Soms kan wetenschap toevallig zijn.

Dat was zeker het geval toen voormalig UConn-professor Greg Huber een afbeelding in een natuurkundig tijdschrift tegenkwam die eruitzag als de gestapelde, gelijkmatig verdeelde lagen van een parkeergarage met meerdere verdiepingen. Een team van onderzoekers kondigde aan dat dergelijke structuren diep in de buitenste korst van neutronensterren kunnen bestaan ​​als een vorm van nucleaire pasta. (Daarover later meer.)

aan Huber, het beeld was iets heel anders. Het was een klassieke weergave van microscopische structuren gevonden in cellulair cytoplasma die hij en zijn UConn-collega's enkele jaren eerder hielpen ontdekken. In een artikel uit 2014, Huber noemde ze 'Terasaki-hellingen' naar UConn-celbioloog Mark Terasaki, zijn voormalige collega (en buurman van West Hartford), wie was de eerste die ze zag.

Maar deze nieuwe structuren waren ver van huis. Hoe de opvallend vergelijkbare vormen verschenen in zowel kleine levende cellen op aarde als massaal dichte levenloze neutronensterren op duizenden lichtjaren afstand, gefascineerd Huber. Hij nam contact op met de senior onderzoeker van de tijdschriftpublicatie, Charles Horowitz, een kernfysicus aan de Indiana University, die toevallig een van Hubers voormalige professoren was toen hij MIT bezocht. (Meer serendipiteit?)

Nadat Huber en Horowitz hadden gesproken, ze realiseerden zich de potentiële voordelen van een samenwerking. Hun onderzoek naar de structurele overeenkomsten verschijnt deze maand in het tijdschrift Fysieke beoordeling C .

"Ik heb hem (Horowitz) eigenlijk verteld dat we zeer vergelijkbare dingen zien in het endoplasmatisch reticulum van eukaryote cellen, " zegt Huber, een biofysicus van zachte materie die nu dienst doet als adjunct-directeur van het Kavli Institute for Theoretical Physics aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara. "We zien dezelfde gelijkmatig verdeelde platen die zijn verbonden door spiraalvormige hellingen (de parkeergarages). We zien ook vergelijkbare drieweg-buisverbindingen met hoeken van 120 graden, net zoals ze zagen."

Van de Terasaki-hellingen die in cellen worden aangetroffen, wordt aangenomen dat ze de eiwitsynthese helpen maximaliseren door een groter oppervlak te bieden voor ribosomen om samen te pakken en eiwitten te bouwen.

De 'parkeergarage'-structuren in neutronensterren lijken een heel andere rol te spelen.

Hoewel de structurele motieven van de neutronenster bijna identiek lijken aan die van Huber en Terasaki die in cellen worden gevonden, de fysieke schalen en energieniveaus zijn uit de hitlijsten. Neutronensterren worden gevormd wanneer grotere sterren sterven en op zichzelf instorten. Het zijn de kleinste en dichtste sterren waarvan bekend is dat ze bestaan. Het enige dat dichter is, is een zwart gat. De buitenste korst van een neutronenster is 14 ordes van grootte dichter dan de waterige omgeving van een cel. Het zwaartekrachtveld van de ster is 2×10¹¹ keer dat op aarde, en neutronensterren kunnen honderden keren per seconde roteren.

Biologie op celschaal is daarentegen gebaseerd op wat lijkt ons, een relatief alledaagse omgeving die wordt gedomineerd door de entropie van water en de assemblage van biomoleculen. De twee objecten kunnen niet meer van elkaar verschillen in termen van temperatuurschalen, druk schalen, lengte schalen, enzovoort., zegt Huber. Maar geometrisch, hun 'Terasaki ramp' parkeergarage-achtige structuren lijken hetzelfde.

"In de natuurkunde we zien vaak dat de natuur vergelijkbare vormen gebruikt, ook al zijn de onderliggende materialen totaal verschillend, ", zegt Huber. "Er is een patroon dat dieper gaat dan de details van de dingen waaruit het bestaat."

Het onderzoek van Huber en Horowitz riep intrigerende vragen op.

Een van hun eerste conclusies was dat de vormen van de Terasaki-helling net zo goed kunnen worden gedicteerd door de regels van de geometrie als iets anders, en kan onafhankelijk zijn van andere microscopische overwegingen.

Bij neutronensterren, de structuren kunnen de elektrische en thermische geleidbaarheid in de korst van de ster verminderen, invloed hebben op de manier waarop de korst afkoelt, en mogelijk een rol spelen bij het uiteindelijke verval van de magnetische velden van de ster, Huber en Horowitz zeggen. Of niet. Alternatief, door de gelaagde platen en spiraalvormige hellingen kunnen protonen door het buitenste systeem van de neutronenster dringen, waardoor het supergeleidend is.

Deze eerste studie, Huber zegt, is slechts het begin van een nieuwe weg voor onderzoek.

Met neutronensterren zo ver weg, kernfysici zoals Horowitz vertrouwen op geavanceerde computermodellering om hun verschillende theorieën te illustreren. De verschillende structuren die zijn geïdentificeerd in neutronensterren staan ​​bekend als 'nucleaire pasta' vanwege hun pasta-achtige vormen. Er is een lintachtige spaghettifase, een bladachtige lasagne-fase, en zelfs een compacte gnocchi-fase. De verschillende fasen vormen zich in een intens overgangsgebied tussen de buitenste schil van de ster en de ultradichte kern.

Maar nu er een verbinding is gemaakt met Terasaki-hellingen, kernfysici zouden ideeën moeten kunnen lenen uit de onderzoeken op celniveau die worden uitgevoerd om hun eigen modellering te verbeteren van hoe fysieke krachten iets zo groots en onbekends als neutronensterren vormgeven.

"Een manier om het te bekijken is dat de natuurkunde steeds weer structuren gebruikt, ", zegt Huber. "Het is bijna alsof de natuurkunde structuren en fundamentele motieven recycleert. Dezelfde vergelijkingen verschijnen ondanks wat het systeem is. We zien vergelijkbare patronen ondanks enorme verschillen in schaal en energie. Met behulp van deze nieuwe informatie, we kunnen betere modellen maken die ons kunnen helpen meer te weten te komen over waarom de korst van een neutronenster zich op een bepaalde manier gedraagt."

Er is gezegd dat we allemaal een zekere dankbaarheid verschuldigd zijn aan sterren, als de fundamentele elementen van het leven – waterstof, zuurstof, ijzer, koolstof - kwam van sterrenstof. Maar Huber en zijn collega's laten graag vragen over onze universele onderlinge verbondenheid over aan de filosofen. Voor nu, hun focus ligt op 'pasta, ' 'Terasaki-hellingen, ' en die mysterieuze neutronensterren die in de lucht ronddraaien.