Ett försök att försöka identifiera och finna mörk materia

 

Bild https://www.stsci.edu

Nancy Grace Roman Space Telescope som senast 2027 ska börja sitt uppdrag kommer att identifiera över 160 000 gravitationslinser för att förstora bakgrundsgalaxer som fanns i det tidiga universum på jakt efter mer information om mörk materia.

Mängden gravitationslinser som bakgrundsljuset kan ge beror på den mellanliggande massan. Mindre massiva klumpar av mörk materia orsakar mindre förvrängningar. Som ett resultat, om forskare kan mäta mindre mängder massa, kan de upptäcka och karakterisera mindre massiva strukturer av mörk materia. De typer av strukturer som gradvis smälte samman över tid för att bygga upp de galaxer vi ser idag.

Med Roman kommer teamet att få en stor samling  statistik om storleken och strukturen av tidiga galaxer. – Att hitta gravitationslinser och kunna upptäcka klumpar av mörk materia genom dem är ett spel med små odds. Med Roman kan vi kasta ut ett brett nät och förväntar oss att ha tur ofta, beskriver Bryce Wedig, doktorand vid Washington University i St. Louis vilken även ledde studien om projektet som är publicerat i AstrophysicalJournal 

 – Vi kommer inte att se mörk materia i bilderna gå den är den osynlig  men vi kan mäta dess effekter, beskriver han.

– I slutändan är frågan vi försöker få svar på: Vilken partikel eller vilka partiklar utgör mörk materia? Daylan tillade. – Även om vissa egenskaper hos mörk materia är kända, har vi i princip ingen aning om vad mörk materia består av. Romanteleskopet kommer att hjälpa oss att urskilja hur mörk materia är fördelad på små skalor och därmed dess partikelnatur.

Innan Roman skjuts upp kommer teamet också att söka efter gravitationslinser för observationer från ESA:s (European Space Agencys) Euclid-uppdrag och det kommande markbaserade Vera C. Rubin-observatoriet i Chile vilket är ett observatorium som  kommer att påbörja sin fullskaliga verksamhet om några veckor. När Romans infraröda bilder kommer in kommer forskarna att kombinera dem med kompletterande bilder av synligt ljus från Euklides, Rubin och Hubbleteleskopet för att maximera sökningen efter data.

"Vi kommer att tänja på gränserna för vad vi kan observera och använda varje gravitationslins som vi upptäcker med Roman för att fastställa partikelnaturen av mörk materia", beskriver Tansu Daylan, huvudforskare för forskarteamet som genomför detta forskningsprogram. Daylan är biträdande professor och fakultetsmedlem vid McDonnell Centrum för rymdvetenskap vid Washington University i St. Louis.

Uranus månar överraskar forskare

 

Bild https://www.stsci.edu/ några av Uranus månar

De fyra månarna i denna studie var Uranus månar Ariel, Umbriel, Titania och Oberon vilka tidvis är låsta till Uranus och då alltid har samma sida mot eller från planeten (likt vår måne har konstant). Den sida av månen som är vänd mot Uranus färdriktning kallas det ledande halvklotet, medan den andra sidan  (nattsidan) kallas det efterföljande halvklotet. Tanken med studien var i utgångsläget att laddade partiklar som fångats längs magnetfältslinjerna i första hand träffade varje månes bakre sida vilket skulle göra det halvklotet mörkare.

"Uranus är annorlunda så det har alltid varit osäkert hur mycket magnetfältet faktiskt interagerar med sina satelliter", förklarar forskaren Richard Cartwright vid Johns Hopkins University's Applied Physics Laboratory. "Till att börja med lutar Uranus 98 grader i förhållande till ekliptikan.”

Det innebär att Uranus är dramatiskt tippad i förhållande till de andra planeternas omloppsplan i solsystemet. Den färdas mycket långsamt runt solen på sidan sp den fullbordar sin 84 år långa omloppsbana. En magnetosfär är ett område som omger en himlakropp där partiklar med en elektrisk laddning påverkas av det astronomiska objektets magnetfält.

I synnerhet förutspådde teamet att baserat på interaktioner med Uranus magnetosfär, skulle  (dagsidan som det kallas för vår måne)  dessa tidvattenlåsta månar, som alltid är vända i samma riktning som de kretsar runt planeten, vara ljusare än de "släpande" sidorna (nattsidan), som alltid är vänd bort. Detta skulle bero på att strålningen förmörkas av laddade partiklar som elektroner som är fångade i Uranus magnetosfär.

Istället fann man med hjälp av Hubbleteleskopet inga bevis för mörkning på månarnas bakre sidor och tydliga bevis för mörkning av de främre sidorna av de yttre månarna. Detta överraskade teamet och tyder på att Uranus magnetosfär kanske inte interagerar så mycket med sina stora månar vilket motsäger befintliga data som samlats in över kortvågiga infraröda våglängder.

Baserat på dessa fynd misstänker Cartwright och hans team att Uranus magnetosfär kan vara ganska lugn eller att den kan vara mer komplicerad än man tidigare ansett. Kanske sker interaktion mellan Uranus månar och magnetosfären, men av någon anledning orsakar det inte asymmetri i de främre och bakre halvkloten som forskarna misstänkt.

