Det tidiga universum var fullt av spiralgalaxer

 

Standardmodellen för galaxer säger att de utvecklats över tid. Galaxer bildades från av stora moln bestående av väte och helium och hade därför troligen en ganska oordnad struktur i början. Med tanke på det tidiga universums densitet var galaktiska kollisioner och sammanslagningar vanliga vilket gav galaxerna rotation och då bildades skiv- och spiralformerna. Allt detta tog tid, så vi förväntar oss att spiralgalaxer är ganska vanliga i nuvarande universum men var sällsynta i det tidiga universum.

I det nya arbetet gjort av forskare vid Cornell university användes data från Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS), insamlade av James Webb Space Telescope. Forskarlaget identifierade 873 galaxer större än 10 miljarder solmassor, med rödförskjutningar mellan z = 0,5 och z = 4. Galaxer med denna rödförskjutning är mellan 5 miljarder till 12 miljarder år gamla, så de sträcker sig från de tidigaste galaxerna till de av idag. Av dessa galaxer klassificerades 216 som spiralgalaxer. Forskarna var noga med att påpeka att vissa av dessa kan vara sammanslagna galaxer som blev felklassificerade, men även då klassificerades 108 av galaxerna som spiralgalaxer.

Z talar om hur många år ljuset från objektet har färdats för att nå oss, men detta är inte avståndet till objektet i ljusår, eftersom universum har expanderat när ljuset färdades och objektet nu är mycket längre bort.

När teamet ordnade dem efter rödförskjutning fann de att medan andelen spiralgalaxer minskade i antal när man såg längre tillbaka i tiden, var andelen spiralgalaxer vid rödförskjutningar över z = 3 likväl mycket högre än förväntat. När teamet kalibrerade observationerna fann de att ungefär en femtedel av galaxerna vid z = 3 är spiralgalaxer. Dessa mycket tidiga galaxer skulle då ha  blivit spiralgalaxer mindre än två miljarder år efter Big Bang vilket innebär att det skulle varit kort tid för sammanslagningar och kollisioner som orsak till dem.

Med andra ord utvecklades många galaxer till spiralgalaxer tidigt i universum. Så även om kollisioner och sammanslagningar spelar en roll i bildandet av spiralgalaxer (senare i tiden) finns det sannolikt andra faktorer som spelat in då de tidigaste bildades. För närvarande är det inte klart vilka dessa faktorer är. Med framtida data från JWST hoppas forskarlaget kunna ta reda på hur dessa tidiga galaxer utvecklades och varför spiralgalaxer har funnits så länge.

Kan det vara så att spiralformen är en naturlig form då galaxer bildades tidigt i universum. Kanske man ska se på expansionen och gravitationen  (rörelsen i det tidiga universum) gåtans lösning kan troligen finnas i detta.

Bild vikipedia på en spiralgalax här NGC 3031.

Indien sköt upp raket för att studera svarta hål.

 

Indiens rymdorganisation sköt framgångsrikt upp en raket den 25 dec 2023 från rymdhamnen Sriharikota med uppdraget att hjälpa forskare att förbättra kunskapen om svarta hål.

Uppskjutningen är den andra som fokuserar på att studera svarta hål efter att NASA lanserade ett liknande uppdrag 2021. Ett svart hål är ett område i rymden där materia har kollapsat i sig själv med en gravitationskraft som är så stark att inte ens ljus kan fly. De flesta galaxers centrum, kanske allas,  innehåller ett svart hål.

ISRO  kommer att bedriva sin forskning om svarta hål med hjälp av X-ray Polarimeter Satellite som sköts upp med farkosten under måndagens uppskjutning.

ISRO-chef  S Somanath beskriver att PSLV-C58-farkosten placerade satelliten i den avsedda omloppsbana.

Från denna omloppsbana kommer PSLV att nå ner till en lägre omloppsbana, där det övre steget av PSLV, som beskrivs som POEM, kommer att utföra experiment med nio av nyttolasterna ombord vilket kommer att ta tid, enligt Somanaths uttalade den 25 dec.

Under 2023 lanserade Indien sitt första uppdrag till solken, Aditya-L1, och firade samma år den framgångsrika mjuklandningen av Chandrayaan-3 på månens sydpol. Sedan landningen i augusti har månrovern Pragyan visat sin förmåga att navigera i kratrar på månens yta.

ISRO arbetar för närvarande med att lansera ett bemannat uppdrag till 2025, med målet att skicka tre astronauter i låg omloppsbana runt jorden i en tredagars färd.

Indiens rymdprogram går snabbt framåt.

Bild https://www.spacedaily.com/

GESTRA rymdradar i slutfasen av tester

 

En ny era inom rymdobservation inleds under 2024. Den tyska experimentella rymdövervaknings- och spårningsradarn (GESTRA), utvecklad och byggd av Fraunhofer-institutet för högfrekvensfysik och radarteknik (FHR) på uppdrag av den tyska rymdorganisationen Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; (DLR), påbörjade den slutliga testningen av GESTRA i december 2023 efter en intensiv och framgångsrik test- och verifieringsfas.

Det innebär att detta rymdövervakningssystem har gått in i driftsättningsfas, något som kommer att pågå i flera månader. Tillsammans med experter från Fraunhofer FHR utförde den tyska rymdorganisationen vid DLR tester vid det tyska centret GSSAC (German Space Situational Awareness Centre). GESTRA kommer att förse GSSAC med ett av världens modernaste radarsystem för rymdobservation 2024. GSSAC i Uedem har i första hand till uppgift att skapa och utvärdera en "situationsanpassad" syn på rymden och skydda nationella rymdsystem från kollisioner med rymdskrot. När GESTRA är i drift kommer anställda vid den tyska rymdorganisationen DLR att styra systemet därifrån. Det är här all mätdata kommer att samlas in för att analysera banorna för registrerade objekt. Det kommer också att vara möjligt att begära ut dessa uppgifter från forskningsinstitutioner i hela Tyskland.

Gestras potential kan utnyttjas också på europeisk nivå i EU:s projekt för rymdövervakning och spårning (EUSST). 

I låg omloppsbana runt jorden kan GESTRA inte bara upptäcka rymdskrot utan även små påträngande satelliter från andra länder (ex spionsatelliter)  och spåra deras omloppsbanor. GESTRA uppfyller alla krav för civil och militär rymdövervakning och är därför, som prototyp för rymdövervakningsradar, en oumbärlig byggsten för en högpresterande, internationellt nätverksbaserad rymdsäkerhetsarkitektur.

Bild https://www.dlr.de/ GESTRA-mottagaren med integrerad antenn och monterad radom (monterat väderskydd) på FHR-anläggningen i Wachtberg.

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.