Итоги года: десять главных событий в науке

Астероид-снеговик: случайность или закономерность?

Первого января 2019 года американский космический зонд New Horizons сблизился с Ультима Туле, карликовой планетой в 6,5 миллиарда километров от Солнца (в 43 раза дальше, чем Земля отстоит от Солнца).

Сближение дало необычные результаты. Оказалось, этот объект размерами примерно 32 на 16 километров — контактное двойное тело. Так называют тела, слипшиеся друг с другом в результате столкновения двух астероидов. Это очень редкий класс тел, и поэтому внешний вид Ультима Туле, по сути, уникален: он напоминает орех кешью.

Открытие породило напряженную научную дискуссию о том, как вообще могло образоваться такое странное «контактное двойное» тело. Дело в том, что при обычном, случайном столкновении двух астероидов, подобных половинкам Ультима Туле, энергия удара была бы такой огромной, что оба тела превратились бы в обломки. Если бы они и собрались потом гравитацией друг друга в одно целое, то итоговое тело было бы обычным астероидом округлой формы.

Реальный астероид Ультима Туле — «снеговик». Такая форма могла возникнуть, только если оба астероида не столкнулись, а буквально соприкоснулись друг с другом, то есть скорость их встречи была крайне малой.

Одна гипотеза (группы американских ученых) говорит, что эти астероиды по каким-то неясным причинам долго вращались друг вокруг друга по спирали. А потом, потеряв энергию, соприкоснулись на малой скорости.

Вторая гипотеза, объясняющая образование загадочного тела, принадлежит физику Николаю Горькавому. Согласно ей сценарий появления Ультима Туле совсем иной. При столкновении астероида с меньшими телами они выбивают из него обломки, образуя вокруг планеты обломочное кольцо. Последующие удары по астероиду быстро наращивают массу диска: его обломки «перехватывают» вылетающие с астероида новые обломки. Чем выше его масса, тем больше обломков, выбитых новыми астероидами, он может захватить.

От все новых столкновений старые обломки в диске теряют энергию и скорость, им становится проще «слипаться» при ударах, без разлета после столкновения. Так в диске начинает формироваться крупный спутник. В дальнейшем он «питается» потоком пыли и камней с поверхности родительского тела, соударения с такими обломками тормозят его, из-за этого орбита спутника астероида снижается, пока он не «сядет» на главное тело, образовав «снеговика».

Вторая гипотеза хороша тем, что описывает не некое уникальное стечение обстоятельств, а универсальный механизм для астероидов разных размеров. Если она верна, зонды и телескопы землян откроют еще не один такой «снеговик» — быть может, уже в ближайшие годы.

У людей нашелся неизвестный предок-инкогнито

Новые данные показали, что разные виды людей легко давали жизнеспособные гибриды. Ранее ученые уже выяснили, что все европеоиды несут в себе гены неандертальцев, а монголоиды (и коренные жители Америки) — еще и гены денисовцев.

Согласно работе 2019 года часть человечества несет в своих генах следы скрещивания еще с четвертым видом людей — причем пока не понятно, кто эти граждане, где и когда они жили. Генетики могут сказать лишь то, что они до некоторой степени родственны и денисовцам, и неандертальцам. Гены их обнаружили в ДНК жителей Юго-Восточной Азии и Океании.

Homo пересекали море уже в глубокой древности

Список антропологических открытий дополнил и целый новый вид людей — Homo luzonensis (человек лусонский). Сами фрагменты его скелета были найдены на крупном филиппинском острове еще в 2007 году, но их научный анализ завершили только сейчас. Новый собрат по человеческому роду был невысоким — примерно как современные африканские пигмеи. Его черепная коробка была много меньше нашей, хотя, по всей видимости, он умел использовать каменные орудия. Останки его датированы более чем 50 тысячами лет назад.

Необычно в открытии то, что Лусон даже в ледниковом периоде был отделен от Азиатского континента морем, причем глубокими морскими проливами с сильными течениями. Согласно современным экспериментам их можно преодолеть только на плотах с веслами: вплавь сделать это группе приматов нереалистично.

Получается, уже более 50 тысяч лет назад относительно примитивные предки человека умели преодолевать солидные водные преграды, делать плоты, весла и осуществлять простейшую навигацию в море. Это свидетельство весьма высокого уровня умственного развития.

Первый снимок силуэта черной дыры

2019 год принес нам и первый снимок силуэта черной дыры. К сожалению, множество СМИ описали его как «снимок черной дыры», что технически неверно.

