Upptäckt av negativ tid

 

Bild pexels.com Big Ben London.

I experimentet som beskrivs i tidskriften The Conversation (av Lucía Caballero International Coordinator)  användes fotoner kvantpartiklar av ljus och den färd de måste göra mot alla odds för att passera rakt igenom ett moln av rubidiumatomer.

Dessa atomer har en "resonans" med fotonerna innebärande att fotonens energi kan överföras tillfälligt till atomerna som en atomär excitation (att en atom eller molekyl tillförs energi, vilket får en elektron att hoppa från ett lägre elektronskal till ett högre). Detta gör att fotonen kan "stanna" i atommolnet en tid innan den släpps ur.

För att denna resonans ska vara effektiv måste fotonen ha en väldefinierad energi som matchar den mängd energi som krävs för att sätta en rubidiumatom i exciterat tillstånd.  Men om fotonen likväl tar sig rakt igenom händer något märkligt. Baserat på den genomsnittliga tiden när fotonen går in i molnet kan man beräkna den förväntade genomsnittliga tiden den skulle anlända till molnets bortre sida förutsatt att den färdas med ljusets hastighet (som fotoner vanligtvis gör).

Det man finner är att fotonen faktiskt anländer mycket tidigare än så. Faktum är att den anländer så tidigt att det verkar ha tillbringat en negativ tid inne i molnet.

Denna effekt har varit känd i årtionden och observerades i ett experiment redan 1993. Men fysikerna hade mestadels bestämt sig för att inte ta denna negativa tid på allvar (utan som felmätning eller förståelse).

Det beror på att det kan förklaras med att endast den allra främre delen av den långvariga pulsen tar sig rakt igenom atommolnet, medan resten sprids. Detta leder till att en framgångsrik (icke-spridd) foton anländer tidigare än vad som naivt skulle förväntas.

Aephraim Steinberg, en av författarna till den artikeln från 1993, var dock inte lika snabb med att acceptera denna avfärdande av den negativa tiden som en artefakt (något som bara fanns och togs för givet). I sitt laboratorium vid University of Toronto ville han ta reda på vad som hände om man undersökte rubidiumatomerna i molnet för att ta reda på hur länge fotonen hade tillbringat sig bland dem som en excitation. 

När vi talar om att undersöka atomerna innebär detta i praktiken att kontinuerligt göra en mätning på atomerna medan fotonen passerar genom molnet, för att undersöka om fotonens energi för närvarande befinner sig där. Men det finns en subtilitet här: mätningar inom kvantfysik stör oundvikligen det system som mäts.

Om vi skulle göra en exakt mätning av om fotonen befinner sig i atomerna vid varje ögonblick, skulle vi förhindra att atomerna interagerar med fotonen. Det är som om vi, bara genom att titta noga på Calypso, skulle hindra henne från att få tag på Odysseus (eller tvärtom). Detta är den välkända kvantmekaniska Zeno-effekten (ett kvantfysiskt fenomen där frekventa mätningar eller observationer av ett instabilt kvantsystem "fryser" dess tillstånd och förhindrar det från att förändras eller sönderfalla. Genom tät observation stannar systemet kvar i sitt ursprungliga tillstånd, vilket saktar ner dess tidsutveckling), som skulle förstöra just det fenomen vi vill studera.

Lösningen är istället att göra en mycket oprecis (men ändå mycket exakt kalibrerad) mätning. Det är priset som betalas för att hålla störningen försumbar. Specifikt sköts  en svag laserstråle orelaterad till den enskilda fotonpulsen  genom atommolnet och mätte små förändringar i strålens ljusfas för att undersöka om atomerna var exciterade.

Varje enskild körning av experimentet gav bara en mycket grov indikation på om fotonen bodde i atomerna, men ett genomsnitt av miljontals körningar ger en korrekt uppehållstid.

Otroligt nog är resultatet av denna svaga mätning av uppehållstid, när fotonen går rakt genom molnet, exakt lika med den negativa tid som antyds av fotonernas genomsnittliga ankomsttid. Innan arbetet misstänkte ingen att dessa två tider, mätta på helt olika sätt, skulle vara lika.

Avgörande är att det negativa värdet av den svagt uppmätta uppehållstiden inte kan förklaras genom att föreställa sig att endast fronten av fotonens puls går igenom, till skillnad från den tid som härleds från ankomsttiden.

