Kretsloppet av vatten i Mars förflutna har omtolkats

 

Bild https://www.jsg.utexas.edu  Karta som visar vatteninfiltrationen på Mars för miljarder år sedan, enligt forskning från UT Jackson School of Geosciences. Det tog mellan 50 år (varmare färger) och 200 år (kallare färger) för vattnet att sjunka genom Mars jord för att nå grundvattennivån, en mil ner ifrån ytan. Upphovsman: Mohammad Afzal Shadab

För miljarder år sedan flödade vatten på Mars yta. Men forskarna har en ofullständig bild av hur den röda planetens vattenkretslopp fungerade.

Något som snart kan komma att ändras efter att två doktorander vid University of Texas i Austin fyllt en stor lucka i kunskapen om Mars vattencykel. Speciellt den del som finns mellan ytvatten och grundvatten. Studenterna Mohammad Afzal Shadab och Eric Hiatt utvecklade en datormodell som beräknar hur lång tid det tog för vatten på den tidiga Mars att sippra  från ytan ner till akviferen (akvifer är underjordisk lagring av grundvatten), oftast i porösa och genomsläppliga bergarter eller sediment), som tros ha legat ungefär en mil under Mars yta.

De fann att det tog allt från 50 till 200 år. På jorden, där grundvattennivån på de flesta platser finns mycket närmare ytan, tar samma process vanligtvis bara några dagar. Mars i är i stort sett torr, åtminstone på ytan. Men för 3 till 4 miljarder år sedan  ungefär vid den tid då livet började på jorden  karvade hav, sjöar och floder ut dalar genom Mars berg och kratrar och präglade strandlinjer i den steniga ytan.

Till slut tog Mars vatten en annan väg än jordens. Det mesta är numera antingen låst i jordskorpan eller försvann ut i rymden tillsammans med Mars atmosfär. Att förstå hur mycket vatten som fanns tillgängligt nära ytan kan hjälpa forskare att avgöra om det var på rätt plats tillräckligt länge för att skapa de kemiska ingredienser som behövs för liv.

De nya upptäckterna bidrar till en alternativ bild av den tidiga Mars där det fanns lite vatten som gick tillbaka till atmosfären genom avdunstning och regnade ner för att fylla på hav, sjöar och floder likt det skulle ha gjort på jorden beskriver medförfattaren Hiatt, som nyligen tog sin doktorsexamen från UT Jackson School of Geosciences.

"Jag tänker på den tidiga Mars där alla hav eller stora stillastående sjöar var mycket flyktiga", beskriver Hiatt. – När vattnet väl kom ner i marken på Mars var det så gott som borta. Det vattnet kom aldrig upp till ytan igen."

Forskarna säger att resultaten inte bara är dåliga nyheter för potentiellt liv på Mars. Om inte annat så försvann inte vattnet som sipprade in i jordskorpan eller ut i rymden, beskriver Hiatt. Den kunskapen kan en dag vara viktig för framtida upptäcktsresande som letar efter underjordiska vattenresurser för att upprätthålla en bosättning på den röda planeten.

Studien utfördes samtidigt som Shadab tog sin doktorsexamen vid Oden Institute for Computational Engineering and Sciences vid UT Austin. Andra medförfattare var Rickbir Bahia och Eleni Bohacek från European Space Agency (nu vid UK Space Agency), Vilmos Steinmann från Eotvos Lorand University i Ungern och professor Marc Hesse från Jackson School's Department of Earth and Planetary Sciences vid UT Austin.

Resultatet av studien har publicerats i tidskriften Geophysical Research Letters. 

Kartläggning av vintergatans centrum ”Central Molecular Zone” (CMZ)

 

Bild https://today.uconn.edu  En långvågig infraröd Herschel-bild av vår galax CMZ (Central Molecular Zone) avslöjar en ljus och tät ring av molekylär gas och stoft som omger det supermassiva svarta hål, SgrA* i centrum av Vintergatan. Bilden avslöjar hur vi ser galaxens centrum sett från jorden. Forskarna i 3-D CMZ-projektet använde denna data, plus radio-, infraröd- och submilleterdata för att kvantifiera sannolikheten för att varje moln här befinner sig antingen framför eller bakom SgrA*.

