Den röda pricken kallad Abell2744-QSO1i tidens början

 

Bild https://science.nasa.gov

Abell2744-QSO1 (QSO1) är en prototypisk Little Red Dot, en av de första av de nu hundratals små lysande fläckar av infrarött ljus som Webbteleskopet  upptäckt som prickar i universums första tid. QSO1 är ungefär 1300 ljusår i diameter med en kosmologisk rödförskjutning (z) på 7 vilket visar att ljuset vi ser avgavs bara 700 miljoner år efter Big Bang.  Då universum endast var 5 % av sin nuvarande ålder. QSO1 är idealisk för studier eftersom den är gravitationslinsad, både förstorad och trippelt avbildad. Abell 2744 finns från oss sett bortom ett mellanliggande megakluster av galaxer som förvränger sin omgivande rumtid (och därmed ger effekten av förstoring av Abell 2744.

En detaljerad studie av den ljusaste av de tre linsbilderna, QSO1A (uppe till höger), visar att objektet består av ett centralt supermassivt svart hål med 50 miljoner gånger större än vår sols massa, omgivet av ett moln av väte- och heliumgas med mycket små mängder tyngre grundämnen som ex syre. Till skillnad från supermassiva svarta hål i närliggande galaxer, som bara utgör en liten bråkdel av värdgalaxens totala massa, innehåller QSO1:s svarta hål minst dubbelt så mycket massa som det galaktiska materialet runt omkring.

Ett nytt sätt att förstå universum

 

Bild https://www.peakpx.com/.

Ett internationellt team lett av forskare vid Institute of Cosmos Sciences vid Universitetet i Barcelona (ICCUB) har utvecklat en ny metod som kan förbättra vår förståelse av universums expansion och mörk energi. Typ Ia-supernovor är de explosiva händelserna hos vita dvärgstjärnor. Eftersom de tenderar att explodera med nästan samma inneboende ljusstyrka använder astronomer dem som "standardljus": genom att jämföra deras kända verkliga ljusstyrka med deras upplevda ljusstyrka från jorden kan forskare mäta kosmiska avstånd.

Denna teknik var avgörande för att upptäcka att universums expansion accelererar. Något som tillskrivs mörk energi. Det finns dock en hake den att alla typ Ia-supernovor är inte exakt likadana.

Under de senaste två decennierna har astronomer upptäckt att ljusstyrkan hos dessa supernovor beror en del  på de galaxer där de exploderar. Till exempel tenderar supernovor i de mest massiva eller äldsta galaxerna att se något annorlunda ut än de i mindre eller yngre galaxer.

Hittills hade dessa effekter korrigerats med enkla, ungefärliga justeringar, vilket annars skulle kunna begränsa hur exakt vi kan mäta avstånden till dessa supernovor.

Den nya studien tar itu med detta problem genom att modellera allt på en gång. Supernovaexplosioner, galaxerna där de finns, dammet som dämpar och rödfärändrar deras ljus, frekvensen med vilken supernovor uppstår under kosmisk tid och till och med universums egen expansion.

Istället för att analysera varje del separat byggde teamet en enda, självkonsekvent modell som kopplar samman alla dessa element fysiskt och statistiskt.

"Ett kraftfullt sätt att modellera universum är att simulera det ab initio i datorn med hjälp av bayesiansk inferens ," beskriver Raúl Jiménez (ICREA-ICCUB), medförfattare till studien. "Detta ger en metod att variera alla möjliga parametrar samtidigt för att förutsäga vilket universum vi lever i. Dessutom kan man genom att ha denna kapacitet, undersöka möjliga 'okänd eller okända' systematik för att förstå denna effekt. Effekten av dessa systematik i vår slutsats är utan tvekan den viktigaste saknade ingrediensen i nuvarande metoder för att modellera universum."

För att göra detta ambitiösa angreppssätt beräkningsmässigt genomförbart använde teamet en modern uppsättning tekniker som kallas simuleringsbaserad inferens.

