Procesoarele fotonice luminează calea

    Progresele în curs de desfășurare în electronică și computere au introdus oportunități de a realiza lucruri care odată păreau de neconceput: construiți mașini autonome, rezolvați probleme complexe de învățare profundă și comunicați instantaneu pe întreaga planetă. Cu toate acestea, cu toate progresele, sistemele de astăzi, care se bazează pe procesoare electronice, sunt bazate pe o realitate frustrantă: fizica pură a electronilor limitează lățimea de bandă și îi obligă să producă căldură enormă, ceea ce înseamnă că atrag cantități mari de energie.

Pe măsură ce cererea de inteligență artificială (IA) rapidă și cu energie scăzută crește, cercetătorii explorează modalități de a împinge dincolo de electroni și în lumea fotonilor. Aceștia înlocuiesc procesoarele electronice cu modele fotonice care încorporează lasere și alte componente luminoase. Deși există scepticism printre unii observatori că tehnologia poate transforma computerul analogic, cercetătorii din spațiul optic construiesc acum sisteme care demonstrează beneficii semnificative în AI și învățarea profundă.

„Procesoarele fotonice pot rezolva blocajele asociate cu sistemele electrice de calcul actuale. Sunt extrem de eficiente din punct de vedere energetic și pot depăși ratele standard de ceas ale sistemelor electronice cu aproape două ordine de mărime”, potrivit Maxim Karpov, cercetător la Elveția. École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Cu toate acestea, rămân provocări considerabile în optimizarea fotonicii în circuitele integrate, inclusiv găsirea amestecului potrivit de materiale pentru a înlocui siliciul, care nu funcționează bine cu tehnici optice și de ambalare îmbunătățite.

Figura. Demonstrarea principiului care stă la baza procesorului fotonic, arătând răspândirea luminii într-o matrice de materiale cu schimbare de fază.

Cu toate acestea, tehnologia apare din laboratoarele de cercetare și apare în sistemele din lumea reală, inclusiv de la câteva startup-uri comerciale. Posibilitățile sunt deosebit de atrăgătoare în domenii precum învățarea profundă, învățarea automată și calculul cuantic. Progresele tehnice, inclusiv miniaturizarea și ambalarea mai bună, împing domeniul înainte cu rapiditate. Spune Karpov, „Calcul fotonic și în special domeniul de calcul fotonic integrat, care utilizează cipuri pe bază de siliciu pentru procesarea semnalului optic, evoluează în mod activ și începe să aibă un impact”.

Văzând Lumina

Ideea utilizării luminii pentru a accelera procesarea își are rădăcinile în cercetările din anii 1980. Cu toate acestea, până de curând, ideea se blocase în mare parte. În primul rând, nivelul de miniaturizare necesar componentelor nu a existat. Pe de altă parte, laserele și alte componente nu erau pregătite pentru primetime. Ca urmare, accentul a rămas în cea mai mare parte pe obținerea de câștiguri de performanță din cadrele de calcul convenționale.

Deși încă există provocări în spațiul optic - de exemplu, nu este clar dacă cercetătorii ambalează fotonica într-un mod care oferă de fapt beneficii pe scară largă în sistemele de calcul generale - domeniul avansează. "Odată cu creșterea învățării automate și a inteligenței artificiale, procesoarele fotonice au găsit un domeniu în care poate străluci. Creșterea volumelor de date aduce tehnologiile electronice actuale la limitele lor", spune Johannes Feldmann, cercetător postdoctoral la Universitatea Oxford din Marea Britanie.

Tehnologia optică, deja utilizată pe scară largă pentru cablare, comunicații și, din ce în ce mai mult, interconexiunile sistemelor, urmărește direct limitările din ce în ce mai mari din jurul arhitecturii Legii lui Moore și von Neumann. Când sarcinile intensive de calcul, cum ar fi învățarea profundă, sunt aruncate la procesoarele electronice, acestea se sufocă cu sarcini avansate și devorează energie. În plus, extinderea sistemelor pentru a gestiona sarcini din ce în ce mai complexe este prohibitivă. Pe de altă parte, optica excelează cu funcții liniare de precizie scăzută. „Aici este locul în care procesoarele fotonice provoacă procesoarele electronice: ca acceleratori hardware pentru inteligența artificială”, spune Feldmann.

Este important să recunoaștem diferențele cheie dintre sistemele electrice și optice, spune Nathan Youngblood, profesor asistent la Departamentul de Inginerie Electrică de la Universitatea din Pittsburgh. La cel mai elementar nivel, sistemele electrice modifică în mod constant numărul de electroni dintr-o linie, încarcând și descarcând astfel interconexiunile metalice care se întind pe două porți logice pe cip. "În principiu, optica nu este limitată de încărcarea și descărcarea liniei de interconectare, așa că puteți transfera date la viteze mult mai mari. Nu aveți un compromis între consumul de energie și modulare."

Fotonii sunt atractivi pentru efectuarea de calcule deoarece, spre deosebire de electroni, ei pot ocupa aceeași stare fizică ca și alți fotoni. Acest lucru le face mai eficiente și mai potrivite pentru a gestiona înmulțirile vector-matrice (MVM) și convoluțiile utilizate pentru învățarea profundă. Semnalele luminoase, care sunt modulate pentru a codifica vectorii de date de intrare, sunt trimise către cipul optic. „Lumina se propagă apoi prin rețeaua ghidurilor de undă fotonice. Este atenuată pasiv și amestecată pentru a o transforma astfel încât să se conformeze matricei de date pe care dorim să o folosim pentru multiplicare”, explică Karpov. Pe măsură ce cipul generează ieșire, lumina care poartă rezultatul operației de multiplicare este detectată.

„Multe dintre obstacolele care au împiedicat tehnologia să avanseze sunt acum rezolvate”.

Deoarece fotonii se pot propaga în interiorul cipului într-un mod ultra-eficient, sistemul folosește puterea pe care o consumă la maximum. În același timp, viteza de modulare a luminii poate atinge cu ușurință zeci de gigaherți, ceea ce mărește radical debitul sistemului în comparație cu componentele electronice. În cele din urmă, mai multe elemente pot fi plasate pe un singur cip, inclusiv modulatoare, detectoare și chiar surse de lumină. Acest lucru face ca tehnologia să fie ideală pentru o mare varietate de alte utilizări, inclusiv transmisia optică de date, spectroscopie, LiDAR, scanări RMN și chiar comutarea circuitelor optice în centrele de date.

Aceste progrese alimentează noile platforme fotonice care utilizează materiale precum nitrura de siliciu și niobatul de litiu și procese de fabricare a ghidurilor de undă fotonice cu pierderi extrem de reduse bazate pe aceste materiale. Între timp, un număr tot mai mare de turnătorii comerciale sunt echipate pentru a construi circuite integrate fotonice (PIC-uri), iar companii startup precum Lightelligence, Lightmatter și Optalysys introduc soluții care abordează diverse sarcini avansate de calcul și comunicații. Youngblood spune: „Multe dintre obstacolele care au împiedicat tehnologia să avanseze sunt acum rezolvate”.

