Hur man kan förstå väder på avlägsna exoplaneter

 

Bild wikipedia Konstnärs tolkning av SIMP J013656.5+093347 och dess aurora.

Med observationer från NASAs James Webb Space Telescope (JWST) använde teamet från Trinity College Dublin, The University of Dublin en statistisk teknik kallad Principal Component Analysis (PCA) för att följa hur objektets ljus förändras när det roterar. PCA förenklar komplex data genom att identifiera de huvudsakliga mönstren som förändras tillsammans under observationerna i tid.

I denna studie är dominerande mönster kopplade till väderrelaterade förändringar i den undersökta bruna dvärgens atmosfär (i detta fall SIMP 0136) huvudarbetet vilket innefattade att de skiljde på mindre fluktuationer och slumpmässigt "brus" i datan som samlades in. 

Forskarna kunde med hjälp av metoden identifiera de viktigaste fysiska processerna direkt ur datan. Vilken visade små förändringar i ljusstyrkan hos planetens massa när den roterade DEtta kunde ses tack vare JWST:s instruments exceptionella känslighet. I studien beskrivs (se nedan) att atmosfären på SIMP 0136 är på ett organiserat sätt, snarare än oorganiserat och slumpmässigt.

Den bruna dvärgen är större och hetare än en gasjätteplanet, men inte tillräckligt massiv för att lysa som en stjärna. Dess atmosfär domineras av enorma, snabbt föränderliga molnsystem. Molnsystemet är mindre omfattande än jordens och mer som en extrem version av Jupites, med planetstora vädermönster som ständigt förändras (om man nu inte ser tidslängden på Jupiters stora storm den så kallade röda fläcken).

"Vi upptäckte  att  drivkrafterna bakom vädermönstren på SIMP-0136 kvarstår över tid, även när atmosfärens detaljerade utseende utvecklas över mer än ett dussin rotationer," beskriver huvudförfattaren till studien Merle Schrader, doktorand vid Trinitys fysikskola.

"Relativt sett är SIMP 0136 en av de bruna dvärgar som är lättast för oss på jorden att studera och  fånga högkvalitativ data från. Den befinner sig 20 ljusår bort i södra delen av stjärnbilden Fiskarna. Ny teknik har också hjälpt oss att utveckla en bättre förståelse för vad som driver vädret på denna avlägsna värld och hur dessa vädermönster samexisterar men kanske ännu viktigare ar att detta sätt att studera kan förfinas och tillämpas på andra, mindre välkända bruna dvärgar i andra delar av rymden."

Och i en till synes otrolig vändning av kosmiskt öde finns det en personlig koppling mellan Merle och hennes studie av SIMP 0136 som är 20 ljusår från jorden. Lite snabb matematik bekräftar att just det ljus som gav data analyserad i hennes studie och som först observerades av JWST 2023, sändes ut samma år som Merle föddes.

"Ljuset färdas i cirka 300 000 km/s men även i den hastigheten tog det två decennier för ljuset från SIMP 0136 att nå Webbtelekopet.

När man tänker på att ljuset tar drygt en sekund att nå månen efter att ha lämnat jorden, ger det en känsla av hur långt bort SIMP 0136 är och hur otroliga astrofysiska framsteg har varit. Jag tycker det är fantastiskt att vi har kunnat urskilja de intima vädermönstren i en avlägsen värld och kartlägga deras interaktioner från vårt mysiga lilla hörn av universum, när allt vi observerar direkt av dessa objekt är en enda pixel utspritt över ljusspektrumet." ,  beskriver Schrader

Att förstå vädret på objekt som SIMP 0136 är viktigt eftersom bruna dvärgar utgör en unik möjlighet att studera fysiken bakom jättelika exoplanetatmosfärer. Till skillnad från de flesta exoplaneter kan de observeras direkt vilket gör det möjligt för astronomer att testa idéer om molnbildning, atmosfärisk cirkulation och värmetransport under extrema förhållanden.

Prof. Johanna Vos, docent vid Trinity School of Physics, påtalar: "Våra resultat kommer att förändra hur astronomer analyserar framtida JWST-observationer. Eftersom vårt tillvägagångssätt snabbt identifierar de dominerande komponenterna i atmosfären erbjuder det ett effektivt första steg innan vi påbörjar beräkningsintensiv modellering.

"Att tillämpa denna teknik på en mängd olika bruna dvärgar och jättelika exoplaneter kommer att hjälpa oss att bättre förstå de olika vädersystem som formar världar långt bortom vårt solsystem."

Ännu bredare är en av anledningarna till att det finns intresse för att bättre förstå vädermönster på avlägsna planeter att det berättar mycket om atmosfärerna och den kemiska sammansättningen på dessa planeter vilket är ett viktigt steg mot att identifiera vilka typer av världar där liv potentiellt kan existera.

