Fysiker söker svaret på varför universum expanderar

 

Lado Samushia, docent i fysik vid College of Arts and Sciences ingår i ett samarbete där man studerar den mystiska kraften bakom universums accelererande expansion vilken av flertalet kallas mörk energi.

För ändamålet använder forskarna Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) som finns vid Kitt Peak National Observatory i Tucson, Arizona. Syftet är att kartlägga mer än 40 miljoner galaxer, kvasarer och stjärnor. Studien hanteras av US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory. 

Forskarna släppte nyligen en första omgång data innehållande nästan två miljoner objekt som astronomer nu har möjlighet att analysera och utforska vidare. De publicerade även en uppsättning artiklar inkluderat tidigare mätningar av galaxhopar, studier av sällsynta objekt och beskrivningar av de instrumentet de använder och kartläggningsoperationer till  tidigare publicerade datautgåva.

Hanyu Zhang,  K-State doktorand i fysik under handledning av Samushia en av ledande författarna till artikeln "DESI One-Percent Survey: Exploring the Halo Occupation Distribution of Luminous Red Galaxies and Quasi-Stellar Objects with AbacusSummit."

Vårt team analyserade egenskaperna av två typer av galaxer  lysande röda galaxer och galaxer som innehåller kvasi-stellära objekt (radiokällor)  i sitt centrum. Vi såg mycket tydligt att  de lysande röda galaxerna får sin massa och genom att de drar till sig mindre  satellitgalaxer över tid  beskriver Zhang och tillägger i artikeln att dessa insikter ger värdefull belysning av fysiken som är involverad i utvecklingen av massiva galaxer.A (alternativt kan det vara satellitgalaxer som själva drar sig mot dessa galaxer)

DESI använder 5 000 robotlägesinställareställare för att flytta optiska fibrer som fångar in ljus från objekt som finns miljontals eller miljarder ljusår bort. Det är världens mest kraftfulla kartläggningsspektrograf. Den kan och kan mäta ljus från mer än 100000 galaxer under en enda natt. Ljuset visar hur långt bort ett objekt är och utifrån detta kan en kosmisk 3D-karta konstrueras.

När universum expanderar sträcks ljusets våglängd ut vilket gör ljuset rödare. Denna våglängdssträcka kallas rödförskjutning. Ju längre bort galaxen är desto större är rödförskjutningen. DESI  är specialiserat på att samla in rödförskjutningdata som sedan kan användas för att lösa någon av astrofysikens gåtor. Ex Gåtan vad mörk energi är och hur har det förändrats genom universums historia.

För att lära mer om DESI och denna forskning, se denna  länk från Berkeley Lab.  

Bild vikipedia på Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) designen i februari 2016

Det äldsta aktiva svarta hål som upptäckts ”CEERS 1019”

 

Astronomer har upptäckt det avlägsnaste aktiva supermassiva svarta hål som man hittills hittat, Det gjordes med hjälp av James Webb Space Telescope. Det finns i Galaxen, CEERS 1019, som  existerade redan drygt 570 miljoner år efter bigbang.  Detta svarta hål är mindre massivt än något annat som identifierats i det tidiga universum.

Man upptäckte ytterligare (mer om dessa nedan) två svarta hål vilka fanns redan för 1 och 1,1 miljarder år efter big bang. Webb identifierade ytterligare elva galaxer som fanns redan när universum var endast 470 till 675 miljoner år gammalt. Fynden inom projektet  Webbs Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey, under ledning av Steven Finkelstein vid University of Texas i Austin. CEERS är ett projekt där man kombinerar Webbs detaljerade mellaninfraröda bilder och spektraldata som samlats in av andra teleskop. 

Galaxen CEERS 1019 är inte bara anmärkningsvärd i hur länge det är sedan den fanns utan också hur relativt litet dess svarta hål väger. Det har en massa av cirka 9 miljoner solmassor vilket är mycket mindre än andra svarta hål som upptäckts i det tidiga universum. Svarta hål  innehåller vanligtvis mer än 1 miljard gånger solens massa  och de är då lättare att upptäcka eftersom de är mycket ljusare då de drar till sig materia som får att det svarta hålen att lysa strakt.

