2021-01-01 12:37:57聖天使

年終盤點丨2020年十大科學發現

宇宙


2020年,是風雲變幻的一年,這一年發生的大事件太多太多,新冠疫情只是其中最引人注目的一個。2020年的學術環境是艱苦的,學術會議陸續取消,實驗室被迫關停,各大高校延遲開學……然而科學家們的腳步從未停止……




01

在地核附近發現了意想不到的大面積結構




圖片來源:馬里蘭大學




圖片來源:馬里蘭大學

研究人員使用一種稱為Sequencer的機器學習算法,分析了1990年至2018年太平洋海盆周圍發生的數百次6.5級及以上地震的7,000張地震圖。地震在這裡被看作是黃色的星星,它們通過地球發出聲波。地震圖在這裡被看作是藍色三角形,記錄了這些波沿着岩心幔邊界傳播,在緻密的岩石結構周圍發生衍射和彎曲的回波。馬里蘭大學的最新研究提供了這些結構的第一個廣闊視野,揭示了它們比以前已知的更為廣泛。

論文原文:

https://science.sciencemag.org/content/368/6496/1223


02

首次在太空中觀察到「物質的第五態」




當某些元素的 原子冷卻至接近絕對零度時,就形成了玻色-愛因斯坦凝聚物(BEC), 阿爾伯特·愛因斯坦和印度數學家薩蒂揚德拉·納特·玻色(Sathendra Nath Bose)曾預測這種物質的存在。但是BEC非常脆弱。外界環境最輕微的擾動就足以使他們超過凝結閾值。這使得科學家們幾乎不可能在地球上進行研究,因為地球上的重力會干擾將其固定在觀察位置所需的磁場。

在國際空間站上,BEC持續了超過一秒鐘,為團隊提供了前所未有的機會來研究其屬性。微重力還使原子可以通過較弱的磁場進行操縱,從而加快其冷卻速度並實現更清晰的成像。

論文原文:...


03

冰河時代到底有幾度?




20000年前的最後一次冰河最高峰—末次冰期最大值(LGM)是一個寒冷的時期,當時巨大的冰川覆蓋了北美,歐洲和南美以及亞洲許多地區的約一半,而適應寒冷的動植物也蓬勃發展。在冰河時代沒有溫度計,研究團隊開發了將從海洋浮游生物化石中收集的數據轉換為海面溫度的模型。之後他們使用稱為數據同化的技術將化石數據與LGM的氣候模型模擬結合起來,將最後一個冰河時代的溫度確定在7.8攝氏度。

知道冰河時代的溫度很重要,因為它可以用於推算全球大氣碳的變化。研究團隊發現,每增加一倍的大氣碳,全球溫度應增加3.4℃,這是最新一代氣候模型預測的範圍的中間值(1.8至5.6 ℃)。在冰河時期,大氣中的二氧化碳含量約為百萬分之180,這非常低。在工業革命之前,該水平已升至約百萬分之280,如今已達到百萬分之415。

論文原文:...


04

第一張帶兩顆 行星的年輕恆星照片




圖片來源:歐洲南方天文台

歐洲南方天文台的超大望遠鏡(ESO的VLT)拍攝了有史以來第一張像太陽一樣年輕的 恆星並伴有兩顆巨大系外行星的圖像。具有多個系外行星的系統的圖像極為罕見,而且直到現在,天文學家從未直接觀察到超過一個行星繞着類似於太陽的恆星運行的行星。這些發現可以幫助天文學家了解行星是如何圍繞我們自身的太陽形成和演化的。

這顆恆星距離我們大約300 光年,被稱為TYC 8998-760-1,很年輕,只有大約1700萬歲。這個小星系與太陽系非常相似的,但是它正處於其演化的更早階段。未來使用更先進的設備,有可能探測到這顆恆星周圍的低質量行星,這標誌着理解多行星系統的重要里程碑。

論文原文:...


05

澳大利亞化石中發現了所有動物的祖先




藝術家想象圖。圖片來源:Sohail Wasif / UCR

由加州大學河濱分校的地質學家領導的團隊發現了地球生物家譜中的第一個祖先,這個家譜包含了當今包括人類在內的大多數動物。這種微小的蠕蟲狀生物,稱為Ikaria wariootia,是最早的雙側生物,即具有正面和背面,兩個對稱側面以及兩端通過腸胃相連的開口的生物。雙邊對稱性的發展是動物生命進化的關鍵步驟,使有機體能夠有目的地移動,並且是一種常見但成功的組織身體的方式。

古生物學家曾經預測有類似的生物存在,但是這種生物想要留下化石非常困難,之前多年的尋找都沒有結果。

論文原文:https://www.pnas.org/content/117/14/7845


06

快速射電暴來源首次確定




磁星藝術想象圖

快速射電暴(FRB)是來自遙遠星系的短而強的 無線電波閃爍,持續時間大致在毫秒級,以X射線及其他無線電波形式爆發。快速射電暴首次發現於2007年,它們的短命特性使得探測它們和確定它們在天空中的位置變得具有挑戰性。

SGR 1935 + 2154位於Vulpecula星座中,距離地球約30000光年,是已知具有瞬態無線電脈衝的 銀河磁星,被確認是這次快速射電暴的起源。這是人類首次確定一個快速射電暴的起源,也是首次在銀河系內觀測到快速射電暴。這是第一個探測到無線電波以外的輻射的快速射電暴,且是第一個在銀河系中被發現的,同時也是第一個與被稱為磁星的恆星殘留物有關的快速射電暴,這證明了磁星可以是快速射電暴的起源。


