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후속 데이터를 통해 이러한 물체가 엄청나게 멀리 떨어져 있다는 것이 분명해졌습니다. 우리에게 가장 가까운 것들도 빛이 도달하는 데 120억년이 걸렸습니다. 우주를 건너는 것도 시간을 거슬러 올라가는 것이기 때문에 우리는 그 물체들이 빅뱅 이후 대략 18억년 전인 120억년 전에 나타난 모습으로 보게 됩니다.

초기 이론은 거대하고 젊은 은하를 가리킨다

이 발견은 어려운 질문을 불러일으켰습니다. 천문학적 관측을 해석하기 위해 연구자들은 다양한 유형의 물체가 어떻게 생겼는지 설명하는 모델에 의존합니다. 천문학자들은 별을 중력에 의해 결합되어 핵융합을 통해 에너지를 생성하는 거대한 플라즈마 구체로 이해하기 때문에 자신 있게 별을 식별할 수 있습니다. 그들은 또한 이미지와 스펙트럼으로 알려진 빛의 상세한 측정에서 별이 어떻게 나타나는지 알고 있습니다. 물체의 모양과 스펙트럼이 모두 일치하면 안정적으로 분류할 수 있습니다.

작은 빨간 점들은 어떤 익숙한 범주와도 일치하지 않았기 때문에 천문학자들은 좀 더 극단적인 설명을 고려하기 시작했습니다. 초기 제안 중 하나는 이 물체가 두꺼운 먼지 층으로 인해 붉은 색을 띠는 엄청난 수의 별들로 가득 찬 비정상적으로 밀도가 높은 은하라고 제안했습니다. 이 밀도를 시각화하려면 각 면이 1광년인 입방체 안에 태양계를 배치한다고 상상해 보세요. 우리 우주 지역에서 그 입방체에는 태양만 포함될 것입니다. 제안된 은하계에서는 동일한 입방체에 수십만 개의 별이 들어 있을 것입니다.

은하수에서는 중심 핵만이 별의 밀도를 거의 비교할 수 없을 만큼 갖고 있으며, 그 지역에는 여전히 작은 빨간 점 모델에 필요한 별의 약 1000분의 1만 포함되어 있습니다. 만약 이 은하들이 빅뱅 이후 10억 년이 채 지나지 않아 태양 질량에 해당하는 수천억 개의 별들을 실제로 담고 있다면, 은하가 어떻게 형성되는지에 대한 기본 이론에 도전하게 될 것입니다. 공동 저자인 Bingjie Wang(Penn State University)은 “그런 은하의 밤하늘은 눈부시게 밝을 것입니다. 만약 이 해석이 유효하다면, 이전에 한 번도 관찰된 적이 없는 특별한 과정을 통해 별이 형성되었음을 의미합니다.”라고 말했습니다.

은하인가 활동적인 은하핵인가? 과학적 격차

논쟁이 빠르게 나타났습니다. 일부 연구자들은 별이 풍부하고 먼지가 많은 은하 아이디어를 선호하는 반면, 다른 연구자들은 작은 빨간 점들이 실제로 많은 양의 먼지로 가려진 활성 은하 핵이라고 주장했습니다. 활성 은하 핵은 물질이 은하 중심 블랙홀로 나선을 그리며 극도로 뜨거운 강착 원반을 형성할 때 발생합니다. 그러나 이 해석에도 문제가 있었다. 작은 붉은 점들의 스펙트럼은 알려진 먼지로 붉어지는 활성 은하 핵과 크게 달랐습니다. 이 시나리오에서는 JWST가 감지한 작은 빨간 점의 수를 고려할 때 이러한 물체가 매우 큰 질량을 가진 초거대 블랙홀을 호스팅해야 하며 그 수가 예상보다 훨씬 많습니다.

의견 차이에도 불구하고 천문학자들은 한 가지 점에 동의했습니다. 미스터리를 풀기 위해서는 더 많은 데이터가 필요했습니다. 초기 JWST 연구 결과는 이미지를 제공했지만 물리학을 이해하려면 물체가 다양한 파장에서 방출하는 빛의 양을 나타내는 스펙트럼이 필요했습니다. 주요 망원경의 시간 경쟁이 치열하기 때문에 그러한 관측을 확보하는 것은 어렵습니다. 작은 빨간 점의 의미가 분명해지자 많은 그룹이 관찰 시간을 요청하기 시작했습니다. 성공적인 제안 중 하나는 Max Planck Institute for Astronomy의 Anna de Graaff가 이끄는 RUBIES 프로그램이었습니다. 이는 “Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey”의 약자입니다.

RUBIES 설문조사를 통해 극단적인 예가 밝혀졌습니다.

2024년 1월부터 12월까지 RUBIES 팀은 거의 60시간에 달하는 JWST 시간을 사용하여 4,500개의 먼 은하에 대한 스펙트럼을 수집하여 지금까지 가장 큰 JWST 분광 데이터 세트 중 하나를 생성했습니다. Raphael Hviding(MPIA)에 따르면, “그 데이터 세트에서 우리는 35개의 작은 빨간 점을 발견했습니다. 그 중 대부분은 이미 공개적으로 사용 가능한 JWST 이미지를 사용하여 발견되었습니다. 그러나 새로운 것은 가장 극단적이고 매혹적인 물체로 밝혀졌습니다.” 가장 놀라운 발견은 2024년 7월에 이루어졌습니다. 그들은 “절벽”이라고 명명한 엄청나게 먼 사례로, 그 빛은 우리에게 도달하기 위해 119억 년을 여행했습니다(적색편이 z=3.55). 그 특성은 그것이 작은 빨간 점 집단을 특히 강력하게 대표하고 따라서 그들에 관한 이론을 테스트하는 데 중요한 개체임을 시사했습니다.

Cliff라는 이름은 스펙트럼의 극적인 특징 때문에 붙여졌습니다. 일반적으로 자외선 영역에서 스펙트럼은 매우 가파른 상승을 보였습니다. 우주의 팽창으로 인해 그 파장은 원래 값의 거의 5배로 늘어나 우주적 적색편이라고 불리는 과정인 근적외선에 놓이게 되었습니다. 이러한 급격한 상승을 “발머 브레이크(Balmer break)”라고 합니다. 발머 틈은 일반 은하, 특히 새로운 별이 거의 없거나 전혀 형성되지 않는 은하에서 나타나지만 절벽에서 본 것보다 훨씬 약합니다.

알려진 모든 설명 테스트하기

비정상적으로 날카로운 Balmer 브레이크는 The Cliff를 작은 빨간 점에 대한 두 가지 주요 해석과 상충되게 만들었습니다. De Graaff와 그녀의 동료들은 그 특징을 재현하려고 시도하면서 물체의 스펙트럼에 대해 광범위한 은하계와 활동은하핵 모델을 테스트했습니다. 모든 모델이 실패했습니다.

Anna de Graaff는 “The Cliff의 극단적인 특성으로 인해 우리는 다시 초기 단계로 돌아가 완전히 새로운 모델을 생각해내게 되었습니다.”라고 말합니다. 이 무렵, 중국과 영국 연구자들의 2024년 9월 연구에서는 일부 발머 브레이크 특징이 별이 아닌 다른 출처에서 나올 수 있다고 제안했습니다. De Graaff의 팀은 관련 아이디어를 스스로 고려하기 시작했습니다. 발머 단절은 매우 뜨겁고 어린 단일 별의 스펙트럼뿐만 아니라 그러한 별이 많이 포함된 은하에서도 나타날 수 있습니다. 이상하게도 The Cliff는 전체 은하계의 스펙트럼보다 하나의 매우 뜨거운 별의 스펙트럼과 더 유사했습니다.