Det svarta hålet i CEERS 1019 är likt det svarta hålet i mitten av vår galax Vintergatan vilket har en massa av 4,6 miljoner gånger solens. Detta svarta hål är inte heller lika ljusstarkt som mer massiva svarta hål. Även om CEERS 1019 svarta hål   inte är stort existerade det (inget säger att det inte existerar än i dag) mycket tidigt i universums historia  och det är svårt att förklara hur det kunnat bildats så snart efter att universum uppkom.

Forskare har länge vetat att mindre svarta hål måste ha funnits tidigt i universum, men det var inte förrän Webb började arbeta man fann dem. CEERS 1019 kanske bara kan hålla detta rekord i några veckor - påståenden om andra, mer avlägsna svarta hål som identifierats av Webb granskas för närvarande av det astronomiska samfundet.

Kan det vara så att de svarta hålen var början på stjärn- och galaxbildning?  Att de fanns redan innan någon stjärna kom till.

Teamet fann att i galaxen CEERS 1019 sker stor stjärnbildning. De analyserade bilderna för att försöka finna ledtrådar till varför. Visuellt framstår CEERS 1019 som tre ljusa klumpar och inte som en enda cirkulär skiva.

Vi är inte vana vid att se så mycket struktur i bilder från dessa avstånd, beskriver CEERS teammedlem Jeyhan Kartaltepe från Rochester Institute of Technology i New York. Först med Webbteleskopet blev det möjligt. En galaxfusion kan eventuellt vara förklaringen till aktiviteten i galaxens svarta hål och den stora stjärnbildningen.

Teammedlemmen Dale Kocevski vid Colby College i Waterville, Maine, och teamet i övrigt upptäckte ytterligare ett par små svarta hål i data (nämnda ovan). Det första, inom galaxen CEERS 2782, var lättast att finna. Det finns inget damm som döljer Webbs syn till detta, så forskare kunde omedelbart avgöra när detta svarta hål existerade i universums historia - bara 1,1 miljarder år efter big bang. Det andra svarta hålet, i galaxen CEERS 746 fanns tidigare, 1 miljard år efter big bang.

Liksom det i CEERS 1019 är dessa två svarta hål lätta åtminstone jämfört med tidigare kända supermassiva svarta hål på dessa avstånd. De innehåller ungefär 10 miljoner gånger solens massa. Forskare har länge ansettt att det måste finnas svarta hål med mindre massa i det tidiga universum än i senare svarta hål. Webb är det första teleskopet som upptäcka detta så tydligt, säger Kocevski. Före Webb var alla ovan tre nämnda svarta hål för svagt lysande för att deras svarta hål skulle upptäckas. Med andra teleskop än Webb ser dessa galaxer ut som vanliga stjärnbildande galaxer inte med aktiva supermassiva svarta hål i dess centrum, beskriver Finkelstein. I dessa galaxer bildas snabbt stjärnor men de är ännu inte lika kemiskt berikade som galaxer som ligger mycket närmare oss i tid och rum. Denna uppsättning, tillsammans med andra avlägsna galaxer som vi säkert  kommer att  identifiera i framtiden kan förändra vår förståelse av stjärnbildning och galaxutveckling.

Bild vikimedia Astronomer har använt rymdteleskopet Hubble och tagit den mest omfattande bild som någonsin tagits av universum under dess utveckling – och en av de mest färgstarka. Studien kallas Ultraviolet Coverage of the Hubble Ultra Deep Field (UVUDF) -projektet.

Här fanns det saknade dammet i det tidiga universum

 

Forskare som använt NASA: s James Webb Space Telescope har gjort stora framsteg i att bekräfta källan till det damm som fanns i de tidigaste galaxerna.