Design-uri pe viteză

Descoperiri semnificative în calculul fotonic au apărut în ultimii ani. Unele dintre cele mai mari progrese gravitează în jurul modului fundamental în care sunt proiectate și construite aceste sisteme. Ambalajele și interconexiunile evoluează rapid și permit capabilități și mai sofisticate. Karpov spune: „Asistăm la o tranziție treptată de la componente fotonice bazate pe cip izolate la sisteme fotonice mai complexe, în care diverse tehnologii și platforme de materiale sunt integrate pe același cip într-un mod hibrid”.

De fapt, ambalajul este crucial. „Fără ambalajul potrivit, nu puteți profita pe deplin de funcționalitatea și performanța circuitelor integrate”, spune Paul Fortier, inginer senior pentru Dezvoltarea ambalajelor fotonice la unitatea de asamblare și testare a IBM din Bromont, Canada. „Ansamblul fotonic moștenit este prea adesea manual, consumator de timp și este dificil de a aduce tehnologia în producția de mare volum”. IBM se concentrează pe dezvoltarea de interconexiuni optice cu pierderi reduse, ambalaje de management termic, integrarea fotonicii cu microelectronica și miniaturizarea suplimentară a componentelor. Scopul este de a „permite luminii să intre și să dezactiveze cipurile cu cea mai mare lățime de bandă în cel mai mic spațiu, fiind în același timp ieftin, fiabil și scalabil pentru automatizare”, spune el.

În februarie 2021, domeniul a făcut un salt înainte semnificativ când un grup de cercetători – inclusiv Karpov, Young-blood și Feldmann – a introdus o nouă arhitectură pentru fotonică care combină procesarea și stocarea datelor pe un singur cip. Cu acest design, grupul a dezvoltat un accelerator hardware pentru MVM-uri care servește drept bază pentru rețelele neuronale. Bazându-se pe lungimi de undă luminoase diferite care nu interferează între ele, ei au reușit să construiască un procesor care se ocupă de calcule paralele complexe și care produce rezultate extrem de precise la operațiunile de convoluție.

Cadrul tehnologic, care este construit folosind piepteni de frecvență optică (microcombs) bazați pe microrezonatoare, oferă o modalitate simplă și directă de a paraleliza operațiunile de calcul pe procesoare fotonice, explică Karpov. Micropieptenii creează surse de lumină ultra-compacte care oferă mai multe frecvențe optice distanțate echidistant. Acestea permit nucleului tensorului fotonic să găzduiască transferul și calculul simultan de date la viteze comparabile cu cele ale rețelelor de fibră, generând în același timp căldură aproape de zero.

Cu toate acestea, sunt necesare progrese suplimentare pentru a împinge tehnologia în curentul principal, în special în domenii precum viziunea artificială, care necesită calcule ultra-rapide, spune Youngblood. Un obstacol, deocamdată, este că dispozitivele fotonice sunt fizic mai mari decât tranzistoarele electronice – chiar dacă densitatea de calcul, viteza și ieșirea sunt considerabil mai mari pentru fotonică. Acest lucru face ca cipurile optice să nu fie adecvate pentru anumite sarcini și situații. Un alt factor este că anumite tipuri de procesoare optice, cum ar fi modelele de spațiu liber care se bazează pe optica difractivă, introduc bariere legate de stabilitatea configurației și vitezele lente de modulare a modulatorilor spațiali de lumină, explică Feldmann.

Scalare poate fi, de asemenea, o problemă, deoarece arhitecturile fotonice se bazează în continuare pe circuite electronice de control, care creează un blocaj. „Procesorul fotonic în sine ar putea gestiona cu ușurință rate de date mult mai mari”, spune Feldmann. „Cipul fotonic funcționează la un nivel de putere foarte scăzut. Cu toate acestea, circuitul de control electronic care îl conduce introduce cerințe de putere mult mai mari.” Aceasta înseamnă că sunt necesare îmbunătățiri suplimentare în domeniul electronicii pentru a conduce o performanță fotonică mai bună.

În cele din urmă, turnătoriile fotonice rămân relativ imature, iar fabricarea circuitelor fotonice trebuie să fie mai reproductibilă în specificațiile componentelor individuale, cum ar fi multiplexoarele și sursele de lumină, adaugă el.

Un viitor strălucit?

Juriul este încă în discuție dacă fotonica va oferi beneficii de nișă pentru calcul sau va revoluționa spațiul. „Este posibil ca fotonica să joace un rol în unele aspecte analogice ale calculului, cum ar fi sistemele de rețele neuronale. Și există un mare potențial ca fotonica să ajute la ameliorarea blocajului comunicațiilor de la marginea cipurilor electronice”, spune Rod Tucker, Melbourne. Profesor emerit laureat la Universitatea din Melbourne și fost director al Institutului pentru o societate activată în bandă largă (IBES).

Cu toate acestea, Tucker consideră că rămân provocări formidabile pentru schimbarea procesării electronice digitale cu procesarea fotonică digitală. Ca rezultat, un computer fotonic de uz general nu este probabil să apară în curând. „Nu există niciun dispozitiv fotonic care să se apropie de o poartă electronică digitală în ceea ce privește miniaturizarea, consumul redus de energie pe operațiune, restaurarea nivelului logic și suprimarea zgomotului. Și niciun dispozitiv fotonic nu poate stoca un pic de date digitale la fel de eficient sau atât timp cât o celulă de memorie electronică”, explică el.

Mai mult, Tucker spune: „Au existat exemple recente de experimente inteligente care arată cum dispozitivele fotonice pot emula electronica digitală, dar provocările apar atunci când cineva încearcă să crească la capacitatea de procesare a unui cip electronic de ultimă generație care conține milioane de dispozitive cu consum foarte scăzut de energie”. El crede că concentrarea pe comparații directe și corecte cu electronicele digitale de ultimă generație este esențială.

Feldmann spune că criticii ratează adesea semnul cu privire la rolul fotonicii. „Un procesor optic de uz general nu este foarte aproape de realitate, dar procesoarele fotonice strălucesc în prezent în accelerarea sarcinilor de lucru AI”. De exemplu, Lightmatter — un startup de AI de fotonică cu rădăcină în MIT — generează 1,2 milioane de inferențe pe secundă pe o arhitectură de învățare profundă ResNet50, față de 300.000 pe un GPU Nvidia DGX. „Acesta este pentru un sistem electro-optic hibrid complet”, notează el. „Alte startup-uri care se concentrează pe operațiuni teoretice pe secundă (TOPs/W) au depășit, de asemenea, electronica cu o marjă substanțială”.