새로운 모델 등장: 블랙홀 별(BH)*

이 아이디어를 바탕으로 de Graaff와 그녀의 동료들은 BH*로 표기된 “블랙홀 별”이라고 부르는 새로운 개념을 도입했습니다. 이 모델에서 중앙 엔진은 강착 원반이 있는 초거대 블랙홀을 포함하는 활성 은하 핵이지만, 전체 시스템은 먼지 대신 방출된 빛을 붉게 만드는 두꺼운 수소 가스층으로 둘러싸여 있습니다. BH* 물체는 중심에 핵융합이 없기 때문에 진정한 별이 아닙니다. 그들 주변의 가스는 일반적인 별의 대기에서 발견되는 그 어떤 것보다 훨씬 더 격동적입니다. 그래도 기본적인 물리적 상황은 비슷합니다. 활성 은하 핵은 핵융합이 별의 외부 층을 가열하는 방식과 유사한 방식으로 주변 가스 봉투를 가열하여 유사한 외관을 생성합니다.

팀이 제시한 모델은 초기 개념 증명 역할을 합니다. 아직 데이터와 완벽하게 일치하지는 않지만 이전 모델보다 관찰된 특징을 더 성공적으로 재현합니다. The Cliff라는 이름에 영감을 준 스펙트럼의 가파른 상승은 활성 은하 핵 주위의 밀도가 높고 구형이며 난류인 가스 봉투로 설명될 수 있습니다. 이 해석이 정확하다면 절벽은 중앙 블랙홀 별이 지배하는 극단적인 경우를 나타내는 반면, 다른 작은 빨간 점들은 BH* 빛과 주변 별 및 가스의 빛이 다양한 혼합으로 포함되어 있을 것입니다.

빠른 초기 은하 성장에 대한 시사점

BH* 개체가 실제라면 또 다른 오랜 수수께끼를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다소 작은 중간 질량 블랙홀에 대한 초기 이론적 연구에서는 이와 같은 가스로 둘러싸인 구성이 초기 우주에서 매우 빠른 블랙홀 성장을 가능하게 할 수 있다고 제안했습니다. JWST는 이미 초기에 비정상적으로 거대한 블랙홀에 대한 증거를 공개했습니다. 만약 초대질량 블랙홀 별이 비슷한 방식으로 성장한다면, 그들은 급속한 성장을 설명하는 새로운 메커니즘을 제공할 수 있을 것입니다. BH* 물체가 이를 달성할 수 있는지 여부는 여전히 불확실하지만, 만약 가능하다면 초기 은하 진화 모델에 큰 영향을 미칠 것입니다.

이러한 유망한 통찰력에도 불구하고 주의가 필요합니다. 결과는 완전히 새로운 것이며 동료 검토 저널에 승인된 후에만 과학 연구를 보고하는 표준 관행을 따릅니다. 이러한 아이디어가 널리 받아들여질지 여부는 앞으로 몇 년 동안 수집된 추가 증거에 달려 있습니다.

남아있는 미스터리와 미래의 관찰

새로운 발견은 The Cliff의 극단적인 발머 브레이크(Balmer break)를 설명할 수 있는 최초의 모델을 제공함으로써 중요한 진전을 의미합니다. 그러나 그들은 또한 새로운 질문을 제기합니다. 애초에 어떻게 그런 블랙홀 별이 형성될 수 있었습니까? (특히 블랙홀이 가스를 소비하고 어떻게든 보충되어야 하기 때문에) 특이한 가스 봉투가 오랜 기간 동안 지속될 수 있도록 하는 것은 무엇입니까? The Cliff의 다른 스펙트럼 특성은 어떻게 발생합니까?

이러한 문제를 해결하려면 이론적 모델링과 더 많은 관찰이 필요합니다. De Graaff 팀은 이미 The Cliff와 기타 특히 흥미로운 작은 빨간 점을 표적으로 삼아 내년에 JWST 후속 관찰을 계획하고 있습니다.

이러한 미래 연구는 블랙홀 별이 실제로 초기 은하계를 형성하는 데 역할을 했는지 여부를 결정하는 데 도움이 될 것입니다. 가능성은 흥미롭지만 확정된 것과는 거리가 멀다.

배경 및 연구팀

여기에 설명된 연구는 A. de Graaff et al., “놀라운 루비: 진화된 별이 아닌 밀도 높은 가스에서의 흡수가 z = 3.5에서 작은 빨간 점의 극단적인 발머 브레이크를 구동합니다”로 출판이 승인되었습니다. 천문학 및 천체 물리학. RUBIES 조사에서 얻은 더 넓은 Little Red Dots 샘플을 제시하는 Raphael Hviding이 주도한 동반 논문도 같은 저널에 “RUBIES: A spectroscopic census of little red dots — V자형 연속체를 가진 모든 점 광원에는 넓은 선이 있습니다.”라는 제목으로 출판되었습니다.

참여한 연구원으로는 Max Planck Institute for Astronomy의 Anna de Graaff, Hans-Walter Rix 및 Raphael E. Hviding과 Gabe Brammer(Cosmic Dawn Center), Jenny Greene(Princeton University), Ivo Labbe(Swinburne University), Rohan Naidu(MIT), Bingjie Wang(Penn State University 및 Princeton University) 및 기타 공동 작업자가 있습니다.

그들의 연구는 네이처커뮤니케이션즈.

정보 전송을 위한 작은 플랫폼으로서의 양자점

IHFG 대표이자 IHFG 대변인인 Peter Michler 교수는 “세계 최초로 두 개의 서로 다른 양자점에서 발생하는 광자 간에 양자 정보를 전달하는 데 성공했습니다.”라고 말했습니다. Quantenrepeater.Net (QR.N) 연구 프로젝트. 이것이 왜 중요한지 이해하려면 의사소통이 어떻게 이루어지는지 살펴보는 것이 도움이 됩니다. 누군가 WhatsApp 메시지를 보내든 비디오를 스트리밍하든 데이터는 항상 0과 1에 의존합니다. 양자 통신은 비슷한 아이디어를 따르지만 개별 광자가 정보 전달자 역할을 합니다. 0 또는 1은 광자의 편광 방향(즉, 수평 및 수직 방향 또는 두 상태의 중첩 방향)을 통해 인코딩됩니다. 광자는 양자역학에 따라 행동하기 때문에 탐지 가능한 흔적을 남기지 않고서는 광자의 편광을 측정할 수 없습니다. 메시지를 가로채려는 모든 시도가 노출됩니다.

광섬유용 양자 네트워크 준비

또 다른 중요한 문제는 오늘날의 인터넷 인프라와의 호환성과 관련이 있습니다. 저렴한 양자 인터넷은 현재 사용되는 것과 동일한 광섬유에 의존합니다. 그러나 광섬유를 통해 이동하는 빛은 제한된 거리에서만 전송될 수 있습니다. 기존 신호는 광 증폭기를 사용하여 대략 50km마다 새로 고쳐집니다. 양자 정보는 증폭되거나 복사될 수 없습니다. 이는 이 접근 방식이 작동하지 않음을 의미합니다. 대신, 양자 물리학은 정보 자체가 알려지지 않은 한 한 광자에서 다른 광자로 정보를 전송할 수 있게 해줍니다. 이 현상을 양자 순간이동이라고 합니다.

