Взрывной год Загадки космоса, древнейшая пыль и жизнь на Венере: главные открытия 2020 года

Несмотря на то что 2020 год можно назвать годом борьбы ученых с коронавирусом, в других областях науки были сделаны интересные и значительные открытия. К их числу можно отнести новый способ предсказания структуры белков, обнаружение следов жизни на Венере и частичное раскрытие тайны мощных радиовспышек во Вселенной. «Лента.ру» публикует десятку прорывных научных исследований, не связанных с изучением SARS-CoV-2.

Величайшая тайна биологии

Ученые уже научились определять, какие участки генома отвечают за синтез белков. Благодаря генетическому коду по последовательности нуклеотидов ДНК можно однозначно определить последовательность аминокислот в белке, называемую первичной структурой. Однако белок должен свернуться в трехмерную структуру, способную выполнять определенные функции. Этот процесс сворачивания, называемый фолдингом, зависит от химических свойств аминокислот. Чтобы определить функции, которые способен выполнять белок с заданной аминокислотной последовательностью, исследователи чаще всего прибегают к экспериментам. Даже если трехмерную структуру удается предсказать с помощью алгоритмов, высока вероятность ошибки.

Проблема фолдинга белков признана одной из величайших проблем в современной науке. Для каждой аминокислотной цепи в теории существует огромное число вариантов складывания, а внутри клетки реализуется, как правило, одно-единственное. Чтобы создать белки с необходимыми свойствами (например, для противоопухолевых препаратов), нужно знать, какая аминокислотная последовательность для этого потребуется и как она свернется.

С этой целью ученые разработали новую систему искусственного интеллекта (ИИ) DeepMind AlphaFold, которая обеспечивает беспрецедентную точность в прогнозировании структуры белка. По результатам тестирования средняя оценка для AlphaFold составила 92,4 по метрике Global Distance Test. При этом оценка 90 GDT считается конкурентоспособной среди результатов, полученных экспериментально. Это значит, что ИИ способен во многих случаях просчитывать трехмерную структуру белков точнее, чем с использованием ряда лабораторных методов.

Загадочный сверхпроводник

Исследователи Университета Рочестера открыли первый сверхпроводник при комнатной температуре. Сверхпроводники имеют нулевое электрическое сопротивление, однако это свойство проявляется только при очень низких температурах. В новой работе ученым удалось добиться сверхпроводимости при рекордной температуре около 15 градусов Цельсия. Однако для этого им пришлось подвергнуть материал из углерода, серы и водорода экстремально высокому давлению в 270 гигапаскалей (что в 2,6 миллиона раз больше атмосферного давления на Земле). Подобное давление характерно для центра Земли, и это делает данную сверхпроводимость непрактичной.

Исследователи пока не знают точную структуру полученного сверхпроводящего кристалла. Даже компьютерное моделирование показало, что смесь из углерода, серы и водорода под экстремальным давлением не должна обладать столь высокой температурой сверхпроводимости. Однако результаты исследования дают надежду, что в будущем будет найден сверхпроводник при комнатной температуре и гораздо более низком давлении.

Нечто из космоса

Внутри метеорита, упавшего на Землю 30 лет назад, исследователи впервые обнаружили следы внеземного белка. С помощью масс-спектрометрии ученые выявили аминокислоту глицин, связанную с атомами железа и литием. Результаты моделирования показали, что глицин не был изолированной молекулой, а являлся частью белка, который назвали гемолитином.

Хотя белок структурно похож на земные белки, в нем присутствует изотоп водорода дейтерий. Соотношение дейтерия и водорода не характерно для Земли, однако соответствует долгопериодическим кометам, чья орбита простирается далеко за пределами орбит внешних планет Солнечной системы.

Ученые считают, что белок сформировался в протосолнечном диске более 4,6 миллиарда лет назад. В то же время остается вероятность, что молекула на самом деле относится не к белкам, а к другому типу полимеров.

Исчезнувшая материя

Астрофизики обнаружили недостающую материю, которая составляет 40 процентов от обычного (барионного) вещества во Вселенной. Из барионного вещества состоят планеты, звезды и галактики, однако огромная доля этой материи до сих пор оставалась необнаруженной. В то же время астрономы считали, что она содержится во Вселенной в виде диффузного газа, излучение от которого слишком слабое, чтобы его можно было обнаружить обычными методами.

