Mystik om Mörk materia.

 

I olika astronomiska observationer tyds det på att vanlig materia som vi kan se eller ta på endast utgör 5 % av universums totala massa. I Vintergatan finns det enligt denna teori för varje  kg vanlig materia i stjärnor 15 kg "mörk materia". Mörk materia som inte avger ljus och växelverkar endast med hjälp av sin gravitationskraft med vanlig materia.

De flesta forskare tror att den mörka energin består av okända elementarpartiklar, beskriver Dr Przemek Mróz från UW:s (university of Warszawa) astronomiska observatorium, huvudförfattare till två artiklar i ämnet. "Tyvärr, trots årtionden av ansträngningar har inget experiment, inklusive experiment som utförts med Large Hadron Collider, hittats partiklar som skulle kunna vara mörk materia." 

Sedan den första upptäckten av gravitationsvågor från ett sammansmältande par av svarta hål 2015 har experiment med LIGO- och Virgo instrumenten har upptäckts mer än 90 sådana händelser. Astronomer har lagt märke till att svarta hål som upptäckts av LIGO och Virgo vanligtvis är betydligt mer massiva (20–100 solmassor) än de som tidigare varit kända i Vintergatan (5–20 solmassor).

"Att förklara varför dessa två populationer av svarta hål är så olika är ett av de största mysterierna inom modern astronomi", betonar Dr Mróz.

En möjlig förklaring är att LIGO- och Virgo-detektorerna har upptäckt en population av ursprungliga svarta hål som  bildats i det mycket tidiga universum. Sedan den första upptäckten av gravitationsvågor har fler och fler forskare spekulerat i att sådana ursprungliga svarta hål kan utgöra en betydande del av, om  inte helt av mörk materia.

I en ny artikel i The Astrophysical Journal Supplement Series presenterar astronomer vid OGLE (Optical GravitationalLensing Experiment) resultaten av en nästan 20 år lång fotometrisk övervakning av nästan 80 miljoner stjärnor i en närliggande galax (Stora Magellanska molnet), av sökandet efter gravitationella mikrolinsningshändelser där. De analyserade uppgifterna samlades in under den tredje och fjärde fasen av OGLE-projektet från 2001 till 2020.

"Mikrolinsning uppstår när tre objekt – en observatör på jorden, en ljuskälla och en lins – praktiskt taget idealiskt är riktad mot ett teleskop", beskriver professor Andrzej Udalski, huvudforskare för OGLE-projektet. "Under en mikrolinsningshändelse kan källans ljus böjas och förstoras och vi observerar en tillfällig ljusökning och förstoring av källans ljus."

I den andra artikeln, publicerad i Nature, diskuteras de astrofysikaliska konsekvenserna av fynden.

– Om all mörk materiai Vintergatan bestod av svarta hål med 10 solmassor borde vi ha upptäckt 258 mikrolinsningar. För 100 svarta hål med solmassa förväntade vi oss 99 mikrolinsningshändelser. För 1000 svarta hål med solmassa – 27 mikrolinsningshändelser, förklarar Dr Mróz.

Men OGLE-astronomerna har bara hittat 13 mikrolinsningshändelser. Deras detaljerade analys visar att de alla kan förklaras av de kända stjärnpopulationerna i Vintergatan eller som undersökts det Stora Magellanska molnet inte beroende av svarta hål.

– Våra observationer tyder på att ursprungliga svarta hål inte kan utgöra en betydande del av den mörka materian men förklarar däremot de observerade svarta hålens fusionshastighet som uppmätts av LIGO och Virgo. De resultat vi fick fram kommer att finnas kvar i läroböcker i astronomi i årtionden framöver, beskriver professor Udalski.

Studien har publicerats i tidskrifterna "Nature" och "Astrophysical Journal Supplement Series

Bild flickr.com NASA:s Webb djupast infraröda bilden av universum hittills.

Hydrotermala öppningar i en exoplanets havsdjup kan stödja liv.

 

Havsvärldar är planeter och månar som har eller tidigare har haft ett flytande hav, kanske dolt under ett ishöljd yta eller i sitt steniga inre. I jordens solsystem är flera av Jupiters och Saturnus månar havsvärldar och deras existens har motiverat allt från peer-reviewed akademiska studier och rymdsonders besök.