Observationer av två supernovor typ II (supernovor som uppkommer vid kollapsen av en mycket massiv stjärna), Supernova 2004et (SN 2004et) och Supernova 2017eaw (SN 2017eaw) har visat sig avge stora mängder stoft i utkasten från vart och ett av dem. Dammängden som forskarna hittade stöder teorin att supernovor spelade en nyckelroll i att avge damm i det tidiga universum.  En betydande källa till kosmiskt stoft (damm) kan därför kommit från supernovor - efter att en utslocknande stjärna exploderar expanderar dess kvarvarande gas och damm och svalnar vilket sprids i omgivningen.

Bevis på detta fenomen har hittills varit små, fram tills nu, då våra telekop innan Webbteleskopet bara kunnat upptäcka  dammpopulationer i  relativt närliggande supernovor.  Exempelvis Supernova 1987A som finns 170 000 ljusår  från jorden är en av tidigare undersökta supernovor  skriver huvudförfattaren till en ny studie i ämnet Melissa Shahbandeh från Johns Hopkins University och Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. När gas svalnar bildas damm då det dammet vilket  detekteras i mellaninfraröda våglängder förutsatt att man har tillräckligt känsligt instrument för detta.

För supernovor som är mer avlägsna än SN 1987A som SN 2004et och SN 2017eaw, båda i NGC 6946 cirka 22 miljoner ljusår bort, kan den kombinationen av våglängdstäckning endast erhållas med James Webbteleskopets  MIRI (Mid-Infrared Instrument).

Webb-observationerna är  genombrottet i studier av stoftproduktion från supernovor. Stoft  i ovan nämnda SN 1987A upptäcktes med teleskopet ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) för nästan ett decennium sedan.

Ett annat spännande resultat av studien är mängden damm som upptäcks i det tidiga skedet av en supernovas existens. I SN 2004et upptäckte  forskarna mer än 5 000 dammoln.

Observationer har nu visat astronomer att tidiga från oss avlägsna galaxer är fulla av stoft, men dessa galaxer är inte tillräckligt gamla för att stjärnor med mellanliggande massa, som solen, ska ha levererat stoft då dessa åldras. Mer massiva, kortlivade stjärnor kan däremot ha avslutat sin existens tillräckligt snart och i tillräckligt stort antal för att skapa damm.

SN 2004et och SN 2017eaw tyder på att damm kan klara av chockvågen från en supernova vilket visar att supernovor är viktiga dammbildare.

Forskare noterar även att de nuvarande uppskattningarna av dammassa kan vara toppen av ett isberg. Forskarna betonade att de nya resultaten bara är en antydan om nyfunna forskningsmöjligheter om supernovor och deras stoftproduktion med hjälp av Webbteleskopet och vad det kan visa om stjärnorna som de var en gång.

Det finns ett växande intresse till att förstå vad detta damm innebär och om vad kärnan i den stjärna som exploderade bestod av, skriver Fox och tillägger. Efter att ha sett på dessa specifika resultat tror jag att våra medforskare kommer att tänka ut nya innovativa sätt  att arbeta med dessa dammgivande supernovor i framtiden.

SN 2004et och SN2017eaw är de första av fem mål som ingår i forskningsprogrammet. Observationerna ingick som en del av Webb General Observer-program 2666. Artikeln och studien publicerades i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society den 5 juli.

Bild vikipedia på Spiralgalaxen NGC 6946 som finns i stjärnbilden Cepheus  där de i inlägget beskrivna supernovorna 2004et och 2017eaw finns. Avståndet till galaxen är ca 25,5 miljoner ljusår.

