Astronomer använder pulsarer för att söka tecken på mörk materia

 

Nu söks objekt som kan innehålla mörk materia med hjälp av regelbundna pulseringar från pulsarer. 

Dessa pulsarer – neutronstjärnor som roterar och sänder ut fyrliknande strålar av radiovågor som sveper genom rymden – används för att identifiera okända dolda objekt.

Pulsarer fick sitt smeknamn eftersom de skickar ut elektromagnetisk strålning av mycket jämnt intervall i tid, allt från millisekunder till sekunder, vilket gör dem till  exakta tidtagare.

"Vetenskapen har utvecklat mycket exakta metoder för att mäta tid, på jorden har vi atomklockor och i rymden har vi pulsarer ", beskriver astronomen bakom studien professor John LoSecco vid University of Notre Dame, som presenterar sina resultat vid veckans National Astronomy Meeting vid University of Hull.

"Även om gravitation har varit känd för att bromsa ljus i mer än ett sekel har det hittills funnits väldigt få tillämpningar." – Vi drar numera nytta av det faktum att jorden rör sig, solen rör sig, pulsaren rör sig och till och den mörka materian rör sig.

En massa av solens storlek kan ge en fördröjning på cirka 10 mikrosekunder av strålningen från en pulsar. Observationerna som professor LoSecco gjorde har en upplösning i storleksordningen nanosekunder vilket är 10 000 gånger mindre.

"Ett av fynden tyder på en förvrängning på cirka 20 procent av solens massa", beskriver professor LoSecco. "Det här objektet skulle kunna vara  mörk materia."

Han bekräftade också att en bieffekt av denna forskning är att den förbättrar pulsarers tidsdataurval. Detta precisionsprov har samlats in för att leta efter bevis på lågfrekvent gravitationsstrålning.

Objekt med mörk materia lägger till "brus" till dessa data, så att identifiera och ta bort dem kommer att rensa proverna från viss variabilitet vilket eliminerar sådant brus under andra sökningar efter gravitationsstrålning.

"Den mörka materiens sanna natur är ett mysterium", beskriver professor LoSecco. "Forskningsprojektet kastar nytt ljus över den mörka materians natur och dess fördelning i Vintergatan och kan också förbättra noggrannheten i precisionspulsardata."

Forskningen fortsätter inom området inga färdiga resultat finns ännu publicerade.

Bild https://ras.ac.uk  Den här bilden visar en konstnärs bild av en neutronstjärna, omgiven av dess starka magnetfält (blått). Den sänder ut en smal stråle av radiovågor (magenta) ovanför sina magnetiska poler. När stjärnans rotation sveper dessa strålar över jorden kan neutronstjärnan detekteras som en radiopulsar.

NASA Goddard/Walt Feimer Typ av licens (CC BY 4.0)

Sammanflätade galaxer (Webbteleskopets 2 års bild).

 

För att hedra Webbteleskopets tvåårsdag observerade teleskopet  och tog  en bild av Arp 142, ett interagerande galaxpar med smeknamnet Pingvinen och Ägget. Resultatet blev bilden ovan som är en kombination av kort- och mellaninfrarött ljus vilket visuellt visar hur galaxerna interagerar – se den svaga uppochnedvända blå U-formationen som omsluter båda galaxerna – tillsammans med en "stjärnglans", av nya stjärnbildningar i Pingvinen.

Teleskopets specialisering på att fånga infrarött ljus något människliga ögon inte kan visar att dessa galaxer som tillsammans kallas Arp 142 är låsta i en långsam kosmisk dans. Webbs observationer, som kombinerar kort- och mellaninfrarött ljus från Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) respektive MIRI (Mid-Infrared Instrument) visar tydligt att de förenas av ett dis representerat i blått som är en blandning av stjärnor och gas.

Deras pågående interaktion började för mellan 25 och 75 miljoner år sedan när pingvinen (individuellt katalogiserad som NGC 2936) och ägget (NGC 2937) genomförde sin första närliggande passage. De kommer att fortsätta att svänga och fullborda flera ytterligare loopar innan de går samman till en enda galax hundratals miljoner in i framtiden.

Innan de närmade sig för första gången hade pingvinen formen av en spiralgalax.  Idag glimmar dess galaktiska centrum i form av ett öga, dess tidigare spiralarmar som en näbb, ett huvud, en ryggrad och en utdragen svans.

Som alla spiralgalaxer är Pingvinen (fd spiralgalax) fortfarande mycket rik på gas och stoft. Galaxernas "dans" drog gravitationellt med sig pingvinens tunnare områden av gas och stoft vilket fick dem att krascha i vågor och bilda stjärnor. Leta efter dessa områden på två ställen i bilden ovan: det som ser ut som en fisk och i "näbben" och "fjädrarna" i "svansen".

