2021年2月奥秘杂志

我院2017届本科毕业生张雅鹏在《NATURE》发文， 首次在太阳系外行星大气中发现和测量同位素

南京大学天文与空间科学学院 昨天

一国际天文研究团队首次探测到系外行星大气中的 碳同位素13C ，并发现其相对含量高于地球标准（图1）。这有助于研究者们追溯此类行星的形成与演化 历史 。相关研究论文（标题为“The 13CO-rich atmosphere of a young accreting super-Jupiter”）于2021年7月15日在《自然》（Nature）杂志发表。该论文的第一作者 张雅鹏 2017年本科毕业于 南京大学天文与空间科学学院 ，现为荷兰莱顿天文台博士研究生。

图1: 探测系外行星大气中的同位素（想象图） Daniëlle Futselaar

1穆朗玛峰 应用广泛的同位素 同位素（isotope）是指同一化学元素的不同种类。这些同位素虽然质子数目相同，却有着不同的中子数目。例如，包含6个质子以及6个中子的碳原子是最常见的12C，但也有碳原子含有7个或8个中子，称为13C或14C。虽然它们的化学性质相近，但各种同位素的形成过程和对环境的反应却不尽相同。因而，同位素被广泛应用于各种研究领域——从癌症、心血管疾病的检测，到气候变化以及化石年龄的推断等。天文学家亦利用同位素来研究恒星与星际介质的演化，太阳系以及系外行星的起源。

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丰富多样的系外行星

迄今天文学家们已发现超过四千颗系外行星，并且这一数字仍在迅猛增长。而绝大多数系外行星却与我们太阳系内的行星有着巨大的差异。它们或有着极高的质量（例如，“超级木星” super-Jupiter），或占据着的极近的轨道（“热木星” hot-Jupiter）……系外行星的多样性给行星形成理论带来了新的挑战。许多最基本的问题仍困扰着天文学家：行星的形成路径究竟是自上而下，还是自下而上？它们形成于何处？轨道是否迁移？……解开这些谜题的钥匙之一便是系外行星的大气成分，它们如同化石遗迹一般记载着这些行星遥远的过去。

图2: 行星形成环境示意图。行星诞生于恒星周围的原行星盘中，一氧化碳CO是碳元素的主要载体。CO雪线代表CO为气态或固态的分割线。位于CO雪线内侧的两颗行星代表太阳系木星和海王星当前的位置，而TYC 8998 b则远位于CO雪线之外。在如此遥远的距离，大部分CO冻结在固态物质表面，成为行星形成的主要原材料。由于13C更易结合在固态表面，导致最终构成的行星中更富含13C。

3 用同位素追溯系外行星起源 研究者们利用欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT），发现在一颗名为TYC 8998-760-1 b的超级木星大气中两种碳同位素的比例不同寻常。这颗行星的重量几乎是太阳系木星的14倍，距离地球300光年。这是天文学家们首次实现对遥远系外行星中同位素的观测。他们利用不同的光谱吸收信号分辨出13CO和12CO（一氧化碳分子的两种同位素形式），并测定两者的相对含量。天文学家们预期星际介质中13C和12C的含量比例约为1:70，但这颗行星大气中的13C却要多一倍。这颗行星大气中13C的“超标”，为我们揭示其可能的起源过程提供了线索 （图2）。张雅鹏解释说：“这颗超级木星距离其宿主恒星十分遥远，是日地距离的160多倍。在如此远距离下，原行星盘（protoplanetary disk）中更多的13C冻结在固体物质表面。而这些固体物质被诞生于此的行星所吸收，造就了如今观测到的富含13C的大气”。 因此，通过测定大气中同位素相对含量，研究者们得以追溯行星形成的位置以及周围的物质环境。

该论文的通讯作者、莱顿大学教授Ignas Snellen说：“这一发现为研究系外行星大气与行星形成之间的关联开辟了一条新的路径。今后，天文学家们将会把同位素观测扩展到多样化的系外行星系统中，向揭秘行星起源更进一步。现在，这仅仅是个开始！”

2021年十大科技成果：

1、火星探测任务天问一号探测器成功着陆火星

2021年5月，天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，中国首次火星探测任务着陆火星取得成功。任务采用“气动减速－伞降减速－动力减速－着陆缓冲”四级串联减速技术路线，建立设计迭代改进流程和多学科综合优化方法，提高了系统应对故障工况和进入条件极限拉偏下的安全着陆能力。

