En överraskande gravitationsvåg

 

Forskare vid Institute of Cosmology and Gravitation ICG har upptäckt en anmärkningsvärd gravitationsvåg som kan bli nyckeln till att lösa ett kosmiskt mysterium.

Upptäckten kommer från den senaste uppsättningen resultat som tillkännagavs den5 april av LIGO-Virgo-KAGRA samarbetet. Ett samarbete som består av mer än 1 600 forskare från hela världen, inklusive ovan nämnda ICG och som syftar till att hitta gravitationsvågor att använda i grundforskning.

I maj 2023, strax efter början av den fjärde LIGO-Virgo-KAGRA-observationanalysen upptäcktes i LIGO Livingston-detektorn i Louisiana i USA, en gravitationsvåg från en kollision mellan vad som troligen var en neutronstjärna och ett kompakt (okänt) objekt med en massa på 2,5 till 4,5 gånger vår sols.

Både neutronstjärnor och svarta hål är kompakta objekt efter resterna av massiva stjärnexplosioner (supernovor). Det som gör ovan signal som fått beteckningen GW230529 intressant är massan hos det okända objektet. Det ligger inom en intervall mellan de tyngsta kända neutronstjärnorna och de lättaste svarta hålen.

Framtida upptäckter av liknande händelser, särskilt de som åtföljs av utbrott av elektromagnetisk strålning kan kanske bidra till att lösa gåtan vad det var. Då händelsen endast upptäcktes av en gravitationsvågsdetektor är det svårt att bedöma om den är verklig eller om något annat störde LIGO (något instrument utom eller något i detektorn ex) .

Dr Gareth Cabourn Davies, forsknings programvaruingenjör vid ICG, har utvecklat de verktyg som används för att söka efter händelser som denna i en detektor. – Att bekräfta händelser genom att flera detektorer upptäcker samma sak ger signifikans för händelsen. Detektorerna är våra mest kraftfulla verktyg för att skilja signaler från naturligt brus. Genom att använda lämpliga modeller för bakgrundsbrus kan vi bedöma en händelses ursprung även när vi inte har någon annan detektor som backar upp det vi har sett (det är dock alltid lättare att accepterna en händelse om flera detektorer upptäcker den). Även om gravitationsvågssignalen inte gav tillräckligt med information för att med säkerhet avgöra om det kompakta objektet var en neutronstjärna eller ett svart hål är det troligt att det lättare objektet är en neutronstjärna och det tyngre objektet ett svart hål.

Men objektet är ännu inte fullt ut förstått eller förklarat utan bör ännu ses som en icke löst gåta.

Bild vikipedia Gravitationen håller solsystemets planeter i omloppsbana kring solen. Notera: Bilden är inte skalenlig.

Magnetaren XTE J1810-197 utmanar vår kunskap om snabba radioskurutbrott

 

Citerat fritt från vikipedia "En magnetar är en neutronstjärna med ett starkt magnetfält, cirka 1000 gånger starkare fält än hos en vanlig neutronstjärna. Magnetarer har existerat i teorin sen början av 90-talet men det var först  1998 som teorierna bekräftades då en magnetar fick ett utbrott (och teorin bekräftades) som passerade genom vårt solsystem. När dessa utbrott sker utsöndras enorma mängder röntgenstrålning och gammastrålning. slut citat.

En internationell forskargrupp under ledning av Gregory Desvignes vid Max Planck-institutet för radioastronomi i Bonn i Tyskland, har använt radioteleskopen Effelsberg och Jodrell Bank för att observera magnetaren XTE J1810-197 – en starkt magnetiserad och ultratät neutronstjärna (8100 ljusår bort i riktning mot stjärnbilden skytten) – strax efter dess ökade röntgenaktivitet och radiostrålningsreaktivering.

Denna ökning dämpades på en tidsskala av några månader, vilket utmanade teorier    som används för att förklara ursprunget till de ej ännu förstådda och upprepande snabba radiostrålningsblixtarna. Tillsammans med kollegor från Jodrell Bank Centre for Astrophysics och Kavli Institute for Astronomy & Astrophysics inspekterar forskare från Max Planck-institutet för radioastronomi (MPIfR) regelbundet några magnetarer. Magnetaren XTE J1810-197 kastade ut radiostrålning i december 2018, strax efter att den förstärkta röntgenstrålningen påbörjades efter ett tioårigt lugn. Det var  efter denna händelse som  forskare började att regelbundet inspektera magnetarer. 