Men det visar att negativ uppehållstid inte är en artefakt. Hur paradoxalt det än kan verka, har det en direkt mätbar effekt på det atommoln som fotonen färdas igenom. Och det påminner oss om att det fortfarande finns länder att upptäcka på den odyssé som är kvantforskning.

Experimentets resultat vid university of Toronto  är  publicerat i Physical Review Letters av Daniela Angulo, Kyle Thompson, Vida-Michelle Nixon,  Andy Jiao, Howard,  M. Wiseman och Aephraim  M. Steinberg.  

Modeller för kvantkollaps antyder att det uppstår små tidsfluktuationer.

 

Bild https://www.eurekalert.org  Modeller av kvantkollaps antyder små tidsfluktuationer.

Kvantmekaniken är rik på paradoxer och motsägelser. Den beskriver en mikroskopisk värld där partiklar existerar i en superposition av tillstånd innebärande att de befinner sig på flera platser och konfigurationer samtidigt. Matematiskt definierade av det som fysiker kallar en vågfunktion. Men detta går emot våra vardagliga upplevelser av objekt. De är ju antingen här eller där aldrig både här och där samtidigt. Vanligtvis hanterar fysiker denna konflikt genom att hävda att när ett kvantsystem kommer i kontakt med en mätapparat eller en experimentell observatör, kollapsar systemets vågfunktion till ett enda, bestämt tillstånd.

Nu med stöd från Foundational Questions Institute FQxI har ett internationellt team  fysiker visat att en familj av okonventionella lösningar på detta mätproblem kallat kvantkollapsmodeller har långtgående konsekvenser för tidens natur och 

klockprecision. De publicerade sina resultat och föreslog ett nytt sätt att särskilja dessa rivaliserande modeller från standard kvantteori, i Physical Review Research, i november 2025 (se nedan)

"Det vi gjorde var att arbeta utefter idén att kollapsmodeller kan vara kopplade till gravitation,"beskriver Nicola Bortolotti, doktorand vid Enrico Fermi Museum and Research Centre (CREF) i Rom, Italien, som var den som ledde studien. "Och sedan ställde vi en mycket konkret fråga: Vad innebär detta för tiden själv?"

På 1980-talet började fysiker utforska kvantmodeller där kollaps av vågfunktioner sker spontant, oavsett om systemet mäts eller observeras. Till skillnad från vad som vanligtvis kallas 'tolkningar' av kvantmekaniken som främst är konceptuella och experimentellt omöjliga att skilja från accepterad standard kvantteori gör dessa kvantkollapsmodeller förutsägelser som är konkreta och i princip testbara.

Bortolotti undersökte två olika modeller av kvantkollaps tillsammans med kollegorna Catalina Curceanu, medlem i FQxI och forskningschef vid Laboratori Nazionali di Frascati vid National Institute for Nuclear Physics (INFN-LNF) i Frascati, Italien, Kristian Piscicchia vid CREF och INFN-LNF, Lajos Diósi, vid Wigner Research Center for Physics och Eötvös Loránd University, i Budapest, Ungern, och Simone Manti från INFN-LNF. En modell, kallad Diósi-Penrose-modellen (uppkallad efter FQxI-medlemmarna Lajos Diósi och Sir Roger Penrose), har länge föreslagit att gravitation är kopplat till kollaps av vågfunktionen. Men för första gången drog visar de i den nya artikeln att också en kvantitativ koppling mellan den andra modellen, känd som Continuous Spontaneous Localization, och gravitationella rumtidsfluktuationer.

Den nya artikeln visar att om kollapsmodellerna har rätt måste tiden själv uppvisa en liten inneboende osäkerhet vilket antyder en grundläggande, men extremt liten, gräns för klockprecision. "När du väl räknat ut är svaret tydligt och förvånansvärt lugnande," beskriver Bortolotti.

Det finns dock ingen anledning att oroa sig för att denna osäkerhet ska påverka ditt armbandsur eller ens de mest precisa atomklockor som finns idag eller inom överskådlig framtid. "Osäkerheten är många storleksordningar under vad vi för närvarande kan mäta, så det har inga praktiska konsekvenser för vardaglig tidmätning," beskriver Curceanu. "Våra resultat visar tydligt att moderna tidmätningsteknologier är helt opåverkade," tillägger Piscicchia.

