En låg halt av koldioxid i en exoplanets atmosfär kan visa på liv på planeten

 

Forskare vid MIT (Massachusetts Institute of Technology) där bland annat University of Birmingham ingår beskriver att astronomers bästa möjlighet att hitta flytande vatten och liv på andra planeter är att leta efter frånvaron av koldioxid snarare än närvaron av vatten i atmosfären.

Forskarna föreslår att om en jordliknande planet har betydligt mindre koldioxid i sin atmosfär jämfört med andra planeter i samma solsystem kan det vara ett tecken på flytande vatten och liv på planetens yta.

Denna sökmöjlighet kan göras av NASA:s James Webb Space Telescope (JWST). Även om forskare har föreslagit andra tecken på liv (som syre ) är halten koldioxid inte omöjlig att mäta med nuvarande teknik. Teamet påstår att denna sökmetod av relativt utarmad koldioxid, är det enda tecknet på liv som kan upptäckas med nuvarande teknik.

I sin studie lägger teamet fram en strategi för att upptäcka livsmöjliga planeter genom att söka efter utarmad koldioxid. En sådan sökning skulle fungera bäst i solsystem där flera jordliknande planeter, alla av ungefär samma storlek, kretsar relativt nära varandra. Solsystem liknande vårt eget solsystem. Det första steget som forskarlaget föreslår är att bekräfta att planeterna har atmosfär genom att helt enkelt leta efter förekomsten av koldioxid, som förväntas dominera de flesta planetariska atmosfärer och sedan bristen av detta på någon av dessa planeter.

Koldioxid absorberar i infrarött ljus och kan då lätt upptäckas i exoplaneters atmosfär, beskriver Julien de Wit, biträdande professor i planetvetenskap vid MIT.

Teamet uppskattar att NASA:s James Webb Space Telescope skulle kunna mäta koldioxid och möjligen även ozon, i närliggande multiplanetsystem som ex TRAPPIST-1 – ett solsystem med sju planeter som kretsar runt en ljusstark stjärna, 40 ljusår från jorden.

TRAPPIST-1 är ett av en handfull solsystem  av detta slag vi känner till där vi kan göra atmosfärstudier med JWST. Nu har vi en plan för att hitta beboeliga planeter. Om vi alla arbetar tillsammans kan paradigmskiftande upptäckter göras inom de närmaste åren, Beskriver Witt. 

Forskarlagets resultat publicerades nyligen i Nature Astronomy. De Wit ledde studien tillsammans med Amaury Triaud vid University of Birmingham i Storbritannien. Medförfattare vid MIT var Benjamin Rackham, Prajwal Niraula, Ana Glidden, Oliver Jagoutz, Matej Peč, Janusz Petkowski och Sara Seager, tillsammans med Frieder Klein vid Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), Martin Turbet från Ècole Polytechnique i Frankrike och Franck Selsis från Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux.

Bild vikipedia  på James Webb-teleskopet.

Kvarkmateriakärnor i neutronstjärnor

 

"En neutronstjärna är ett av flera möjliga slut för en stjärna. När en stjärna i slutet av sitt liv stöter bort sina yttre lager inträffar en gravitationskollaps då stjärnans kvarvarande inre delar imploderar. Om stjärnan är så stor att den kvarvarande massan motsvarar 1,4–3 solmassor sker en supernova. Återstoden blir en neutronstjärna som består av tätt packade neutroner, och övrigt material utspridda rester från supernovan". citat vikipedia.

"En kvark är inom kvantfysiken en elementarpartikel som tillsammans med en eller flera andra kvarkar bygger upp den grupp partiklar som kallas hadroner, till exempel protonen och neutronen. Så vitt man vet idag är kvarkar, tillsammans med leptoner som elektronen och neutrinon, materiens minsta byggstenar". citat vikipedia.

Neutronstjärnors kärnor består av materia med de högsta densiteter som känner till i  universum. Dess densitet är  som två solmassor av materia komprimerad inuti en sfär med en diameter på 25 km. Dessa astrofysikaliska objekt har en gravitation som komprimerar deras kärnor till densitet som överstiger de hos enskilda protoner och neutroner mångfalt.