장거리 전송용 양자중계기 개발

양자 순간이동을 활용하기 위해 과학자들은 양자 정보가 광섬유에서 사라지기 전에 갱신할 수 있는 양자 중계기를 설계하고 있습니다. 이러한 중계기는 양자 인터넷에서 필수 노드로 작동합니다. 그것들을 만드는 것은 어려웠습니다. 순간 이동을 위해서는 광자가 타이밍 및 색상과 같은 속성이 거의 동일해야 합니다. 이러한 광자를 생성하는 것은 별도의 소스에서 나오므로 어렵습니다. IHFG의 과학자이자 이번 연구의 제1저자인 팀 스트로벨(Tim Strobel)은 “다른 양자점에서 나온 빛 양자는 너무 어렵기 때문에 이전에 순간이동된 적이 없었다”고 말했다.

QR.N의 일환으로 그의 팀은 서로 밀접하게 일치하는 광자를 방출하는 반도체 광원을 개발했습니다. Strobel은 “이러한 반도체 섬에는 원자처럼 특정한 고정된 에너지 준위가 존재합니다.”라고 말했습니다. 이 설정을 통해 잘 정의된 특성을 가진 개별 광자를 생성할 수 있습니다. “드레스덴에 있는 라이프니츠 고체 및 재료 연구 연구소의 우리 파트너는 최소한으로만 다른 양자점을 개발했습니다”라고 그는 덧붙입니다. 이를 통해 서로 다른 두 위치에서 거의 동일한 광자를 생성할 수 있습니다.

서로 다른 소스의 광자 간 정보 순간 이동

슈투트가르트 대학에서 연구진은 광자의 편광 상태를 하나의 양자점에서 두 번째 양자점에 의해 생성된 광자로 성공적으로 순간이동시켰습니다. 한 점은 단일 광자를 방출하고 다른 점은 얽힌 광자 쌍을 생성합니다. “얽힘”은 두 광자가 물리적으로 떨어져 있을 때에도 단일 양자 상태를 공유한다는 것을 의미합니다. 쌍의 광자 하나가 두 번째 양자점으로 이동하여 광자와 상호 작용합니다. 두 개가 겹칠 때, 그 중첩은 원래 광자의 정보를 얽힌 쌍의 멀리 있는 파트너에게 전달합니다.

이 성과의 핵심 요소는 광자 간의 작은 주파수 불일치를 조정하는 장치인 “양자 주파수 변환기”를 사용하는 것이었습니다. 이 변환기는 자를란트 대학교(Saarland University)의 양자 광학 전문가인 Christoph Becher 교수가 이끄는 팀이 설계했습니다.

더 먼 거리와 더 높은 정확도를 향한 노력

Michler는 “서로 다른 양자점의 광자 간에 양자 정보를 전송하는 것은 더 먼 거리를 연결하는 중요한 단계입니다.”라고 설명합니다. 이번 실험에서는 두 개의 양자점을 약 10m 길이의 광섬유로 연결했다. “그러나 우리는 훨씬 더 먼 거리를 달성하기 위해 노력하고 있습니다”라고 Strobel은 말합니다.

이전 연구에서는 이미 양자점 광자 사이의 얽힘이 슈투트가르트 도심을 통과하는 36km 전송에서 살아남을 수 있음을 보여주었습니다. 팀은 또한 현재 70%를 조금 넘는 순간이동 성공률을 높이는 것을 목표로 하고 있습니다. 각 양자점 내의 변화는 여전히 광자에 작은 불일치를 유발합니다.

“우리는 반도체 제조 기술을 발전시켜 이를 줄이고 싶습니다”라고 Strobel은 말합니다. IHFG의 그룹 리더이자 연구 코디네이터 중 한 명인 Simone Luca Portalupi 박사는 “이 실험을 달성하는 것은 오랜 야망이었습니다. 이러한 결과는 수년간의 과학적 헌신과 진보를 반영합니다. 기초 연구에 초점을 맞춘 실험이 어떻게 실제 응용을 향한 첫 걸음을 내딛는지 보는 것은 매우 흥미롭습니다.”라고 덧붙였습니다.

양자중계기 기술 구축을 위한 범국가적 노력

양자 중계기에 대한 연구는 “연방 연구 기술 우주부(BMFTR)로부터 자금을 지원받습니다.Quantenrepeater.Net (QR.N)” 프로젝트입니다. 자를란트 대학이 조정한 QR.N 네트워크에는 광섬유 네트워크에서 양자 중계기 기술을 개발하고 테스트하기 위해 협력하는 대학, 연구 기관 및 업계의 42개 파트너가 포함되어 있습니다. 이 프로그램은 BMFTR(이전 BMBF)의 지원을 받는 이전 “Quantenrepeater.Link(QR.X)” 이니셔티브의 결과를 기반으로 하며, 이는 2021년부터 2024년까지 전국적인 양자 중계기의 기반을 마련하는 데 도움이 되었습니다. 슈투트가르트 대학의 과학자들은 두 가지 노력 모두에서 중심적인 역할을 해왔습니다.

양자 순간이동 실험은 드레스덴의 라이프니츠 고체 및 재료 연구 연구소(IFW)와 자를란트 대학의 양자 광학 연구 그룹의 도움을 받아 반도체 광학 및 기능 인터페이스 연구소(IHFG)의 주도하에 수행되었습니다.

인간은 놀라울 정도로 쉽게 새로운 상황과 정보에 적응할 수 있습니다. 익숙하지 않은 컴퓨터 소프트웨어를 배우고, 새로운 방법을 시도하고, 새로운 게임의 규칙을 알아내는 것은 사람들에게 종종 빠르게 일어나는 반면, AI 시스템은 일반적으로 실시간으로 적응하고 “즉시” 효과적으로 학습하는 데 어려움을 겪습니다.

새로운 연구에서 프린스턴 대학의 신경과학자들은 이러한 차이에 대한 한 가지 주요 이유를 확인했습니다. 인간의 두뇌는 다양한 상황에서 동일한 인지 “블록”을 반복적으로 재사용하여 이를 결합하고 재결합하여 새로운 행동 패턴을 형성합니다.

이번 연구의 수석 저자이자 프린스턴 신경과학 연구소 부소장인 Tim Buschman 박사는 “최첨단 AI 모델은 개별 작업에 대해 인간 또는 심지어 초인적인 성능에 도달할 수 있습니다. 그러나 다양한 작업을 배우고 수행하는 데 어려움을 겪습니다.”라고 말했습니다. “우리는 뇌가 다양한 작업에서 인지 구성 요소를 재사용할 수 있기 때문에 유연성이 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 ‘인지 레고’를 함께 연결함으로써 뇌는 새로운 작업을 구축할 수 있습니다.”

이 연구는 11월 26일 저널에 게재되었습니다. 자연.

구성성: 새로운 상황에서 기술을 재사용

자전거 튜닝 방법을 이미 알고 있는 사람이라면 오토바이 수리 방법을 배우는 것이 더 간단하게 느껴질 수 있습니다. 관련 경험을 통해 얻은 단순하고 친숙한 기술을 바탕으로 새로운 기술을 구축하는 능력을 구성성이라고 합니다.

“빵을 굽는 방법을 이미 알고 있다면 처음부터 굽는 방법을 다시 배우지 않고도 이 능력을 사용하여 케이크를 굽을 수 있습니다”라고 프린스턴 부쉬먼 연구실의 박사후 연구원이자 새로운 연구의 주저자인 시나 타파졸리(Sina Tafazoli) 박사는 말했습니다. “오븐 사용, 재료 측정, 반죽 반죽 등 기존 기술을 재활용하고 반죽 휘젓기, 프로스팅 만들기 등의 새로운 기술과 결합하여 완전히 다른 것을 만들 수 있습니다.”

