科学家发现了一颗有史以来最奇怪的超新星,π里包含了所有可能的数字组合吗

然而人生的诡谲之处,就在于哪怕天时地利人和全部负分,机会依然有可能降临。

合取

包含所有数字组合的数,叫做“合取数”。无理数并不都是合取数。

一个典型的合取数是这样的:0.10200300040000500000600……000110000000000012000……

在越来越长的0串中间,夹杂着从1开始的所有自然数,直到无限。既然包含了所有自然数,当然也就包含了所有的数字组合。

宇宙中一些天体爆炸后,会发出强烈的光芒,最亮时达到太阳亮度的1亿倍甚至千亿倍,它们被称为“超新星”。超新星爆发之后先变亮再慢慢变暗,整个过程一般只会持续大约几个月。然而,2014年秋,天文学家发现了一个奇怪的超新星,在此后的两年时间里,它反复变暗再变亮,至少反复了5次。更奇怪的是,它在60年前可能还爆发过。一篇发表在最新一期《自然》(Nature)期刊上的论文认为,当前的理论都很难解释这个超新星的奇特行为,它将改写教科书中关于恒星演化与爆炸有关的理论

新的起点

对孙强团队来说,尽管他们兑现了当初对蒲慕明的诺言,但是这对他而言不过是个新的开始。这个世界上还有无数人都盯着他这个曾经的无名小卒,想知道他究竟只是一时运气好中了个大奖还是真有什么过人之处。更别说,还有四面八方的风凉话,说国外只不过是因为伦理问题不能大量使用灵长类,所以才没做出克隆猴来。尽管,早在2010年,美国饲养的实验猴就超过了70000只\[2\]

天大的荣耀总是与天大的风险相伴随行。一直以来,克隆研究领域就像是受了“诅咒”,许多名动一时的先驱都在前进道路上栽了跟头。“中中”和“华华”的诞生不过只是一个开始,前行的路上,任何一步懈怠,都有前功尽弃的可能。对“土博士”领军的猴平台来说,单单团队建设就是个非常现实的问题。猴平台的工作人员与学生常年要在第一线奋斗,基本没有任何出国深造乃至提高学历的机会。评职称、涨工资总是处处掣肘,甚至是孙强自己都长期无法取得博士生导师资格——凭什么留住这些人才?

凭着克隆猴名动天下后,孙强给管理层提出的最“任性”的要求,就是破格提拔他的一干手下。这也是管理层的心声。面对破格提拔只有大专学历的猴房总管做副高级工程师的申请,神经所党委书记王燕对评审委员说,“你们就告诉我,她的能力够不够资格。如果够,学历的问题我来担。”

于是,在神经所,刘真和孙强一样,将有机会同时成为了有史以来从没有过的“土博士”研究员,博士生导师。

至少,这份力保人才的心与魄力,给猴平台团队的凝聚力提供了的坚实的保障。当初刘真毕业的时候曾经有机会出国深造,按照中国现有的制度,出国留学一圈回来就能直接做博导,而要是留着做土博士,万一克隆猴没做出来(当时也的确还看不到任何希望),没准一生都难有翻身的机会,然而刘真依然选择留了下来。如今,刘真理论上已经和孙强平起平坐,但他依旧还跟七年来一样,继续跟在孙强身后做克隆猴的研究。

没了后顾之忧,前进的道路上,就只剩下未知的挑战,和那熟悉的令人兴奋的压力了。

“中中”和“华华”的诞生意味着中国在克隆猴领域的科研终于领跑了世界。不过,偶尔超出半个身位可算不得什么领跑。不管是孙强、刘真,还是蒲慕明,他们想要的,是超出更多,更多,把别人甩得远远的。

克隆猴从零到一是最重要的突破,但是从一到二以至于无穷依旧是艰难的任务。作为中国脑计划\[6\]的一部分,克隆猴的出现,为人类探索自己颅腔中的这三磅宇宙,提供了新的“神器”。只是,现在的克隆猴技术还远不算成熟,在已经开启的新的征途上,猴平台团队还需要付出更多的努力。

也但愿,从这里开始,蒲慕明多年苦心孤诣的科技强国之梦,又能向前再迈进一小步吧。(编辑:明天)

【注】本文中所有的克隆全部指“核移植重编程技术”,分割胚胎之类的“克隆”不在讨论之列。

随机

如果我们再进一步,连生成规律都不要了,而是用某种真随机生成器(比如哥本哈根解释下的量子随机性)造出一个每位都随机的数,那么它当然就是“随机”的了——不光每一个数字的长期频率趋于一致,任何位置出现的概率也都一样。

图片 1这个超新星的能源是什么?