Forskningen genomfördes som en del av Webbs General ObserverProgram 3548. Det stöddes av ett bidrag från European Research Council (projekt "EXO-PEA") och ett forskningsstipendium från Royal Society—Research Ireland University.

Studien publicerade kan läsas här på tidskriften Astronomy & Astrophysics. 

WISE 0855−0714 en brun dvärgstjärna med moln av samma slag som Jorden.

 

Bild wikipedia. Fotografisekvens tagen med WISE- och Spitzerteleskopet av WISE 0855−0714 Observationsdata Epok: J2000.0  En värld i Jupiter-storlek bara 7,5 ljusår bort som är molnig kemiskt komplex.

Med hjälp av James Webb Space Telescope och under ledning av  Brittany Miles, biträdande astronom vid University of Arizona Steward Observatory medlem av ett team som tillbringade 11timmar med att se på WISE 0855, den kallast kända bruna dvärgstjärnan. Man samlade in ett spektrum av dess ljus var 15:e minut. Resultatet är det mest detaljerade tidsserieporträttet som någonsin tagits av denna iskalla värld  och den första direkta bekräftelsen på att vattenmoln (samma slag av moln som sveper runt jorden) här ändrar tjocklek över tid precis som vädret på jorden.

"Det här är första gången vi kunnat bekräfta att vattenmoln blir tunnare och tjockare på en närliggande värld," beskriver  Miles, postdoktoral forskare vid Steward Observatory. "Före JWST hade vi bara fotometri (den totala fysiska energin hos elektromagnetisk strålning watt) som blandade ihop effekterna av moln, kemi och temperatur tillsammans. Nu kan vi skilja detta åt."

Bruna dvärgar befinner sig på en märklig mellanväg. För massiva för att vara planeter och för små för att tändas upp som stjärnor: De lyser svagt med kvarvarande värme från sin bildning. WISE 0855 är ungefär  -8 celcius  kallare än jordens medeltemperatur på sin yta. Den har dubbelt så stor massa som jorden och nästan dubbelt så stor och beter sig på många sätt som en fritt flytande jätteplanet.

Att förstå dess atmosfär kräver att man ser på världen genom det som medförfattaren till studien Mark Marley, chef och avdelningschef för Lunar and Planetary Laboratory vid Universiy of Arizona beskriver det som att. "Fotonerna sveper genom atmosfären och försvinner ut i rymden. Det är som att titta på världen genom en skärmdörr, där skärmen filtrerar ut lite av ljuset. Vi lär oss om världen på båda sidor av skärmen men vi måste också förstå själva skärmen."

I det här fallet ändras skärmen hela tiden. När WISE 0855 roterar roterar olika partier av dess yta in i bilden, var och en med något olika molntäcke och temperatur. Det är som att se ett långsamt roterande lapptäcke av varmare och kallare regioner. JWST:s mediumupplösta spektrograf var tillräckligt känslig för att följa dessa skillnader över enskilda molekylära egenskaper något som inget tidigare observatorium kunnat åstadkomma för ett så kallt objekt.

Utöver de varierande temperaturer som följde rotationen av den bruna dvärgen, fångade spektrografen också en rytmisk vågliknande signal kopplad till specifika gaser i detta fall kolmonoxid och fosfin. Dessa kemikalier varierar eftersom värme från djupet  i den bruna dvärgen ständigt rör upp dem mot ytan, på samma sätt som en gryta med het soppa trycker upp varmare vätska från botten.

Denna typ av kemisk signal är bekant för planetforskare. På Jupiter gräver konvektiv blandning gaser från djupa heta lager upp i den synliga atmosfären. Samma process, kallad obalanseringskemi, har observerats hos bruna dvärgar tidigare men att se den variera i realtid, molekyl för molekyl, är nytt.

"Vi ser vattenmoln bli tjockare och tunnare, djupa gaser stiga och falla och vi kan se dem förändras i realtid," beskriver Miles.

Miles påtalar att det verkliga värdet av denna upptäckt inte bara är vad den visar om WISE 0855 specifikt utan vad den antyder om planetatmosfärer i stort. Den grundläggande fysiken bakom konvektion, moln och kemi som styr Jupiter styr också denna kalla, fritt flytande värld ovan. Om den fysiken är universell, gäller den även för de gasjätte-exoplaneter därute som astronomer nu börjat studera på  med JWST (James Webb teleskopet).

"Även om bruna dvärgar inte är riktiga planeter (ses som misslyckade stjärnbildningar), uppvisar de planetliknande beteende," beskriver Miles. "Det finns ett spektrum av beteenden inte en tydlig gräns mellan bruna dvärgar och planeter. Jupiter och detta objekt ser tydligt olika ut, men de har liknande vädermönster. Det finns grundläggande fysik och kemi som kan tillämpas på alla dessa  liknande världar."