Det gör neutronstjärnor till intressanta astrofysikaliska objekt ur partikel- och kärnfysikers synvinkel. Ett långvarigt olöst problem är om neutronstjärnors enorma centrala tryck kan komprimera protoner och neutroner till en ny fas av materia känd som kall kvarkmateria. I detta exotiska materietillstånd finns inte längre enskilda protoner och neutroner. Kvarkar och gluoner har befriats från sin instängdhet och kan  röra sig nästan fritt, beskriver Aleksi Vuorinen, professor i teoretisk partikelfysik vid Helsingfors universitet.

I en ny artikel som nyligen publicerad i Nature Communications har ett forskarlag vid Helsingfors universitet för första gången gjort en kvantitativ uppskattning av sannolikheten för existensen av kvarkkärnor i massiva neutronstjärnor. De visade, baserat på aktuella astrofysikaliska observationer att kvarkmateria är nästan oundvikligt i de tyngsta neutronstjärnorna. I en kvantitativ uppskattning visade sannolikheten på 80-90 procent säkerhet för detta.

Den återstående lilla sannolikheten för att alla neutronstjärnor ska bestå av enbart kärnmateria kräver att övergången från kärna till kvark är en stark första ordningens fasövergång, som påminner lite om den hos flytande vatten som förvandlas till is. Denna typ av snabb förändring i egenskaperna hos neutronstjärnemateria har potential att destabilisera stjärnan på ett sådant sätt att bildandet av till och med en mycket liten kärna av kvarkmateria skulle resultera i att stjärnan kollapsar till ett svart hål.

Det internationella samarbetet mellan forskare från Finland, Norge, Tyskland och USA kunde ytterligare visa hur existensen av kvarkkärnor en dag kan detta antingen helt bekräftas eller uteslutas. Nyckeln är att kunna begränsa styrkan i fasövergången mellan kärn- och kvarkmateria vilket förväntas vara möjligt när en gravitationsvågssignal från den sista delen av en binär neutronstjärnekollision en dag registreras.

Dr. Joonas Nättilä, en av huvudförfattarna till artikeln, beskriver arbetet som ett tvärvetenskapligt arbete som krävde expertis från astrofysik, partikel- och kärnfysiker samt datavetenskap. Joonas Hirvonen, doktorand som arbetar under ledning av Nättilä och Vuorinen, betonar vikten av högpresterande datorer i arbete som detta.

Inlägget är en sammanfattning av mig av en artikel från Helsingfors universitet skriven av Aleksi Vuorinen Professor i institutionen för fysik.

Bild Vikipedia en modell av en neutronstjärna.

Intressanta rymdprojekt under 2024

 

NASA kommer under 2024 att skjuta upp sonden Europa Clipper vars syfte är att utforska en av Jupiters största månar, Europa. Europa är något mindre än jordens måne och har en istäckt yta. Under Europas is finns sannolikt ett saltvattenhav vilket forskarna förväntar sig innehåller mer än dubbelt så mycket vatten som alla hav  på jorden tillsammans. Om där finns liv får framtiden utvisa. Denna gång är uppdraget att flyga förbi Europa nästan 50 gånger för att studera månens isiga skal, ytans geologi och dess underjordiska hav troligen genom att ta prov från någon aktiv gejser. 

VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) är en robot stor som en golfbil som NASA kommer att använda för att utforska månens sydpol i slutet av 2024. Detta robotuppdrag är utformat för att söka efter flyktiga ämnen i form av molekyler som lätt förångas (ex vatten och koldioxid) på månen. Dessa material kan utgöra resurser  för framtida mänsklig utforskning av månen. 

Artemis II är planerad att sändas upp i november 2024 och ska då bära med sig astronauter i omloppsbana runt månen under en 10 dagars resa för att sedan vända tillbaks till jorden igen. Uppdraget är ett i en följd som i en framtid ska placera människan på månen igen och förbereda tester för en framtida färd till Mars. 