Fysiker har länge sökt efter en enhetlig teori som kan förena kvantmekanik och gravitation. Varje teori är i utsökt överensstämmelse med experimentella resultat inom sitt eget område. För kvantmekaniken den mikroskopiska världen av subatomära partiklar, och för gravitation, som beskrivs av Einsteins allmänna relativitetsteori, det makroskopiska området av stjärnor, galaxer och till och med universum självt. Ändå har de två teorierna dramatiskt olika principer och synsätt på tid. "I standardkvantmekanik behandlas tid som en extern, klassisk parameter som inte påverkas av det kvantsystem som studeras," förklarar Curceanu. I allmän relativitet är dock tid och rum formbara de skiftar och förvrängs under påverkan av objekt med massa.

"Osäkerheten är många storleksordningar under vad vi för närvarande kan mäta, så det har inga praktiska konsekvenser för vardagstidmätning," beskriver Catalina Curceanu.

Med utgångspunkt i arbete som antyder att kvantmekaniken kan vara bara en del av en större och mer grundläggande fysikteori, antyder den nya artikeln dolda kopplingar mellan kvantmekanik, gravitation och tid.

Curceanu betonade vikten av FQxI:s engagemang för att utforska oortodoxa idéer. "Det finns inte många stiftelser i världen som stödjer forskning om dessa grundläggande frågor om universum, rum, tid och materia," beskriver Curceanu. "Vårt arbete visar att även radikala idéer om kvantmekanik kan testas mot precisa fysiska mätningar och att lugnande nog tidmätning fortfarande är en av de mest stabila pelarna i modern fysik."

Studien stöddes delvis av FQxI:s program Consciousness in the Physical World. Du kan läsa mer om teamets bidrag i FQxI-artikeln: "Can We Feel What It's Like to Be Quantum?" av Brendan Foster.

Tidskriftsreferens: "Fundamental limits on clock precision from spacetime uncertainty in quantum collapse models." Phys. Rev.Research 

Vad händer med Bananflugor vid mycket kraftig gravitation?

 

Bild https://news.ucr.edu  fruktfluga. (Jayantibhai Movaliya/iStock/Getty

När forskare vid UC Riverside (University of California, Riverside) utsatte bananflugor för gravitationskrafter många gånger starkare än jordens gravitation ett tillstånd som kallas hypergravitation hände något oväntat med insekterna. De inte bara överlevde. De parade sig till och med och förökade sig. Deras rörelser och beteenden förändrades dramatiskt men sedan återhämtade de sig.

Studien började med en grundläggande fråga: "Hur formar gravitationen rörelse?" beskriver UCR:s doktorand i neurovetenskap och försteförfattare Sushmita Arumugam Amogh till studien.

Medan det mesta av forskningen har fokuserat på mikrogravitation, de nästan viktlösa förhållanden som astronauter upplever i rymden, riktade detta arbete åt motsatt håll, mot extrem gravitationskraft. Att förstå både viktlöshet och hypergravitation kan hjälpa till att avslöja grundläggande mekanismer genom vilka gravitation påverkar biologi, särskilt rörelser och energianvändning.

För att undersöka effekterna av hypergravitation vände sig forskarna till vanliga kommersiellt tillgängliga bananflugor. Insekterna placerades i en specialbyggd centrifug, en snurrande anordning som simulerar ökad gravitationskraft.

"Centrifugen är som en karusell," sa Arumugam Amogh. "Ju snabbare du rör dig desto mer känner du dig dragen utåt. Det är hypergravitation."

För att följa rörelseförändringar efter exponering för denna kraft övervakade teamet kontinuerligt flugornas aktivitet med infraröda sensorer och registrerade varje gång en fluga korsade en stråle inne i ett smalt rör. Forskarna testade också klättringsbeteende, känt som negativ geotaxi (rörelse utefter tyngdkraften) vilket är bananflugors naturliga tendens att röra sig uppåt mot gravitationen.

"När flugor upplevde fyra gånger större gravitation än jordens normala gravitation, eller 4G, under 24 timmar blev de hyperaktiva," beskriver Ysabel Giraldo, biträdande professor i entomologi vid UCR och medförfattare till artikeln. "Men vid högre nivåer som 7G, 10G och 13G vände mönstret: Istället för att bli hyperaktiva blev flugorna mindre aktiva och  klättrade inte lika mycket."

