Край Будущего

Ледяной гигант планета Уран, которая вращается вокруг Солнца, наклонившись на бок, является странным и загадочным миром. Теперь, в беспрецедентном исследовании, охватывающем два десятилетия, исследователи, использующие телескоп Хаббл NASA, раскрыли новые сведения о составе и динамике атмосферы этой планеты. Это стало возможным только благодаря высокой разрешающей способности, спектральным возможностям и долговечности Хаббла.

Результаты команды помогут астрономам лучше понять, как работает атмосфера Урана и как она реагирует на изменение солнечного света. Эти длительные наблюдения предоставляют ценные данные для понимания атмосферной динамики этого удаленного ледяного гиганта, который может служить прокси для изучения экзопланет аналогичного размера и состава.

Когда «Вояджер 2» пролетел мимо Урана в 1986 году, он предоставил крупный план этой наклонной планеты. То, что он увидел, напоминало скучную голубовато-зеленую бильярдную шар. В сравнении с этим, Хаббл зафиксировал 20-летнюю историю сезонных изменений с 2002 по 2022 год. За этот период команда, возглавляемая Эриком Каркошкой из Университета Аризоны, а также Ларри Сромовским и Патом Фраем из Университета Висконсина, использовала тот же инструмент Хаббла, STIS (Спектрограф изображения космического телескопа), чтобы создать точную картину атмосферной структуры Урана.

Атмосфера Урана в основном состоит из водорода и гелия, с небольшим количеством метана и следами воды и аммиака. Метан придает Урану его цианистый цвет, поглощая красные длины волн солнечного света.

Команда Хаббла наблюдала за Ураном четыре раза в течение 20-летнего периода: в 2002, 2012, 2015 и 2022 годах. Они обнаружили, что в отличие от условий на газовых гигантах Сатурне и Юпитере, метан не равномерно распределен по Урану. Вместо этого он сильно истощен вблизи полюсов. Это истощение оставалось относительно постоянным на протяжении двух десятилетий. Однако структура аэрозолей и тумана изменилась кардинально, значительно осветившись в северном полярном регионе по мере того, как планета приближается к своему северному летнему солнцестоянию в 2030 году.

Уран совершает полный оборот вокруг Солнца чуть более чем за 84 земных года. Таким образом, за два десятилетия команда Хаббла наблюдала в основном северную весну, поскольку Солнце перемещается от прямого освещения экватора Урана к почти прямому освещению его северного полюса в 2030 году. Наблюдения Хаббла предполагают сложные атмосферные циркуляционные паттерны на Уране в этот период. Данные, наиболее чувствительные к распределению метана, указывают на нисходящее движение в полярных регионах и восходящее движение в других регионах.

Команда проанализировала свои результаты несколькими способами. Столбцы изображений показывают изменения Урана за четыре года, когда STIS наблюдал Уран на протяжении 20-летнего периода. За это время исследователи следили за сезонами Урана, когда южный полярный регион (слева) темнел, погружаясь в зимнюю тень, в то время как северный полярный регион (справа) светлел, когда он начинал становиться более видимым по мере приближения северного лета.

В верхнем ряду, в видимом свете, показано, как цвет Урана воспринимается человеческим глазом, даже через любительский телескоп.

Во втором ряду представлено изображение планеты в ложных цветах, составленное из наблюдений в видимом и ближнем инфракрасном свете. Цвет и яркость соответствуют количеству метана и аэрозолей. Эти два параметра не могли быть различены до того, как STIS Хаббла впервые был нацелен на Уран в 2002 году. Обычно зеленые области указывают на меньшее количество метана, чем синие области, а красные области показывают отсутствие метана. Красные области находятся на краю, где стратосфера Урана почти полностью лишена метана.

Два нижних ряда показывают латитудную структуру аэрозолей и метана, выведенную из 1,000 различных длин волн (цветов) от видимого до ближнего инфракрасного диапазона. В третьем ряду яркие области указывают на более облачные условия, в то время как темные области представляют более ясные условия. В четвертом ряду яркие области указывают на истощение метана, в то время как темные области показывают полное количество метана.

На средних и низких широтах аэрозоли и истощение метана имеют свою собственную латитудную структуру, которая в основном не менялась на протяжении двух десятилетий наблюдений. Однако в полярных регионах аэрозоли и истощение метана ведут себя очень по-разному.

В третьем ряду аэрозоли рядом с северным полюсом демонстрируют резкое увеличение, проявляясь как очень темные в начале северной весны, а затем становясь очень яркими в последние годы. Аэрозоли также, похоже, исчезают на левом крае, когда солнечное излучение уменьшается. Это является свидетельством того, что солнечное излучение изменяет аэрозольный туман в атмосфере Урана. С другой стороны, истощение метана, похоже, остается довольно высоким в обоих полярных регионах на протяжении всего периода наблюдений.

