Край Будущего

Международная группа астрономов использовала космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) для наблюдения сложной планетарной туманности, известной как NGC 6302. Наблюдения, подробно описанные в статье, опубликованной 25 февраля на сервере предварительной печати arXiv, привели к обнаружению сухого льда (углекислого газа) в этой туманности. Это первый случай, когда сухой лед был обнаружен в планетарной туманности.

Планетарные туманности (PN) - это расширяющиеся оболочки из газа и пыли, которые были выброшены звездой в процессе ее эволюции из звезды главной последовательности в красного гиганта или белого карлика. Они относительно редки, но важны для астрономов, исследующих состав межзвездной среды (ISM).

NGC 6302, известная также как туманность Бабочка или туманность Жук, представляет собой биполярную галактику типа PN, расположенную на расстоянии около 3400 световых лет от нас в созвездии Скорпиона. Туманность имеет радиус не менее 1,5 световых лет и имеет яркие биполярные лепестки, ориентированные с востока на запад, разделенные пополам массивным пылевым тором.

Предыдущие наблюдения NGC 6302 выявили присутствие в этой туманности катиона метила (CH3+), который является ключевым фактором органической химии. Более того, некоторые исследования выявили широкое присутствие полициклических ароматических углеводородов (PAHs) в NGC 6302.

Эти два открытия свидетельствуют о том, что окружающая среда NGC 6302 поддерживает интенсивные химические процессы и, следовательно, делает ее особенно интересной лабораторией для изучения некоторых сложных химических процессов в PNe.

Вот почему группа астрономов под руководством Чарми Бхатт из Университета Западного Онтарио, Канада, решила продолжить изучение химического состава NGC 6302. Для этой цели они использовали прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI), разработанный JWST.

"В этой работе использованы первые наблюдения MIRI/MRS за NGC 6302, охватывающие центральную звезду, тор и самую внутреннюю область биполярных лепестков", - говорится в документе.

Наблюдения, проведенные с помощью спектрометра среднего разрешения MIRI (MRS), выявили четкие особенности поглощения в диапазоне 14,8-15,2 мкм, соответствующие газофазному диоксиду углерода. Дальнейшие исследования выявили два ключевых признака сухого льда в пыльном торе NGC 6302: неглубокое, широкое поглощение в диапазоне 14,9–15,15 мкм и второе поглощение в диапазоне 15,2–15,3 мкм.

Астрономы подчеркивают, что обнаружение льда из углекислого газа в NGC 6302 представляет собой первое обнаружение более изменчивого, чем вода, вида льда в любой планетарной туманности. Они отмечают, что, хотя молекулярные льды в изобилии встречаются в холодных, защищенных средах, включая плотные молекулярные облака, оболочки молодых звездных объектов (YSO) и протопланетные диски, среда PNe, как правило, неблагоприятна для хрупких молекулярных частиц и льдов из-за интенсивного ультрафиолетового облучения. Это делает их обнаружение уникальным.

Согласно статье, соотношение газа и льда в NGC 6302 заметно отличается от наблюдаемого в YSOs. Это указывает на особый механизм образования льда или его переработки в эволюционировавших звездных средах.

Полтора года назад международная группа исследователей завершила первую в истории полную картографию мозга дрозофилы. Мозг этого насекомого включает в себя более 125 тысяч нейронов и превосходит полмиллиарда синаптических соединений, что делает его нейронной архитектурой изучаемым объектом для нейромоделирования. На основе данных, полученных с помощью современных методов электронной микроскопии, специалисты компании Eon Systems создали высоко точную эмуляцию дрозофильного мозга. Она воспроизводится с максимальной детализацией: каждый нейрон и каждая синапса воспроизведены в виртуальном пространстве.

Эмуляция взаимодействует с виртуальным телом так, что сенсорные впечатления, входящие в систему, передаются по сложной сети нейронных связей. Активность распространяется по всему коннектому, и в результате на выходе формируются моторные команды. Благодаря этому цифровая дрозофил-модель начинает самостоятельно двигаться в виртуальном мире, имитируя поведенческие реакции, которые встречаются у настоящей мухи. Динамика нейронных сигналов позволяет модели демонстрировать ряд типичных для дрозофилы реакций — от рефлексов до более сложных форм движения.

