超大三维星系图,真是外星文明发来的问候

最近,又有一颗星星在很多朋友的朋友圈里刷了屏。不是离我们最近的太阳系外行星比邻星b,而是一颗名叫HD
164595的恒星。因为据说,俄罗斯的射电望远镜已经接收到了来自这颗恒星强烈的电波信号。

图片 1宇宙中星系分布三维地图的一张切片,覆盖了天空的1/20,宽60亿光年,高45亿光年,厚5亿光年。图中的每一个小点,都代表着60亿年前一个星系的位置,不同的颜色代表它们在这张切片中是更靠近地球(黄色)还是更远离地球(紫色)。这张切片中包含48741个星系,只占天文学家绘制的最新宇宙星系分布图数据量的3%。从图中可以看到星系的成团分布,它们构成了超星系团,也留下了巨大的空洞。这些大尺度结构的根源都来自于宇宙大爆炸后最初的瞬间。图片来源:Daniel
Eisenstein 及SDSS-III合作团队

除了遗传,DNA还能干什么?

图片 2朋友圈截图,称俄罗斯接收到了远高于地球文明的外星文明发送的电波信号。图片源于网络

来自斯隆数字巡天Ⅲ期(SDSS-III)的数百位科学家协手合作,绘制出了遥远星系有史以来最大的三维地图。接着,这些科学家又利用这幅地图,对目前正驱动宇宙加速膨胀的暗能量,进行了迄今最为精确的测量。

这里有一个备选答案:组装成机器人。

这件事到底是真是假?可以说部分属实,但结论实在是言过其实。

“我们花了10年时间,测量了遍布1/4天空的120万个星系的数据,绘制出了650个立方十亿光年内宇宙的物质结构。”领导这项研究的科学团队联席负责人、美国纽约大学的杰里米·廷克(Jeremy
Tinker)说,“这幅地图让我们能够对暗能量在宇宙膨胀中所起的作用进行迄今最好的测量。”

本周《科学》(Science)杂志的封面故事,讲的就是来自德国的科学家们,使用DNA分子,成功组装出一个可以远程控制的纳米机械臂,并用它完成了一项壮举——推动一个纳米金颗粒

消息的源头应该是科学作家保罗·吉尔斯特(Paul
Gilster)。8月27日,他在专注于太空探索的网站Centauri
Dreams上发布了一篇文章,名为“An Interesting SETI Candidate in
Hercules”,译成中文就是“武仙座中一个挺有意思的SETI候选者”。这里的SETI,是“搜寻地外智慧生命”的英文首字母缩写。

这些新的测量结果由SDSS-III的重子振荡光谱巡天(Baryon Oscillation
Spectroscopic
Survey,简称BOSS)项目完成。由于受到暗物质施加的引力和暗能量产生的斥力之间持续拉锯的影响,BOSS发布的这幅地图让天文学家能够测量宇宙膨胀的速率,进而测定今天的宇宙中物质和暗能量所占的比例。描述这些结论的一系列论文,本周已经投稿给了《皇家天文学会月报》(the
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)。

图片 3在DNA组装而成的条带状平台(灰白色)上,安置了多个同样为DNA构成的纳米机械臂(蓝紫色),亮黄色的部分可以检测机械臂的运动位置。通过施加电场,可以精确地控制纳米机械臂旋转。这套装置可以进一步发展成为纳米机器人的一部分。图片来源:Science
| 制图: C. Bickel/Science | 数据支持: E. Kopperger,F. C.
Simmel/Technical University of Munich  

吉尔斯特在这篇文章里透露,一个国际天文学家团队检测到了“来自恒星HD
164595方向上的一个强烈的无线电信号”,是由位于俄罗斯的RATAN-600射电望远镜接收到的。

BOSS用来测量宇宙膨胀速率的方法是,在星系的三维分布地图中,测定重子声学振荡(baryon
acoustic
oscillation,BAO)的尺寸。重子声学振荡的原始尺寸由早期宇宙中传播的压力波决定,在宇宙年龄只有40万年时,这些波被冻结在宇宙的物质分布模式之中。(相比之下,今天的宇宙年龄为138亿年)。最终的结果就是,星系和星系的间隔倾向于一个特定的距离,天文学家称之为声学尺度。

起初,DNA是生物学家的美梦。这条由四种碱基拼凑的长链,藏着生命的大部分秘密。后来,这种奇特的大分子,又引起了纳米科学家们的兴趣。

RATAN-600是一台口径达到576米的射电望远镜,看起来好像比中国即将启用的FAST还要大,但它的反射面不是一个完整的球面,而是只有外围的一圈环面。跟FAST一样,RATAN-600也是固定在地面上无法移动的射电望远镜,只能通过地球的自转带着它扫描一部分天空,接收来自那个方向上的无线电信号。

大爆炸后40万年时的声学尺度大小,在对宇宙微波背景辐射的观测中已经得到了精巧的测定,那些背景辐射正是压力波被冻结的同时释放出来的光。测量自那时以来宇宙中的星系分布,让天文学家能够测量暗物质和暗能量如何竞相掌控宇宙膨胀的速率。

