Gravitationsvågor lämnar avtryck i atomers ljus

 

Bild https://www.su.se  gravitationsvåg som ger spontan utstrålning och avtryck. Källa: Stockholms universitet.

Gravitationsvågor är krusningar i rumtiden som produceras av våldsamma kosmiska händelser, såsom sammanslagning av svarta hål. Hittills har direkta upptäckter förlitat sig på att mäta små avståndsförändringar med instrument i kilometerskala. I en ny teoretisk studie som godkänts för publicering i Physical Review Letters föreslår forskare vid Stockholms universitet, Nordita och Tübingens universitet en okonventionell metod. Metoden att spåra hur gravitationsvågor omformar ljuset som avges av atomer. Arbetet beskriver en möjlig upptäcktsväg, men en experimentell demonstration återstår ännu i framtiden.

När atomer tillförs energi avger de  ljus med en karakteristisk frekvens. En kvantprocess som kallas spontan emission. Detta sker genom  interaktion med det kvantmekaniska elektromagnetiska fältet.

"Gravitationsvågor modulerar kvantfältet, vilket i sin tur påverkar spontan emission," beskriver Jerzy Paczos, doktorand vid Stockholms universitet. "Denna modulering kan förskjuta frekvenserna hos emitterade fotoner."

Forskarteamet förutspår att emissionen blir riktningsberoende genom att atomer emitterar fotoner i samma takt. Något som är anledningen till att denna effekt har förbisetts fram till nu. Men fotonfrekvenserna varierar dock med emissionsriktningen. Detta riktade spektrala mönster antas koda vågens riktning och polarisation och kan hjälpa till att skilja signalen från brus.

Lågfrekventa gravitationsvågor är ett viktigt mål för framtida rymdbaserade observatorier. Författarna noterar att smala optiska övergångar som används i atomklocksplattformar erbjuder långa interaktionstider vilket potentiellt gör kallatomsystem till en lovande testbädd.

Atomerna avger ljus likt en musikanläggning som håller en stadig ton. Med skillnaden, att en gravitationsvåg förändrar hur tonen låter i olika riktningar. "Våra fynd kan öppna vägen mot bättre gravitationsvågsmätning, där den relevanta atomära ensemblen är i millimeterskala," beskriver Navdeep Arya, postdoktoral forskare vid Stockholms universitet. "En grundlig bulleranalys är nödvändig för att bedöma praktisk genomförbarhet, men våra första uppskattningar ser lovande ut."

Asteroiden Bennus yta kan nu bättre förstås

 

Bild wikipedia på Bennu.

Bennu, ses som en taggig, robust värld täckt av stora stenblock, med få av de släta partier som tidigare observationer från jordbaserade instrument visat av denna

"När OSIRIS-REx anlände  till Bennu den 3 dec 2018 blev vi överraskade av vad vi såg," beskriver Andrew Ryan, forskare vid University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory vilket var den som ledde uppdragets arbetsgrupp för analys av materia och termisk analys. "Vi förväntade oss några stenblock, men vi förväntade oss åtminstone några stora områden med mjukare, finare regolit som skulle vara lätta att samla in. 

Istället såg det ut som om det bara fanns stenblock och vi fick tänka om."   Särskilt förbryllande var observationer gjorda 2007 av NASAs Spitzer Space Telescope, (som ser i det infraröda fältet) som mätte låg termisk tröghet, vilket indikerar  en asteroid vars yta värms upp och kyls snabbt när den roterar in i och ut ur solljus, likt en sandstrand på jorden. Upptäckten stod i kontrast till de många stora stenblock som OSIRIS-REx hittade vid ankomsten vilka borde fungera mer som betongblock och avger värme långt efter att solen gått ner.

Data insamlade av OSIRIS-REx-rymdfarkosten (vilken tog markprov på Bennu 21 okt 2020) under sin undersökningskampanj vid asteroiden antydde en möjlig förklaring att stenblocken kan vara mycket mer porösa än väntat. När proverna hade levererats till jorden undersökte forskarna om det stämde.