Ett svart hål tändes

 

Ett team astronomer under ledning av forskare vid University of Birmingham, University College London och Queen's University Belfast har upptäckt en av de mest dramatiska händelserna från ett svart hål som setts hittills. Upptäckten presenterades tisdagen den 4 juli  2023 vid National Astronomy Meeting i Cardiff och kommer att publiceras i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Det svarta hålet J221951-484240 även känt som J221951 finns ca 10 miljarder ljusår bort och är en av de mest lysande transienter (astrofysiska objekt som ändrar sin ljusstyrka under en kort tidsperiod) som registrerats. Förändringen upptäcktes av Dr Samantha Oates, astronom vid University of Birmingham och hennes team i september 2019. Teamet använde Ultra-Violet and Optical Telescope som finns på Neil Gehrels Swift Observatory  för att leta efter kilonovor men fann något annat (två neutronstjärnor som smälter eller en neutronstjärna som sammanslås med ett svart hål). En kilonova är vanligtvis blå vid sammanslagningen och blir mer röd i färgen under en tidsskala av dagar. Men istället för en kilonova fann de det svarta hålet J221951 som finns 10 miljarder ljusår från oss. Detta objekt var även det blått. Men ändrade inte färg eller bleknade vilket en kilonova skulle gjort. 

Flera teleskop användes nu för att följa upp J221951 med syftet att  hitta lösningen på  vad som skedde där och vad det var. Man använde  NASA:s rymdteleskop Swift/UVOT, Hubbleteleskopet, det sydafrikanska stora teleskopet och ESO-anläggningar som Very Large Telescope och GROND-instrumentet på MPG/ESO:s 2,2-metersteleskop på La Sillaobservatoriet.

Ett spektrum av J221951 sken togs med rymdteleskopet Hubble och genom att undersöka ljusspektrumet kunde Dr Oates och hennes team bestämma att källan är cirka 10 miljarder ljusår bort, i motsats till en gravitationsvågsignal som även upptäcktes som visade sig vara mindre än 0,5 miljarder ljusår bort. Det faktum att den lyser så starkt på så stort avstånd gör J221951 till en av de mest lysande transienter som någonsin upptäckts.

Bevis tyder på att ljuskällan J221951 var ett supermassivt svart hål som livnärde sig på omgivande material i hög hastighet. En röd galax observerades vid platsen och J221951 överensstämmer med galaxens centrum där ett massivt svart hål antas finnas (alla galaxer antas ha ett svart hål i sina centrala delar). Det började lysa mycket plötsligt - cirka 10 månader före att den upptäcktes vara ett svart hål - vilket innebar att det svarta hålet började matas mycket snabbt efter att ha varit lugnt.

Det ultravioletta spektrumet visar absorptionsegenskaper som överensstämmer med materia som skjuts utåt genom en enorm frisättning av energi. Detta, i kombination med den höga ljusstyrkan  gör detta till en av de mest dramatiska aktivitetsstarter av ett svart hål som någonsin setts.

Teamet har identifierat två möjliga mekanismer som kan förklara detta extrema utkast från ett supermassivt svart hål. Den första är att det kan ha orsakats av en tidvattenstörning - störningen från en stjärna som passerar nära det supermassiva svarta hålet. Den andra att det kan ha producerats av en aktiv galaktisk kärna som "ändrar tillstånd" från vilande till aktivt. J221951 (namnet var först på ett starkt ljussken man inte visste källan till) och skulle då vara tecken på att ett vilande svart hål i mitten av galaxen börjat dra till sig på material från en ackretionsskiva. 

Dr Matt Nicholl, en medlem av teamet från Queen's University Belfast, beskriver det som att: Vår förståelse för de olika saker som supermassiva svarta hål kan göra har expanderat kraftigt de senaste åren med upptäckter som stjärnor som slits sönder och dras in i svarta hål och då ger enormt varierande ljusstyrkor. J221951 är ett av de mest extrema exemplen hittills på ett svart hål som överraskat oss. Fortsatt övervakning av J221951 för att räkna ut den totala energifrisättningen kan göra det möjligt att få veta om detta är en tidvattenstörning från en stjärna vid ett snabbt snurrande svart hål, eller en ny typ av påslagning av aktivitet av ett svart hål..

Bild vikipedia. De så kallade kilonovorna som nämns ovan är intressanta objekt därför tyckte jag att följande bild var intressant. som visar en konstnärs intryck av neutronstjärnor som smälter samman, producerar gravitationsvågor och resulterar i en kilonova.