Därefter ville forskarna testa hur länge hypergravitationsexponering skulle fortsätta påverka flugornas rörelser. Den här gången exponerade de flugorna i 24 timmar och övervakade sedan deras beteende under resten av deras liv.

I 4G-gruppen var flugorna hyperaktiva i ungefär sju veckor vilket är större delen av dessa flugarters livslängd. Men återgick sedan gradvis till det normala. Vid 7G blev flugorna mindre aktiva men de återgick också så småningom till normal aktivitet vis samma tid i deras liv. Även om effekterna på beteendet var olika var motståndskraft tydlig i båda grupperna.

Dessa fynd tyder på att hjärnan kan göra energiavvägningar. Måttliga ökningar i gravitationen verkar driva djuren att röra sig mer, kanske för att möta högre energibehov. Vid mer extrema gravitationskrafter blir kostnaden för att förflytta sig för hög och systemet skiftar istället till att spara energi.

"Vi tror att det vi ser är att gravitationen direkt påverkar hjärnans beslutsfattande kring energianvändning och rörelse," beskriver Arumugam Amogh. "Det hjälper till att avgöra om man ska agera eller spara energi."

I linje med detta fanns det också dynamiska reaktioner inne i kroppen. Fettlagringen ökade kort efter exponering, men sjönk sedan när flugorna blev mer aktiva och använde mer energi. Rörelse och ämnesomsättning verkade tätt sammankopplade skiftande tillsammans som svar på stress.

Det som skiljer denna studie åt är inte bara det testade gravitationsintervallet utan även tidsskalan.

Forskarna begränsade inte sitt experiment till en enda exponering. De testade flera scenarier: bara 24 timmars hypergravitation, sedan en hel livslängd på cirka 50 dagars exponering från ägg till vuxen, och slutligen hypergravitation över flera generationer. I ett experiment levde, parade sig och förökade sig flugor under förhöjd gravitation i tio generationer i rad vilket innebar att varje livsstadium skedde under dessa förhållanden.

Dessa fynd beskrivs detaljerade i en nyskriven  artikel  publicerad i Journal of Experimental Biology och visar på en överraskande motståndskraft i hur kroppen reagerar på miljöer med hög gravitation liknande de som stridspiloter eller astronauter upplever vid återinträde i jordens atmosfär.

Den hittills mest omfattande 3D-kartan över universum

 

Bild https://news.osu.edu Stjärnslingor över Mayall-teleskopet (som finns vid Kitt Peak NationalObservatory i Arizona)  som hyser DESI. Credit: Luke Tyas/Berkeley Lab och KPNO/NOIRLab/NSF/AURA. Bilder av ett antal tagna över tid som visar effekt av detta slag.

I strävan att förstå mörk energi spelar en roll i komplex fysik har forskare markerat slutförandet av en viktig milstolpe att framgångsrikt undersöka hela målområdet i Dark Energy Spectroscopic Instruments (DESI) 3D-karta över universum.

Den blev färdigställd före tidtabellen och innehåller betydligt mer data än väntat. Nu planerar forskarna att använda DESI:s karta, som är den största högupplösta 3D-konstruktionen av universum som någonsin gjorts till att utforska mörk energi den grundläggande ingrediensen  i kosmos som utgör cirka 70 % av kosmos.

Under de fem år som gått sedan DESI började samla in data har observerats mer än 47 miljoner galaxer och kvasarer samt 20 miljoner stjärnor. Resultatet  har redan avslöjat mycket om universums struktur och utveckling, beskriver Paul Martini, instrumentforskare vid DESI:s konstruktion och idriftsättning samt professor i astronomi vid Ohio State University. "DESI har varit ett utmärkt internationellt samarbete och dess otroligt fruktbara vetenskapliga resultat är ett ledande exempel på dess påverkan på det bredare vetenskapliga samfundet," beskriver han.

DESIs strävan att förstå mörk energi är en global strävan. Det internationella experimentet samlar expertisen från mer än 900 forskare (inklusive 300 doktorander) från över 70 institutioner och leds av energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory. Forskare vid Ohio State har varit avgörande partners till några av DESIs mest betydelsefulla upptäckter, från att hjälpa till att analysera de lovande resultaten under det första året till att lära sig hur mörk energi fortsätter att utvecklas på oväntade sätt.

