Ett Svart hål med rester från en supernova i sin omgivning

 

Bild wikipedia Diagram of the XRISM observatory.

En supernova är en exploderande eller exploderad stjärna. Supernovor hör till de våldsammaste händelserna i universum. I en supernova utvecklas oerhörda mängder energi som lämnar reststjärnan med enorma neutrinoflöden, gas och strålning vilket får den att under en tid att lysa upp till hundra miljarder gånger starkare än vår sol. Det är lika mycket som ljuskraften i en hel galax.

NGC 4151 är en Seyfertgalax som ligger i stjärnbilden Jakthundarna. En Seyfertgalax är en spiralgalax som har en stark lysande central del (aktivt svart hål). Seyfertgalaxerna är uppkallade efter astronomen Carl Seyfert vilken på 1940-talet studerade dem. Ca 10 % av alla spiralgalaxer är Seyfertgalaxer. De kan ses som en mindre kraftfull version av en kvasar och galaxen har ett betydligt större svart hål i  centrum än övriga 90 % av spiralgalaxerna. Det finns astronomer som anser att alla stora spiralgalaxer inklusive Vintergatan kommer att bli Seyfertgalaxer i framtiden.

X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM), tidigare X-ray Astronomy Recovery Mission (XARM), är ett röntgenteleskop i rymden som konstruerats av Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) i samarbete med NASA för att ge ett genombrott i studiet av universums strukturbildning, utflöden från galaxkärnor och mörk materia.

Astronomer presenterade de första vetenskapliga resultaten från det nya röntgenteleskopet i dagarna mindre än ett år efter uppskjutningen. I en av sina "första ljusobservationer" fokuserade XRISM på N132D, en supernovarest som finns i det Stora Magellanska molnet cirka 160 000 ljusår från jorden. Denna novarest av het gas kastades ut när en mycket massiv stjärna exploderade för ungefär 3000 år sedan.

Med hjälp av sitt Resolve-instrument avslöjade XRISM strukturen runt N132D i detalj. I motsats till tidigare antaganden om ett enkelt sfäriskt skal upptäckte forskare att supernovaresten  N132D har form som en munk (kakformen munk). Med hjälp av dopplereffekten mättes  den hastighet med vilken den heta plasman i resterna rör sig mot eller bort från oss och konstaterade att plasman expanderar med den skenbara hastigheten av cirka 1200 km/s. Resolve avslöjade att plasman innehåller järn som har en extraordinär temperatur på 10000000000℃ miljarder grader. Järnatomerna som hettats upp under supernovaexplosionen genom våldsamma chockvågor  spred sig inåt, ett fenomen som hade förutspåtts i teorin, men aldrig observerats tidigare.

Supernovarester som N132D innehåller viktiga ledtrådar till hur stjärnor utvecklas och hur (tunga) grundämnen som är nödvändiga för vårt liv, som järn, genereras och sprids ut i den interstellära rymden. Tidigare röntgenobservatorier har alltid haft svårt att avslöja hur plasmats hastighet och temperatur var fördelade.

XRISM har också kastat nytt ljus över den mystiska struktur som omger ett supermassivt svart hål. Med fokus på spiralgalaxen NGC 4151, som ligger 62 miljoner ljusår bort från oss, ger XRISM:s observationer en aldrig tidigare skådad bild av material som finns mycket nära galaxens centrala svarta hål, vilket har en massa som är 30 miljoner gånger solens. XRISM fångade fördelningen av materian som cirkulerade omkring och slutligen föll in i det svarta hålet över en stor radie, som sträcker sig från 0,001 till 0,1 ljusår

Resultaten från XRISM Collaboration publiceras i Astronomical Society of Japan och The Astrophysical Journal. Preprints finns här https://arxiv.org/abs/2408.14300 och här https://arxiv.org/abs/2408.14301.

Formaldehyd bidrog en gång i Mars forntid till bildandet av organiskt material

 

Bild https://www.tohoku.ac.jp/en Diagramet ovan visar processerna för hur organiskt material bildades på den tidiga Mars. ©Shungo Koyama.