原因有二:

图片 4俄罗斯的RATAN-600射电望远镜,固定在地面无法转动,只能随地球自转扫描某个方向上的无线电信号。图片来源:SETI.org

德国马普学会地外物理研究所的阿列尔·桑切斯(Ariel
Sanchez)领导的研究,在BOSS数据的基础上估算了暗物质和暗能量的确切数据。他解释说,“测量宇宙历史不同阶段的声学尺度,提供了一把直接可用的标尺,能够用来测量宇宙的膨胀速率。有了BOSS的这幅三维地图,我们能够在距今20亿年前到70亿年前的时间跨度之内,在星系的分布模式之中追寻重子声学振荡留下的微妙印记。”

  1. DNA分子是柔韧又强健的碱基结合,能确保长长的DNA链扭曲弯折而不断裂;
  2. 只要设计合理,可以通过碱基对把两条DNA完美地连接起来,就如同拼乐高积木一样,可以把许多DNA片段拼成想要的图案。

2015年5月15日,RATAN-600接收到了一个无线电信号,波长为2.7厘米,信号强度估计为0.75央斯基。接收到信号的具体时间是恒星时18:01:15.65,恰好是恒星HD
164595随着地球自转而从RATAN-600观测视场中经过的时刻。接收到的信号强度则是先增强后减弱,也刚好与HD
164595进入视场再移出视场的过程相符。

英国圣安德鲁斯大学的丽塔·特里欧(Rita
Tojeiro),是除廷克以外,BOSS星系成团研究组的另外一位联席负责人。她解释说,“如果把我们巡天观测的范围等比例缩小成一个边长1英里(约1.6千米)的立方体,那么单个星系可见的部分就只有大约1毫米宽。在分析这幅地图时我们面临的挑战,就相当于在这1立方英里的空间内,找出所有间隔100码(约91.4米)的星系对,并测量全部这些星系对之间的距离!”

为了更好地操控组装DNA片段,一种名为“DNA折纸术(DNA
origami)”的技术应运而生。2006年,一位名叫Rothemund的美国科学家就用一条具有7000个碱基对的DNA长链,弯曲、折叠出一个笑脸\[1\]

HD
164595是一颗与太阳非常相似的恒星,不光是大小、亮度和表面温度相似,就连恒星的年龄也相差无几,一些天文学家甚至称它为太阳2.0。这颗恒星已知拥有一颗行星,质量相当于地球的16倍,每40天环绕这颗恒星公转一圈。从大小和所处位置可以判断,这颗行星与地球完全不同,不适合我们这样的生命在那里生存。当然,这颗恒星很可能拥有其他未被发现的行星,或许有一颗适合生命生存。

图片 5左侧的长方形显示了1000平方度的天空中所含的大约12万个星系,接近巡天观测的星系总数的1/10。图中的第一个点都代表一个星系。对每个星系所作的光谱观测,将这张二维图片转换成了三维的星系分布图,从我们眼前一直延伸到70亿年之前。分布图中明亮的区域对应于宇宙中星系更多的区域,因此暗物质也较多。那些区域里的额外物质产生出额外的引力,使得这幅分布图可以用来检验爱因斯坦的引力理论。图片来源: Jeremy
Tinker及SDSS-III合作团队

图片 6使用DNA折纸术,将DNA分子折叠成笑脸的形状,图片来源:参考文献[1]

尽管吉尔斯特在文章中特别强调,“没有人宣称这个信号是地外文明所为”,但并不妨碍这条消息被炒作成“有生之年系列的超级大新闻”,在公众号或者朋友圈里吸引大家的眼球。

为了如此精确地测量这些巨大而又古老的压力波的尺度,
BOSS必须要绘制出一幅规模空前到前所未有的星系分布地图,比此前的巡天绘制过的星系图大好几倍。在BOSS项目规划期间,先前的研究就已经测定,暗能量从大约50亿年前开始,便对宇宙膨胀产生了显著影响。于是,BOSS项目便设定了这样的目标,要把测量重子声学振荡特征的时间范围,从那一个时间点之前(距今70亿年前)延伸到今天附近(距今20亿年前)。

于是,DNA就开启了它的画家之路。人们使用DNA能够折叠出来的形状也越来越复杂:地图、星星、盒子,甚至还能拼出一个蒙娜丽莎\[2\]!这也间接地证明了一句话:“每个科学家,不过是长大了的孩子”。

图片 7俄罗斯射电望远镜接收到的信号。红色线条为实际接收到的原始信号强度,绿色曲线则是假设信号源自恒星HD
164595的话,理论上预期应该接收到的信号强度变化。图片来源:Bursov等人。

英国朴茨茅斯大学的弗洛里安·博伊特勒(Florian
Beutler),是本周投稿的一系列研究论文中两篇论文的第一作者。他说,“如果暗能量在那段时间内一直在驱动着宇宙膨胀,我们的地图告诉我们,它随时间变化的速度非常缓慢,如果它有变化的话——在过去70亿年内,它最多只变化了20%。”

图片 8DNA分子折叠成的形状愈发复杂,图片来源:参考文献[2]

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