NASA har investerat i en grupp av små, billiga planetariska uppdrag som kallas SIMPLEx (mall, Innovative Missions for PLanetary Exploration). Uppdrag som inte är så kostsamma då dessa instrument ska följa med på andra uppskjutningar som sekundär nyttolast. Ett exempel är Lunar Trailblazer. Precis som VIPER kommer Lunar Trailblazer att leta efter vatten på månen. Men medan VIPER kommer att landa på månens yta och studera ett specifikt område nära sydpolen kommer Lunar Trailblazer att kretsa runt månen, mäta temperaturen på ytan och kartlägga platserna där vattenmolekyler hittas över hela månen troligen sker detta under 2024. 

JAXA (Japanese Aerospace Exploration Agency) är ett robotuppdrag under utveckling som kallas Martian Moon eXploration, eller MMX, planerat att skjutas upp runt september 2024 till Mars. Uppdragets huvudsakliga vetenskapliga mål är att försöka fastställa Mars månars ursprung. Forskare är i dag inte säkra på om Phobos och Deimos är före detta asteroider som Mars fångat in i omloppsbana med sin gravitation eller om de bildats av skräp som redan var i omloppsbana runt Mars.

Rymdsonden kommer att tillbringa tre år runt Mars och utföra vetenskapliga operationer och observera Phobos och Deimos. MMX kommer även att landa på Phobos yta för att samla prov av ytan innan den återvänder till jorden.

Hera är ett uppdrag av Europeiska rymdorganisationen ESA för att återvända till asteroidsystemet Didymos-Dimorphos som NASA:s DART-uppdrag besökte 2022. DART besökte inte bara dessa asteroider, den kolliderade med en av dem för att testa en planetarisk försvarsteknik som kallas "kinetisk påverkan". DART träffade Dimorphos med sådan kraft att den ändrade sin omloppsbana. Hera ska undersöka dessa asteroiders markbeskaffenhet och effekten av kollisionen med Dart. 

Uppräkningen av uppdrag fanns den 26 dec 2023 i https://theconversation.com/och presenteras här i sammanfattning på svenska med mina egna ord.

Bild vikipedia på en av de farkoster som beskrivs ovan Europa Clipper. vilken ska sändas till månen Europa.

De första stjärnorna bildade grundämnen med högre atomnummer än uran-238

 

De första stjärnorna i universum var mycket stora. De bestod nästan endast av väte och helium och var upp till 300 gånger  massivare än vår sol. I dem bildades de första av de tyngre grundämnena, som sedan kastades ut i kosmos vid slutet av deras korta existens som slutade i en supernova. Dessa grundämnen var början till alla de stjärnor och planeter som nu finns. I en ny studie visas att dessa första stjärnor skapade mer än bara de naturliga grundämnen upp till uran-238.

Med undantag för väte, helium och några spår av andra lätta grundämnen har alla atomer vi ser omkring oss skapats genom astrofysikaliska processer, såsom  supernovor, kollisioner mellan neutronstjärnor och högenergirika partikelkollisioner. Tillsammans skapades  tyngre grundämnen som uran-238, som är det tyngsta naturligt förekommande grundämnet.

Uran bildas vid kollisioner mellan supernovor och neutronstjärnor genom den så kallade r-processen, där neutroner snabbt fångas upp av atomkärnor och då blir till ett tyngre grundämne. R-processen är komplex, och det finns fortfarande mycket som inte förstås i  hur den processen uppstår eller vad dess övre massgräns är.

Studien ger resultat som tyder på  att r-processen i de allra första stjärnorna kan ha producerat mycket tyngre grundämnen med atommassa större än 260 (se periodiska systemet).  

Teamet såg på 42 stjärnor i Vintergatan för vilka grundämnessammansättningen är förstådd. I stället för att bara leta efter närvaron av tyngre grundämnen tittade de på det relativa överflödet av grundämnen i alla stjärnor. De fann att överflödet av vissa grundämnen som silver och rodium inte stämmer överens med det förutspådda överflödet från vad som sker i en r-processnukleosyntes.