Runt dessa nybildade stjärnor finns rökliknande materia som innehåller kolhaltiga molekyler, så kallade Polycykliska aromatiska kolväten, som Webb är exceptionellt bra på att upptäcka. Stoft, som ses som svagare, djupare orange bågar, sveper från näbben till stjärtfjädrarna.

Äggets kompakta form är däremot i stort sett oförändrad historiskt. Som elliptisk galax är den fylld med åldrande stjärnor och innehåller mycket mindre gas och stoft än Pingvinen och här bildas få nya stjärnor.

En orsak till äggets ostörda utseende är att galaxerna har ungefär samma massa (tyngd), vilket är anledningen till att den mindre elliptiska galaxen inte redan har sammansmält eller förvrängts formmässigt av Pingvinen (med stor sannolikhet på grund en slags jämvikt av gravitationen).

Det uppskattas att pingvinen och ägget ligger ungefär 100 000 ljusår från varandra. Vintergatan och vår närmaste granngalax Andromedagalaxen, ligger ungefär 2,5 miljoner ljusår från varandra. Men även dessa kommer att sammanslås och då om ca 4 miljarder år.

Titta nu längst upp till höger för att upptäcka en galax som inte är på den här dansen. Denna galax ligger 100 miljoner ljusår närmare jorden, katalogiserad PGC 1237172. Den är ganska ung och kryllar av nya, blå stjärnor.

Vill du ha ett partytrick till? Se denna Webb bild 

i mellaninfrarött ljus för att se PGC-1237172 praktiskt taget försvinna. Mellaninfrarött ljus fångar till stor del svalare, äldre stjärnor och en otrolig mängd stoft. Eftersom galaxens stjärnpopulation är så ung "försvinner" den i mellaninfrarött ljus.

Ta också en stund för att skanna bakgrunden. Webbs bild svämmar över av avlägsna galaxer. Vissa har spiralformade och ovala former som de som är trådlika genom pingvinens "stjärtfjädrar", medan andra ses utspridda överallt som formlösa prickar. Detta är ett bevis på känsligheten och upplösningen hos teleskopets infraröda instrument. (Jämför Webbs syn med Iakttagelse 2018 som kombinerar infrarött ljus från NASA:s pensionerade rymdteleskop Spitzer och nära-infrarött och synligt ljus från NASA:s rymdteleskop Hubble.) 

Även om dessa observationer bara tog några timmar, avslöjade Webb mycket mer av avlägsna, rödare och dammigare galaxer än tidigare teleskop – ytterligare en anledning att förvänta sig att Webb kommer att fortsätta att utöka vår förståelse av universum.

Vill du veta mer? Ta en rundtur genom bilden, "flyg igenom" den i en visualisering och jämför Webbs bild med rymdteleskopet Hubbles. 

Arp 142 ligger 326 miljoner ljusår från jorden i stjärnbilden Hydran.

Bild https://webbtelescope.org/. Galaxparet ARP142. Den förvrängda spiralgalaxen i mitten, Pingvinen, och den kompakta elliptiska galaxen till vänster, Ägget, är låsta i en aktiv omfamning. En ny bild i kort- och mellaninfrarött ljus från James Webb Space Telescope som togs för att markera dess andra år i drift visar att deras växelverkan markeras av ett svagt uppochnedvänt U-format blått sken. 

Studier av is i interstellära gasmolns inre

 

Med hjälp av James Weebteleskopet har ett forskarlag där  Paola Caselli, Barbara Michela Giuliano och Basile Husquinet från MPE (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) ingick undersökt djupt in i täta molnkärnor och avslöjat detaljer om interstellär is som tidigare inte kunnat observeras. Studien fokuserar på Chamaeleon I-regionen (gasområde i Vintergatans närområde) och för arbetet användes JWST:s NIRCam för att mäta spektroskopiska linjer mot hundratals stjärnor bakom molnet.

För första gången har svaga spektroskopiska egenskaper som kallas "dinglande OH"(syre väte)  upptäckts vilket tyder på att vattenmolekyler finns men att dessa  inte är helt bundna i isen i molnet. Dessa egenskaper kan spåra porösiteten och modifieringen av isiga korn när de utvecklas i molekylmoln till protoplanetära skivor. Upptäckten ökar vår förståelse för iskornens struktur och dess roll i planetbildning.

