Nya rön om planetbildning

 

Bild https://www.swri.org  Southwest Research Institute scientists have developed a new model that explains the formation of compact exoplanetary systems, such as TRAPPIST-1, that contain multiple rocky planets in very tight orbits around their star. In contrast, our solar system is much more expansive and has no planets inside the orbit of Mercury. Courtesy of NASA/JPL-Caltech

Många exoplaneter kretsar mycket nära sin sol. Detta till skillnad mot planeterna i vårt  solsystem där ingen planet ligger närmare solen än Merkurius. Intressant är att den totala massan av alla planeterna i varje solsystem i förhållande till sin sols massa är likartade i hundratals system. Orsaken till detta massförhållande är ett mysterium.

Dr. Raluca Rufu och Dr. Robin Canup vid SwRI:s Solar System Science and Exploration Division i Boulder, Colorado, använde avancerade datorsimuleringar i sin undersökning av fenomenet.

"Kompakta system är ett av de stora mysterierna inom exoplanetvetenskapen", beskriver Rufu, som är Sagan Fellow och huvudförfattare till en artikel i Nature (se nedan) Communications. "De innehåller flera stenplaneter av liknande storlek radade upp som ärtor i en skida och med ett gemensamt massförhållande som skiljer sig mycket från det som planeterna i vårt solsystem har."

"Intressant nog liknar det vanliga massförhållandet som ses i kompakta exoplanetsystem det som finns i satellitsystemen (månar) runt våra gasplaneter. Dessa månar tros ha utvecklats i slutfasen av gasplaneters bildande.

En stjärna bildas när ett molekylärt moln av gas och stoft kollapsar på grund av sin egen gravitation. När materia från molnet faller in mot den centrala stjärnan avsätts det först i en cirkumstellär skiva som kretsar kring stjärnan. Efter att infallet upphört finns skivan kvar i några miljoner år innan dess gas skingras. Planeter bildas inuti skivan en bildning som börjar med kollisioner och ackumulering bland stoftkorn och slutar med gravitation och av detta bildas planeter.

– Konventionellt har man antagit att planetsammansättningen började efter att stjärnornas infall upphörde. Men de senaste observationerna med ALMA (teleskopet finns i Chile) ger starka bevis för att ansamlingen, eller bildningen, av planeter kan börja än tidigare, beskriver Rufu. "Vi föreslår att kompakta system är överlevande rester av planetackretion som inträffade under de sista faserna av infallet." 

De nya numeriska simuleringarna visar att växande planeter samlar stenigt material genom infall medan deras banor gradvis rör sig inåt genom växelverkan med omgivande gas i skivan. När en planet ökar i massa accelererar dess migration inåt i omloppsbanan så att planeter över en kritisk massa faller in i stjärnan och konsumeras. Denna balans mellan planeternas tillväxt och förlust tenderar att ge upphov till planeter av liknande storlek med karakteristiska massor som bestäms av infall och skivförhållanden.

"Vi finner att planeter som ansamlas under infall kan bestå tills gasskivan skingras och migrationen i omloppsbana upphör", beskriver Canup. Det är viktigt att notera att massan hos bestående system är proportionell mot sin sols massa vilket ger den första förklaringen till liknande massförhållanden hos observerade kompakta system med flera planeter.

Den tänkta processen liknar det sätt på vilket månar kan bildas runt jätteplaneter som Jupiter. Månar växer inuti en skiva som omger planeten och som matas av infallande gas och stoft från den cirkumstellära skivan. En viktig skillnad ligger i tidpunkten: månbildande skivor sprids snabbt när infallet upphör, medan planetbildande skivor runt stjärnor kan vara i upp till flera miljoner år. Denna subtila skillnad ger något lägre massförhållanden för kompakta planetsystem än för satellitsystem med gasplaneter.

Se här för att läsa Nature-artikeln med titeln "Originof compact exoplanetary systems during disk infall". 

Vintergatans svarta hål överraskar med sitt snurrande

 

Bild https://astro.arizona.edu  Illustratörs intryck av ett neuralt nätverk som kopplar samman observationerna (vänster) med modellerna (höger). EHT Collaboration/Janssen et al

Ett internationellt team bestående av astronomer, där bland annat Chi-kwan Chan vid Steward Observatory (University of Arizona) ingår har tränat ett neuralt nätverk (Ett neuralt nätverk är en AI-modell som består av interkopplade noder som bearbetar information och lär sig av insamlad data) med miljontals data från syntetiska svarta hål. Nätverket hjälpte dem bland annat att dra slutsatsen att det svarta hålet i Vintergatans centrum snurrar med nästan den högsta hastighet som det teoretiskt kan snurra.