Många forskningsresultat tyder på att vissa havsvärldar släpper ut tillräckligt med värme internt för att driva hydrotermisk cirkulation under dess havsbottnar. Denna värme genereras av radioaktivt sönderfall vilket sker djupt ner i jorden, med ytterligare värme som följd som möjligen genereras av tidvatteneffekt.

Sten-värme - vätskesystem upptäcktes på jordens havsbotten på 1970-talet, när forskare observerade utsläpp av varma vätskor, partiklar och kemikalier. Många utsläppsplatser var omgivna av egna ekosystem, ex specialiserade bakteriemattor, rödvita rörmaskar och värmeavkännande räkor.

I den nya studien, som publicerades i dagarna i Journal of Geophysical Research: Planets, visar forskarna som använt en komplex datormodell baserad på hydrotermisk cirkulation av samma slag som den sker i jordens havsdjup kan ske på en havsvärld därute. Efter att ha ändrat variabler som gravitation, värme, bergegenskaper och vätskecirkulationsdjup fann de att hydrotermiska ventiler kunde upprätthållas under ett brett spektrum av förhållanden. Om den här typen av flöden sker på en havsvärld, ex Jupiters måne Europa,  ökar oddsen för att det finns liv där.

"Studien tyder på att hydrotermiska system med låg temperatur (inte för varmt för liv) kan  upprätthållas på havsvärldar bortom jorden över tidsskalor som är jämförbara med de som krävs för att liv fick fäste på jorden", beskriver Andrew Fisher, studiens huvudförfattare och en framstående professor i jord- och planetvetenskap (EPS) vid UC Santa Cruz.

Hydrotermala öppningar (även kallade hydrotermiska öppningar eller hydrotermiska källor) är öppningar i havsbotten där det strömmar ut hett vatten blandat med mineraler och metaller. De kan finnas på ett djup av omkring 4 km under vattenytan, dit solens ljus inte når. 

Bild vikipedia Hydrotermal öppning så kallad "Black smokers" i Atlanten.

Tre så kallade superjordar funna runt stjärnan HD 48498

 

Astronomer har upptäckt tre potentiella "superjordar" som kretsar kring en relativt närliggande orange dvärgstjärna. Detta banbrytande fynd gjordes av ett internationellt forskarlag under ledning av Dr Shweta Dalal från University of Exeter.

Exoplaneterna kretsar kring stjärnan HD 48498. Dess omloppsbanor runt sin sol  är på 7, 38 respek151 jorddagar. Att uppmärksamma är att den yttersta exoplaneten befinner sig i den livsvänliga zonen av sin sol där förhållandena är sådana att flytande vatten kan finnas. Denna region, som ofta kallas Guldlockszonen, anses vara idealisk för att potentiellt stödja liv.

Forskarna betonar vikten av  upptäckten av solsystemet och noterar att denna orange stjärna är något lik vår sol och representerar det närmaste planetsystemet till oss som kan hysa en superjord i den beboeliga zonen runt en solliknande stjärna.

Dessa potentiella så kallade superjordar är planeter med en massa större än jorden men betydligt mindre än vårt solsystems isjättar Uranus och Neptunus. Superjordarna identifierades genom HARPS-N Rocky Planet Search-programmet. Under ett decennium samlade teamet in nästan 190 radialhastighetsmätningar med hög precision med hjälp av spektrografen HARPS-N. 

Studien där dessa resultat beskrivs  publicerades  i tidskriften MNRAS den 24 juni 2024.

Bild https://news.exeter.ac.uk/ Konstnärligt intryck av planetsystem HD48948 som ligger på ett avstånd av 55 ljusår från jorden. Rymdfarkosten Voyager 1 skulle med sin nuvarande hastighet ta nästan en miljon år för att nå HD48948. Bild: Soumita Samanta (https://www.soumitasamanta.com)

Mysteriet med ett svart hål som redan innehöll en miljard solmassor då universum var ungt.

 

James Webbteleskopet har observerat en galax i ett  ungt stadium av universum. När man blickar bakåt i tiden blev det tydligt att ljuset från galaxen J1120+0641 tog nästan lika lång tid på sig att nå jorden som det har tagit för universum att utvecklas fram till idag. Det är svårt att förstå hur det svarta hålet i denna galax centrum kunde ha haft ett innehåll av  över en miljard solmassor redan då i universums första tid vilket oberoende mätningar har visat.