До этого в науке существовали лишь отдельные подходы: либо моделировались только мозги без физического тела, либо, наоборот, создавались анатомические модели тела без функциональной нейронной системы. Разработка Eon Systems означает переход к интегрированному подходу — объединению точной нейронной архитектуры и виртуального тела. Это стало значительным прорывом в нейроэмуляции.

Следующей амбициозной целью исследователей стала эмуляция мозга лабораторной мыши. Её нейронное содержимое насчитывает порядка 70 миллионов нейронов, что в 560 раз превосходит число нейронов дрозофилы. Этот масштаб значительно усложняет задачу, однако успехи в работе с мозгом дрозофилы открывают новые возможности для будущих исследований.

Стивенсон 2-18— одна из самых крупных и экстремальных звёзд, известных в нашей галактике Млечный Путь. Это яркий красный сверхгигант, расположенный на расстоянии примерно 18 900 световых лет от Земли в направлении созвездия Щита. Изначально звезду считали частью массивного рассеянного скопления Стивенсон 2, однако поздние исследования поставили её принадлежность к скоплению под сомнение.

Само скопление было открыто в 1990 году американским астрономом Чарльз Брюс Стивенсон при анализе инфракрасных наблюдений глубокого космоса. Стивенсон 2 оказалось одним из самых богатых на красные сверхгиганты скоплений в Млечном Пути. В процессе изучения его звёзд самая яркая из них получила первоначальный номер 1, но позже выяснилось, что по положению и кинематике она отличается от остальных. В дальнейшем этой звезде присвоили номер 18, и закрепилось обозначение Стивенсон 2-18.

Стивенсон 2-18 относится к крайне позднему спектральному типу M6 — это необычно даже для красных сверхгигантов. Её температура поверхности оценивается примерно в 2900–3200 кельвинов, что делает её одной из самых холодных известных звёзд такого класса. При этом светимость по разным оценкам колеблется от 90 000 до 630 000 светимостей Солнца. Наиболее часто приводимое значение составляет около 440 000 солнечных светимостей. Радиус звезды при этих параметрах достигает примерно 2100 радиусов Солнца — это около 10 астрономических единиц. Если бы поместить её на место Солнца, она поглотила бы орбиты внутренних планет и простиралась бы примерно до орбиты Юпитера.

По размерам её нередко сравнивают с такими гигантами, как Бетельгейзе, Антарес, VY Большого Пса и UY Щита. В максимальных оценках радиуса Стивенсон 2-18 способна превосходить большинство из них, что делает её одним из крупнейших кандидатов на звание самой большой известной звезды.

Звезда демонстрирует чрезвычайно высокую скорость потери массы — порядка 1,35 × 10⁻⁵ солнечных масс в год. Наблюдается значительный инфракрасный избыток, указывающий на наличие плотной пылевой оболочки, образованной выброшенным веществом. Это позволило некоторым исследователям предположить, что объект может находиться на стадии красного гипергиганта — ещё более редкой и нестабильной категории, чем обычные сверхгиганты. По своим характеристикам она приближается к таким экстремальным объектам, как VY Большого Пса.

В 2012–2013 годах Стивенсон 2-18 активно изучалась в рамках наблюдений мазерного излучения (SiO и CO). Измерения радиальной скорости показали, что она заметно отличается от большинства звёзд скопления Stephenson 2. Именно это различие стало главным аргументом против её физической связи со скоплением. Сегодня многие астрономы считают её либо звёздой, находящейся на сходном расстоянии, но не связанной гравитационно со скоплением, либо отдельным объектом переднего плана.

По своему положению на диаграмме Герцшпрунга — Рассела Stephenson 2-18 располагается в крайней правой верхней области — зоне самых холодных и одновременно самых светящихся звёзд. Это указывает на позднюю стадию эволюции массивной звезды. В ближайшие сотни тысяч лет она может перейти в фазу яркой голубой переменной или эволюционировать в звезду типа Вольфа — Райе, после чего завершить свою жизнь коллапсом ядра и вспышкой сверхновой.