Ryans team undersökte stenpartiklar insamlade från Bennus yta med hjälp av olika laboratorieanalysmetoder.

Där forskare tidigare förväntade sig att Bennu-stenarna skulle vara extremt porösa och fluffiga, kanske till och med svampiga, avslöjade provanalysen något oväntat.

"Det visar sig att de även är spruckna, och det var den saknade pusselbiten," beskriver Ryan.

Ron Ballouz, forskare vid Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland och artikelns andra författare (se nedan) beskriver att denna upptäckt förändrar hur forskare tolkar strukturen hos en asteroid baserat på dess termiska egenskaper sedda från jorden.

"Vi kan äntligen nu bättre förankra vår förståelse av teleskopobservationer av en asteroids termiska egenskaper genom att analysera dessa prover från just Bennu," beskriver Ballouz.

Studiens resultat är  publicerat i Nature Communications  och i denna beskriver författarna att stenblocken är tillräckligt porösa för att förklara en del av den observerade värmeförlusten. Men inte allt. Istället visade sig många av stenarna vara fulla av omfattande nätverk av sprickor.

Den rostiga och kraterfyllda Asteroiden 16 Psyche och dess möjiga ursprung

 

Bild https://news.arizona.edu  Konstnärs tolkning av asteroiden 16 Psyche.

Psyche är den tionde mest massiva asteroiden i asteroidbältet mellan Mars och Jupiter och den störst kända metalliska asteroiden, Den har en diameter på  ca 240 km. NASAs Psyche-uppdrags farkost  kommer att anlända 2029 för att fastställa dess ursprung. Psyche kan vara en kvarvarande byggsten från en tidig planet sönderriven av våldsamma kollisioner eller ett planetfragment som en gång  förlorade sin steniga yttre mantel.

Andra hypoteser är att Psyche är en uråldrig rest som antingen började metallrik eller blev en blandning av sten och metall efter att upprepade gånger ha slagit in i andra asteroider. 

För att undersöka dessa möjligheter genomförde forskare vid University of Arizonas Lunar and Planetary Laboratory simuleringar för att förutsäga hur en stor krater nära Psyches nordpol kan ha bildats under ovan konkurrerande teorier. I en studie publicerad i JGR Planets presenterar teamet förutsägelser som är utformade för att hjälpa forskare att tolka de data som NASAs Psyche-uppdrag kommer att samla in när det anländer 2029. 

I kombination med observationer gjorda av rymdsonder kan förutsägelserna hjälpa till att lösa mysteriet kring Psyches sammansättning en gång för alla. "Stora nedslagsbassänger eller kratrar her gett spår djupt in i asteroiden vilket ger ledtrådar om vad dess inre består av," beskriver Namya Baijal, doktorand vid LPL (University of Arizonas Lunar and Planetary Laboratory) och förstaförfattare till artikeln ovan. "Genom att simulera bildandet av en av dess största kratrar kan vi göra testbara förutsägelser om Psyches totala sammansättning för hjälp när rymdsonden anländer."

Färre än 10 % av asteroiderna i huvudbältet är metallrika, och av dessa är Psyche den största. Men för att lära sig mer om hur metallen är fördelad inne i asteroiden måste forskarna vänta tills Psyche-rymdfarkosten anländer och arbeta utefter olika teorier.

"En av våra huvudfynd var att porositeten innebärande mängden tomrum inuti asteroiden har en betydande roll för hur dessa kratrar bildats," beskriver Baijal. "Porositet ignoreras ofta eftersom det är svårt att inkludera i datamodeller. Men våra simuleringar visar att det starkt kan påverka nedslagsprocessen och formen på kratrar."