지금까지 뇌가 이러한 종류의 유연하고 구성적인 사고를 정확히 어떻게 지원하는지에 대한 증거는 제한적이었고 때로는 상충되기도 했습니다.

더 명확한 그림을 얻기 위해 Tafazoli는 수컷 붉은털원숭이 두 마리에게 두뇌 활동을 기록하면서 세 가지 관련 작업을 수행하도록 훈련시켰습니다.

시각적 분류 작업으로 유연성 테스트

빵 굽기나 자전거 수리 같은 실제 직업 대신 동물들에게 세 가지 시각적 분류 작업을 수행하도록 요청했습니다. 화면에서 그들은 일련의 다채로운 풍선 모양의 덩어리를 보았습니다. 그들의 임무는 각 얼룩이 토끼처럼 보이는지 또는 문자 “T”(모양 분류)처럼 보이는지 또는 더 빨간색으로 보이는지 또는 더 녹색으로 보이는지(색상 분류) 결정하는 것이었습니다.

도전은 생각보다 어려웠습니다. 얼룩은 차이점이 얼마나 명확한지에 따라 다양했습니다. 일부 이미지는 확실히 토끼와 비슷하거나 선명한 빨간색인 반면, 다른 이미지는 모호하여 카테고리를 구분하기 위해 신중한 판단이 필요했습니다.

모양이나 색상에 대한 결정을 보고하기 위해 각 원숭이는 화면의 네 가지 방향 중 하나를 보면서 답을 표시했습니다. 예를 들어, 작업의 한 버전에서 왼쪽을 보는 것은 동물이 얼룩이 토끼라고 판단하는 것을 의미하고 오른쪽을 보는 것은 그것이 “T”처럼 보인다는 신호를 나타냅니다.

실험의 중요한 부분은 각 작업마다 고유한 특정 규칙이 있으면서도 여전히 주요 구성 요소를 다른 작업과 공유한다는 것입니다.

색상 작업 중 하나와 모양 작업에서는 동물들이 자신의 선택을 나타내기 위해 동일한 방향을 보도록 요구했으며, 두 색상 작업 모두 원숭이에게 색상을 동일한 방식(빨간색 또는 녹색)으로 분류하되 색상 판단 신호를 보낼 때(색상 분류) 다른 방향을 보도록 요청했습니다.

이 설계를 통해 연구원들은 작업이 특정 기능을 공유할 때마다 뇌가 동일한 신경 패턴 또는 인지 구성 요소를 재사용하는지 여부를 확인할 수 있었습니다.

재사용 가능한 인지 블록의 허브인 전두엽 피질

뇌 활동 패턴을 조사한 후 Tafazoli와 Buschman은 높은 수준의 사고와 의사 결정에 관여하는 뇌 앞부분인 전두엽 피질에 몇 가지 반복되는 활동 패턴이 포함되어 있음을 발견했습니다. 이러한 패턴은 뉴런 그룹이 색상 구별과 같은 공통 목표를 위해 함께 작동할 때마다 나타났습니다.

Buschman은 이러한 패턴을 뇌의 “인지 레고”라고 불렀습니다. 이는 유연하게 결합되어 다양한 행동을 생성할 수 있는 빌딩 블록 세트입니다.

Buschman은 “나는 컴퓨터 프로그램의 기능과 같은 인지 블록을 생각합니다”라고 말했습니다. “한 세트의 뉴런은 색상을 구별할 수 있으며 그 출력은 행동을 유도하는 다른 기능에 매핑될 수 있습니다. 이러한 조직은 해당 작업의 각 구성 요소를 순차적으로 수행하여 뇌가 작업을 수행할 수 있도록 합니다.”

예를 들어, 색상 작업 중 하나의 경우 뇌는 이미지의 색상을 결정하는 블록과 눈의 움직임을 특정 방향으로 안내하는 또 다른 블록을 조립합니다. 동물이 유사한 눈 움직임을 사용하면서 색상 대신 모양을 판단하는 등 다른 작업으로 전환하면 뇌는 동일한 눈 움직임에 대한 블록과 함께 모양 처리를 위한 블록을 활성화했습니다.

이러한 블록 공유는 주로 전두엽 피질에서 나타났으며 다른 뇌 영역에서는 같은 정도로 나타나지 않았습니다. 이번 발견은 이러한 유형의 구성성이 전두엽 피질의 독특한 특징일 수 있음을 시사합니다.

초점을 선명하게 하기 위해 블록을 켜고 끄기

Tafazoli와 Buschman은 또한 전두엽 피질이 필요하지 않을 때 특정 인지 블록을 조용하게 하는 것처럼 보인다는 사실도 관찰했습니다. 이는 뇌가 주어진 순간에 가장 관련성이 높은 작업에 집중하는 데 도움이 될 것입니다.

Tafazoli는 “뇌의 인지 조절 능력은 제한되어 있습니다.”라고 말했습니다. “현재 중요한 기능에 집중할 수 있도록 일부 능력을 압축해야 합니다. 예를 들어 모양 분류에 초점을 맞추면 목표가 색상이 아니라 모양 식별이기 때문에 색상을 인코딩하는 능력이 일시적으로 감소합니다.”

다양한 블록을 선택적으로 활성화하고 억제함으로써 뇌는 과부하를 피하고 현재 목표에 초점을 맞춘 성능을 유지할 수 있습니다.

인지 레고, AI 및 정신 건강

이러한 인지 레고는 왜 사람들이 종종 새로운 작업을 그토록 빠르게 선택할 수 있는지 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 뇌는 항상 처음부터 시작할 필요는 없습니다. 대신 기존의 정신 구성 요소를 활용하고 이를 재결합하며 현재 AI 시스템에는 일반적으로 부족한 전략인 작업 중복을 피할 수 있습니다.

Tafazoli는 “머신러닝의 주요 문제는 치명적인 간섭입니다.”라고 말했습니다. “기계나 신경망이 새로운 것을 학습하면 이전 기억을 잊어버리고 덮어씁니다. 인공 신경망이 케이크 굽는 방법을 알지만 쿠키 굽는 법을 배우면 케이크 굽는 방법을 잊어버리게 됩니다.”

AI에 구성성을 통합하면 결국 인공 시스템의 학습이 더욱 인간과 유사해지며, 오래된 기술을 삭제하지 않고도 시간이 지남에 따라 새로운 기술을 습득할 수 있습니다.

동일한 원칙이 의학에도 영향을 미칠 수 있습니다. 정신분열증, 강박 장애, 일부 형태의 뇌 손상을 포함한 많은 신경학적, 정신적 질환으로 인해 사람들이 새로운 상황에서 기존 기술을 적용하는 것이 어려울 수 있습니다. 이러한 문제는 뇌가 인지 구성 요소를 더 이상 원활하게 재결합할 수 없을 때 발생할 수 있습니다.

Tafazoli는 “사람들이 전략을 바꾸고, 새로운 루틴을 배우거나, 변화에 적응하는 능력을 회복하도록 도울 수 있다고 상상해 보십시오.”라고 말했습니다. “장기적으로 뇌가 지식을 어떻게 재사용하고 재결합하는지 이해하면 해당 과정을 복원하는 치료법을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.”

연구 자금은 국립 보건원(R01MH129492, 5T32MH065214)에서 제공되었습니다.

