Край Будущего

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) открыл перед учёными новые горизонты, позволив с беспрецедентной чёткостью исследовать межзвёздное пространство. Используя эти данные, международная команда учёных изучила, как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) — органические молекулы, важные для космической химии, — выживают в суровых условиях космоса.

ПАУ были обнаружены в холодных молекулярных облаках, где они подвергаются воздействию ультрафиолетового излучения и космических лучей. Несмотря на это, молекулы остаются стабильными. Новое исследование, опубликованное в *Physical Review Letters*, показало, что ПАУ с закрытой электронной оболочкой, такие как катион инденила (C₉H₇⁺), эффективно рассеивают избыточную энергию через инфракрасное и радиочастотное излучение, что позволяет им избегать разрушения.

ПАУ играют важную роль в межзвёздной химии, являясь одним из крупнейших резервуаров углерода в галактике. Их уникальные инфракрасные сигнатуры были подтверждены данными JWST и телескопа "Спитцер", что указывает на широкое распространение этих молекул в космосе.

В лабораторных условиях исследователи смоделировали поведение катиона инденила при помощи установки DESIREE в Стокгольме, способной удерживать ионы при температуре около 13 К. Моделирование показало, что даже при высоких уровнях внутренней энергии (до 5,85 эВ) молекулы не разрушались, а эффективно охлаждались, в основном за счёт радиочастотного излучения.

Результаты подтверждают, что радиочастотное охлаждение играет ключевую роль в устойчивости ПАУ с закрытой оболочкой, объясняя их неожиданно высокую концентрацию в межзвёздной среде. Это открытие поможет улучшить модели химических процессов в космосе.

Ашбахер отметил, что ЕКА рассматривает возможность расширения сотрудничества с другими международными партнерами, а также увеличения собственных инвестиций в ключевые космические программы. «Мы должны быть готовы к любым сценариям и гарантировать, что наши проекты не будут зависеть исключительно от одного партнера», — подчеркнул он.

Кроме того, ЕКА планирует усилить свои научно-исследовательские и технологические возможности, чтобы сохранить лидерство в космической отрасли и обеспечить устойчивое развитие европейской космической программы. В числе приоритетов — развитие новых ракетных технологий, спутниковых систем и миссий по исследованию дальнего космоса.

Несмотря на вызовы, Ашбахер выразил уверенность, что сотрудничество с Канадой, Индией, Японией и другими странами поможет ЕКА сохранить свои позиции на международной арене и продолжить реализацию амбициозных космических проектов.

Для создания робота учёные смешали неодиумовые магнитные частицы и сахар с химически стабильным полимером. Затем сахар растворили, оставив поры для увеличения площади поверхности. Полимер обработали плазмой, чтобы он притягивал воду и другие жидкости.

«Мы хотели создать чистую и быструю систему без остатков — важно для медицинской диагностики и работы с реактивами», — отметил автор Лин Гуй.

Магнитные частицы позволили управлять роботом с помощью магнитных полей. Мощные неодиумовые частицы сделали робота более отзывчивым и эффективным по сравнению с существующими моделями.

«Ранее магнитные методы были слабыми, ограничивая размер и скорость капель, а добавки часто вызывали коррозию или загрязнение», — пояснил Гуй. «Создать робота с сильным магнитным полем, химической стойкостью и высокой скоростью — задача для инновационных материалов и инженерии».

В экспериментах робота направляли к капле жидкости, которую он мог перемещать благодаря притягивающему покрытию.

На низких скоростях робот объединял капли для реакции, на высоких — делил каплю на меньшие части.

Благодаря мощным магнитам скорость робота была в 20 раз выше предыдущих моделей, он мог переносить капли почти в миллилитр и устойчив к агрессивным веществам, таким как кислоты.

Команда планирует применять робота в лабораториях для автоматизации процессов и в медицине для минимально инвазивных операций. В будущем хотят уменьшить устройство для работы с нанолитровыми каплями и интегрировать датчики для доставки лекарств или очистки загрязнений.

«Мы стремимся миниатюризировать робота и расширить его возможности», — сказал Гуй.

Популярный двумерный материал дисульфид молибдена (MoS2) получил атомарное улучшение с помощью платины. Исследование, проведённое учёными из Венского университета и Технического университета Вены, впервые с точностью до атома внедрило отдельные атомы платины (Pt) в ультратонкий монослой MoS2 и определило их точное расположение в кристаллической решётке.