Forskarna inledde en intensiv observationskampanj efter  händelsen 2018och lade märke till några mycket systematiska förändringar i radiostrålens egenskaper, nämligen dess polarisation, vilket avslöjade en förändring i orienteringen (riktningen) av magnetarens radiostrålutsläpp i förhållande till jorden.

 Forskarna tillskrev detta fri precession, en effekt som uppstår från en liten asymmetri i magnetarens struktur, vilket gör att den vinglar runt som en snurra. Till deras förvåning dämpades den fria precessionen snabbt under de kommande månaderna och upphörde så småningom. Att precession (en mekanisk funktion hos snurror (exempelvis jorden), där rotationsaxeln vinglar (pendlar) lite i rymden.) försvinner över tid motsäger  teorin  att radioblixtar  över tid kan förklaras av precesserande magnetarer.

"Vi förväntade oss att se vissa variationer i polarisationen av denna magnetars emission då vi kände till detta från andra magnetarer", minns Gregory Desvignes från MPIfR, huvudförfattare till studien. Men vi hade inte förväntat oss att dessa variationer skulle vara så systematiska utan att de skulle följa exakt det beteende som skulle orsakas av stjärnans vinglande.

Patrick Weltevrede från University of Manchester tillägger: "Våra upptäckter har endast varit möjliga tack vare många års  övervakning av denna magnetar med radioteleskopen i Jodrell Bank och Effelsberg. Vi var tvungna att vänta i över ett decennium innan den började producera radiostrålning, men när den väl gjorde det gjorde den ingen besviken."

– Dämpad precession av magnetarer kan kasta ljus över neutronstjärnornas inre struktur, vilket i slutändan är relaterat till vår grundläggande förståelse av fenomenet, tillägger Lijing Shao vid Pekings universitet.

Hur saker och ting visar sig och kan förklaras och förstås är viktigt för att förstå vad universum är och vad vi är och vår plats i detta.

Bild vikipedia. Magnetfältets utbredning i en magnetar.

För att söka efter mörk materia kan neutronstjärnor vara till hjälp

 

Fritt citerat från vikipedia; ”En neutronstjärna är resultatet av ett av flera möjliga slut för en stjärna. När en stjärna i slutet av sin existens  stöter bort sina yttre lager inträffar en gravitationskollaps genom att  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 från supernovan”. slut citat. En massa jämförbar med solens – komprimeras  till en radie på 10 km och en tesked neutronstjärnematerial av detta väger ca en miljard ton!

Hittills har forskare  dragit slutsatsen att något som fått beteckningen mörk materia existerar men aldrig observerat den utan endast kunnat söka vidare efter bevis på vad det är. Att bevisat detektera partiklar av mörk materia i experiment på jorden verkar som en omöjlig uppgift då växelverkan mellan partiklar av mörk materia och vanlig materia är ytterst sällsynt (teoretiskt).

För att söka efter dessa otroligt sällsynta signaler behövs en mycket stor detektor – kanske så stor att det är ogörligt att bygga en tillräckligt stor sådan på jorden. Naturen erbjuder dock ett alternativ i form av neutronstjärnor – en neutronstjärna kan fungera som den ultimata detektorn till att finna mörk materia (om den finns och kan finnas).

I en neutronstjärna som är en kollapsad kärna av en stjärna är gravitationen så hårt hoppressad att protoner och elektroner kombineras och bildar neutroner. Neutronstjärnor är "kosmiska laboratorier" som kanske kan göra det möjligt att studera hur mörk materia beter sig under extrema förhållanden som inte kan replikeras på jorden.

Mörk materia växelverkar (teoretiskt) endast mycket svagt med vanlig materia. Till exempel kan den passera genom ett ljusår av bly (cirka 10 biljoner kilometer) utan att stoppas på vägen. Otroligt nog är dock neutronstjärnor så täta att de kan fånga upp alla partiklar av mörk materia som passerar genom dem (teoretiskt). Teoretiskt sett ska partiklarna av mörk materia kollidera med neutroner i stjärnan, förlora energi och fastna i gravitationen där. Med tiden skulle partiklar av mörk materia ackumuleras i stjärnans kärna. Detta förväntas då värma upp gamla, kalla neutronstjärnor till en nivå som kan vara inom räckhåll för framtida observationer. I extrema fall kan ansamlingen av mörk materia leda till att stjärnan kollapsar till ett svart hål.

