Exoplanet LHS 3844 b är en stenplanet som är helt skyddslös mot kosmisk strålning

 

Bild wikipedia Bildmosaik tagen av Mariner 10, 1974  på Merkurius  vilken troligen liknar den av James Webbteleskopet upptäckta exoplaneten LHS 3844 b som finns 48,5 ljusår bort  i stjärnbilden Indus.

LHS 3844 b är en stenplanet 30 % större än jorden och kretsa runt en röd dvärgstjärna ett varv på ungefär 11 timmar. Planeten snurrar bara tre stjärndiametrar ovanför sin sols yta och är tidvattenlåst i sin bana. Som ett resultat vänder samma hemisfär på LHS 3844 b alltid samma sida mot sin sol vilket ger en konstant dagsida med en medeltemperatur på cirka  725 grader Celsius. När vi mäter denna strålning som ger värme kan vi inte se och mäta planeten direkt istället registrerar vi den upprepade förändringen i ljusstyrka vi får från stjärnan och planeten tillsammans.

MIRI (Mid-Infrared Instrument ett instrument på James Webb-teleskopet. MIRI är en kamera och en spektrograf som observerar mitten till lång infraröd strålning från 5 mikron till 28 mikron.) delade upp en del av planetens infraröda emission, från 5 till 12 mikrometer, i mindre våglängdssektioner och mätte ljusstyrkan per våglängdsband. Detta är vad astronomer kallar ett spektrum en regnbågsliknande fördelning av ljusets komponenter. En annan datapunkt, hämtad från observationer med Spitzer-teleskopet och publicerad för några år sedan, förstärkte analysen.

På samma sätt som exoplanetär atmosfärforskning har gynnats av klimatvetenskap, bygger detta framväxande område inom exoplanetär geologi på geologisk kunskap baserad på jorden. PhD student Sebastian Zieba (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, Cambridge, USA) and Laura Kreidberg, MPIA Director and study PI (principal investigator och deras medarbetare körde datamodeller och fick tillgång till mallbibliotek av bergarter och mineraler kända från jorden, månen och Mars för att se vilka infraröda signaturer de skulle producera under förhållandena på LHS 3844 b. Att jämföra observationsbaserade data med dessa beräkningar uteslöt med säkerhet en sammansättning jämförbar med jordens skorpa dom vanligtvis är silikatrik bergart som granit.

Jordliknande, silikatrika skorpor tros bildas genom en långvarig raffineringsprocess som kräver tektonisk aktivitet och vanligtvis förlitar sig på vatten som smörjmedel. Det steniga materialet smälter och stelnar upprepade gånger när det blandas med mantelmaterialet vilket lämnar de lättare mineralerna på ytan.

"Eftersom LHS 3844 b saknar en sådan silikatskorpa kan man dra slutsatsen att jordliknande plattektonik troligen inte gäller för denna planet," beskriver Sebastian Zieba. "Den här planeten innehåller troligen bara lite vatten." den mörka ytan på en sammansättning som påminner om jordbunden eller månbasalt eller jordens mantelmaterial.

En statistisk analys av hur väl detta spektrum passar olika mineralblandningar och konfigurationer visade att utsträckta fasta områden av basalt eller magmatisk bergart bäst matchade observationerna. De är rika på magnesium och järn och kan innehålla olivin. Krossat material, såsom stenar eller grus, passar också ganska bra, medan korn eller pulver inte stämmer överens med observationerna på grund av sitt ljusare utseende.

Utan en skyddande atmosfär utsätts planeter för rymdväder, främst drivet av hård, energirik strålning från sin sol och nedslag av meteoriter.

"Det visar sig att dessa processer inte bara långsamt löser upp hårda bergarter till regolit, ett lager av fina korn eller pulver som finns på månen," förklarar Zieba. "De mörknar också lagret genom att tillsätta järn och kol, vilket gör regolitens egenskaper mer förenliga med observationerna."

Denna bedömning lämnade astronomerna med två scenarier för planetens yta som matchar data lika väl. En av dem involverar en yta dominerad av mörk, fast berggrund bestående av basaltiska eller magmatiska mineraler. Jämfört med geologiska tidsskalor förändrar rymdväder i form av olikartad strålningsnivå egenskaper snabbt. Därför drar astronomerna slutsatsen att ytan i detta scenario bör vara relativt färsk, orsakad av nyligen geologisk aktivitet, såsom utbredd vulkanism.

