Nya gränser för egenskaper hos mörk materia

 Bild https://www.eurekalert.org  Spektrografisk teknik för att separera ljus i sönderfallande mörk materia och bakgrundsljus användes. WINERED använder de bredare spektrala egenskaperna hos bakgrundsljus för att skilja det från ljus från sönderfallshändelser. Fotograf: Wen Yin, Tokyo Metropolitan University.

Forskare har börjat använda en kombination av datamodeller och toppmoderna observationer för att sätta gräns för vilka egenskaper mörk materia kan ha. Nyligen har ett team av forskare från Japan under ledning av docent Wen Yin från Tokyo Metropolitan University använt en ny spektrografisk teknik för att observera ljus från två galaxer, Leo V och Tucana II. De använde det 6,5 meter breda Magellan Clay Telescope i Chile för att samla in ljuset från dessa på det infraröda området i spektrumet.

Forskarlaget fokuserade på en lovande kandidat för mörk materia, den axionliknande alpha particlen (ALP) och undersökte hur den "sönderfaller" och spontant avger ljus. Ledande teoretiska modeller i den nära infraröda delen av spektrum till en lovande plats att se på. Men det infraröda är en trång och förvirrande del av det elektromagnetiska spektrumet. Det beror på det stora utbudet av ljud med flera störningar från andra källor. Exempel på detta är zodiakalljus, den svaga spridningen av solljus,  interstellärt stoft och ljus som sänds ut av atmosfären när den värms upp av solen. För att komma runt detta har de i sitt tidigare arbete föreslagit en ny teknik som utnyttjar det faktum att bakgrundsstrålning tenderar att omfatta ett bredare spektrum av våglängder medan ljus från en specifik sönderfallsprocess är mer och starkt inriktat till ett smalt område inom det elektromagnetiska fältet.

Likt ljus från ett prisma blir svagare när olika färger sprids tunnare och tunnare blir sönderfallshändelser som är begränsade till ett smalt område skarpare och skarpare. Olika toppmoderna infraröda spektrografer ex NIRSpec på James Webb Space Telescope, WINERED på Magellan Clay Telescope med flera kan användas för att implementera denna teknik vilket effektivt gör dessa instrument till utmärkta detektorer för mörk materia.

Tack vare precisionen i teamets teknik (WINERED) kunde man förklara allt ljus de upptäckte i det nära infraröda fältet med betydande statistisk noggrannhet. Det faktum att inget sönderfall hittades användes sedan för att sätta en övre gräns för frekvensen av dessa sönderfallshändelser, eller en nedre gräns för livslängden för ALP-partiklar. Deras nya nedre gräns i sekunder är 10 med 25 till 26 nollor efter sig, eller tio till hundra miljoner gånger universums ålder.

Upptäckten är inte bara betydelsefull eftersom detta är den skarpaste gränsen hittills för mörk materias livstid. I arbetet användes den senaste tekniken av infraröd kosmologi för att ta itu med problem inom grundläggande partikelfysik. Och även om deras slutsatser är baserade på noggrann analys av data finns det antydningar om anomalier eller "överdrifter" som erbjuder den lockande utsikten till faktisk upptäckt av mörk materia med mer insamlad data och analys. Sökandet fortsätter efter den saknade biten i vårt universum (den mörka materien vilken jag inte tror finns utan är en form av vanlig materias påverkan av gravitation).

Arbetet stöddes av JSPS KAKENHI Grant Numbers 22K14029, 20H05851, 21K20364 och 22H01215 och Incentive Research Fund for Young Researchers från Tokyo Metropolitan University. Data från WINERED samlades in med det 6,5 meter stora Magellan Clay Telescope vid Las Campanas-observatoriet i Chile under projektet "eV-Dark Matter search with WINERED". WINERED utvecklades av University of Tokyo och Laboratory of Infrared High-resolution Spectroscopy, Kyoto Sangyo University, under ekonomiskt stöd från JSPS KAKENHI Grant Numbers 16684001, 20340042 och 21840052, och MEXT Supported Program for the Strategic Research Foundation vid privata universitet (nr S0801061 och S1411028). Observationerna i juni 2023 och november 2023 stöddes delvis av JSPS KAKENHI Grant Number 19KK0080, JSPS Bilateral Program Number JPJSBP120239909 och Project Research Number AB0518 från Astrobiology Center, NINS, Japan.