Doar beneficiile acestui lucru ar putea fi semnificative. De exemplu, calcularea legată de inteligența artificială consumă deja o bucată considerabilă de energie globală, iar linia de tendință indică faptul că cererea crescută de resurse de calcul este aproape sigură în viitor, în special deoarece vehiculele autonome, robotica și alte mașini necesită intrări mai mari de date și ieșire. Durabilitatea globală atârnă în balanță. „Procesoarele fotonice ar putea reduce în mod substanțial consumul de energie”, subliniază Feldmann.

Cu toate acestea, cele mai mari câștiguri s-ar concentra probabil pe rate de ceas radical mai ridicate și pe paralelizare, care duc învățarea automată și învățarea profundă la un nivel cu totul diferit și deblochează rezultate irealizabile anterior. Semnalele optice pot fi modulate până la 100 GHz, ceea ce deschide ușa către noi și diferite utilizări. „Deocamdată, procesarea fotonică are sens acolo unde este nevoie atât de un randament mare, cât și de un nivel ridicat de paralelizare în operațiunile liniare, cum ar fi înmulțirile matrice-vector”, spune Feldmann.

Deși microprocesoarele electronice vor continua să servească drept coloană vertebrală a calculului în viitorul apropiat, sistemele fotonice ar putea începe să schimbe calculul și multe aspecte ale vieții. Pe măsură ce cercetătorii învață cum să integreze complet componentele electronice și fotonice în sisteme unice și să le împacheteze eficient, Markov vede un viitor strălucit pentru domeniu. În cele din urmă, „tehnologia va duce probabil la o varietate de procesoare fotonice specifice aplicației, care vor sprijini progresele continue în tehnologia digitală și creșterea calculului cuantic”.

Lectură suplimentară

Patterson, D., De Sousa, I. și Archard, L.

Viitorul ambalajului cu fotonica de siliciu. Chip Scale Review, ianuarie 2017, https://www.ibm.com/downloads/cas/M0NL8N85

Feldmann, J., Youngblood, N. Karpov, M., Gehring, H., Li, X., Stappers, M., Le Gallo, X., Fu, A., Lukashchuk, A., Raja, A.S., Liu , J., Wright, C.D., Sebastian, A., Kippenberg, T.J., Pernice, W.H.P. și Bhaskaran, H.

Procesare convoluțională paralelă folosind un miez tensor fotonic integrat. Nature, 589, pp.52–58 (2021), 23 februarie 2021.

Shastri, B.J., Tait, A.N. Ferreira de Lima, T., Pernice, H.P., Bhaskaran, H., Wright, C.D. și Prucnal, P.R.

Photonics for Artificial Intelligence and Neuromorphic Computing, Nature Photonics, 15, pp. 102–114 (2021), 29 ianuarie 2021.

Autor

Samuel Greengard este un autor și jurnalist cu sediul în West Linn, OR, SUA.

Cum reacţionează creierul la evenimente surprinzătoare

Când creierul tău are nevoie să fii atent la ceva important, o modalitate prin care poate face asta este să emită o explozie de noradrenalină, potrivit unui nou studiu MIT.

Acest neuromodulator, produs de o structură adâncă în creier numită locus coeruleus, poate avea efecte pe scară largă în tot creierul. Într-un studiu pe șoareci, echipa MIT a descoperit că un rol cheie al noradrenalinei, cunoscută și sub numele de norepinefrină, este de a ajuta creierul să învețe din rezultate surprinzătoare.

„Ceea ce arată această lucrare este că locus coeruleus codifică evenimente neașteptate, iar atenția acestor evenimente surprinzătoare este crucială pentru ca creierul să facă un bilanț al mediului său”, spune Mriganka Sur, profesor de neuroștiință Newton în Departamentul de creier și cognitiv al MIT. Sciences, membru al Institutului Picower pentru Învățare și Memorie al MIT și director al Centrului Simons pentru Creierul Social.

Pe lângă rolul său în semnalarea surprizei, cercetătorii au descoperit că noradrenalina ajută la stimularea comportamentului care duce la o recompensă, în special în situațiile în care există incertitudine cu privire la faptul dacă o recompensă va fi oferită.

Sur este autorul principal al noului studiu, care apare astăzi în Nature. Vincent Breton-Provencher, un fost post-doctorat MIT, care acum este profesor asistent la Universitatea Laval, și Gabrielle Drummond, studentă absolventă MIT, sunt autorii principali ai lucrării.

Comportament modulator

Noradrenalina este unul dintre câțiva neuromodulatori care influențează creierul, împreună cu dopamina, serotonina și acetilcolina. Spre deosebire de neurotransmițători, care permit comunicarea de la celulă la celulă, neuromodulatorii sunt eliberați pe zone mari ale creierului, permițându-le să exercite efecte mai generale.

„Se crede că substanțele neuromodulatoare perfuzează zone mari ale creierului și, prin urmare, modifică impulsul excitator sau inhibitor pe care neuronii îl primesc într-un mod mai punct-la-punct”, spune Sur. „Acest lucru sugerează că trebuie să aibă funcții foarte importante la nivelul creierului, care sunt importante pentru supraviețuire și pentru reglementarea stării creierului”.

În timp ce oamenii de știință au aflat multe despre rolul dopaminei în motivarea și urmărirea recompensei, se cunosc mai puține despre ceilalți neuromodulatori, inclusiv noradrenalina. A fost legată de excitare și de stimularea vigilenței, dar prea multă noradrenalină poate duce la anxietate.

Studiile anterioare ale locusului coeruleus, sursa primară de noradrenalina a creierului, au arătat că acesta primește input din multe părți ale creierului și, de asemenea, trimite semnale în departe și lat. În noul studiu, echipa MIT și-a propus să-și studieze rolul într-un anumit tip de învățare numit învățare prin consolidare sau învățare prin încercare și eroare.

Pentru acest studiu, cercetătorii au antrenat șoarecii să împingă o pârghie atunci când au auzit un ton de frecvență înaltă, dar nu și atunci când au auzit un ton de frecvență joasă. Când șoarecii au răspuns corect la sunetul de înaltă frecvență, au primit apă, dar dacă au împins maneta când au auzit un ton de joasă frecvență, au primit o pufătură neplăcută de aer.

De asemenea, șoarecii au învățat să împingă pârghia mai tare când sunetele erau mai puternice. Când volumul era mai mic, erau mai nesiguri dacă ar trebui să împingă sau nu. Și, atunci când cercetătorii au inhibat activitatea locului coeruleus, șoarecii au devenit mult mai ezitați să împingă pârghia atunci când au auzit tonuri de volum scăzut, sugerând că noradrenalina promovează riscul de a obține o recompensă în situații în care câștigul este incert.

„Animalul împinge pentru că vrea o recompensă, iar locus coeruleus oferă semnale critice pentru a spune, împinge acum, pentru că recompensa va veni”, spune Sur.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că neuronii care generează acest semnal de noradrenalină par să trimită cea mai mare parte a producției lor către cortexul motor, ceea ce oferă mai multe dovezi că acest semnal stimulează animalele să ia măsuri.