Ny data tyder istället på att dessa grundämnen är sönderfallsrester från mycket tyngre kärnor  högre än 260 i atommassanummer. Förutom r-processen med snabb neutroninfångning finns det två andra sätt att skapa tunga atomkärnor: p-processen där neutronrika kärnor fångar protoner, och s-processen där en kärna av en atom kan fånga in en neutron. Men ingen av dessa kan skapa en snabb uppbyggnad av massa som är nödvändig för grundämnen med högre nummer än uran. Det är bara i den hypermassiva första generationens stjärnor som r-processens nukleosyntes som på något vis kan ha genererat sådana grundämnen.

Studien tyder alltså på att r-processen kan skapa grundämnen med högre atomnummer än uran, och sannolikt skedde det i de första stjärnorna i universum. Om det inte finns en isolerad plats av stabilitet för några av dessa ultratunga grundämnen kommer dessa då bildade grundämnen för länge sedan att ha sönderfallit till de naturliga grundämnen vi ser idag. Men det faktum att de en gång existerade kommer att hjälpa forskare att bättre förstå r-processen och dess begränsningar.

Inlägget ovan grundas på en artikel ihttps://www.universetoday.com/ där det hänvisas till en källan Roederer, Ian U., et al. “Element abundance patterns in stars indicate fission of nuclei heavier than uranium.” Science 382.6675 (2023): 1177-1180.

Tunga grundämnen i högre skiktet av periodiska system bildas och finns oftast endast kortvarigt i kärnkraftverk eller laboratoriemiljö.

Bild vikipedia En atomkärna visas här som ett kompakt knippe av de två typerna av nukleoner, protoner (röda) och neutroner (blå). I bilden visas protonerna och neutronerna som distinkta, vilket är den gängse uppfattningen inom till exempel kemi. Men i en verklig kärna, som förstås av modern kärnfysik är nukleonerna delvis delokaliserade och organiserar sig enligt kvantkromodynamikens lagar.

Är universum ett hologram?

 

Holografi är en avancerad form av fotografi där man kan se ett objekt tredimensionellt. Kallat hologram. Holografitekniken kan användas optiskt för att lagra information.

För ett kvarts sekel sedan föreslog fysikern JuanMaldacena AdS/CFT-korrespondensen, en spännande holografisk koppling mellan gravitationen i ett tredimensionellt universum och kvantfysik på universums tvådimensionella gräns. 

Denna korrespondens är ännu efter ett kvarts sekel efter Maldacenas upptäckt ännu en gissning. Ett påstående om universums natur som verkar vara sant men som ännu inte har bevisats återspegla den verklighet vi lever i. Dessutom har den endast begränsad användbarhet och tillämpning på universum.

Likväl är till och med blotta utseendet på korrespondensen mer än suggestivt. Det är talande att det finns något djupt grundläggande i hologrammet att fysiken i universums volym som kan visa fysiken på ytan och att det finns mer att förstå och undersöka än ytan.

Det är en sak att formulera fysikens gåtor på ett nytt språk till en ny uppsättning dimensioner för att få dem lättare att lösa. När allt kommer omkring vimlar fysiken av sådana matematiska knep och spel som utövare använder för att lösa utmanande problem och gå vidare till nästa. Men AdS/CFT-korrespondensen och den mer allmänna holografiska principen som den representerar är så mycket mer än en matematisk kuriositet.

Det väsentliga målet här är att beskriva gravitation som vi i århundraden ansett som en naturkraft som kan förstås som ytterligare en interaktion av entiteter i kosmos kan användas för att interagera med varandra. Gravitationen är den enda kraft som avges av och känns av varje enskild varelse eller ting i kosmos. Allt med massa, allt med energi, skapar en gravitation av påverkan i sig. På samma sätt reagerar all massa, all energi, allt som har vad vi kallar existens av gravitation.