Den komplexa atmosfären över en fritt svävande exo-Jupiter

Bild https://webbtelescope.org  illustration på SIMP 0136.

Webb har fångat fläckvisa molnlager, heta områden på hög höjd och variationer i atmosfären över ett snabbt roterande, fritt svävande objekt 20 ljusår från jorden.

Att få en bra bild på en planet utanför vårt solsystem kan vara svårt. Vissa exoplaneter är alldeles för svala och ljussvaga för att kunna upptäckas. Många är praktiskt taget osynliga i det bländande skenet från sin sol. Andra roterar så långsamt att det skulle ta dagar att kartlägga hela planeten.

SIMP 0136 är ett hett, ljusstarkt, objekt i storlek som en planet med en kraftig atmosfär, extremt snabb rotationshastighet och ingen stjärna som förstör sikten mot objektet. SIMP 0136 är tekniskt sett inte en exoplanet då den inte finns i ett exosolsystem.

Genom att använda NASA:s James Webb Space Telescope för att övervaka SIMP 0136 när olika delar av objektets atmosfär roterar har forskare kunnat reda ut ljusstyrkemönstren av hundratals färger av infrarött ljus som kommer från olika delar av objektets atmosfär. Resultaten avslöjar variationer i molntäcken, temperatur och kemi vilket ger insikt i den tredimensionella komplexiteten hos gasjättar i och utanför vårt solsystem.

Genom att använda NASA:s James Webb Space Telescope för att övervaka ett brett spektrum av infrarött ljus som sänds ut under två hela rotationsperioder av SIMP 0136, kunde teamet upptäcka variationer i molnlager, temperatur och kolkemi som tidigare varit okända.

SIMP 0136 är ett snabbt roterande, fritt svävande objekt som är ungefär 13 gånger Jupiters massa, beläget i Vintergatan 20 ljusår från jorden. Även om den inte är klassificerad som en exoplanet då den inte har en bana runt en stjärna och kan vara en brun dvärg så är SIMP 0136 ett idealiskt mål för exometeorologi.

 Det är det ljusaste objektet av sitt slag på den norra stjärnhimlen. Eftersom den inte ingår i ett solsystem kan den observeras utan problem för ljuskontaminering eller variabilitet orsakad av en stjärna. Och dess korta rotationsperiod på bara 2,4 timmar gör det möjligt att göra mätningar mycket effektivt.

Före Webb-observationerna hade SIMP 0136 studerats med hjälp av markbaserade observatorier och NASA:s rymdteleskop Hubble och Spitzer.

"Vi visste redan att SIMP 0136  varierar i ljusstyrka och vi var säkra på att det finns fläckiga molnlager som roterar in och ut ur sikte och utvecklas över tid", förklarar Allison McCarthy, doktorand vid Boston University och huvudförfattare till en studie om objektet som publicerats i The AstrophysicalJournal Letters. "Vi trodde också att det kunde finnas temperaturvariationer, kemiska reaktioner och möjligen vissa effekter av norrskensaktivitet som påverkade ljusstyrkan, men vi var inte säkra." Denna forskning genomfördes som en del av Webbs General Observer (GO) -program

Indiska sonden Aditya-L1 observerade en stor soleruption

 

Bild https://www.mpg.de  Utbrottet den 22 februari 2024 registrerades med hjälp av de åtta olika filtren i SUIT-instrumentet. © KOSTYM/Aditya-L1

– Det är ett stort lyckokast att rymdfarkosten Aditya-L1 kunde bevittna ett så starkt solutbrott precis i början av sitt uppdrag, beskriver Sami Solanki, chef för MPS (Max Planck-sällskapet) och medförfattare i en publikation i The Astrophysical Journal Letters, 981 L19, 28 februari, 2025.

