2009年十大科学突破包括费米伽马射线太空望远镜新的观察结果、一种重要的植物激素受体结构脱落酸被发现、证明磁单极子的存在、发现雷帕霉素可延长小鼠寿命、在月球上发现有水冰存在、基因治疗获得重大突破、石墨烯材料快速导电特性的新发现及其应用、哈勃太空望远镜重获新生，以及成功制造出第一台可拍摄化学反应过程的超快X射线激光机。以下是对除“阿尔迪”骨架发现以外的科学突破的回顾。
开辟太空探测新视界
CTA1是费米伽马射线望远镜发现的众多脉冲星之一
就像黑夜里闪烁的灯塔，旋转脉冲星周期性地将双锥形电磁辐射横扫太空。自40年前第一个脉冲星发现以来，天文学家通过发射到太空的无线电波发现了数百个这样的神秘天体。如今，天文学家利用高能量伽玛射线光谱，发现了无线电波无法检测到的脉冲星。随着更多新的脉冲星的发现，将有助于太空引力波的探测。
自2008年6月美国航空航天局（NASA）费米伽马射线太空望远镜（下称费米望远镜）升空以来，一直在进行宇宙能量新“地图”的绘制工作。仅在最初的几个月内，一个国际研究小组就新发现了16颗脉冲星。
通过对脉冲星活动的了解，研究人员正在核实其所检测到的一些不明伽马射线源是否是脉冲星发出的。仅在2009年11月，美国和法国天文学家利用地面射电望远镜对费米望远镜发现的“候选天体”进行筛选，就发现了5个新的毫秒脉冲星，远比用地面射电望远镜漫无目标地扫描天空要有效得多。
伽玛射线束比无线电波束更宽，在太空中运行的费米望远镜因此比地面射电望远镜更容易发现和辨别脉冲星。然而，费米的先驱者――康普顿伽马射线天文台（CGRO，NASA于1991年发射的一颗天文卫星）发现脉冲星的运气并不佳，但不同之处在于前者的高灵敏度，能够检测到对于康普顿来说过于微弱的脉冲。
脉冲星是快速转动的中子星，其强大的磁场可令粒子加速到接近光速，并从星体的两极喷射出来（这些抛射出来的炽热的物质同时释放出伽马射线）。但脉冲星的磁场是如何形成的？粒子的发射源在哪里？目前仍然无法确定。在科学家制作的一个模型中，伽马射线束是从中子星表面喷射而出；而在另一个模型中，伽马射线束则源自星体两极上空几千公里的太空。
除了脉冲星之外，费米望远镜通过检测到的1300多个伽马射线源，发现了许多其他类型的太空物质，包括形成恒星诞生区的星爆星系、伽玛射线暴以及星系中心黑洞等。2009年11月，费米望远镜和两个地面伽玛射线望远镜，从太空高能粒子一直追踪到恒星爆发的诞生地。新发现的脉冲星还可以帮助天文学家探测引力波――时空结构的波纹――引力波能够引发脉冲星旋转速度的明显变化。
植物脱落酸受体结构
深色部分表示幼苗中新发现脱落酸受体所在位置
在面对外敌入侵时，或者战斗或逃跑不在植物行为范围之内。但植物也有其自身相当于肾上腺素的激素：一种称做植物激素脱落酸（ABA）的化学物质，有助于遏制水分流失，使种子保持休眠状态，并在恶劣环境下抑制根部和其他部分的生长。其受体结构的发现，有助于科学家以新的途径来保护作物抵抗恶劣气候环境，提高农作物产量。
2009年5月，两个独立的研究小组采取不同的研究方法，最后殊途同归，确定了同一个蛋白质家族为这种植物激素的受体。2009年秋天，其他一些研究小组也证实了植物激素脱落酸与PYR/PYL/RCAR蛋白质之间的联系。
德国的一个研究小组，通过寻找与被称为ABI1和ABI2的酶（这种酶能帮助激发脱落酸的活动）结合在一起的蛋白质，追踪发现了两种蛋白质，并命名为RCAR。美国的一个研究小组，通过对能够加速脱落酸活动的pyrabactin进行研究，也找到了一种被命名为PYR1的受体。两个研究小组发现的ABA受体同属一个拥有14个成员的蛋白质家族。
