Dolda strukturer från universums första tid

 

Bild https://hetdex.org En del av ovan linjeintensitetskartan skapades genom att kartlägga fördelningen och koncentrationen av exciterat väte (via Lymans alfavåglängd) i universum för tio miljarder år sedan. Stjärnorna markerar var HETDEX har hittat galaxer. Infällda fältet visar en simulation av strukturen som finns när den  zoomats in och bakgrundsbruset tas bort från data. Källa: Maja Lujan Niemeyer/Max Planck Institute for Astrophysics/HETDEX, Chris Byrohl/Stanford University/HETDEX.

Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX) har astronomer använt data från i projektet för att skapa den största och mest exakta 3D-kartan hittills över ljuset som sändes ut av exciterat väte i det tidiga universum, för 9 miljarder till 11 miljarder år sedan. Denna specifika form av ljus, kallad Lyman-alfa, avges i stora mängder när väteatomer utsätts för en stjärnas energiutkast. Lyman - alfa strålning ett utmärkt verktyg för att hitta ljusstarka galaxer i denna avlägsna tid, som upplevde en våg av stjärnbildning. Dock har platserna från svaglysande galaxer och gas som avger Lyman-alfa, förblivit till stor del okända.

"Att observera det tidiga universum ger oss en uppfattning om hur galaxer utvecklades till sin nuvarande form och vilken roll intergalaktisk gas spelade i denna process," beskriver Maja Lujan Niemeyer, HETDEX-forskare i en studie och nyutexaminerad från Max Planck-institutet för astrofysik som ledde utvecklingen av kartan. "Men eftersom de är långt borta är många föremål i denna tid svaga och svåra att observera."

Med en teknik som kallas Line Intensity Mapping drar den nya kartan in dessa objekt i bild vilket tillför form och nyanser i denna formativa era i vårt universum. Resultaten publicerades den 3 mars i The Astrophysical Journal. 

Hur mystiska strukturer i jordens mantel innehåller ledtrådar till liv

 

Bild https://www.rutgers.edu  illustrationen ovan visar ett utskuret snitt av den tidiga jordens inre med ett hett, smält lager ovanför gränsen mellan kärnan och manteln. Forskare tror att en del material från kärnan läckte in i detta smälta lager och blandades med detta. Med tiden bidrog denna blandning till att skapa den ojämna strukturen hos jordens mantel som vi ser idag. Illustration av Yoshinori Miyazaki

För miljarder år sedan var jorden täckt av ett globalt hav bestående av magma, beskriver Miyazaki, biträdande professor in the Department of Earth and Planetary Sciences in Rutgers School of Arts and Sciences. När magman svalnade förväntade sig forskare att manteln skulle bilda distinkta kemiska lager som kan liknas vid frusen juice som separerar i sockerhaltigt koncentrat och vattnig is. Men seismiska studier visar ingen sådan stark skiktning finns. Istället bildades stora provinser med låg skjuvhastighet och zoner i ultralåg hastighet oregelbundna högar vid jordens bas.

”Den motsägelsen var utgångspunkten”, beskriver Miyazaki. Om vi ​​utgår från magmahavet och gör beräkningarna får vi inte det vi ser i jordens mantel idag. Något saknas.”

Hans medarbetare drog slutsatsen att den saknade delen är själva kärnan. Deras modell antyder att under miljarder år har element som kisel och magnesium läckt från kärnan in i manteln, blandats med denna och förhindrat stark kemisk skiktning. Denna infusion skulle kunna förklara den märkliga sammansättningen av stora provinser med låg skjuvhastighet och zoner med ultralåg hastighet vilka kan ses som stelnade rester av vad forskarna kallade ett "basalt magmahav" förorenat av kärnmaterial.

”Det vi föreslog var att det kunde komma från material som läckte ut från kärnan”, beskriver Miyazaki. ”Om man lägger till kärnkomponenten skulle det kunna förklara vad vi ser just nu.”

Upptäckten handlar om mer än bara kemi i jordens djup, enligt Miyazaki. Interaktioner mellan kärna och mantel kan ha påverkat hur jorden kyldes ner, hur vulkanisk aktivitet utvecklades och till och med hur atmosfären utvecklats. Det skulle kunna bidra till att förklara varför jorden har hav och liv, medan Venus är ett brännande växthus och Mars är en frusen öken.

”Jorden har vatten, liv och en relativt stabil atmosfär”, beskriver Miyazaki. ”Venus atmosfär är 100 gånger tätare än jordens och består mestadels av koldioxid medan Mars har en mycket tunn atmosfär. Vi förstår inte helt varför det är så. Men vad som händer inuti en planet, det vill säga hur den kyls ner, hur dess lager utvecklas, kan vara en stor del av svaret.”

Genom att integrera seismiska data, mineralfysik och geodynamisk modellering upptäcktes i studien stora provinser med låg skjuvhastighet och zoner med ultralåg hastighet som viktiga ledtrådar till jordens formationsprocesser. Strukturerna kan till och med mata vulkaniska hotspots som Hawaii och Island, och länka jordens djupa inre till dess yta.

”Detta arbete är ett utmärkt exempel på hur en kombination av planetvetenskap, geodynamik och mineralfysik kan hjälpa oss att lösa några av jordens äldsta mysterier”, beskriver Jie Deng vid Princeton University som är medförfattare till studien. ”Tanken att den djupa manteln fortfarande skulle kunna bära på det kemiska minnet av tidiga kärna-mantel-interaktioner öppnar upp nya sätt att förstå jordens unika evolution.”

Med utgångspunkt i den teorin beskriver forskarna att varje nytt bevis hjälper till att fylla luckor i jordens tidiga historia och förvandla spridda ledtrådar till en tydligare bild av dess utveckling.

”Även med väldigt få ledtrådar börjar vi bygga en historia som är logisk”, påtalar Miyazaki. ”Den här studien ger oss lite mer säkerhet om hur jorden utvecklades och varför den är så speciell.”

Studien är  publicerad i Nature Geoscience av Rutgers geodynamiker  Yoshinori Miyazaki tillsammans med medarbetare där de beskriver en ny förklaring till ovan beskrivna avvikelser och dess roll i att forma jordens förmåga att upprätthålla liv.