– Tillsammans med observationer från andra sonder och teleskop ger detta för första gången en komplett bild av de processer som sker i olika lager i solens atmosfär under ett utbrott, tillägger han.

Utbrottet som skedde den 22 februari 2024 hade sitt ursprung i ett område på solens norra halvklot i en grupp  solfläckar. Det varade i ungefär 35 minuter och nådde sin topp runt 22:34 (UTC). På bilderna från denna period kan man se ljusa blixtar på två närliggande platser. Till skillnad från Aditya är andra solobservatorier "blinda" på detta avstånd från solen när utbrotten lämnar solytan.

De nya uppgifterna kommer därför att bidra till att förbättra vår förståelse för hur utbrott bildas och hur de fortplantar sig genom de olika lagren i solens atmosfär. Rymdfarkosten Aditya-L1 är ett projekt som drivs av Indian Space Research Organization (ISRO).

 Konceptet med Solar Ultraviolet Imaging Telescope (SUIT) var ursprungligen tänkt av MPS. Instrumentet designades och utvecklades och byggdes av Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics i Pune, Indien. Tre MPS-forskare är medlemmar i SUIT-teamet.

Hubbleteleskopet upptäcker en svärm av dvärggalaxer runt Andromedagalaxen

 

Bild https://www.stsci.edu

Andromedagalaxen finns 2,5 miljoner ljusår bort från oss och ser för blotta ögat ut som ett svagt, spindelformat objekt och är ungefär lika stor som fullmånen. Men vad vi inte ser utan teleskop är en svärm av ca 30  små satellitgalaxer som kretsar runt Andromedagalaxen.

Dessa satellitgalaxer representerar ett stökigt galaktiskt "ekosystem" som NASA:s Hubbleteleskop taget bilder av. I detta Hubble Treasury-program användes observationer från mer än 1 000 av Hubble-omloppsbanor. Hubbles optiska stabilitet, bildskärpa och effektivitet gjorde denna  kartläggning möjlig. I  arbetet ingick att bygga en exakt 3D-kartläggning av alla dvärggalaxer som snurrar runt Andromeda och rekonstruera hur  här bildades nya stjärnor under de nästan 14 miljarder år som universum existerat.

Hubble avslöjade ett ekosystem som skiljer sig markant från vad som sker i det mindre antalet satellitgalaxer som kretsar runt Vintergatan. Detta ger ledtrådar till hur vår galax Vintergatan och Andromedagalaxen har utvecklats på olika vis under miljarder år. I  Vintergatan har det varit relativt lugnt.

Andromedagalaxen har haft en mer dynamisk historia som troligen beror  på en  sammanslagning med en annan stor galax för några miljarder år sedan. Detta möte och det faktum att Andromeda är dubbelt så stor som Vintergatan skulle kunna förklara mängden av dvärggalaxer.

– Vi ser här hur länge satellitgalaxerna kan fortsätta att bilda nya stjärnor vilket är  beroende på hur massiva de är och hur nära de är till Andromedagalaxen, beskriver studiens huvudförfattare Alessandro Savino vid University of California i Berkeley. Det är en tydlig indikation på hur tillväxten i små galaxer  påverkas från en stor galax som Andromeda, beskriver han.

– Allt som är utspritt i Andromedasystemet är väldigt asymmetriskt och stört. Det verkar som om något hände för inte så länge sedan, beskriver Daniel Weisz, forskningsledare vid University of California i Berkeley. – Det finns alltid en tendens att använda det vi förstår av vår egen galax för att extrapolera mer generellt till de andra galaxerna i universum.

Något som jag tror vi ska vara försiktiga med.