"Ohio State gjorde de största bidragen till instrumentering, driften och analysinfrastruktur av någon universitetsgrupp inom DESI," beskriver Klaus Honscheid, ledande forskare inom DESI:s instrumentverksamhet och fysikprofessor vid Ohio State. "Vi är stolta över vårt samarbetes världsledande resultat inom mörk energi samt nöjda med den betydande internationella medieuppmärksamhet arbetet fått."

Mitt i programmets ambitiösa schema utmanades DESI-teamets förmåga att slutföra undersökningen på fem år mer än en gång, mest anmärkningsvärt var Contras-skogsbranden 2022, som avbröt el- och internetinfrastrukturen i observatoriet i flera månader. Lyckligtvis isolerades och åtgärdades dessa störningar snabbt,beskriver Ashley Ross, ledande forskare för DESI:s storskaliga strukturkataloger och biträdande professor i fysik vid Ohio State.

Med denna nya kompletta datauppsättningen kommer forskarna att ha betydligt mer information till att testa långvariga hypoteser om balansen mellan mörk energi och materia. 

Efter att ha mätt kosmologiska data för sex gånger så många galaxer och kvasarer som alla tidigare mätningar tillsammans planeras samarbetet att omedelbart börja bearbeta insamlad färdig datamängd under de kommande månaderna, med de första mörkenergiresultaten från DESI:s fullständiga femåriga undersökning som beräknads klar 2027.

Efter att ha slutfört det ursprungliga femåriga uppdraget planerar DESI att fortsätta observationerna fram till 2028. Detta kommer att inkludera att utöka undersökningen till att omfatta delar av himlen som är svårare att observera: Att konstruera en mer detaljerad karta över kosmos kan också göra det lättare för forskare att studera närliggande objekt som dvärggalaxer och stjärnströmmar och ge dem förmågan att ge en mycket tydligare bild av universums tillkomst och historia. beskriver  Honscheid. Men under tiden kommer Ohio State-teamet att fortsätta förfina sina mätningar av mörk energi genom att analysera data som samlats in under de första tre åren och optimera sin teleskoptid och dess kapacitet för att göra spännande nya observationer.

Andra Ohio State-bidragsgivare till DESI inkluderar Matthew Berno, Mikel Charles, Carl Coker, Rebecca Coles, Andrei Cuceu, Xinyi Chen, Mark Derwent, Ann Elliott, Jack Elvin-Poole, Lauren Ennesser, Kevin Fanning, Simon Filbert, Meagan Herbold, Jennifer Johnson, Naim Karacayli, Hui Kong, Claire Lamman, Thomas O'Brien, Daniel Pappalardo, Richard Pogge, Anna Porredon, Michael Rashkovetskyi, Jon Shover, Peter Taylor, Wynne Turner, David Weinberg, Molly Wolfson och Erik Zaborowski.

DESI stöds av DOE Office of Science och av National Energy Research Scientific Computing Center, en nationell användaranläggning inom DOE Office of Science. Ytterligare stöd för DESI ges av U.S. National Science Foundation; Science and Technology Facilities Council of the United Kingdom; Gordon och Betty Moore-stiftelsen; Heising-Simons-stiftelsen; den franska kommissionen för alternativa energier och atomenergi (CEA); Mexikos sekretariat för vetenskap, humaniora, teknik och innovation (SECIHTI); Spaniens ministerium för vetenskap och innovation; och av DESI:s medlemsinstitutioner.

Ny möjlighet att upptäcka liv bortom jorden

 

Bild https://www.isct.ac.jp  Gradvisa steg till terraformation. Konceptet bakom modellen är enkelt: liv kan resa från andra platser till att terraforma planeter runt andra stjärnor. Genom att göra detta blir planeten som livet reser till lik den planet den kom ifrån. I detta exempel reser liv från en planet som liknar jorden till en röd planet (ovan). Processen upprepas om och om igen. Varje gång, efter att ha terraformerats blir  planeten mer "jordlik" än vad man skulle förvänta sig av slumpen, med tanke på planeternas positioner. Fokus på att finna liv på planeter ligger dock inte på att identifiera jordliknande planeter. Istället är målet att identifiera vilken grupp planeter som helst som är mer lika varandra än vad man skulle förvänta sig av en slump och som på skilda platser i rymden. Denna teknik är agnostisk: den kräver inte att man gör antaganden om livsvänlighethet eller bestämmer dig för vilka "typer av planeter" som är mottagliga för liv. Källa: Harrison B. Smith.