Nya observationer av materia i närheten av det svarta hålet borde då avslöja en  effektiv matningsmekanism in i hålet men detta kunde man ej finna. Detta gör resultatet än mer extraordinärt: då det kan betyda att astrofysiker förstår mindre om galaxers utveckling än de trodde.

Den första miljarden år i  universums historia utgör en utmaning för att förstå. De tidigaste kända svarta hålen i galaxers centrum har förvånansvärt stora massor. Hur kunde de bli så massiva så snabbt? Observationen som beskrivs ovan ger starka bevis att vissa föreslagna förklaringar bör finnas särskilt mot ett "ultraeffektivt matningsläge" de tidigaste svarta hålens tillväxt kan inte ha skett slumpmässigt snabbt. 

Materia som faller in mot ett svart hål bildar en virvlande, het, ljus "ackretionsskiva". När detta händer runt ett supermassivt svart hål blir resultatet en aktiv galaxkärna. De ljusaste av dessa objekt (I Centrum av en galax) kallas kvasarer och är bland de ljusaste astronomiska objekten i hela kosmos. Den ljusstyrkan begränsar hur mycket materia som kan falla in i det svarta hålet: Ljuset utövar ett tryck som kan hindra ytterligare materia att falla in.

Därför blev astronomerna förvånade när observationer av avlägsna kvasarer under de senaste tjugo åren avslöjat mycket unga svarta hål som ändå nått massor så höga som 10 miljarder solmassor. Det tar tid för ljus att färdas från ett avlägset objekt till oss, så att se på så avlägsna objekt innebär 'ven att se in i ett avlägset förflutet. Vi ser de mest avlägsna kända kvasarerna som de var i en era som kallas "kosmisk gryning", mindre än en miljard år efter Big Bang, tiden då de första stjärnorna och galaxerna bildades.

Att förklara dessa tidiga massiva svarta hål är en stor utmaning för dagens teorier om galaxers utveckling. Kan det vara så att tidiga svarta hål var mycket effektivare på att dra till sig gas än senare svarta hål? Eller kan förekomsten av stoft påverka uppskattningar av kvasarmassan på ett sätt som fick forskarna att överskatta de tidiga svarta hålens massor? Det finns många förslag till förklaringar just nu, men ingen som är allmänt accepterad. Kvasarens breda linjeområde, där klumpar av gas kretsar runt det svarta hålet med hastigheter nära ljusets hastighet –  gör det möjligt att dra slutsatser om det svarta hålets massa och densiteten och joniseringen av den omgivande materian visar inget extraordinärt.

Genom att nästan alla egenskaper som kan härledas i ett spektrum därifrån skiljer sig J1120+0641 inte från kvasarer av yngre slag.

Sammantaget bidrar de nya observationerna bara till mysteriet: Tidiga kvasarer var lika senare epokers. Oavsett i vilka våglängder vi observerar dem är kvasarer nästan identiska vid alla tidsepoker av universum, beskriver Bosman. Inte bara de supermassiva svarta hålen själva utan även deras matningsmekanismer var tydligen redan helt "mogna" när universum bara var 5 procent av sin nuvarande ålder. Genom att utesluta ett antal alternativa lösningar ger resultaten starkt stöd för teorin att supermassiva svarta hål började med betydande massor redan från början, på astronomispråk: att de är "ursprungliga. Supermassiva svarta hål bildades inte från resterna av tidiga stjärnor och växte sedan mycket snabbt utan måste ha bildats tidigt med en massa på minst hundratusen solmassor, förmodligen genom kollaps av ett massiva tidigt gasmoln.

Vi ska ha i åtanke att universums första tid var detta mindre och hade en hög densitet av vätemoln (gasmoln) som bör ha gjort att svarta hål växt snabbt och även att svarta hål kan vara det första bland det som kom till vid BigBang.

Dr. Sarah Bosman vid Max Planck-institutet för astronomi, Heidelberg är kontaktperson för den artikel inlägget utgått från.