브라운슈바이크, 브레멘, 프리부르 팀과 협력하여 괴팅겐 대학이 주도한 새로운 연구에서는 그래핀이 훨씬 더 많은 기능을 수행할 수 있음을 보여줍니다. 처음으로 과학자들은 그래핀에서 “Floquet 효과”를 직접 관찰했습니다. 이 발견은 오랜 과학적 질문을 해결합니다. 광 펄스가 물질의 특성을 정확하게 수정하는 기술인 Floquet 공학은 그래핀과 같은 금속 및 반금속 양자 물질에서도 기능할 수 있습니다. 이 연구는 자연물리학.

그래핀의 플로케(Floquet) 상태에 대한 직접적인 증거

이러한 효과를 조사하기 위해 팀은 연구원들이 전자 동작의 매우 빠른 변화를 포착할 수 있는 방법인 펨토초 운동량 현미경을 사용했습니다. 그래핀 샘플은 빠른 빛의 폭발로 조명된 다음 지연된 펄스로 검사되어 초단시간 동안 전자가 어떻게 반응하는지 추적했습니다.

이번 연구의 제1저자인 괴팅겐 대학의 마르코 머볼트(Marco Merboldt) 박사는 “우리의 측정은 그래핀의 광전자 방출 스펙트럼에서 ‘플로케 효과’가 발생한다는 것을 명확하게 입증했습니다. “이것은 Floquet 엔지니어링이 실제로 이러한 시스템에서 작동한다는 것을 분명히 하며, 이 발견의 잠재력은 엄청납니다.” 그들의 결과는 Floquet 엔지니어링이 광범위한 재료에 효과적이라는 것을 보여줍니다. 이를 통해 과학자들은 매우 짧은 간격 내에 레이저 펄스를 사용하여 특정 특성을 가진 양자 물질을 형성하는 능력에 더 가까워졌습니다.

미래 기술을 위한 광 제어 양자 소재

이러한 정밀도로 재료를 조정할 수 있으면 미래의 전자 제품, 컴퓨터 및 첨단 센서의 토대가 마련될 수 있습니다. 괴팅겐에서 스테판 마티아스(Stefan Mathias) 교수와 함께 이 프로젝트를 주도한 마르셀 로이첼(Marcel Reutzel) 교수는 다음과 같이 설명합니다. “우리의 결과는 빛으로 양자 물질의 전자 상태를 제어하는 ​​새로운 방법을 열었습니다. 이는 전자가 표적화되고 제어된 방식으로 조작되는 기술로 이어질 수 있습니다.”

Reutzel은 계속해서 다음과 같이 말합니다. “특히 흥미로운 점은 이를 통해 토폴로지 특성을 조사할 수 있다는 것입니다. 이는 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터 또는 미래를 위한 새로운 센서를 개발할 수 있는 큰 잠재력을 갖는 특별하고 매우 안정적인 특성입니다.”

이번 연구는 괴팅겐대학교 공동연구센터 ‘원자 규모에서의 에너지 변환 제어’를 통해 독일연구재단(DFG)의 지원을 받았습니다.

이러한 효과를 조사하기 위해 연구자들은 잘 알려진 축구와 유사한 분자인 “Buckminsterfullerene” C60에 눈을 돌렸습니다. 하이델베르그의 막스 플랑크 핵 물리학 연구소(MPIK)와 드레스덴의 막스 플랑크 복잡계 물리학 연구소(MPI-PKS)의 팀은 베를린의 막스 보른 연구소(MBI)의 협력자들과 스위스, 미국, 일본의 그룹과 협력하여 C60을 실험적으로, 이론적으로 연구했습니다. SLAC 국립 가속기 연구소(National Accelerator Laboratory)의 LCLS(Linac Coherent Light Source)에서의 실험은 강력한 레이저 장에 노출되었을 때 C60이 어떻게 반응하는지에 대한 최초의 직접적인 이미지를 생성했습니다.

X선 회절이 분자 변화에 대해 밝혀주는 것

강한 적외선(IR) 레이저 펄스에 대한 분자의 반응을 해석하기 위해 연구팀은 결과적인 X선 회절 패턴을 분석했습니다. 이 패턴에서 그들은 두 가지 주요 매개변수, 즉 (평균) 반경을 추출했습니다. 아르 자형 분자와 Guinier 진폭의 에이. Guinier 진폭은 X선 산란 신호의 강도를 반영하며 N에 따라 달라집니다.²는 산란 중심 역할을 하는 원자의 제곱(유효) 수입니다. 하는 동안 아르 자형 분자와 그 단편의 팽창이나 변형을 추적합니다. 에이 결과 조각의 크기를 포함하여 조각화에 대한 통찰력을 제공합니다.

낮은 강도에서 분자는 눈에 띄는 조각화가 시작되기 전에 먼저 확장되며, 이는 Guinier 진폭이 지연되고 완만하게 감소하는 것으로 반영됩니다. 중간 강도에서는 확장 단계 이후 X선 이미지에서 관찰되는 반경이 감소합니다. 이 변화는 더 작은 조각으로부터의 산란을 나타내며 Guinier 진폭의 약간 지연된 하락과 일치하여 많은 분자가 이미 분해되었음을 확인합니다.

가장 높은 레이저 출력에서 ​​빠른 전자 손실

가장 높은 강도에서 분자는 빠르게 팽창하는 반면, 강한 레이저 펄스의 시작 부분에서는 Guinier 진폭이 떨어집니다. 이러한 갑작스러운 변화는 거의 모든 외부 원자가(결합) 전자가 상호작용 초기에 제거된다는 것을 보여줍니다. 모델 계산은 이러한 빠르고 강력한 반응을 재현하여 분자가 레이저 장에서 격렬한 “킥”을 경험한다는 아이디어를 뒷받침합니다.

낮은 강도와 ​​중간 강도의 경우 이론적 모델은 실험 동작의 일부만 포착합니다. 모델은 분자의 주기적인 “호흡” 운동(동영상 참조)으로 인해 발생하는 반경과 진폭 모두의 진동을 예측하지만 측정된 데이터에는 이 운동이 전혀 없습니다. 과학자들이 원자 위치에 영향을 미치는 초고속 가열 메커니즘을 추가했을 때 수정된 모델은 실험과 더욱 밀접하게 일치했습니다. 이 결과는 분자가 강렬한 레이저 장에 어떻게 반응하는지 정확하게 설명하기 위해서는 실험적, 이론적 작업이 계속되어야 함을 보여줍니다.

이러한 복잡한 시스템에서는 완전한 양자 역학적 처리가 아직 불가능하기 때문에 강력한 레이저 노출 하에서 여러 전자가 어떻게 이동하는지 이해하는 것은 여전히 ​​어렵습니다. C60에서 촬영한 것과 같은 X선 영상은 점점 더 크고 복잡해지는 분자에서 기본적인 양자 과정을 탐구하기 위한 중요한 테스트 기반을 제공합니다. 이러한 통찰력은 정밀하게 형성된 레이저 필드를 사용하여 화학 반응을 유도하려는 장기적인 노력을 지원합니다.

뉴캐슬 대학교와 버밍엄 대학교의 과학자들은 테플론(PTFE)을 재활용하기 위한 깨끗하고 에너지 절약적인 프로세스를 만들었습니다. 테플론은 붙지 않는 조리기구와 고온 및 가혹한 화학 물질을 견뎌야 하는 제품에서 역할을 하는 것으로 널리 알려져 있습니다.