Studien visar att det i molnet finns potentiellt "fluffiga" iskorn, vilket påverkar den kemi som kan uppstå i dessa regioner och därmed graden av kemisk komplexitet som kan byggas upp. Upptäckten öppnar även för att studera planetbildning eftersom dessa spektrala egenskaper i slutändan gör det möjligt för oss att bygga upp en uppfattning om den rumsliga fördelningen och variationen av isar samt hur de utvecklas på sin färd från molekylmoln, till protoplanetära skivor, till planeter.

Bild https://www.mpe.mpg.de/ Illustration av de olika OH-bindningsscenarierna som observerats i det mörka molnet Cha I(Chamaeleon I-regionen ett tätt molnområde nära oss i Vintergatan) med James Weebtelekopet.

Ballongburet teleskop uppskjutet

 

Vetenskapsmän från Washington University i St. Louis har skjutit upp ett ballongburet teleskop för att avslöja hemligheterna bakom astrofysiska svarta hål och neutronstjärnor.  Ballongen med teleskop går under namnet XL-Calibur och sköts upp från Rymdbolagets rymdcenter Esrange, i Kiruna, den 9 juli.

"Vi är positiva till att kunna mäta polarisationen hos det svarta hålet det röntgenbinära Cyg X-1 för att bestämma och förstå hur materia virvlar runt ett svart hål innan det faller in i detta och frigör enorma mängder energi i processen", beskriver Henric Krawczynski, Wilfred R. och Ann Lee Konneker Distinguished Professor of Physics in Arts & Sciences, som är huvudforskare för XL-Calibur. – Vi hoppas att våra resultat kommer att få en viss inverkan på mätningsresultat av svarta håls spinn.

Esrange, som ligger i ett stort obefolkat område i den nordligaste delen av Sverige, är en idealisk plats för NASA:s vetenskapliga ballongkampanj 2024. "Placeringen av uppskjutningsområdet och de stratosfäriska vindarna möjliggör utmärkta flygförhållanden för ballongen för att samla in många dagars vetenskapliga data när ballongen passerar från Sverige till norra Kanada", säger Andrew Hamilton, tillförordnad chef för NASA:s Balloon Program Office, i ett uttalande.

XL-Calibur är ett samarbete mellan forskare från USA, Japan och Sverige.

Bild https://source.wustl.edu/  Den vetenskaplig ballongen som är  stor som en stadion bar upp XL-Calibur-instrumentet. (Foto: Nicole Rodriguez Cavero)

Vi förstår mer och mer om jordens tidigaste livsformer

 

I många studier har undersökts tecken på tidigt liv som bevarats i  bergarter. Men den här studien väver samman dessa data med genomiska studier av moderna organismer och nya genombrott om den utvecklande kemin i de tidiga haven, atmosfären och kontinenterna.

Studien beskriver hur jordens tidigaste livsformer – mikrober som O2-producerande bakterier och metanproducerande arkéer – formade och formades ur förändringar i haven, kontinenterna och atmosfären.

"Det centrala budskapet är att du inte kan se någon del av dokumentationen isolerat", beskriver Timothy Lyons, en UCR(University of California, Riverside) -framstående professor i biogeokemi och medförfattare till studien. Studien samlade experter inom biologi, geologi, geokemi och genomik och beskriver resan för jordens tidiga livsformer från deras första framträdande till deras uppgång till ekologiskt framträdande. I takt med att mikroberna ökade i antal började de påverka sin omvärld, bland annat genom att börja producera syre via fotosyntesen.

Resultaten inom varje område "överensstämmer ofta på anmärkningsvärda sätt", enligt Christopher Tino, UCR-doktorand under forskningstiden och huvudförfattare till studien som numera är postdoktor vid University of Calgary.

Specifikt visas i studien hur mikrobiellt liv konsumerade, omvandlade och spridde viktiga näringsämnen som innehåller kväve, järn, mangan, svavel och metan över hela jorden. Dessa biologiska händelser utvecklades och jordens yta förändrades dramatiskt tillsammans med och ibland på grund av nytt liv.

Kontinenter växte fram, solen blev ljusare och världen blev rik på syre Eftersom utvecklingen av nya biologiska vägar påverkade dessa grundämnescykler uppkom nya tidiga livsformer vilka påverkade och reagerade på miljön och utvecklade ekologiska fotavtryck i global skala.

Stenar som är miljarder år gamla saknar ofta de synliga fossiler som behövs för att berätta hela historien. Den här studien inkorporerade kemin hos dessa stenar och genomet hos levande släktingar för att bilda en heltäckande bild av forntida livsformer.