Studien av undersökningen är publicerad i The Astrophysical Journal.

NASA:s Lunar Trailblazer och dess uppdrag runt vår måne

 

Bild https://www.nasa.gov  Solljuset blänker i NASA:s Lunar Trailblazer när den diskmaskinsstora rymdfarkosten kretsar runt månen i en konstnärs koncept. Sondens uppdrag är att hitta vatten på månen  vilket slags vatten det är och hur det förändras över tid och uppställa bättre kartor än nuvarande över var vatten finns på månens yta. Bild Lockheed Martin Space.

En av de största upptäckterna på månen under de senaste decennierna är att månens yta innehåller mycket vatten men inte mycket är känt om vattnet. För att undersöka detta kommer Lunar Trailblazer att försöka finna var vattnet finns, vilken form det har (vilket slag av vatten), hur mycket som finns och hur det förändras över tid.

För att uppnå målet har rymdfarkosten till hjälp två vetenskapliga instrument: High-resolution Volatiles and Minerals Moon Mapper (HVM (HVM)3) och den infraröda multispektrala kameran Lunar Thermal Mapper (LTM). NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien tillhandahöll HVM3 LTM och den byggdes av University of Oxford och finansierades av UK Space Agency.

HVM (HVM)3 kommer att detektera och kartlägga de spektrala våglängderna av reflekterat solljus från mineraler och de olika formerna av vatten på månens yta. LTM-instrumentet kommer att kartlägga mineraler och termiska egenskaper i samma landskap. Lunar Trailblazers omloppsbana gör att den kan se in i kratrarna vid månens sydpol med hjälp av HVM3 instrumentet.

Det som gör dessa kratrar så spännande är att här finns köldhål som kanske inte har fått direkt solljus på miljarder år vilket innebär att här kan finnas fruset vatten. The HVM3 Spektrometern är utformad för att använda svagt reflekterat ljus från kratrarnas väggar för att se ner i botten även i permanent skuggade områden i kratrarna. Om Lunar Trailblazer hittar betydande mängder is vid kratrarnas bas kan dessa platser pekas ut som en vattenresurs för framtida månutforskare.

Lunar Trailblazer leds av Principal Investigator Bethany Ehlmann vid Caltech i Pasadena, Kalifornien. Caltech leder uppdragets vetenskapliga undersökningar och Caltechs IPAC leder uppdragets verksamhet vilket inkluderar planering, schemaläggning och sekvensering av alla av rymdfarkostens aktiviteter. 

NASA JPL förvaltar Lunar Trailblazer och tillhandahåller systemteknik, uppdragsförsäkring, HVM3 instrument, uppdragsdesign och navigering. JPL förvaltas av Caltech för NASA. Lockheed Martin Space tillhandahöll rymdfarkosten, integrerade flygsystemet och stöder verksamheten enligt kontrakt med Caltech. University of Oxford och utvecklade och tillhandahöll LTM-instrumentet, finansierat av UK Space Agency. Lunar Trailblazer, som är en del av NASA:s Lunar Discovery Exploration Program, förvaltas av NASA:s Planetary Mission Program Office vid Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama, för myndighetens Science Mission Directorate i Washington.

Ny teori om Mars roströda färg

 

Bild  https://www.esa.int  Hur Mars blev röd.

En ny analys av observationsdata från rymdfarkoster i kombination med nya laboratorietekniker visar att Mars röda färg bäst matchas av järnoxider som innehåller vatten, så kallad ferrihydrit. 

Ferrihydrit bildas vanligtvis snabbt vid närvaro av kallt vatten och måste därför ha bildats när Mars fortfarande hade flytande vatten på sin yta. Ferrihydriten har behållit sin vattniga signatur trots att den har malts ner och spridits runt om på planeten sedan den bildades.