Черная дыра М87, окрестности которой снимали астрономы, лежит слишком далеко от нас, чтобы можно было говорить о получении ее снимка. Она находится в другой галактике, и свет из ее окрестностей шел до Земли 55 миллионов лет. К тому же она полностью поглощает все падающие на нее фотоны, из-за чего увидеть ее трудно. Поэтому сделать ее фото мы пока не можем, как и не можем сделать снимок черного котенка в абсолютно темной комнате.

На самом деле, Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий) — группа из 11 согласованных радиотелескопов, разбросанных от Антарктиды (South Pole Telescope на полярной станции) до Северного полушария — получил снимок силуэта черной дыры на фоне ее раскаленного «обеда».

Гравитация черной дыры «подтягивает» к ней газ и пыль из окружающего пространства, но сразу провалиться в черную дыру эта материя не может. Она образует аккреционный диск, в котором газ и пыль вращаются, тормозясь друг о друга, после чего скорость их частиц снижается достаточно, чтобы они упали в черную дыру. Диск этот раскален как минимум до тысяч градусов, поэтому он излучает — и именно это излучение уловил Event Horizon Telescope.

Черная дыра за счет своей мощной гравитации искажает свет аккреционного диска. Поэтому половина «кольца» вокруг черной дыры на знаменитом снимке тусклее, а половина — ярче. Гравитация М87 замедлила половину фотонов от бублика раскаленной материи вокруг этой самой черной дыры, отчего половина эта кажется нам тусклой.

М87 вращается со скоростью в 90% от максимально возможной для любого объекта (ограничение скорости света для внешних частей объекта), и это довольно необычно. Очевидно, черная дыра массой в 6,5 миллиарда Солнц поглощает много материи.

Снимок ее силуэта — а равно и других подобных объектов — может иметь большое значение для изучения черных дыр вообще. А тема эта для науки весьма важна. Судя по данным последних лет, каждая галактика формируется вокруг своей сверхмассивной черной дыры в центре, подобной дыре М87. Между тем без галактик не состоялось бы и формирование звездных систем, в одной из которых живем мы. Стоит лучше изучить тела, которым мы, по сути, обязаны своим существованием.

Люди победили неандертальцев луком и стрелами?

Осенью 2019 года в Nature Ecology&Evolution вышла статья об открытии первых наконечников метательного оружия в Европе. Скорее всего, ими оснащали стрелы для лука — вот только возраст этой части стрелы, найденной в пещере Лошадиная Голова в Италии, составил 40-45 тысяч лет. Именно тогда человек современного типа попал в Европу, где за считаные тысячи лет вытеснил неандертальцев.

Следует отметить, что у неандертальцев никаких следов лука нет. Да, некоторые находки их орудий похожи на копьеметалки для метательных копий, но скорость «стрельбы» у такого оружия много меньше, чем у лука. Новые находки показывают, что прибывшие в Европу 45 тысяч лет назад Homo sapiens в военно-техническом смысле могли иметь заметные преимущества над местным населением. Не исключено, что это объясняет последующий быстрый закат неандертальцев.

Подробнее почитать о том, как появление лука в руках Homo sapiens могло повлиять на его победу над остальными видами людей, можно в материале Naked Science.

Лук и стрелы: как передовые технологии позволили чернокожим захватить Европу

Первая межзвездная комета в истории — и, возможно, последнее крупное открытие астрономов-любителей

Достаточно редко крупнейшие открытия года приходят именно из России. Но в 2019 году это случилось. Астроном-любитель Геннадий Борисов, инженер из Крымской астрофизической обсерватории, в августе открыл комету 2I/Borisov — первую межзвездную комету, зарегистрированную в истории астрономии. Интересно, что открытие он сделал на 65-сантиметровом телескопе, который построил сам. Это уникальный случай в истории современной астрономии: еще никогда столь крупное открытие не делалось любителем, на собранном им же телескопе.

Понять, что это не одна из комет Солнечной системы, помогли ее орбита и направление движения. Скорость 2I/Borisov относительно Солнца — порядка 30 км/с, то есть значительно больше, чем скорость покидания Солнечной системы (третья космическая скорость). Поэтому надолго у нас межзвездный гость не задержится. Седьмого декабря она уже прошла точку наибольшего сближения с нашей звездой и теперь удаляется от нее.

Тело кометы покрыто комой, частицами, испаряющимся с ее поверхности под действием излучения Солнца. Поэтому размер ядра этой кометы установить трудно: оно может иметь диаметр от двух до 16 километров. К сожалению, комета движется слишком быстро, исследовать ее зондом не получится — существующие земные носители не позволят быстро набрать ту же скорость, что и у межзвездной кометы.