När en asteroid är porös kan den krossas och nedslagsenergin absorberas effektivt vilket leder till djupare och brantare kratrar med mindre utkastat material utspritt över ytan. Genom att jämföra dessa simulerade kratrar med vad rymdfarkosten kommer att observera kommer forskarna att kunna undersöka om Psyches inre är uppdelat i lager av sten och metall eller en blandad röra av materia."Vi testade två huvudsakliga inre strukturer för Psyche," beskriver Baijal. "En är en lagerstrukturerad struktur med en metallisk kärna och en tunn, stenig mantel, som troligen bildades genom att en våldsam kollision slet bort de yttre lagren av asteroiden. Den andra teorin är att en jämn blandning av metall och silikat skapades av ett mer katastrofalt nedslag som blandade ihop allt likt man sett i några metallrika meteoriter som hittats på jorden."

Hubbleteleskopet upptäcker en komet under dess splittring

 

Denna serie bilder från NASAs Hubble-rymdteleskop av den fragmenterande kometen C/2025 K1 (ATLAS) togs under tre på varandra följande dagar: 8, 9 och 10 november 2025. Detta är första gången Hubble bevittnar en komet så tidigt i processen att brytas upp. Bild: NASA, ESA, Dennis Bodewits (AU); Bildbehandling: Joseph DePasquale (STScI)

NASAs Hubble-rymdteleskop har nyligen upptäckt en komet som håller på att brytas isär. Chansen att det händer medan Hubble ser det oerhört liten. Upptäckten publicerades på nyligen i tidskriften Icarus.

Kometen K1, vars fullständiga namn är C/2025 K1 (ATLAS)—ej att förväxla med interstellära kometen 3I/ATLAS var inte det ursprungliga målet för Hubble-studien.

"Ibland sker den bästa vetenskapen av en slump," beskriver forskaren John Noonan, forskarprofessor vid fysikinstitutionen på Auburn University i Alabama. "Denna komet observerades eftersom vår ursprungliga komet inte kunde ses på grund av nya tekniska begränsningar. Vi var tvungna att hitta ett nytt mål och precis när vi såg denna komet, råkade den splittras vilket är väldigt slumpartat."

 Hubble fångade K1 som fragmenterades i minst fyra delar, var och en med en distinkt koma om sig (det suddiga höljet av gas och damm som omger en komets isiga kärna). Hubble kunde se fragmenten  men för markbaserade teleskop framstod de då bara som knappt urskiljbara, ljusa klumpar.

Hubbles bilder togs bara en månad efter K1:s närmaste avstånd med solen, kallad perihelion. Kometens perihelion  låg inom Merkurius bana, ungefär en tredjedel av jordens avstånd från solen. Under perihelion upplever en komet sin mest intensiva uppvärmning och maximal stress. Strax förbi perihelion tenderar vissa långperiodiska kometer som K1 att falla isär. Innan K1 fragmenterades var K1 troligen något större än en genomsnittlig komet, ca 8 kilometer i diameter. Teamet uppskattar att kometen började sönderfalla åtta dagar innan Hubble såg den. Hubble tog tre 20-sekundersbilder, en varje dag från 8 till 10 november 2025. När den såg på kometen bröts också en av K1:s mindre bitar upp.

Eftersom Hubbles skarpa syn kan urskilja extremt fina detaljer kunde teamet spåra fragmentens historia tillbaka till när de var ett i stycke. Det gjorde att de kunde rekonstruera tidslinjen. Men genom att göra det avslöjade de ett mysterium: Varför fanns det en fördröjning mellan när kometen bröts upp och när starka utbrott sågs från marken? När kometen fragmenterades och blottade färsk is, varför blev den inte ljusare nästan omedelbart?

Teamet har några teorier. Det mesta av en komets ljusstyrka är solljus som reflekteras från dammkorn. Men när en komet spricker upp avslöjas ren is. Kanske behöver ett lager torrt damm bildas över den rena isen och sedan blåsa bort. Eller så behöver värme komma under ytan, bygga upp tryck och sedan släppa ut ett expanderande skal av damm.