 Forskarna använde sedan dessa sannolikheter till att testa nuvarande teorier om 3D-strukturen i vintergatans centrum och till att presentera en ny modell av 3D-strukturen i CMZ. Bilden visar Herschel-data för de inre 7 graderna av galaxen där rött visar 350 mikron emission, grönt 160 mikron och blått 70 mikron emission. På detta ungefärliga avstånd från Vintergatans centrum visar den här bilden ungefär att det inre  är1 kpc (cirka 3 200 ljusår) medan själva CMZ ligger runt vintergatans inre i en storlek av 550 pc ( är cirka 1 800 ljusår).

Jorden finns ungefär 26 000 ljusår från ett aktivt område i Vintergatan som kallas den centrala molekylzonen (CMZ). Detta område innehåller ledtrådar om hur stjärnor bildas, hur energi rör sig genom vår galax och kanske detaljer om mörk materia.

Att analysera detta område är dock utmanande då vi inte har en tydlig bild av Vintergatan uppifrån och ner (genom att vi finns på jorden och finns i fel vinkel för att se detta). UConn's Milky Way Laboratory under ledning av docent Cara Battersby vid institutionen för fysik vid university of Connecticut, presenterar sin omfattande analys och 3-dimensionella top-down-modell av CMZ i en serie av fyra artiklar i Astrophysical Journal.  

En fråga som Battersby är intresserad av att kunna mer om är hur Vintergatans supermassiva svarta hål, kallat Sagittarius A, fungerar när och hur detta  aktivt samlar på sig material. Som en galaktisk vägstation kontrollerar CMZ när och om material dras mot det svarta hålet. Att göra direkta observationer för att svara på denna fråga är knepigt eftersom det i CMZ finns massor av gas, stoft och stjärnor, tillsammans med det faktum att vi är mycket långt borta och bara kan se det från sidan.

Det första steget blev att sammanställa en omfattande katalog över strukturer i CMZ och att mäta deras fysikaliska och kinematiska egenskaper, såsom massa, radier, temperatur och hastighetsdispersion. Detta beskrivs i artikel ett och två.

Artikel tre fokuserar på radiovåglängder av ljus och fokuseras på de molekylmoln som absorberar radiovåglängderna.

Artikel fyra fokuseras på utrotning av stoft och damm i infrarött ljus och beskriver noggrant en teknik för att mäta "skuggan" baserat på molnets egenskaper och därigenom kvantifiera sannolikheten för att detta befinner sig antingen framför eller bakom Vintergatans centrum, beskriver Battersby.

Doktorand Dani Lipman vid samma institution håller för närvarande på att utarbeta artikel fem och påtalar att denna syftar till att kombinera alla tillgängliga data för att bestämma den mest sannolika positionen för ett givet moln framför eller bakom Sagittarius A*. Dessa positioner kan sedan användas  för att hitta en bäst passande top-down-modell för CMZ. Modellen uppdateras och förbättras kontinuerligt i takt med att mer data blir tillgängligt.

Strimmor utmed sluttningar på Mars är troligen inte gamla vattenflöden

 

Bild wikipedia Sluttande strimmor i Acheron Fossae 2010 

I en ny studie gjord av planetforskare vid Brown University och University of Bern i Schweiz kastas tvivel över om att vatten kan flöda på dagens Mars under vissa förhållanden eller årstider.

I åratal har forskare hittat märkliga strimmor som löper längs Mars klippor och kraterväggar. Vissa har tolkat dessa strimmor som e forntida uttorkade flöden av vatten (eller eventuellt små fuktiga flöden under Mars vår), vilket tyder på att det kan finnas miljöer där mikroskopiskt liv kan ha överlevt eller fossiliserats. Men i den nya studien där man använde maskininlärning för att skapa och analysera massiva datamängder av egenskaper på sluttningarna visar på en annan förklaring. Förklaringen att strimmorna beror på en torr process avl vind- och dammaktivitet.

"Ett stort fokus i Marsforskning är att förstå dagens processer på Mars – inklusive om det finns flytande spår av vatten på ytan", beskriver Adomas Valantinas, postdoktoral forskare vid Brown university och medförfattare till studien tillsammans med Valentin Bickel, forskare vid Bern. "Vår studie granskade Mars ytstrimmorr men fann inga bevis av förekomst av vatten.

