Бессонница разума

В космических делах выходных не бывает! На фото (если вглядеться) российский ученый-астрофизик, доктор физико-математических наук, профессор РАН, заведующий лабораторией внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН и лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ Юрий Ковалев

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

Пандемия поставила под удар многие области жизни, в том числе и науку, которая, как казалось в начале эпидемии, может остановиться в развитии. В начале весны «Огонек» разбирался, как живет наука в изоляции. Сегодня можно сказать — кризис удалось пережить. В канун Нового года мы побывали в научных институтах, эксперименты в которых не остановятся даже во время боя курантов

Слушая космос

Пущинская радиоастрономическая обсерватория

Астрономы изучают космос по-разному. Одни всматриваются в глубины с помощью оптических телескопов, другие строят сложные математические модели, а в Пущинской радиоастрономической обсерватории космос «слушают» с помощью радиотелескопов. Здесь изучают уникальные космические объекты — пульсары, квазары и далекие галактики — и даже ищут следы внеземного разума. Происходит это 365 дней в году, без праздников и выходных.

В Пущине находятся три крупных радиотелескопа, которые круглые сутки сканируют небо, собирая из космоса терабайты данных о космических объектах. По сути, это огромные радиоприемники, которые принимают космические сигналы.

Исследуя их характеристики, астрономы ищут уникальные данные и иногда обнаруживают совершенно новые объекты. Так, в 2020 году удалось доказать существование ранее неизвестного магнетара — очень маленькой (20–30 км в диаметре), быстро вращающейся нейтронной звезды в созвездии Лисички.

Такие открытия, как рассказал «Огоньку» директор Пущинской радиоастрономической обсерватории Сергей Тюльбашев, редкая удача. Потому что большая часть фиксируемых радиотелескопами сигналов — помехи. Астрономы «слышат» и земное радио, и работу электросетей, и даже микроволновку, стоящую в столовой. Но кроме этого есть и совсем необычные сигналы. Например, можно засечь шум от Большого взрыва, который до сих пор расходится по Вселенной (радиоприемники и старые телевизоры его, кстати, тоже ловят, и с помощью специальных методов древние вибрации можно выделить даже среди «белого шума» при переключении телеканалов).

— Лично я исследую одиночные вспышки от пульсаров. Бывает, что на миллион фиксируемых сигналов реальных (от новых пульсаров) оказывается всего 30,— говорит Сергей Тюльбашев.— Так что по большей части мы работаем с помехами. Этот процесс во многом автоматизирован, но не полностью. Дело в том, что мы не знаем всех характеристик процессов, которые исследуем, поэтому вынуждены записывать гораздо больше информации, чем это нужно. Правда, сейчас у нас проводятся эксперименты с нейросетями. Мы пытаемся их обучить выделять нужные сигналы из массы информации, но пока это получается не так хорошо, как хотелось бы.

Особые правила для «сверхтяжелых»

Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне

В таблице Менделеева официально числится 118 элементов. За последние 50 лет помимо хорошо известных человечеству золота или урана в ней появилось еще 17 новых элементов с номерами от 102 до 118. Это так называемые сверхтяжелые элементы. Девять из них впервые синтезировали специалисты российского ОИЯИ в Дубне, для чего построили специальную лабораторию — «Фабрику по производству сверхтяжелых элементов». Можно сказать, что здесь ученые заняты самой интригующей задачей — разгадывают устройство мира. Это передний край фундаментальной науки, благодаря чему Россия может конкурировать с другими странами.

— Арифметика синтеза сверхтяжелых элементов довольно проста,— рассказывает «Огоньку» директор Лаборатории ядерных реакций им. Флерова профессор Сергей Сидорчук.— Мы берем чрезвычайно редкий изотоп кальция кальций-48 и сливаем его с одним из тяжелых элементов из семейства актинидов, например с калифорнием. Получается сверхтяжелый элемент оганесон, названный в честь научного руководителя нашей лаборатории академика Юрия Оганесяна. Разумеется, в этом деле кроме арифметики есть своя высшая математика, о которой нельзя рассказать в двух словах.