Bild https://www.mpg.de/ Konstnärs intryck av den ljusa kärnan i en kvasar (en aktiv galax). Det supermassiva svarta hålet i mitten är omgivet av en ljus skiva av gas och stoft. Stoftkomponenten längre ut kan skymma sikten av interiören och lyser främst i det mellersta infraröda området vilket är ljus som kan analyseras av James Webb Space Telescope. En buntad, högenergetisk partikelstråle skjuter ut i rymden från det svarta hålets omedelbara närhet vinkelrätt mot skivan.

© T. Müller / MPIA

Ett svart hål därute växer likt en ung stjärna.

 Ett internationellt forskarlag under ledning av astronomer vid Chalmers har upptäckt en kraftfull, roterande, magnetisk vind som får det svarta hålet i mitten av en galax att växa. Virvelvinden, som avslöjats i den närliggande galaxen ESO320-G030 (som finns 120 miljoner ljusår från oss) av teleskopet Alma, pekar på att samma grundläggande processer ligger bakom tillväxten av  stora svarta hål och  stjärnor.

De flesta galaxer (troligen alla), har supermassiva svarta hål i sitt centrum. En fråga som länge gäckat astronomer är hur dessa  tunga objekt växer för att kunna väga lika mycket som miljoner eller till och med miljarder stjärnor (ytterligare om detta spännande fält se morgondagens inlägg).

På jakt efter ledtrådar till detta mysterium valde ett team forskare under ledning av Mark Gorski (Northwestern University, USA, och Chalmers) och Susanne Aalto (Chalmers) att studera den relativt närliggande galaxen ESO320-G030 en mycket aktiv galax där stjärnor bildas i tio gånger snabbare takt än stjärnor i Vintergatan.

– Eftersom den här galaxen lyser mycket starkt i infrarött ljus kan teleskop urskilja detaljer i dess centrala del. Vi ville mäta ljus från molekyler som sveps av vindar utgående från galaxens kärna i hopp om att spåra hur vindarna uppkommer och växer från ett supermassivt svart hål. Genom att använda radioteleskopen som ingår i Almagruppen kunde vi studera ljus som tränger genom de tjocka lager av damm och gas som döljer galaxens centrum, beskriver Susanne Aalto, professor i radioastronomi vid Chalmers.

För att kunna se kompakt gas som finns så  nära det svarta hålet som möjligt studerade forskarna ljus av molekyler från blåsyra (HCN även kallat cyanvätesyra eller vätecyanid). Tack vare Almas förmåga att avbilda små detaljer och spåra rörelser i gasen med hjälp av dopplereffekten upptäcktes mönster som visade att här fanns en roterande, magnetiserad vind.

I andra galaxers centrum kan vindar och jetstrålar trycka bort material från det supermassiva svarta hålet. Här tyder den upptäckta vinden på en annan process som istället matar det svarta hålet och får det att växa.

– Vi kan se hur vindarna här bildar en spiralformad struktur som böljar ut från galaxens centrum. När vi mätte rotation, massa och hastighet för materialet som strömmar utåt, blev vi förvånade över att vi kunde utesluta många förklaringar till var vindens kraft har sitt ursprung, till exempel från stjärnbildning. Istället verkar flödet utåt drivas av inflödet av gas och tycks hållas samman av magnetfält, beskriver Susanne Aalto.

Forskarna tror att den roterande magnetiska vinden indirekt hjälper det svarta hålet att växa.

Materia rör sig i cirklar runt det svarta hålet innan det faller in likt vatten ner i ett avlopp. Materian som närmar sig det svarta hålet samlas därmed i en kaotisk, snurrande skiva. Där kan magnetfält utvecklas och bli starka. Tack vare magnetfälten kan materia då lyftas bort från galaxen och det är detta som skapar den spiralformade vinden. Att förlora materia till vinden saktar också ner den snurrande skivformade vinden. Det i sin tur leder till att materia lättare kan falla in i det svarta hålet och ändras från att ”droppa” in till en strid ström som strömmar in.

För Mark Gorski är detta slående likt ett liknande fenomen då virvlarna av gas och damm  leder till bildandet av nya stjärnor och planeter.

– Det är välkänt att stjärnor i sina tidigaste utvecklingsstadier växer med hjälp av roterande vindar. De accelereras också av magnetfält precis som vinden gör i denna galax. Våra observationer visar att supermassiva svarta hål och små stjärnor kan växa genom liknande processer, men i väldigt olika skalor, beskriver Mark Gorski.