Работа, опубликованная в журнале Nano Letters, была выполнена с использованием инновационного подхода, сочетающего целенаправленное создание дефектов в монослое MoS2, контролируемое осаждение платины и высококонтрастную вычислительную микроскопическую технику — питхографию.

Учёные считают, что эта новая стратегия сверхточного легирования и картирования открывает новые возможности для понимания и создания атомных структур в двумерных системах.

Двумерный монослой MoS2 — полупроводник с прямой запрещённой зоной, благодаря большому отношению площади поверхности к объёму, привлекает внимание как активный компонент для катализаторов и газовых сенсоров следующего поколения. Однако его потенциал ограничен химической инертностью плоской поверхности, что снижает каталитическую активность.

Исследования показали, что инженерные методы, такие как замещение атомов — когда один гетероатом заменяет один или несколько атомов решётки — могут эффективно решать эту проблему. Такая модификация создаёт активные центры на поверхности, которые служат маленькими химическими реакторами для реактивов или местами прикрепления газовых молекул.

Замещение атомов серы в MoS2 было продемонстрировано для более чем половины элементов периодической таблицы, но подтверждение точного расположения замещений на атомном уровне остаётся ограниченным.

Хотя теоретически замещение платиной считается эффективным для создания катализаторных активных центров и улучшения сенсорных свойств, экспериментальные исследования Pt-легированного MoS2 были минимальны.

В этом исследовании учёные применили трёхэтапный процесс для внедрения и картирования Pt на поверхности 2D MoS2 с помощью инженерии дефектов.

Сначала поверхность облучали потоком низкоэнергетических ионов гелия, создавая контролируемые микроскопические дефекты в виде атомных вакансий, которые могли занять атомы платины.

На втором этапе испаряли атомы Pt, заполняя созданные вакансии. Третий этап — определение точного расположения легирования.

Поскольку традиционные микроскопические методы часто не позволяют различать типы дефектов, учёные использовали питхографию с односторонней полосой (SSB) — метод с высоким разрешением и контрастностью, основанный на электронных дифракционных картинах.

С помощью SSB удалось точно определить как легирующие атомы, так и загрязнения, например, углерод. Результаты показали, что более 80% атомов Pt заняли вакансии серы V1S, остальные распределились между V2S (12%) и VMo (8%). После внедрения в MoS2 атомы платины проявили высокую стабильность даже при комнатной температуре.

Исследование успешно продемонстрировало возможность точного управления материалами на атомном уровне, открывая новые пути для создания функциональных материалов.

Статья подготовлена автором Санжукта Мондал, отредактирована Сэди Харли и проверена Робертом Эганом. Мы благодарны читателям за поддержку независимой научной журналистики.

В 1950 году физик Энрико Ферми за обедом в Лос-Аламосе задал простой вопрос: «Где все?» — имея в виду внеземные цивилизации. Сегодня профессор астрономии Дэвид Шарбоне из Гарварда считает, что мы ближе к ответу.

Когда Ферми задавал этот парадокс, учёные ещё не знали ни одной планеты за пределами Солнечной системы. Открытие первой экзопланеты в 1995 году позволило разбить вопрос на части: сколько звёзд, сколько у них планет, сколько из них похожи на Землю, сколько поддерживают жизнь и сколько из этой жизни разумны.

«Мы знаем, что как минимум у каждой четвёртой звезды есть планета размером и температурой, похожей на Землю», — говорит Шарбоне.

Следующий шаг — поиск биосигнатур — химических следов жизни в атмосферах планет. Для этого нужны данные, которые наши инструменты пока не могут обеспечить. Поэтому Национальная академия наук США предложила создать космический телескоп Habitable Worlds Observatory для изучения около 25 потенциально обитаемых миров.

Вопрос в том, насколько распространена жизнь. Возможно, на любой подходящей планете с водой и нужными элементами жизнь возникнет за миллиард лет. Или же нет — и тогда жизнь может быть крайне редкой.

Ави Лоеб из Гарварда считает, что поиск жизни должен выходить за рамки традиционного и изучать аномальные явления и межзвёздные объекты. Он основал проект Galileo. Лоеб напоминает, что миллиарды обитаемых планет в нашей галактике показывают, что мы не так уникальны. В 2018 году он предположил, что ‘Оумуамуа — первый межзвёздный объект в нашей системе — может быть инопланетным световым парусом или обломками корабля. Он настаивает, что аномалии нельзя игнорировать, нужно собирать данные и искать ответы.

Для Шарбоне шансы найти разумных соседей малы: даже если у ближайшей звезды Проксимы Центавра есть разумная жизнь с радиотехнологиями, обмен сигналами займёт почти десять лет.