Forskarna såg först de udda ränderna i bilder som returnerades från NASA:s Viking-uppdrag på 1970-talet. De steniga linjerna är i allmänhet mörkare i nyansen än den omgivande terrängen och sträcker sig hundratals meter nerför sluttande terräng. Vissa linjer består i åratal eller decennier medan andra kommer och går under kort tid. De mer kortlivade kallas återkommande sluttningslinjer och verkar dyka upp på samma platser under de varmaste perioderna av marsåret (kan ev vara kortlivad kondens uppstått och sedan torkat upp på denna yta). I hopp om nya insikter vände sig Bickel och Valantinas till en maskininlärningsalgoritm för att katalogisera så många sluttningar som möjligt. Efter att ha tränat sin algoritm på bekräftade observationer av sluttningar använde de algoritmen för att skanna mer än 86 000 högupplösta satellitbilder.

Resultatet blev en global karta över sluttningar på Mars Den första i sitt slag och som innehåller mer än 500000 strimmor. Forskarna drar slutsatsen att strimmorna med största sannolikhet bildas när lager av fint damm plötsligt glider nerför branta sluttningar. Sluttningsstrimmor verkar vara vanligare nära nyligen inträffade nedslagskratrar, där chockvågor kan ha skakat loss ytdamm. Strimmorna är dock vanligast där sten glidit utmed en sluttning.

Sammantaget kastar resultaten av studien nytt tvivel på strimmor och miljöer som dessa som miljöer som kan hysa någon form av liv.

Forskningen har stor betydelse för den framtida utforskningen av Mars. Även om livsvänliga miljöer kan låta som bra utforskningsmål, vill NASA hellre hålla sig på avstånd från den tolkningen. Jordiska mikrober  kan däremot ha liftat med  rymdfarkoster, rymdbilar etc  och kan förorena miljöer på Mars vilket komplicerar sökandet efter Mars-baserat liv. Denna studie tyder dock på att föroreningsrisken vid sluttningsområden inte är eller har blivit något större problem.

Forskningen publicerades i Nature Communications måndagen den 19 maj. 

Nu kan laserultraljud användas för att avslöja elasticiteten i meteoriter

 

Bild wikipedia En skivbit av Gibeonmeteoriten.

Forskare och ingenjörer vid University of Nottingham har för första gången mätt elasticiteten hos meteoriter.

Många meteoriter består av kristallina material bildade under exotiska förhållanden som inte kan replikeras på jorden. Elasticiteten hos de kristaller som utgör dessa material har historiskt sett varit svår att mäta och normalt kräver detta att forskare odlar en speciell kristall vilket i detta fall inte är möjligt.

Huvudförfattaren till en ny studie, Wenqi Li, från universitetets forskargrupp för optik och fotonik, beskriver: "Dessa material har utvecklats under unika förhållanden under miljontals år för att bilda dessa fantastiska strukturer och mönster. Meteoriter ger tillgång till information om hur planeter bildas och utvecklas som annars är svår att studera.

Den unika karaktären i dessa prover och deras relativa sällsynthet innebär att icke-destruktiva analystekniker behövs för att studera deras egenskaper. Att förstå  egenskaperna  ger oss förståelse för hur solsystemet och planeterna bildades.

Att studera dessa meteoriter kan också bidra till att utveckla en förståelse för legeringar som används till flyg- och industritillämpningar, lämpliga till att konstruera utomjordiska strukturer (månbaser exempelvis) vilket kan göra meteorer till en lämplig materialkälla för framtida tillverkning av ex baser i rymden.

I  studien användes laserultraljudstekniken spatialt upplöst akustisk spektroskopi (SRAS++), (som uppfanns vid University of Nottingham) för att mäta egenskaperna i Gibeon-meteoriten.

Docent Richard Smith förklarar: "SRAS++-maskinen använder laser för att skapa och detektera akustiska vågor som finns på materialets yta vilket innebär att vi inte behöver röra provet och inte skada provet på något sätt. Detta är viktigt för prover som det finns begränsad tillgång av.

– Det finns inga publicerade värden för att direkt jämföra resultaten av den här studien eftersom icke-destruktiva mätningar av enkristallelasticiteten på granulärt material tidigare inte har varit möjliga. Så vi jämförde våra resultat med teoretiska värden för konstgjorda järn-nickellegeringar. Vi beräknade också bulkegenskaperna från våra enkristalliska elasticitetsmätningar och jämförde dem med publicerade mätningar på Gibeon-meteoriten och de stämmer väl överens.

Studien är publicerad i Scripta Materialia där man beskriver hur man med hjälp av en ny teknik som utvecklats och patenterats vid University of Nottingham, för första gången mätt denna viktiga egenskap. 

Gasbubblor trycks ut från ett stort svart hål.