 Forskarteamet ser fram emot att slutföra analysen av gaserna som kommer från kometen. Redan nu visar markbaserad analys att K1 är kemiskt mycket märklig. Den är  utarmat på kol jämfört med andra kometer. Spektroskopisk analys från Hubbles STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) och COS (Cosmic Origins Spectrograph) instrument kommer sannolikt att avslöja än mer om K1:s sammansättning och själva ursprunget till vårt solsystem, eftersom NASAs rymdteleskop fortsätter att bidra till vår förståelse av planetvetenskap.

Här långt ner i solen bildas soleruptioner.

 

Bilden: Diagram över solens inre och yttre atmosfär, som visar kärn-, strålnings- och konvektionszonerna separerade av takoklinen (Ett tunt, turbulent övergångsskikt i solens inre, beläget mellan den strålande kärnan som roterar stelt och den yttre konvektionszonen som roterar differentiellt) samt ytegenskaper som solfläckar, utbrott, kromosfären och koronan. Källa: NASA

I en analys av nästan tre decennier av solakustisk data rapporterar NJIT:s fysiker (New Jersey Institute of Technology) bevis för att soldynamon den magnetiska motorn som driver solens elvaårscykler och utbrott  verkar från nästan 200 000 kilometer under solens yta.

Vart elva år byter solens magnetfält riktning. Solfläckar  mörka, svalare områden på solens yta  markerar intensiv magnetisk aktivitet och ofta utlöser dessa områden solutbrott. De uppstår vid medellatituder och migrerar mot stjärnans ekvator i ett fjärilsformat mönster innan de bleknar när 11 årscykeln återställs.

Även om detta skådespel på stjärnans yta länge har varit synligt för astronomer har var denna kraftfulla cykel börjar i solen varit okänt fram tills nu.

Forskare vid New Jersey Institute of Technology (NJIT) som analyserade nästan tre decennier av soloscillationsdata för att spåra solens inre dynamik har nu pekat på den sannolika platsen för solens magnetiska motor djupt ner under ytan . Ungefär 200 000 kilometer ner i solen.

Resultaten som  publicerats i Nature Scientific Reports (se nedan) ger ett av de tydligaste observationsfönster hittills in i solens magnetiska motor. Den så kallade  soldynamon  som genom sina eruptioner formar rymdvädersmönster kopplade till solcykeln, inte bara solen  utan troligen även på andra stjärnor i galaxen.

"Hittills hade vi helt enkelt inte vetat tillräckligt från solens inre för att vara säkra på var solens intensiva magnetfält är organiserade," beskriver Krishnendu Mandal, huvudförfattare till studien  och forskarprofessor i fysik vid NJIT. "Solfläckar är de synliga spåren av magnetfält som driver rymdvädret på solens yta, men vad soloscillationsdata visar är också att platsen för att generera dem har sitt ursprung mycket djupt ner i solen."

För att analysera solens inre överbryggade teamet ungefär 30 års observationer från Michelson Doppler Imager (MDI) ombord på NASAs satellit Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) på Solar Dynamics Observatory (SDO) och markbaserade Global Oscillation Network Group (GONG).

Instrumenten har registrerat ljudvågor som genereras av turbulenta plasmarörelser inom stjärnan var 45:e till 60:e sekund sedan mitten av 1990-talet.

Genom att kombinera dessa observationer analyserade forskarna miljarder individuella mätningar och skapade en av de längsta och mest detaljerade registren över solens interna vibrationer.

"Helioseismologi är  ett ungt forskningsfält  tillförlitliga observationer började först i mitten av 1990-talet när GONG först togs i bruk," förklarar Mandal. "Nu, med nästan tre elvaåriga solcykler av data, ser vi äntligen tydliga mönster ta form som ger oss ett fönster in i stjärnan."