Kan denna upptäckt vara en ledtråd till att lösa gåtan om hur supermassiva svarta hål växer? Framöver vill Mark Gorski, Susanne Aalto och deras kollegor studera fler galaxer där spiralformiga utflöden kan finnas i dess centrum.

Forskningen har presenterats i artikeln "A spectacular galactic scale magnetohydrodynamic powered wind in ESO 320-G030" i tidskriften Astronomy and Astrophysics.

Forskarna som var involverade i studien var Mark Gorski, Susanne Aalto, Sabine König, Clare F. Wethers, Chentao Yang, Sebastien Muller, Kyoko Onishi, Mamiko Sato, Niklas Falstad,, J. G. Mangum, S. T. Linden, F. Combes, S. Martín, M. Imanishi, K. Wada, L. Barcos-Muñoz, F. Stanley, S. García-Burillo, P. P. van der Werf, A. S. Evans, C. Henkel, S. Viti, N. Harada, T. Díaz-Santos, J. S. Gallagher och E. González-Alfonso.

Bild https://www.chalmers.se/ Illustration av hur en virvelvind hjälper det supermassiva svarta hålet i galaxen ESO320-G030 att växa under påverkan av ett  magnetfält. I den här illustrationen domineras galaxens kärna av en tät roterande vind av gas som leder utåt från det dolda supermassiva svarta hålet i galaxens mitt. Källa: M. D. Gorski/Aaron M. Geller, Northwestern University, CIERA, the Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics.

Månen Titans sjöars eroderade kuster

 

Titan är Saturnus största måne och den näst största månen i solsystemet. Titans sjöar innehåller inte vatten utan flytande etan och metan. Sjöarna uppskattas vara upp till 200 meter djupa. I tre sjöar har upptäckts något som antas vara vågor. Vågorna antas vara 1,5 centimeter höga och rör sig med en hastighet på 2,5 kilometer per timme. Den största av sjöarna heter Kraken Mare.

MIT-geologer (Massachusetts Institute of Technology) har studerat Titans kustlinjer och genom datasimuleringar visat att månens kustformationer sannolikt har formats av vågor. Fram tills nu har forskare hittat indirekta och motstridiga tecken på vågaktivitet, baserat på avlägset tagna bilder av Titans yta.

MIT-teamet använde ett annat tillvägagångssätt för att undersöka förekomsten av vågor på Titan, genom att först modellera de sätt på vilka en sjö kan erodera kusterna på jorden. De tillämpade sedan sina datamodeller på Titans sjöar för att avgöra hur strandlinjerna i Cassinis bilder kan ha skapats. Vågor, blev den mest sannolika förklaringen.

Forskarna betonar att deras resultat inte är definitiva; För att bekräfta att det finns vågor i sjöarna på Titan krävs direkta observationer av vågaktiviteten på månens yta.

"Vi kan säga, baserat på våra resultat, att kustlinjerna runt Titans sjöar troligast visar på erosion av vågor ", beskriver Taylor Perron, Cecil and Ida Green Professor of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences vid MIT. "Om vi kunde stå vid kanten av en  av Titans sjöar skulle vi kunna se vågor av flytande metan och etan som slår mot stranden mot kusterna då det stormar. Något som skulle kunna erodera det material som kusten består av.

Perron och hans kollegor, inklusive försteförfattaren Rose Palermo PhD '22, en tidigare doktorand vid MIT-WHOI Joint Program och nuvarande forskningsgeolog vid U.S. Geological Survey, har nyligen publicerat sin studie i Science Advances. Medförfattare inkluderade MIT-forskaren Jason Soderblom; tidigare MIT-postdoktor Sam Birch, nu biträdande professor vid Brown University; Andrew Ashton vid Woods Hole Oceanographic Institution; och Alexander Hayes från Cornell University.

Bild Titans yta. Bildkälla: NASA/JPL; University of Arizona; Universitetet i Idaho

Ytterligare en studie som visar på att mörk materia (kanske) inte finns.

 

I en banbrytande upptäckt utmanas den konventionella förståelsen av kosmologi av forskare vid Case Western Reserve University vilkas nya rön  kan förändra vår uppfattning om kosmos.