 

Bilden https://www.durham.ac.uk  visar en illustratörs intryck av höghastighetsvindar, illustrerade i vitt, som kastas ut från närheten av ett supermassivt svart hål. Bild: JAXA 

Forskare har upptäckt att den ultrasnabba vinden som omger ett supermassivt svart hål inte är konstant och kontinuerlig som man tidigare antagit utan istället kan liknas av en snabb utkastad ström av gaskulor.

Energin som kastar ut dessa "gasbubblor" är mycket högre än man trott.

Upptäckten gjordes av ett internationellt forskarlag under ledning från Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) och med professor Christine Done från Centre for Extragalactic Astronomy.

Professor Done är en av  två europeiska forskare som får stöd av Europeiska rymdorganisationen (ESA) för att vara en del av Japanese/USA X-ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) som observerar den heta gas och plasmavind som yr genom galaxerna.

Ett supermassivt svart hål finns troligen i centrum av alla galaxer och dessa objekt har massor som är miljontals gånger större än vår sols. 

Över kosmisk tid tros dessa svarta hål i den galax vari de finns att ha utvecklats tillsammans i en tätt sammanlänkad process ( galax och svart hål antas ha utvecklats tillsammans). 

Men på grund av den stora skillnaden i storlek och massa är de exakta mekanismerna bakom denna interaktion oklara. Att avgöra samutvecklingen av galaxer och svarta hål till ett av de mest djupgående mysterierna inom modern astrofysik. 

En viktig ledtråd för att lösa detta pussel ligger i de kraftfulla gasflöden som drivs ut från områdena runt svarta hål i extremt höga hastigheter. 

Dessa vindar tros påverkat samevolutionen på två huvudsakliga sätt: genom att reglera tillväxten av svarta hål genom återkoppling som begränsar inflödet av materia och genom att injicera stora mängder energi i galaxen vilket potentiellt kan stoppa stjärnbildning i galaxen. 

Med hjälp av XRISM:s (Japanese/USA X-ray Imaging and Spectroscopy Mission ) kraftfulla spektroskopiska förmåga observerade forskargruppen vindar som färdades med 20 till 30 procent av ljusets hastighet från ett supermassivt svart hål.

De upptäckte för första gången att dessa vindar bestod av minst fem distinkta gaskomponenter, som var och en rörde sig med olika hastigheter. 

Det tyder på att gas periodvis kastas ut likt en gejser eller kanaliseras genom luckor i det omgivande interstellära mediet vilket utmanar långvariga teorier om samevolution mellan galaxer och svarta hål. 

Energin som finns dessa vindar är över 1 000 gånger högre än den hos vindar i galaktisk skala vilket dramatiskt förändrar vår förståelse av deras roll.   Läs hela studien i dess helhet i tidskriften Nature

Detta sker i månen Titans atmosfär

 

Bild wikipedia Vertikalt diagram över Titans atmosfär. Titan är Saturnus största måne och näst störst i vårt solsystem. Störst måne är Jupiters måne Ganymedes vilken är större än planeten Merkurius.

På Titan har metan en liknande roll som vatten på jorden när det gäller väder. Det avdunstar från ytan och stiger upp i atmosfären, där det kondenseras och bildar moln av metan likt vattenånga gör på jorden. Ibland droppar metan ur molnen likt regn på jorden och då som ett kyligt oljigt regn ner på titans yta bestående av frusen is av vatten som är lika hård som stenytan.

"Titan är den enda platsen i vårt solsystem som likt jorden har väder, i den meningen att den har moln och nederbörd på sin yta", förklarar huvudförfattaren till en ny studie Conor Nixon vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Teamet observerade Titan i november 2022 och juli 2023 med hjälp av  Webbteleskopet och ett av de två markbaserade W.M. Keck Observatoriets teleskop. Observationerna visade inte bara moln på de mellersta och höga nordliga breddgraderna på Titan - halvklotet där det för närvarande är sommar - utan visade också att moln uppenbarligen steg till högre höjder över tid.

 Tidigare studier har observerat molnkonvektion på sydliga breddgrader. Men detta är första gången bevis finns för sådan konvektion sker i norr. Detta är viktigt eftersom de flesta av Titans sjöar och hav finns på norra halvklotet och avdunstning från sjöar är en stor potentiell metankälla. Den totala sjöytan på Titan är jämförbar med de stora sjöarna i Nordamerika.