Dess rotationsaxel pekar mot jorden. Dessutom orsakas strålningen nära det svarta hålet huvudsakligen av extremt heta elektroner i den omgivande ackretionsskivan och inte av en så kallad jetstråle. Dessutom verkar magnetfälten i ackretionsskivan bete sig annorlunda än de vanligaste teorierna om sådana skivor beskriver 

EHT (Event Horizon Telescope en samling av teleskop som samarbetar ) expanderar ständigt, med nya stationer som Africa Millimemeter Telescope (AMT), instrumentuppdateringar som 345 GHz observationskapacitet och även och med rymdinterferometri med mycket lång baslinje (VLBI) som Black Hole Explorer (BHEX).

– Att vi trotsar den rådande teorin är förstås spännande, beskriver forskaren Michael Janssen vid Radboud University Nijmegen, Nederländerna. – Men jag ser vår strategi för AI och maskininlärning främst som ett första steg. Härnäst kommer vi att förbättra och utöka de tillhörande modellerna och simuleringarna. Och när AMT, som är under uppbyggnad börjar datainsamling kommer vi att få ännu bättre information och kanske också kunna validera den allmänna relativitetsteorin för supermassiva kompakta objekt med hög precision.

Astronomerna publicerade sina resultat och sin metodik i tre artiklar i tidskriften Astronomy & Astrophysics.

Den protoplanetära skivan kring stjärnan HD 100453 innehåller en viktig byggsten till liv

 

Bild https://www.cfa.harvard.edu föreställande en skiva av stoft och gas som omger en ung stjärna med där det ses ett stort hålrum som karvats ut i stoftet. Här håller en jätteplanet  på att bildas. Den varma gasen av metanol som följer damm-urkarvningens sida framhävs. Metanolmolekylerna har sitt ursprung i is  rikt på organiskt material och som värmts upp av strålning från stjärnan och då bildar gas. Upptäckten av metanol, liksom metanolisotoper, stöder teorin att interstellära isar kan finnas i  planetbildande skivor (så kallade protoplanetära skivor). Fotograf: CfA/M. Weiss

Astronomer  vid Centrum för astrofysik | Harvard och Smithsonian har hittat en sällsynt form av metanol, en typ av alkohol, i en protoplanetär  skiva. 

En viktig upptäckt i förståelsen av hur liv bortom jorden kan ha bildats (inget liv har däremot hittills hittats). Studien avslöjar viktiga detaljer om den kemiska sammansättningen av isen i protoplanetära skivor. Skivor där planeter bildas och vilka organiska molekyler som finns tillgängliga vid kometbildning.

Astronomer har hittat komplexa molekyler i protoplanetära skivor runt andra stjärnor men den senaste upptäckten är den  första gången som sällsynta isotoper av metanol har upptäckts i en sådan. Isotoper är olika versioner av ett kemiskt grundämne eller förening som har samma antal protoner men olika antal neutroner. "Att hitta dessa isotoper av metanol ger viktig insikt i historien om de ingredienser som var nödvändiga för att bygga liv här på jorden", beskriver Alice Booth vid Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) vilken var den som ledde studien.

Booth och hennes kollegor upptäckte dessa isotoper av metanol runt HD 100453, en stjärna med en massa som är ungefär 1,6 gånger större än solens och som finns cirka 330 ljusår från jorden. De använde data från Atacama Large Millimeter-submillimeter Array (ALMA), en internationell radioteleskopuppställning i Atacamaöknen i Chile som stöds av National Science Foundation i USA. De höga halterna av metanol i skivan kommer troligen från den inre kanten av en ring av stoft. Stoft som finns cirka 1,5 miljarder kilometer från stjärnan vilket motsvarar 16 gånger avståndet mellan solen och jorden.

Artikeln som beskriver studiens resultat finns tillgänglig online och publicerades i The Astrophysical Journal. 

Exoplanet TOI-6894b är en stor planet med en bana runt en liten röd dvärgstjärna

 

Bild https://www.birmingham.ac Exoplanet TOI-6894b - image by University of Warwick/Mark Garlick.

Forskare har upptäckt en jätteplanet som kretsar kring stjärnan TOI-6894 en röd dvärgstjärna med en massa som är enbart 20 procent som vår sol. Detta är det slags stjärna som är vanligast därute. Hittills har man inte trott att stjärnor med så låg massa som denna är kapabla att hålla kvar jätteplaneter. Existensen av TOI-6894b är svår att förena med befintliga planetbildningsmodeller. Ingen kan helt förklara hur planeter som denna bildats.

(Jag anser dock att en protoplanetär skiva omkring en ny stjärna inte behöver ha ett samband med storleken av stjärnan där den finns. Stora stjärnor kan enligt mig ha en liten skiva. Små stjärnor en mycket stor skiva. Allt beroende av hur mycket gas och materia som finns i dess omgivning)

Dr Mathilde Timmermans - Birminghams universitet När SPECULOOS-teamet sa resultatet av studien för det vetenskapliga samfundet blev det klart att ett annat team lett av University of Warwick/UCL oberoende av Timmermans också hade bekräftat detta speciella system. Teamen kom överens om att samarbeta för att publicera och tillkännage upptäckten tillsammans.

