黑洞裏面有什麼？潛入黑洞“勢力範圍” | 一週科技速覽_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2019-08-11 16:30
編輯 | 陳航
編譯 | 陳航
光子學
Photonics
從散射光中重建彩色圖像
Single-shot multispectral imaging through a thin scatterer
人類用眼觀察世界，人類認識世界的過程，有80%是通過視覺系統完成的，“見微知著”是人們不懈的追求。在觀察更遠、更小、更快事物的過程中，人類技術發展衍生出了各種各樣的成像系統，光學成像系統就是其一。時至今日，光學成像技術一直在快速的發展當中。然而，一些最基本的問題仍亟待解決，其中之一便是散射問題。
霧裏看花，水中望月，光的散射是如此常見，它影響着人們對事物的觀察。現如今，人們越來越受到散射所帶來問題的困擾。小到長期霧霾天氣造成的交通危害，大到陸基天文望遠鏡受到大氣湍流的影響而造成成像畸變分辨率下降，散射使得傳統的成像方法所獲圖像質量下降甚至無法獲得圖像。然而，光經過散射作用之後，入射光所攜帶的信息並沒有丟失。它們只是在散射過程中進行了重新組合。人們相信，能夠利用某種方法從散射光中重組並恢復出原有的信息。
近期，杜克大學開發出一種新方法，可以從經過大部分不透明的材料所產生的散射光中提取彩色圖像，該成果已發表在光學頂級期刊Optica上**[****1]**。
下圖即為杜克大學研究人員發明的新方法，該方法可以從左上角的彩色原始數字（13024）獲取光線，這些數字已被大部分不透明的表面（圖中中心位置）散射，並使用其散射之後的散斑圖案和編碼光圈以五種不同的頻率（圖中最下行，分別為10/02/30/04/102）重建圖像，得到最終重構後的彩色圖像（圖中右上角數字13024）。
圖片來源 | Michael Gehm
提到該方法的優點，杜克大學電氣和計算機工程副教授Michael Gehm表示:“其他人已經能夠從散射光中重建彩色圖像，但這些方法必須犧牲空間分辨率，或者預先要求對散射物體進行表徵，而這通常是不可能的。”但我們的方法避免了所有這些問題。
[1] https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-7-864[2] https://eurekalert.org/pub_releases/2019-07/du-rci0
材料科學
Material Science
《科學》：何種材料會撼動硅基材料的“霸主地位”？
Thermodynamically stabilized β-CsPbI3–based perovskite solar cells with efficiencies >18%
《科學》雜誌8月9日的文章顯示**[****1]**，新的鈣鈦礦材料顯示出作為硅替代品的早期應用前景。
鈣鈦礦材料以其高效、低成本的特點在光伏領域得到了廣泛的應用。光激發材料中的電子，然後電子就能以電流的形式流動。鈣鈦礦材料中“舞動”的原子讓我們瞭解太陽能電池的工作原理|圖片來源：SLAC National Accelerator Laboratory
硅在太陽能產品中占主導地位——它穩定、便宜，而且在將陽光轉化為電能方面效率很高，任何新材料想要撼動硅的“霸主地位”都必須在這些特性基礎上進行競爭並取勝。通過一項國際研究合作，上海交通大學、洛桑聯邦理工學院(EPFL) 和沖繩理工學院研究生院 (OIST) 發現了一種穩定的新材料，它不僅可以有效地進行光電轉換，其他優良的特性甚至可能挑戰當前硅的“霸主地位”。