В новой работе ученые проанализировали мощные вспышки радиоволн из далеких галактик, или быстрые радиовсплески (FRB). FRB продолжаются несколько миллисекунд и сопровождаются выбросом в космическое пространство огромного количества энергии — такой, какую Солнце испускает в течение нескольких десятков тысяч лет. Большинство исследователей предполагают, что у этого явления естественные причины, например вспышки сверхновых, столкновение нейтронных звезд, активные черные дыры или магнетары.

Излучение от FRB проходит большое расстояние (миллиарды световых лет), прежде чем достигает Земли. Проходя через вещество в межгалактической среде, излучение рассеивается. По степени дисперсии можно определить точную плотность материи в пространстве, что и позволило исследователям выявить недостающее вещество. Хотя ученые не знают, из чего именно оно состоит, предполагается, что это облака из атомов водорода и гелия.

Источник радиосигналов

Астрономы обнаружили, что вспышка магнетара SGR 1935+2154 в Млечном Пути по своим характеристикам очень похожа на быстрые радиовсплески, чья природа пока остается не ясной. Ученые давно предполагают связь FRB с магнетарами — разновидностью нейтронных звезд с чрезвычайно сильным магнитным полем — однако до сих пор подтверждений этому не было.

Ученые открыли быстрый радиовсплеск FRB 200428, чей источник совпал с местоположением вспышки рентгеновских лучей от магнетара SGR 1935+2154, расположенного в Млечном Пути на расстоянии 30 тысяч световых лет от Земли. До сих пор астрономы регистрировали только внегалактические быстрые радиовсплески.

Согласно теоретической модели, радиоизлучение стало результатом выброса плазмы, перемещающейся с релятивистской (приближенной к скорости света) скоростью и распространяющейся в намагниченной внешней среде, богатой протонами, нейтронами и другими барионами. Ударная волна от выброса породила синхротронное рентгеновское и гамма-излучение. В свою очередь, это излучение, взаимодействуя с выбросами плазмы, способствовало возникновению нейтрино высоких энергий. Если бы ученые зарегистрировали нейтрино, то это стало бы подтверждением модели.

Особенностью магнетара SGR 1935+2154 стало то, что он испустил радиоволны, что и позволило связать его с FRB, хотя эти нейтронные звезды обычно испускают рентгеновское и гамма-излучение. В то же время открытие не исключает того, что у FRB возможны и другие источники.

Следы жизни на Венере

В верхних слоях атмосферы Венеры были найдены следы фосфина. При этом ядовитое вещество содержится в количествах, которые нельзя объяснить абиотическими механизмами, то есть процессами, в которых не задействованы живые организмы. Ученые выявили фосфин с помощью комплекса радиотелескопов ALMA в Чили и телескопа Джеймса Клерка Максвелла на Гавайях. На Земле это вещество производят анаэробные организмы, не использующие кислород для дыхания.

Известно, что фосфин также встречается в атмосфере газовых планет-гигантов, однако в этом случае его производят химические процессы, происходящие глубоко в их недрах под давлением. Хотя на Венере вряд ли могут выжить живые организмы из-за очень суровых условий, исследователи пока не знают, какие другие процессы могли бы привести к накоплению фосфина.

Позднее ученые продемонстрировали, что предварительная оценка количества фосфина могла быть завышенной, однако даже уточненные концентрации остаются слишком высокими. По данным специалистов, открытие может стимулировать новые исследования второй от Солнца планеты.

Пятна на Бетельгейзе

В 2019 году красный сверхгигант Бетельгейзе неожиданно потускнел, что породило слухи о скором превращении звезды в сверхновую. Астрономы предполагали, что звезда начала выбрасывать огромное количество газа и пыли, что затмило ее яркую поверхность и снизило видимый блеск.