Semnalând surpriză

În timp ce acea explozie inițială de noradrenalină pare să stimuleze șoarecii să ia măsuri, cercetătorii au descoperit, de asemenea, că o a doua explozie are loc adesea după terminarea studiului. Când șoarecii au primit o recompensă așteptată, aceste explozii au fost mici. Cu toate acestea, când rezultatul procesului a fost o surpriză, exploziile au fost mult mai mari. De exemplu, când un șoarece a primit o pufătură de aer în loc de recompensa pe care o aștepta, locus coeruleus a trimis o explozie mare de noradrenalină.

În încercările ulterioare, acel mouse ar fi mult mai puțin probabil să împingă pârghia atunci când nu era sigur că va primi o recompensă. „Animalul își ajustează în mod constant comportamentul”, spune Sur. „Chiar dacă a învățat deja sarcina, își ajustează comportamentul în funcție de ceea ce tocmai a făcut.”

De asemenea, șoarecii au prezentat explozii de noradrenalină în timpul încercărilor când au primit o recompensă neașteptată. Aceste explozii par să răspândească noradrenalina în multe părți ale creierului, inclusiv în cortexul prefrontal, unde au loc planificarea și alte funcții cognitive superioare.

„Funcția de codificare surpriză a locusului coeruleus pare să fie mult mai răspândită în creier și asta poate avea sens, deoarece tot ceea ce facem este moderat prin surprindere”, spune Sur.

Cercetătorii intenționează acum să exploreze posibila sinergie dintre noradrenalina și alți neuromodulatori, în special dopamina, care răspunde și la recompense neașteptate. De asemenea, ei speră să afle mai multe despre modul în care cortexul prefrontal stochează memoria pe termen scurt a input-ului din locus coeruleus pentru a ajuta animalele să-și îmbunătățească performanța în studiile viitoare.

Cercetarea a fost finanțată parțial de Fondurile de Cercetare din Quebec, Consiliul de Cercetare în Științe Naturale și Inginerie din Canada, un NARSAD Young Investigator Award de la Brain and Behavior Research Foundation, National Institutes of Health, Simons Foundation Autism Research Initiative prin Simons. Centrul pentru creierul social, Fundația Națională pentru Științe Naturale din China și Inițiativa NIH BRAIN.

Foundation of China, and the NIH BRAIN Initiative.

---

Sursa povestirii:

Materiale furnizate de Massachusetts Institute of Technology. Original scris de Anne Trafton. Notă: conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.

Studiul examinează de ce amintirea fricii este înrădăcinată în creierul nostru

Să trăiești un eveniment înspăimântător este probabil ceva pe care nu-l vei uita niciodată. Dar de ce rămâne cu tine când alte tipuri de întâmplări devin din ce în ce mai greu de amintit odată cu trecerea timpului?

O echipă de neurologi de la Școala de Știință și Inginerie a Universității Tulane și Școala de Medicină a Universității Tufts au studiat formarea amintirilor de frică în centrul emoțional al creierului -- amigdala -- și cred că au un mecanism.

Pe scurt, cercetătorii au descoperit că neurotransmițătorul de stres norepinefrina, cunoscut și sub denumirea de noradrenalina, facilitează procesarea fricii în creier prin stimularea unei anumite populații de neuroni inhibitori din amigdală pentru a genera un model repetitiv de spargere de descărcări electrice. Acest tipar de izbucnire al activității electrice schimbă frecvența oscilației undelor cerebrale în amigdală de la o stare de repaus la o stare de trezire care promovează formarea amintirilor de frică.

Publicată recent în Nature Communications, cercetarea a fost condusă de profesorul de biologie celulară și moleculară Tulane Jeffrey Tasker, catedra Catherine și Hunter Pierson în Neuroscience și studentul său doctorat Xin Fu.

Tasker a folosit exemplul unui jaf armat. „Dacă ești ținut sub amenințarea armei, creierul tău secretă o grămadă de neurotransmițător de stres norepinefrină, asemănător cu o adrenalină”, a spus el.

„Acest lucru schimbă modelul de descărcare electrică în anumite circuite din creierul tău emoțional, centrat în amigdală, care, la rândul său, face tranziția creierului la o stare de excitare sporită care facilitează formarea memoriei, memoria fricii, deoarece este înfricoșător. Acesta este același proces, credem că asta merge prost în PTSD și face ca nu poți uita experiențele traumatizante.”

Această cercetare a fost condusă de laboratorul lui Tasker și a fost realizată în colaborare cu laboratorul Jonathan Fadok din Tulane și laboratorul Jamie Maguire din Tufts. Fadok este profesor asistent de psihologie, care deține Burk-Kleinpeter Inc. Profesorul în Știință și Inginerie la Tulane. Maguire este profesor asociat de neuroștiință la Tufts School of Medicine.

---

Sursa povestirii:

Materiale furnizate de Universitatea Tulane. Original scris de Barri Bronston. Notă: conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.

Este posibil ca marii rechini albi să fi contribuit la dispariția megalodonilor

 Dieta animalelor fosile dispărute poate conține indicii despre stilul lor de viață, comportament, evoluție și, în cele din urmă, dispariție. Cu toate acestea, studierea dietei unui animal după milioane de ani este dificilă din cauza păstrării proaste a indicatorilor dietetici chimici în materialul organic pe aceste intervale de timp. O echipă internațională de oameni de știință condusă de Institutul Max Planck pentru Antropologie Evoluționistă din Leipzig, Germania, a aplicat o nouă metodă pentru a investiga dieta celui mai mare rechin care a existat vreodată, emblematicul Otodus megalodon. Această nouă metodă investighează compoziția izotopilor de zinc a părții foarte mineralizate a dinților și se dovedește a fi deosebit de utilă pentru descifrarea dietei acestor animale dispărute.

Rechinii megatooth precum Otodus megalodon, mai cunoscut sub numele de megalodon, au trăit între 23 și 3,6 milioane de ani în urmă în oceanele de pe tot globul și au ajuns, probabil, până la 20 de metri lungime. Pentru comparație, cei mai mari rechini albi ating astăzi o lungime totală de doar șase metri. Mulți factori au fost discutați pentru a explica gigantismul și dispariția megalodonului, dieta și competiția dietetică a acestuia fiind adesea considerate factori cheie.

În acest studiu, cercetătorii au analizat raporturile izotopilor stabili de zinc în dinții de rechini moderni și fosili de pe tot globul, inclusiv dinții de megalodon și rechinii albi moderni și fosili. Această nouă metodă permite oamenilor de știință să investigheze nivelul trofic al unui animal, care indică cât de departe se hrănește un animal în lanțul trofic. Analiza izotopilor stabili de zinc a smaltului dentar, partea extrem de mineralizată a dinților, este comparabilă cu analiza izotopilor de azot mult mai consacrată a colagenului dentar, țesutul organic din dentina dentară, care este utilizat pentru a evalua gradul de consum de materie animală. Cu toate acestea, „pe intervalele de timp pe care le investigăm, colagenul nu este conservat și, prin urmare, analiza tradițională a izotopilor de azot nu este posibilă”, explică autorul principal Jeremy McCormack, cercetător la Institutul Max Planck pentru Antropologie Evolutivă și la Universitatea Goethe din Frankfurt. „Aici, demonstrăm, pentru prima dată, că semnăturile izotopilor de zinc legate de dietă sunt păstrate în coroana de smalț foarte mineralizată a dinților de rechin fosil”, adaugă Thomas Tütken, profesor la Institutul de Geoștiințe al Universității Johannes Gutenberg.

