首次看清太阳表面几十公里的细节！怎么越看越像……鸡蛋液？？

科

牧心2026年08月22日约 13 分钟

本期导读

太阳表面发现城市大小的漩涡；
银河系中心黑洞角动量被捕捉；
智能鞋子比运动手环聪明得多；
胸腺嘧啶帮核酸背紫外线的锅；
卡车大的南美鳄在沼泽里做窝。

太阳表面的微型漩涡

在离我们1.5亿公里的太阳光球层上，每一秒都在上演着尺度仅几十公里的剧烈撕扯。最近，借助世界最强大的太阳望远镜，科学家第一次清晰地拍到了这些微观风暴。

丹尼尔·井上太阳望远镜（DKIST）是美国国家科学基金会斥巨资建造的世界上首台4米级光学红外太阳望远镜，分辨率高到能从地球上分辨出太阳表面约19公里的结构，相当于在180公里外分辨出一枚硬币。

丹尼尔·井上太阳望远镜（图片来源：NSO/AURA/NSF）

这台望远镜对准了太阳上的一个活跃区NOAA 14060，也就是靠近黑子的强磁场地带，在416纳米蓝光波段连续观测了3分钟。

结果令研究团队震惊：在以往看似平滑的磁场“米粒组织”边缘，竟然密密麻麻地分布着无数小型漩涡，相邻漩涡的特征间距通常在65公里左右，KHI波长则从25公里到170公里不等。这些涡旋结构并非静止，而是以每秒0.67到3公里的速度沿磁场边界“奔跑”。

团队进一步分析发现，涡旋其实是等离子体在磁场边界处被剪切流“卷”出来的产物——正是物理学上著名的开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）。

结合数值模拟和理论分析，团队将这些涡旋识别为磁化的开尔文–亥姆霍兹不稳定性。模拟显示，米粒组织中的等离子体流在磁场边界形成强烈的水平速度剪切，从而为KHI提供了条件。

KHI这个概念由英国物理学家开尔文勋爵和德国物理学家亥姆霍兹在19世纪提出。通俗地说，当两层流速不同的流体相遇时，界面处会产生剪切力，就像风吹过水面会掀起波浪一样，界面会被卷成一系列涡旋。云层中出现的不规则波浪云就是KHI效应导致的。

而在太阳光球层，情况要更加复杂。这里不仅有高速流动的等离子体，还有强磁场。磁场本身可能抑制KHI，但效果取决于磁场与流动的方向。在这次观测的区域，强磁场大致竖直，而速度剪切主要发生在水平方向，因此磁场并没有有效压制这种不稳定性。

本次研究的关键突破在于三点：

第一，分辨率够高。DKIST的4米口径让它第一次真正“看见”了尺度仅数十公里的涡旋结构。

第二，模拟能对上。研究团队用MURaM磁流体动力学代码搭建了高分辨率数值模型，网格精度达到3.2公里，合成的416纳米图像与实际观测高度吻合。

第三，理论也能对上。根据模拟得到的剪切层厚度、速度差等参数，经典KHI线性理论预测最容易增长的结构波长约为60—100公里，与观测到的约65公里特征尺度高度一致。

KHI可能是日冕加热问题的潜在关键环节。日冕的温度高达百万度，远高于下方光球层，这是困扰科学家的“圣杯”问题。KHI通过扭曲磁场边界产生磁通量编织，可能促进非平衡磁结构形成，进而通过磁场重联释放能量。这一链条为解释日冕的神秘加热提供了一种新思路。

太阳表面布满了直径19公里的微型漩涡（图片来源：nature.com）

课代表总结：意思是说太阳还是个自来卷？

参考文献：

Kuridze, D., Wöger, F., van Noort, M. et al. Ubiquitous Kelvin–Helmholtz instabilities driving plasma mixing on the Sun. Nature 656, 595–601 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10871-3

银河系中心的黑洞有望露出真面目

一般认为，在银河系的中心是一个质量约为太阳430万倍的超大质量黑洞。在离它最近的地方，有一群以极快的速度围绕它运动的恒星，被称为S星。

长期以来，天文学家通过这些恒星的轨道，精确称量了黑洞的质量，验证了爱因斯坦广义相对论中的引力红移和轨道进动。但有一个核心参数，一直未能直接测量——黑洞的自旋，也就是描述它角动量大小和方向的参数。通俗来说，可以理解为这个黑洞转得有多快、朝哪个方向转。