Marsbilen Perseverance upptäckte en munkformad sten

 

NASA: s Perseverance Mars-rover tog ovan bild av en sten som har formen av en  munk (kaka)  i Jezero-kratern från ett avstånd av 100 meter med hjälp av sin Remote Microscopic Imager (RMI), (en del av SuperCam-instrumentet) den 22 juni 2023. Formade stenar i skilda slag är inte ovanliga varken på jorden eller på Mars. De bildas  under eoner av vind som sandblästrar berg och stenytor. Ovan sten kan ha bildats efter att en mindre sten (eller flera stenar) eroderade och rörde sig nära stenens centrum samtidigt som den sten som formade hålet blev till grus.  Det lämnade efter sig ett hålrum som senare förstorades av vindens svepande genom årmiljonerna. Misstänker att mycket sten som får dessa ovanliga former är mjuk sandsten.

Vi har tidigare sett bland annat en bild från Mars som på avstånd såg ut som ett ansikte och en för inte så länge sedan som visade på en grotta. Allt var vindens konstverk och vår hjärnas förmåga att hitta kända mönster som förklaringar till en formation. Ansikten är det vår hjärna i första hand försöker tolka in i det som ses annorlunda därefter andra välkända objekt. Vår hjärna söker förstå vad vi ser och tolkar utefter sin erfarenhet av objekt.

Ett viktigt mål i Perseverances uppdrag på Mars är astrobiologi,  sökandet efter tecken  på mikrobiellt liv i dag eller i fosill. Rovern arbetar med att  att katalogisera Mars geologi för att vi ska förstå Mars tidigare klimat och banar väg för mänsklig utforskning av den röda planeten där insamla och undersöka sten och damm är ett moment.

Bild https://www.jpl.nasa.gov/ på den upptäckta stenen.

Den första kartan över Vintergatan i materia istället för i ljus.

 

Forskare har spårat det vi kallar neutrinor för att skapa den första bilden av Vintergatan av materia och inte ljus vilket ger ett helt nytt sätt att studera universum.

Den banbrytande bilden togs genom att fånga neutrinor som for genom IceCube Neutrino Observatory, en gigantisk detektor begravd djupt ner i Sydpolens is. Se mitt inlägg från 9 juli.

Neutrinor har obefintlig elektrisk laddning med nästan noll massa och de interagerar nästan inte alls med andra slag av materia. Neutronor far rakt igenom vanlig materia i nära ljusets hastighet (jordklot och människa mm).

Men genom att bromsa neutrinors hastighet har fysiker lyckats spåra partiklarnas ursprung miljarder ljusår bort till gamla, katastrofala stjärnexplosioner och superbnovor, kosmiska strålkollisioner. Forskarna publicerade sina resultat den 29 juni i tidskriften Science.

Funktionerna i den mycket känsliga IceCube-detektorn i kombination med nya dataanalysverktyg har gett en helt ny bild av Vintergatan som bara antytts tidigare, beskriver Denise Caldwell, chef för National Science Foundation's fysikavdelning i  studien. Eftersom dessa funktioner fortsätter att förfinas kan vi se fram emot att se den här bilden dyka upp med ständigt ökande upplösning vilket potentiellt avslöjar dolda funktioner i vår galax som aldrig tidigare sett av mänskligheten.

Varje sekund passerar cirka 100 miljarder neutroner genom varje kvadratcentimeter av vår kropp. De små partiklarna finns överallt - producerade i stjärnornas kärnreaktioner i enorma supernovaexplosioner, av kosmisk strålning och radioaktivt sönderfall, och i partikelacceleratorer och kärnreaktorer på jorden. Neutroner är näst efter fotoner de vanligaste subatomära partiklarna i universum.