Formaldehyd förekommer naturligt i de flesta levande djur och växter och är en viktig del av ekologin.

Mars är i vår tid en kall och torr planet. Men det finns geologiska bevis på att flytande vatten fanns på Mars för cirka 3 till 4 miljarder år sedan. Där det finns vatten finns det oftast liv enligt jordiska mått. I sin strävan att svara på frågan om liv funnits på Mars i det förgångna skapade forskare vid Tohoku University en detaljerad modell av den möjliga produktionen av organiskt material i Mars forntida atmosfär.

Organiskt material avser resterna av levande ting som växter och djur eller biprodukter av vissa kemiska reaktioner. Hur som helst ger det stabila kolisotopförhållandet (13C/12C) som finns i organiskt material värdefulla ledtrådar om hur dessa byggstenar i livet ursprungligen bildades vilket ger forskarna en glimt in i det förflutna. Till exempel avslöjade Mars-rovern Curiosity  att organiskt material som finns i sediment från på Mars är ovanligt utarmat vid 13C. Det upptäcktes också att kolisotopförhållandena varierade signifikant mellan proverna. Orsaken till denna variabilitet är ett mysterium.

För att förstå dessa resultat utvecklade en forskargrupp ledd av Shungo Koyama, Tatsuya Yoshida och Naoki Terada vid Tohoku University en modell för Mars troliga atmosfäriska evolution. Modellen fokuserade på formaldehyd (H2CO),vilket   forskargruppen tidigare fastställt skulle kunna producerats i den forntida atmosfären på Mars. Anledningen till detta val är att formaldehyd kan generera komplexa organiska föreningar som sockerarter vilka är viktiga för flertalet levande varelser och växter. Med andra ord kan formaldehyd vara den saknade faktorn som skulle kunna förklara de avvikande värdena hos Curiosity-rovers prover. Det kan också vara ett tecken på tidigare liv på Mars.

Denna upptäckt indikerar att formaldehyd bidrog till bildandet av organiskt material på den forntida Mars, vilket innebär att bioviktiga molekyler som socker och ribos (en komponent i RNA, som finns i alla levande celler) kan ha producerats på planeten.

Mycket fanns ej tecken på och om det en gång blev liv eller om det fanns liv på Mars, den gåtan löstes ej. Mycket tyder på att vatten fanns i stora mängder men enbart vatten skapar inte liv. Så om liv funnits på Mars kanske vi aldrig får ett säkert svar på.

Studiens resultat publicerades i Scientific Reports den 17 september 2024.

Det kraftigaste paret av jetstrålar från ett svart hål som någonsin setts

 

Bild https://www.caltech.edu  Bilden togs av Europas radioteleskop LOFAR (LOw Frequency ARray) och visar det längsta kända paret av jetstrålar från ett svart hål. Jetsystemet har fått smeknamnet Porphyrion efter en grekisk jätte av medupptäckaren Aivin Gast vid University of Oxford sträcker sig över 23 miljoner ljusår ut från hålet vilket motsvarar 140 galaxer av Vintergatans storlek  uppradade längs med varandra. Galaxen som hyser det supermassiva svarta hålet finns 7,5 miljarder ljusår bort och ses som en liten prick i mitten av bilden. Den största klotiknande strukturen nära mitten är ett separat mindre jetstrålsystem. Den relativa storleken på vår galax (i bildens skala)Vintergatan ses i det nedre, högra hörnet.

Källa: LOFAR Collaboration / Martijn Oei (Caltech)

Jetsystemet Porphyrion (de två jetstrålarnas beteckning) är det största systemet av detta slag som hittills upptäckts under kartläggningen av universums jetstrålar som har sitt ursprung från svarta hål. Ett antal av mer än 10 000 ljussvaga megastrukturer har upptäckts därute. Men just denna population av gigantiska jetstrålar upptäcktes med hjälp av Europas radioteleskop LOFAR (LOwFrequency ARray). 