此外，中国、日本和欧洲的研究人员也找到了支持这一研究的证据，并获得了ABA与其受体结合或受体与PP2C磷酸酯酶相互作用的晶体结构。对ABA以及后续研究所取得的成果，将大大促进植物生物学、甚至植物生物学领域之外的研究。
自旋冰中的磁单极子
在自旋晶体中，磁单极子或是含有一个指向内部磁离子的四面体，或是含有三个指向内部磁离子的四面体
在苏斯（Seuss）博士著名的儿童读物《圣诞怪杰》中，小说主人公曾说：“如果找不到驯鹿，我就自己动手做一个！”在长期追寻一种称作磁单极子粒子未果的过程中，物理学家也采取了类似的方法。2009年，两个研究小组在磁晶体内制造出了行为与磁单极子类似的“准粒子”。
正如物理学家所了解的那样，每个磁体都有北极和南极。但是，也有一些科学家从理论上推断只存在着北极或南极一个磁极的基本粒子，即磁单极子。1931年，英国理论物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）认为，磁单极子的存在可解释电荷量子化现象，包括“大统一理论”也预测磁单极子的存在。
相关研究报告称，磁单极子只存在于一些被称为自旋冰的物质中。在自旋冰中，不停旋转的磁性离子位于四面体的顶角处，就像氢离子在冰中那样。在对这种被称为自旋冰的奇特晶体物质进行研究时，物理学家发现了与磁单极子极为相似的行为。这样的“自旋系统”给理论物理学家和实验物理学家提供了一个极好的实验场所――以简单的方式展示了磁单极子的存在。
延长小鼠寿命实验成功
长寿之鼠：被喂食了雷帕霉素后，小鼠的寿命延长了14%
2009年研究人员发现，一种名为雷帕霉素的化合物可延长小鼠的寿命，这是首次药物延长哺乳动物寿命的实验获得成功；而雷帕霉素常被医生用来治疗肾癌并抑制器官移植中的排斥反应。
当美国衰老研究所把雷帕霉素列入有可能延长啮齿动物寿命名单上后，3个进行长寿药物研究的实验室开始给出生600天左右的小鼠喂食雷帕霉素（相当于人类的60岁）。结果，服用富含雷帕霉素食物小鼠的寿命延长了9%——14%（对蠕虫和果蝇进行的实验也取得类似的结果）。如今，首次在哺乳动物身上试验成功，而令人鼓舞的是这些小鼠已过中年。
然而，令研究人员感到困惑的是，雷帕霉素并不能阻止导致死亡的一些具体原因；而这些小鼠一直患有溃疡和心力衰竭等老年性病症。研究人员揣测，雷帕霉素的作用机制是否与卡路里限制机制相似。卡路里限制是指通过限制小鼠和其他实验动物的饮食来延长其寿命。但还有一些科学家认为，两者之间可能存在着某种联系。
与此同时，2009年的另一项研究，使得我们对卡路里限制延长寿命是否对人类有效的答案又接近了一大步。20年前，科学家首次对灵长类动物――恒河猴――开始了这一实验，如今这批恒河猴已开始因衰老等原因逐渐死亡。初步结论表明，进行饮食卡路里限制的恒河猴比“吃饱喝足”的同类更为长寿。
雷帕霉素会破坏免疫系统，而饮食卡路里限制也很难长期坚持。因此，这两个方法都非理想的长寿之道。但这是一个充满希望的开端，将引导研究人员寻找更适合的方法来延缓衰老，或至少延长人类健康生活的时间。
月球上发现水冰
当燃耗尽料的火箭撞击月球时，LCROSS航天器发现扬起的尘埃中有水
2009年10月，美国航空航天局（NASA）的科学家在月球尘埃中发现了水蒸气和冰，行星科学家最终证明，即使是像月亮这样荒芜且温度经常达到沸点的天体，也可能存在水冰。这一发现为人类太空探险增添了新的一页，对人类的太阳系探索也是一个极大的鼓舞。