Kepler hade rätt när han urskilde något speciellt med de himmelska objektens rörelser och kopplade dessa rörelser till våra liv här på jorden. Newton hade rätt när han betecknade detta som en kraft, en uppsättning osynliga strängar som förbinder hela skapelsen. Einstein gjorde rätt i att inte beskriva gravitation i termer av knuffar och drag utan i termer av själva strukturen och själva rumtiden.

Den holografiska principen, oavsett om den tillämpas på ytan av ett svart hål och dess innehåll eller förhållandet mellan strängteorin och kvantfysik säger det oss något meningsfullt om gravitation. Einstein lärde oss att gravitation  inte endast är en kraft utan den naturliga respons vi levande varelser upplever när vi möter rumtidens böjningar och rynkor. Gravitation är den plats i rumtiden som vi alla existerar inom. Ett annat namn för den allmänna relativitetsteorin är geometrodynamik själva geometrins dynamik. Gravitation är rum och tid och materia och energi i ett enda livfullt system av samverkan. Det vi kallar universum är helt enkelt behållaren för all den aktivitet, all den bredd av rymd och djup av tid och komplexitet som fyller det.

Det har misslyckats att hitta en kvantifierad gravitationsteori. Vi har ingen beskrivning av vad som verkligen händer vid gränsen till ett svart hål. Men vi har lärt oss att  kvantfysiken att fysiska tredimensionella entiteter inte är exakt vad de ser ut att vara. Faktum är att de är grundare: svarta hål kan bara beskrivas av sina gränser och kanter, snarare än i sin fulla utsträckning (dimensionellt).

Och när vi tillämpar samma resonemangskedja utifrån att holografi är en viktig komponent i kvantgravitationspusslet, kommer AdS/CFT-korrespondensen och en potentiell väg att leda mot strängteorin.

Inlägget ovan är ett sammandrag och översättning från https://www.universetoday.com/ och astrofysiker Paul M. Sutters artikel av den 21 dec 2023.

Bild vikipedia https://pixexid.com/

I Kina studeras miljoner galaxer med syfte att förstå hur universum började

 

Ett forskarlag i Kina  har analyserat mer än en miljon galaxer för att leta efter ursprunget till dagens kosmiska strukturer rapporteras i en ny studie publicerad i Physical Review D.

Fram till idag har noggranna observationer och analyser av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) och den storskaliga strukturen (LSS) lett till upprättande av universums standardramverk för att förklara hur allt är. Den så kallade ΛCDM-modellen, där kall mörk materia (CDM) och mörk energi (den kosmologiska konstanten, Λ) är viktiga egenskaper. 

Modellen i visar att ursprungliga fluktuationer (små rörelser) genererades under universums första tid och fungerade som början till skapelsen av allt som finns i universum i dag ex stjärnor, galaxer, galaxhopar och deras rumsliga fördelning i rymden.

Fast fluktuationerna var mycket små när de genereras, växte dessa (rörelser, min misstanke är beroende av en allt starkare gravitation) med tiden på grund av gravitation och bildade så småningom områden av mörk materia likt en halo. Därefter kolliderade olika halos upprepade gånger och smälte samman med varandra vilket ledde till bildandet av exempelvis galaxer bestående av materia och mörk materia.

Eftersom den rumsliga fördelningen av galaxer är starkt influerad av de ursprungliga fluktuationerna som skapade dem har statistiska analyser av galaxfördelningar aktivt utförts för att observationsmässigt utforska de ursprungliga fluktuationernas natur bakåt i tiden (determinism är ett bra begrepp). Utöver detta återspeglar det rumsliga mönstret av galaxformer fördelade över ett stort område av universum också karaktären hos de underliggande ursprungliga fluktuationerna.

En grupp forskare under ledning av doktorand TToshiki Kurita vid Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) graduate student Toshiki Kurita (currently a postdoctoral researcher at the Max Planck Institute for Astrophysics) och Kavli IPMU Professor Masahiro Takada som utvecklade en metod för att mäta effektspektrumet av galaxformer som extraherar, viktig statistisk information från galaxformmönster genom att kombinera spektroskopiska data över galaxernas rumsliga fördelning och avbildning inklusive data från enskilda galaxformationer.