Comparația semnalelor izotopilor de zinc la rechinii fosili și moderni

Folosind această nouă metodă, echipa a comparat semnătura izotopului de zinc din dinte a mai multor specii dispărute din Miocenul timpuriu (cu 20,4 până la 16,0 milioane de ani) și din Pliocenul timpuriu (cu 5,3 până la 3,6 milioane de ani în urmă) cu cele ale rechinilor moderni. „Am observat o coerență a semnalelor izotopilor de zinc în taxonii fosili și analogi moderni, ceea ce ne sporește încrederea în metodă și sugerează că pot exista diferențe minime în valorile izotopilor de zinc la baza rețelelor trofice marine, un factor de confuzie pentru studiile izotopilor de azot. ”, explică Sora Kim, profesor de la Universitatea din California Merced.

Ulterior, cercetătorii au analizat raporturile izotopilor de zinc din dinții de megalodon din Pliocenul timpuriu și cei din rechinii megatooth anteriori, Otodus chubutensis, din Miocenul timpuriu, precum și din rechinii albi contemporani și moderni pentru a investiga impactul pe care l-au avut aceste specii emblematice asupra ecosistemelor trecute. si unul pe altul. „Rezultatele noastre arată că atât megalodonul, cât și strămoșul său au fost într-adevăr prădători de vârf, hrănindu-se sus în lanțurile trofice respective”, spune Michael Griffiths, profesor la Universitatea William Paterson. „Dar ceea ce a fost cu adevărat remarcabil este faptul că valorile izotopilor de zinc din dinții de rechin din Pliocenul timpuriu din Carolina de Nord sugerează suprapunerea nivelurilor trofice ale rechinilor albi timpurii cu megalodonul mult mai mare.”

Competiție alimentară a megalodonului cu marii rechini albi

„Aceste rezultate implică cel puțin o suprapunere în prada vânată de ambele specii de rechini”, notează Kenshu Shimada, profesor la Universitatea DePaul, Chicago. „În timp ce sunt necesare cercetări suplimentare, rezultatele noastre par să susțină posibilitatea competiției alimentare a megalodonilor cu rechinii albi din Pliocenul timpuriu”.

Noile metode izotopice, cum ar fi zincul, oferă o fereastră unică în trecut. „Cercetarea noastră ilustrează fezabilitatea utilizării izotopilor de zinc pentru a investiga dieta și ecologia trofică a animalelor dispărute de-a lungul a milioane de ani, o metodă care poate fi aplicată și altor grupuri de animale fosile, inclusiv propriilor noștri strămoși”, conchide McCormack.

---

Sursa povestirii:

Materiale furnizate de Institutul Max Planck pentru Antropologie Evolutivă. Notă: conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.

Explicația pentru formarea trăsăturilor abundente pe Europa este de bun augur pentru căutarea vieții extraterestre

Europa este un candidat principal pentru viață în sistemul nostru solar, iar oceanul său adânc sărat a captivat oamenii de știință de zeci de ani. Dar este înconjurat de o coajă de gheață care ar putea avea o grosime de mile până la zeci de mile, ceea ce face ca eșantionarea să fie o perspectivă descurajantă. Acum, dovezile din ce în ce mai mari dezvăluie că învelișul de gheață poate fi mai puțin o barieră și mai mult un sistem dinamic - și un loc de posibilă locuință în sine.

Observațiile radar care au pătruns gheața care au surprins formarea unei trăsături de „crestă dublă” în Groenlanda sugerează că învelișul de gheață din Europa poate avea o abundență de pungi de apă sub caracteristici similare care sunt comune la suprafață. Descoperirile, care apar în Nature Communications din 19 aprilie, ar putea fi convingătoare pentru detectarea unor medii potențial locuibile din exteriorul lunii Joviane.

„Deoarece este mai aproape de suprafață, de unde obțineți substanțe chimice interesante din spațiu, din alte luni și din vulcanii din Io, există posibilitatea ca viața să aibă o șansă dacă există buzunare de apă în coajă”, a spus autorul principal al studiului, Dustin Schroeder. profesor asociat de geofizică la Școala de Științe Pământului, Energiei și Mediului de la Universitatea Stanford (Stanford Earth). „Dacă mecanismul pe care îl vedem în Groenlanda este modul în care se întâmplă aceste lucruri în Europa, sugerează că este apă peste tot”.

Un analog terestru

Pe Pământ, cercetătorii analizează regiunile polare folosind instrumente geofizice aeropurtate pentru a înțelege modul în care creșterea și retragerea calotelor de gheață ar putea afecta creșterea nivelului mării. O mare parte din acea zonă de studiu are loc pe uscat, unde fluxul de gheață este supus unei hidrologie complexe - cum ar fi lacurile subglaciare dinamice, iazurile de topire de suprafață și conductele de drenaj sezonier - care contribuie la incertitudinea în predicțiile privind nivelul mării.

Deoarece o suprafață terestră este atât de diferită de oceanul subteran de apă lichidă al Europei, coautorii studiului au fost surprinși când, în timpul unei prezentări de grup de laborator despre Europa, au observat că formațiunile care strigă luna înghețată arătau extrem de asemănătoare cu o caracteristică minoră. pe suprafața calotei de gheață Groenlandei -- o calotă de gheață pe care grupul a studiat-o în detaliu.

„Lucram la ceva total diferit legat de schimbările climatice și impactul acestora asupra suprafeței Groenlandei când am văzut aceste mici creste duble – și am putut vedea crestele trecând de la „neformat” la „format”?” spuse Schroeder.

După o examinare suplimentară, ei au descoperit că creasta în formă de „M” din Groenlanda, cunoscută sub numele de creastă dublă, ar putea fi o versiune în miniatură a celei mai proeminente caracteristici de pe Europa.

Proeminent și răspândit

Crestele duble de pe Europa apar ca tăieturi dramatice pe suprafața înghețată a lunii, cu creste atingând aproape 1000 de picioare, separate de văi lățime de aproximativ o jumătate de milă. Oamenii de știință au știut despre trăsături de când suprafața Lunii a fost fotografiată de nava spațială Galileo în anii 1990, dar nu au reușit să conceapă o explicație definitivă a modului în care s-au format.