Precis som seismologer som studerar jordbävningar på jorden analyserade forskarna ljudvågor i detta fall som rörde sig genom solen  och mäter skiften i vågornas färdtid genom solens inre som avslöjar hur het plasma inuti stjärnan rör sig och roterar och blottlägger band av snabbare och långsammare rotation under ytan.

Teamets analys visade att dessa migrerande rotationsband i det djupa solens inre bildar ett fjärilsformat flödesmönster som speglar solfläckarnas migration som senare uppstår vid ytan.

Analys av dessa flödesmönster från insidan visade på ett kritiskt övergångslager nästan 200 000 kilometer under ytan. De så kallade takoklinen. 

Denna tunna gräns skiljer solens turbulenta yttre konvektionszon där plasma rör sig och stiger från dess stabila strålningsinre nedanför. Över takoklinen ändras solens rotation abrupt vilket genererar kraftfulla skjuvflöden som kan driva solens magnetfält.

"Rotationsband som härstammar från magnetiska strukturella förändringar nära solens takoklin kan ta flera år för att sprida sig till ytan," beskriver Mandal. "Att följa dessa interna förändringar ger oss en tydligare bild av hur solcykeln utvecklas." Den avslöjade korrelationen mellan flödesmönstren över alla tre instrumenten och i vilken grad de matchar solfläckarnas migration på ytan visar en tydlig koppling mellan dynamiken i  solens inre och solaktivitet på global nivå.

"I åratal misstänkte vi att takoklinen var viktigt för soldynamon  nu har vi tydliga observationsbevis," beskriver Mandal.

Studien, Helioseismic Evidence that the Solar Dynamo Originates Near the Tachocline, publicerad i Nature stöddes med finansiering från NASA, inklusive ett bidrag "Consequences Of Fields and Flows in the Interior and Exterior of the Sun" från NASA DRIVE Science Center vilket är ett samarbete mellan 13 amerikanska universitet och forskningscentra där NJIT  är bland bidragande institutioner.

Planet täckt av magma med svavel i sitt inre

 

Bild Konstnärs avbildning från Oxford university av exoplanet L 98-59 d i omloppsbana runt sin värdstjärna den röda dvärgen L 98-59. Kredit: Mark A. Garlick / markgarlick.com

I en studie från  Oxfords universitet har identifierats en tidigare okänd typ av planet. En planet som lagrat stora mängder svavel djupt inne i ett permanent hav av magma som täcker hela dess yta. Exoplaneten har beteckningen L 98-59 d och kretsar runt en  röd dvärgstjärna cirka 35 ljusår från jorden. Observationer från James Webb Space Telescope (JWST) och markbaserade observatorier visade att planeten har en  låg densitet, med tanke på dess storlek (som är ungefär 1,6 gånger jordens) och innehåller betydande mängder vätesulfid i sin atmosfär.

Hittills skulle astronomer ha placerat en planet som denna i en av två kända kategorier, antingen en stenig gashöljd dvärgplanet med en atmosfär av väte, eller en vattenrik värld bestående av djupa hav under sitt ishölje. Men dessa nya fynd visar att L 98-59 d inte passar in på någon av beskrivningarna istället verkar den tillhöra en helt annan klass av planeter med innehåll av tunga svavelmolekyler.

Med hjälp av avancerade datorsimuleringar rekonstruerade ett forskarteam från University of Oxford, University of Groningen, University of Leeds och ETH Zürich planetens historia från strax efter dess bildande till idag. En period på nästan fem miljarder år. Genom att direkt koppla teleskopobservationer till dessa detaljerade fysiska datamodeller av planetariska interiörer och atmosfärer kunde de fastställa vad som måste hända djupt inne i planeten.

Resultatet visar att manteln för L 98-59 d sannolikt består av smält silikat (liknande lava på jorden), med ett globalt magmahav som sträcker sig tusentals kilometer nedanför. Denna enorma smälta reservoar gör det möjligt för planeten att lagra extremt stora mängder svavel djupt i sitt inre, över geologiska tidsskalor.  