"I huvudsak beskriver vi jordens första tid utifrån mikrober som kunde förändra den globala miljön", beskriver Lyons, chef för Alternative Earths Astrobiology Center in the Department of Earth and Planetary Sciences. "Du måste förstå hela bilden för att fullt ut förstå vilka, vad, när och var mikrober utvecklades från att bara existera till att få en betydande effekt på miljön."

Många forskare har antagit att när en livsform väl dök upp på jorden blev den snabbt produktiv. Bara genom att sammanföra årtionden av forskning över discipliner, som Lyons, Tino och deras kollegor gjorde i denna artikel, kan forskare se skillnaden mellan blotta närvaron kontra dominansen av vissa mikrober. Ofta tog det hundratals miljoner år att utvecklas från en första existens till en framträdande plats.

"Mikrober som till en början hankade sig fram i trånga nischer i miljön skulle över tid bli stora populationer", beskriver Lyons.

Men studien besvarar likväl föga överraskande inte den eviga frågan. Var vi kommer från?

Studien kan även vara till hjälp i sökandet efter liv på andra planeter. – Om vi någonsin ska hitta bevis för liv bortom jorden kommer det med stor sannolikhet att baseras på processer och produkter från mikroorganismer, som metan och O2",beskriver Tino.

"Vi motiveras av att tjäna NASA i deras uppdrag", noterade Lyons, "särskilt för att hjälpa till med att förstå hur exoplaneter kan upprätthålla liv."

Studien som nyligen publicerades i tidskriften Nature Reviews Microbiology.  Utöver Lyons och Tino deltog i detta arbete   Gregory P. Fournier, Massachusetts Institute of Technology; Rika E. Anderson, University of Washington och Carleton College; William D. Leavitt, Dartmouth College; Kurt O. Konhauser, University of Alberta; och Eva E. Stüeken, University of Washington och University of St. Andrews.

Bild vikipedia. Stenar längs Saldasjöns strandlinje i Turkiet har med tiden bildats av mikrober som fångar mineraler i vattnet. Dessa mikrobialiter (Mikrobialit är en bentisk sedimentär avlagring gjord av karbonatlera (partikeldiameter < 5 μm) som bildas med förmedling av mikrober. ) var en gång i tiden en viktig del av livet på jorden. (NASA/JPL-Caltech)

Exoplanet LHS 1140 b verkar vara en isvärld där liv kan existera.

 

LHS 1140b är en superjord en exoplanet som kretsar runt en röd dvärgstjärna, 40 ljusår från jorden i stjärnbilden Valfisken.

LHS 1140 b är en av de exoplaneter som ligger närmast vårt solsystem och som finns inom sin sols livsmöjligas zon. Exoplaneter som hittats i denna "Guldlockszon" har temperaturer som kan vara  möjliga för vatten att existera i flytande form. Flytande vatten är ett avgörande element för liv som vi känner det från jorden.

En av de kritiska frågorna om LHS 1140 b var om det är en mini-Neptunus-exoplanet (en liten gasjätte med en kraftig väterik atmosfär) eller en superjord (en stenplanet men större än jorden). Det senare scenariot inkluderade möjligheten att det var en så kallad "Hycean-värld" en planet med ett globalt flytande hav omgivet av en väterik atmosfär som skulle uppvisa en distinkt atmosfärisk signal som kunde observeras med hjälp av det kraftfulla Webb-teleskopet.

  Analyser av data från Webbteleskopet uteslöt starkt mini-Neptunus-scenariot och tyder på att exoplaneten LHS 1140 b är en superjord som till kan ha en kväverik atmosfär. Om detta resultat bekräftas skulle LHS 1140 b vara den första tempererade planeten som visar tecken på en sekundär atmosfär, bildad efter planetens ursprungliga bildning.

Uppskattningar baserade på insamlad data visar att LHS 1140 b är mindre tät än förväntat för en stenplanet med en jordliknande sammansättning vilket tyder på att 10 till 20 % av dess massa kan bestå av vatten. Upptäckten pekar på att LHS 1140 b kan vara en intressant vattenvärld som troligen liknar en snöbolls- eller isplanet med ett potentiellt flytande hav vid den substellära punkten (det område på planetens yta som alltid är vänt mot solsystemets sol i detta fall en sval röd dvärgstjärna) på grund av planetens förväntade synkrona rotation (ungefär som jordens måne är).

"Av alla för närvarande kända tempererade exoplaneter kan LHS 1140 b mycket väl vara vår bästa chans att en dag indirekt bekräfta flytande vatten på ytan på en främmande värld bortom vårt solsystem", beskriver Charles Cadieux, huvudförfattare till artikeln (se nedan). Detta skulle vara en viktig milstolpe i sökandet efter potentiellt beboeliga exoplaneter, beskriver han.