在《科學》雜誌上發表的文章中，合作團隊展示了材料CsPbI3是如何在一種能夠達到高轉換效率的新配置中得到穩定的：CsPbI3是一種無機鈣鈦礦，由於其高效、低成本的特點，在太陽能領域得到了廣泛的應用；然而，如何穩定CsPbI3在歷史上一直是一個挑戰。正如沖繩理工學院研究生院 (OIST) 能源材料和表面科學部門負責人Yabing Qi教授所説**[2****]**：“我們對CsPbI3可以與行業領先的材料（硅）競爭的結果表示很高興，從這個初步結果來看，我們現在將進一步努力提高材料的穩定性和其應用的商業前景。”
[1] https://science.sciencemag.org/content/365/6453/591
[2] https://www.oist.jp/news-center/press-releases/cracking-solar-cell-stability
醫療健康
Medical Treatment & Health
從77％到94％：阿爾茨海默病的早診新進步
阿爾茨海默病（俗稱老年痴呆），是一種發病進程緩慢、隨着時間不斷惡化的神經退化性疾病。在許多國家（尤其是發達國家），阿爾茨海默病是最耗費社會資源的一種疾病。據統計，2015年全球大約有2980萬人罹患阿爾茨海默病**[****1]**。
目前人們普遍認為β澱粉樣蛋白是與該病發展密切相關的生化指標之一。在阿爾茨海默病導致健忘之前，這種蛋白質就已經開始在脊髓液中逐漸累積**[2****]**。雖然識別早期阿爾茨海默病對患者十分重要的，但檢測起來並非易事。
阿海海默症中，Tau蛋白異常會造成腦細胞內的微管瓦解 | 圖片來源：維基百科
目前的檢測手段往往是侵入性的（如腰椎穿刺提取存在於脊髓液中的β澱粉樣蛋白），而且成本昂貴。為了能尋找替代傳統腰椎穿刺的無痛非侵入式檢查方法，國內外的許多科研團隊都為此付出了努力。華盛頓大學Rajendra S. Apte課題組曾提出一種基於光學相干層析血管成像 (OCTA) 的無創眼部成像技術，用來分析在阿爾茨海默病臨牀前甚至在任何症狀出現之前視網膜的某些變化**[3****]。除此之外，IBM澳大利亞團隊利用AI算法，僅通過檢查血液中四種蛋白質的水平，就能預測β澱粉樣蛋白在脊髓液中的含量，準確率高達77%[4****]**。
近期，華盛頓大學相關團隊發表在Neurology雜誌上的一項新研究，使得阿爾茨海默病的早期診斷迎來了新進步：該團隊同樣測量血液中阿爾茨海默症β澱粉樣蛋白的水平，來預測該蛋白是否已在大腦中積聚。在研究中，當血液中澱粉樣蛋白水平與其他兩種主要的阿爾茨海默症風險因素（年齡和APOE4基因變異的出現）相結合時，這種方法使得阿爾茨海默症大腦病變的早期診斷準確率提高到了94%[5****]。
科技的進步，使得阿爾茨海默病的早期診斷無論從方式上還是從準確率上都迎來了全新的進步，相信在未來，僅需要通過幾滴血液，就可以在早期對阿爾茨海默病的患病風險做出判斷。
[1] www.who.int/World Health Organization[2] https://mp.weixin.qq.com/s/DB2iF1wSLCdmUDINg6NbdQ[3] www.jamanetwork.com[4] https://www.zdnet.com/article/ibm-takes-on-alzheimers-disease-with-machine-learning/[5] https://doi.org/10.1212/WNL.0000000000008081
黑洞物理
Black Hole Physics
黑洞裏邊有什麼？ALMA首次“潛入”黑洞的“勢力範圍”
ALMA Dives into Black Hole’s ‘Sphere of Influence’
雖然黑洞內部發生的事情仍然留在黑洞內部，但黑洞附近的“勢力範圍”發生的事情（以黑洞引力作為主導力量的星系中心區域）對天文學家來説仍然是非常感興趣的，因為這可以幫助探索黑洞本身（如確定黑洞的質量）及其對銀河系鄰域的影響。
阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列 (ALMA) 便提供了一個前所未有的近距離觀測結果：ALMA觀測到了一個圍繞超大質量黑洞旋轉的冷星際氣體盤。這個圓盤位於巨大橢圓星系NGC 3258中心，距地球約1億光年。根據這些觀測結果，由德克薩斯農工大學和加州大學歐文分校的天文學家領導的一個小組確定，這個黑洞重達驚人的22.5億太陽質量，是迄今為止ALMA測量到的最大黑洞。
ALMA對圍繞超大質量黑洞旋轉的冷氣體進行了最精確的測量。超大質量黑洞是位於巨大橢圓星系NGC 3258中心的龐然大物。圖中的多色橢圓反映了圍繞黑洞旋轉的氣體運動，藍色表示向着我們的運動，紅色表示遠離我們的運動。插圖框表示軌道速度是如何隨着距黑洞的距離變化而變化的。天文學家發現，這種物質在離黑洞越近的地方旋轉得越快，這使得我們能夠準確地計算出它的質量: 這個黑洞重達驚人的22.5億太陽質量 | 圖片來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Boizelle; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; Hubble Space Telescope (NASA/ESA); Carnegie-Irvine Galaxy Survey
事實上，天文學家曾用各種方法來測量黑洞的質量。在巨大的橢圓星系中，大多數測量來自於對黑洞周圍恆星軌道運動的觀察，這些觀測是在可見光或紅外光下進行的。另一種技術是在環繞黑洞旋轉的氣體雲中使用自然產生的水脈澤，它提供了更高的精度，但這些脈澤非常罕見，而且幾乎只與擁有較小黑洞的漩渦星系有關。在過去的幾年裏，ALMA開創了一種新的方法來研究巨型橢圓星系中的黑洞。大約10%的橢圓星系中心都有規律旋轉且由稠密冷氣體組成的圓盤，這些圓盤含有一氧化碳 (CO) 氣體，可以用毫米波射電望遠鏡觀察到。通過利用CO分子發射的多普勒頻移，天文學家可以測量繞軌道運行的氣體雲的速度，使破解軌道速度最高的星系中心成為可能。
加州大學歐文分校的Aaron Barth是這項研究的合作者之一，他説：“我們的團隊幾年來一直在和ALMA一起觀測附近的橢圓星系，以發現和研究圍繞巨大黑洞旋轉的分子氣體盤。”“NGC 3258是我們發現的最好的目標，因為我們能夠追蹤到比任何其他星系更接近黑洞的圓盤旋轉。”就像地球繞太陽公轉的速度比冥王星快是因為它經歷了更強的引力一樣，由於黑洞的引力，NGC 3258的內部區域比外部區域的公轉速度快。ALMA的數據顯示，該盤的轉速從它的外邊緣（距黑洞約500光年）的每小時100萬公里，上升到離該盤中心（距黑洞僅65光年）的近300萬公里每小時。
研究人員通過模擬盤的旋轉來確定黑洞的質量，包括星系中心區域恆星的額外質量和其他細節，比如氣體盤的輕微彎曲形狀等。對快速旋轉的清晰探測使研究人員能夠以超過1%的精度確定黑洞的質量，即使考慮到不確定性的問題（如到NGC 3258的距離並不十分精確，以及測量中還有12%的系統不確定性等），這項測量結果仍然是目前對銀河系外任何黑洞的最精確質量測量之一。
[1] https://public.nrao.edu/news/2019-alma-soi/
資源環境
Resources & Environment
《自然•通訊》：中國科學家洞見淨水關鍵技術
Scientists reveal key insights into emerging water purification technology
全球變暖對人類生活環境和自然資源的影響正成為當下人們最為熱議的話題。近期，王豔君、蘇布達和姜彤等人針對此問題，就全球氣温上升1.5°C和2°C的兩種場景下，對中國27座城市（總人口超過2.47億）的熱相關死亡率進行了建模分析[1]。除此之外，水資源短缺更是全球變暖大背景下所面臨的一項嚴峻挑戰，科學家和工程師們正在尋求從海水甚至廢水等非傳統資源中獲取純淨水的新方法，其中的一個典型代表，即為科羅拉多州立大學仝鐵錚課題組所提出的一種名為膜蒸餾的新興淨水技術**[2****]**。