Prin analize ale datelor de suprafață și ale radarului de penetrare a gheții colectate din 2015 până în 2017 de Operațiunea IceBridge a NASA, cercetătorii au dezvăluit cum a fost produsă creasta dublă din nord-vestul Groenlandei când gheața s-a fracturat în jurul unui buzunar de apă lichidă sub presiune care îngheța în interiorul calota de gheață, făcând ca două vârfuri să se ridice într-o formă distinctă.

„În Groenlanda, această creastă dublă s-a format într-un loc în care apa din lacurile și pâraiele de suprafață se scurge frecvent în apropierea suprafeței și reîngheață”, a spus autorul principal al studiului Riley Culberg, doctorand în inginerie electrică la Stanford. „O modalitate prin care s-ar putea forma buzunare de apă puțin adânci similare pe Europa ar putea fi prin intermediul apei din oceanul subteran care este forțată în învelișul de gheață prin fracturi - și asta ar sugera că ar putea avea loc o cantitate rezonabilă de schimb în interiorul învelișului de gheață. "

Complexitate bulgăre de zăpadă

În loc să se comporte ca un bloc de gheață inertă, învelișul Europei pare să sufere o varietate de procese geologice și hidrologice -- o idee susținută de acest studiu și de altele, inclusiv dovezi ale penelor de apă care erup la suprafață. O înveliș dinamică de gheață susține locuibilitatea, deoarece facilitează schimbul dintre oceanul subteran și nutrienții din corpurile cerești învecinate acumulate la suprafață.

„Oamenii studiază aceste creste duble de peste 20 de ani, dar aceasta este prima dată când am putut să vedem ceva similar pe Pământ și să vedem natura făcându-și magia”, a spus coautorul studiului Gregor Steinbrügge, un om de știință planetar. la Jet Propulsion Laboratory (JPL) al NASA, care a început să lucreze la proiect ca cercetător postdoctoral la Stanford. „Facem un pas mult mai mare în direcția înțelegerii ce procese domină de fapt fizica și dinamica învelișului de gheață al Europei”.

Co-autorii au spus că explicația lor pentru modul în care se formează crestele duble este atât de complexă, încât nu ar fi putut-o concepe fără analogul de pe Pământ.

„Mecanismul pe care l-am prezentat în această lucrare ar fi fost aproape prea îndrăzneț și complicat pentru a fi propus fără a se vedea că se întâmplă în Groenlanda”, a spus Schroeder.

Descoperirile echipează cercetătorii cu o semnătură radar pentru detectarea rapidă a acestui proces de formare a crestei duble folosind radarul care pătrunde gheața, care se numără printre instrumentele planificate în prezent pentru explorarea Europei din spațiu.

„Suntem o altă ipoteză pe lângă multe – avem doar avantajul că ipoteza noastră are câteva observații de la formarea unei caracteristici similare pe Pământ pentru a o susține”, a spus Culberg. „Se deschide toate aceste noi posibilități pentru o descoperire foarte interesantă”.

Schroeder este, de asemenea, afiliat la Institutul de Inteligență Artificială Centrată pe Om (HAI), profesor asociat, din curtoazie, de inginerie electrică și membru de centru, prin curtoazie, la Institutul Stanford Woods pentru Mediu.

Această cercetare a fost susținută de o bursă de absolvent în știință și inginerie a apărării naționale și, parțial, de grantul NASA NNX16AJ95G și grantul NSF 1745137.

Video: https://youtu.be/8YOmER50epo

---

Sursa povestirii:

Materiale furnizate de Universitatea Stanford. Original scris de Danielle Torrent Tucker. Notă: conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.

O nouă metodă de comutare complet optică face sistemele optice de calcul și comunicații mai eficiente din punct de vedere energetic

Cercetătorii în fotonică au introdus o nouă metodă de a controla un fascicul de lumină cu un alt fascicul printr-o metasuprafață plasmonică unică într-un mediu liniar la putere ultra-scăzută. Această metodă simplă de comutare liniară face ca dispozitivele nanofotonice, cum ar fi sistemele de calcul optice și de comunicații, să fie mai durabile, necesitând o intensitate scăzută a luminii.

Comutarea totală optică este modularea luminii de semnal datorită luminii de control, astfel încât să posede funcția de conversie ON/OFF. În general, un fascicul de lumină poate fi modulat cu un alt fascicul laser intens în prezența unui mediu neliniar.

Metoda de comutare dezvoltată de cercetători se bazează în mod fundamental pe fenomenul optic cuantic cunoscut sub numele de Enhancementof Index of Refraction (EIR).

„Lucrarea noastră este prima demonstrație experimentală a acestui efect asupra sistemului optic și a utilizării acestuia pentru comutarea liniară integrală. utilizând orice mediu de câștig sau procese neliniare”, spune Humeyra Caglayan, profesor asociat (întreprindere) în Fotonică la Universitatea Tampere.

Comutare optică activată cu viteză ultrarapidă

Comutarea de mare viteză și mediul cu pierderi reduse pentru a evita disiparea puternică a semnalului în timpul propagării sunt baza pentru dezvoltarea tehnologiei fotonice integrate în care fotonii sunt utilizați ca purtători de informații în loc de electroni. Pentru a realiza rețele de comutare ultrarapide integrale pe cip și unități centrale de procesare fotonice, comutarea integrală optică trebuie să aibă un timp de comutare ultrarapid, o putere de control de prag ultrascăzută, o eficiență de comutare ultraînaltă și dimensiunea caracteristicilor la scară nanometrică.

„Comutarea între valorile semnalului 0 și 1 este fundamentală în toate dispozitivele electronice digitale, inclusiv computerele și sistemele de comunicații. În ultimele decenii, aceste elemente electronice au devenit treptat mai mici și mai rapide. De exemplu, calculele obișnuite făcute cu computerele noastre la comandă. de secunde nu s-ar putea face cu computerele vechi de dimensiunea unei camere nici în câteva zile!" remarcă Caglayan.

În electronica convențională, comutarea se bazează pe controlul fluxului de electroni pe scara de timp a intervalului de microsecunde (10-6 sec) sau nanosecunde (10-9 sec) prin conectarea sau deconectarea tensiunii electrice.

„Cu toate acestea, viteza de comutare poate fi crescută la o scară de timp ultrarapidă (femtosecundă 10-15 sec) prin înlocuirea electronilor cu plasmoni. Plasmonii sunt o combinație de fotoni și o colecție de electroni pe suprafața metalelor. Acest lucru permite comutarea optică cu dispozitivul nostru cu viteze femtosecunde (10-15 sec)”, afirmă ea.

"Nano-switch-ul nostru plasmonic constă dintr-o combinație în formă de L de nanorod-uri metalice. Unul dintre nanorods primește un semnal polarizat liniar, iar celălalt primește un alt fascicul de "control" polarizat liniar perpendicular pe primul fascicul", spune cercetătorul postdoctoral Rakesh Dhama. , primul autor al articolului.