  För att bekräfta närvaron och sammansättningen av LHS 1140 b:s atmosfär och för att kunna skilja mellan scenarierna med snöbollsplanet och havsplanet mitt i prick krävs ytterligare observationer. Forskargruppen har betonat behovet av ytterligare mätningar av passage och förmörkelse med Webb-teleskopet med fokus på en specifik signal som skulle kunna avslöja förekomsten av koldioxid. Denna egenskap är avgörande för att förstå atmosfärens sammansättning och upptäcka potentiella växthusgaser som kan indikera beboeliga förhållanden på denna exoplanet.

Studien har publicerats som artikeln "Transmission Spectroscopy of the Habitable Zone Exoplanet LHS 1140 b with JWST/NIRISS" den 10 juli 2024 i Astrophysical Journal Letters. Huvudförfattare är Charles Cadieux, doktorand vid Trottier Institute for Research on Exoplanets vid Université de Montréal. Andra iREx-forskare som bidragit till denna artikel är René Doyon (UdeM), Étienne Artigau (UdeM), Olivia Lim (UdeM), Michael Radica (UdeM), Salma Salhi (UdeM), Lisa Dang (UdeM), Loïc Albert (UdeM), Louis-Philippe Coulombe (UdeM), Nicolas Cowan (McGill), David Lafrenière (UdeM), Alexandrine L'Heureux (UdeM), Caroline Piaulet-Ghorayeb (UdeM), Björn Benneke (UdeM), Neil Cook (UdeM) och Marylou Fournier-Tondreau (UdeM och University of Oxford). Ytterligare bidragsgivare är baserade vid University of Michigan, Centre national de recherche scientifique (Frankrike), NASA Goddard Space Flight Center, American University, McGill University, McMaster University och University of Toronto. C. Cadieux och UdeM-teamet bekräftar ekonomiskt stöd från den kanadensiska rymdorganisationen för denna studie.

Bild vikipedia. Illustration av LHS 1140b.

En gasplanets doft

 

HD 189733b är en exoplanet 63 ljusår från jorden som kretsar runt stjärnan HD 189733, en K-stjärna av magnitud 7,75. Solsystemet finns i stjärnbilden Räven. HD 189733b som är ökänd för sitt dödliga väder har även en annan bisarr egenskap. Den stinker av ruttna ägg enligt en ny studie från Johns Hopkins University utifrån analys av data från James Webb Space Telescope.

Atmosfären hos HD 189733 b, en gasjätte stor som Jupiter, har spår av svavelväte, en molekyl som inte bara avger en stank utan också ger forskarna nya ledtrådar om hur svavel, en byggsten i planeter, kan påverka yta och atmosfär i gasvärldar.

– Svavelväte är en viktig molekyl som vi inte visste fanns i andra solsystem än vårt. Vi förutspådde att det borde finnas på fler platser då vi vet att det finns i Jupiters atmosfär, men vi hade inte upptäckt det utanför solsystemet, beskriver Guangwei Fu, astrofysiker vid Johns Hopkins vilken ledde forskningen.

 – Vi letar inte efter liv på HD 189733 b för där är alldeles för varmt, men att hitta svavelväte är en språngbräda i att hitta den här molekylen på andra planeter (än i vårt solsystem) och få mer förståelse för hur olika typer av planeter bildas.

Förutom att detektera vätesulfid och mäta det totala svavlet i HD 189733 b:s atmosfär, mätte Fus team exakt de viktigaste källorna till planetens syre och kol – vatten, koldioxid och kolmonoxid.

"Svavel är ett viktigt element för att bygga mer komplexa molekyler som kol, kväve, syre och fosfat - forskare måste studera det mer för att fullt ut förstå hur planeter är konstruerade och består av", beskriver Fu. Planeten är ungefär 13 gånger närmare sin stjärna än Merkurius är solen och det tar bara cirka två jorddagar för den att fullborda en omloppsbana.

Den har en temperatur på 620 C och är ökänd för dåligt väder, inklusive regn bestående av  glas som blåser i sidled i vindar på 5 000 mph. Under de kommande månaderna planerar Fus team att söka efter svavel på fler exoplaneter för att ta reda på hur höga nivåer av den föreningen kan påverka hur nära en stjärna en planet kan ligga för att  ha bildats.

"Vi vill veta hur den här typen av planeter kom så nära sin sol och att förstå deras atmosfäriska sammansättning för att  hjälpa oss att svara på frågan", beskriver Fu.

Forskningen stöddes av NASA genom JWST GO-program. 

Resultatet av studien publiceras nyligen i tidskriften Nature.

Bild vikipedia Konstnärs föreställning av HD 189733b.