Studien är publicerad i The Astrophysical Journal, och här  beskrivs att WISE 0855:s atmosfär formas av minst två distinkta processer som utspelar sig samtidigt: vattenmoln på hög höjd som blir tjockare och tunnare när objektet roterar och att djupa kemiska gaser som sugs uppåt av konvektion från det inre. Att reda ut dessa två signaler – som tidigare var omöjligt med tidigare teleskop  är det som gör JWST-data så kraftfulla.

 

En neutrinolaser kan inte existera.

 

Bild https://icecube.wisc.edu/  Teleskopet på Antarktis är konstruerat för att detektera neutriner. Nobelpriset i fysik 2026 gick till Francis Halzen, University of Wisconsin–Madison, USA. Halzen var med från början i att bygga upp observatoriet och är fortfarande  engagerad i arbetet med att detektera neutriner från yttre rymden för att förstå mer om dessa och hur deras väg mot oss började. 

Neutriner är de genomträngande men ändå ogripbara partiklar som genomsyrar universum och strömmar genom hela planeter, stjärnor och våra kroppar i biljoner varje sekund. Elementarpartiklarna beskrivs ofta som "spöklika" på grund av sin nära noll massa och sin svårfångade natur. De har mycket liten interaktion med vanlig materia.

Sedan dess upptäckt 1956 har neutriner fortsatt att överraska fysiker med sina oväntade egenskaper och beteenden. Till exempel finns partiklarna i flera "smaker" och de kan förvandla sig från den ena till den andra som subatomära formskiftare. Neutriner kan också vara sin egen antipartikel, i en Jekyll-och-Hyde-liknande kvantdualitet. Dess extremt svaga interaktioner gör dem nästan omöjliga att upptäcka.

2025 verkade forskarna bidra än mer till partikelns mystik med ett utarbetat koncept till en neutrinolaser. De föreslog att en koncentrerad neutrinostråle kunde produceras genom att kyla ett moln av radioaktiva atomer till nanokelvin-temperaturer, en miljarddel av temperaturen i interstellär rymd (0.000000001 Celsius). Om atomerna saktar ner till nästan frusen krypning bildar de ett Bose-Einstein-kondensat och bör fungera som en kvant, koherent helhet som påskyndar och förstärker deras radioaktiva sönderfall.

Fysikerna antog att neutriner som är en naturlig biprodukt av radioaktivt sönderfall också borde förstärkas och att en sådan process skulle avge en laserliknande stråle av spöklika partiklar.

Men  MIT-fysiker har nu visat att neutrinolaserkonceptet och ett liknande förslag för gammastrålar är omöjligt att realisera. I två kompletterande artiklar som publiceras nyligen i Physical Review Letters presenterar Wolfgang Ketterle, John D. MacArthur Professor i fysik vid MIT (Massachusetts Institute of Technology), tillsammans med postdoktorerna Hanzhen Lin och Yu-Kun Lu, en tvådelad analys som visar att båda koncepten är fysiskt och fundamentalt omöjliga. Mer specifikt har de visat att neutrinolaserkonceptet är bristfälligt, på grund av "rekyl" (alltså den kinetiska energi som skapas av reaktionen) och på grund av neutrinos grundläggande "fermioniska" natur. 

MIT-professorn i fysik Joe Formaggio, har tillsammans med Ben Jones, som då var docent i fysik vid University of Texas i Arlington, var den som lagt fram neutrinolaserförslaget (skapandet av en neutrinolaser) och ser de nya resultaten som en övertygande och konstruktiv utmaning.

"När en ny idé  som den vi föreslog delas är det samhällets plikt att granska den. Sådan är den vetenskapliga processen," beskriver Formaggio. "Det var verkligen fantastiskt att se hur vår artikel genererade mycket utanför vårt ursprungliga koncept. Vi misstänker att det kommer att fortsätta."

Förslaget om en neutrinolaser baserades på idén om "superstrålning"  en kvantmekanisk, förstärkande effekt som endast observerats med fotoner (ljuspartiklar)

En form av superstrålning uppstår när ett moln av atomer kyls ner till nära den absoluta nollpunkten (vilken är -273,15 °C) vid vilken punkt en atoms rörelse bestäms inte av termiska effekter, utan enbart av kvantosäkerhet. I detta tillstånd av nästan stillastående tillstånd som kallas ett "Bose-Einstein-kondensat" (BEC), rör sig atomerna i takt, som en kvantkorrelerad helhet.

