Samknot

Сверхновая 1987 года в Большом Магеллановом Облаке — представитель сверхновых II типа. NASA

Международная группа астрономов получила рекордно ранние спектры сверхновой в первые моменты после вспышки — всего спустя 6 часов после ее взрыва. На основании новых данных ученые подтвердили, что по меньшей мере за несколько сотен дней до взрыва массивные красные гиганты значительно увеличивают темпы выбросов массы в окружающее пространство. Наблюдения позволяют уточнить существующие модели взрывов подобных сверхновых. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

Сверхновыми называют объекты, увеличивающие свою светимость в десятки тысяч раз всего за несколько дней. Существует несколько причин для подобных сверхмасштабных явлений: коллапс звезды с массой в восемь-десять раз большей, чем у Солнца или взрыв белого карлика в двойной системе. Чаще всего предшественниками сверхновой становятся массивные красные гиганты — такие объекты называют сверхновыми II типа. Их эволюция после взрыва описана достаточно хорошо благодаря системам автоматизированного слежения за небом — ежегодно открываются десятки новых вспышек. Тем не менее, процессы, протекающие во время и непосредственно перед вспышкой, изучены гораздо хуже из-за малой статистической выборки — как правило между вспышкой и обнаружением сверхновой проходит несколько дней.

6 октября 2013 года автоматизированная станция слежения Паломарской обсерватории обнаружила в галактике NGC 7610 (166 миллионов световых лет от Земли) новый источник света, обозначенный как iPTF 13dqy. Информация об этом была передана в ряд других автоматизированных обсерваторий и по нескольким независимым наблюдениям астрономы выяснили, что этот объект представляет собой сверхновую II типа. Экстраполяция кривой яркости показала, что он был обнаружен всего спустя три часа с момента взрыва.

Первый оптический спектр свечения объекта был получен обсерваторией Кека спустя шесть часов с момента взрыва. Вслед за ней ряд обсерваторий, в том числе и космических провели детальные наблюдения за объектом в инфракрасном, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Анализ оптических спектров позволил ученым исследовать не только распространяющуюся взрывную волну сверхновой, но и ближайшее окружение звезды.

Оптические спектры сверхновой в разные моменты времени после взрыва. Пики на спектрах соответствуют излучению атомов газа, окружающего звезду. O. Yaron et al. / Nature Physics, 2017

Оптическое излучение сверхновой связано не только с огромными температурами, развивающимися в процессе коллапса, но и с процессами ионизации в среде и возбуждения атомов газа. К примеру, огромная скорость газа в фронте ударной волны приводит к доплеровскому смещению частоты излучения атома водорода и телескоп вместо узкой полосы испускания «видит» широкий пик. Из его ширины астрономы определили скорость волны — около 100 километров в секунду.

Более того, в первых оптических спектрах астрономы заметили большое количество полос, связанных с тяжелыми ионизированными газами — кислородом и азотом. Спустя пять дней это излучение практически полностью пропало. Такое поведение указывает на то, что вокруг звезды в момент взрыва находилось большое количество газа, вероятно, сброшенного ей до взрыва. По оценкам астрономов, газовый диск простирается вплоть до расстояний, в пять раз превышающих радиус орбиты Нептуна. Ученые считают, что вещество активно исторгалось звездой по меньшей мере на протяжении 500 дней до взрыва. Суммарная масса выброшенного газа может достигать одной тысячной от всей массы звезды.

Подобные газовые оболочки ранее были предсказаны лишь теоретически. Открытие астрономами газовой оболочки, сброшенной сверхгигантом, может относиться к примерно половине от всех наблюдаемых сверхновых.

Ранее в 2016 году международная группа астрономов под руководством Питера Гарнавича (Университет Нотр Дам в Индиане) обнаружила в данных «Кеплера» свидетельства двух вспышек сверхновой, наблюдавшихся телескопом с момента взрыва. Космический телескоп застал момент первичной вспышки, когда ударная волна достигла поверхности сверхгиганта. Как и iPTF 13dqy, эти сверхновые относятся к II типу.

Источник

Ученые из НАСА на днях опубликовали информацию о массивной черной дыре, которая постепенно «откусывает по кусочку» от соседней звезды. Это самый долгий срок наблюдений за подобным процессом за всю историю астрономии. Исследователи обнаружили черную звезду при помощи космической рентгеновской обсерватории «Чандра», спутника Swift и XMM-Newton.

Когда крупные объекты вроде звезд приближаются к черной дыре слишком близко, та может буквально разорвать звезду на части вследствие события приливного горизонта. Как только светило попадает в гравитационное поле черной дыры, та начинает потихоньку вбирать в себя вещество звезды, отбрасывая часть материи, причем этот процесс может продолжаться долго — десятки лет.

Событие приливного распада ученые наблюдали при помощи рентгеновских телескопов, которые позволяют увидеть то, что нельзя наблюдать в обычный оптический телескоп, пускай даже и очень мощный. До настоящего момента специалисты наблюдали уже подобное взаимодействие черной дыры и соседней звезды, но максимальная продолжительность поглощения составляла не более года. Сейчас же речь идет о целых десяти годах, хотя на данный момент все уже кончено.