На сегодня параметры гостя из другой планетной системы кажутся близкими к тем, что имеют «обычные» кометы. В ее спектре есть следы моноциана (CN, образуется на кометах при распаде синильной кислоты под действием солнечного ультрафиолета), а также паров воды. Это типичные для комет соединения.

Тем не менее даже отсутствие необычностей у тела столь необычного происхождения — уже значимая, с научной точки зрения, информация. Если кометы других систем похожи на наши, значит, механизмы образования кометных компонентов систем у разных звезд в целом похожи. Это не самый тривиальный вывод, если учесть, что планеты у других звезд, как стало ясно в последние десять лет, зачастую не похожи на те, что мы видим в Солнечной системе.

Вакцина от лихорадки Эбола подтвердила свою эффективность

Впервые получила официальное одобрение вакцина от лихорадки Эбола. Это одно из наиболее опасных вирусных заболеваний современности. Только во время вспышки 2014-2015 годов от нее умерло 11 323 человека. В июле 2019 года Всемирная организация здравоохранения провозгласила международной чрезвычайной ситуацией еще одну вспышку лихорадки Эбола — меньшего масштаба, в Конго.

Вакцину от нее создать сложно вдвойне. Сам возбудитель, вирус Эбола, трудно получить в ослабленной форме, поэтому «тренировать» иммунитет против него надо каким-то другим вирусом.

Чтобы добиться успеха, канадские ученые взяли вирус везикулярного стоматита — заболевания скота, неопасного для человека. Они заменили один из генов вируса, P03522, на ген P87666, взятый от вируса Эбола. Этот ген кодирует белок во внешней оболочке вируса. Генетически модифицированные вирусы везикулярного стоматита стали нести «визитную карточку» вируса Эбола. При вакцинации вирус стоматита пытался атаковать организм человека, но, будучи неадаптированным к нему, всегда проигрывал. Зато клетки иммунной системы вакцинированного учились распознавать и атаковать вирусы Эбола.

Однако создание этой вакцины (она называется Ervebo) было только началом пути. Чтобы кто-то допустил ее к использованию на людях, нужны обширные эксперименты. Провести их этически невозможно: никто не даст заражать людей опаснейшим вирусом ради испытаний вакцины. Поэтому ее пришлось опробовать во время вспышки эпидемии в районе Киву (Конго) на всех желающих. В силу того, что шансы умереть после заражения вирусом составляют 50%, желающих нашлось немало.

В результате осенью 2019 года Европейское медицинское агентство, наконец, рекомендовало принять вакцину Ervebo как официально одобренную для вакцинации от лихорадки Эбола. Теперь она может использоваться для борьбы с болезнью не экспериментально, а на самом широком масштабе. Да, у нее есть недостатки: в 2,5% случаев она пока не срабатывает, не формирует достаточно мощный иммунитет, то есть не предотвращает заражение вакцинированных. Как и со многими другими вакцинами, она дает легкие побочные эффекты в первые дни после вакцинации. Тем не менее это первая принятая вакцина против болезни, ранее не имевшей эффективного средства профилактики и лечения.

Первое слияние нейтронной звезды и черной дыры.

В августе 2019 года ученые, работающие с гравитационным интерферометром LIGO, заявили о регистрации гравитационных волн от необычного события. Чтобы породить сильные гравитационные волны, нужно быстрое перемещение друг относительно друга двух компактных объектов большой массы. В этот раз исследователи обнаружили слияние тел около 5,0 и около 2,5 массы Солнца. Первый компактный объект может быть только черной дырой: обычная звезда недостаточно компактна, чтобы породить такой сигнал, а нейтронная звезда просто не может быть такой большой массы.

А вот второе тело в этом слиянии, массой около 2,5 солнечных, — почти наверняка нейтронная звезда, объект диаметром в 25 километров. Для сравнения, Солнце имеет 1,4 миллиона километров в диаметре, то есть плотность нейтронной звезды по земным меркам просто фантастическая.

Событие случилось очень далеко от нас: гравиволны от него шли до Земли 900 миллионов лет. Это расстояние так огромно, что обычные способы фиксации таких небесных тел, как нейтронная звезда и черная дыра, там просто не сработали бы. LIGO в очередной раз показала, что наблюдения за гравитационными волнами способны поставлять данные, в принципе недоступные из иных источников.

Марс: море глубиной в четыре километра?

26 ноября 2018 года на поверхность Марса успешно сел несамоходный посадочный аппарат Insight.