Om fotoner pumpas in i kondensatet som en laserstråle, synkroniseras atomerna och sprider ut fotonerna i exakt samma riktning som de kom in. I kontrast skulle ett moln av atomer vid rumstemperatur helt enkelt sprida fotonerna i slumpmässiga riktningar vilket i bästa fall ger ett mjukt sken. När fotoner sprids från atomer bör atomerna i sin tur "rekylera", som om de fysiskt tryckts bakåt av nedslaget. I en BEC, där atomerna rekylerar i takt ökar hastigheten med vilken de sprider fotoner i samma riktning exponentiellt. Denna förstärkande effekt resulterar i en "superstrålande" laser av fotoner, som forskare har observerat.

I sitt förslag föreslog Formaggio och Jones, som nu finns vid University of Manchester, att samma superradianta effekt skulle kunna vara möjlig för radioaktiva atomer, som naturligt avger neutriner när de sönderfaller. Om ett moln av radioaktiva atomer kyldes ner för att bilda ett Bose-Einstein-kondensat, skulle en liknande förstärkande effekt aktiveras och generera en koncentrerad stråle av neutriner när atomerna sönderfaller i takt. För att illustrera sin poäng beskrev de ett scenario där ett moln av radioaktiva rubidiumatomer som kylts ner till en BEC, skulle påskynda sitt radioaktiva sönderfall från en halveringstid på 86 dagar till en minut.

Ingen har någonsin klarat av att producera en BEC från radioaktiva atomer. Men om det kunde göras, borde kvanttillståndet i teorin producera en neutrinolaser.

För Ketterle verkade idén för bra för att vara sann. Ketterle är den ledande experten på Bose-Einstein-kondensat. Han var med och upptäckte Bose-Einstein-kondensat 1995  upptäckten han delade Nobelpriset i fysik 2001. 

Han och hans grupp vid MIT har avslöjat många överraskande egenskaper i Bose-Einstein-kondensat och annan ultrakall materia där atomernas energi är som lägst.

"Min erfarenhet har alltid varit att kondensatet kan göra många saker vid låg energi superfluiditet, virvlar och om du talade i ett rum fyllt med kondensat, skulle det ta en timme innan du hörde min röst. Så långsamt är kondensatet," beskriver Ketterle.

Jämfört med synliga fotoner, som har en energi på 1 elektronvolt, emitteras neutriner naturligt när atomer sönderfaller, med en miljon gånger mer energi. När en neutrino skjuter ut från en atom bör emissionen i sin tur få atomen att rekylera en miljon gånger starkare än synliga fotoner.

"Så länge rekylatomen stannar i kondensatet kan den göra kondensatet superstrålande," beskriver Ketterle. "Men när en neutrino sänds ut med en miljon elektronvolt, rekylerar atomen med hastigheter motsvarande Mach 10, snabbare än ett stridsflygplan. Det här går så snabbt att atomen nästan omedelbart skulle försvinna."

Ändå antogs i neutrinolaserförslaget att den undkomna atomen skulle lämna ett slags kvantavtryck i kondensatet vilket påverkar  kondensatet som helhet att avge framtida neutriner i exakt samma laserliknande riktning.

Men i den första av två nya artiklar visar Ketterle och hans team genom en teoretisk analys att så inte är fallet. De övervägde en modell som beskriver superradians. Denna modell bestämmer de förhållanden som skulle leda till superstrålning av fotoner. Ketterle tillämpade modellen på fallet med radioaktiva atomer och neutriner.

Dessa beräkningar visade att superstrålning inte var möjlig i alla scenarier teamet övervägde. Atomen backade helt enkelt tillbaka för snabbt för att något kvantavtryck skulle kunna byggas upp. Det var som om kondensatet omedelbart förlorade "minnet" hos neutrinon som sändes ut och därför fortsatte att sända ut neutriner likt atomer normalt skulle göra, utan förstärkning.

I sin andra artikel visade MIT-forskarna att konceptet med neutrinolaser, förutom att vara omöjligt på grund av en fysisk rekyleffekt  grund av neutrinernas grundläggande natur.

De fann att även om en rekylatom skulle lämna ett kvantavtryck i kondensatet, skulle avtrycket inte vara vad som skulle avges härnäst, utan snarare vad som inte skulle avges. Med andra ord skulle minnet hos den emitterade neutrinon tala om för kondensatet att sända ut nästa neutrino i någon annan riktning vilket förhindrar uppbyggnaden av en riktad neutrinostråle. Forskarna visade att detta motsatta minne, eller "anti-korrelation", beror på att en neutrino i grunden är en fermion. 

Fermioner och bosoner är de två grundläggande klasserna av partiklar som utgör all materia i universum. Bosoner är partiklar med heltalsspinn, såsom fotoner. Till skillnad från detta har fermioner, såsom elektroner och neutriner, halvheltalsspinn. Om en partikel har ett helt eller halvt heltalsspinn avgör hur den interagerar på kvantnivå med andra partiklar.