2026年8月，《自然》杂志发表了一项突破性发现：由包括德国马克斯·普朗克地外物理研究所、巴黎天文台和欧洲南方天文台等机构在内的GRAVITY+国际合作团队，利用欧洲南方天文台甚大望远镜干涉仪上的GRAVITY仪器，在黑洞附近发现了一颗暗弱恒星，编号为S301。

这颗恒星的轨道参数令人惊叹：它绕银河系中心黑洞一圈的轨道周期仅8.7年，相比之下，太阳绕一圈需要2.5亿年。

在近心点，它与黑洞的距离仅为136—142个史瓦西半径，在这个极近的距离上，S301的瞬时速度飙升至约25000公里/秒，相当于光速的8.3%。

在广义相对论中，旋转的黑洞会拖曳周围的时空，产生一种称为“兰斯-蒂林进动”的效应。这种效应极其微弱，需要恒星轨道足够靠近黑洞才能被探测到。

而S301的极短周期和极近距，让它对人马座A*的自旋直接敏感。在未来十年内，结合GRAVITY+的精密天体测量和极大望远镜（ELT）上的MICADO仪器测得的视向速度，就有望从S301的轨道中测出黑洞的旋转角动量。这将是人类首次通过恒星动力学直接测量银河系中心黑洞的自转。

S301的亮度对应绝对K星等约2.28，可能是一颗晚A型至早F型主序星，质量约为太阳的1.1—1.5倍。它的半径只有太阳约1.4-1.6倍，的尺寸小到足以避免在近心点被黑洞的潮汐力撕碎，从而成为理想的相对论探针。

根据著名的“无毛定理”，黑洞只由三个物理量唯一确定：质量、电荷量以及角动量。一旦实验成功，这将是人类第一次通过恒星轨道动力学直接测量银河系中心黑洞的自旋。这一突破不仅能够检验无毛定理，也能够为我们提供非常重要的黑洞演化的相关知识。

数十颗恒星正在围绕银河系中央黑洞高速运转（艺术家效果图）（图片来源：science.org）

课代表总结：S星相对于中央黑洞，就像地球相对于太阳一样吧。

参考文献：

Abd El Dayem, K., Abuter, R., Aimar, N. et al. Discovery of a star sensitive to the spin of Sagittarius A*. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10894-w

智能鞋子，运动手环的“下一代”？

智能手表、运动手环早已走进千家万户，但有一个尴尬的矛盾始终无解：设备越聪明，耗电就越快。要想让可穿戴设备实时分析你的步态、识别运动模式、估算卡路里，就需要强劲的人工智能算法；而算法越复杂，电池就瘪得越快。

近日，罗格斯大学等团队在《科学进展》上发表了一项研究，给出了一份优秀答卷。他们研制出一双不依赖电池、靠走路自己发电的智能鞋，并能在本机上运行人工智能，实时分析步态。

这双智能鞋的奥秘，藏在鞋底的气垫里。研究人员嵌入了一块多层摩擦电换能器。当脚掌触地压缩、抬脚回弹时，鞋底材料间的摩擦会通过接触起电和静电感应产生电能。这套装置能产生 475 伏的开路电压和 3.8 微库仑的转移电荷，输出的电能最高可达 1.1 毫瓦。

它也能先用被动路径积累微小启动能量，再切换到高效返驰升压模式，在实验条件下，整个过程最快只需 5.95 秒。此后只要人体运动持续提供足够能量，就能在无需电池和外部充电的情况下工作。

一项重要的突破体现在功耗上。传统可穿戴边缘人工智能系统的功耗通常在 10~100 毫瓦量级。而这套智能鞋的端侧人工智能推理，功耗仅 86 微瓦。

这双鞋能做什么？在行走过程中，它会持续采集三轴加速度数据，每 15 秒为一个窗口，在本地完成运动模式识别、计步、卡路里消耗估算等功能。

所有结果直接显示在鞋面的超低功耗液晶屏上，用户随时低头即可查看。原始传感器数据无需上传云端，既保护隐私，又省下通信功耗。

步态包含丰富的运动功能信息。帕金森病等神经系统疾病、肌肉骨骼损伤和衰老，都可能在步态中留下变化，因此长期步态监测在疾病评估、康复和跌倒风险预测等领域具有潜在价值。