Стивенсон 2-18 представляет особый интерес для астрофизики, поскольку её размеры и светимость находятся на границе теоретических моделей звёздной эволюции. Это один из самых экстремальных и загадочных красных сверхгигантов Млечного Пути — объект, который помогает понять, как живут и умирают самые массивные звёзды нашей галактики.

Тихоходки, известные как водяные медведи, лучше бы назывались Тихоходками Галактики. В отличие от вымышленной разношерстной команды, эти микроскопические существа дают реальное представление о том, как люди могут использовать внеземные ресурсы для освоения космоса и защищать Землю от загрязнений.

Международная группа, возглавляемая профессором микробиологии Кориеном Бейкермансом из университета Пенсильвании в Алтуне, обнаружила, что активность тихоходок, ключевой показатель их здоровья, значительно снизилась при размещении в имитированном марсианском реголите. Простая промывка реголита водой перед внедрением удаляет вредные элементы и смягчает воздействие на их жизнедеятельность. По словам Бейкерманса, опубликованные результаты в Международном журнале астробиологии — важный шаг к гигантскому скачку для человечества.

“При планировании отправки людей в космос нужно понимать, как среда повлияет на людей и как люди повлияют на среду,” — отметил Бейкерманс, координирующий биологическую программу университета штата Пенсильвания. Исследование рассматривает реголит как потенциальный ресурс для выращивания растений и как возможный защитный механизм от загрязнений с Земли.

Планетарная защита подразумевает защиту внеземных тел от земных загрязнений и наоборот. Она направлена на то, чтобы научные достижения в освоении космоса были максимально свободны от загрязнений, и регулируется несколькими космическими агентствами, включая НАСА.

Бейкерманс отметил, что если планета имеет собственный защитный механизм в реголите, это может стать проблемой для создания баз, но сильная защита может нанести прямой вред людям.

Мы знаем много о бактериях и грибках в имитированном реголите, но мало о влиянии на животных, в том числе на тихоходки. Исследователи использовали два марсианских имитатора реголита, MGS‑1 и OUCM‑1, основанных на образцах, собранных марсоходом Curiosity из кратера Гейл. MGS‑1 представлял глобальный реголит, а OUCM‑1 — конкретную зону с особым химическим составом.

Активные тихоходки были смешаны с образцами реголита и наблюдались под микроскопом. MGS‑1 вызвал значительное ингибирование активности в течение двух дней, в то время как OUCM‑1 проявлял более слабое подавление.

Тихоходки могут находиться в активном или спящем состоянии. В состоянии покоя они выживают в экстремальных условиях, а после регидратации сохраняют активность при низких температурах и изменении доступности пищи. Тихоходки, подвергшиеся MGS‑1, не проявляли активности через два дня.

Промывка MGS‑1 водой снизила ингибирование, что указывает на наличие растворимых опасных веществ, возможно, солей. Это открытие важно для планирования роста растений и предотвращения повреждения людей.

В космосе ограниченность воды делает промывку реголита неидеальным решением, но понимание того, что вредные компоненты могут быть смыты, расширяет базу знаний.

Исследователи также изучают влияние атмосферного давления и перепадов температур на активность тихоходок. Реголит — лишь один из компонентов, и разбор его элементов помогает глубже понять планетарную защиту.

Маттео Векки и Джиллиан Пирс из Астонского университета в Великобритании совместно с Бейкермансом опубликовали статью по этой теме.

Новый подход, разработанный учеными из Эдинбургского университета, демонстрирует, как простая хлебная крошка может стать ключом к отказу от ископаемого топлива в химическом производстве. Вместо традиционного водорода, получаемого из углеводородов, они используют микробиологический процесс, в котором живые бактерии вырабатывают газообразный водород из хлебных отходов. Это позволяет проводить гидрирование без выбросов углерода, сохраняя эффективность и качество конечного продукта.

Гидрирование, краеугольный камень современного химического производства, традиционно полагается на газообразный водород, получаемый из ископаемого топлива при высоких температурах и давлениях. В пищевой промышленности оно превращает жидкие растительные масла в стабильные твердые жиры, а в более широком смысле используется для синтеза фармацевтических препаратов, высокодисперсных химикатов, топлива и полимеров, обычно с металлическими катализаторами (никель, палладий, платина).