Tobias Mistele, en postdoktoral forskare inom Institutionen för astronomi vid Case Western Reserve's College of Arts and Sciences har banat väg för en revolutionerande teknik som använder "gravitationslins"  i studiet av den mörka materian. Han fann att galaxers rotationskurvor förblir platta under miljontals ljusår utan något slut av detta tidsmässigt. 

Forskare har tidigare ansett att galaxernas rotationskurvor måste minska ju längre ut man kikar ut i rymden (ju längre ut ju längre bak i tiden).

 Enligt Newtons gravitationsteori borde stjärnor i ytterkanterna av en galax vara långsammare i sin rörelse runt galaxens centrum på grund av minskad gravitationskraft från centrum av galaxen där flest stjärnor och det svarta hålet finns. Detta kan ej bekräftas av forskare.

Misteles analysresultat  motsäger förväntan ger ett häpnadsväckande avslöjande: inflytandet från det vi kallar mörk materia skulle då sträcka sig långt bortom tidigare uppskattningar och minst en miljon ljusår från Vintergatans centrum.

En sådan långdistanseffekt kan tyda på att mörk materia – som vi förstår den – kanske inte existerar alls (eller visar på något annat).

"Detta fynd utmanar befintliga modeller", beskriver han, och föreslår att det antingen finns kraftigt utbredda halos av mörk materia som kan förklara det eller att vi i grunden måste omvärdera vår förståelse av gravitationsteorin.

Stacy McGaugh, professor och chef för Institutionen för astronomi vid College of Arts and Sciences, beskrev Misteles resultat, som planeras att publiceras i Astrophysical Journal Letters som ett arbete som tänjer på traditionella gränser.

"Implikationerna av denna upptäckt är djupgående", beskriver McGaugh. "Det kan inte bara omdefiniera vår förståelse av mörk materia utan lockar oss också att utforska alternativa gravitationsteorier vilket utmanar själva strukturen i modern astrofysik och vänder upp och ner på Einsteins teori.”

Den primära tekniken som Mistele använde i sin forskning, gravitationslinsning, är ett fenomen som förutspåddes av Einsteins allmänna relativitetsteori. En gravitationslins är ett astronomiskt fenomen som har förmåga att bryta ljuset från en ljuskälla på dess väg till observatören och därmed förstorar ljuskällan.

Som en del av forskningen ritade Mistele upp vad som kallas Tully-Fisher-relationen på ett diagram (se bild ovan och text nedan) för att belysa det empiriska förhållandet mellan den synliga massan av en galax och dess rotationshastighet. "Vi visste att den här relationen fanns", beskriver Mistele. – Men det var inte självklart att relationen skulle hålla i sig ju långt ut från centrum av galaxen och vidare ut i rymden. Hur långt kvarstår det här beteendet? Det är frågan,  det kan inte vara gränslöst."

Mistele beskriver att hans upptäckt understryker nödvändigheten av ytterligare forskning och samarbete inom det vetenskapliga samfundet – och möjligheter att analysera andra slag av data.

McGaugh noterade de herkuliska – men hittills misslyckade – ansträngningarna inom det internationella partikelfysiksamfundet i att upptäcka och identifiera partiklar av mörk materia.

"Antingen är halos av mörk materia mycket större än vi förväntat oss eller så är hela paradigmet fel", beskriver McGaugh. – Teorin som förutspådde detta beteende i förväg är den modifierade gravitationsteorin som Moti Milgrom lade fram som ett alternativ till mörk materia 1983. Så den uppenbara och oundvikligen kontroversiella tolkningen av detta resultat är att mörk materia är en chimär; kanske pekar det på en ny gravitationsteori bortom vad Einstein lärde oss är förklaringen."

Mitt förslag är däremot att undersöka med hjälp av strängteorin. 

Bild https://thedaily.case.edu/ Den primära tekniken som Mistele använde i sin forskning, gravitationslinsning, ett fenomen som förutspåddes i Einsteins allmänna relativitetsteori. Som en del av forskningen ritade Mistele upp vad som kallas Tully-Fisher-relationen på ett diagram för att belysa det empiriska förhållandet mellan den synliga massan i en galax och dess rotationshastighet.