天文学家首先面临的问题是:这个史上最奇怪的超新星的能源是什么?我们先来简单介绍能够为超新星提供亮度的主要能源(括号里描述对应的亮度变化曲线的特征):

  1. 超新星内部产生的冲击波加热超新星物质的外壳之后,炽热的外壳冷却(单峰);
  2. 放射性镍56与钴56衰变(单峰);
  3. 超新星残骸中心的中子星高度磁化,变为“磁星”,发出辐射(单峰);
  4. 超新星外壳中大量氢原子被被电离,形成氢离子,然后氢离子与电子重新结合为氢原子(约100天内保持亮度不变的“平台”);
  5. 超新星喷射物撞击此前跑出去的物质(撞击几次,形成几个峰);
  6. 恒星喷发出的多个物质壳中,后面的追上前面的,产生碰撞(撞击几次,形成几个峰);
  7. 星体中心形成的黑洞,将回落下去的物质吞入,喷发出的喷流将能量传递给超新星物质(一般为单峰)。

 

首先,以上的第1、2、3、4类能源都只形成单峰。1、2、3、4的任意组合也最多形成双峰结构,因此前4个能源模型及其组合模型都被排除了。再看5和6,多次碰撞一般会产生X射线辐射和射电辐射,但观测没有发现这些辐射,因此,Arcavi等人认为,能够解释这个超新星的模型可能就是上面列的第7个模型

但是,黑洞模型得到的亮度变化曲线也是单峰的。不过,如果这个黑洞“吃东西”时忽快忽慢,就会导致超新星忽明忽暗。这样,能源问题应该是解决了,虽然对那个黑洞提出的要求高了点、模型也确实有些奇怪。

图片 2图片 3恒星内部形成黑洞,恒星内部旋转的物质堆积成一个环,掉入黑洞,垂直于环的方向上产生喷流(jet),将能量传递给周围的物质,将喷流附近的物质加热,使其成为超新星(来源:Macfadyen)。

虽千万人吾往矣

同样是2008年,在上海,中国科学院神经科学研究所的所长蒲慕明做了一个艰难的决定——致力于开展以非人灵长类为主要模式动物的研究,并着手筹建非人灵长类研究平台。为什么说这是一个艰难的决定呢?因为当时做非人灵长类模式动物构建的成熟方法还只有慢病毒介导的过表达转基因技术,基因编辑技术还在路上,更谈不上克隆猴技术这个天堑。这提议一出来,整个神经所都炸锅了!要知道,当时中国的神经科学才刚从一穷二白的状态走出来,你就要搞这种大新闻,这简直是拿科研经费开玩笑了。

但蒲慕明自有想法。对他而言,当初回国创建神经所,一干就是二十几年,他给神经所设定的目标可不止是在世界顶级期刊上发表几篇论文而已,他的目标,是推动中国成为一个真正意义上的科技强国,在神经科学领域领跑世界。他相信,非人灵长类研究就是那个突破口。

在中国,猕猴是国家二级保护动物,不过,相比而言,有能力拿猕猴做研究的专业科研人员才是真的“稀有动物”,简直可以算是“特级保护动物”。经过一番寻寻觅觅与机缘巧合,蒲慕明发现了孙强。

“你能把转基因猴子做出来吗?”蒲慕明就这一个问题。

“能。”

其实孙强这回答完全没有底气,老蒲也知道他没底气,但是天下大事岂是能等别人把路铺好了才去做的?

之所以我们的老师不讲,是因为这段话在数学上是不对的。

图片 4爆发前的物质喷发:挑战现有的认知

图片 5解答了能源问题之后,就要解答“是什么力量导致了1954年观测到那次爆发?”这个问题了。当前最有可能解释超新星爆发前的喷发现象的理论,是所谓的“脉冲对不稳定”机制——质量超过95个太阳的恒星,由于内部温度过高,在演化的某个阶段,核心产生的一部分伽玛射线变为正反中微子对,逃出星体,导致恒星收缩、升温,引发不稳定喷发。因为涉及到正反中微子对,这个过程被称为“对不稳定”。如果恒星质量在95-130个太阳质量之间,“对不稳定”过程会将星体的外层抛出。这样的过程每隔几年到几十年就会发生一次,直到最后恒星彻底爆炸,就像是脉搏跳动,因此被称为“脉冲对不稳定”。

因此,可以假设此前这个恒星经历过两次脉冲式喷发,后面的的物质碰撞到前面物质,就可以解释1954年观测到的那次爆发。然后恒星在60年后彻底炸毁,成为超新星。

图片 6图片 7物质壳的碰撞。大质量恒星在死亡之前一些年的时间里因为“脉冲对不稳定性”而先后喷发出两个物质壳,如果后面的壳的速度大于前面的,就会追赶碰撞。此图显示了两个物质壳碰撞过程模拟图的“右上角”。物质壳(包括了红色结点表示的碰撞碎片)的半径是太阳-地球距离的500倍(750亿千米)。不同的颜色表示不同的密度,最高密度是10的-11次方(红色表示),最低密度是10的-16次方(暗蓝色表示)。图片来源:参考文献[4]|制图:Ke-JungChen