Возможно, инопланетяне просто не заинтересованы в нас. «На Земле много разумных организмов, которые не хотят развивать технологии и общаться, — говорит Шарбоне. — Мы любим общаться, но, возможно, это свойство только человека».

Астрономы, используя данные космического телескопа НАСА имени Джеймса Уэбба, идентифицировали десятки маленьких галактик, которые сыграли главную роль в космическом преобразовании, превратившем раннюю Вселенную в ту, которую мы знаем сегодня.

"Когда дело доходит до производства ультрафиолетового излучения, эти маленькие галактики излучают значительно больше своего веса", - сказал Исак Уолд, младший научный сотрудник Католического университета Америки в Вашингтоне и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. "Наш анализ этих крошечных, но мощных галактик в 10 раз более чувствителен, чем предыдущие исследования, и показывает, что они существовали в достаточном количестве и обладали достаточной ультрафиолетовой энергией, чтобы стимулировать это космическое обновление".

Уолд обсудил свои выводы на 246-м заседании Американского астрономического общества в Анкоридже, штат Аляска. В исследовании использовались существующие изображения, полученные прибором Уэбба NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона), а также новые наблюдения, сделанные с помощью прибора NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона).

Крошечные галактики были обнаружены Уолдом и его коллегами из Годдарда, Сангитой Малхотрой и Джеймсом Роудсом, путем анализа изображений Webb, полученных в рамках программы наблюдений UNCOVER (Сверхглубокие наблюдения NIRSpec и NIRCam до эпохи реионизации), возглавляемой Рэйчел Безансон из Питтсбургского университета в Пенсильвании.

В рамках проекта было нанесено на карту гигантское скопление галактик, известное как Abell 2744, по прозвищу скопление Пандоры, расположенное на расстоянии около 4 миллиардов световых лет в южном созвездии Скульптор. Масса скопления образует гравитационную линзу, которая увеличивает дальние источники, увеличивая и без того значительный охват Уэбба.

В течение большей части первого миллиарда лет существования Вселенная была погружена в туман из нейтрального газообразного водорода. Сегодня этот газ ионизирован — лишен электронов. Астрономы, которые называют это преобразование реионизацией, долгое время задавались вопросом, какие типы объектов были наиболее ответственны за это: большие галактики, маленькие галактики или сверхмассивные черные дыры в активных галактиках. В качестве одной из своих главных целей аппарат Webb НАСА был специально разработан для решения ключевых вопросов, связанных с этим важнейшим изменением в истории Вселенной.

Недавние исследования показали, что небольшие галактики, в которых происходит интенсивное звездообразование, могли сыграть огромную роль. Сегодня такие галактики встречаются редко, составляя лишь около 1% от окружающих нас. Но они были в изобилии, когда Вселенной было около 800 миллионов лет, в эпоху, которую астрономы называют красным смещением 7, когда реионизация шла полным ходом.

На снимках скопления NIRCam команда искала небольшие галактики подходящего космического возраста, которые демонстрировали признаки экстремального звездообразования, называемые звездными вспышками.

"Галактики с малой массой собирают вокруг себя меньше нейтрального газообразного водорода, что облегчает проникновение ионизирующего ультрафиолетового излучения", - сказал Роудс. "Аналогичным образом, вспышки звезд не только создают обильное ультрафиолетовое излучение — они также прокладывают каналы в межзвездном веществе галактики, которые помогают этому свету вырваться наружу".

Астрономы искали мощные источники света определенной длины волны, которые указывают на наличие высокоэнергетических процессов: зеленую линию, испускаемую атомами кислорода, потерявшими два электрона. Первоначально излучаемое в виде видимого света в раннем космосе, зеленое свечение дважды ионизированного кислорода распространилось в инфракрасном диапазоне по мере того, как оно пересекало расширяющуюся Вселенную, и в конце концов достигло приборов Уэбба.

С помощью этого метода были обнаружены 83 небольшие галактики, в которых вспыхивали звезды, когда Вселенной было 800 миллионов лет, или около 6% от ее нынешнего возраста в 13,8 миллиардов лет. Команда отобрала 20 из них для более тщательного изучения с помощью NIRSpec.

"Эти галактики настолько малы, что для создания звездной массы, эквивалентной нашей собственной галактике Млечный Путь, вам потребуется от 2000 до 200 000 из них", - сказал Малхотра. "Но мы можем обнаружить их благодаря нашему новому методу отбора образцов в сочетании с гравитационным линзированием".