Redan 2018 började Martijn Oei, postdoktor vid Caltech och huvudförfattare till en artikel i Nature med titeln "The Milky Way would be a little dot in these two giant eruptions."  knuten till Leidenobservatoriet i Nederländerna och hans kollegor använda LOFAR för att studera jetstrålar i rumden då inte från svarta hål utan det kosmiska nät av strimmiga filament som korsar rymden mellan galaxerna. När teamet inspekterade bilderna för att hitta de svaga filamenten började de lägga märke till flera påfallande långa jetstrålesystem som de sedan förstod kom från svarta hål i galaxer därute. 

För att systematiskt söka efter fler oupptäckta jetstrålar inspekterade teamet bilderna och använde även maskininlärningsverktyg för att skanna bilderna efter fler jetstrålar och tog även hjälp av medborgarforskare runt om i världen för att analysera bilderna. Frågan var hur jetstrålar kan sträcka sig så långt bortom sina galaxer utan att destabiliseras (upplösas).

– Martijns arbete har visat att det inte är något speciellt med miljöerna kring dessa jättelika källor (svarta hål) som gör att dessa strålar blir så långa, beskriver Hardcastle, som är expert på fysiken bakom jetstrålar från svarta hål. – Min tolkning är att vi behöver en ovanligt långlivad och stabil ackretionshändelse runt det centrala, supermassiva svarta hålet för att det ska kunna vara aktivt under så lång tid – ungefär en miljard år – och för att säkerställa att jetstrålarna fortsätter att peka i samma riktning under hela den tiden. Det vi lär oss av det stora antalet i universum av långa jetstrålar är att fenomenet måste vara en relativt vanlig företeelse.

Forskarlaget använde  W. M. Keck-observatoriet på Hawaii för att visa att Porphyrion finns 7,5 miljarder ljusår från jorden. "Fram tills nu har dessa gigantiska jetsystem sett ut att vara ett fenomen i närliggande universum", beskriver Oei. "Om avlägsna jetstrålar som dessa kan nå samma skala som den kosmiska väven https://sv.wikipedia.org/wiki/Galaxfilament kan varje plats i universum ha påverkats av svarta håls aktivitet någon gång i tiden", beskriver Oei.

Observationerna från Keckobservatoriet avslöjade även att Porphyrion uppstod från ett aktivt svart hål i strålningsläge, i motsats till ett som är i ett lugnt läge. När supermassiva svarta hål blir aktiva, med andra ord när deras enorma gravitationskrafter drar i och värmer upp omgivande material, tror man att de avger den energin som strålning. Svarta hål i strålningsläge var vanligare i det unga universum medan jet-liknande hål (där jetstrålning spys ut) är vanligare i dagens universum.

En nyskriven artikel som beskriver deras senaste omgång av gigantiska utflöden, som innehåller mer än 8 000 jetstrålepar har accepterats för publicering i tidskriften Astronomy & Astrophysics.

Fler svarta hål i det tidiga universum än väntat

 

Bild wikipedia av det svarta hålet i galaxen M87, från Event Horizon Telescope.

Det verkar finnas ett oräkneligt antal svarta hål i universum som drar till sig allt som passerar i dess närområde. De tyngsta svarta hålen, som väger miljoner eller miljarder gånger så mycket som vår sol finns i galaxers centrum. Dessa slukar allt som passerar i närheten och flammar då upp som ljusa fyrar i universum. Dessa kallas aktiva galaxkärnor. Men det finns även svarta hål inte drar  in omgivande material hela tiden, utan i perioder och i skurar vilket då får deras ljusstyrka att flimra.

Med hjälp av NASA:s rymdteleskop Hubble har nu ett internationellt forskarlag under ledning av forskare vid Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet hittat fler svarta hål i det unga universum än vad som tidigare rapporterats. De nya resultaten kan hjälpa forskare att förstå hur supermassiva svarta hål skapas.

För närvarande har forskarna inte en hel bild av hur de första svarta hålen bildades efter bigbang. Det är känt att supermassiva svarta hål  kan väga mer än en miljard solar finns i mitten av flertalet, troligen alla,  galaxer, mindre än en miljard år efter bigbang.