Metoden fungerar enligt följande: först simulerar forskare många möjliga universum med hjälp av fysiska modeller; Därefter lär sig ett neuralt nätverk (en typ av artificiell intelligens) hur den simulerade datan relaterar till de underliggande fysiska parametrarna och slutligen kan det tränade systemet dra slutsatser direkt från verkliga observationer. Detta möjliggör analys av tiotusentals supernovor samtidigt, något som skulle vara omöjligt med traditionella metoder. Förutom att förbättra mätningarna av mörk energi belyser studien också hur och när typ Ia-supernovor bildas.

Ett av de viktigaste resultaten är att metoden kan uppskatta galaxavstånd (rödförskjutning) mycket exakt med endast bilder. Rödförskjutning mäter hur mycket en galax ljus sträcks ut när universum expanderar. Det visar hur långt bort ett objekt är i tid och rum.

Det nya tillvägagångssättet uppnår en precision jämförbar med spektroskopiska mätningar men utan behov av spektra. Detta är avgörande, eftersom framtida himmelsundersökningar kommer att upptäcka miljontals supernovakandidater men endast en liten andel kan realistiskt studeras med spektroskopi.

Vera C. Rubin-observatoriet, som för närvarande byggs i Chile, kommer snart att påbörja en tioårig himmelundersökning. Det kommer att upptäcka ett aldrig tidigare skådat antal supernovor, varav cirka 99 % endast kommer att observeras fotometriskt det vill säga via bilder i olika färger.

"Till skillnad från andra ramverk, som kräver analytiska förenklingar, är vår kompromisslösa end-to-end-simuleringsbaserade inferensmetod unikt kapabel att extrahera all kosmologisk och astrofysisk information från Rubin-observatoriets hårt förvärvade data, samtidigt som vi undviker fallgroparna med urvals- och modelleringsbias," säger Konstantin Karchev (ICCUB-SISSA Trieste), huvudförfattare till studien.

Resultaten av studien  visar att kombinationen av fysikbaserad modellering med artificiell intelligens kan övervinna viktiga begränsningar i nuvarande kosmologiska analyser. Enligt författarna kan detta tillvägagångssätt förbättra kosmologiska begränsningar med upp till en faktor fyra, jämfört med traditionella metoder som enbart bygger på en liten delmängd spektroskopiskt observerade supernovor.

Studiens resultat är publicerad i Nature Astronomy,

Röda dvärgstjärnor slukar jordliknande planeter

 

Bild https://ras.ac.uk/ Illustratörs tolkning av  två jordstora världar som passerar framför röda dvärgstjärnan i TRAPPIST-1-systemet, 40 ljusår bort. Credit ESA/Hubble Licenstyp Attribution (CC BY 4.0)

Forskare vid Keele University Staffordshire, England och University of Exeter i Storbritannien  har studerat tusentals stjärnor och fann då bevis för att sex olika röda dvärgstjärnor den minsta, svalaste och vanligaste typen av stjärna i universum hade omslutit jordliknande stenplaneter.

Det som avslöjade det var det mycket detekterbara kemiska fingeravtrycket, beskriver huvudförfattaren till studien (se nedan)  professor Robin Jeffries vid Keele University.

"Vi upptäckte att några av de röda dvärgstjärnor vi studerade innehöll litium, ett kemiskt grundämne som inte borde finnas där. Därför sticker även en liten mängd litium ut tydligt i dessa stjärnor – lite som att kasta färg på en tom duk." förklarade han.

Professor Jeffries tillägger: "Röda dvärgar är mindre och svalare än vår sol men inuti är de extremt varma. Denna värme bör förstöra allt innehåll an  deras ömtåliga litium i kärnreaktioner kort efter att det bildats."

På grund av detta har det tidigare funnits förutsägelser om att upptäckt av litium i stjärnans atmosfär kan tyda på att  litiumrikt material dragits in från ett omgivande planetsystem.

I den nya studien undersökte forskarna unga stjärnhopar med hjälp av spektroskopiska data vilket syftar på hur olika materia interagerar med elektromagnetisk strålning.