Dr George Dransfield kommenterade: "Vi blev överraskade när våra observationer avslöjade att TOI-6894b med största sannolikhet var en exoplanet. Planetens konfiguration runt en stjärna med så låg massa är unik och ger en fantastisk möjlighet att lära oss mer.

Enligt nuvarande modeller för planetbildning är det sällsynt med jätteplaneter i omloppsbana runt små stjärnor. Detta beror på att deras protoplanetära skivor de gas- och stoftskivor som planeter bildas ur tros sakna allt det material som behövs för att bygga massiva kärnor och bygga upp tjocka gashöljen.

Dr Mathilde Timmermans kommenterar: "Existensen av TOI-6894b är svår att förena med befintliga teorier för planetbildning. Ingen kan helt förklara hur den bildats. Detta visar att vår förståelse är ofullständig och understryker behovet av att hitta fler sådana planeter. Det är också målet med MANGOs, ett SPECULOOS-underprogram som leds av Timmerman och dr George Dransfield. 

Det  internationella teamet bestod av astronomer och forskare från universiteten i Birmingham och Warwick, och UCL, Studien publicerades i Nature Astronomy.(tyvärr har jag ingen länk till studien)

Webbteleskopets bild av Sombrerogalaxens skiva

 

Bild https://webbtelescope.org

James Webb Space Telescope tog en bild av Sombrero-galaxen i mellaninfrarött ljus i slutet av 2024. Nu har teleskopet följt upp med en ny bild i kortvågigt infrarött ljus (bilden ovan). I denna senaste bild är Sombrerogalaxens enorma utbuktning, den tätt packade gruppen av stjärnor i galaxens centrum starkt lysande medan stoftet i skivans ytterkanter blockerar en del av stjärnljuset.

Genom att studera galaxer som Sombrero vid olika våglängder, ex kortvågigt infrarött och mellaninfrarött med Webbteleskopet, samt synligt ljus med NASA:s rymdteleskop Hubble ges astronomer en bättre kunskap om hur detta komplexa system av stjärnor, stoft och gas bildats och utvecklats i samspel av detta material.

Jämfört med Hubbles bild i synligt ljus ser stoftskivan inte lika uttalad ut i den nya kortvågiga infraröda bilden från Webbs NIRCam-instrument (Near-Infrared Camera). Det beror på att de längre, rödare våglängderna av infrarött ljus som sänds ut av stjärnor glider förbi stoft lättare, så mindre av stjärnljuset blockeras.

I den mellaninfraröda bilden ses stoftet glöda.

Sombrerogalaxen finns cirka 30 miljoner ljusår från jorden i utkanten av Virgogalaxhopen och har en massa som motsvarar cirka 800 miljarder solar. Galaxen ligger "på kanten" från oss sett vilket betyder att vi ser den från dess sida.

Några konstigheter som upptäckts under årens lopp har antytt att den här galaxen en gång var en del i en våldsam sammanslagning med minst en annan galax.

Sombrerogalaxen innehåller ungefär 2 000 klotformiga stjärnhopar, samlingar av hundratusentals gamla stjärnor som hålls samman av gravitation. Spektroskopiska studier har visat att stjärnorna i dessa klotformiga stjärnhopar är oväntat olika varandra materialmässigt.

Stjärnor som bildas ungefär samtidigt av samma material borde ha liknande kemiska "fingeravtryck" – till exempel samma mängd av grundämnen som syre eller neon. Galaxens klotformiga stjärnhopar uppvisar dock märkbara variationer. En sammanslagning av olikartade galaxer under miljarder år kan vara förklaringen.

Ett annat bevis som stöder denna sammanslagningsteori är det skeva utseendet på galaxens inre skiva.

Vår vy sex grader från galaxens ekvator innebär att vi inte ser den direkt från sidan utan en liten bit ovanifrån. Den kraftfulla upplösningen hos Webbs NIRCam gör det möjligt för oss att se enskilda stjärnor utanför galaxen och dessa är inte alla på samma avstånd från oss som galaxen. Dessa är eller ses röda ut. De kallas röda jättar och är svalare stjärnor, men deras stora yta gör att de lyser starkt i bilden. Dessa röda jättar kan också ses i mellaninfrarött ljus, medan de mindre, blåare stjärnorna i kortvågigt infrarött ljus "försvinner" i de längre våglängderna.

Den som önskar mer information om ovanstående kan hitta detta på denna  sida där bla mediakontakt kan fås av  Hannah Braun Space Telescope Science Institute, Baltimore 

En stank av ruttna ägg i Mars?