而传统设备受限于电池续航，往往几天就要充一次电，难以支撑真正的长期监测。这项研究证明，“智能”和“能源自主”可以在同一个可穿戴平台上共存。

智能鞋子能够更有效地检测人体步态（图片来源：参考文献）

课代表总结：这个项目，我课代表投了！

参考文献：

Fuying Dong et al. ,A biomimetic, ultralow-power edge-AI-empowered and self-sustaining gait analysis system.Sci. Adv.12,eaeh9625(2026).DOI:10.1126/sciadv.aeh9625

DNA用胸腺嘧啶代替尿嘧啶的深度原因

在生命DNA中，有一个看似违背常识的选择：DNA使用了结构更复杂的胸腺嘧啶（T）作为自己的成分，而放弃了尿嘧啶（U）。

DNA内部配对示意图（图片来源：Microbiology Class）

根据美国德州农工大学研究团队发表在《美国国家科学院院刊》上的最新光谱分析，早期地球的紫外环境，可能提供了选择压力。

研究发现，在265纳米紫外光照射下，胸腺嘧啶整体光化学变化的速率常数达0.174每分钟，高于尿嘧啶的0.064每分钟，反而更“怕晒”。这就像在烈日炎炎的海岸边，放弃一把普通的遮阳伞，换上一把更容易吸收阳光的厚雨伞。

这个悖论背后，可能藏着早期地球最残酷的生存压力。38亿到40亿年前，地球还没有完善的臭氧层保护，太阳光里的紫外线能够长驱直入。而在一些生命起源模型中，早期遗传分子可能曾在浅水、潮间带或其他接近地表的环境中演化。在这种环境下，谁能在紫外线下活得更久，谁就掌握了生命演化的主动权。

研究团队用吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱，对胸腺嘧啶和尿嘧啶进行了严格的265纳米紫外光照射对比。结果出乎意料：虽然胸腺嘧啶整体更易发生光化学变化，但与不可逆损伤通道相关的动力学参数仅为1.56每分钟，反而低于尿嘧啶的2.04每分钟。

换句话说，胸腺嘧啶更容易“受伤”，但它的损伤更倾向于走向另一种路径。它把大部分紫外线损伤引向了另一种叫环丁烷嘧啶二聚体（CPD）的损伤，而与另一类更难直接逆转的光产物相比，CPD至少存在通过光化学过程发生逆转的可能。

这就像两人同时受伤，一人受的是有机会自愈的皮外伤，另一人受的却是难以恢复的永久疤痕。在漫长的演化过程中，胸腺嘧啶可能因此获得一定的选择优势。

研究提出了一个观点：DNA的演化逻辑不只是尽量避免受伤，还包括让不可避免的损伤更多落在相对容易逆转的通道里。如果一定要打个比方，胸腺嘧啶就像一层精心设计的分子防晒霜，主动吸收强烈的紫外线，把损伤牢牢锁定在自己身上，从而保护了DNA骨架本体。

更有意思的是，胸腺嘧啶的吸收峰比尿嘧啶红移了6纳米，按照研究采用的早期地球紫外光谱模型，这一波段对应的太阳紫外辐射更强。也就是说，胸腺嘧啶虽然吸收了更多紫外能量，却可能通过不同的光化学路径，对这种能量作出了不同的“处理”。

这项研究提供了新的直接光谱证据，支持紫外光化学可能参与了胸腺嘧啶取代尿嘧啶的早期演化选择。它告诉我们，生命的演化智慧或许不是逃避伤害，而是把伤害引导到可控、可修复的范围。

在紫外线照射下，胸腺嘧啶（A）更容易生成可以被逆转的CPD（B），而不易生成逆转的6-4产物（D）（图片来源：参考文献）

课代表总结：牺牲小我，保护组织，我为胸腺嘧啶一哭。

参考文献：

K. Khosh Abady,N. Karpourazar, & P.M. Rentzepis, UV photodamage pathways and the evolutionary selection of thymine over uracil in early genetic systems, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (33) e2615278123, https://doi.org/10.1073/pnas.2615278123 (2026).