Gaia-ESO Spectroscopic (GES)-undersökningsdata täckte tusentals stjärnor varav teamet identifierade sex olika röda dvärgstjärnor i tre separata kluster med mycket högre litiumhalt än andra stjärnor av liknande spektral typ.

Deras analys tyder på att dessa stjärnor dramatiskt slukat sina omgivande jordliknande planeter eller totalt cirka 3 till 10 jordmassor planetmaterial, vilket gav en nytt litium till deras annars litiumutarmade atmosfärer.

Dessa uppslukningshändelser har länge teoretiserats som ett möjligt och till och med sannolikt utfall under tidig planetsystembildning och kan till och med ha inträffat  i vårt eget solsystems tidigaste år.

Om denna förklaring visar sig vara korrekt kommer ett nytt fönster att ha öppnats in i planetsystemens tidiga liv vilket möjliggör undersökning av mängden och tidpunkten för planetslukningar .

Till skillnad från isolerade stjärnor har de som finns i kluster väl kända åldrar och massor och förekomsten av många liknande solsyskon från samma ursprungliga material innebär att även små kemiska skillnader är lättare att fastställa, beskriver forskarna.

Studien om fenomenet är publicerad i Monthly Notices of the AstronomicalSociety och stöder den teorin att unga stjärnor kan sluka' närliggande världar under tiden som ett  planetsystem bildas. 

En exoplanet i storlek som Saturnus innehållande metan.

Bild wikipedia Saturnus bilden tagen av sonden Cassini 2004.

En planet ungefär lika stor som Saturnus men med en temperatur mer lik jordens (Saturnus medel temperatur kan ses som-133 °C och -190 °C )  med har en atmosfär rik på metan, enligt en ny studie med data från NASAs James Webb Space Telescope (JWST). Till skillnad från gasjättarna  Jupiter och Saturnus i vårt solsystem, som ligger långt från solen och därför är extremt kalla till skillnad mot så kallade "heta Jupiters" jätteplaneter i andra solsystem som är brännheta på grund av sin närhet till sin sol. Vissa av dessa planeter är tempererade jätteplaneter  och nu har en av dessa fått sin atmosfär analyserad med hjälp av data från Webbteleskopet. 

Planeten, kallad TOI-199b, kretsar runt en stjärna som är mer än 330 ljusår från jorden med ett varv ungefär var hundrade dag. Dess temperatur är cirka 80 grader Celcius, vilket fortfarande är varmt ur ett mänskligt perspektiv men inte mycket varmare än de högsta temperaturerna på jorden på omkring 55 grader C som  lätt nås till exempel på instrumentbrädorna i bilar parkerade i direkt solljus. Den är betydligt mer tempererad än de varma Jupiters som kan nå tusen grader C och mer grader och de kalla isiga gasjättar som ligger ner på lång övere -100 grader C.

För att karakterisera en exoplanets atmosfär använde astronomer en teknik som kallas transmissionsspektroskopi för att analysera ljus från stjärnan som passerar genom planetens atmosfär. För att fungera måste planetens bana justeras så att den passerar mellan sin stjärna och teleskopet. Instrument på JWST då separeras stjärnans ljus i dess komponentvåglängder, precis som ett prisma kan separera normalt vitt ljus i regnbågens färger.

"När en planet passerar framför sin stjärna passerar en del av stjärnans ljus genom planetens atmosfär där det interagerar med grundämnen och molekyler i atmosfären," beskriver Aaron Bello-Arufe, postdoktoral forskare vid JPL och försteförfattare till artikeln. "“Specific elements will absorb specific wavelengths of light, creating a fingerprint in the spectrum of light that JWST detects that reflects the atmosphere’s composition.” (se nedan)

Spektrumet under passagen jämförs med baslinjemätningar av stjärnans ljus som fastställts genom cirka 20 på varandra följande timmars observationer av JWST. Själva transiten varar i ungefär sju timmar vilket är mycket längre än transiterna för varma Jupiters som kan vara en timme eller mindre. Skillnaderna mellan baslinje- och transitspektra visar vilka våglängder av ljus som absorberas av planetens atmosfär och används för att identifiera de grundämnen och molekyler som utgör atmosfären beskriver forskarna.

