Af parkeringshuse, nuklear pasta, og kosmiske forbindelser

Nogle gange kan videnskaben være serendipit.

Det var bestemt tilfældet, da den tidligere UConn-professor Greg Huber stødte på et billede i et fysiktidsskrift, der lignede det stablede, jævnt fordelte lag af et parkeringshus i flere etager. Et team af forskere annoncerede, at sådanne strukturer kan eksistere dybt i den ydre skorpe af neutronstjerner som en form for nuklear pasta. (Mere om det senere.)

til Huber, billedet var noget helt andet. Det var en klassisk visning af mikroskopiske strukturer fundet i cellulær cytoplasma, som han og hans UConn-kolleger hjalp med at opdage flere år tidligere. I et papir fra 2014, Huber døbte dem 'Terasaki-ramper' efter UConn-cellebiolog Mark Terasaki, hans tidligere kollega (og West Hartford-nabo), hvem var den første til at få øje på dem.

Men disse nye strukturer var langt hjemmefra. Hvordan de slående lignende former kom til at dukke op i både små levende celler på Jorden og massivt tætte livløse neutronstjerner tusinder af lysår væk, fascinerede Huber. Han kontaktede tidsskriftspublikationens seniorforsker, Charles Horowitz, en kernefysiker ved Indiana University, som lige tilfældigvis var en af ​​Hubers tidligere professorer, da han gik på MIT. (Mere serendipity?)

Efter at Huber og Horowitz havde talt, de indså de potentielle fordele ved et samarbejde. Deres undersøgelse af de strukturelle ligheder vises i denne måned i tidsskriftet Fysisk gennemgang C .

"Jeg fortalte ham (Horowitz), at vi ser meget lignende ting i det endoplasmatiske retikulum af eukaryote celler, " siger Huber, en blød stof biofysiker, der nu fungerer som vicedirektør for Kavli Institute for Theoretical Physics ved University of California, Santa Barbara. "Vi ser de samme jævnt fordelte plader forbundet med spiralramper (parkeringshusene). Vi ser også lignende tre-vejs rørforbindelser med 120 graders vinkler, ligesom de så."

Terasaki-ramperne, der findes i celler, menes at hjælpe med at maksimere proteinsyntesen ved at give et større overfladeareal, hvor ribosomer kan pakkes sammen og bygge proteiner.

"Parkeringsgarage"-strukturerne, der findes i neutronstjerner, ser ud til at spille en meget anderledes rolle.

Mens neutronstjernens strukturelle motiver virker næsten identiske med dem Huber og Terasaki fundet inde i celler, de fysiske skalaer og energiniveauer er uden for hitlisterne. Neutronstjerner dannes, når større stjerner dør og kollapser ind i sig selv. De er de mindste og tætteste stjerner, der er kendt for at eksistere. Det eneste, der er tættere, er et sort hul. En neutronstjernes ydre skorpe er 14 størrelsesordener tættere end de vandige omgivelser i en celle. Stjernens gravitationsfelt er 2×10¹¹ gange det, der findes på Jorden, og neutronstjerner kan rotere flere hundrede gange i sekundet.

Cellulær biologi på den anden side er afhængig af, hvad forekommer os, et relativt banalt miljø domineret af vands entropi og samling af biomolekyler. De to objekter kunne ikke være mere forskellige med hensyn til temperaturskalaer, tryk skalaer, længde skalaer, etc., siger Huber. Alligevel geometrisk, deres 'Terasaki-rampe' parkeringshuslignende strukturer fremstår ens.

"I fysik, Vi ser ofte, at naturen bruger lignende former, selvom de underliggende materialer er helt forskellige, " siger Huber. "Der er et mønster, der er dybere end detaljerne i de ting, der udgør det."

Hubers og Horowitz' forskning rejste spændende spørgsmål.

En af deres indledende konklusioner var, at Terasaki-rampeformerne kan være dikteret lige så meget af geometrireglerne som noget andet, og kan være uafhængig af andre mikroskopiske overvejelser.

I neutronstjerner, strukturerne kan reducere elektrisk og termisk ledningsevne i stjerneskorpen, påvirke den måde, hvorpå skorpen afkøles, og muligvis spille en rolle i det eventuelle henfald af stjernens magnetfelter, Huber og Horowitz siger. Eller ikke. Alternativt de lagdelte plader og spiralformede ramper kan tillade protoner at perkolere gennem neutronstjernens ydre system, gør det superledende.

Denne indledende undersøgelse, Huber siger, er kun begyndelsen på en ny vej for forskning.

Med neutronstjerner så langt væk, atomfysikere som Horowitz er afhængige af avanceret computermodellering for at illustrere deres forskellige teorier. De forskellige strukturer, der er blevet identificeret i neutronstjerner, er kendt som 'nuklear pasta' på grund af deres pasta-lignende former. Der er en båndlignende spaghettifase, en pladelignende lasagnefase, og endda en kompakt gnocchi-fase. De forskellige faser dannes i et intenst overgangsområde mellem stjernens ydre skal og ultratætte kerne.

Men nu hvor der er oprettet forbindelse til Terasaki-ramper, kernefysikere burde være i stand til at låne ideer fra de undersøgelser på celleniveau, der bliver lavet for at forbedre deres egen modellering af, hvordan fysiske kræfter former noget så stort og ukendt som neutronstjerner.

"En måde at se det på er, at fysik bruger strukturer igen og igen, " siger Huber. "Det er næsten, som om fysik genbruger strukturer og grundlæggende motiver. De samme ligninger vises på trods af, hvad systemet er. Vi ser lignende mønstre på trods af enorme forskelle i skala og energi. Ved at bruge disse nye oplysninger, vi kan lave bedre modeller, der kan hjælpe os med at lære mere om, hvorfor en neutronstjernes skorpe opfører sig på en bestemt måde."

Det er blevet sagt, at vi alle står i en vis taknemmelighedsgæld til stjerner, som de grundlæggende elementer i livet - brint, ilt, jern, kulstof – kom fra stjernestøv. Men Huber og hans kolleger efterlader gerne spørgsmål vedrørende vores universelle indbyrdes sammenhæng til filosofferne. For nu, deres fokus er på 'pasta, ' 'Terasaki ramper, ' og de mystiske neutronstjerner, der snurrer på himlen.