跟卡车一般大的鳄鱼，猎杀一头1.8吨重的巨兽

在哥伦比亚的塔塔科阿沙漠，有一处名叫拉文塔（La Venta）的化石宝库。1300万年前的中新世，这里不是沙漠，而是一片河网密布、湿地连片的雨林。

长期以来，古生物学家一直怀疑：在那个巨兽横行的时代，体长可达6.9米、体重近1.8吨的巨型凯门鳄类普鲁索鳄Purussaurus neivensis，很可能是顶级捕食者，但缺乏它们捕食当地大型有蹄类的直接化石证据。而在最近，由赫尔辛基大学奥斯卡·威尔逊领衔的国际团队在《脊椎动物古生物学杂志》上发表研究，首次从骨头上的咬痕里，逮到了这场远古猎杀的现场。

研究团队在拉文塔的四个博物馆藏品中，意外发现了带有可疑痕迹的大型动物化石。这些骨头上的痕迹，简直就是一部微型的猎杀纪录片。

在一块南蹄兽颅骨的额骨上，有一个直径达29.2毫米的圆形穿透孔，边缘还留有对称的顶点痕迹，只有具有嵴齿的鳄类才能留下。而普鲁索鳄粗壮的圆锥形前牙，基部直径可达30毫米以上，完美匹配这个孔洞。

同一南蹄兽的股骨上，留下了5个深达骨皮质的穿刺孔，伴随明显的骨骼变形和放射状骨折。根据新鲜骨头的抗压强度推算，制造这些伤痕的单齿咬合力高达1万牛顿以上。

在另一头估计体重在1.8吨的南方巨兽下颌上，研究人员识别出一系列平行的拖曳沟槽，其中一道强烈弯曲的钩状拖痕，与现代鳄鱼猛烈甩动猎物、甚至进行“死亡翻滚”（death roll）时留下的痕迹十分相似。

研究团队通过对比拉文塔所有的鳄形类，发现唯一符合所有条件的，就是巨型鳄类普鲁索鳄。更有意思的是，在那件阿斯戳普兽的下颌上，研究人员同时发现了两种截然不同的咬痕：深大的穿刺孔被认为来自普鲁索鳄的猎杀，而颊侧一系列平行细槽，则指向陆生的朗斯顿鳄，它很可能是这场死亡之后的“食腐客”。

这项研究的新颖之处，在于它用实物遗迹证实了之前仅停留在理论推演的假说：在南美洲“大互换”之前，由于缺乏大型胎盘类食肉哺乳动物，巨型鳄类确实承担了湿地生态系统中顶级捕食者的角色，而且它的捕食对象可以包括体重接近2吨的大型植食动物。

现代鳄鱼的行为模式，为我们理解这段远古猎杀提供了活生生的参照：它们会在水边伏击前来饮水的猎物，精准咬住头部或腿部，然后拖入水中淹死，必要时用“死亡翻滚”肢解猎物。普鲁索鳄的狩猎方式，想必与此类似，只是猎物尺寸放大到了犀牛级别。

1300万年后，当古生物学家在沙漠的岩石中端详这些带孔骨头时，那场惊心动魄的猎杀仿佛就在眼前：一只巨型南蹄兽慢悠悠走到水边低头饮水，下一秒，水花炸裂，血盆大口从水下暴起……这是中新世湿地最真实的弱肉强食，也是地球生命史诗中，被骨头默默记录下来的壮丽一页。

鳄鱼捕食南方巨兽的艺术家想象图（图片来源：science.org）

课代表总结：道理我都懂，只是这南方巨兽的表情为何如此安详？

参考文献：

Wilson, O. E., Moreno-Bernal, J. W., Suarez, C., Tovar, F. C., Vanegas, A., Vanegas, R., … Zonneveld, J. P. (2026). Physical evidence of crocodylian predation on ungulates in the Middle Miocene of Colombia. Journal of Vertebrate Paleontology. https://doi.org/10.1080/02724634.2026.2701154

作者简介

牧心，科普作者。