"När vi jämförde spektra under passagen med baslinjen såg vi att atmosfären blockerade våglängderna av stjärnljus som absorberas av metan," beskriver Bello-Arufe. "Modeller för sammansättningen av tempererade, gasjätte-exoplaneter hade förutspått att de skulle innehålla metan, så det är bra att få bekräftelse på att våra teorier är korrekta."

Förutom metan gav teamets observationer antydningar att atmosfären också innehöll ammoniak och koldioxid.

"Med ytterligare observationer av denna planet skulle vi kunna fastställa den relativa mängden av dessa  gaser i dess atmosfär," beskiver Renyu Hu, associate professor of astronomy and astrophysics in the Penn State Eberly College of Science. "Denna mer fullständiga bild av en tempererad gasjättes atmosfär kan sedan användas för att förbättra våra modeller och potentiellt bättre förstå hur planeter och deras atmosfärer bildas och utvecklas och även hur den utvecklats på jorden. Framgången med denna första studie av en tempererad jätteplanets atmosfär ger oss också förtroende att ägna mer resurser och observationstid åt att studera andra liknande planeter. Vi kan då se om denna planet är unik eller om det finns allmänna gemensamma egenskaper för denna typ av planeter."

Förutom Hu och Bello-Arufe bestod forskargruppen av Mantas Zilinskas, Jeehyun Yang, Armen Tokadjian och Mario Damiano vid JPL; Luis Welbanks vid Arizona State University; Guangwei Fu och David K. Sing vid Johns Hopkins University; Michael Greklek-McKeon vid Carnegie Institution for Science; Jonathan Gomez Barrientos och Heather A. Knutson vid California Institute of Technology; och Xi Zhang vid University of California Santa Cruz.

NASA finansierade forskningen genom ett bidrag från Space Telescope Science Institute.

Artikeln som beskriver studien under ledning av astronomer vid Penn State och NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) vid California Institute of Technology har publicerats  i Astronomical Journal. 

Flertalet objekt varifrån meteoriter bildats kommer från samma area i universum.

 

Bild https://www.mps.mpg.de  Precis utanför Jupiters bana bildades ett ringformat område med högt gastryck. I denna mycket dammiga miljö  kunde planeter börja bildas med varierande sammansättning under flera miljoner år. © MPS / hormesdesign.de

Forskarna vid Max Planck-institutet fokuserade specifikt på perioden mellan ungefär två till fyra miljoner år efter solsystemets uppkomst. Vid denna tidpunkt hade Jupiter redan samlat (genom gravitationen från Jupiter) all materia i sin närhet och det blivit ett glapp i gas- och dammskivan längs  Jupiters bana. Enligt nuvarande förståelse bildades ett ringformat område med förhöjt gastryck precis utanför dess bana. Detta ledde till att mycket damm samlades till små klumpar av materia (småstenar). Det var redan känt att småsten kunde växa till planetesimaler (första stadiet i planetbildning) i en sådan koncentrerad dammig miljö i ett mycket tidigt skede. Det var dock oklart om denna process under långa tidsperioder kunde producera objekt med mycket olika sammansättningar. Den nya studien visar dock att olika populationer av planetesimaler kan bildas i dammrik miljö om det sker under miljontals år. Resultaten visar därmed för första gången en koppling till specifika grupper av meteoriter. "För första gången har vi lyckats reproducera resultaten av laboratoriestudier av meteoriter med datorsimuleringar av det tidiga solsystemet. Meteoriterna fungerar, så att säga, som en referenspunkt för teorier om planetbildning", beskriver MPS-direktören och kosmokemisten Thorsten Kleine.