 

Bild https://www.space.com  Ett tvärsnitt av Mars som visar dess smälta kärna som i det förflutna troligen genererade ett globalt magnetfält som inte längre existerar. (Bildkredit: NASA–JPL/GSFC)

Forskare vid NASA Johnson Space Center's Astromaterials Research and Exploration Science (ARES) Division kan ha listat ut hur Mars kärna kan ha bildats. De har  utarbetat en teori som visar att Mars kärna bildades mycket snabbare än jordens kärna. Detta då smält järn och nickelsulfider sipprade ner genom fast berg och in i de centrala delarna av Mars.

Planeter i sig är skiktade, ungefär som en lök är skiktad. Jordytan  benämns jordskorpan och ligger ovanpå manteln. Under manteln finns en solid yttre kärna och en smält inre kärna som roterar och ger ett globalt magnetfält.

Planetforskare kallar denna skiktning för "differentiering", i den meningen att olika element skiljde ut sig från varandra vid planetens bildande. Tyngre grundämnen, särskilt järn och nickel, sjunker vanligtvis ner till kärnan medan lättare silikatelement stannar kvar i de yttre lagren.

Forskare har historiskt antagit att för att järn och nickel ska kunna sjunka ner i en planetkärna måste en planets inre vara i smält form av den värme som frigörs av det radioaktiva sönderfallet av aluminium-26 och möjligen järn-56.

För cirka 4,5 miljarder till 4,6 miljarder år sedan bildades planeterna i vårt solsystem ur en skiva av gas och stoft som omgav solen i form av en så kallad protoplanetär skiva 

Den unga solens gravitation drog de tyngsta grundämnena och mineralerna, inklusive järn och nickel, in mot skivans innersta. Samtidigt fanns de lättare materialen som vatten och väte i de yttre delarna av skivan.

Platsen där Mars bildades låg någonstans mellan dessa sektioner. Det fanns fortfarande gott om järn och nickel i dess närhet, men det fanns också plats för lättare grundämnen som syre och svavel. Teamet vid ARES (The ARES division performs the physical science research at the Johnson Space Center and is curator for all NASA-held extraterrestrial samples.) insåg att detta kunde ha fått en inverkan på hur Mars kärna bildades, därför testades idén med datasimuleringar. Genom detta fick de de första direkta bevisen för att smält järn och nickelsulfider kan sippra ner genom små sprickor mellan mineraler i fast berg och slutligen ackumuleras i en planets kärna efter bara några miljoner år, långt innan radioaktivt sönderfall gjorde det inre till smält materia.

Så kan exoplanet WASP-121b ha bildats

 

Bild wikipedia  på stjärnbilden Akterskeppet och där stjärnan WASP- 121 finns (dess avstånd från oss är 858 ljusår) och dess planet WASP-121b finns i detta.

WASP-121b kretsar runt sin sol på ett avstånd ungefär dubbelt så stort som stjärnans diameter är vilket innebär att dess eviga dagsida har temperaturer som lokalt överstiger 3000 grader Celsius, medan nattsidan sjunker till 1500 grader.

Medförfattare till studien var  Dr Anjali Piette, vid University of Birmingham, som beskriver: "Att detektera SiO (kiseldioxid) i WASP-121b:s atmosfär är banbrytande. Det är den första avgörande identifieringen av denna molekyl i någon planets atmosfär.

"Sammansättningen av WASP-121b:s atmosfär på nattsidan tyder på "vertikal blandning" - transport av gas från djupare atmosfäriska lager till den infraröda fotosfären. Med tanke på hur het den här planeten är förväntade vi oss inte att hitta metan på dess nattsida.

De uppmätta atmosfäriska förhållandena mellan kol och väte (C/H), syre till väte (O/H), kisel till väte (Si/H) och kol till syre (C/O) tyder på att WASP-121b:s atmosfär under dess bildning berikades av småsten kompletterat med ett bombardemang av eldfast material.

"Dagstemperaturen är tillräckligt hög för att eldfasta material  vanligtvis bestående av fasta föreningar som är resistenta mot stark värme ska kunna finnas som gasformiga komponenter i planetens atmosfär", förklarar huvudförfattaren Dr Thomas Evans-Soma från University of Newcastle (Australien).

Forskare som analyserade atmosfären i WASP-121b använde en teknik som kallas "phase curve observation", vilket innebär att man ser på planeten när den kretsar runt sin stjärna för att undersöka hur dess ljusstyrka förändras. Dessa observationer ger en bild av både dag- och natthalvorna och deras kemiska sammansättning.

"Den framgångsrika användningen av Webbteleskopet för att detektera planetens grundämnen och karakterisera atmosfären i WASP-121b visar teleskopets kapacitet och skapar ett prejudikat för framtida studier av exoplaneter", beskriver Dr Piette.