En av de största utmaningarna inom astrobiologin är att fastställa om observerade drag hos avlägsna planeter verkligen indikerar förekomsten av liv. Traditionella biosignaturer, såsom atmosfärers gaser kan ofta ge falska positiva resultat genom icke-biologiska processer. Även om teknosignaturer kan erbjuda mer tillförlitliga signaler bygger de starkt på starka antaganden om utomjordisk intelligens natur och beteende.

För att övervinna dessa begränsningar övervägde forskarna en fundamentalt annorlunda idé: istället för att leta efter liv på enskilda planeter tänk om liv kunde upptäckas genom dess kollektiva effekter över många planeter?

Studien presenterar en "agnostisk biosignatur", En metod som inte bygger på att veta i detalj vad liv består av eller hur det fungerar. Istället bygger det på två breda antaganden: att liv kan spridas mellan planeter  och att det kan förändra planetärs miljöer över tid.

Med hjälp av datasimulering modellerade forskarna hur liv kan sprida sig över stjärnsystem och förändra planetens egenskaper. De upptäckte att om livet utvidgas och påverkar planetariska miljöer producerar det påvisbara statistiska korrelationer mellan planeternas positioner och deras observerbara egenskaper.

Avgörande är att dessa korrelationer uppträder även utan att man kan fastställa en viss biosignatur på någon enskild planet.

Utöver att upptäcka förekomst av liv utvecklade forskarna också en metod för att identifiera vilka planeter som mest sannolikt hyser liv. Genom att katalogisera planeter baserat på deras observerbara egenskaper och rumsliga relationer kunde de isolera grupper av planeter med hög sannolikhet kan ha påverkats av livsformer.

Detta tillvägagångssätt prioriterar tillförlitlighet framför fullständighet: det minimerar falska positiva även om det missar vissa livsbärande planeter. En sådan strategi är särskilt användbar för att styra uppföljande observationer med begränsad teleskoptid.

"Genom att fokusera på hur livet sprider sig och interagerar med miljön kan vi söka efter det utan att behöva en perfekt definition eller en enda definitiv signal," neskriver Harrison B. Smith Earth-Life Science Institute (ELSI) at Institute of Science Tokyo. Lana Sinapayen National Institute for Basic Biology Tokyo  tillade: "Även om livet på andra håll är fundamentalt annorlunda än livet på jorden kan dess storskaliga effekter, såsom spridning och modifiering av planeter ändå lämna märkbara spår. Det är det som gör detta tillvägagångssätt lockande."

Resultaten tyder på att framtida astronomiska undersökningar som  observerar stora antal exoplaneter kan använda statistiska metoder för att upptäcka liv på populationsnivå. Denna metod kan vara särskilt användbar när individuella biosignaturer är svaga, tvetydiga eller känsliga för falska positiva.

Studien som kan läsa här i The Astrophysical Journal lyfter också fram vikten av att bättre förstå den grundläggande mångfalden av planeter bildade utan liv, eftersom detta förbättrar tillförlitligheten i att upptäcka avvikelser orsakade av biologiska processer.

Det behövs mer vatten än man trott för att liv ska uppkomma på en planet

 

Bild https://www.washington.edu Venus, bild tagen av NASAs Mariner 10-farkost (till vänster), paras ihop med en konstnärlig avbildning av tre möjliga atmosfärer på en nyligen upptäckt exoplanet, Gliese 12b. (40 ljusår bort i riktning mot stjärnbilden Fiskarna) Den nya studien är från University of Washington undersöker hur mycket ytvatten en planet behöver för att stödja liv. Foto: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (Caltech-IPAC)

Forskare tror att det finns miljarder planeter utanför vårt solsystem i vintergatan. Mer än 6 000 av dessa exoplaneter är bekräftade. Men bara några av dem är kandidater för eventuellt liv på dess yta. Sökandet efter liv har fokuserat på planeter i guldlockzonen ett avstånd från sin sol som varken är för nära eller för långt från sin sol och därmed kan ha en temperatur som stöder liv vi känner till. Planeter i denna zon anses kunna ha flytande ytvatten.