Forskarna analyserade samtidigt den rumsliga fördelningen och formmönstret från cirka en miljon galaxer i Sloan Digital Sky Survey (SDSS) världens största kartläggning av galaxer idag.

De fann en statistiskt signifikant orientering av två galaxers former som ligger mer än 100 miljoner ljusår från varandra. Resultatet visade att det finns korrelationer mellan avlägsna galaxer vars bildningsprocesser till synes är oberoende och kausalt orelaterade. I forskningen kunde man begränsa egenskaperna hos de ursprungliga fluktuationerna genom statistisk analys av "formerna" hos många galaxer som erhållits i storskaliga strukturdata. Det finns få prejudikat av forskning som använt galaxformer för att utforska fysiken i det tidiga universum och forskningsprocessen inklusive konstruktionen av idén och utvecklingen av analysmetod till den faktiska dataanalysen, vilket nu gjordes och blev till en serie av försök och misstag.

”På grund av det ställdes jag inför många utmaningar. Men jag är glad att jag kunde åstadkomma dem under min doktorandutbildning. Jag tror att denna prestation kommer att vara det första steget för att öppna upp ett nytt forskningsfält inom kosmologi, utgående från galaxformer”, beskriver Kurita.

Metoderna och resultaten från denna studie gör det möjligt för forskare att i framtiden ytterligare testa inflationsteorin. 

Bild flickr.com

De mystiska ekrarna i Saturnus ringar

 

Fotot ovan av Saturnus togs av NASA:s rymdteleskop Hubble den 22 oktober 2023 då den ringförsedda planeten befann sig cirka 850 miljoner mil från jorden. Hubblebilden visar ett fenomen som kallas ringekrar. Saturnus ekrar är övergående funktioner som roterar tillsammans med ringarna. Deras diffusa utseende kvarstår under två eller tre varv runt Saturnus. Under aktiva perioder bidrar nybildade ekrar kontinuerligt till dessa diffusa mönster.

Hubble observerar Saturnus årligen då ekrarna uppstår och försvinner. Denna regelbundna  cykel ses inom Hubbles (program)  Outer Planets Atmospheres Legacy (OPAL).

Ekrarna  sågs första gången för nästan ett decennium sedan då den årliga övervakningen av väderförändringar på de fyra gasjättarna (Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus obs de två sist nämnda kallas i dag även isjättar) gjordes.

Hubbles regelbundet tagna  bilder visar att frekvensen av ekeruppenbarelser är säsongsdriven.  2021 sågs den i OPAL-data först på vänstra sida av ringsystemet. Långtidsövervakning visar att både antalet och kontrasten på ekrarna varierar med Saturnus årstider. Saturnus lutar sin axel likt jorden och har säsonger som varar ungefär sju år (ett år på Saturnus är ca 29 år på jorden).

Vi är nu på väg mot Saturnus dagjämning då vi förväntar oss maximal ekerbildning med högre frekvens och mörkare ekrar de närmaste åren, beskriver Amy Simon, forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

I år dyker dessa kortlivade strukturer upp på båda sidor av planeten samtidigt när de snurrar runt planeten. Fast de ser små ut jämfört med Saturnus kan deras längd och bredd sträcka sig längre än jordens diameter (jordens diameter är 12742 km).

Ledande teori om fenomenet är att ekrarna är knutna till Saturnus kraftfulla magnetfält med någon form av solinteraktion med magnetfältet som då ger fenomenet ekrar, beskriver Simon. När det är nära dagjämning på Saturnus är planeten och dess ringar mindre lutade bort från solen. I denna konfiguration kan solvinden då slå hårdare mot Saturnus enorma magnetfält vilket ökar ekerbildningen enligt nuvarande teori.

Forskare anser teoretiskt att elektrostatiska krafter som genereras från denna växelverkan får stoft eller is att sväva ovanför ringen och då bilda ekrarna men teorin är inte bevisad eller  passar perfekt i förståelsen av eller förutsäger säkert ekrarnas uppkomst. Fortsatta Hubble-observationer görs.

Bild https://science.nasa.gov/