年终盘点丨2020年十大科学发现

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2020年，是风云变幻的一年，这一年发生的大事件太多太多，新冠疫情只是其中最引人注目的一个。2020年的学术环境是艰苦的，学术会议陆续取消，实验室被迫关停，各大高校延迟开学……然而科学家们的脚步从未停止……

01

在地核附近发现了意想不到的大面积结构

图片来源：马里兰大学

马里兰大学的地球物理学家分析了成千上万条地震波和通过地球传播的声波的记录，以识别来自地球熔融核和其上方固体幔层之间边界的回波。回波显示出比以前已知的更广泛的异质结构，即在地幔边界处异常密集的热岩石区域。

图片来源：马里兰大学

研究人员使用一种称为Sequencer的机器学习算法，分析了1990年至2018年太平洋海盆周围发生的数百次6.5级及以上地震的7,000张地震图。地震在这里被看作是黄色的星星，它们通过地球发出声波。地震图在这里被看作是蓝色三角形，记录了这些波沿着岩心幔边界传播，在致密的岩石结构周围发生衍射和弯曲的回波。马里兰大学的最新研究提供了这些结构的第一个广阔视野，揭示了它们比以前已知的更为广泛。
论文原文：
https://science.sciencemag.org/content/368/6496/1223

02
首次在太空中观察到“物质的第五态”

当某些元素的原子冷却至接近绝对零度时，就形成了玻色-爱因斯坦凝聚物（BEC），阿尔伯特·爱因斯坦和印度数学家萨蒂扬德拉·纳特·玻色（Sathendra Nath Bose）曾预测这种物质的存在。但是BEC非常脆弱。外界环境最轻微的扰动就足以使他们超过凝结阈值。这使得科学家们几乎不可能在地球上进行研究，因为地球上的重力会干扰将其固定在观察位置所需的磁场。
在国际空间站上，BEC持续了超过一秒钟，为团队提供了前所未有的机会来研究其属性。微重力还使原子可以通过较弱的磁场进行操纵，从而加快其冷却速度并实现更清晰的成像。
论文原文：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2346-1

03

冰河时代到底有几度？

20000年前的最后一次冰河最高峰—末次冰期最大值（LGM）是一个寒冷的时期，当时巨大的冰川覆盖了北美，欧洲和南美以及亚洲许多地区的约一半，而适应寒冷的动植物也蓬勃发展。在冰河时代没有温度计，研究团队开发了将从海洋浮游生物化石中收集的数据转换为海面温度的模型。之后他们使用称为数据同化的技术将化石数据与LGM的气候模型模拟结合起来，将最后一个冰河时代的温度确定在7.8摄氏度。
知道冰河时代的温度很重要，因为它可以用于推算全球大气碳的变化。研究团队发现，每增加一倍的大气碳，全球温度应增加3.4℃，这是最新一代气候模型预测的范围的中间值（1.8至5.6 ℃）。在冰河时期，大气中的二氧化碳含量约为百万分之180，这非常低。在工业革命之前，该水平已升至约百万分之280，如今已达到百万分之415。
论文原文：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2617-x

04

第一张带两颗行星的年轻恒星照片

图片来源：欧洲南方天文台

欧洲南方天文台的超大望远镜（ESO的VLT）拍摄了有史以来第一张像太阳一样年轻的恒星并伴有两颗巨大系外行星的图像。具有多个系外行星的系统的图像极为罕见，而且直到现在，天文学家从未直接观察到超过一个行星绕着类似于太阳的恒星运行的行星。这些发现可以帮助天文学家了解行星是如何围绕我们自身的太阳形成和演化的。

这颗恒星距离我们大约300光年，被称为TYC 8998-760-1，很年轻，只有大约1700万岁。这个小星系与太阳系非常相似的，但是它正处于其演化的更早阶段。未来使用更先进的设备，有可能探测到这颗恒星周围的低质量行星，这标志着理解多行星系统的重要里程碑。

论文原文：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aba27e

05

澳大利亚化石中发现了所有动物的祖先

艺术家想象图。图片来源：Sohail Wasif / UCR

由加州大学河滨分校的地质学家领导的团队发现了地球生物家谱中的第一个祖先，这个家谱包含了当今包括人类在内的大多数动物。这种微小的蠕虫状生物，称为Ikaria wariootia，是最早的双侧生物，即具有正面和背面，两个对称侧面以及两端通过肠胃相连的开口的生物。双边对称性的发展是动物生命进化的关键步骤，使有机体能够有目的地移动，并且是一种常见但成功的组织身体的方式。

古生物学家曾经预测有类似的生物存在，但是这种生物想要留下化石非常困难，之前多年的寻找都没有结果。

论文原文：

https://www.pnas.org/content/117/14/7845

06

快速射电暴来源首次确定

磁星艺术想象图

快速射电暴（FRB）是来自遥远星系的短而强的无线电波闪烁，持续时间大致在毫秒级，以X射线及其他无线电波形式爆发。快速射电暴首次发现于2007年，它们的短命特性使得探测它们和确定它们在天空中的位置变得具有挑战性。

SGR 1935 + 2154位于Vulpecula星座中，距离地球约30000光年，是已知具有瞬态无线电脉冲的银河磁星，被确认是这次快速射电暴的起源。这是人类首次确定一个快速射电暴的起源，也是首次在银河系内观测到快速射电暴。这是第一个探测到无线电波以外的辐射的快速射电暴，且是第一个在银河系中被发现的，同时也是第一个与被称为磁星的恒星残留物有关的快速射电暴，这证明了磁星可以是快速射电暴的起源。