Svaret finns ännu inte utan kommer att kräva ytterligare undersökning av Uranus, dess magnetosfär och dess månar. Framtida kompletterande data från NASA:s James Webb Space Telescope kommer att bidra till att ge en mer omfattande förståelse av Uranus satellitsystem och dess interaktioner med Uranus magnetosfär.

En exoplanets märkliga omloppsbana

 

Bilden https://webbtelescope.org  visar 14 Herculis c, en planet som kretsar kring en stjärna 60 ljusår från jorden. Bilden togs med koronagrafen på NASA:s James Webb Space Telescopes NIRCam (Near-Infrared Camera). En stjärnsymbol på bilden markerar platsen för stjärnan 14 Herculis, vars ljus har blockerats av koronagrafen och visas här som en mörk cirkel i vitt.

Exoplaneten, 14 Herculis c, som finns 60 ljusår bort från oss är en av de kallaste planeter som hittats. Det har hittats nästan 6 000 exoplaneter men endast ett litet antal av dem har avbildats direkt, De flesta av dem är mycket heta (hundratals grader celcius). 14 Herculis c, har en massa av cirka 7 gånger mer änvad  planeten Jupiter har och en temperatur av minus 3 grader Celsius. Dess sol stjärnan 14 Herculis, kan jämföras med vår sol i ålder och temperatur men den är lite mindre massiv och är svalare.

Det finns två planeter i detta system. 14 Herculis b finns närmast stjärnan och täcks av den koronagrafiska masken i Webb-bilden ovan. Planeterna kretsar inte runt sin sol på samma plan som planeter i vårt solsystem. Istället korsar de varandra som ett "X", med stjärnan (solen) i mitten. Det vill säga omloppsplanen för de två planeterna lutar i förhållande till varandra i en vinkel på cirka 40 grader. Planeterna drar i varandra genom gravitation när de kretsar runt stjärnan.

Det här är första gången som en bild har tagits av en exoplanet i ett så som vi ser det felriktat system.

Forskare arbetar utefter flera teorier om hur planeterna i detta system kom så "ur spår". Ett av de ledande koncepten är att dessa planeter spreds ut efter att en tredje planet våldsamt kastades ut ur systemet tidigt i planetsystemets bildande.

"Om en planet med en viss massa bildades för 4 miljarder år sedan och sedan svalnade över tiden eftersom den inte har någon energikälla som håller den varm kan vi förutsäga hur varm den borde vara idag", beskriver Daniella C. Bardalez Gagliuffi vid Amherst College, medförfattare till en artikel om studien tillsammans med William Balmer, co-first author of the new paper and graduate student at Johns Hopkins University. "Tillagd information, som den upplevda ljusstyrkan vid direkt avbildning, skulle i teorin stödja denna uppskattning av planetens temperatur."

– Den här exoplaneten är så kall att de bästa jämförelserna vi har som är välstuderade är de kallaste bruna dvärgstjärnorna, beskriver Bardalez Gagliuffi. – I dessa objekt som är liknande som 14 Herculis c, ser vi att koldioxid och kolmonoxid existerar vid temperaturer där vi borde se metan. Detta förklaras med att atmosfären snurrar. Molekyler som bildas vid varmare temperaturer i den lägre atmosfären förs till den kalla övre atmosfären mycket snabbt.

Forskare hoppas att Webbs bild av 14 Herculis c bara är början av en ny fas i undersökningen av detta märkliga system.

Även om den lilla ljuspricken som Webb fick fram innehåller en uppsjö av information, kan framtida spektroskopiska studier av 14 Herculis bättre begränsa de atmosfäriska egenskaperna hos denna intressanta planet och hjälpa forskare att förstå dynamiken och bildningsvägarna i systemet.

Forskarlagets resultat omfattar 14 Herculis c och har accepterats för publicering i The Astrophysical Journal Letters och presenterades vid en presskonferens på tisdagen vid det 246:e mötet för American Astronomical Society i Anchorage, Alaska. För kontakt om detta arbete ses sidan här där kontaktuppgifter till Hannah Braun Space Telescope Science Institute, Baltimore och  Christine Pulliam Space Telescope Science Institute, Baltimore.

Stoft i rymden kan störa teleskop på jorden

 

Bild https://www.pickpik.com/

Astronomer som ser på avlägsna objekt i tid och rum får ofta stoffstörningar i sitt teleskops synfält. Det är svårt att ta en närmare titt på en galax som bildades för till exempel fem miljarder år sedan eftersom det finns mycket partiklar som flyter omkring i själva galaxen och blockerar sikten.

Med hjälp av James Webb Space Telescope (JWST) har Anna Sajina, professor i astronomi och astrofysik vid Tufts Universitet i Boston Massachusetts, studerat hur galaxer och svarta hål bildas.