Polarizarea înseamnă direcția în care oscilează câmpul electric al fasciculului. Fasciculul de control poate atenua sau amplifica semnalul în funcție de diferența de fază dintre fascicule. Diferența de fază se referă la diferența de timp când fiecare fascicul atinge intensitatea maximă. Amplificarea semnalului are loc datorită transferului unei anumite energii optice de la fasciculul de control la semnal printr-o suprapunere constructivă cu o diferență de fază atent proiectată.

Îmbunătățirea performanței dispozitivelor plasmonice

În mod similar, atenuarea semnalului se realizează prin suprapunere distructivă atunci când fasciculele au diferența de fază opusă. Această descoperire face ca dispozitivele nanofotonice, cum ar fi sistemele de calcul optice și de comunicații, să fie mai durabile, necesitând o intensitate scăzută a luminii. Această metodă simplă de comutare liniară le poate înlocui pe cele actuale de procesare optică, de calcul sau de comunicare prin accelerarea dezvoltării și realizării sistemelor plasmonice la scară nanometrică.

„Ne așteptăm să vedem în viitor studii suplimentare ale structurilor plasmonice care utilizează metoda noastră de comutare îmbunătățită și, eventual, utilizarea metodei noastre în circuitele plasmonice. impulsuri laser femtosecunde și pentru a investiga îmbunătățirea neliniară și controlul nanoparticulelor plasmonice”, notează Humeyra Caglayan.

Controlul răspunsului neliniar al nanostructurilor oferă aplicații și funcționalități și mai interesante dispozitivelor nanofotonice, cum ar fi sistemele de calcul și comunicații optice.

„Această abordare are, de asemenea, potențialul de a îmbunătăți performanța dispozitivelor plasmonice prin crearea de transparență în bandă largă pentru un fascicul de semnal fără niciun mediu de câștig. Poate deschide mai multe moduri de a proiecta elemente fotonice inteligente pentru fotonica integrată”, subliniază ea.

Cercetarea a primit finanțare de la Cercetarea Europeană H2020

---

Sursa povestirii:

Materiale oferite de Universitatea Tampere. Notă: conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.

Oamenii de știință cresc plante în sol de pe Lună

Oamenii de știință au cultivat plante în sol de pe Lună, o premieră în istoria umanității și o piatră de hotar în explorarea lunară și a spațiului.

Într-o nouă lucrare publicată în revista Communications Biology, cercetătorii de la Universitatea din Florida au arătat că plantele pot încolți și crește cu succes în solul lunar. Studiul lor a investigat, de asemenea, modul în care plantele răspund biologic la solul Lunii, cunoscut și sub numele de regolit lunar, care este radical diferit de solul găsit pe Pământ.

Această lucrare este un prim pas către creșterea unei zile de plante pentru hrană și oxigen pe Lună sau în timpul misiunilor spațiale. Mai imediat, această cercetare vine în timp ce Programul Artemis plănuiește să returneze oamenii pe Lună.

„Artemis va necesita o mai bună înțelegere a modului de cultivare a plantelor în spațiu”, a spus Rob Ferl, unul dintre autorii studiului și profesor distins de științe horticole la Institutul UF de Științe Alimentare și Agricole (UF/IFAS).

Chiar și în primele zile ale explorării lunare, plantele au jucat un rol important, a spus Anna-Lisa Paul, de asemenea unul dintre autorii studiului și profesor de cercetare în științe horticole în UF/IFAS.

„Plantele au ajutat la stabilirea faptului că mostrele de sol aduse de pe Lună nu găzduiau agenți patogeni sau alte componente necunoscute care ar dăuna vieții terestre, dar acele plante au fost doar împroșcate cu regolitul lunar și nu au fost niciodată cultivate în el”, a spus Paul.

Paul și Ferl sunt experți recunoscuți internațional în studiul plantelor în spațiu. Prin intermediul UF Space Plants Lab, au trimis experimente pe navete spațiale, către Stația Spațială Internațională și pe zboruri suborbitale.

„Pentru misiuni spațiale viitoare, mai lungi, putem folosi Luna ca hub sau rampă de lansare. Este logic să dorim să folosim solul care este deja acolo pentru a crește plante”, a spus Ferl. "Așadar, ce se întâmplă când crești plante în sol lunar, ceva care este total în afara experienței evolutive a unei plante? Ce ar face plantele într-o seră lunară? Am putea avea fermieri lunari?"

Pentru a începe să răspundă la aceste întrebări, Ferl și Paul au conceput un experiment înșelător de simplu: plantați semințe în solul lunar, adăugați apă, nutrienți și lumină și înregistrați rezultatele.

Complicația: oamenii de știință au avut doar 12 grame -- doar câteva lingurițe -- de sol lunar cu care să facă acest experiment. Împrumutat de la NASA, acest sol a fost colectat în timpul misiunilor Apollo 11, 12 și 17 pe Lună. Paul și Ferl au aplicat de trei ori pe parcursul a 11 ani pentru o șansă de a lucra cu regolitul lunar.

Cantitatea mică de sol, ca să nu mai vorbim de semnificația sa istorică și științifică incalculabilă, a însemnat că Paul și Ferl au trebuit să proiecteze un experiment la scară mică, atent coregrafiat. Pentru a-și crește grădina lunară minusculă, cercetătorii au folosit puțuri de mărimea unui degetar în plăci de plastic folosite în mod normal pentru cultivarea celulelor. Fiecare fântână funcționa ca o oală. Odată ce au umplut fiecare „ghiveci” cu aproximativ un gram de pământ lunar, oamenii de știință au umezit solul cu o soluție nutritivă și au adăugat câteva semințe din planta Arabidopsis.

Arabidopsis este utilizat pe scară largă în știința plantelor, deoarece codul său genetic a fost complet mapat. Creșterea Arabidopsis în solul lunar a permis cercetătorilor să cunoască mai mult modul în care solul a afectat plantele, până la nivelul expresiei genelor.

Ca puncte de comparație, cercetătorii au plantat și Arabidopsis în JSC-1A, o substanță terestră care imită solul lunar real, precum și soluri marțiane simulate și soluri terestre din medii extreme. Plantele crescute în aceste soluri non-lunare au fost grupul de control al experimentului.

Înainte de experiment, cercetătorii nu erau siguri dacă semințele plantate în solurile lunare vor încolți. Dar aproape toți au făcut-o.

"Am fost uimiți. Nu am prezis asta", a spus Paul. „Asta ne-a spus că solurile lunare nu au întrerupt hormonii și semnalele implicate în germinarea plantelor”.

Cu toate acestea, pe măsură ce timpul a trecut, cercetătorii au observat diferențe între plantele cultivate în solul lunar și grupul de control. De exemplu, unele dintre plantele cultivate în solurile lunare au fost mai mici, au crescut mai încet sau au avut dimensiuni mai variate decât omologii lor.

Acestea au fost toate semne fizice că plantele lucrează pentru a face față structurii chimice și structurale a solului Lunii, a explicat Paul. Acest lucru a fost confirmat în continuare atunci când cercetătorii au analizat modelele de expresie genetică ale plantelor.