«Мы были свидетелями впечатляющей продолжительной кончины звезды», — говорит Даченг Лин (Dacheng Lin) из Университета Нью-Гемпшира. «Начиная с 1990 года мы видели десятки подобных событий, но ни одно из них не было настолько ярким, как это», — говорит он.

Черная звезда, каталожный номер которой XJ1500+0154, расположена вдалеке от Земли, на расстоянии 1,8 млрд световых лет. Исследователи впервые обнаружили ее в 2005 году. Максимальной яркости система черная дыра — поглощаемая звезда достигла в 2005 году. В НАСА считают, что ученые стали свидетелем поглощения черной дырой самой большой звезды за все время наблюдения подобных событий.

«В большинстве случаев, когда мы смотрели на этот объект, он увеличивался в размерах», — говорит Джеймс Гилличон из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. Ученый утверждает, что это означает поглощение черной дырой звезды, которая минимум в два раза тяжелее Солнца.

Этот случай прояснил некоторые детали эволюции черных дыр, а также позволил ученым понять, как может развиваться ситуация, когда черная дыра захватывает звезду в свое гравитационное поле. Специалисты считают, что XJ1500+0154 какое-то время еще будет проявлять себя, и за остаточной гибелью звезды можно наблюдать еще какое-то время.

За подобным процессом во всех ее подробностях ученые наблюдали в 2015 году. Тогда международная группа из тринадцати астрофизиков под руководством специалиста из университета Джонса Хопкинса (Балтимор, США), полностью зафиксировали процесс поглощения материала ближайшей звезды с выбросом части материала на околосветовой скорости.

Так происходит практически всегда в подобных ситуациях. Теоретические расчеты ранее показали, что в случае поглощения звезды сверхмассивной черной дырой часть «съеденного» газа превратится в плазму и начнет утекать с полюсов дыры в окружающее пространство в виде конической струи. К сожалению, ученым не так часто удается наблюдать за таким процессом.

Сам процесс начинается с момента захвата звезды черной дырой. Звезда постепенно затягивается, ее вещество нагревается до миллионов градусов и генерирует огромное количество рентгеновского излучения. Его-то и фиксируют наземные и орбитальные системы. После максимальной «яркости» рентгеновской вспышки свечение постепенно сходит на нет, поскольку большая часть вещества падает за горизонт событий черной дыры, то есть попадает туда, откуда даже свет не может вырваться. Остающийся газ постепенно закручивается по спирали и падает на черную дыру.

«Такие события происходят очень редко. Впервые мы наблюдаем весь процесс, от момента разрушения звезды до появления конического истекания газа наружу», — заявил один из участников исследования Сьорт ванн Вельцен. Впервые ученые обнаружили эту систему в декабре 2014 года. С того момента по 2015 год они продолжили наблюдать за разрушением звезды черной дырой до момента гибели светила в гравитационных «объятиях».

Самой большой черной дырой из обнаруженных человеком является объект с массой в 21 миллиард масс Солнца, расположенный в Скоплении Волос Вероники (здесь зафиксировано около 1000 галактик). Этот гигант расположен в скоплении галактик. Вторая по величие черная дыра имеет массу в 17 миллиардов масс Солнца. Это 2% от массы самой галактики. Обнаружили ее в небольшой галактике NGC 1600. Специалисты сравнивают эту черную дыру с небоскребом, который располагается в центре небольшого городка или даже деревни.

Источник

Стандартная молекула ДНК с четырьмя основаниями A, T, G, C. Американские учёные добавили к ним синтетические основания X и Y из трифосфатов. Графика: Deco Images II / Alamy/Alamy

Натуральный генетический алфавит земной жизни ограничен двумя парами оснований аденин-тимин (A-T) и гуанин-цитозин (G-C). Всё многообразие жизни на планете программируется, копируется и воспроизводится с помощью цепочек ДНК, образованных всего четырьмя азотистыми основаниями нуклеотидов. Эти основания одинаковы у всех — у дуба, пингвина, бабочки и человека, они только располагаются в разном порядке. Так было до 2014 года, когда учёные из Научно-исследовательского института Скриппса сконструировали первый живой организм с шестью основаниями на базе бактерии E.coli. Две основные пары A, T, G и C дополнили синтетической парой X и Y, которая функционирует вместе с природными.

Теоретически, такие организмы способны хранить и передавать больше информации через ДНК, чем обычные организмы. И это открывает двери для достижения фундаментальной цели синтетической биологии: создания новых жизненных форм и новых синтетических функций в существующих организмах.