Основная миссия аппарата — бурение на пять метров в глубину — пока провалилась (уже на 35 сантиметрах бур «застрял»), как и все попытки бурения на Марсе глубже 7,5 сантиметра.

В то же время Insight получил большой утешительный приз. По утекшим в прессу предварительным данным, он магнитометрическими приборами обнаружил под поверхностью Марса, в районе высадки, слой электропроводящего материала толщиной в четыре километра. Красная планета не имеет активной геологии, и единственный предложенный на сегодня кандидат на такой электропроводящий слой — вода с растворенными в ней солями.

Если данные подтвердятся, то Insight открыл довольно глубокое подповерхностное море. Именно такого названия заслуживает водоем с толщей воды в четыре километра. Подобные места давно считаются одними из лучших кандидатов для обитания простейшей жизни. Похожие крупные озера в Антарктиде (озеро Восток) содержат микроорганизмы, несмотря на то, что сами эти водоемы скрыты под толщей льда многие миллионы лет.

Марсианский кислород: жизнь или неизвестный химический процесс?

Но и это не единственная крупная «марсианская» новость. Ученые, работающие для NASA, установили, что количество кислорода у поверхности Красной планеты заметно меняется на протяжении года. Весной его уровень резко растет и остается таковым все лето. Зимой же, напротив, резко падает.

Готовых объяснений этому факту нет. На сегодня не известны неорганические химические процессы, которые позволяли бы — в безводных условиях — резко повышать уровень кислорода в теплое время года и понижать его в холодное. Ученые пытаются предположить гипотетические пути для таких процессов, но работа эта непростая. Обычно при нагреве кислород не выделяется, а, напротив, эффективнее связывается, окисляя контактирующие с ним вещества.

Теоретически объяснением происходящего может быть и жизнь. Да, на Марсе нет растительности земного типа, но это не значит, что живые организмы — если они там есть — не могут быть источником кислородных колебаний в атмосфере.

На Земле есть две группы микроорганизмов, способных производить небольшие количества кислорода без фотосинтеза. Во-первых, это бактерии, способные разлагать перхлораты для получения энергии. В марсианском грунте довольно много перхлората (по земным меркам его там рекордно много), и в принципе их разложение — доступный источник О2.

Во-вторых, на Земле не так давно были открыты бактерии-метанотрофы, способные разлагать метан для получения нужной им энергии. Как известно из данных Curiosity, на Марсе есть источник метана неизвестного происхождения (там тоже нельзя исключить биологическую версию). Можно предположить, что для окисления метана кислородом в бедной кислородом среде такие бактерии производят свой собственный кислород из окислов азота (те тоже встречаются в марсианском грунте).

Положительное отличие биологического объяснения колебаний уровня кислорода в марсианской атмосфере — то, что ею легко объяснить сезонные колебания в количестве этого газа. И бактерии, разлагающие перхлораты, и бактерии, разлагающие метан «своим» кислородом, нуждаются в относительно высокой температуре, то есть в теплое время года они, естественно, намного активнее, чем в холодное.

На сегодня окончательных выводов нет — и вряд ли они будут сделаны в обозримом будущем. Найти и «перхлоратные», и метаноокисляющие микробы непросто: даже на Земле обе эти группы были открыты совсем недавно, уже в XXI веке, благо живут в труднодоступных условиях. На Марсе микроорганизмы не могут обитать на поверхности, где слишком холодно и сухо. Нужная им для выживания глубина начинается от одного-двух метров. Если они там и есть — найти их может только глубокое бурение.

Как мы уже писали, самое глубокое бурение на Марсе пока ушло на 35 сантиметров. Кроме того, обычный автомат просто не обладает возможностями для выявления таких «хорошо прячущихся» форм жизни. Поэтому до изучения Марса в ходе пилотируемых экспедиций однозначное решение загадки марсианского кислорода маловероятно.

Список десяти по-настоящему интересных открытий года отражает некоторые очевидные тенденции современной науки. Быстрее всего она развивается там, где у нее недавно появились новые приборы и методы, — то есть в сфере астрономии, исследовании космоса и других планет зондами, а также в областях, связанных с генетикой. Всплеск новостей антропологии в этом году — скорее отражение удачи конкретных антропологов, описавших останки людей нового вида, а равно и наконечники метательных орудий.

К сожалению, другие отрасли науки таких ярких результатов в этом году не показали — ни физика частиц, ни поиск темной материи, ни целый ряд других направлений. Быть может, им повезет в следующем году?