Det innebär att neutronstjärnor kan göra det möjligt att undersöka vissa typer av mörk materia (den ansamlade och värmealstringen av detta) som skulle vara svåra eller omöjliga att observera i experiment från jorden. För mer om denna intressanta teori se denna länk från university of Melbourne 

Forskargruppen bestod av forskare från ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics, inklusive Dr Sandra Robles, Michael Virgato och professor Nicole Bell från University of Melbourne, Dr Giorgio Busoni från Max Planck-institutet för kärnfysik i Tyskland och Theo Motta och professor Anthony Thomas AC från University of Adelaide.

Bild vikipedia teoretisk modell av en neutronstjärna.

Nu har spåren efter den kraftigaste solstormen i modern tid hittats i Lappland

 

Carringtonhändelsen 1859 är den största registrerade solstormen under de senaste två århundradena. Den sågs som vita ljusbloss i en gigantisk solfläcksgrupp och resulterade i bränder vid telegrafstationer och störningar i geomagnetiska mätningar, samt norrsken i tropikerna. En solstorm motsvarande Carrington-händelsen i modern tid skulle störa el- och mobilnät och orsaka stora problem för satellit- och navigationssystem vilket skulle leda till problem för bland annat flygtrafiken.

Solstormar  mindre än Carringtonsolstormen kan numera  undersökas med mätinstrument och satelliter, medan än större solstormar i det förgångna  kan undersökas till exempel genom att mäta kolhalten i träds årsringar.

Hittills har det däremot inte varit möjligt att studera specifikt medelstora solstormar som Carrington-händelsen, som inte har inträffat i modern tid med hjälp av konventionell radiokolteknik. Den nya studien öppnar nu upp för ett potentiellt nytt sätt att undersöka frekvensen av stormar av Carrington-storlek vilket kan bidra till att bättre förbereda sig för framtida hot.

Vid undersökningen som gjorts av Helsingfors universitet, Naturresursinstitutet och Uleåborgs universitet upptäcktes för första gången tecken på en ökning av radiokolhalterna efter Carrington-stormen i träds årsringar. Tidigare har spår av radioaktivt kol bara upptäckts från betydligt kraftigare solstormar i det förflutna. Resultaten tolkades med hjälp av en numerisk modell för produktion och transport av radioaktivt kol som utvecklats av forskare vid Uleåborgs universitet.

"Denna dynamiska modellen för koltransport i atmosfären har utvecklats särskilt för att beskriva geografiska skillnader i fördelningen av radioaktivt kol i atmosfären", beskriver forskardoktor Kseniia Golubenko från Uleåborgs universitet.

Det som var betydelsefullt och som beskrivs i den nyligen publicerade studien var hur radioaktiv kolhalt i träd i Lappland skilde sig från halten i träd på lägre breddgrader. De första mätningarna gjordes i Helsingfors universitets acceleratorlaboratorium, medan upprepade mätningar gjordes i två andra laboratorier för att minska risken för felresultat.

Upptäckten kan bidra till att bättre förstå atmosfärens dynamik och kolcykeln från tiden före människans utsläpp av fossila bränslen vilket möjliggör utvecklingen av allt mer detaljerade kolcykelmodeller.

"Det är möjligt att överskottet av radioaktivt kol som orsakades av soleruptionen i första hand transporterades till den lägre atmosfären på nordliga områden, tvärtemot den allmänna uppfattningen om detta slag av rörelser", funderar doktorand Joonas Uusitalo från Kronologiska laboratoriet. Den nyligen publicerade undersökningen genomfördes som ett samarbetsprojekt mellan Kronologiska laboratoriet vid Helsingfors universitet, institutionen för fysik och Naturresursinstitutet. Forskare från Uleåborgs universitet, Nagoya universitet, Yamagata universitet och ETH Zürich bidrog också till studien. Forskningen finansierades av Finlands forskningsråd, Suomen Kulttuurirahasto och Emil Aaltonens stiftelse.

Bild vikipedia Illustration av ett område av en stark solvind når jorden och ger upphov till en geomagnetisk storm som bland annat trycker ihop magnetosfären.

Varför stjärnorna i galaxer av hög ålder rör sig kaotiskt

 

Ett internationellt forskarlag under ledning från det australiska forskningscentret ASTRO 3D rapporterar att galaxers ålder förändrar hur stjärnorna rör sig i dessa.

Unga galaxer kännetecknas av att stjärnorna i dessa roterar i ett ordnat mönster. Med undantag av att en mindre del av dem som rör sig mer slumpmässigt. Medan stjärnor i äldre galaxer rör sig mer kaotiskt. Fram tills nu har forskare varit osäkra på vad som orsakar rörelse och åldersförändring i galaxer. De har diskuterat om det kan vara den omgivande miljön eller galaxens massa som är anledningen.