Det andra scenariot föreslår också en mörk yta då jämförbar med vår måne eller Merkurius. Ändå förklarar det långvarig rymdvädret vilket leder till utsträckta områden täckta av ett mörkt regolitlager, ett fint pulver som också finns på månen.

Dessa två alternativ skiljer sig åt i graden av nyligen krävd geologisk aktivitet. På jorden och andra aktiva objekt i solsystemet är ett typiskt fenomen under sådan aktivitet utgasning. Svaveldioxid (SO2) en gas som ofta förknippas med vulkanism. Om det finns på LHS 3844b i rimliga mängder borde MIRI ha upptäckt det. Därför verkar en nylig vulkanism period osannolik vilket får astronomerna att föredra det andra scenariot. Om det stämmer kan LHS 3844 b likna Merkurius.

För att testa sin idé driver Zieba, Kreidberg och deras kollegor redan en mer direkt strategi. De har erhållit ytterligare JWST-observationer, vilket bör göra det möjligt för dem att urskilja ytförhållanden genom att utnyttja små skillnader i hur fasta plattor och pulver avger eller reflekterar ljus. Detta koncept tillämpas framgångsrikt för att karakterisera asteroider i solsystemet. "Vi är övertygade om att samma teknik kommer att göra det möjligt för oss att klargöra naturen hos LHS 3844 b:s skorpa och, i framtiden, andra steniga exoplaneter," avslutar Kreidberg.Laura Kreidberg är den enda MPIA-astronomen som är involverad i denna studie.

Studien av Sebastian Zieba, Laura Kreidberg, et al.  The dark and featureless surface of rocky exoplanet LHS 3844 b from JWST mid-infrared spectroscopy Nature Astronomy (2026). 

Andra forskare i studien var: Sebastian Zieba (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, Cambridge, USA), Brandon P. Coy (Institutionen för geofysik, University of Chicago, USA), Aaron Bello-Arufe (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, USA [JPL]), Kimberly Paragas (Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, USA), Xintong Lyu (Peking University, Peking, Kina), Renyu Hu (The Pennsylvania State University, University Park, USA och JPL), Aishwarya Iyer (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA), Kay Wohlfarth (Technische Universität Dortmund, Tyskland)

NY teknik för framdrivning av styrraketer i framtida resor till Mars

 

Bild https://www.jpl.nasa.gov  Prototypens Styrraket är innesluten i JPL:s (Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien) vakuumanläggning för kondenserbart metalldrivmedel CoMeT  , en unik nationell tillgång utformad för att säkert testa styrraketer ( i denna länk visas tydligt vad styrraketer är de raketer som håller kursen beroende vilken som vid behov  tänds) med metallånga som en del av potentiella megawattklass elektriska framdrivningssystem. Källa: NASA/JPL-Caltech

En teknik som kan driva bemannade uppdrag till Mars och robotdrivna rymdfarkoster i hela solsystemet testades nyligen vid NASAs Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien. Den 24 februari 2026 skedde detta och för första gången på flera år och med effektnivåer som översteg alla tidigare tester i USA startade ett team en elektromagnetisk styrraket som drivs av litiummetallånga.

Denna prototyp uppnådde effektnivåer över de mest kraftfulla elektriska styrraketer på någon av myndighetens nuvarande rymdfarkoster. Värdefulla data från den första avfyrningen av denna styrraket kommer att hjälpa till att konstruera en kommande testserie.

"På NASA arbetar vi med många saker samtidigt och vi har inte glömt bort Mars. Den framgångsrika prestandan hos vår styrraket i detta test visar verkliga framsteg mot att skicka en amerikansk astronaut att sätta sin fot på Mars," beskriver NASA:s administratör Jared Isaacman. "Detta markerar första gången i USA som ett elektriskt framdrivningssystem har fungerat vid så höga effektnivåer som upp till 120 kilowatt. Vi kommer att fortsätta göra strategiska investeringar som driver på nästa stora rymdsprång."