Для слияния атомов в ОИЯИ запустили новый ускоритель ДЦ-280, как любят говорить ученые,— это сердце «Фабрики». Здесь создают очень интенсивные пучки кальция-48, которые врезаются в мишень и тем самым создают новые элементы. За последние две недели здесь получили порядка 30 успешных столкновений ядер, то есть больше двух, как говорят ученые, событий в день.

— Сейчас мы проводим эксперимент по синтезу и изучению свойств сверхтяжелого московия — элемента с атомным номером 115,— рассказывает Сергей Сидорчук.

Одна из загадок, которую пытаются решить ученые в Дубне, связана с фундаментальными вопросами устройства мира. Так, обычно элементы в таблице Менделеева занимают свое место в зависимости от атомной массы и свойств, которые меняются в каждом ряду от металла к инертному газу. Однако на сверхтяжелых элементах эта система работать перестала. У «сверхтяжелых» свои правила. Какие — пока непонятно, ведь некоторые из них существуют всего доли секунды, а потом распадаются. Возможно, приблизиться к разгадке удастся уже в следующем году.

«Ломоносов» не спит

Московский государственный университет

Кто действительно никогда не перестает думать, так это суперкомпьютеры — огромные машины с мощностью, в тысячи раз превышающей домашние ПК. Сразу два таких суперустройства сейчас работают в МГУ: «Ломоносов» и «Ломоносов-2». Вычисления на этих машинах не прекращаются ни на минуту. Одновременно здесь могут решать огромное количество задач. Например, в этом году на «Ломоносове» проводят масштабные расчеты для поиска лекарства от коронавируса. В работе используется метод докинга — молекулярного моделирования.

— Обычно при поиске лекарств ищется химическое соединение, которое обладает каким-то определенным свойством. Например, может блокировать активность нужного белка или изменять свойства части вируса,— рассказывает ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ Сергей Жуматий.— На «Ломоносове-2» и его предшественниках исследования возможных компонентов для противовирусных препаратов велись очень давно, и многие из них уже существуют в виде прототипов лекарств. Но процесс этот пока очень медленный. Ведь мало найти нужное вещество, необходимо еще научиться его синтезировать с определенной чистотой, провести тестирование на токсичность и побочные эффекты и так далее. В итоге обычно от компьютерного расчета до появления нового лекарства проходит около 10 лет.

При решении задачи суперкомпьютер разбивает ее на множество небольших фрагментов, так называемую сетку, и обсчитывает их. При этом части сетки постоянно обмениваются информацией. Это можно сравнить с большим офисом, где каждый занят своими задачами, но постоянно информирует коллег о своих результатах.

По большому счету, суперкомпьютеры вполне самостоятельны. Люди нужны для того, чтобы обслуживать машину, тестировать и заменять оборудование. Все это делается днем, а ночью оба «Ломоносова» работают в гордом одиночестве. Однако совсем бросить машины на произвол судьбы нельзя: за ними постоянно присматривает автоматика, а администраторы удаленно получают всю необходимую информацию о состоянии суперкомпьютеров.

— Если возникают проблемы, мы получаем оповещения через sms, мессенджеры или email,— поделился Сергей Жуматий.— При необходимости срочно приезжаем, чтобы исправить что-то на месте, но такое бывает крайне редко, большинство операций выполняется удаленно.

Щит и клетка

Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН

Представьте, что у ликвидаторов и пожарных, работавших на Чернобыльской АЭС после аварии, были бы абсолютно эффективные средства защиты от радиации. Например, «прививка от радиации». Звучит как фантастика, однако это уже не совсем так.

В Лаборатории роста клеток и тканей Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН нашли вещество, которое защищает от излучения. Это наночастицы диоксида церия.

Интересно, что обычно это соединение используют в промышленности в антикоррозионных покрытиях как огнеупорный и абразивный материал.