Разработка синтетической пары оснований X и Y продолжалась более 15 лет и завершилась успехом в 2014 году, когда учёные доказали принципиальную совместимость синтетической пары оснований с жизнью. Они модифицировали транспортер нуклеотидов (nucleotide transporter) — инструмент, который помогает трифосфатам синтетической базовой пары переноситься через клеточную мембрану. Таким образом, теоретически живой организм мог расти и размножаться, сохраняя и копируя ДНК с натуральными и синтетеческими основаниями из клетки в клетку.

Но о полном успехе говорить было рано, потому что на самом деле полусинтетическую бактерию в том эксперименте нельзя было назвать здоровой. Она медленно росла: делилась в два раза медленнее нормальной бактерии. К тому же, на определённых этапы роста клетки синтетические основания очень сильно разрушались. По мнению учёных, это связано с выделением в клетках фосфатов. Они разрушают синтетические трифосфаты, из которых состоят искусственные основания. В результате, полусинтетическая бактерия не могла сохранить искусственные основания в длительном периоде.

В 2014 году было сделано принципиальное доказательство концепции (PoC). Для полноценного программирования полусинтетических организмов нужно, чтобы синтетические основания можно было внедрить в любое место и в любом контексте окружающих оснований, и чтобы они надёжно там сохранялись при росте и размножении клеток.

К 2016 году авторы работы внесли необходимые изменения в транспортер нуклеотидов, а также сделали небольшие изменения в основании Y. В итоге, они решили все поставленные задачи с нормальным ростом и размножением полусинтетических бактерий, сохраняя в любом месте цепочки базовые пары X и Y. В новом виде синтетические основания лучше распознаются ферментами, которые синтезируют молекулы ДНК во время репликации ДНК, что упрощает процесс копирования синтетических базовых пар при делении клеток.

Синтетические основания dNaM-d5SICS − dNaM-dTPT3, а также сделанные оптимизации транспортера схематически показаны на иллюстрации. Слева показана химическая структура синтетических оснований по сравнению с химической структурой естественных оснований dC − dG

Учёные креативно использовали популярную технику генного редактирования CRISPR-Cas9. Как известно, в живых организмах этот иммунный механизм предназначен для вставки в геном фрагментов, которые соответствуют сигнатурам вирусов-«вредителей» в иммунной системе, чтобы организм мгновенно реагировал на появление этих вредителей (иммунный ответ). Так вот, учёные спроектировали бактерию таким образом, что она воспринимает клетку с ДНК без оснований X и Y как «вредителя», который мгновенно уничтожается. То есть у этого организма своеобразный врождённый иммунитет к потере синтетических оснований. Это значительно упростило задачу сохранения X и Y и сделало новую полусинтетическую жизнь действительно устойчивой в долговременной перспективе.

В лабораторных условиях полусинтетическая ДНК осталась неизменной после 60 делений бактерии. Это дало учёным основания полагать, что она способна сохраняться бесконечно. «Мы решили проблему на фундаментальном уровне», — сказал Брайан Ламб (Brian Lamb), один из авторов научной работы, который сейчас проводит научные исследования для коммерческой компании Vertex Pharmaceuticals.

Таким образом, сконструирована первая в истории науки стабильная полусинтетическая жизненная форма, теоретически способная синтезировать принципиально новые протеины. Это означает, что инженеры могут теперь манипулировать любыми жизненными процессами.

В новой инкарнации полусинтетическая бактерия E.coli стала гораздо более приспособена к реальной жизни. Теоретически, эта жизненная форма может размножаться, мутировать и эволюционировать, как все живые организмы.

Возможности применения полусинтетических организмов поистине безграничны. Люди получают возможность проектировать и создавать биологические системы с заданными свойствами и функциями, которые не имеют аналогов в живой среде. Это не традиционное генетическое редактирование, где в генетический код одного организма добавляют фрагмент генетического кода другого существа. Это настоящее полноценное программирование специфических свойств, которых нет в природе. Качественно новый этап в развитии генной инженерии: грубо говоря, от копипаста к написанию кода с нуля.

Можно привести массу примеров из научно-фантастических произведений, когда живые существа проектировать для чёткого функционального выполнения своей задачи. Например, раса воинов Джем'Хадар из межгалактической военной сверхдержавы Доминион, расположенной в Гамма-квадранте вселенной Star Trek, была генетически спроектирована для войны: у них отсутствует инстинкт самосохранения, а единственная цель жизни — служба Основателям, при этом организм воина химически зависит от постоянного приёма кетросила — специального наркотика, который изготавливают Основатели.

Воин Джем'Хадар с трубкой для кетросила

По мнению биоинженеров, развитие синтетической биологии поможет человечеству решить многие актуальные практические задачи: получить биотопливо из водорослей, бактериальное электричество, новые диагностические препараты, синтетические вакцины, бактериофаги и пробиотики для борьбы с инфекциями, повысить продуктивность и устойчивость культивируемых растений и животных.

Учёные объясняют, что эксперименты с новыми основаниями ДНК безопасны, ведь синтетические основания X и Y не встречаются в живой природе, поэтому вряд ли могут выйти из-под контроля.

Научная работа опубликована 23 января 2017 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Источник