Under fem tändningar lyste volframelektroden i styrraketens centrum starkt vitt och nådde över 5 000 grader 2 800 grader Celsius. Arbetet utfördes i JPL:s Electric Propulsion Lab,  den kondenserbara metalldrivmedelsvakuumanläggningen vilken är  en unik nationell tillgång för säker testning av elektriska styrraketer som använder metallånga på upp till megawattklass effektnivåer. För att se testet kikade JPL:s seniorforskare James Polk genom en liten portal in i den 8 meter långa vattenkylda vakuumkammaren. Inuti flammade styrraketen igång, dess munstycksformade yttre elektrod glödde glödande när den avgav en livfull röd plym. Polk har forskat på litiummatade MPD-styrraketer i årtionden, efter att ha arbetat med NASAs Dawn-uppdrag och myndighetens Deep Space 1, den första demonstrationen av elektrisk framdrivning bortom jordens omloppsbana.

Teamet siktar på att nå effektnivåer mellan 500 kilowatt och 1 megawatt per styrraket under de kommande åren. Eftersom hårdvaran fungerar vid så höga temperaturer kommer det att vara en stor utmaning att bevisa att komponenterna tål värmen under många timmars testning. Ett bemannat uppdrag till Mars kan behöva 2 till 4 megawatt effekt, vilket kräver flera MPD-startraketer som måste fungera i mer än 23 000 timmar.

Litiummatade MPD-styrraketer har potential att arbeta vid höga effektnivåer, använda drivmedel effektivt och ge betydligt större dragkraft än nuvarande elektriska styrraketer. Fullt utvecklade och kopplade till en kärnkraftskälla kan de minska uppskjutningsmassan och stödja nyttolaster som krävs för bemannade Marsuppdrag.

MPD:s styrraketarbete, som har utvecklats under de senaste 2 1/2 åren, under ledning vid  JPL i samarbete med Princeton University i New Jersey och NASAs Glenn Research Center i Cleveland. Arbetet finansieras av NASAs Space Nuclear Propulsion-projekt, som 2020 började stödja ett megawatt-klass kärnkraftsdrivningsprogram för bemannade Marsuppdrag genom att fokusera på fem kritiska tekniska element varav det elektriska framdrivningsdelsystemet är ett av dem. Projektet, som är baserat vid myndighetens Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama, är en del av NASAs Space Technology Mission Directorate.

Långt borton Neptunus finns en liten dvärgplanet med atmosfär som fylls på men hur sker detta?

 

Bild https://www.nao.ac.jp  Konstnärs uppfattning i bild över  denna forskning visar en föreställd tidssekvens när en stjärna passerar bakom ett TNO (transneptunska objekt, objekt  bortom Neptunus bana) med atmosfär. (Kredit: NAOJ)

Ett team av professionella och amatörastronomer i Japan fann bevis för en tunn atmosfär runt en liten kropp i det yttre av solsystemet. Objektet är så litet att det inte borde ha en varaktig atmosfär vilket väcker frågor om när och hur denna atmosfär bildades. Framtida observationer för att bättre karaktärisera atmosfären för att lösa detta mysterium

I de kalla delarna av det yttre i solsystemet finns tusentals små objekt som kallas transneptunska objekt (TNO) då de ligger utanför Neptunus bana. En tunn atmosfär har observerats runt Pluto, den mest kända av dessa  TNO, men studier av andra TNO:er har gett negativa resultat då det gäller en atmosfär. De flesta TNO:er är så kalla och deras ytgravitation så svag att de inte förväntas kunna behålla atmosfärer.

Men astronomer vill gärna hitta det oväntade, så de utnyttjade ett lyckosamt "naturligt experiment" för att leta efter en atmosfär runt ett TNO känt som (612533) 2002 XV93. Detta objekt, förkortat 2002 XV93 har en diameter på cirka 500 km. Som referens är Plutos diameter 2 377 km. Omloppsbanan för 2002 XV93 är sådan att sett från Japan, passerade den rakt framför en stjärna i bakgrunden den 10 januari 2024. När stjärnan försvann bakom 2002 års XV93 bleknande stjärnans sken vilket indikerar att ljuset dämpats när det passerade genom en tunn atmosfär alternativt skulle skenet plötsligt slockna när den glider bakom den solida ytan på TNO.

Ett team av professionella och amatörastronomer, ledda av Ko Arimatsu vid NAOJ Ishigakijima Astronomical Observatory, observerade stjärnan som 2002 XV93 passerade framför från flera platser i Japan. De erhållna uppgifterna är förenliga med ljusdämpning av en atmosfär.