月球上有水冰的存在并非异想天开。早在1990年代初，科学家就用雷达探测到水星撞击坑下有类似水冰的物质，但只存在于极地陨石坑下（在陨石坑边缘阴影的遮挡下，坑底处于永恒的黑暗与寒冷中）。科学家由此推断，在亿万年的时间里，彗星和冰态小行星撞击后，留在月球上的水被冻结在永远处于阴影中的陨石坑里。
研究人员用一个重达两吨的火箭，并以每小时7200公里的速度撞击月球陨石坑。据观察估计，撞击后扬起的尘埃中含有大约数升的水。耗资8000万美元的月球陨坑观测和传感卫星（LCROSS）发回撞月时升起尘埃的清晰光谱图，其中含有水汽和冰，以及水中衍生的羟基。
LCROSS传感器检测到与水冰一起埋在陨石坑底的一氧化碳、甲烷和甲醇等分子，这些也正是在彗星和冰态小行星上发现的化合物。因此，月球至少还有部分区域留下了亿万年以来的天体与月球相撞的痕迹。
月球上以冰的形态储存的水有可能保留着数十亿年月球撞击留下的记录，宇航员也许能以月球上的水用作饮用水、种植农作物，甚至还有可能将水分子裂解为氢原子和氧原子用做火箭燃料。但是，首先需要解决如何在月球极端寒冷条件下进行钻探和开采作业等问题。
基因治疗取得重大突破
通过对某种制造酶的基因进行修复，一些失明病人恢复了部分视力
通过修复DNA来修复发生故障的细胞，是治疗由单个基因缺陷引起疾病的一个极佳途径。基因疗法在人类身上的研究开始于1990年，但是该领域一直面临着技术上的困难和阻碍，或志愿者在临床试验中的死亡事件等。2009年，基因疗法取得了重大突破，开始有了转机。以下是其中部分成功案例：
1．利伯氏先天性黑内障（Leber's congenital amaurosis, 简称LCA） ，这是一种罕见的遗传性疾病，患者在婴儿期就已失明。美国和英国的研究人员给黑内障患者的眼睛注射一种携带某种基因的无害病毒（内含制造感光色素所必需的酶）。在第一批12名患者的临床试验中，所有患者眼睛的感光能力都有所改善，其中4名儿童恢复视力，能够进行体育运动，在学校时也不再需要辅助器材。另一个研究小组用类似的方法使先天色盲的松鼠猴恢复了全色视觉。
2．X连锁肾上腺脑白质营养不良（adrenoleukodystrophy, 简称ALD） ，这是一种大脑疾病，通常导致男童夭折（该疾病是因制造维持神经髓鞘蛋白质基因有缺陷而造成）。法国研究人员将一种纠正基因注入两个患有此病7岁男童的血细胞里，两年后发现，ALD对患儿大脑典型的渐进性损伤已经停止。试验首次采用失效的HIV病毒把基因带入细胞，该病毒导致癌变的可能性比以往所用的载体更小。
3.气泡男孩症（bubble-boy disease）是一种重症联合免疫缺陷症，因缺乏腺苷脱氨酶而引起。2009年1月，意大利研究人员公布了对此病进行基因疗法的最新临床实验结果：10名患者中8名已不再需要酶替代疗法，过上了正常人的生活，没有人因基因治疗而产生严重的副作用（一种相关疾病――X连锁SCID――的基因疗法使19名婴儿的免疫系统恢复正常，但有5名患儿患上白血病，其中1名死亡）。
对其他遗传性疾病基因疗法的临床试验结果可望在不久公布――采用一些新的更安全的载体对各种遗传性疾病进行基因治疗的实验正在加紧进行之中。
石墨烯材料特性与应用
石墨烯导电性能的新发现，使得物理学和电子学领域内的研究人员都大为振奋