В 2020 году ученые определили точную причину загадочного потускнения Бетельгейзе. Оказалось, что причиной феномена стали гигантские пятна, подобные солнечным, но во много раз крупнее. Астрономы проанализировали данные 13-летних наблюдений за красным сверхгигантом в субмиллиметровом диапазоне. Во время падения видимого блеска на 40 процентов с октября 2019 года по апрель 2020 года звезда также снизила свою яркость на субмиллиметровых волнах на 20 процентов. Ученые рассмотрели модели лучистого переноса и показали, что вероятной причиной стали изменения температуры в фотосфере, то есть на поверхности звезды появились гигантские холодные пятна.

Ранее считалось, что причиной изменения яркости были выбросы пыли. Это явление характерно для гигантских звезд, находящихся на последнем этапе своего жизненного цикла. Они раздуваются, причем внешние слои становятся нестабильными и начинают пульсировать. Так как гравитационное притяжение на поверхности разрастающейся звезды ослабевает, пульсации могут легко вытолкнуть газ, который охлаждается, конденсируется и превращается в пыль. Хотя эта пыль затмевает видимый свет от звезды, в субмиллиметровом диапазоне она должна испускать излучение.

Однако затемнение на всех изученных длинах волн может свидетельствовать либо о снижении средней температуры поверхности Бетельгейзе на 200 градусов Цельсия, либо о возникновении относительно холодных областей, занимающих 50-70 процентов поверхности звезды.

Самый мощный взрыв

Астрономы Северо-Западного университета в США зафиксировали новый тип космических явлений, который относится к FBOT (англ. fast blue optical transient) — голубым оптическим переходным процессам. Ученым известно только три таких феномена. По сути, он представляет собой сверхмощный взрыв, видимый в оптических, рентгеновских и радиолучах.

Объект, который породил взрыв, находится в 500 миллионах световых лет от Земли. Он породил отток газа и частиц, скорость которого достигла 55 процентов скорости света. Известно, что подобное способны проделать гамма-всплески, но они запускают материал, чья масса достигает лишь одной миллионной массы Солнца. По оценкам ученых, CSS161010 разогнала до более чем половины скорости света от 1 до 10 процентов массы Солнца. Исходя из этого исследователи полагают, что FBOT является самым быстрым переходным процессом во Вселенной.

Очень близкое Солнце

Зонд, разработанный европейскими учеными вместе с НАСА, прошел на рекордно близком расстоянии от Солнца. В ходе первого оборота вокруг светила исследователям удалось впервые получить снимки десятков небольших вспышек, называемых «солнечными кострами», которые в несколько миллионов раз меньше обычных вспышек и сравнимы с размером Европы.

Аппарат способен выдержать температуру до 500 градусов Цельсия, что позволяет ему находиться на расстоянии 40 миллионов километров от поверхности Солнца. Приборы защищены термостойкой оболочкой, которая подвергается воздействию солнечного ветра, в 13 раз более сильному, чем на орбите Земли.

Операторы зонда планируют немного изменить траекторию полета Solar Orbiter, чтобы тот впервые в истории получил изображения полюсов Солнца. Это будет сделано к 2027 году.

Древнейшая пыль

Звездная пыль, обнаруженная внутри массивного метеорита, который упал на Землю полвека назад, датируется 7,5 миллиарда лет, что делает ее самым старым твердым веществом, обнаруженным на планете.

Метеорит Мерчисон упал в Австралии в 1969 году. В нем ученые нашли гранулы пыли старше Солнечной системы, чей возраст достигает 4,6 миллиарда лет. Сами гранулы были выброшены в космос древними умирающими звездами, после чего они включились в состав новых небесных тел.

Сначала исследователи измельчили фрагменты метеорита, после чего порошок растворили в кислоте. Возраст гранул определили, оценив, как долго вещество подвергалось воздействию космических лучей, проникающих сквозь твердый материал. При взаимодействии пыли с лучами образуются новые элементы, в том числе изотопы неона, по числу которых и выявлялся возраст пыли. Оказалось, что 10 процентов гранул старше 5,5 миллиарда лет, а 60 процентов — от 4,6 до 4,9 миллиарда лет.

По словам ученым, открытие указывает на то, что Млечный Путь переживает периоды усиленного звездообразования, одно из которых случилось семь миллиардов лет назад.