Beräkningar visar att atmosfären som man såg runt 2002 XV93 förväntas hålla mindre än 1000 år om den inte fylls på (så den borde inte funnits då objektet var kanske miljarder år gammalt). Så dvärgplaneten bör ha bildats för mycket kort tid sedan eller fylls atmosfären på kontinuerligt. Men då är frågan hur detta kan ske. 

James Webb Space Telescope visar inga tecken på frusna gaser på ytan av 2002 XV93 som kan sublimera och bilda en atmosfär. En möjlighet är att någon händelse för frusna eller flytande gaser från djupt inne i TNO:n till ytan. En annan möjlighet är att en komet kraschade in i 2002 XV93, och släppte ut gas som bildade en tillfällig atmosfär (vilket då bör skett nyligen). Ytterligare observationer behövs för att skilja mellan dessa två scenarier (ett tredje alternativ är det bara fantasin som kan testa fullt ut), Studien kan läsas under titeln och av   Ko Arimatsu et al. "Detection of an atmosphere on a trans-Neptunian object beyond Pluto", i Nature Astronomy,

Nu börjar snart jakten på de svårfångade neutronstjärnorna

 

Bild https://www.nasa.gov  Astrometrisk mikrolinsning uppstår när ett förgrundsobjekt, som en neutronstjärna passerar framför en mer avlägsen bakgrundsstjärna. Neutronstjärnans gravitation böjer den avlägsna stjärnans ljus och delar det i flera banor som når teleskopet. Även om dessa förvrängda bilder inte kan upplösas, framstår deras sammansatta ljus som ljusare och något förskjutet från den avlägsna stjärnans verkliga position. När justeringen mellan de två objekten förändras över tid, följer denna till synes förskjutning ett litet elliptiskt mönster på himlen. Storleken på den ellipsen beror på hur starkt ljuset böjs, vilket innebär att mer massiva objekt ger större förskjutningar, vilket gör det möjligt för astronomer att direkt mäta massan hos den utan linsning osynliga neutronstjärnan. NASA, STScI, Joyce Kang (STScI)

Astronomer har länge vetat att neutronstjärnor som består av de täta kärnor som lämnas kvar efter att massiva stjärnor exploderat (vanligast 20 km i diameter, men har en massa motsvarande 1,4–3 solmassor), bör finnas över hela Vintergatan. De flesta av dem är dock i praktiken osynliga. En ny studie publicerad i Astronomy and Astrophysics antyder att NASAs kommande Nancy Grace Roman Space Telescope ändå bör kunna upptäcka dem.

Genom att använda detaljerade datorsimuleringar av Vintergatan och Romans framtida observationer visade forskarna att flaggskeppsobservatoriet kan identifiera och karakterisera dussintals isolerade neutronstjärnor genom en subtil effekt kallad gravitationslinsning.

"De flesta neutronstjärnor är relativt svagt lysande," beskriver Zofia Kaczmarek från Heidelbergs universitet i Tyskland som var den som ledde studien. "De är otroligt svåra att upptäcka utan någon form av hjälp."

Neutronstjärnor packar mer massa än solen i en sfär ungefär lika stor som en medelstor stad. Att studera dem hjälper oss att förstå hur stjärnor är, slocknar och sprider tunga grundämnen i universum. De ger också en möjlighet att studera vad som händer under de mest extrema förhållanden (under tryck och densitet) man kan tänka sig.

Men om de inte blivit pulsarer (en extremt tät, snabbt roterande neutronstjärna) som sänder ut i radiovåglängder eller lyser i röntgenstrålar kan de förbli dolda även för de mest kraftfulla teleskopen.

Roman (planerad uppskjutning 2027) kan söka efter dem på ett nytt vis. När ett massivt objekt som en neutronstjärna rör sig framför en avlägsen bakgrundsstjärna, vrider dess intensiva gravitation rumtiden och avleder bakgrundsstjärnans ljus. Denna mikrolinseffekt gör att bakgrundsstjärnan tillfälligt blir ljusare och ser ut att vara förskjuten från sin verkliga position på himlen.