"Inom superstrålning handlar det om en minneseffekt eller kvantkorrelationer i kondensatet. Och i det sammanhanget trodde forskare att vad som än avges från kondensatet spelar det ingen roll om det är en boson eller en fermion," förklarar Ketterle. "Men vi analyserade det och om du beskriver det korrekt för emitterade fermioner får du ett antiminne, vilket gör att kondensatet inte accelererar i en superstrålande form. Den har snarare minnet att inte göra det."

Ketterle, Formaggio och Jones har träffats vid flera tillfällen för att diskutera det ursprungliga neutrinolaserförslaget och Ketterles utmaning till det.

"Jag misstänker att någon dag kommer någon att göra experimentet," beskriver Formaggio. "Naturen är, som alltid, den slutgiltiga domaren i sådana saker. Och här vore jag oförskämd om jag inte påpekade att alla tidigare förutsägelser om neutriner har varit felaktiga. Det enda med neutriner som aldrig förvånar fysiker är att de aldrig misslyckas med att överraska."

Min undran är om neutriner har något med mörk materia att göra kanske det är detta som ska ses som  mörk materia?

 

Webbteleskopet hittade radiopulsen FRB 20240304B;s ursprung.

 

James Webb Space Telescopes NIRCam (Near-Infrared Camera) upptäckte galaxen varifrån den snabba radiopulsen FRB 20240304B  kom (det längst i tid och snabbaste utbrottet vi upptäckt). Galaxen  finns ca 11 miljarder ljusår bort positionen visas av det vita korset på bilden. Pulsen kom från en liten dvärggalax där det aktivt bildas stjärnor. Bild: NASA, ESA, CSA, STScI, Themiya Nanayakkara(USYD); Bildbehandling: Joseph DePasquale (STScI)

Första gången man upptäckte ett radioutbrott  FRB (fast radio burst) var  2007. Dessa  består  av millisekundlånga radioutstrålningar från det avlägsna universum. Strålningarnas ursprung är fortfarande osäkert, särskilt eftersom de flesta uppstår en gång och aldrig mer.

Astronomer som använde NASAs James Webb Space Telescope har lokaliserat galaxen där det mest avlägsna snabba radioutbrottet (FRB) hittills setts. Upptäckten har betydelse för vilken typ av energihändelse som skapar dessa utbrott. "Det som gör snabba radioutbrott intressanta är att vi inte vet vad som bildar dem. Vi har teorier om vilka objekt som producerar dem, men vi har inga avgörande bevis," beskriver Manisha Caleb vid University of Sydney, huvudförfattare till studien som publicerades nyligen i tidskriften Science. 

MeerTRAP-teamet (MeerTRAP-teamet är en internationell forskargrupp inom astrofysik som leds av Professor Ben Stappers vid Jodrell Bank Centre for Astrophysics vid University of Manchester) använde MeerKAT-teleskopet (ett radioteleskop i Sydafrika) för att upptäcka utbrottet den 4 mars 2024, vilket fick beteckningen FRB 20240304B. Radiodata från detta utbrott antydde att den var extremt avlägsen, möjligen det avlägsnaste som  hittills upptäckts. För att bekräfta det avståndet skulle astronomerna dock behöva studera galaxen varifrån det kom. Även om de kände till FRB:s plats mycket exakt, kunde världens största markbaserade teleskop inte upptäcka någon galax på den platsen i skyn. Teamet vände sig till Webb-teleskopet och fick en tid för att använda detta.

Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera)-instrument upptäckte då en galax på rätt plats och dess NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) instrument gav en exakt mätning av galaxens rödförskjutning: 2,148, vilket motsvarar en tid bara 3 miljarder år efter big bang. Den stora majoriteten av FRB som upptäckts hittills inträffade miljarder år senare i kosmos historia. Galaxen existerade i en period av i universums historia då stjärnbildningen var som störst. Galaxens hastighet av stjärnbildning antydde att majoriteten av dess stjärnor kan ha bildats inom bara 30 miljoner år.

Detta har viktiga konsekvenser i sökandet efter ursprunget till snabba radioutbrott. En teori föreslår att FRB kan ha sitt ursprung i sammanslagningen av två neutronstjärnor. Processen där neutronstjärnor i omloppsbana gradvis närmar sig tills de kolliderar ett förlopp som dock förväntas ta miljarder år. Som ett resultat av detta förväntas FRB associeras med äldre galaxer med mer utvecklade stjärnpopulationer än den nu hittade.

En andra teori föreslår att en FRB kan ha sitt ursprung i en enda, ung, högmagnetisk neutronstjärna känd som magnetar genom en mekanism som kan kallas stjärnskalv. Då en massiv stjärna exploderar som en supernova och lämnar efter sig en magnetar kan en FRB ske relativt snabbt ske utan någon större tidsfördröjning. Som ett resultat förväntas FRB också hittas i yngre galaxer som galaxen där man fann FRB 20240304B.