– Vi försökte skapa en kopia av marsdamm i laboratorimiljö med hjälp av olika typer av järnoxid. Vi fann att ferrihydrit blandad med basalt, en vulkanisk bergart, bäst passar in på de mineraler som hittats av rovers på Mars, beskriver huvudförfattaren  till en ny studie Adomas Valantinas, postdoktor vid Brown University i USA, tidigare vid universitetet i Bern i Schweiz i sitt arbete med ESA:s TGO-data (Trace Gas Orbiter).

"Mars är fortfarande den röda planeten. Det är bara  vår förståelse av varför Mars är röd som förändrats. Den stora implikationen är att eftersom ferrihydrit bara kan ha bildats när vatten fortfarande fanns kvar på ytan, rostade Mars tidigare än vi tidigare trott. Dessutom förblir ferrihydriten stabil under nuvarande förhållanden på Mars.

Andra studier har också föreslagit att ferrihydrit kan finnas i marsdamm, men Adomas och kollegor har tillhandahållit det första omfattande beviset genom den unika kombinationen av data och nya laboratorieexperiment.

De skapade en replika av marsdamm med hjälp av en avancerad kvarnmaskin för att uppnå den realistiska dammkornsstorleken som motsvarar 1/100 av ett människohår. De analyserade sedan sina prover med samma teknik som rymdfarkoster i omloppsbana runt Mars upptäckt för att göra en direkt jämförelse och slutligen identifierade de ferrihydrit som den bästa matchningen.

– Den här studien är resultatet av kompletterande dataset från ett flertal internationella uppdrag som utforskar Mars från omloppsbanan och på marknivå, beskriver Colin Wilson, ESA:s forskare vid projektet TGO och Mars Express. Studien namn är "Detection of ferrihydrite in Martian red dust records ancient cold and wet conditions on Mars" av A. Valantinas et al och publiceras idagarna i Nature Communications.

Hubbleteleskopet upptäcker en stjärna som inte hör hemma i galaxen UGC 5460.

 

Bild https://science.nasa.gov  Spiralgalaxen UGC 5460 lyser i den här bilden från NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble. UGC 5460 ligger cirka 60 miljoner ljusår bort i stjärnbilden Stora björn. ESA/Hubble och NASA, W. Jacobson-Galán, A. Filippenko, J. Mauerhan

UGC 5460 finns cirka 60 miljoner ljusår bort i riktning mot stjärnbilden Stora björn (Stora Karlavagnen). Bilden (se ovan) kombinerar fyra olika våglängder av ljus för att visa UGC 5460:s centrala stavformation av stjärnor, slingrande spiralarmar och ljusblå stjärnhopar. I det övre vänstra hörnet finns också ett mycket närmare objekt: en stjärna bara 577 ljusår bort som finns i vår egen galax (vintergatan).

I UGC 5460 har nyligen skett två supernovor vilka fått beteckningarna SN 2011ht och SN 2015as. Det är på grund av dessa två stjärnexplosioner som Hubble riktade in sig på den här galaxen och samlade in data till tre observationsprogram som syftar till att studera olika typer av supernovor.

SN 2015as var en supernova som slutade som en kollaps en omvälvande explosion som inträffar när kärnan i en stjärna som är mycket mer massiv än vår sol får slut på bränsle och kollapsar under sin egen gravitation, vilket initierar en återhämtning av material utanför kärnan. Hubble-observationer av SN 2015as kommer att hjälpa forskare att förstå vad som händer när den expanderande chockvågen från en supernova kolliderar med gasen som omger den exploderade stjärnan.

SN 2011ht kan också ha varit en supernova som kollapsade i kärnan. Men kan också varit en falsk supernova  som kallas en lysande blå variabel. Ljusstarka blå variabler är sällsynta stjärnor som får utbrott som är så stora att de  liknar supernovor. Avgörande är att ljusstarka blå variabler kommer ut ur dessa utbrott oskadda medan stjärnor som blir supernovor inte gör det. Hubbleteleskopet kommer att söka efter vad SN 2011ht var för slags explosion i dag vet vi inte detta.