Одними из самых мощных объектов во Вселенной являются квазары — вращающиеся черные дыры, излучающие высокоэнергетические частицы. Если подойти слишком близко к такому объекту, можно быть втянутым в его гравитационное поле или сгореть от интенсивного тепла, окружающего его. Но, иронично изучение черных дыр и их джетов может дать исследователям представление о том, где могут находиться потенциально обитаемые миры во Вселенной.

Как астрофизик, я провел два десятилетия, моделируя, как вращаются черные дыры, как это создает джеты и как они влияют на окружающую их среду в космосе.

Черные дыры — это массивные объекты, которые используют гравитацию, чтобы притягивать окружающие объекты к себе. Активные черные дыры имеют структуру в форме блина, называемую аккреционным диском, который содержит горячий, электрически заряженный газ.

Плазма, из которой состоит аккреционный диск, поступает из более удаленных частей галактики. Когда две галактики сталкиваются и сливаются, газ направляется в центральную область этого слияния. Часть этого газа оказывается близко к вновь образованной черной дыре и формирует аккреционный диск.

В центре каждой массивной галактики находится одна сверхмассивная черная дыра.

Черные дыры и их диски могут вращаться, и когда они это делают, они притягивают пространство и время за собой — концепция, которая вызывает недоумение и очень трудно воспринимается на интуитивном уровне. Однако черные дыры важны для изучения, поскольку они производят огромное количество энергии, способной влиять на галактики.

Энергетичность черной дыры зависит от различных факторов, таких как масса черной дыры, скорость ее вращения и количество материала, падающего на нее. Слияния подпитывают самые энергичные черные дыры, но не все черные дыры получают газ от слияния. Например, в спиральных галактиках меньше газа обычно попадает в центр, и центральная черная дыра имеет меньшую энергию.

Один из способов, с помощью которого они генерируют энергию, — это то, что ученые называют «струями» высокоэнергетических частиц. Черная дыра может притягивать магнитные поля и энергичные частицы, окружающие ее, и затем, когда черная дыра вращается, магнитные поля закручиваются в струю, которая излучает высокоэнергетические частицы.

Магнитные поля закручиваются вокруг черной дыры, когда она вращается, накапливая энергию — как когда вы тянете и закручиваете резинку. Когда вы отпускаете резинку, она резко выскакивает вперед. Аналогичным образом, магнитные поля высвобождают свою энергию, производя эти джеты.

Эти струи могут ускорять или подавлять образование звезд в галактике, в зависимости от того, как энергия высвобождается в родительскую галактику черной дыры.

Некоторые черные дыры, однако, вращаются в другом направлении, чем аккреционный диск вокруг них. Это явление называется контрвращением, и некоторые исследования, проведенные моими коллегами и мной, предполагают, что это ключевая особенность, определяющая поведение одного из самых мощных объектов во Вселенной: квазара.

Квазары — это подкласс черных дыр, которые производят самую мощную энергию и струи.

Вы можете представить черную дыру как вращающуюся сферу, а аккреционный диск — как диск с отверстием в центре. Черная дыра находится в этом центральном отверстии и вращается в одном направлении, в то время как аккреционный диск вращается в другом.

Это контрвращение заставляет черную дыру замедляться, а затем снова ускоряться в другом направлении, что называется коротацией. Представьте себе баскетбольный мяч, который вращается в одном направлении, но вы продолжаете его толкать, чтобы вращать в другом. Толчки замедляют вращение баскетбольного мяча. Если вы продолжаете толкать в противоположном направлении, он в конечном итоге начнет вращаться в другом направлении. Аккреционный диск делает то же самое.

Поскольку струи используют вращательную энергию черной дыры, они мощные только тогда, когда черная дыра вращается быстро. Переход от контрвращения к коротации занимает как минимум 100 миллионов лет. Многие черные дыры, изначально контрвращающиеся, становятся быстро вращающимися черными дырами за миллиарды лет.

Таким образом, эти черные дыры будут производить мощные струи как в ранние, так и в поздние периоды своей жизни, с промежутком посередине, когда струи либо слабы, либо отсутствуют.

Когда черная дыра вращается в контрвращении относительно своего аккреционного диска, это движение создает сильные струи, которые сближают молекулы в окружающем газе, что приводит к образованию звезд.

Но позже, при коротации, струя наклоняется. Этот наклон делает так, что струя непосредственно воздействует на газ, нагревая его и подавляя образование звезд. Кроме того, струя также распыляет рентгеновские лучи по всей галактике. Космические рентгеновские лучи вредны для жизни, так как могут повредить органическую ткань.