Похожие типы галактик в современной Вселенной, такие как зеленый горошек, излучают около 25% своего ионизирующего ультрафиолетового излучения в окружающее пространство. Если галактики с малой массой, в которых вспыхивают звезды, исследованные Уолдом и его командой, излучают такое же количество излучения, то они могли бы обеспечить весь ультрафиолетовый свет, необходимый для преобразования нейтрального водорода во Вселенной в его ионизированную форму.

Проект НАСА "Продукты для наблюдений для конечных пользователей на основе анализа данных дистанционного зондирования" (OPERA), реализуемый в Лаборатории реактивного движения агентства в Южной Калифорнии, позволяет пользователям получать информацию, для получения которой в противном случае потребовались бы годы обучения. Проект основан на измерениях, проводимых космическими радарами с синтезированной апертурой (SARs), для получения данных высокого разрешения о движении земной поверхности.

Например, водохозяйственные управления и государственные геологические службы смогут напрямую использовать продукты OPERA без необходимости крупных инвестиций в хранение данных, разработку программного обеспечения и вычислительную мощь.

Как это работает?

Для создания продукта displacement команда OPERA постоянно использует данные с радиолокационных спутников ESA (Европейское космическое агентство) Sentinel-1, первый из которых был запущен в 2014 году. Данные, полученные от NISAR, исследовательской миссии НАСА-ISRO (Индийской организации космических исследований), будут добавлены после запуска этого космического аппарата в конце этого года.

Спутниковые радары работают, излучая микроволновые импульсы на поверхность Земли. Сигналы рассеиваются при попадании на сушу и водные поверхности, здания и другие объекты. Исходные данные состоят из интенсивности и временной задержки сигналов, которые отражаются от датчика.

Чтобы понять, как перемещается земля в том или ином районе, алгоритмы OPERA автоматизируют этапы этого кропотливого процесса. Без OPERA исследователь сначала загрузил бы сотни или тысячи файлов данных, каждый из которых представляет собой пролет радара над интересующей точкой, а затем убедился бы, что данные географически выровнены во времени и имеют точные координаты.

Затем они использовали бы трудоемкий вычислительный метод, называемый радарной интерферометрией, чтобы определить, насколько сильно земля сдвинулась, если сдвинулась вообще, и в каком направлении — к спутнику, что указывало бы на то, что земля поднялась, или от спутника, что означало бы, что она опустилась.

"Проект OPERA помог донести эту возможность до широких масс, сделав ее более доступной для государственных и федеральных агентств, а также для пользователей, интересующихся: "Что происходит вокруг моего дома?" - сказал Франц Мейер, главный научный сотрудник спутникового центра Аляски, входящего в состав геофизического центра Университета Аляски в Фэрбенксе. Институт.

Мониторинг подземных вод.

Просадка грунта является первоочередной задачей Департамента водных ресурсов штата Аризона. С 1950-х по 1980-е годы это была основная форма перемещения грунта, которую рассматривали чиновники, поскольку откачка грунтовых вод увеличивалась вместе с ростом населения штата и сельского хозяйства. В 1980 году штат принял Закон об управлении подземными водами, который уменьшил зависимость от подземных вод в густонаселенных районах и включил требования по мониторингу их использования.

В начале 2000-х годов департамент начал измерять это понижение, называемое просадкой грунта, с помощью радиолокационных данных с различных спутников, используя комбинацию SAR, мониторинга на основе GPS и традиционной геодезии для принятия обоснованных решений по управлению подземными водами.

Теперь набор данных и портал OPERA помогут агентству обмениваться информацией о просадках с официальными лицами и членами сообщества, сказал Брайан Конвей, главный гидрогеолог департамента и руководитель его отдела геофизики. Они не заменят анализ SAR, который он проводит, но позволят ему сравнить свои расчеты. Поскольку набор данных и портал будут охватывать весь штат, они также могут выявить области, о которых еще не известно, что они снижаются.

"Это отличный инструмент для того, чтобы сказать: "Давайте рассмотрим эти области более подробно с помощью нашей собственной обработки SAR", - сказал Конвей.

Продукт displacement является частью серии продуктов для обработки данных, которые OPERA выпускает с 2023 года. Проект начался в 2020 году, когда многопрофильная команда ученых из JPL работала над удовлетворением потребностей в спутниковых данных различных федеральных агентств. Эти учреждения направили свои запросы в Рабочую группу по спутниковым технологиям, и команда OPERA работала над улучшением доступа к информации для содействия целому ряду мероприятий, таких как реагирование на стихийные бедствия, отслеживание обезлесения и мониторинг лесных пожаров.