Medan många teleskop kan upptäcka den tillfälliga ljusningen,kan Roman även  mäta både ljusningen (fotometri) och den lilla positionsförskjutningen (astrometrin) hos den linsade stjärnan med exceptionell precision. Eftersom neutronstjärnor är relativt massiva producerar de en större astrometrisk signal än mindre täta objekt vilket gör att  Roman inte bara kan upptäcka dem utan även väga dem i vissa fall, något som är nästintill omöjligt med enbart fotometri.

"Det som är riktigt intressant med att använda mikrolinsning är att man kan få direkta massmätningar," beskriver  artikelns medförfattare Peter McGill från Lawrence Livermore National Laboratory. "Fotometri visar att något passerade framför stjärnan, men det är hur mycket stjärnans position förskjuts som talar om hur massivt det objektet är. Genom att mäta den lilla avböjningen på himlen kan vi direkt väga något som annars är osett."

Jorden var beroende av vissa sällsynta metaller för att liv skulle uppkomma.

 

Bild https://science.nasa.gov  Ovan visas en tidslinje över jordens historia under miljarder år. Den nya studien visar att livets utveckling använde molybden så långt tillbaka som för 3,3 till 3,7 miljarder år sedan, långt innan nivåerna av molybden i haven ökade till nutida nivåer. Andra händelser i jordens historia markeras i kontext ovan. NASA

NASA-finansierade forskare har upptäckt att livet på jorden för mer än 3 miljarder år sedan var beroende av metallen molybden vilken var otroligt sällsynt i miljön vid den tiden  På jorden idag finns mer men ändå inte i stor mängd (halten i jordskorpan är ca 14 ppm innebärande 14 miljondelar av denna). Molybden hjälper till att påskynda viktiga biokemiska reaktioner i celler. Metallen är en komponent i essentiella enzymer som driver flera stora biologiska reaktioner i organismer. Detta är inte bara viktigt för de enskilda organismerna utan även för biogeokemiska cykler, såsom kvävecykeln vilken påverkar hela vår planet. Utan molybden skulle dessa viktiga reaktioner fortfarande kunna ske i naturen men de skulle vara för långsamma för att upprätthålla liv.

"Molybden finns i det katalytiska centrumet för enzymer som driver stora kol-, kväve- och svavelreaktioner," beskriver Betül Kaçar, chef för Kaçar-laboratoriet vid University ofisconsin-Madison och huvudförfattare till studien (se nedan). Kaçar leder MUSE, ett NASA:s tvärvetenskapliga konsortia för astrobiologisk forskning (ICAR) vid UW-Madison.

"Att fråga när livet i sin linda började använda molybden är egentligen att fråga när några av de mest betydelsefulla metabola strategierna blev möjliga," beskriver Kaçar.

Molybden är nu relativt vanligt i miljön och dess knapphet är inte längre ett problem för livet. Men så var det inte alltid.

Geologiska bevis visar att endast spårmängder molybden fanns i jordens hav för miljarder år sedan. Nivåerna ökade ungefär samtidigt som mikroorganismer började använda fotosyntes, vilket så småningom ledde till en dramatisk ökning av mängden atmosfäriskt syre (för ca 2,45 miljarder år sedan). Detta är känt som den stora oxidationshändelsen och hade en djupgående effekt på livets evolution. En tidigare NASA-studie föreslog till och med att ökningen av molybden i miljön vid denna tid kan ha varit nödvändig för utvecklingen av komplext liv.

Men när började livet först använda molybden? På grund av dess knapphet på den forntida jorden har astrobiologer undrat om livet kunde ha börjat med att använda andra metaller för att påskynda vitala reaktioner. Wolfram, till exempel beter sig likadant i celler och används idag av vissa organismer som lever i extrema miljöer. Forskare har tidigare teoretiserat att livet kan ha använt volfram först och sedan utvecklats till att istället använda molybden när det blev mer tillgängligt. Men den nya studien visar att så inte nödvändigtvis var fallet.

Teamet samlade in tillgängliga data om molybdens förekomst genom tiden och rekonstruerade metallens användning längs livets grenar. De fann att även om molybden var sällsynt hittade uråldriga mikrober på jorden ändå ett sätt att använda det. Samma gäller för användningen av metallen volfram.