簡單來説，膜蒸餾技術利用到一種薄的疏水膜，該膜在工作時利用了熱的海水或者廢水（稱為“給水”）和冷的純化水（稱為“滲透水”）之間的蒸汽壓差。在這個過程中，水蒸氣通過薄膜，與含鹽或不乾淨的“給水”分離。仝鐵錚表示，膜蒸餾技術比傳統的反滲透等技術更有效：反滲透技術不能處理海水淡化或水力壓裂產生的採出水等含鹽量極高的水。儘管膜蒸餾技術前景光明，但它並不能完美地工作，一個關鍵的挑戰是如何設計一種完美的薄膜實現有效淨化水的同時確保淨化水的零污染。基於此，仝鐵錚等人分析研究了這種完美薄膜設計背後的基礎科學，該成果已發表在Nature Communications上**[3****]**。
正如仝鐵錚所説：“我們論文中的基礎知識提高了對微孔基質中水蒸氣輸送的力學理解，並有可能指導未來膜蒸餾用膜的設計。”
[1]https://www.nature.com/articles/s41467-019-11283-w\[2]https://engr.source.colostate.edu/scientists-reveal-key-insights-into-emerging-water-purification-technology/[3] https://www.nature.com/articles/s41467-019-11209-6.pdf
交叉學科
Interdisciplinary
仿生學啓發納米材料：給歷史文物補補鈣
Calcium: Good for bones, good for cultural conservation
“該補鈣了”和“多喝開水”是中國人緩解“病痛”的兩劑“良方”，這在文化遺產保護方面同樣受用。
文化遺產是歷史血脈留給子孫後代的心靈慰藉，文化遺產保護對一個民族至關重要。然而，很多歷史建築歷史遺蹟，特別是石砌建築，石膏、大理石雕塑等越來越容易受到空氣污染、酸雨等因素的破壞。近日，研究人員發表在ACS Applied Nano Materials上的一篇文章，報道了一種新的鈣基保護治療方法，該方法靈感來源於自然/仿生學，並克服了目前諸多文物保護方法存在的缺點**[****1]**。
縱觀歷史，文物保護學家在保護文物的過程中大多使用一種稱為烷氧基硅烷的物質，這是一種用於加固石頭和其他藝術品的硅基分子。然而，利用烷氧基硅烷進行處理的方法不能很好地與非硅酸鹽表面結合，這容易造成文物開裂，並且其防水能力有限。雖然在這種保護方法中加入其他化合物能有助於克服上述缺點，但這只是在一定程度上的緩解而無法在根本上解決問題。相反，Encarnacion Ruiz Agudo和他的同事從大自然中尋找靈感，發現鈣可能是解決目前這一問題的答案。作為骨骼或腎結石等堅固自然結構的主要成分，研究人員推斷，由鈣製成的納米顆粒可以增強烷氧基硅烷的功效，併為歷史文物提供所需的保護作用。
因此，研究人員製備了碳酸鈣和草酸鈣納米顆粒，並將聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為穩定劑。研究小組將納米顆粒添加到傳統的烷氧基硅烷處理過程中，然後將其應用於三種不同建築材料的樣品：白色大理石、鈣質石灰石和石膏上進行測試。總體而言，與單獨處理的烷氧基硅烷相比，添加納米顆粒的烷氧基硅烷疏水性增強，裂紋減少，表面附着力改善，耐酸能力顯著提高。雖然也觀察到了一定的顏色效應，但研究人員表示，這種變化在文物保護措施的可接受範圍之內。
這一仿生學啓發的納米材料告訴大家，是時候給歷史文物補補鈣了。
[1] http://www.acs.org
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