"När vi gjorde analysen fann vi att ålder  hur vi än undersöker med skilda parametrar är den viktigaste anledningen", beskriver huvudförfattaren till studien Prof Scott Croom, en ASTRO 3D-forskare vid University of Sydney och tillägger. ”När man tar hänsyn till ålder finns det i princip ingen miljötrend, och det är likadant för massa (som påverkar lika mycket). Om du hittar en ung galax kommer den att rotera, oavsett vilken miljö den befinner sig i och om du hittar en gammal galax kommer den att ha fler slumpmässiga banor, oavsett om den finns i en tät miljö av damm och gas eller i ett tomrum."

I unga galaxer sker stor stjärnbildning (här finns mycket råmaterial för detta i form av gas och damm) medan stjärnbildningen upphör i de äldre galaxerna (här finns mindre av damm och gas men många stjärnor).

– Vi vet att åldern påverkar miljön. Om en galax faller in i en tät miljö (av stjärnor) tenderar den att stänga av stjärnbildningen (här finns många stjärnor men inte så mycket gas och damm för stjärnbildning). Galaxer i stjärnrika miljöer är i genomsnitt äldre, beskriver van de Sande.

Vintergatan, har fortfarande en tunn stjärnbildande skiva, så den anses fortfarande vara en rotationsgalax med högt spinn.

– Men när vi ser på Vintergatan i detalj ser vi något som kallas Vintergatans tjocka skiva. Den är inte dominerande när det gäller ljus men den finns där och det ser ut att vara äldre stjärnor här som mycket väl kan ha värmts upp i den tunna stjärnrika skivan vid tidigare tidpunkter eller uppstått av hög turbulent rörelse i det tidiga universum, beskriver professor Croom.

Studien publicerades i dagarna i MNRAS (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society). I studien beskrivs att stjärnornas tendens att ha slumpmässiga rörelser främst beror på galaxens ålder vilket ger slumpartade stjärnrörelser (vanligare i äldre  galaxer ).

 I forskargruppen ingick även forskare från Macquarie University, Swinburne University of Technology, University of Western Australia, Australian National University, University of New South Wales, University of Cambridge, University of Queensland och Yonsei University i Sydkorea.

Forskarna använde data från observationer som gjorts inom ramen för SAMI Galaxy Survey. SAMI-instrumentet vilket byggdes 2012 av University of Sydney och Anglo-Australian Observatory (numera Astralis). SAMI använder Anglo-Australian Telescope vid Siding Spring Observatory, nära Coonabarabran, New South Wales. Den har kartlagt 3000 galaxer i ett stort antal miljöer.

(Förslagsvis kanske man skulle undersöka om rörelseökningen av stjärnor i äldre galaxer kan bero på att här inte finns så mycket materia för stjärnbildning och detta tomrum accelererar stjärnors rörelse i tomrummet. Ingen gravitation från detta material bromsar längre stjärnors rörelser. Istället får det stjärnrika men mellan dessa stjärnor tomrummet och bristen på gas och damm gravitationen från skilda stjärnor stjärnor att röra sig kaosartat)

Bild https://astro3d.org.au/ som visar jämförelse mellan en ung (överst) och gammal (nederst) galax som observerats som en del av SAMI Galaxy Survey. Subaru-källa: Bild från Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program

BREAD-experimentet ett nytt sätt att söka efter mörk materia

 

I ett nytt experiment och samarbete under ledning från University of Chicago och Fermi National Accelerator Laboratory, med beteckningen Broadband Reflector Experiment for Axion Detection (BREAD) har det nyligen släppts ett första resultat i sökandet efter mörk materia. Studien publicerades i Physical Review Letters.

Även om det inte hittades mörk materia begränsades var den kan finnas och demonstrerades ett unikt tillvägagångssätt för att påskynda sökandet efter den till ett relativt litet antal platser och kostnader. Men eftersom ingen någonsin har sett mörk materia utan bara tecken på att den bör finnas eller något vi inte förstår vet vi inte var vi ska leta efter den.

"Vi är väldigt säkra på att något finns, men det finns många, många former som den kan ha", beskriver UChicago Assoc. Prof. David Miller, medledare för experimentet tillsammans med Fermilabs Andrew Sonnenschein, vilken var den som ursprungligen utvecklade konceptet för experimentet.