"Vårt arbete tyder på att det är mycket osannolikt att denna FRB producerades genom en sammanslagning av två neutronstjärnor," påtalar Caleb.

"Våra resultat visar ytterligare Webbs fantastiska förmåga att tänja på gränser bortom vad som tidigare var möjligt att upptäcka" beskriver medförfattaren till studien Themiya Nanayakkara från University of Sydney, Australien.

"En snabb radiopuls är nästan som en kosmisk ficklampa. Den lyser upp allt längs vägen. Den bär ett avtryck av allt den färdas genom, så man  kan använda den för att spåra den annars  annars osynliga materian och strukturerna  den möter längs vägen mot oss," beskriver medförfattaren J. Xavier Prochaska vid University of California, Santa Cruz.

En student under grundutbildnings i astrofysik vid UC Berkeley har hittat tre ovanliga galaxer

 

Bild https://news.berkeley.edu  Ssammansatta bilder skapade av Julian Shapiro med bilder från Sloan Digital Sky Survey, Hyper Suprime-Cam Legacy Archive / National Astronomical Observatory of Japan och Canada-France-Hawaii Telescope / Coelum. Med tillstånd av Julian Shapiro.

"Dvärggalaxer existerar både isolerat och som satelliter runt större galaxer ex runt Vintergatan," beskriver Julian Shapiro, studiens författare (se nedan) vilken genomförde sin forskning under sin gymnasietid. I isolerade dvärggalaxer förväntas aktivt bildas stjärnor då här inte finns några större galaxer i närområdet som drar till sig deras gas och damm genom sin större gravitation som därmed försvinner som stjärnbildningsmaterial. De galaxer Shapiro upptäckte bryter mot denna regel. I studien beskrivs att de galaxer han upptäckte kan vara bland de första galaxer som upptäckts vilka en gång passerade nära en stor galax vars gravitation drog till sig deras gas, innan dvärggalaxerna slungades bort från den större galaxen.

Vanligtvis innehåller små dvärggalaxer som finns i isolerade områden i djup rymd kall gas som gör att här  produceras stjärnor. Omvänt finns dvärggalaxer där inga stjärnor bildas i stjärnrika områden  i stjärnrika miljöer eller nära större galaxer där starka hydrodynamiska och gravitationskrafter suger bort deras gas.

De tre dvärggalaxer som Shapiro upptäckt utgör ett mysterium då de är både isolerade och har slutat producera nya stjärnor. Astrofysiker har försökt förklara vad som orsakar att detta sker.

Shapiro tror att de tre dvärggalaxerna en gång trängde genom gravitationskraften av en massiv galax. kanske Messier 101 (som finns i Stora björn 23 ljusår bort) känd som Pinwheel-galaxen. Denna är den främsta kandidaten där stora krafter våldsamt kan ha  slitit bort dvärggalaxers stjärnbildande gas innan Messier 101 kastade ut dem i djupa rymden. Alternativt ligger Shapiro Dvärggalax II tillräckligt nära spiralgalaxen NGC 5585 för att denna kan vara inblandad i händelsen (28 ljusår bort i Stora björn)  

och därmed skapat en backsplash galax. Den standardiserade kosmologiska modellen, kallad lambda-kall mörkmateria (ΛCDM) (galaxer som en gång störtade in i centrum av en massiv galaxhop eller stor galax och fick sin gas och sitt stjärnbildningsmaterial borttagna av gravitations- och tryckkrafter och därefter kastades i väg.) Dessa bör vara vanliga, men att identifiera exempel i det lokala universum har visat sig svårt. Shapiros resultat visar att standardfysikmodellen sannolikt gäller även i lugnare kosmiska områden samtidigt som enskilda kandidater kan bekräftas genom uppföljande observationer. Artikeln ger också trovärdighet åt hypotesen att yttre krafter måste vara ansvariga för att frånta isolerade, släckta galaxer deras förmåga till stjärnbildning.

Shapiro använde datasimuleringar för att avgöra var bakgrundsdvärggalaxer mest sannolikt fanns nära en Vintergata-liknande galax och var teleskop kunde hitta dem.

"Att bygga den grundläggande kunskap som krävs för att upptäcka galaxerna, utveckla modellerings- och analyskod samt analysera resultaten jämfört med vår kosmologiska modell var en utmaning," beskriver Shapiro. "Jag hade turen att många av de ledande tidskrifterna inom området är gratis att använda, vilket hjälpte mig att förstå de nödvändiga teknikerna och bakgrunden."

Mycket av Shapiros forskning ägnades åt att uppskatta avstånd för att avgöra om dvärggalaxerna verkligen var isolerade. Han hoppas att uppföljande mätningar från högupplösta rymdteleskop definitivt ska kartlägga de exakta positionerna för dvärggalaxerna och utesluta alternativa scenarier till deras släckta förhållanden. Shapiro förväntar sig att det nya Vera C. Rubin-observatoriet kommer att avslöja många potentiella backsplash galaxies liknande de han upptäckt.