07

隕石塊含有意料之外的太陽前顆粒




1969年2月墜落在墨西哥北部的阿連德隕石

圖片來自The Planetary Society

太陽前顆粒是太陽誕生前形成的微小的固態星際物質,有時會在原始隕石中發現。「好奇的瑪麗」是一個著名的「包裹體「,是隕石中的一個塊體,稱為富鈣鋁包裹體(CAI)。這塊隕石來自芝加哥野外博物館的羅伯特·普利茨克隕石和極地研究中心的收藏品,它的名字是為了紀念化學家瑪麗·居里。在這項新的研究中,研究團隊使用惰性氣體同位素特徵來表明,在好奇瑪麗中存在着前太陽 碳化硅(SiC)顆粒。這一點很重要,因為人們普遍認為太陽前的粒子過於脆弱,無法承受太陽誕生時的高溫環境。碳化硅存在於難熔包裹體中,這一發現有助於研究第一批固體物質凝結時太陽星雲的環境。

論文原文:...


08

用 電場控制原子核




藝術家對納米級電極如何用於局部控制硅芯片內單個 原子核的量子狀態的印象,圖源:UNSW/Tony Melov

諾貝爾獎得主尼古拉·布隆伯根在1961年首次提出一種想法:只用電場控制單個原子的原子核。幾十年過去了,這種方法一直未能實現。悉尼 新南威爾士大學的研究團隊卻無意中做到了。


研究人員最初打算對銻的單個原子進行核磁共振,銻是一種具有大的核自旋的元素。最初的目標是探索量子世界和經典世界之間的邊界,這是由核自旋的混沌行為所設定的。這純粹是一個好奇心驅動的項目,沒有考慮實際應用。」很快研究人員意識到實驗出了問題:原子核的行為非常奇怪,在某些頻率下沒有反應,但在其他頻率下卻表現出強烈的反應。經過一段時間困惑和思考,他們意識到實驗是在做電共振而不是磁共振。在證明了用電場控制原子核的能力之後,研究人員利用複雜的計算機模型來了解電場究竟如何影響原子核的自旋。這項研究強調了核能電共振是一種真正的局部微觀現象:電場扭曲了原子核周圍的原子鍵,使原子核重新定向。


新南威爾士大學量子工程科學教授Andrea Morello說:「這一發現意味着我們現在有了一條利用單原子自旋構建量子計算機的途徑,而不需要任何振盪磁場來運行。」此外,我們可以用這些原子核作為精密的電場和磁場傳感器,或者回答量子科學中的基本問題。」

核自旋可以用電場而不是磁場來控制,這將產生深遠的影響。產生磁場需要大線圈和大電流,而由於物理定律的限制,很難將磁場限制在非常小的空間內,因為磁場往往具有較大的影響範圍。另一方面,電場可以在一個小電極的尖端產生,並且在遠離電極尖端的地方急劇下降。這將使控制放置在納米電子設備中的單個原子變得更加容易。

論文原文:...


09

蠕蟲數量在過去40年中增長了283倍




Anisakis蠕蟲的生命周期。圖片來源:Wood,2020年全球變化生物學

蠕蟲在海洋哺乳動物的腸道中繁殖,並通過它們的糞便釋放到海洋中。蠕蟲在水中孵化後,首先會感染磷蝦等小的甲殼類動物。當小魚吃了被感染的甲殼類動物時,蠕蟲便轉移到它們的體內,隨着大魚吃到被感染的小魚,這種蠕蟲繼續存在。當人類和海洋哺乳動物食用含有蠕蟲的魚時,它們可能被感染。

成千上萬的論文在特定的地方和特定的時間觀察了這種寄生蠕蟲(稱為Anisakis或「鯡魚蠕蟲」)的數量。而華盛頓大學的研究團隊綜合了這些研究成果,發現蠕蟲的豐度在最近幾十年急劇增加,這種蠕蟲可以傳播給食用生的或未煮熟的海鮮的人類,典型的食物如壽司或者刺身。自1970年代以來,其豐度增加了283倍,這可能對人類和海洋哺乳動物的健康產生影響,因為它們都可能無意中吃到了這種蠕蟲。

論文原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcb.15048


10

引力波信號顯示了兩個黑洞的合併




藝術家對於兩個黑洞即將碰撞的想象

插圖來自OZGRAV的MARK MYERS

很久很久很久以前,在遙遠的 宇宙深處,兩個黑洞互相環繞、靠近並最終融合在了一起,這個事件爆發出了難以想象的巨大能量,這股強大的引力波喚起的漣漪最終在2019年5月21日到達地球上的三個巨型探測器:兩個是美國的激光干涉儀引力波天文台(LIGO)和歐洲的意大利處女座探測器(Virgo)。一年多後,關於此次事件的初步研究結果終於出爐。


研究人員使用了4種不同算法來確定黑洞合併的質量、以及釋放出多少能量,計算結果表明,在這個「66+85=142」的宇宙級「滾雪球」遊戲中,有大約8倍太陽質量的物質全部轉化為了能量,以引力波的形式向全宇宙宣示自己的存在。 加州理工學院的天文學家馬修·格雷厄姆(Matthew Graham)認為該事件「可能是我們在宇宙中已知的最大爆炸」。


這個發現具有兩個里程碑式的意義:第一,天文學家第一次收集到了清晰的中等質量黑洞引力波數據;第二,發現了質量介於「灰色地帶」的黑洞。---(知社學術圈)


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