Forskare har tidigare kartlagt flera av de mest sannolika alternativen för platser och former att söka med och i. Vanligtvis har tillvägagångssättet varit att bygga detektorer för att med dessa noggrant söka av ett specifikt område (i det här fallet en uppsättning frekvenser) för att sedan  kunna utesluta dessa.

Ovan team av forskare utforskade med ett nytt tillvägagångssätt. Deras design kallas "bredband", vilket innebär att de kan söka efter en större uppsättning möjligheter om än med något mindre precision.

"Om man tänker på det som en radio, är sökandet efter mörk materia som att ställa in frekvensratten och söka efter en viss radiostation, förutom att det i detta experiment fanns en miljon frekvenser att kolla igenom", beskriver Miller. "Vår metod är som att göra en skanning av 100 000 radiostationer istället för några få mycket noggrant." För att få en mer utförlig redovisning av hur instrumentet är uppbyggt mm se denna sida. från University of Chicago.

BREAD-instrumentet byggdes vid Fermilab som en del av laboratoriets detektor-FoU-program och användes sedan vid UChicago, där data för denna studie samlades in. UChicago Ph.D-doktoranden Gabe Hoshino ledde driften av detektorn  tillsammans med studenterna Alex Lapuente och Mira Littmann.

Argonne National Laboratory ett tvärvetenskapligt forskningscenter för vetenskap och teknik som finns i Illinois USA. som kommer att användas i nästa steg i fysikprogrammet BREAD. Andra institutioner är SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Illinois Institute of Technology, MIT, Jet Propulsion Laboratory, University of Washington, Caltech och University of Illinois i Urbana-Champaign, vilka alla arbetar med UChicago och Fermilab på FoU för framtida versioner av experimentet.

Bild https://news.uchicago.edu/ En rendering av BREAD-designen. Den "Hershey's Kiss"-formade strukturen leder potentiella signaler om mörk materia till den kopparfärgade detektorn till vänster. Detektorn är tillräckligt kompakt för att få plats på en bordsskiva. Bild med tillstånd av BREAD Collabora

Ett nytt verktyg för intresserade för att dagligen se solförmörkelser från rymden

 

Ett nytt onlineverktyg som kallas Eclipse Watch gör att du kan observera solens yttre atmosfär (korona) i realtid med förmörkelseliknande bilder från rymden och räkna ner till nästa totala solförmörkelse på jorden. Det nya datavisualiseringsverktyget Helioviewer Eclipse Watch visar bilder som tagits av Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), ett gemensamt NASA-ESA-projekt (European Space Agency) som är stationerat en miljon kilometer från jorden. Varje gång du uppdaterar sidan där bilder ses finns den senaste bilden där från rymdfarkosten. Bilder som visar några av solens egenskaper som du bara som privatperson kan se från marken på jorden när månen helt täcker solen under en total solförmörkelse.

För att studera solens utsträckta atmosfär när en total solförmörkelse inte inträffar kan forskare använda speciella teleskop som kallas koronagrafer. Dessa instrument skapar en konstgjord förmörkelse genom att använda en rund skiva för att blockera ljuset från solen (på samma sätt som månen gör under en äkta förmörkelse) och avslöja delar av solens atmosfär som normalt är för svaga att se.

Helioviewer Eclipse Watch ger däremot förmörkelseliknande bilder hela tiden från rymden. Bilder som tas över hundra gånger varje dag av instrumentet Large Angle and Spectrometric Coronagraph Experiment (LASCO) från rymdfarkosten SOHO. LASCO observerar solens korona och kan identifiera moln av material så kallade koronamassutkastningar som bryter ut från solen.

Eclipse Watch är en förlängning av Helioviewer ett gratis visualiseringsverktyg med öppen källkod som stöds av NASA:s Solar Data Analysis Center. Det är som att använda en favoritkartapp för solen! Användarna väljer instrumentets data och skapar sina egna filmer av solfenomen. Detta verktyg stöder utforskande av solen, dataanalys och gör det möjligt för forskare att upptäcka, lokalisera och övervaka solhändelser. En nedladdningsbar version tillgänglig för alla som heter JHelioviewer med 3D-filmfunktion finns tillgänglig här.

Bild från https://science.nasa.gov/ En förmörkelseliknande bild som tagits av LASCO-instrumentet på rymdfarkosten SOHO som innehåller en bild av månen framför solen. För att se den senaste bilden, besök https://eclipse.helioviewer.org/ .