Det är ovanligt att någon grundutbildningsstudent publicerar sin egen forskning, men Shapiros fall är särskilt anmärkningsvärt eftersom han ursprungligen bedrev sin forskning under gymnasietiden. Nu under sin första termin på Berkeley läser Shapiro astrofysikkurser  tillsammans med några matematik och fysikkrav i jakten på ett framtida huvudämne.

"Jag ser mitt arbete som inspiration för unga som vill bedriva forskning inom astrofysik," beskriver Shapiro.

Davidson Institute uppmärksammade Shapiros forskning om backsplash galaxies genom att utse honom till 2026 års Davidson Fellow. Han vann också Astronomical Leagues National Young Astronomer Award 2025.

Den berömde Berkeley-astronomiprofessorn Alex Filippenko berömde det avancerade sätt på vilket Shapiro bedrev sin forskning och analyserade sina fynd.

"Julian genomförde anmärkningsvärt sofistikerad forskning redan på gymnasiet vilket är mycket ovanligt och han erkändes med det prestigefyllda Davidson Fellowship," påtalar Filippenko. "Jag känner mig mycket lyckligt lottad att han valde UC Berkeley för sina grundstudier i astrofysik och särskilt att han bestämde sig för att ansluta sig till mitt forskarteam."

Shapiro kommer att arbeta med Filippenkos forskargrupp för att studera Hubble-spänningen en vetenskaplig oenighet om universums expansionshastighet. Han hoppas också kunna genomföra uppföljande observationer av Shapiro-dvärggalaxerna.

Shapiros artikel publicerades nyligen i The Astrophysical Journal och kan läsas här. 

Webbteleskopets bild in i nebulosan NGC 7129

 

NASAs pensionerade rymdteleskop Spitzer observerade gas och damm i nebulosan (gasmolnet) NGC 7129. NASAs James Webb Space Telescopes förbättrade upplösningsbilder gav mer detaljerade bilder av gas- och dammfilament och man kan se flera bakgrundsgalaxer genom gasen (höger bildhalva). Bild: NASA, ESA, CSA, STScI, NASA-JPL; Bildbehandling: Alyssa Pagan (STScI) Bilden från NASAs James Webb Space Telescope avslöjar många stjärnor som tidigare var dolda bakom damm i nebulosan som befinner sig cirka 3 300 ljusår från jorden.

Stjärnor varifrån mineral uppstår har livscykler som börjar med deras födelse i ett molekylmolns kyligare områden av rikligt med damm och gas. På grund av dessa dammiga kokonger är nya stjärnor ofta omöjliga att se i många teleskop, särskilt de som inte kan fångas av infrarött ljus. Webb har dock en hög grad av infraröd känslighet vilket gör det möjligt för astronomer att se genom dammet och studera början av stjärnors livscykel. Stjärnorna i nebulosan ovan befinner sig i olika utvecklingsstadier  de mer massiva stjärnorna bildas och utvecklas snabbast.

Den massivaste och mest utvecklade är regionens lysande centrala stjärna, LkH(alfa) 234 (uttalas Lick-H-alfa). Denna stjärna som har bildens mest framträdande diffraktionsmönster, är en pre-huvudseriestjärna som väger omkring 5 till 8 gånger mer än vår sol. Pre-huvudserie-stjärnor som dessa har till största delen samlat massa och drar ihop sig under gravitation vilket får deras temperatur att stiga. Med tiden kommer denna stjärna att fusionera sitt eget väte som vår sol och troligen få ett eget planetsystem. Prefixet pre- (latins prae) betyder före, för- eller i förväg (i tid eller rum) i ovan fall början till eller påbörjad stjärnbildning.

Håligheten till vänster, i guldgul färg sträcker sig cirka 3,5 ljusår och är där stjärnan nämnd ovan en gång bilades och fick sin materia. Utflöden från ett tidigare stadium av stjärnans livscykel skär sig in i det täta molekylmolnet av väte. Både utflödena och stjärnans ljus ger energi åt gasen vilket får den att glöda. Även om mycket av denna vätgas blåses bort komprimeras också en stor mängd, vilket skapar förutsättningar för att ännu fler stjärnor  bildas. Fler av dessa protostellära utflöden (stjärnbildningens tidigaste skede) kan ses uppe till vänster i bilden nära en blåfärgad nebulosa. I mitten av denna blå region finns en protostjärna omgiven av en munkformad (kakan munk menas)  skiva av material. Skivan ger en skugga mot den omgivande nebulosan, som påminner om en liknande struktur känd som "The Bat nebula (NGC 6995) " som observeradesförsta gången i oktober 2028 av NASAs Hubble-rymdteleskop.