För att fånga neutrinorna använde sig partikelfysiker av IceCube  vid Amundsen-Scott South Pole Station i Antarktis. Denna detektor består av mer än 5000 optiska pärlstavade sensorer  i över 86 strängar som dinglar i hål i isen  upp till 2,5 kilometer ner i Antarktis is. Medan många neutroner passerar helt obehindrat genom jorden, interagerar de ibland med vattenmolekyler vilket skapar partikelbiprodukter så kallade muoner som kan ses som ljusblixtar med detektorns sensorer. Från de mönster som dessa blixtar ger kan forskare rekonstruera neutronernas energi och ibland även dess källa.

Att hitta en neutrons  inkommande riktning beror på hur tydligt dess riktning registreras i detektorn; vissa har mycket uppenbara initiala riktningar, beskriver, huvudförfattaren till artikeln Naoko Kurahashi Neilson, fysiker vid Drexel University i Philadelphia i studien.

 Efter att ha upptäckt ca 60000 neutrinokaskader under 10 år och bearbetat dessa i en  maskininlärningsalgoritm byggde fysikerna upp en eterisk, blåfärgad bild som visar neutrinernas källor i hela Vintergatan.

Kartan visar att neutronerna produceras överväldigande i regioner med tidigare detekterade höga gammastrålninghändelser vilket bekräftade tidigare misstankar att många av dess är biprodukter kommer ur  kosmisk strålning som smäller in i interstellär gas.

Jag minns att jag sa: Vid denna tidpunkt i mänsklighetens historia är vi de första som ser vår galax i något annat än i ljuskällor, skrev Neilson. (stjärnornas sken)

Precis som tidigare revolutionerande framsteg som ex radioastronomin, infraröd astronomi och gravitationsvågdetektering har neutrinokartläggning gett oss ett helt nytt sätt att se ut i universum. Nu är det dags att se vad vi hittar.

Ben Turner är en brittisk staff writer på Live Science. Han täcker fysik och astronomi, bland annat ämnen som teknik och klimatförändringar och från hans artikel är inlägget ovan med mina egna ord beskriven artikeln i  Live Science varifrån bilden ovan även kommer. 

Bilden är består av två bilder av Vintergatan. Översta gjordes med synligt ljus och nedre utifrån neutroner. (Bildkredit: IceCube Collaboration/U.S. National Science Foundation (Lily Le &; Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)) även detta från https://www.livescience.com/

Första satellitsystemet som detekterar blixtar från ovan

 

Det första satellitinstrumentet som kontinuerligt kan detektera blixtar över Europa och Afrika har nu slagits på. Nya animationer från den innovativa "Lighting Imager" bekräftar att instrumentet kommer att revolutionera upptäckten och förutsägelsen av svåra stormar.

ESA har tillsammans med European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (Eumetsat) nu släppt de första animationerna från Lightning Imager som finns ombord på den första MeteosatThird Generation-satelliten som sköts upp den 13 december 2022.

Lightning Imager kan kontinuerligt upptäcka snabba ljusblixtar i jordens atmosfär oavsett om det är dag eller natt från ett avstånd av 36000 km. Instrumentet har fyra kameror som täcker Europa, Afrika, Mellanöstern och delar av Sydamerika. Varje kamera kan ta upp till 1000 bilder per sekund och kommer kontinuerligt att observera blixtaktiviteter från ovan.

Varje animation innehåller en sekvens av bilder som skapats genom att samla in under en tidsintervall  av en minuts blixtmätningar, överlagrade på en enda bild på jorden från Lightning Imager. Data från Lightning Imager kommer att ge bättre väderprognoser och större förtroende till förutsägelser om allvarliga stormar särskilt i avlägsna regioner och över haven där blixtdetekteringsförmågan är begränsad från Jorden.

Simonetta Cheli, chef för jordobservationsprogram vid ESA, kommenterade instrumentets anmärkningsvärda kapacitet: "Animationerna visar instrumentets förmåga att exakt och effektivt detektera blixtaktivitet över hela kamerans synfält vilket täcker 84 % av jordskivan.

Bild https://www.esa.int/