"När man söker efter liv i universum med begränsade forskarresurser måste man filtrera bort några planeter," beskriver huvudförfattaren Haskelle White-Gianella, UW doctoral student of Earth and space sciences. vid UW Universiy of Washington.

Vatten är nödvändigt men garanterar inte livets existens på en planet. Med denna studie arbetade forskarna för att ytterligare begränsa sökandet genom att undersöka planeter med bara en liten mängd vatten.

"Vi var intresserade av torra planeter med mycket begränsat ytvattenlager betydligt mindre än vad ett hav på jorden rymmer. Många av dessa planeter ligger i den livsvänliga zonen runt sin stjärna. Men vi var inte säkra på om de faktiskt kunde vara livsvänliga," beskriver White-Gianella.

Teamets resultat, publicerade den 13 april i Planetary Science Journal (se nedan) och visar att livets möjlighet beror på den geologiska kolcykeln en vattendriven process som utbyter kol mellan atmosfären och ytan under miljontals år och stabiliserar yttemperaturerna.

Koldioxid som kommer från vulkaner i ett naturligt system samlas i atmosfären innan det faller tillbaka ner till marken med regnvatten. Regn eroderar och reagerar kemiskt med bergarter på markens yta och avrinning transporterar kol till havet där det sjunker till havsbotten. Plattektonik driver kolrika oceaniska plattor under kontinenterna. Miljontals år senare återuppstår sedan kol när berg bildas.

Om vattennivåerna ät för låga för att regn ska uppkomma kan koldioxidborttagning från atmosfären  inte hålla jämna steg med utsläppen från vulkanutbrott och koldioxidnivåerna i atmosfären skjuter i höjden vilket fångar vatten. Stigande temperaturer förångar det återstående ytvattnet vilket initierar okontrollerad uppvärmning som får planeten för varm för att stödja liv.

"Så det gör tyvärr att dessa torra planeter inom livsvänliga zoner osannolikt stödjer liv," beskriver White-Gianella. Även om forskare har instrument som kan mäta ytvatten är steniga exoplaneter svåra att observera direkt. I denna studie genomförde forskarna en serie komplexa datasimuleringar för att bättre förstå hur vatten kan bete sig i dessa ökenvärldar.

Tidigare försök att modellera kolcykeln fokuserade på kallare, kanske blötare planeter. Modellerna tog hänsyn till avdunstning från solljus, men inkluderade inte andra faktorer, såsom vind. White-Gianella anpassade befintliga datamodeller till torrare planeter genom att förfina uppskattningar av avdunstning och nederbörd.

"Dessa sofistikerade, mekanistiska data modeller av kolcykeln har gjorts genom att människor försökt förstå hur jordens termostat har eller inte har fungerat över tid," beskriver seniorförfattaren Joshua Krissanen-Totton, bUW assistant professor of Earth and space sciences..

Funktionen av den geologiska kolcykeln på torra planeter till stor del outforskad. Resultaten visar att även planeter som bildas med vatten på ytan kan förlora det och gå från potentiellt livsmöjlig miljö till obeboelig på grund av störningar i kolcykeln.

Venus är ett exempel. Venus är ungefär lika stor som jorden, troligen bildad ungefär samtidigt och kan ha börjat med en liknande mängd vatten.

Ändå kan Venus yta idag mäta sig med temperaturen i en vedeldad pizzaugn beskriver White-Gianella.

Många teorier försöker förklara varför jorden och Venus är så olika. White-Gianella och Krissanen-Totton föreslår att Venus, som ligger närmare solen, kan ha bildats med något mindre vatten än jorden vilket rubbade balansen i den geologiska kolcykeln. När yttemperaturerna steg i takt med koldioxidnivåerna i atmosfären förlorade Venus sitt vatten  och allt liv den kunde ha hyst.

Kommande uppdrag till Venus kommer att försöka förstå vad som hände med planeten och om den någonsin hyste liv. 

"Det är mycket osannolikt att vi kommer att landa något på ytan av en exoplanet under vår livstid. Men vår grannplanet Venus  är utan tvekan den planet som kan lära oss mer om exoplaneter," beskriver White-Gianella.