但是,用“脉冲对不稳定”模型解释这个超新星在爆炸前60年的变亮行为,也遇到了两个很大的困难:

  • 第一、根据观测结果计算出的物质壳的动能是理论允许的最大值的几十倍;
  • 第二、理论上,首次喷发后就会损失大量的氢,导致留下的氢很少,而事实上这次观测到的超新星含有大量的氢。


因此,Arcavi等人认为,要么“脉冲对不稳定”模型需要修改,要么还有我们还不知道的其他机制导致了物质喷发

著名天文学家Stan
Woosley在同一期的《自然》杂志上发表了评述文章\[2\]。他认为,这个超新星将帮助人们理解最大质量恒星是如何演化的,超亮超新星是如何形成的,以及,恒星级黑洞是如何形成的。这些都是目前科学家还没有彻底理解的东西。无论揭开哪个谜团,无疑都是让天文学家激动不已的发现。

放弃非人灵长类研究并不是因为他的科研能力。在学术界,要说起克隆猴【注】,那可真是一把辛酸泪。早在2003年,来自剑桥大学、麻省理工大学等众多科研院校的数名顶尖专家就在《科学》杂志发表评论,给克隆猴技术“判了个死刑”——政府并不需要严防死守克隆人,因为“大自然已经对(克隆灵长类)设置了障碍”,灵长类的卵细胞有着极为独特的生化特性,凭现有技术是无法克隆的\[1\]

图片 8

捕猎史上最奇怪超新星

2014年9月下旬,位于美国加州帕洛玛山上的48英寸(1.22米)的Oschin望远镜发现了一颗距离我们约5亿光年的超新星,它被命名为“iPTF14hls”。

图片 9iPTF14hls所在的星系的四张图像(图a、b、c、d),a、b分别为爆发前的图像,c为Oschin望远镜发现超新星时的图像,d为减除背景之后的超新星图像。图片来源:参考文献[1]

这是一颗正在变暗的超新星,但是后续观测表明它在变暗后又变亮了,这引起了天文学家的强烈兴趣。总部位于美国加州的LasCumbres天文台(LCO)的Iair
Arcavi组织了一个国际合作小组,对这颗奇怪的超新星进行了后续观测与分析。参与这项研究的人员除了美国的Iair
Arcavi、D. Andrew Howell和Daniel
Kasen等人之外,还有中国的王晓锋、黄芳、芮黎明、李文雄、李志彤、张天萌和张居甲(全部人员的名单见参考文献[1])。使用的光学望远镜主要是LCO望远镜、帕洛玛天文台的1.22米、1.52米望远镜与清华大学-中国国家天文台的0.8米望远镜。

图片 10Oschin望远镜的圆顶(左)和望远镜内的72英寸主镜面(右)。图片来源:Palomar/Caltech

持续的观测表明:这个超新星的亮度变化曲线至少有5个峰,已经持续明亮了600多天,是“史上保持明亮时间最长的超新星”。现在,Arcavi与合作者们正在继续监测这个超新星的亮度变化,看看它是否还会继续变亮。同时,他们调用哈勃太空望远镜来观测这个超新星所在的位置,以期获得更多细节信息。

图片 11图片 12金色曲线是iPTF14hls的亮度变化曲线。中间有段时间被太阳挡住,导致观测中断。下方浅蓝色线为一类普通超新星的亮度变化曲线,用来进行比较。图片来源:LCO

Arcavi等人还发现,就在这个超新星所在的同一个位置,1954年曾经变亮了一次,到1993年再拍摄的图像已经比1954年的暗了。超新星不可能在爆炸后再次爆炸,因此,1954年观测到的那次爆发不是超新星爆炸,而是恒星喷发出的大量物质撞击到此前喷发出的物质,发出强光,其实恒星还活着。60年后,产生了2014年被观测到的那次爆发,恒星才真的炸毁了。

图片 13图片 141954年拍摄的底片表明在这个超新星的位置上生过闪耀,1993年拍摄的底片中的同一位置比1954年的暗。图片来源:参考文献[1]

这样,就有两个大问题需要解答:这个超新星的能源是什么?是什么力量导致了1954年观测到那次爆发?