연구팀은 버려진 테플론을 실온에서 독성 용매 없이 나트륨 금속과 흔들어서 기계적 움직임만으로 분해하고 재사용할 수 있다는 사실을 발견했습니다.

그들의 연구는 미국화학회지(JACS)표준 불소 회수 기술에 대한 저에너지 및 폐기물 없는 대안을 설명합니다.

유용한 불화물을 회수하기 위해 탄소-불소 결합을 깨뜨림

뉴캐슬 대학교 화학 강사이자 교신 저자인 Roly Armstrong 박사는 다음과 같이 말했습니다: “우리가 발견한 공정은 테플론의 강한 탄소-불소 결합을 깨뜨려 이를 불소 치약에 사용되고 식수에 첨가되는 불화 나트륨으로 전환시킵니다.

“매년 전 세계적으로 수십만 톤의 테플론이 생산됩니다. 테플론은 윤활유부터 조리기구 코팅까지 모든 분야에 사용되며 현재 이를 제거할 수 있는 방법은 거의 없습니다. 이러한 제품의 수명이 다해 버리면 현재 매립지에 버려집니다. 하지만 이 공정을 통해 불소를 추출하여 유용한 신소재로 업사이클할 수 있습니다.”

버밍엄 대학교 부교수 Dr. Erli Lu는 다음과 같이 덧붙였습니다. “불소는 현대 생활의 필수 요소입니다. 모든 신약의 약 3분의 1과 많은 첨단 재료에서 발견됩니다. 그러나 불소는 전통적으로 에너지 집약적이고 심하게 오염된 채광 및 화학 공정을 통해 얻어집니다. 우리의 방법은 일상 폐기물에서 불소를 회수하고 직접 재사용할 수 있음을 보여줍니다. 이를 통해 폐기 문제를 자원 기회로 전환할 수 있습니다.”

PTFE 재활용이 어려운 이유

테플론이라고도 불리는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 열과 화학물질에 대한 저항성이 뛰어나 조리기구, 전자제품, 실험실 도구의 핵심 소재로 사용됩니다. 그러나 이러한 동일한 장점으로 인해 재활용이 극도로 어려워졌습니다.

PTFE가 연소되거나 소각되면 ‘영원한 화학물질'(PFAS)로 알려진 잔류 오염물질이 방출되어 수십 년 동안 생태계에 남아 있습니다. 결과적으로 전통적인 폐기 방법은 환경 및 공중 보건에 심각한 위험을 초래합니다.

기계화학은 보다 깨끗한 발전 경로를 제공합니다

이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 기계적 힘이 고열이 아닌 화학 반응을 일으키는 지속 가능한 접근 방식인 기계화학을 사용했습니다.

볼밀이라고 불리는 밀봉된 강철 용기 안에 작은 나트륨 금속 조각이 테프론과 함께 분쇄됩니다. 이렇게 분쇄하면 재료가 실온에서 반응하여 테플론 내의 탄소-불소 결합이 파괴되고 불소 치약에 널리 사용되는 안정한 염인 불화나트륨과 함께 무해한 탄소가 생성됩니다.

또한 연구팀은 이 방법을 통해 생성된 불화나트륨을 별도의 정제 과정 없이 즉시 사용하여 의약품, 진단 도구, 특수 화학물질에 사용되는 다른 귀중한 불소 함유 화합물을 합성할 수 있음을 입증했습니다.

고급 NMR 분석으로 깨끗한 반응 확인

버밍엄 대학의 고체 핵자기공명(NMR) 팀을 이끄는 부교수인 Dominik Kubicki 박사는 다음과 같이 설명했습니다. “우리는 버밍엄의 전문 기술 중 하나인 고급 고체 NMR 분광법을 사용하여 원자 수준에서 반응 혼합물 내부를 관찰했습니다. 이를 통해 공정이 부산물 없이 깨끗한 불화나트륨을 생성한다는 것을 증명할 수 있었습니다. 이는 최첨단 재료 특성화가 어떻게 진행을 가속화할 수 있는지 보여주는 완벽한 예입니다. 지속가능성을 향해.”

순환형 불소 경제를 향하여

이번 발견은 불소가 폐기 과정에서 손실되는 대신 산업 폐기물에서 회수될 수 있는 순환 시스템을 가리킵니다. 이러한 모델은 의학, 전자 및 재생 에너지 시스템에서 필수적인 역할을 하는 불소 기반 화학 물질이 환경에 미치는 영향을 크게 줄일 수 있습니다.

Lu 박사는 “우리의 접근 방식은 간단하고 빠르며 저렴한 재료를 사용합니다.”라고 말했습니다. “우리는 이것이 다른 종류의 불소화 폐기물 재사용에 대한 추가 연구에 영감을 주고 중요한 불소 함유 화합물의 생산을 보다 지속 가능하게 만드는 데 도움이 되기를 바랍니다.”

이 연구는 또한 녹색 화학에서 기계화학의 역할이 확대되고 있음을 강조합니다. 이 신흥 분야는 고온 또는 용매가 많이 사용되는 반응을 기계적 동작으로 대체하여 지속 가능한 혁신을 위한 새로운 기회를 열어줍니다.

Kubicki 박사는 다음과 같이 덧붙였습니다. “이 연구는 재료 화학과 첨단 분광학을 결합한 학제간 과학이 어떻게 가장 지속성 있는 플라스틱 중 하나를 다시 유용한 것으로 바꿀 수 있는지를 보여줍니다. 이는 지속 가능한 불소 화학을 향한 작지만 중요한 단계입니다.”

빛의 속도에 가깝게 움직이는 고에너지 입자인 우주선(Cosmic Ray)은 은하수 내부와 우주의 더 먼 지역에서 도착하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 그들의 구체적인 기원 지점은 1912년 발견 이후 불분명한 상태로 남아 있습니다. MSU의 물리학 및 천문학 조교수인 Shuo Zhang과 그녀의 연구팀은 이 입자들이 어디에 형성되었는지에 대한 새로운 단서를 제공하는 두 가지 연구를 수행했습니다. 이번 연구 결과는 최근 알래스카 앵커리지에서 열린 미국천문학회 제246차 회의에서 공개됐다.

이러한 빠르게 움직이는 입자는 블랙홀, 별 형성 영역 또는 폭발한 별의 잔해와 같은 극한 환경에서 생성되었을 수 있습니다. 이러한 사건은 중성미자(우주와 지구를 지속적으로 통과하는 작고 질량이 거의 없는 입자)를 생성할 수 있습니다.

Zhang은 “우주선은 당신이 생각하는 것보다 지구상의 생명체와 훨씬 더 관련이 있다”고 말했습니다. “블랙홀처럼 멀고 먼 곳에서 온 약 100조 개의 우주 중성미자가 1초마다 당신의 몸을 통과합니다. 그것이 어디서 왔는지 알고 싶지 않나요?”