2、中国空间站天和核心舱成功发射，神舟十二号、十三号载人飞船成功发射并与天和核心舱成功完成对接

2021年4月29日，中国空间站天和核心舱在海南文昌航天发射场发射升空，准确进入预定轨道，任务取得成功。天和核心舱发射成功，标志着中国空间站建造进入全面实施阶段，为后续任务展开奠定坚实基础。

3、从二氧化碳到淀粉的人工合成

淀粉是粮食最主要的组分，也是重要的工业原料。中国科学院天津工业生物技术研究所马延和等报道了由11步核心反应组成的人工淀粉合成途径（ASAP)，该途径偶联化学催化与生物催化反应，在实验室实现了从二氧化碳和氢气到淀粉分子的人工全合成。

4、嫦娥五号月球样品揭示月球演化奥秘

中国科学院地质与地球物理研究所李献华、杨蔚、胡森、林杨挺和中国科学院国家天文台李春来等利用过去十多年来建立的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术，对嫦娥五号月球样品玄武岩进行精确的年代学、岩石地球化学及岩浆水含量的研究。

5、揭示新冠病毒（SARS-CoV-2)逃逸抗病毒药物机制

不断出现的新冠病毒突变株对当前已有的疫苗、中和抗体等抗病毒手段提出严峻挑战，亟需发展能有效应对各型突变株的广谱药物。在生命周期中，病毒的一系列转录复制酶组装成“转录复制复合体”超分子机器，负责病毒转录复制的全过程，且在各型突变株中高度保守，是开发广谱抗病毒药物的核心靶点。

6、“中国天眼”（FAST)捕获世界最大快速射电暴样本

快速射电暴（FRB)是无线电波段宇宙最明亮的爆发现象。FRB121102是人类所知的第一个重复快速射电暴，中国科学院国家天文台李菂等使用“中国天眼”（FAST)成功捕捉到FRB121102的极端活动期，最剧烈时段达到每小时122次爆发，累计获取1652个高信噪比的爆发信号，构成目前最大的FRB爆发事件集合。

7、实现高性能纤维锂离子电池规模化制备

如何通过设计新结构（如创建纤维锂离子电池）满足电子产品高度集成化和柔性化发展要求，是锂离子电池领域面临的重大挑战。复旦大学彭慧胜、陈培宁等发现纤维锂离子电池内阻与长度之间独特的双曲余切函数关系，即内阻随长度增加并不增大，反而先下降后趋于稳定。

8、可编程二维62比特超导处理器“祖冲之号”的量子行走

量子行走是经典随机行走的量子力学模拟，是实现量子模拟、量子搜索算法乃至通用量子计算的工具。

9、自供电软机器人成功挑战马里亚纳海沟

深海机器人与装备需要高强度金属耐压外壳或压力补偿系统来保护内部机电系统。浙江大学李铁风等从深海狮子鱼“头部骨骼分散融合在软组织中”这一生理特性提取仿生灵感，揭示深海极端压力条件下软机器人功能器件破坏及驱动失效的内在机制；提出硬质器件分散融入软基体实现内应力调控的方法，以及适应深海低温、高压环境的电驱动人工肌肉融合制造方法。

10、揭示鸟类迁徙路线成因和长距离迁徙关键基因

“迁徙生物如何发现其迁徙路线？”一直是社会和学术界广泛关注的议题，也是《科学》（Science)杂志125个最具挑战性科学问题之一。中国科学院动物研究所詹祥江等历时12年，利用卫星追踪数据和基因组信息，建立了一套北极游隼迁徙研究系统，发现游隼主要使用5条路线穿越亚欧大陆，西部游隼表现为短距离迁徙，东部为长距离迁徙。