07

陨石块含有意料之外的太阳前颗粒

1969年2月坠落在墨西哥北部的阿连德陨石

图片来自The Planetary Society

太阳前颗粒是太阳诞生前形成的微小的固态星际物质，有时会在原始陨石中发现。“好奇的玛丽”是一个著名的“包裹体“，是陨石中的一个块体，称为富钙铝包裹体（CAI）。这块陨石来自芝加哥野外博物馆的罗伯特·普利茨克陨石和极地研究中心的收藏品，它的名字是为了纪念化学家玛丽·居里。在这项新的研究中，研究团队使用惰性气体同位素特征来表明，在好奇玛丽中存在着前太阳碳化硅（SiC）颗粒。这一点很重要，因为人们普遍认为太阳前的粒子过于脆弱，无法承受太阳诞生时的高温环境。碳化硅存在于难熔包裹体中，这一发现有助于研究第一批固体物质凝结时太阳星云的环境。

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41550-019-1000-z

08

用电场控制原子核

艺术家对纳米级电极如何用于局部控制硅芯片内单个原子核的量子状态的印象，图源：UNSW/Tony Melov

诺贝尔奖得主尼古拉·布隆伯根在1961年首次提出一种想法：只用电场控制单个原子的原子核。几十年过去了，这种方法一直未能实现。悉尼新南威尔士大学的研究团队却无意中做到了。
研究人员最初打算对锑的单个原子进行核磁共振，锑是一种具有大的核自旋的元素。最初的目标是探索量子世界和经典世界之间的边界，这是由核自旋的混沌行为所设定的。这纯粹是一个好奇心驱动的项目，没有考虑实际应用。”很快研究人员意识到实验出了问题：原子核的行为非常奇怪，在某些频率下没有反应，但在其他频率下却表现出强烈的反应。经过一段时间困惑和思考，他们意识到实验是在做电共振而不是磁共振。在证明了用电场控制原子核的能力之后，研究人员利用复杂的计算机模型来了解电场究竟如何影响原子核的自旋。这项研究强调了核能电共振是一种真正的局部微观现象：电场扭曲了原子核周围的原子键，使原子核重新定向。
新南威尔士大学量子工程科学教授Andrea Morello说：“这一发现意味着我们现在有了一条利用单原子自旋构建量子计算机的途径，而不需要任何振荡磁场来运行。”此外，我们可以用这些原子核作为精密的电场和磁场传感器，或者回答量子科学中的基本问题。”
核自旋可以用电场而不是磁场来控制，这将产生深远的影响。产生磁场需要大线圈和大电流，而由于物理定律的限制，很难将磁场限制在非常小的空间内，因为磁场往往具有较大的影响范围。另一方面，电场可以在一个小电极的尖端产生，并且在远离电极尖端的地方急剧下降。这将使控制放置在纳米电子设备中的单个原子变得更加容易。
论文原文：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2057-7

09

蠕虫数量在过去40年中增长了283倍

Anisakis蠕虫的生命周期。图片来源：Wood，2020年全球变化生物学

蠕虫在海洋哺乳动物的肠道中繁殖，并通过它们的粪便释放到海洋中。蠕虫在水中孵化后，首先会感染磷虾等小的甲壳类动物。当小鱼吃了被感染的甲壳类动物时，蠕虫便转移到它们的体内，随着大鱼吃到被感染的小鱼，这种蠕虫继续存在。当人类和海洋哺乳动物食用含有蠕虫的鱼时，它们可能被感染。
成千上万的论文在特定的地方和特定的时间观察了这种寄生蠕虫（称为Anisakis或“鲱鱼蠕虫”）的数量。而华盛顿大学的研究团队综合了这些研究成果，发现蠕虫的丰度在最近几十年急剧增加，这种蠕虫可以传播给食用生的或未煮熟的海鲜的人类，典型的食物如寿司或者刺身。自1970年代以来，其丰度增加了283倍，这可能对人类和海洋哺乳动物的健康产生影响，因为它们都可能无意中吃到了这种蠕虫。
论文原文：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcb.15048

10

引力波信号显示了两个黑洞的合并

艺术家对于两个黑洞即将碰撞的想象

插图来自OZGRAV的MARK MYERS很久很久很久以前，在遥远的宇宙深处，两个黑洞互相环绕、靠近并最终融合在了一起，这个事件爆发出了难以想象的巨大能量，这股强大的引力波唤起的涟漪最终在2019年5月21日到达地球上的三个巨型探测器：两个是美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和欧洲的意大利处女座探测器（Virgo）。一年多后，关于此次事件的初步研究结果终于出炉。
研究人员将这个持续了0.1秒的信号命名为GW190521，它来自于70亿光年之外，合并的两个黑洞的质量分别是太阳的66倍和85倍，它们相互旋转成螺旋状，共同形成了一个黑洞，其质量是太阳的142倍，而这种中等质量的黑洞是首次在宇宙中被发现。
研究人员使用了4种不同算法来确定黑洞合并的质量、以及释放出多少能量，计算结果表明，在这个“66+85=142”的宇宙级“滚雪球”游戏中，有大约8倍太阳质量的物质全部转化为了能量，以引力波的形式向全宇宙宣示自己的存在。加州理工学院的天文学家马修·格雷厄姆（Matthew Graham）认为该事件“可能是我们在宇宙中已知的最大爆炸”。
这个发现具有两个里程碑式的意义：第一，天文学家第一次收集到了清晰的中等质量黑洞引力波数据；第二，发现了质量介于“灰色地带”的黑洞。

论文原文：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.101102

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