材料科学的研究往往进展缓慢，然而石墨烯的研究已取得了突飞猛进的进展。2004年，自英国研究人员发现了一种从石墨块上剥离单个原子厚度的碳原子层的方法后，许多研究人员一直在进行这方面的研究。2009年，随着一系列研究成果的推出，包括制造出大张石墨烯薄膜以及研制新颖器件和装置的新的基本理论和方法，石墨烯材料的研究终于上了一个新台阶。
石墨烯的魅力很大程度在于它传导电子的方式，其近乎完美的碳原子晶格能让电子以超快速度通过。根据石墨烯的这一特性，物理学家以此用来检验量子力学中的一些不同寻常的特征。2009年11月，纽约和新泽西州的两个研究小组分别证实，石墨烯电子显示了分数量子化的霍尔效应。几十年前，分数量子化霍尔效应曾在一些多层半导体材料中被观察到，但从未在像石墨烯这样简单的材料中被发现。
石墨烯材料应用的研究也取得了重大进展。2009年1月，IBM研究人员报告称，已研发出每秒钟能开关260亿次的石墨烯晶体管，性能远超过传统的硅器件。包括麻省理工学院研究人员研制出的可提高输入信号频率的石墨烯倍频器，有可能在通讯和遥感领域开拓新的应用。石墨烯在其他方面也有广泛的应用前景，从能够称量小分子的石墨烯天平，到超高速石墨烯光子探测器。
哈勃望远镜重获新生
最后登场：2009年执行的一次成功维修任务，使哈勃望远镜可延长5年寿命
哈勃太空望远镜曾因多年重负荷工作而出现老化现象，几乎濒临被迫“退役”的境地。但经过2009年5月的一次成功维修，哈勃望远镜又开始工作，使得哈勃的使用寿命可再延长5年。
哈勃的重获新生来之不易。在美国航空航天局（NASA）前局长肖恩·奥基夫（Sean O'Keefe）宣布取消原定2004年执行的哈勃维修任务之后，NASA内部一直有人为哈勃的命运抗争。后曾考虑将机器人送上太空执行维修任务，但许多专家认为这个办法不切实际，会毁掉哈勃。2006年，奥基夫的继任者迈克尔·格里芬（Michael Griffi）计划对哈勃进行最后一次维修。
2009年5月，7名宇航员登上“亚特兰蒂斯”号航天飞机，11天内在地球上空500公里的轨道上进行了5次太空行走，完成了一系列复杂且危险的维修任务。9月9日，NASA公布了哈勃维修后拍摄到的首批照片，包括蝴蝶星云的壮观景象、半人马座奥米伽球状星团以及其他恒星奇观。如今，根据哈勃所拍摄数据进行的研究正在加快。例如：近几个月哈勃拍摄的旋涡星系M83的详尽照片，将有助于研究人员更多地了解恒星诞生的秘密。
可拍摄化学反应的X射线激光器
电子穿过LCLS磁铁产生大量X射线
2009年4月，斯坦福直线性加速器中心国家实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）研制出了世界上第一台X射线激光器――直线性加速器相干光源（LCLS）。LCLS长130米，由该实验室3公里长的粒子加速器提供动力。与之前的光源相比，LCLS的研制成功称得上是一个突破性的进展，标志着该领域的一个质的飞跃。
几十年来，科学家一直利用X射线探测材料原子尺度的结构，而LCLS光源的亮度是以前的10亿倍，其产生的X射线脉冲短暂到百万分之二纳秒，足以拍摄化学反应过程中的静止图像。
试验是从2009年10月开始的，科学家希望利用LCLS测定来自单个分子样本的蛋白质结构，或观察被剔除某种物质所有原子内层电子后的反应。已经成为结构生物学家和材料科学家手中常用工具的X射线激光器，将为科学研究提供一个全新的视角，有可能带来的科技进步是目前所无法预测的。
资料来源 Science
责任编辑 则 鸣