Чтобы жизнь могла процветать, ей, вероятно, нужна планета с обитаемой экосистемой, а облака горячего газа, насыщенные рентгеновскими лучами, не содержат таких планет. Поэтому астрономы могут искать галактики без наклонной струи, исходящей от их черной дыры. Эта идея является ключом к пониманию того, где интеллект мог потенциально возникнуть и развиться во Вселенной.

К началу 2022 года я создал модель черной дыры, которую можно использовать в качестве ориентира. Она могла указывать на условия, в которых находятся черные дыры, способные производить наибольшее количество планет, не облучая их рентгеновскими лучами. Жизнь в таких условиях могла бы развиваться в полной мере.

Где же присутствуют такие условия? Ответ заключается в низкоплотных средах, где галактики сливались около 11 миллиардов лет назад.

В этих средах находились черные дыры, чьи мощные струи способствовали увеличению темпов звездообразования, но они никогда не испытывали наклонных струй при коротации. Короче говоря, моя модель предполагала, что теоретически наиболее продвинутая внеземная цивилизация, вероятно, возникла на космической сцене далеко и миллиарды лет назад.

Компания HEO, специализирующаяся на съемке космических объектов, представила детализированные изображения китайской орбитальной станции «Тяньгун», полученные с помощью спутника BlackSky. Поскольку Китай не публикует фотографии своей орбитальной станции, можно сказать, что американская компания раскрыла «китайский секрет».

HEO занимается мониторингом различных космических объектов, от действующих спутников до фрагментов космического мусора. Собранные данные позволяют оценивать состояние этих объектов и степень их потенциальной опасности. Ранее компания уже делала демонстрационные снимки Международной космической станции, телескопа «Хаббл» и отработанной ступени японской ракеты. Теперь к этому списку добавилась станция «Тяньгун».

Базовый модуль «Тяньгун» был запущен в 2021 году, после чего к нему были присоединены еще два модуля. В текущей конфигурации масса китайской орбитальной станции составляет около 65 тонн, а внутренний объем — 340 м³. С 2022 года «Тяньгун» находится в постоянной эксплуатации, на борту станции располагается экипаж из трех человек. Во время смены экипажа на станции могут находиться до шести человек.

Изображение «Тяньгун» было получено спутником BlackSky с расстояния 83 километра, при этом разрешение снимка составляет 0,17 м/пиксель. На фотографии четко видна сама станция, а также два пристыкованных к ней космических корабля: «Шэньчжоу-19» (сверху, предназначенный для доставки космонавтов) и «Тяньчжоу-8» (снизу, грузовой).

В будущем Китай планирует расширить «Тяньгун» новыми модулями. Автономный телескоп «Сюньтянь» также будет периодически стыковаться со станцией для проведения технического обслуживания, ремонта и замены научных приборов.

Новое исследование, проведенное исследователями Института науки в Токио (ELSI), обнаружило удивительную роль кальция в формировании самых ранних молекулярных структур жизни. Их результаты предполагают, что ионы кальция могут избирательно влиять на то, как формируются примитивные полимеры, что проливает свет на давнюю загадку: как молекулы жизни начали предпочитать единую "руку" (хиральность).

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Как и наши левая и правая руки, многие молекулы существуют в двух зеркальных формах. Тем не менее, жизнь на Земле имеет поразительное предпочтение: сахара ДНК правосторонние, в то время как белки состоят из левосторонних аминокислот. Это явление, называемое гомохиральностью, является необходимым для жизни, как мы ее знаем, но то, как оно впервые возникло, остается загадкой.

Команда исследователей изучила тартаровую кислоту (TA), простую молекулу с двумя хиральными центрами, чтобы исследовать, как окружающая среда ранней Земли могла повлиять на формирование гомохиральных полимеров. Они обнаружили, что кальций значительно изменяет способ связывания молекул TA.

Без кальция чистые левосторонние или правосторонние молекулы TA легко полимеризуются в полиэстеры, но смеси, содержащие равные количества обеих форм, не образуют полимеры. Однако в присутствии кальция эта картина меняется — кальций замедляет полимеризацию чистой TA, позволяя смешанным растворам полимеризоваться.

"Это предполагает, что доступность кальция могла создать условия на ранней Земле, где гомохиральные полимеры были предпочтительнее," говорит Чен Чен, специальный постдокторант в Центре устойчивых ресурсных наук RIKEN.

Исследователи предполагают, что кальций вызывает этот эффект через два механизма: связываясь с TA для формирования кристаллов кальций тартрата, которые избирательно удаляют равные количества как левосторонних, так и правосторонних молекул из раствора; и изменяя химию полимеризации оставшихся молекул TA. Этот процесс мог усилить небольшие дисбалансы в хиральности, в конечном итоге приводя к однородной хиральности, наблюдаемой в современных биомолекулах.