– Många av de här objekten verkar vara mer massiva än vi först trodde de skulle vara så tidigt i tid och rum. Antingen bildades de väldigt massiva från början eller så växte de extremt snabbt, beskriver Alice Young, doktorand vid Stockholms universitet och medförfattare till studien.

Svarta hål spelar en viktig roll i alla galaxers livscykel men det finns stora osäkerheter i förståelsen av hur galaxer utvecklas. För att få en fullständig bild av kopplingen mellan galaxers och svarta håls utveckling  använde forskarna Hubbleteleskopet för att kartlägga hur många svarta hål som finns i en population av ljussvaga galaxer då universum bara var några procent av sin nuvarande ålder.

De första observationerna av kartläggningsområdet fotograferades på nytt av Hubble efter några år. Detta gjorde det möjligt för teamet att mäta variationer i galaxernas ljusstyrka. Dessa variationer är ett tydligt tecken på svarta håls fluktuation. Forskarlaget identifierade fler svarta hål än vad som tidigare hittats med andra metoder.

De nya observationerna tyder på att vissa svarta hål troligen bildades av kollaps av massiva stjärnor under den första miljarden år av kosmisk tid. Dessa typer av stjärnor (bildade av nästan enbart väte och helium) fanns bara vid mycket tidiga tidpunkter i universum eftersom senare generationers stjärnor är förorenade av rester av stjärnor som redan har funnits och kollapsat (och vid dessa supernovor fått betydligt fler metaller).

 Andra alternativ av teori för att bilda svarta hål är kollapsande gasmoln, sammanslagningar av stjärnor i massiva hopar och "ursprungliga" svarta hål som bildades (genom fysiskt spekulativa mekanismer) under de första sekunderna efter big bang. Med denna nya information av hur svarta hål bildas kan mer exakta modeller av hur galaxer bildas konstrueras.

– Bildningsmekanismen för tidiga svarta hål är en viktig del av pusslet av galaxers utveckling, beskriver Matthew Hayes vid Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet och huvudförfattare till studien. Tillsammans med modeller för hur svarta hål växer kan beräkningar av galaxers utveckling nu placeras på en mer fysikaliskt motiverad grund, med ett exakt schema för hur svarta hål uppstod från kollapsande massiva stjärnor i tidens början.

Studien är publicerad i The Astrophysical Journal Letters.

Kan det vara så att svarta hål kan ha sitt ursprung i ett enda svart hål som fanns innan BigBang? När då gränsen för dess möjliga gravitation (sammanpressning)  och storlek blev kritisk uppstod BigBang. Och flertalet svarta hål uppkom ur det ursprungligt stora. Efter BigBang uppkom då stjärnbildning  till runt dessa av gas som kretsade runt de nu många stora svarta molnen som var en produkt av explosionen av det enorma som fyllt allt i rummet som var nästintill icke existerande i storlek. Ett annat alternativ är strängteorin den bör studeras mer för att lösa kosmos mysterier som verkar omöjliga att lösa med dagens paradigm

Under 485 miljard år har jordens globala temperatur förändrats drastiskt av koldioxid

 

Bild https://news.arizona.edu  Jorden har varit varmare än idag under de senaste 485 miljoner åren men i de perioder då uppvärmning skett har djur och växter kunnat vänja sig (obs inte att förväxla med katastrofhändelser som även skett med massutrotningar). Men människor och djur kan inte anpassa sig tillräckligt snabbt för att hålla jämna steg med de klimatförändringar som orsakas av människan och som sker idag och i framtiden. Det går för snabbt tidsmässigt.  Shutterstock (på engelska)

I en ny studie under ledning från University of Arizona och Smithsonian ges den mest detaljerade inblicken hittills av hur jordens yttemperatur har förändrats under de senaste 485 miljoner åren.

Studien, som publicerats i tidskriften Science, presenterar en kurva över den globala medeltemperaturen på Jorden och avslöjar att jordens temperatur har varierat mer än man tidigare trott under stora delar av den fanerozoikumska tiden,  en geologisk tid då livet diversifierades, och då  flera massutdöenden skedde. Kurvan bekräftar också att jordens temperatur är starkt korrelerad med mängden koldioxid i atmosfären.