자연에서 가장 극단적인 입자 가속기 탐색

우주선을 생성하는 소스는 인간이 만든 가장 진보된 입자 가속기가 도달할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 에너지로 양성자나 전자를 추진할 수 있을 만큼 강력합니다. Zhang의 그룹은 PeVatron이라고 불리는 이러한 천연 가속기를 이해하는 데 중점을 두고 그것이 무엇인지, 어디에 위치하는지, 어떻게 입자를 놀라운 에너지로 증폭시키는지를 결정합니다. 이러한 과정에 대한 통찰력을 얻는 것은 과학자들이 은하 형성과 암흑 물질의 본질에 관한 더 광범위한 질문을 해결하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

PeVatron 후보자에 대한 X-Ray 연구에서 얻은 새로운 통찰력

최신 출판물에서 Zhang과 그녀의 학생들은 출신이 아직 확인되지 않은 PeVatron 후보를 조사했습니다. 첫 번째 연구에서 박사후 연구원인 Stephen DiKerby는 대형 고고도 공기 샤워 관측소(LHAASO)에서 발견한 수수께끼의 고에너지원을 조사했습니다. LHAASO가 소스를 감지했지만 그 정체는 아직 알려지지 않았습니다. DiKerby는 XMM-뉴턴 우주 망원경의 X선 관측을 사용하여 펄서 바람 성운(펄서에서 에너지를 받는 에너지 전자와 입자로 가득 찬 확장 영역)을 식별했습니다. 이 발견으로 후보가 펄서풍 성운 형태의 우주선 공급원임을 확인했습니다. 소수의 PeVatron만이 이런 방식으로 분류되었습니다.

추가 LHAASO 소스에 대한 학생 주도 관찰

두 번째 연구는 MSU 학부생 Ella Were, Amiri Walker 및 Shaan Karim이 수행했습니다. 그들은 NASA의 Swift X선 망원경을 사용하여 덜 연구된 여러 LHAASO 우주선 소스의 X선 신호를 조사했습니다. X선 방출의 상한을 계산함으로써 그 결과는 유사한 물체에 대한 향후 조사를 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Zhang은 “우주 광선 소스를 식별하고 분류함으로써 우리의 노력은 분류와 함께 우주선 소스의 포괄적인 카탈로그를 제공할 수 있기를 바랍니다”라고 말했습니다. “이는 미래의 중성미자 관측소와 기존 망원경이 입자 가속 메커니즘에 대해 보다 심층적인 연구를 수행할 수 있는 유산이 될 수 있습니다.”

중성미자, X선, 감마선 관측 결합

Zhang의 팀은 다음으로 IceCube Neutrino Observatory 데이터를 X선 및 감마선 망원경의 결과와 병합하여 우주선 소스를 조사할 예정입니다. 그들의 목표는 일부 우주선 소스가 중성미자를 방출하는 반면 다른 우주선은 그렇지 않은 이유를 이해하고 해당 중성미자가 생성되는 위치와 방법을 정확히 찾아내는 것입니다.

Zhang은 “이 연구는 입자 물리학자와 천문학자 간의 협력을 요구할 것”이라고 말했습니다. “이것은 MSU 고에너지 물리학 그룹을 위한 이상적인 프로젝트입니다.”

이 연구는 여러 NASA 관측 보조금과 국립 과학 재단 IceCube 분석 보조금의 지원을 받습니다.

요하네스 구텐베르크 마인츠 대학교(JGU)의 연구원들은 이제 널리 이용 가능하고 저렴한 원소인 망간으로 만들어진 새로운 금속 복합체를 만들었습니다. JGU 화학과의 Katja Heinze 교수는 “이 금속 복합체는 광화학 분야의 새로운 표준을 제시합니다. 이는 기록적인 여기 상태 수명과 간단한 합성을 결합한 것입니다.”라고 설명했습니다. “따라서 이는 오랫동안 빛 중심 화학을 지배해 온 귀금속 착물에 대한 강력하고 지속 가능한 대안을 제공합니다.” 이 연구는 최근에 게재되었습니다. 네이처커뮤니케이션즈.

고성능 망간 복합체를 향한 한 단계 경로

망간은 지구상에서 루테늄보다 100,000배 이상 더 흔하지만 광화학 시스템에서 성공적으로 사용된 경우는 거의 없습니다. 이를 방해하는 두 가지 주요 장애물이 있습니다. 대부분의 망간 착물은 9~10단계를 포함하는 길고 복잡한 합성을 필요로 하며 일반적으로 들뜬 상태 수명이 매우 짧습니다.

초기 합성을 수행한 Heinze 그룹의 전 박사과정 학생인 Nathan East 박사는 “새로 개발된 망간 착물은 두 가지 과제를 모두 극복했습니다. 팀은 단일 합성 단계에서 상업적으로 이용 가능한 성분으로부터 직접 재료를 만들었습니다.

복합체의 거동을 미세 조정하기 위해 연구진은 망간을 전자 특성을 조정하는 리간드와 결합했습니다. 막스플랑크 대학원센터(MPGC) 하인제 그룹의 박사과정 학생 시절 이 복합체를 조사한 산드라 크로넨베르거(Sandra Kronenberger)에 따르면, 무색 망간염과 무색 리간드를 혼합하면 잉크와 비슷한 예상치 못한 강렬한 보라색 용액이 생성됐다. 그녀는 이 눈에 띄는 색상이 복합체가 특이한 방식으로 형성되었음을 나타냄을 지적했습니다.

양자 화학 계산에 기여한 Christoph Förster 박사는 이 복합체가 단순히 이상하게 보이는 것 이상의 역할을 한다고 강조했습니다. 빛을 흡수하는 능력이 매우 강하여 들어오는 빛 입자를 포착할 가능성이 매우 높습니다. 그 결과, 탁월한 효율성으로 빛 에너지를 사용합니다.

흥분 상태 행동 기록 설정

“190나노초라는 복합체의 수명도 놀랍습니다. 이는 철이나 망간과 같은 일반적인 금속을 포함하는 이전에 알려진 복합체보다 두 배 더 긴 것입니다.”라고 발광 분광학을 사용하여 여기 상태가 어떻게 작용하는지 분석한 선임 분광학자인 Robert Naumann 박사는 말했습니다. 광화학에서 빛은 촉매에 에너지를 공급하고 여기된 촉매는 전자를 전달하기 위해 확산을 통해 다른 분자를 만나야 합니다. 이 만남은 몇 나노초가 걸릴 수 있기 때문에 오래 지속되는 여기 상태가 필수적입니다.

연구원들은 또한 이 복합체가 이 핵심 단계를 수행한다는 것을 확인했습니다. Heinze 교수는 “우리는 광반응의 초기 생성물, 즉 발생한 전자 이동을 감지할 수 있었고 이를 통해 복합체가 원하는 대로 반응한다는 것을 증명할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

확장 가능한 청정 에너지 광화학의 잠재력

이러한 발전은 지속 가능한 광화학 시스템의 가능성을 넓혀줍니다. 간단하고 확장 가능한 합성, 강력한 광 흡수, 안정적인 광물리적 특성 및 수명이 긴 여기 상태를 갖춘 망간 기반 물질은 미래의 대규모 광화학 응용 분야를 지원할 수 있습니다. 이러한 역량은 지속 가능한 수소 생산과 관련된 기술에 특히 유망할 수 있습니다.

이전 연구에서 WPI-ICReDD 과학자들은 포스핀 리간드와 쌍을 이루는 팔라듐 촉매가 아릴 케톤의 광 활성화(빛을 발산하여 활성화되는 반응) 변환을 유도할 수 있지만 동일한 시스템이 알킬 케톤에는 작동하지 않는다는 것을 보여주었습니다. 그들의 데이터는 알킬 케틸 라디칼이 잠시 형성되었음을 나타냅니다. 그러나 이러한 라디칼은 유용한 반응이 진행되기 전에 즉시 전자를 팔라듐 중심으로 되돌려보냈는데, 이는 역전자 이동(BET)으로 알려진 현상입니다. 그 결과 출발물질은 변하지 않았다.