Denna studie finansierades av National Science Foundation, NASA Astrobiology Program och Alfred P. Sloan Foundation och kan läsas här.

Varför snurrar stjärnor neråt eller uppåt (inåt eller utåt i stjärnkroppen) och i mindre hastighet ju äldre de är?

 

Bild https://www.kyoto-u.ac.jp  Illustration av de inre regionerna av en massiv stjärna under dess slutliga syre- (gröna) och kisel- (grönblå) skalförbränningsfas, innan järnkärnans kollaps (indigo). Styrkan och geometrin hos magnetfältet, i kombination med konvektionens egenskaper i syreregionen, kan få rotationshastigheten att öka eller sakta ner. (KyotoU / Lucy McNeill)

Solens totala rörelsemängdsmoment har minskat då material gradvis blåses bort från ytan (solvind). Genom att observera detta har astronomer teoretiserat att samspelet mellan magnetfält och plasmaflöde är det mest effektiva sättet att stjärnor ska börja snurra.

Varför och hur detta sker har länge intresserat astronomer, och nyligen har en observationsteknik kallad astroseismologi, vilken mäter en stjärnas naturliga svängningsfrekvenser gjort det möjligt att mäta interna rotationshastigheter och magnetfält av stjärnor i vår galax. Från denna enorma population av stjärnor har en bild av hur stjärnrotation minskar med stjärnors ålder framtagits. En bild som tyder på att nuvarande teori inte räcker för att förklara den dramatiska minskningen av rotationen.

Fascinerade av astroseismologin och andra forskares 3D-simuleringar av solens konvektiva zon inspirerades ett forskarteam vid Kyoto University att undersöka hur magnetfält påverkar rotationen inuti massiva stjärnor.

"Våra medförfattare till studien i Australien och Storbritannien har redan utfört 3D-magnetohydrodynamiska simuleringar för massiva stjärnor före en stjärnas sista tid den så kallade kärnkollapsen. Vi misstänkte att flödet inne i den massiva stjärnans konvektiva zon kan utvecklas analogt med solens konvektiva zon," beskriver teamledaren Ryota Shimada.

Med en 3D-simulering av en massiv stjärna kunde forskarna direkt undersöka det komplexa samspelet mellan våldsam konvektion, rotation och magnetfält. De bekräftade att den inre rotationen och magnetfältet samevolverar likt soldynamon: energiprocessen som upprätthåller vår sols magnetfält. Med dessa ekvationer i handen kunde teamet matematiskt förutsäga stjärnans inre rotation i tid.

Deras simulering visar att hastigheten och riktningen på konvektiva rörelser påverkades av rotation och magnetfält över korta tidsskalor vilket i sin tur ändrar rotationen och får den att snurra ner eller i vissa fall uppåt i stjärnmassan. Teamet kunde formulera interaktionen mellan konvektion, rotation och magnetfält som en modell för radiell transport av rörelsemängdsmoment utåt och inåt, och visade att denna transport i senare bränningsfaser är direkt relaterad till magnetfältets geometri.

"Vi blev förvånade över att upptäcka att vissa konfigurationer av magnetfälten faktiskt snurrar upp kärnan, vilket tyder på att den slutliga rotationshastigheten kommer att vara unik för stjärnans egenskaper," beskriver medförfattaren Lucy McNeill. "Långsam rotation kan till och med vara omöjlig  i vissa klasser av massiva stjärnor."

Deras upptäckt av magnetisk rörelsemängdsmoment under avancerade förbränningsfaser tyder på att teorin som utvecklats för att beskriva rotation i stjärnor  av skilda slag kan vara universell. Nu planerar teamet att skapa simuleringar av stjärnevolutionen som visar hela livslängden för olika låg till högmassstjärnor för att förutsäga deras rotationshastigheter under olika evolutionära stadier.

Forskningsrapporten är publicerad och kan läsas från nedanstående länk. Ryota Shimada, Lucy O. McNeill, Vishnu Varma, Keiichi Maeda, Takaaki Yokoyama, Bernhard Müller (2026). Angular Momentum Transport in the Convection Zone of a 3D MHD Simulation of a Rapidly Rotating Core-collapse Progenitor. The Astrophysical Journal.