21世纪十年间照亮世界的十大科技成就 1，火星月球发现有水 2004年1月4日和1月25日，美国“勇气”号和“机遇”号火星车分别在火星登陆。两辆火星车的最大成就是共同发现了火星上曾经有水的证据。同时，在环火星轨道上运行的欧洲“火星快车”探测器也发现火星南极存在冰冻水。这是人类首次直接在火星表面发现水。 在经历9个多月的太空旅行后，美国“凤凰”号火星探测器2008年5月25日成功降落在火星北极附近区域，这是第一个在火星北极附近着陆的人类探测器。按照计划，“凤凰”号着陆后展开了为期3个月的火星地面探测。同年7月30日，“凤凰”号的机械臂把一份土壤样本递送到热量和释出气体分析仪中。在样本加热时，分析仪鉴别出其中有水蒸气产生。这是火星上存在水的最直接证据。 2009年11月，科学家们肯定地表示，月球上有水而且数量可观。2009年10月9日，美国航空航天局利用火箭在月球表面撞出一个直径100英尺的坑，并在产生的碎片中测量到25加仑以水蒸气和冰的形式存在的水。 2，人类基因组序列图完成 2000年6月26日，美国总统克林顿和英国首相布莱尔联合宣布：人类有史以来的第一个基因组草图已经完成。 2001年2月12日，中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。 人类基因组计划中最实质的内容，就是人类基因组的DNA序列图，人类基因组计划起始、争论焦点、主要分歧、竞争主战场等都是围绕序列图展开的。在序列图完成之前，其他各图都是序列图的铺垫。也就是说，只有序列图的诞生才标志着整个人类基因组计划工作的完成。 2003年4月15日，在DNA双螺旋结构模型发表50周年前夕，中、美、日、英、法、德6国元首或政府首脑签署文件，6国科学家联合宣布：人类基因组序列图完成。 人类基因组图谱的绘就，是人类探索自身奥秘史上的一个重要里程碑，它被很多分析家认为是生物技术世纪诞生的标志。也就是说，21世纪是生物技术主宰世界的世纪，正如一个世纪前量子论的诞生被认为揭开了物理学主宰的20世纪一样。 人类基因组蕴涵有人类生、老、病、死的绝大多数遗传信息，破译它将为疾病的诊断、新药物的研制和新疗法的探索带来一场革命。2007年，科学家首次阐述了人与人之间的DNA究竟存在着多大的差异。这是一个巨大的概念性飞跃，它将影响从医生如何治疗疾病到人类如何看待自己以及保护个人隐私等各个方面。 3，细胞重新编程技术 美国《科学》杂志评选出的2008年十大科学进展，细胞重新编程“定制”细胞系方面的进展名列第一位。 《科学》杂志说，这些细胞系以及“定制”它们的有关方法，为科研人员理解甚至未来治愈一些医学上的顽疾提供了工具，比如帕金森氏症、Ⅰ型糖尿病等。 所谓细胞重新编程，是指通过植入新的基因，改变细胞的发育“记忆”，使其回到最原始的胚胎发育状态，就能像胚胎干细胞那样进行分化，这样的细胞被称作“诱导式多能干细胞”。 2008年，有两个科研小组从罹患不同疾病的患者身上提取细胞，重新编程，使其“变身”为干细胞。他们选取的疾病大多数是很难或者不可能用动物模型来进行研究，这就使得获取人类细胞系进行研究的需求变得更为迫切。 《科学》杂志认为，这些新的细胞系将成为科研人员理解疾病如何发生、发展的重要工具，另外对医学领域筛选潜在药物可能也有帮助。如果科学家将来完全掌握细胞重新编程技术，能够更准确地控制这一技术，使其变得更加有效、安全，那么患有不同疾病的患者将有可能用自体健康细胞来治病。 4，人类最早祖先确定 身高4英尺(约合米)的“阿尔迪”成为迄今为止人类发现的最古老原始人。她生活在440万年前，直到1992年被发现。经过17年的探寻和研究，科学家将埃塞俄比亚出土的100多块碎片拼接起来，并成功复原了她的骨骼模型。 2009年10月，科学家公布了这一成果。令人吃惊的是，作为人与黑猩猩的共同祖先，“阿尔迪”却与黑猩猩大不相同。此外，尽管生活在森林中但却能够直立行走的事实，推翻了此前有关空旷草原地形对于人类两足发展至关重要的理论。 