„La nivel genetic, plantele scoteau instrumentele folosite în mod obișnuit pentru a face față factorilor de stres, cum ar fi sarea și metalele sau stresul oxidativ, astfel încât să putem deduce că plantele percep mediul solului lunar ca fiind stresant”, a spus Paul. „În cele din urmă, am dori să folosim datele despre expresia genelor pentru a ajuta la abordarea modului în care putem ameliora răspunsurile la stres la nivelul în care plantele -- în special culturile -- sunt capabile să crească în solul lunar, cu un impact foarte mic asupra sănătății lor.

Modul în care plantele răspund la solul lunar poate fi legat de locul în care a fost colectat solul, au spus Ferl și Paul, care au colaborat la studiu cu Stephen Elardo.

---

Sursa povestirii:

Materiale furnizate de Universitatea din Florida. Original scris de Samantha Murray. Notă: conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.

Este posibil ca astronomii să fi detectat o gaură neagră „întunecată” care plutește liber

Găurile negre, prin natura lor, sunt invizibile, cu excepția cazului în care fac parte dintr-un sistem binar stelar sau nu sunt înconjurate de un disc de acreție. Cele mai multe găuri negre de dimensiuni stelare nu sunt, dar astronomii le-au căutat prin intermediul evenimentelor de microlensing gravitațional, în care gaura neagră luminează și distorsionează lumina de la stele către centrul galactic. Este posibil ca o echipă condusă de UC Berkeley să fi găsit prima gaură neagră care plutește liber, deși sunt necesare mai multe date pentru a exclude o stea neutronică.

Dacă, după cum cred astronomii, moartea stelelor mari lasă în urmă găuri negre, ar trebui să existe sute de milioane dintre ele împrăștiate în toată galaxia Calea Lactee. Problema este că găurile negre izolate sunt invizibile.

Acum, o echipă condusă de Universitatea din California, Berkeley, astronomii au descoperit pentru prima dată ceea ce ar putea fi o gaură neagră care plutește liber, observând strălucirea unei stele mai îndepărtate, deoarece lumina sa a fost distorsionată de câmpul gravitațional puternic al obiectului -- așa-numita microlensare gravitațională.

Echipa, condusă de studentul absolvent Casey Lam și Jessica Lu, profesor asociat de astronomie UC Berkeley, estimează că masa obiectului compact invizibil este între 1,6 și 4,4 ori mai mare decât cea a soarelui. Deoarece astronomii cred că rămășița rămasă dintr-o stele moartă trebuie să fie mai grea decât 2,2 mase solare pentru a se prăbuși într-o gaură neagră, cercetătorii de la UC Berkeley avertizează că obiectul ar putea fi o stea neutronă în loc de o gaură neagră. Stelele neutronice sunt, de asemenea, obiecte dense, foarte compacte, dar gravitația lor este echilibrată de presiunea internă a neutronilor, ceea ce previne prăbușirea în continuare într-o gaură neagră.

Fie că este o gaură neagră sau o stea neutronică, obiectul este prima rămășiță stelară întunecată -- o „fantomă” stelară -- descoperită rătăcind prin galaxie neîmperecheată cu o altă stea.

„Aceasta este prima gaură neagră sau stea neutronică care plutește liber descoperită cu microlensing gravitațional”, a spus Lu. „Cu microlensing, suntem capabili să sondam aceste obiecte singuratice, compacte și să le cântărim. Cred că am deschis o nouă fereastră asupra acestor obiecte întunecate, care nu pot fi văzute în alt mod”.

Determinarea câte dintre aceste obiecte compacte populează galaxia Calea Lactee îi va ajuta pe astronomi să înțeleagă evoluția stelelor -- în special, modul în care acestea mor -- și a galaxiei noastre și poate dezvălui dacă vreuna dintre găurile negre nevăzute sunt găuri negre primordiale, despre care unii cosmologi cred că au fost produse în cantități mari în timpul Big Bang-ului.

Analiza lui Lam, Lu și a echipei lor internaționale a fost acceptată pentru publicare în The Astrophysical Journal Letters. Analiza include alte patru evenimente de microlensing despre care echipa a concluzionat că nu au fost cauzate de o gaură neagră, deși două au fost probabil cauzate de o pitică albă sau de o stea neutronică. Echipa a concluzionat, de asemenea, că populația probabilă de găuri negre din galaxie este de 200 de milioane -- cam ceea ce au prezis majoritatea teoreticienilor.

Aceleași date, concluzii diferite

În special, o echipă concurentă de la Institutul de Știință al Telescopului Spațial (STScI) din Baltimore a analizat același eveniment de microlensare și susține că masa obiectului compact este mai aproape de 7,1 mase solare și indiscutabil o gaură neagră. O lucrare care descrie analiza de către echipa STScI, condusă de Kailash Sahu, a fost acceptată pentru publicare în The Astrophysical Journal.

Ambele echipe au folosit aceleași date: măsurători fotometrice ale strălucirii stelei îndepărtate pe măsură ce lumina ei a fost distorsionată sau „obținută” de obiectul super-compact și măsurători astrometrice ale deplasării locației stelei îndepărtate pe cer ca urmare a gravitației. distorsiuni de către obiectul lentilei. Datele fotometrice au provenit din două studii cu microlensing: experimentul Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), care folosește un telescop de 1,3 metri în Chile, operat de Universitatea din Varșovia, și experimentul Microlensing Observations in Astrophysics (MOA), care este montat pe un 1,8- telescop metru din Noua Zeelandă operat de Universitatea Osaka. Datele astrometrice au venit de la telescopul spațial Hubble al NASA. STScI gestionează programul științific pentru telescop și își conduce operațiunile științifice.

Deoarece ambele sondaje cu microlensing au surprins același obiect, acesta are două denumiri: MOA-2011-BLG-191 și OGLE-2011-BLG-0462, sau OB110462, pe scurt.

În timp ce sondaje ca acestea descoperă aproximativ 2.000 de stele luminoase prin microlensare în fiecare an în galaxia Calea Lactee, adăugarea de date astrometrice este ceea ce le-a permis celor două echipe să determine masa obiectului compact și distanța acestuia față de Pământ. Echipa condusă de UC Berkeley a estimat că se află între 2.280 și 6.260 de ani lumină (700-1920 parsecs) distanță, în direcția centrului Galaxiei Calea Lactee și în apropierea umflăturii mari care înconjoară gaura neagră masivă centrală a galaxiei.

Grupul STScI a estimat că se află la aproximativ 5.153 de ani lumină (1.580 parsecs) distanță.

Caut un ac într-un car de fân

Lu și Lam s-au interesat pentru prima dată de obiect în 2020, după ce echipa STScI a concluzionat provizoriu că cinci evenimente de microlensing observate de Hubble -- toate w

---

Sursa povestirii:

Materiale furnizate de Universitatea din California - Berkeley. Original scris de Robert Sanders. Notă: conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.