Huvudförfattaren Dr Harrison Nicholls (Institutionen för fysik, University of Oxford) beskriver: 'Denna upptäckt tyder på att de kategorier astronomer idag använder för att beskriva små planeter kan vara för enkla. Även om denna smälta planet sannolikt inte kommer att stödja liv speglar den den stora mångfalden av världar som existerar bortom solsystemet. Vi kan då fråga oss: vilka andra typer av planeter väntar på att bli upptäckta?'

Upptäckten har publicerats i Nature Astronomy. 

Då universum var en ursoppa

 

Bild https://news.mit.edu  En kvark susar genom kvark-gluonplasma och skapar ett spår i plasmat. "Att studera hur kvark-spåret studsar fram och tillbaka ger  nya insikter om kvark-gluon-plasmats egenskaper," beskriver Yen-Jie Lee Meriter:Kredit: Jose-Luis Olivares, MIT (Massachusetts Institute of Technology)

I sina första ögonblick var det unga universum en biljon grader hett. En soppa av kvarkar och gluoner. Dessa elementarpartiklar snurrade runt i ljusets hastighet och skapade en "kvark-gluonplasma" som  varade i några miljondelar av en sekund. Den ursprungliga sörjan kyldes  snabbt ner och dess individuella kvarkar och gluoner smälte samman för att bilda protoner, neutroner och andra fundamentala partiklar som finns idag.

Fysiker vid CERN:s Large Hadron Collider i Schweiz återskapar kvark-gluonplasma (QGP) för att bättre förstå universums utgångspunkt. Genom att krossa tunga joner i nära ljusets hastighet kan forskare kortvarigt lossa kvarkar och gluoner för att skapa och studera samma material som existerade under de första mikrosekunderna av det tidiga universum.

Nu har ett team vid CERN under ledning av fysiker från MIT observerat tydliga tecken på att kvarkar skapar spår när de susar genom plasman, liknande en ands som lämnar krusningar genom det vatten den simmar i. Fynden är det första direkta bevisen på att kvark-gluonplasma reagerar på snabba partiklars rörelse idet som kan ses som en  vätska, som skvalpar och stänker  istället för att spridas slumpmässigt som enskilda partiklar.

"Det har varit en lång debatt inom vårt område om plasmat borde reagera på en kvark," beskriver Yen-Jie Lee, professor i fysik vid MIT. "Nu ser vi att plasmat är otroligt tätt så att det kan sakta ner en kvark och ger stänk och virvlar som i en vätska. Så kvark-gluonplasma är bevisligen en uråldrig soppa."

För att se kvarks eftereffekter utvecklade Lee och hans kollegor en ny teknik som de beskriver i studien (se nedan). De planerar att tillämpa metoden på mer partikelkollisionsdata för att se på andra kvarkspår. Att mäta storleken, hastigheten och omfattningen av dessa vågor och hur lång tid det tar för dessa att ebba ut och försvinna kan ge forskare en uppfattning om plasmats egenskaper och hur kvark-gluon-plasma kan ha betett sig under universums första mikrosekunder.

"Att studera hur kvarkars spår studsar fram och tillbaka kommer att ge oss nya insikter om kvark-gluon-plasmats egenskaper," beskriver Lee. "Med det här experimentet tar vi en ögonblicksbild av den uråldriga kvarksoppan."

Studiens medförfattare är medlemmar i CMS Collaboration. Ett team av partikelfysiker från hela världen som samarbetar för att genomföra och analysera data från Compact Muon Solenoid (CMS)-experimentet, som är en av de allmänna partikeldetektorerna vid CERN:s Large Hadron Collider. CMS-experimentet användes för att upptäcka tecken på kvarkvågeffekter för denna studie. Studien har publicerats i tidskriften Physics Letters B.