Meteoriter är stenblock (meteor eller asteroider) från rymden som har kraschat ner på jorden. De flesta av dem är fragment av planetesimaler och har knappt förändrats sedan de bildades. Kolhaltiga kondriter (stenmeteoriter, som inte har förändrats genom nedsmältning eller planetär differentiering i sin ursprunliga materia. Kondriter är den vanligaste typen av meteorit och skiljer sig från järnmeteoriter genom sin låga halt av järn och nickel) är  rika på kol, har sannolikt bildats utanför Jupiters bana just under den ovan beskrivna tidsperioden vilket laboratoriestudier antyder. Baserat på ålder och sammansättning skiljer forskarna på sex grupper av kolhaltiga kondriter. Medan vissa nästan uteslutande består av finkornigt material och smulas sönder vid minsta beröring är andra betydligt mer robusta. Inbäddade i det finkorniga materialet innehåller inneslutningar av annan materia som är synlig för blotta ögat i varierande proportioner.

I sina datorsimuleringar kunde forskarna återskapa ålder och sammansättning av de sex grupperna av kolhaltiga kondriter. I beräkningarna motsvarar det finkorniga materialet och inneslutningarna två typer av material som fanns i det tidiga solsystemet: ömtåligt, smuligt damm och små klumpar av mer stabilt material. De senare hade bildats i början av solsystemet på vissa platser under värmepåverkan och sedan spridit sig i solsystemet. Med tiden, som ett resultat av alla dessa effekter, ackumuleras båda typerna av materia i varierande proportioner i området utanför Jupiters bana vilket skapar förutsättningar för bildandet av tydligt särskiljbara generationer av planetesimaler (och slutligen meteoriter). Under de första 500 000 åren minskar andelen smuligt material initialt, för att sedan öka under de kommande miljonerna år. Därefter uppstår två distinkta populationer av planetesimaler, bestående nästan uteslutande av smulig eller stabila objekt 

Baserat på sina beräkningar tror forskarna att meteorittyper av andra slag än kolhaltiga kondriter i ett tidigare skede också kan ha bildats i dammhöljet bortom Jupiter. 'Det finns starka bevis för att denna rikt  dammiga plats var planetesimalernas föredragna plats i vårt solsystem,' beskriver Joanna Drążkowska Chef för Lise Meitner Group på  Max Planck-institutet.studie.  Studien är  publicerad  i tidskriften The Astrophysical Journal. 

Detta svarta hål bildades innan det fanns en galax att växa i.

 

Bild: NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Ben-Gurion-universitetet); Bildbehandling: Alyssa Pagan (STScI), av  NIRCam på NASAs James Webb Space Telescope visar Little Red Dot Abell2744-QSO1, förstorad och trippelt avbildad i galaxhopen Abell 2744 (Pandoras hop).

Vad kommer först, galaxen eller det svarta hålet? Ingen vet. men forskare har länge trott att det kan vara galaxen: Stora stjärnor inom en befintlig galax förbrukar sitt bränsle och kollapsar för att bilda svarta hål, som kan sluka omgivande material och smälta samman över tid för att öka det svarta hålets massa och storlek är den teori som gäller i dag.

Men det är svårt att förstå hur svarta hål som är miljoner till miljarder gånger gånger större än solens massa, varav tusentals nu har upptäckts skulle kunna finnas i det tidiga universum, Kunnat ha vuxit så snabbt från minimala hål om de nu fanns då. Nu har forskare som använder NASAs James Webb Space Telescope upptäckt tydliga bevis på att vissa supermassiva svarta hål var enorma från början, bildade utan en stjärnkollapsfas och utan en betydligt mer massiv galax att växa i.

"Detta är en anmärkningsvärd upptäckt," beskriver Roberto Maiolino vid University of Cambridge i Storbritannien, medförfattare till studier i ämnet publicerade i Nature och Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.   "Det är ett paradigmskifte, en total omprövning av de klassiska scenarierna för hur svarta hål bildas och växer."

Teamets slutsats bygger på detaljerade observationer av Abell2744-QSO1 (QSO1), en prototypisk Little Red Dot som existerade redan 700 miljoner år efter big bang.

