上下兩個方向噴出。圖片版權所有:X射線:NASA/CXC;可見光圖像:數位巡天普查(Digitized Sky Survey)。

資料來源:中研院天文網[2011.11.22]

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》