Tillsammans med kollegor har hon upptäckt att det istäckta stoftet i en avlägsen galax liknar stoft av det slag som finns närmare oss. Upptäcktent kommer att göra det möjligt för astronomer att mer exakt kalibrera sina beräkningar för att mäta saker som stjärn- och svarta hålbildning i det tidiga universum.

Svårigheten med att studera dessa avlägsna tidsperioder  är att bildandet av stjärnor och svarta hål är mycket skymt av stoft. I sin forskning fokuserar Sajina på stoffskymda system och på att "förstå hur man korrigerar för effekterna av damm", påtalar hon.

Stoft absorberar stjärnljus och sänder ut det i det infraröda spektrumet är osynligt för det mänskliga ögat. En stor del av astronomernas förståelse av stjärnbildning "bygger på förmågan att korrigera för stoftets störning", beskriver Sajina. "För att korrigera för det måste man göra vissa antaganden om dammets egenskaper."

Stoftet mellan stjärnorna består av små korn av ex kol, kisel och järn. "Platser där stjärnor bildas är fyllda med kall, tät gas och är rikt på stoft. Det är därför stjärnbildning är skymd av stoft." Det interstellära stoftet står också för en stor del av råmaterialet för den slutliga planetbildningen.

Forskarna använde Webbteleskopets instrument för att se i mellaninfrarött ljus,

Sajinas arbete fokuserade på en galax cirka fem miljarder ljusår bort, vilket innebär att ljuset som nådde JWST lämnade galaxen för cirka fem miljarder år sedan. Galaxen har beteckningen SSTXFLS J172458.3+591545, och här finns ett dolt svart hål (stoff mellan oss o hålet gör det dolt i synligt ljus) som aktivt växer genom att konsumera interstellär gas, en så kallad aktiv galaxkärna.

Med den höga känsligheten hos Webbteleskopet kunde forskarna upptäcka molekyler i fast form som is av koldioxid, kolmonoxid och vatten på stoftkornen.

"Vi har upptäckt molekyler och till och med mycket komplexa molekyler i rymden i form av gaser under lång tid", beskriver Sajina, men det här är första gången "som vi tittar direkt på de fasta ishöljena på stoftkornen."

Observationer bortom Vintergatan av dessa objekt "är väldigt, väldigt sällsynta – de här är de första som kunde undersökas bortom det lokala universum flera miljarder år tillbaka i tiden", beskriver hon. "Spektradetaljerna är så mycket bättre att vi kan förstå mer om kemin som finns på ytorna hos dessa korn."

Forskarna fann att sammansättningen av de istäckta stoftpartiklarna "i princip är densamma som den vi ser i objekt i vår egen galax och mycket närliggande objekt", beskriver Sajina. Så om det för fem miljarder år sedan bildades planeter i dessa avlägsna galaxer skulle de ha samma råmaterial som vi hade i Vintergatan.

Studien publicerades nyligen i AstrophysicalJournal. 

Här bildas en stor gasplanet.

 

Bilden ovan från https://www.universityofgalway.ie visar en version av den protoplanetära skivan som omger stjärnan 2MASSJ16120668-3010270. Här ses att det finns flera strukturer i skivan, till exempel en yttre ring, ett gap och små spiralarmar i det inre av skivan. Stjärnan finns 42 ljusår bort i Harens stjärnbild

För att förstå varför mångfalden av planetsystem och i slutändan vad som krävs för att skapa något som liknar vårt eget solsystem vrider vi tillbaka klockan och tittar på de allra yngsta solsystemen med planeter som fortfarande håller på att bildas. Med hjälp av European Southern Observatories "Very Large Telescope" i Chile har det nyligen tagits en bild av skivan som omger stjärnan 2MASSJ16120668-3010270. Skivan, som ses i bilden  ovan visar alla kännetecken på en plats där planeter för närvarande bildas. I synnerhet är kombinationen av den yttre ringen och de inre spiralstrukturerna något som förutsägs i teorin om växelverkan mellan planet och skiva. Baserat på de egenskaper i skivan som vi ser tror vi att det bildas en massiv gasjätte i denna skiva beskriver Anna Sajina, professor i astronomi och astrofysik vid Tufts university Medford, Massachusetts vilkens ord fortsätter nedan.

Då den i astronomisk tid måste ha bildats ganska nyligen ca en miljon år sedan är planeten fortfarande mycket het och det borde vara möjligt att se den i infrarött ljus. Forskarna har säkrat tid på James Webb Space Telescope för att göra just det. Observationer bör genomföras inom de närmaste månaderna och förhoppningsvis kommer de snart att kunna visa en bild av planeten.

Med upptäckter  som denna är det alltid viktigt att förstå att resultat inom vetenskap och i synnerhet nutida observationer i astronomi i hög grad är en lagsport. I just denna studie ingick ett internationellt team av kollegor från 9 olika länder. Studiens medarbetare inkluderade flera av universitetets egna doktorander vid University of Galway. Utan dessa begåvade unga forskare hade man inte kunnat göra denna upptäckt. Så ett stort tack riktar Sajina till Chloe Lawlor, Jake Byrne och Dan McLachlan alla  medförfattare till den nya artikeln som kan läsas här. 

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.