5，证实宇宙暗物质存在 2003年，美国匹兹堡大学斯克兰顿博士领导的一个多国科学家小组，借助了美国“威尔金森微波各向异性探测器”卫星的观测数据以及另一项名叫“斯隆数字天宇测量”的观测计划的结果进行了对比分析。观测分析得出结论认为，宇宙中仅有4%是普通物质，23%是暗物质，73%是暗能量。2006年一个美国天文学家小组通过美宇航局的“钱德拉”X射线太空望远镜等设备观测遥远星系的碰撞，发现了宇宙暗物质存在的最直接证据。2007年，欧洲和美国的科学家在《自然》杂志上发表了首次为宇宙暗物质绘出的三维图。 6，干细胞研究成果丰 2000年，克隆和干细胞研究取得进展。在克隆方面，科学家克隆成功了最难克隆的动物之一：猪。 2002年，以色列科学家将人体“肾脏前体细胞”移植到老鼠体内后，发育成与老鼠本身肾脏大小差不多的、具有一定功能的类似器官。 2003年，美国科学家首次对人类胚胎干细胞完成了基因工程操作，在干细胞应用于医疗研究上前进了一大步；日本科学家首次培育出人体胚胎干细胞；中国科学家首次将人类皮肤细胞与兔子卵细胞融合，培植出人类胚胎干细胞。 2006年，澳大利亚科学家在世界上首次成功利用单个干细胞使实验鼠体内新长出乳腺。英国科学家首次利用脐带血干细胞培育出微型人造肝脏。 2007年，美国和日本两个独立研究小组分别宣布，他们成功地将人体皮肤细胞改造成了几乎可以和胚胎干细胞相媲美的干细胞。这一成果有望使胚胎干细胞研究避开一直以来面临的伦理争议，从而大大推动与干细胞有关的疾病疗法研究。 7，纳米技术重要应用 2001年，纳米技术领域获得多项重大成果。继在2000年开发出一批纳米级装置后，科学家再进一步将这些纳米装置连接成为可以工作的电路，这包括纳米导线、以纳米碳管和纳米导线为基础的逻辑电路、以及只使用一个分子晶体管的可计算电路。分子水平计算技术的飞跃有可能为未来诞生极微小但极快速的分子计算机铺平道路。 2003年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家用碳纳米管研制出世界上最小的纳米电动机。 2006年，美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机。 8，欧洲强子对撞机启动 欧洲大型强子对撞机是目前世界上最大的强子对撞机。2008年9月1日，对撞机正式启动。9月19日，对撞机因事故被迫停止运作。 2009年11月20日，对撞机重新启动，并实现了第一束质子流贯穿整个对撞机。2009年11月30日创造了质子加速的新世界纪录。对撞机将两束质子流加速到了万亿电子伏特的能级，打破了美国费米国家实验室加速器2001年创下的万亿电子伏特的纪录，这使得大型强子对撞机真正成为世界上“最强的机器”。2009年12月8日晚，又成功实现一次总能量高达万亿电子伏特的质子流对撞，再次创下能级最高纪录。 欧洲大型强子对撞机从上世纪90年代初开始设计，来自包括中国在内的80多个国家和地区的约7000名科学家和工程师参与建设。它位于日内瓦附近瑞士和法国交界地区地下100米深处总长约27公里的环形隧道内。 9，人类探测器创最远纪录 欧洲航天局官员2005年1月15日凌晨宣布，地面控制中心已收到来自“惠更斯”号探测器经由“卡西尼”号飞船传回的信号，表明“惠更斯”号已成功登陆土卫六。这创造了人类探测器登陆其他天体最远距离的新纪录。 “惠更斯”号探测器是1997年10月由美国“卡西尼”号飞船携带发射升空的，经过7年约35亿公里的飞行后进入土星轨道，并于2004年12月25日分离。 10，庞加莱猜想被证明 2006年6月3日，经过美国、俄罗斯和中国数学家30多年的共同努力，两位中国数学家——中山大学的朱熹平教授和美国里海大学教授及清华大学兼职教授曹怀东，最终证明了百年数学难题——庞加莱猜想。 1904年，法国学者亨利·庞加莱提出了一个猜想：在一个封闭的三维空间，假如每条封闭的曲线都能收缩成一点，这个空间一定是一个圆球。庞加莱的短短几行字，成为数学界100多年未能证明的难题。 庞加莱猜想和黎曼假设、霍奇猜想等一样，被并列为七大数学世纪难题之一。