2008年5月,西双版纳,徘徊着一个失意的年轻人。风光旖旎,但这位年轻人在考虑是否要放弃他已经做了4年之久的非人灵长类研究工作,重新选择他的方向。

在《疑犯追踪》S02E11里,“宅总”哈罗德·芬奇说了这样一段话:

图片 15一些花絮与一个独家内幕

图片 16这篇论文的第一作者Arcavi是以色列人。2013年读完博士之后,到加州大学圣克鲁兹分校物理系做博士后,同时在LCO工作,成为NASA的“爱因斯坦学者”(Einstein
Fellow)。爱因斯坦学者和哈勃学者(Hubble
Fellow)是针对在美国从事天文研究的青年博士后的一个基金项目,代表了全美天文学博士后的最高水准。

图片 17图片 18IairArcavi。图片来源:Arcavi的个人主页lco.global/~iarcavi

几个月前,Arcavi来伯克利天文系访问了几天,这也是我第一次和他本人见面。在天文系的报告中,他提到了这篇论文遇到的“坎坷”经历:《自然》杂志的编辑希望他能够在论文里写一些更强烈的结论,搞个大新闻,但Arcavi认为自己的数据和分析能够得到的结论就是现在这样的,不能夸大其词,因此坚持不改结论。(感谢伯克利天文系的郑伟康提供了这个内幕,那天我没去系里听报告。)

此外,上个月引发新闻狂潮的中子星并合引发的引力波事件中,Arcavi也是主角之一:他领先使用LCO的望远镜观测了伴随引力波的千新星,相关论文发表于10月的《自然》\[3\]。至今为止他已发表了107篇论文。

图片 19LasCumbre天文台当前主页顶端的地图,图中的圆点表示其数据处理中心和天文台台址(从左到右:美国夏威夷、加州、得克萨斯州、智利科金博区、西班牙加纳利群岛、英国利物浦、南非苏斯兰、以色列南区、中国西藏、澳大利亚新南威尔士)。位于以色列和中国的台址将分别于明年和后年启动。黄色部分强调其观测到那个在爆发前60年发生物质喷发却没有爆炸的超新星。图片来源:LasCumbre天文台lco.global

最后还要说一说LasCumbres天文台的背景。谷歌退休副老总Wayne
Rosing于2005年成立“LasCumbres天文台全球望远镜网络”(LasCumbres
Observatory Global Telescope
Network,LCOGT),简称LCO。这是一个私人非盈利机构,现在已陆续架设了20架天文望远镜,口径有0.4米、1米和2米,分布于南北半球和东西半球,可以对光学爆发进行24小时追踪观测。(编辑:明天)

天下大事必作于细

所谓成大事者,不过就是把每一件小事都做好而已。

克隆首先是个手艺活。取卵、去核、注核,每一步都需要高超的实验技巧。经过长达数年的苦练,刘真已不再是对克隆技术一窍不通的“吴下阿蒙”,而是“国际最顶尖水平”的胚胎操作专家了——他的每一步操作都能精确到秒。对孙强来说,只有这样,每一次实验对参数的改进才算有效——刘真做出来好那肯定是真的好,不好就一定是真的不好,绝没有“发挥失常”的担忧。

这还是台面上的功夫,在一般人看不到的地方,还有更精妙的苦功夫。就比如,等月经。

克隆需要的猴卵必须从母猴体内获取,而要让母猴排卵就必须按照母猴的月经周期注射促排卵药物,可是……你咋知道猴子来大姨妈了呢?总不能让人满世界追着猴子看吧。于是平台工作人员练就了辨识猴脸的本事,他们认识猴房里的每一只猴子——数百只只猴子,不用看号牌就知道谁是谁。这还不算,他们还用尽各种办法跟母猴们搞好关系,从此只要打个招呼,母猴就会主动展示之。

如果说看月经还能和猴子打个配合,那还有些事就只能靠人类自己来掌握了。克隆的猴子往往会遇到难产的问题,需要剖腹产。但是剖腹产如果提前太多又容易让胎儿发育不良,最理想的做法就是猴子即将临盆的时候去给它做剖腹产。可是猴子跟人一样,预产期是很不准的,分娩时间飘忽不定。孙强便组织好几个饲养员,录了一大堆母猴生崽的视频,一有空就盯着看,寻找母猴临盆的迹象。最后他们还真的就总结了一套预警母猴分娩的窍门。

图片 20身怀绝技的猴平台工作人员(右下)和平台饲养的猴子们(上)。图片来源:中国科学院神经科学研究所。

为了防止出现半夜临盆的问题,他们会把快要生育的母猴安排到单独的病房里,有专人留守彻夜监控,随时准备把兽医从床上叫起来做手术。平台还设立了个制度,监控人员每隔30分钟就得在QQ上发个信息,以便事后检查监控人员有没有打瞌睡。

参考文献

  1. David H. Bailey and Jonathan Borwein. Pi Day Is Upon Us Again and We
    Still Do Not Know if Pi Is Normal.  American Mathematical Monthly,
    Mar 2014

 

图片 21参考文献:

  1. Arcavi,I.,etal.2017,Nature,551,210-213
  2. Woosley.2017,Nature,551,173-174
  3. Arcavi,I.,etal.,2017,Nature,551,64-66
  4. Heger,A.2013,Nature,494,46-47

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