"Vårt arbete visar att både molybden- och volframanvändande enzymsystem har arkeiska rötter (att de fanns i jordens första eon) vilket tyder på att livets tidiga år sannolikt arbetade med båda metallerna snarare än att följa en enkel "wolfram först, molybden senare"-historia," beskriver Kaçar. "Vi hävdar att användningen av molybden är mycket äldre än många modeller antog med molekylär datering som placerar användningen av molybden tillbaka i eoarkeum till mesoarkeen, ungefär för 3,7–3,1 miljarder år sedan, långt före den stora oxidationshändelsen."

 Tidigare arbete från MUSE ICAR, publicerat 2024, identifierade vissa nischer där tidigt liv kan ha funnit förråd av molybden och andra sällsynta metaller djupt under havet. Hydrotermala ventiler på havsbotten ger spårmetaller inklusive järn, zink, koppar, nickel, mangan, vanadin, molybden, kobolt och volfram.

"Även om arkeiskt havsvatten innehöll lite löst molybden totalt sett skulle lokala system som hydrotermala källor ändå kunna ha levererat användbara mängder molybden och andra metaller," beskriver Kaçar.

Den nya studien visar att, även bland en mängd andra användbara metaller, var molybden på något sätt ett av livets första val som metallkatalysator.

"Molybden kan ha varit värt att "välja" eftersom det möjliggör katalys över ett brett spektrum av substrat och redoxförhållanden," beskriver Kaçar. "Med andra ord gjorde knapphet inte molybden oviktig dess katalytiska fördelar kan ha gjort det värt att utveckla sätt att skaffa och använda."

Studien visar hur liv kan hitta ett sätt att använda grundämnen i miljön, även om de är sällsynta, och påminner oss om att vi i jakten på liv bortom jorden måste vara förberedda på möjligheter vi ännu inte har övervägt. Studien publicerades nyligen i Nature Communications. 

Ursprunget till kosmiska strålar

 

Bild https://www.unige.ch  Kosmiska strålar består främst av protoner, men utöver det av helium, kol, syre och järnkärnor. © Kinesiska vetenskapsakademin.

Kosmiska strålar är de mest energirika partiklarna som observerats i universum och överstiger vida energin i partiklar som produceras av människotillverkade acceleratorer på jorden. Deras exakta ursprung studeras fortfarande och man tror att de härstammar från extrema astrofysiska fenomen, såsom supernovor, jetstrålar från svartahål och pulsarer.

Det kinesiska DAMPE-teleskopet, som sköts upp i december 2015, syftar till att ge svar på ursprunget och naturen hos dessa strålar. Detta rymduppdrag, där astrofysikgruppen från Institutionen för kärn- och partikelfysik (DPNC) vid Genèveuniversitetet (UNIGE) är en av huvudbidragsgivarna har nu gjort ett avgörande genombrott. Genom analys av högprecisionsmätningar insamlade av teleskopet har forskare identifierat en universell egenskap i energispektra hos primära kosmiska strålkärnor  från protoner till järn.

"Kosmiska strålar består främst av protoner, men också av helium, kol, syre och järnkärnor," förklarar Andrii Tykhonov, docent vid DPNC vid Naturvetenskapliga fakulteten på UNIGE och medförfattare till studien. Dessa partiklar kategoriseras också efter sin energi från lågt upp till några miljarder elektronvolt, mellanliggande, från några miljarder till flera hundra miljarder elektronvolt och höga från 1 000 miljarder elektronvolt och mer." Resultaten visar att för alla studerade kärnor minskar antalet partiklar mer och snabbare bortom ett visst värde. 

Detta fenomen kallas "spectral softening". Normalt minskar antalet partiklar redan när energin ökar men här blir denna minskning ännu mer uttalad. Detta sker runt en styvhet på cirka 15 TV (teraelektronvolt). En partikels styvhet mäter motståndet i dess bana mot ett magnetfält. Observationen av en gemensam struktur vid denna styvhet stöder starkt modeller som förklarar att accelerationen och transporten av kosmiska strålar beror på partiklarna styvhet. I kontrast är alternativa modeller, som antyder att energi per nukleon (energi dividerat med antalet nukleoner i partikeln) är en nyckelfaktor, starkt uteslutna av dessa mätningar, med en konfidensnivå på 99,999 %.  Forskningsresultatet har publicerats i Nature och kan läsas här.

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.