Början av den fanerozoikumska tiden som inföll för 540 miljoner år sedan och som markeras av den kambriska explosionen, en tidpunkt då komplexa, hårdskaliga organismer först dyker upp i fossila lager. Även om forskarna kan skapa simuleringar som blickar 540 miljoner år tillbaka i tiden fokuserar temperaturkurvan i studien på de senaste 485 miljoner åren eftersom det finns begränsade geologiska data om temperaturer före denna tid.

– Det är svårt att hitta stenar som är så gamla och har temperaturindikatorer bevarade i sig – inte ens ner till 485 miljoner år sedan finns så många. Vi var begränsade med hur långt tillbaka vi kunde gå, beskriver Jessica Tierney, paleoklimatolog och professor i geovetenskap vid University of Arizona,  medförfattare till studien.

Forskarna skapade temperaturkurvan med hjälp av  datasimulering. Detta gjorde det möjligt för dem att kombinera data från geologiska register och klimatmodeller för att skapa en mer sammanhållen förståelse av forntida klimat."Metoden utvecklades ursprungligen för väderprognoser", beskriver Emily Judd, huvudförfattare till artikeln och tidigare postdoktoral forskare vid Smithsonian National Museum of Natural History och University of Arizona. "I stället för att metoden för att förutsäga framtida väder använder vi den här för att simulera forntida klimat."

Att förfina forskarnas förståelse för hur jordens temperatur har fluktuerat över tid ger förståelse för dagens klimatförändringar.

"Om du studerar de senaste miljoner åren kommer du inte att hitta något som ser ut som det vi förväntar oss år 2100 eller 2500", beskriver Scott Wing, medförfattare till artikeln och kurator för paleobotanik vid Smithsonian National Museum of Natural History. – Man måste gå ännu längre tillbaka till perioder då jorden var betydligt varmare än Idag  det är det enda sättet för oss att få en bättre förståelse för hur klimatet kan komma att förändras i framtiden.

Den nya kurvan visar att temperaturen varierat mer under de senaste 485 miljoner åren än man tidigare trott. Under eonen sträckte sig den globala temperaturen från 11 till 36 grader celcius högre än i dag. Perioder av extrem värme var oftast kopplade till förhöjda halter av växthusgasen koldioxid i atmosfären.

"Den här forskningen visar tydligt att koldioxid är den dominerande anledningen  global temperaturhöjning över geologisk tid", beskriver Tierney. "När CO2 är låg är temperaturen lägre när CO2 är hög är temperaturen högre."Att snabbt gå mot ett varmare klimat kan innebära fara för mänskligheten beskriver forskarna.

Att långsamt över tid gå mot ett varmare eller kallare klimat gör att livets olika former vänjer sig över tid. Under bronsåldern hade vi ett mycket varmare klimat ex i Norden än under lilla istiden på 1600 talet. Faran nu är att vårt klimat blir varmare snabbt under kanske en anda generation och vi ska vänja oss vid detta men kan livet på Jorden detta. Visst liv kan säkert detta men inte allt. Kan människan det eller blir det en storm av klimatflyktingar till Norden? Ingen vet i dag.

Jorden kan en gång haft ett ringsystem

 

Bild wikipedia på Saturnus ringar foto taget av sonden Cassini 2004.

En gång för cirka 466 miljoner år sedan kan Jorden ha haft ett ringsystem. Perioden då var en av ovanligt intensiv tid av meteoritbombardemang och kallas ordovicium. 

Denna överraskande hypotes publicerades i dagarna i Earth and Planetary Science Letters och har sitt ursprung från plattektoniska rekonstruktioner av tiden för ordovicium där man noterat positioner för 21 asteroidnedslagskratrar som skedde då. Dessa kratrar finns inom 30 grader från ekvatorn, trots att över 70 procent av jordens kontinentala skorpa ligger utanför detta område, en anomali som konventionella teorier inte kan förklara. Här kommer teorin om ett ringsystemet in.