Ученые обрабатывают диоксидом церия клетки мышей, а затем подвергают их радиационному облучению. Оказывается, что обработанные клетки выживают в два раза чаще, чем клетки в контрольной группе. Сходный результат подтвердился и на мышах. Грызунам сделали инъекции «чудо-частиц», а затем подвергли смертельной дозе радиации. Выжили 60 процентов испытуемых — это большой успех.

— В первую очередь эта работа важна для людей, которые подвергаются облучению во время лечения онкологических заболеваний,— рассказывает старший научный сотрудник лаборатории Антон Попов.— Здоровые ткани пациента страдают так же, как и опухоль, ведь они тоже подвергаются облучению. Последствия облучения плохо лечатся, поэтому мы будем пытаться применять новое соединение для лечения таких поражений кожи и мягких тканей.

Клетки для экспериментов растут в специальных инкубаторах, где поддерживаются особые условия: температура 37 градусов, 5 процентов углекислого газа и влажность 97 процентов. Это очень похоже на те условия, в которых клетки живут внутри человека. При этом для разных типов клеток исследователи подбирают свои условия. Например, стволовые клетки любят пониженное содержание кислорода: всего 2–5 процентов против обычных 20 процентов.

— Наиболее чувствительны к условиям нейроны и стволовые клетки. Например, если какой-то параметр нарушен, стволовые клетки могут начать спонтанно превращаться в другой тип клеток,— поделился биофизик.

В инкубаторах клетки находятся под постоянным присмотром ученых. Каждый день исследователи проверяют скорость роста, правильность микроокружения, проводят анализ морфологии — внешнего вида и строения клеток. Доверить такую работу электронике нельзя. Хотя такие установки и существуют, но стоят они очень дорого, поэтому пока ученым приходится самостоятельно следить за своими подопечными.

Меньше потрясений

Единая геологическая служба РАН

Где бы в мире ни произошло землетрясение или извержение вулкана, об этом сразу узнают геологи из Единой геологической службы РАН. Здесь ведется непрерывный круглосуточный сейсмический мониторинг: чувствительные сейсмографы фиксируют колебания земной коры от движений тектонических плит, а ученые интерпретируют полученные данные. Важно знать, вызовет ли такое землетрясение разрушительное цунами или последствия будут не столь критичны. Но можно ли предсказать само землетрясение?

Долгое время удавалось делать только долгосрочные прогнозы, которые основывались на знании специфики региона. То есть Москва, расположенная на равнине, скорее всего будет в безопасности, а тектонически активной Японии лучше быть начеку. Но куда важнее краткосрочные прогнозы. Пока таких методик нет, ученым не удается подобрать необходимый набор признаков, которые бы указывали на вероятное землетрясение даже с точностью прогноза погоды.

Но у геологов из Камчатского филиала Единой геологической службы РАН получилось приблизиться к разгадке. Изучая гидрогеологические скважины на территории Камчатки, исследователи нашли взаимосвязь между аномальным изменением состава воды в скважинах и сейсмической активностью. «Предвестники» землетрясений магнитудой 6,6–7,8 балла появлялись за несколько месяцев вблизи и на среднем удалении от будущего сдвига. По оценкам Камчатского филиала Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений, с помощью «предвестников» удалось успешно предсказать шесть сильных землетрясений, которые произошли в период с 2004 по 2016 год.

Но сейсмология занимается не только землетрясениями. Например, в геофизической обсерватории «Карымшина» есть современный сейсмо-инфразвуковой комплекс, который умеет обнаруживать лавины. С его помощью можно изучать разрушение ледников, сход оползней, извержения вулканов и многое другое.

Геологи с помощью сейсмографов буквально слышат землю. В советское время такую чувствительность сейсмографов использовали для геологоразведки. В шахты опускали ядерный заряд, подрывали его и по характеру распространявшихся колебаний определяли границы залегания разных типов пород, поскольку через разные материалы ударная волна идет с разной скоростью.

Сегодня благодаря чувствительности сейсмографов ученые знают о проведении подземных ядерных испытаний. В 2016 году скандал возник вокруг информации о подобных экспериментах в Северной Корее: сейсмографы во всем мире уловили колебания земной коры, которые говорят о возможном испытании водородной бомбы.