Что делает это исследование особенно интригующим, так это его предположение, что полиэстеры, образованные из таких молекул, как тартаровая кислота, могли быть среди самых ранних гомохиральных молекул жизни, даже до РНК, ДНК или белков.

Результаты также подчеркивают, как различные условия на ранней Земле могли повлиять на то, какие типы полимеров образовывались. Условия с низким содержанием кальция, такие как некоторые озера или пруды, могли способствовать образованию гомохиральных полимеров, в то время как кальций-содержащие среды могли способствовать образованию полимеров с смешанной хиральностью.

Это исследование объединяет несколько научных областей — биофизику, геологию и материаловедение — чтобы изучить, как простые молекулы взаимодействовали в динамичных предбиотических условиях. Исследование также является результатом многолетнего междисциплинарного сотрудничества, объединяющего исследователей из семи стран.

"Мы столкнулись с трудностями в интеграции всех сложных химических и биофизических анализов," говорит руководитель проекта Жуйцин И из Гуанчжоуского института геохимии, Китайская академия наук.

"Но благодаря усердной работе и преданности нашей команды мы обнаружили увлекательную новую деталь в головоломке происхождения жизни."

Это исследование углубляет наше понимание начала жизни на Земле и предполагает, что аналогичные процессы могут иметь место на других планетах, помогая ученым в поисках жизни за пределами нашего мира.

Команда исследователей из Университета науки и технологий Ульсан (UNIST) разработала инновационную технологию, использующую солнечную энергию для синтеза аммиака и гликолевой кислоты — ключевого компонента в косметической промышленности, при этом устраняя выбросы углекислого газа.

Под руководством профессоров Сунхо Чо и Мён Хун Сонга из кафедры материаловедения и инженерии UNIST, команда создала метод, который преобразует нитратные загрязнители, содержащиеся в сточных водах, в аммиак посредством электрохимической реакции. Этот процесс также позволяет получать гликолевую кислоту из пластиковых отходов, эффективно превращая мусор в ценные продукты и снижая углеродные выбросы.

Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nano Letters.

Аммиак занимает второе место по объему производства среди неорганических соединений в мире, уступая лишь серной кислоте, и его производство составляет 1,4% от общего объема выбросов углекислого газа. Это подчеркивает настоятельную необходимость в экологически чистых альтернативах традиционному процессу Хабера-Боша.

Исследовательская группа разработала фотогальваническую электрокаталитическую систему, которая позволяет производить аммиак на катоде и гликолевую кислоту на аноде, используя солнечную энергию.

В рамках этой системы нитрит (NO2-) в сточных водах восстанавливается на аноде, в то время как этиленгликоль, извлеченный из пластиковых отходов, окисляется до гликолевой кислоты на катоде. Поскольку нитраты (NO3-) и нитриты сосуществуют в сточных водах, преобразование нитрита в аммиак требует значительно меньше энергии и времени по сравнению с нитратом, что оптимизирует общую эффективность процесса.

Система достигла впечатляющей энергетической эффективности в 52,3%, что является самым высоким показателем на основе производительности анода. Скорость производства аммиака составила 146 μmol/cm²h, что значительно превышает критерий коммерциализации Министерства энергетики США в 58,72 μmol/cm²h, отмечая 46% улучшение по сравнению с предыдущими рекордами.

Исследователи разработали высокоэффективный катализатор (RuCo-NT/CF), который избирательно восстанавливает нитрит, что дополнительно увеличивает эффективность системы. Специально нацелившись на нитрит и избегая энергоемкой реакции эволюции кислорода, они оптимизировали процесс для достижения наилучших результатов.

Перовскитная солнечная батарея, использованная в системе, была разработана для обеспечения высокой электрической выходной мощности и долговечности. С увеличением плотности фотогальванического тока возрастает и скорость производства аммиака.

Профессор Сонг отметил: "Это исследование подчеркивает потенциал производства аммиака без выбросов углекислого газа с использованием перовскитных солнечных батарей, которые превосходят коммерческие кремниевые аналоги."

Команда также оценила коммерческий потенциал своей технологии, обнаружив, что их электрохимическая система может достичь скорости производства солнечного аммиака в 114 μmol/cm²h при использовании электролита, имитирующего сточные воды с низким уровнем радиоактивности и переработанными материалами PET.

Профессор Чо добавил: "Наше исследование предлагает устойчивое, углеродно-нейтральное энергетическое решение, одновременно производя зеленый аммиак и гликолевую кислоту из солнечного света и отходов."