På jorden sträcker sig det lägsta lagret av atmosfären, eller troposfären upp till en höjd av cirka 12 kilometer. På Titan med lägre gravitation har gjort det möjligt för de atmosfäriska lagren att expandera upp till cirka 45 kilometer i troposfären.

Webb och Keckteleskopen använde i studien olika infraröda filter för att undersöka olika djup i Titans atmosfär vilket gjorde det möjligt för astronomer att uppskatta molnens höjder. Forskarteamet observerade moln som verkade röra sig till högre höjder under flera dagar även om de inte direkt då kunde se någon nederbörd.

Resultaten av studien publicerades i tidskriften Natur Astronomi 

Utforskning Vintergatans magnetiska turbulens gjort med hjälp av en ny datormodell

 

Bild https://www.artsci.utoronto.ca  En sammansatt fantombild av Vintergatan (infälld) en högupplöst simulering av galaktisk turbulens med magnetfältslinjer i vitt. Foto: ESA/Webb, NASA & CSA, J. Lee och PHANGS-JWST-teamet; Erkännande: J. Schmidt; Simulering: J. Beattie.

Turbulens är  ett av de största olösta problemen inom klassisk mekanik", beskriver James Beattie, postdoktoral forskare vid Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) vid fakulteten för  Arts & Science vid University of Toronto och som även har en delad tjänst vid Princeton University.

"Detta trots att turbulens finns överallt: från virvlande mjölk i en kaffekopp till kaotiska flöden i hav, solvind, interstellärt medium, till plasmat mellan galaxer.

– Den viktigaste skillnaden i astrofysikaliska miljöer är närvaron av magnetfält, som i grunden förändrar karaktären hos turbulenta flöden, beskriver Beattie.

Beattie är huvudförfattare till en ny artikel i tidskriften Nature Astronomy som beskriver den datorsimulering som han och hans medarbetare har utvecklat för att i aldrig tidigare skådad detalj studera magnetism och turbulens i det interstellära mediet (ISM). Det stora hav av gas och laddade partiklar som finns mellan stjärnorna i Vintergatan.

Modellen är den mest kraftfulla hittills och krävde samma beräkningskapacitet som superdatorn SuperMUC-NG vid Leibniz Supercomputing Centre i Tyskland kan ge. https://doku.lrz.de/supermuc-ng-10745965.html

Även om det finns mycket färre partiklar i den interstellära rymden än i experiment med ultrahögt vakuum på jorden är  rörelserna tillräckliga för att generera ett magnetfält, inte olikt hur rörelsen av vår planets smälta kärna genererar jordens magnetfält.

Och även om det galaktiska magnetfältet är några miljoner gånger svagare än en kylskåpsmagnet är det ändå en av de krafter som formar kosmos.

Den största versionen av Beatties datamodell visar en kub med 10 000 enheter på en sida som ger mycket större detaljrikedom än tidigare modeller. Förutom den höga upplösningen är modellen skalbar och kan som mest simulera en rymdvolym på cirka 30 ljusår på sidan. Som mest kan den skalas ner med en faktor på cirka 50

I sin största storlek kan modellen förbättra vår förståelse av Vintergatans totala magnetfält. När den skalas ner kan den hjälpa astronomer att bättre förstå mer "kompakta" processer som solvinden då den strömmar ut från solen och i hög grad påverkar jorden.

På grund av sin högre upplösning har modellen också potential att ge en djupare förståelse för hur stjärnor bildas. ”Vi vet att magnetiskt tryck motverkar stjärnbildning genom att trycka utåt mot gravitationen när gravitationen försöker kollapsa en stjärnbildande nebulosa” beskriver Beattie. "Nu kan vi kvantifiera i detalj vad vi kan förvänta oss av magnetisk turbulens på den typen av skalor."

Förutom den högre upplösningen och skalbarheten markerar modellen också ett betydande framsteg genom att simulera de dynamiska förändringarna i densiteten hos ISM (interstellärt medium) från ett otroligt litet vakuum till  den högre densitet som finns i stjärnbildande nebulosor.

För att läsa mer om hur Beattie arbetat läs  artikeln, "The spectrum of magnetized turbulence in the interstellar medium",  författad av Beattie  med flera forskare från Princeton University; Australiska nationella universitet; Australian Research Council Center of Excellence in All Sky Astrophysics; Universität Heidelberg; Centrum för Astrofysik, Harvard & Smithsonian; Harvarduniversitetet; och Bayerns akademi för vetenskap och humaniora.