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.  

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.