Webbs höga rumsliga upplösning avslöjar många rika strukturer i regionens gas vilket bygger på forskning som tidigare gjorts av NASAs pensionerade Spitzer Space Telescope. Astronomer kommer att fortsätta använda dessa Webb-data för att studera hur stjärnorna och protostjärnorna i denna region påverkar den omgivande gasen och dammet.

Hubbleteleskopet visar en andra generationens planet

 

Bild wikipedia Konstnärs bild av HS 0209+0832 och dess planet. Denna vita dvärgstjärna finns 270 ljusår bort i riktning mot stjärnbilden Valen.

En planet av andra generationen är en värld som bildas runt den stjärnliknande resten av en slocknad stjärna av dess övergivna materia.

 I äldre data insamlad av NASAs Hubble-teleskop fann man nyligen en vit dvärg vilket innebär den kvarvarande kärnan av en lågmassestjärna som har förbrukat allt sitt kärnbränsle och förlorat sitt yttre av gas och damm ut i rymden. "Istället för att vita dvärg-stadiet är en slags epilog av  en stjärnas existens och dess planeter pekar denna upptäckt på att de system vi känner till bara är det första kapitlet i en potentiellt mycket längre berättelse av en stjärnas existens och utveckling. Det är ett riktigt spännande projekt att satsa på," beskriver Jamie Williams, astronom och doktorand vid University of Warwick i Storbritannien och huvudförfattare till studien nedan,.

Jorden och de andra planeterna i vårt solsystem är förstagenerationsplaneter som bildats av material som fanns kvar efter solens tillblivelse.

"Det Hubble upptäckt i det vita solsystem är något vi inte sett förut. Innehållande en stor mängd av grundämnet niobium (Niob på svenska) vars signatur (spektrum) jag inte kände till när jag först hittade den i arkivdatan," beskriver Williams. 

När Hubble först observerade stjärnan 1999 innehöll datan ungefär 100 kemiska egenskaper som inte kunde identifieras. Williams gick tillbaka till  registert med en uppdaterad kemisk databas och fann att niobium matchade många av de egenskaperna.

Williams förklarade att även om niobium finns i vårt solsystem och har flera användningsområden på jorden, bland annat i smycken och medicinska bildapparater, pekar mängden Hubble hittade i HS 0209+0832-systemet på att en planet bildas här och då inte från en stjärnas tillblivelses materiarester utan från det material som kastas ut efter dess avslut.

"Niobium och andra grundämnen tyngre än järn är astronomiskt speciella eftersom de, till skillnad från många vanliga grundämnen, inte bildas i stjärnors kärnor genom termonukleär fusion," beskriver Nicholas Stone, teoretisk astrofysiker vid University of Wisconsin  Madison och medlem av forskarteamet. "Istället kan dessa tunga grundämnen endast syntetiseras under de exotiska förhållanden som kortvarigt uppstår inuti avslocknande stjärnor.

Närvaron av niobium är en vägvisare till en stjärnas sista tid och utkastning av materia under dess avsvalnande. Forskarteamet bekräftade Hubble-observationerna med data från NASAs pensionerade FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer)-uppdrag, som också visade starka niobiumsignaturer i HS 0209+0832-systemet. Forskarteamet uppskattar att den nu bildade planeten är en gasjätte ungefär lika stor som Jupiter som snabbt förlorar atmosfär. Eftersom den vita dvärgstjärnan är relativt ny som detta är den fortfarande mycket het och sannolikt belyser den nybildade  planeten med energi som sliter bort dess yttre material. Detta skulle kunna resultera i att planeten får en kometliknande svans av materia som bildar en skiva runt den vita dvärgstjärnan då den faller tillbaka på den vita dvärgen vilket leder till att Hubble detekterar niobium på stjärnan. Trots denna massförlust påtalar Williams att planeten sannolikt inte är en tillfällig prick på den kosmiska radarn.

"Om planeten av  andra generationen finns där, tror jag att den sannolikt klarar sig. Så småningom kommer den vita dvärgen att svalna och sedan hålla en jämn temperatur, med planeten i sin stabila beboeliga zon i miljontals år," beskriver Williams.

Williams tillade att det fortfarande finns mycket arbete kvar för att förstå denna typ av system ex hur andra generationens planeter bildas, hur vanliga eller sällsynta de är och hur de utvecklas i omloppsbanan runt en avsvalnad stjärna. Williams kommer att använda Hubbleteleskopet för att utforska dessa frågor under de kommande åren i hopp om att samla in omfattande data och statistik om dessa slag av exoplaneter.

I studien publicerad nyligen i Nature Astronomy beskriver forskarna sin upptäckt av den överraskande kemiska ledtråd som tyder på att den vita dvärgstjärnan HS 0209+0832 har en planet av andra generationen.