Forskargruppen vid Monash University's School of Earth, Atmosphere and Environment tror att detta lokala nedslagsmönster skapades då en stor asteroid hade närkontakt med jorden. När asteroiden passerade inom jordens Roche-gräns bröts den sönder på grund av tidvattenkrafter och bildade en skräpring runt planeten – liknande de ringar som ses runt Saturnus med flera gasjättar idag.

Roche-gränsen är det avstånd där ex en meteor inte längre kan hållas ihop av sin egen gravitation, på grund av att den påverkas av en större himlakropp. När meteor passerar Roche-gränsen slits den antingen itu eller så kraschar den helt enkelt ned på planeten som meteorit (er) beroende på dess storlek och massa

"Under miljontals år föll material från den här ringen gradvis ner på jorden, vilket skapade den ökning av meteoritnedslag som observerats i de geologiska lagren på en begränsad plats runt Jorden", beskriver studiens huvudförfattare, professor Andy Tomkins. – Vi ser också att i sedimentära lager i  bergarter från den här perioden finns extraordinära mängder meteoritrester. Det som gör det här fyndet än mer spännande är de potentiella klimatkonsekvenserna av ett sådant ringsystem , beskriver han. (och dess begränsade geografiska nedslagsplatser).

Kan liknande ringar ha funnits vid andra tidpunkter i vår planets historia som påverkat allt från klimat till livets fördelning? Denna forskning öppnar en ny gräns i studiet av jordens förflutna och ger nya insikter om de dynamiska interaktionerna mellan vår planet och  kosmos.

En galax där ett svart hål stoppar ny stjärnbildning

 

Bild GS-10578 https://www.cam.ac.uk  representerar en unik möjlighet att studera hur de största galaxerna i universum blev – och förblev – vilande. Bild: Francesco D'Eugenio.

Ett internationellt forskarlag under ledning från University of Cambridge använde Webbteleskopet för att observera en galax som är ungefär lika stor som Vintergatan i det tidiga universum Tiden är ungefär två miljarder år efter Big Bang. Galaxen har ett svart hål likt flertalet andra galaxer. Men här har stjärnbildningen nästan helt avstannat, beskriver Francesco D'Eugenio, en av huvudförfattarna till studien som gjordes vid Kavli institute för kosmologi i Cambridge.

Galaxen heter officiellt GS-10578 men har smeknamnet "Pablos galax" efter den forskare som bestämde sig för att observera den i detalj. Dess totala massa är ungefär 200 miljarder gånger större än solens massa och de flesta av dess stjärnor bildades för mellan 12,5 och 11,5 miljarder år sedan.

– I det tidiga universum bildar de flesta galaxer mängder av stjärnor så det är intressant att se en så massiv avstannad stjärnbildning i en galax vid den här tidsperioden, beskriver professor Roberto Maiolino, medförfattare Kavli institute. "Om den hade haft tillräckligt med tid för att nå den här massiva storleken och mängden av stjärnor bör den process som stoppade stjärnbildningen sannolikt skett relativt snabbt."

Med hjälp av Webbteleskopet upptäckte forskarna att galaxen kastar ut stora mängder gas med en hastighet av cirka 1 000 kilometer per sekund vilket är tillräckligt snabbt för att gasen ska undkomma galaxens gravitation. Dessa utkast  kommer från rörelser i det svarta hålet i centrum.

Liksom andra galaxer med växande svarta hål har "Pablos galax" snabba utströmmande vindar av gas. Det är en kallare gas än den heta gas som annars brukar kastas ut från växande svarta hål vilket innebär att den är tätare och inte avger ljus vilket het gas gör. Webb, med sin överlägsna känslighet, kan se de mörka gasmolnen som lämnar galaxen genom att gasen blockerar en del av ljuset från galaxen bakom dem.

Gasmassan som kastas ut från galaxen är stor nog för att stoppa möjligheten till ny stjärnbildning. I grund och botten svälter det svarta hålet ihjäl galaxen (innebärande att det omöjliggörs stjärnbildning). Resultaten redovisas i tidskriften Nature Astronomy.

Referens: Francesco D’Eugenio, Pablo G. Pérez-González et al. ‘A fast-rotator post-starburst galaxy quenched by supermassive black-hole feedback at z=3.’ Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02345-