Ученые из лаборатории Уоллеса доказали, что гидрирование можно осуществлять с использованием живых бактерий, которые естественным образом вырабатывают газообразный водород из хлебных отходов. В ходе эксперимента кишечная палочка, культивируемая на сахаре, полученном из хлебных отходов, без доступа кислорода, производила газообразный водород. При добавлении небольшого количества палладиевого катализатора и целевого химического вещества в тот же реакционный котел, количество водорода, выделяемого микробами, было достаточным для мягкого гидрирования с низким потреблением энергии.

Процесс проходит в герметичной колбе при температуре, близкой к комнатной, без использования ископаемого топлива или внешнего газообразного водорода. Детальный анализ показал, что использование хлебных отходов в качестве исходного материала может значительно снизить выбросы углерода. Отказ от ископаемого водорода и удаление пищевых отходов со свалок или сжигание позволяют системе удалять больше парниковых газов, чем она производит.

Команда планирует расширить этот подход на более широкий спектр повседневных ценных продуктов и исследовать различные микроорганизмы-хозяева для разработки штаммов, которые устраняют необходимость в металлическом катализаторе. Эдинбургский университет стремится к созданию более устойчивого мира через ведущие исследования, преподавание, партнерские отношения и инновации.

Профессор Стивен Уоллес отметил: «Гидрирование лежит в основе огромной части современного производства, но оно по-прежнему почти полностью зависит от водорода, получаемого из ископаемого топлива. Мы показали, что живые клетки могут поставлять этот водород напрямую, используя отходы в качестве сырья, и делать это таким образом, который фактически не содержит углерода. Этот подход также не ограничивается пищевой химией; он открывает новые возможности для устойчивого производства в больших масштабах».

Доктор Сьюзан Боди подчеркнула: «Профессор Уоллес — один из нескольких исследователей Эдинбургского университета, использующих инновационные и устойчивые методы инженерной биологии для повышения ценности отходов. Эти технологии могут помочь осуществить «зеленую революцию» в промышленном производстве в Великобритании и за ее пределами».

Дуглас Мартин добавил: «MiAlgae использует передовые биотехнологические технологии для устойчивого производства Омега‑3 жирных кислот для аквакультуры и кормов для домашних животных. Мы верим, что биотехнологии могут преобразовать промышленные процессы и обеспечить более устойчивое будущее».

Когда предметы вибрируют, они издают звуки. Молекулы тоже вибрируют, но на частотах, которые человеческое ухо не способно уловить. Их химические связи растягиваются, изгибаются и скручиваются с характерными скоростями, соответствующими инфракрасному диапазону электромагнитного спектра. Инфракрасную спектроскопию, фиксирующую, как свет возбуждает эти колебания, любят сравнивать с тем, что мы «подслушиваем» голос самой молекулы.

У каждой молекулы есть свой неповторимый тембр — вибрационный «отпечаток пальца», который отражает не только её химическое строение, но и наноразмерную среду, её окружающую. Однако голоса отдельных молекул настолько слабы, что традиционная инфракрасная спектроскопия способна уловить лишь хоровое пение миллионов или даже миллиардов молекул одновременно.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Шаовея Ли нашли способ услышать соло одной молекулы. Они используют метод, который называют инфракрасно-интегрированным сканирующим туннельным микроскопом (IRiSTM). В нём сочетается инфракрасное оптическое возбуждение и сканирующая туннельная микроскопия — техника, известная по способности визуализировать отдельные атомы и молекулы благодаря измерению квантового туннелирования электронов между острым металлическим наконечником и поверхностью.

Химики десятилетиями мечтали управлять реакциями, точечно вкладывая энергию в единую химическую связь и направляя молекулу по заранее заданному пути. Инфракрасная спектроскопия одной-единственной молекулы делает эту мечту на один шаг ближе к реальности.

«Инфракрасная спектроскопия — один из наших самых мощных инструментов, но до сих пор она всегда была комплексным методом, — говорит доцент кафедры химии Шаовей Ли. — Теперь мы можем увидеть на самом фундаментальном уровне, как энергия вибраций связана с движением молекул».