전통적인 팔라듐 기반 촉매작용과 유사하게, 광여기 팔라듐 촉매의 거동은 금속에 부착된 포스핀 리간드에 크게 의존합니다. 연구팀은 올바른 리간드를 선택하면 알킬 케톤과의 반응성이 해제될 수 있다고 의심했습니다. 어려움은 규모였습니다. 수천 개의 포스핀 리간드가 존재하며 익숙하지 않은 반응에 대해 실험적으로 스크리닝하는 것은 느리고 노동 집약적이며 불필요한 화학 폐기물을 생성합니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구자들은 후보 리간드의 범위를 좁히기 위해 컴퓨터 화학으로 전환했습니다. 그들은 WPI-ICReDD의 마츠오카 와타루 부교수와 마에다 사토시 교수가 개발한 가상 리간드 보조 스크리닝(VLAS) 접근법을 사용했습니다. 38개의 포스핀 리간드에 VLAS를 적용한 이 방법은 전자 및 입체 특성을 분석하여 각 리간드가 원하는 반응성을 얼마나 잘 촉진할 수 있는지 예측하는 히트 맵을 생성했습니다.

이러한 예측에 따라 팀은 실험실 테스트를 위해 세 가지 리간드를 선택했으며 궁극적으로 L4가 가장 효과적인 옵션인 트리스(4-메톡시페닐)포스핀(P(p-OMe-C₆시간₄)₃). 이 리간드는 BET를 성공적으로 억제하여 알킬 케톤이 케틸 라디칼을 생성하고 고수율 변환에 참여할 수 있도록 했습니다.

결과 방법은 화학자에게 알킬 케틸 라디칼을 사용하여 작업할 수 있는 접근 가능한 방법을 제공하고 VLAS가 새로운 화학 반응의 개발 및 최적화를 신속하게 안내할 수 있는 방법을 보여줍니다.

“인간을 포함한 대부분의 살아있는 유기체는 우주의 진공 상태에서는 단 한 순간이라도 생존할 수 없습니다”라고 홋카이도 대학의 후지타 토모미치(Tomoichi Fujita)는 말합니다. “그러나 이끼 포자는 9개월 동안 직접 노출된 후에도 활력을 유지했습니다. 이는 지구에서 진화한 생명체가 세포 수준에서 우주 조건을 견딜 수 있는 고유한 메커니즘을 보유하고 있다는 놀라운 증거를 제공합니다.”

이끼가 지구 너머에서도 살아남을 수 있는지 묻는 질문

Fujita는 식물 진화를 연구하면서 “우주 이끼”의 가능성을 탐구하기 시작했습니다. 그는 지구상에서 가장 혹독한 환경에서도 이끼가 서식하는 능력에 깊은 인상을 받았습니다. “나는 궁금해지기 시작했습니다. 작지만 놀랍도록 튼튼한 이 식물이 우주에서도 살아남을 수 있을까요?”

조사를 위해 Fujita 팀은 폭로했습니다. 개방형 물리학흙이끼 확산이라고도 알려진 를 강렬한 UV 복사, 극도로 높은 온도와 낮은 온도, 진공과 같은 조건을 특징으로 하는 시뮬레이션된 우주 환경으로 보냅니다.

이끼 구조 테스트 아래에 극심한 스트레스

연구자들은 프로테네마타(어린 이끼), 새끼 세포(스트레스 유발 줄기 세포), 포자체(캡슐화된 포자)의 세 가지 이끼 형태를 비교했습니다. 그들은 어떤 구조가 공간을 지탱할 가능성이 가장 큰지 확인하는 것을 목표로 했습니다.

Fujita는 “진공, 우주 방사선, 극심한 온도 변동 및 미세 중력을 포함한 우주의 결합된 응력이 단일 응력보다 훨씬 더 큰 손상을 일으킬 것으로 예상했습니다.”라고 말합니다.

그들의 실험에서는 UV 방사선이 가장 큰 위협이 되었으며 포자체는 분명히 다른 구조보다 성능이 뛰어났음을 보여주었습니다. 어린 이끼는 강한 자외선 노출이나 극한의 온도에서는 살아남지 못했습니다. 무리 세포는 더 나아졌지만 여전히 부족했습니다. 대조적으로, 봉입된 포자는 ~1,000배 더 큰 UV 내성을 나타냈으며 -196°C에서 일주일 이상, 또는 55°C에서 한 달 동안 견뎌낸 후에도 발아 능력을 유지했습니다.

에워싸인 포자가 가혹한 조건을 견디는 이유

연구팀은 각 포자의 주변 구조가 유해한 자외선을 흡수하고 물리적, 화학적 보호 기능을 제공할 가능성이 높다고 결론지었습니다. 그들은 이 보호 기능이 이끼를 포함하는 식물 그룹인 고대 선태류가 약 5억년 전에 물에서 땅으로 이동하고 반복되는 대량 멸종에서 살아남는 데 도움이 되었을 수 있다고 제안합니다.

이러한 적응이 실제 공간에서 유지되는지 확인하기 위해 연구자들은 포자체를 궤도로 보냈습니다.

실제 시험을 위해 ISS에 Moss 출시

2022년 3월, 수백 마리의 포자체가 Cygnus NG-17 우주선을 타고 ISS로 이동했습니다. 도착 후 우주비행사들은 샘플을 정거장 외부에 장착하여 283일 동안 우주에 노출시켰습니다. 표본은 나중에 2023년 1월 SpaceX CRS-16을 타고 지구로 돌아와 분석을 위해 실험실로 다시 가져왔습니다.

“우리는 생존율이 거의 0일 것으로 예상했지만 결과는 정반대였습니다. 대부분의 포자가 생존했습니다.”라고 Fujita는 말했습니다. “우리는 이 작은 식물 세포의 탁월한 내구성에 진심으로 놀랐습니다.”

강력한 생존과 건강한 지구 복귀

포자의 80% 이상이 전체 여행을 견뎌냈고, 생존자 중 11%를 제외한 모든 포자가 실험실에서 성공적으로 발아했습니다. 엽록소 측정 결과, 감광성 화합물인 엽록소 a가 20% 감소한 것을 제외하고는 거의 모든 색소에서 정상 수준을 보였습니다. 이러한 감소에도 불구하고 포자는 건강하게 유지되었습니다.

“이 연구는 지구에서 시작된 생명의 놀라운 회복력을 보여줍니다.”라고 Fujita는 말합니다.

또한 팀은 유사한 조건에서 포자가 얼마나 오래 지속될 수 있는지 추정하는 수학적 모델을 구축하기 위해 데이터를 사용했습니다. 그들의 계산에 따르면 잠재적인 생존 기간은 최대 5,600일, 즉 약 15년으로 추정되지만 확고한 결론을 내리려면 더 많은 데이터가 필요하다고 강조했습니다.

지구 너머의 생명 성장에 대한 시사점

연구원들은 이러한 발견이 외계 토양이 어떻게 식물의 생명을 유지할 수 있는지에 대한 향후 연구를 뒷받침하고 외계 환경을 위한 농업 시스템 개발에 이끼를 사용하려는 노력을 장려하기를 희망합니다.

“궁극적으로 우리는 이 연구가 달이나 화성과 같은 외계 환경에서 생태계를 구축하는 데 새로운 지평을 열기를 희망합니다”라고 Fujita는 말합니다. “우리의 이끼 연구가 그 출발점이 되기를 바랍니다.”

이 연구는 DX 장학금 홋카이도 대학, JSPS KAKENHI 및 국립 자연 과학 연구소의 우주 생물학 센터의 지원을 받았습니다.