Även om QSO1 bara är 1 300 ljusår tvärs över och dess ljus har färdats i mer än 13 miljarder år, är den lättare att studera än de flesta andra Little Red Dots eftersom den är gravitationellt linsad av galaxhopen Abell 2744 (Pandoras hop). QSO1 är både förstorad och trippelt avbildad, och visas på tre olika platser på himlen.

Inledande studier av QSO1 visade övertygande bevis för att det kan vara  mer än ett moln av glödande väte- och heliumgas som kretsar kring ett supermassivt svart hål uppskattat till 40 miljoner gånger större än vår sols massa. Men precis som med andra tidiga svarta hål som upptäckts av Webb fanns det osäkerhet om det verkligen var så massivt.

"Fram till nu har alla mätningar av svarta håls massa i det tidiga universum varit indirekta, baserade på antaganden från vad vi vet om dem i det lokala universum där vi finns. Vi visste inte om dessa antaganden verkligen gällde det tidiga universum," beskriver medförfattaren Francesco D'Eugenio,  från University of Cambridge. Teamet insåg att om QSO1:s svarta hål är så massivt som det ser ut.

 Cambridge-doktoranden Ignas Juodžbalis och Cosimo Marconcini vid universitetet i Florens, huvudförfattare till en av studierna, använde IFU:s observationer för att kartlägga rörelserna hos vätgasen runt det svarta hålet. När de analyserade rotationshastigheten som en funktion av avståndet från centrum, fann de att gasen har Keplerisk rörelse innebärande att den kretsar runt en central punkt på samma sätt som planeter i vårt solsystem kretsar runt solen. De fann att det svarta hålet inte bara är enormt och har ungefär 50 miljoner gånger större massa än vår sol  och utgör minst  två tredjedelar av QSO1:s totala massa. Denna andel är tusentals gånger större än oss närliggande galaxer i tid och rum där supermassiva svarta hål bara utgör en mycket liten del av värdgalaxens totala massa. Oavsett om QSO1:s svarta hål utvecklades från ett otroligt massivt litet hål som bildades inom den första sekunden av Big Bang eller något senare från kollapsen av ett gigantiskt gasmoln tillkom det nästan säkert stort och kan vara i de tidiga stadierna av att bygga en galax runt sig.

Teamet anser att små röda prickar som den nämnda QSO1 inte var sällsynta i det tidiga universum och nu håller man på att analysera liknande objekt för att ta reda på om supermassiva svarta hål faktiskt föregår galaxerna (finns innan en galax till skillnad mot vad den vanligaste teorin beskriver i dag) där de befinner sig idag.

Mångfald av gravitationsvågor upptäckta därute.

 

Bild https://www.gla.ac.uk  De mest betydelsefulla fynden i denna samling inkluderar bevis för existensen av andra generationens svarta hål, den mest precisa lokalisering som någonsin uppnåtts för en gravitationsvågskälla, samt den första mätningen av tre vibrationslägen hos ett svart hål.

Forskare från University of Glasgows Institute for Gravitational Research firar publiceringen av en enorm ny skattkista av gravitationsvågsupptäckter, hyllad som en milstolpe som markerar gravitationsastronomins utveckling.

Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0, eller GWTC-5, släpptes online den tisdag 26 maj och utöver det vetenskapliga artiklar till Astrophysical Journal och Astrophysical Journal Letters.

Denna senaste uppdatering beskriver totalt 161 nya signaler från kolliderande svarta hål som upptäcktes mellan april 2024 och i slutet av januari 2025 av gravitationsvågsdetektorerna LIGO i USA, Virgo i Italien och KAGRA i Japan, tillsammans kända som LVK-samarbetet. 

Publikationen börjar med beskrivning av det totala antalet gravitationsvågssignaler som hittills upptäckts till 390. De mest betydelsefulla fynden i denna samling inkluderar bevis för existensen av andra generationens svarta hål, den mest precisa lokaliseringen som någonsin uppnåtts för en gravitationsvågskälla, samt den första mätningen av tre vibrationslägen hos ett svart hål.

För mer och utförlig information om detta arbeta följ denna länk från University of Glasgows Institute for Gravitational Research.