Att använda stjärnljus för att mäta växthusgaser

 

Bild https://warwick.ac.uk/  Bild av EM27SUN instrument som observerar solen: Calar Alto astronomiska observatoriu(CAHA

Astronomer vid University of Warwick i samarbete med institutioner i Spanien visar hur astronomiverktyg som vanligtvis används för att studera stjärnor kan återanvändas som klimatsensorer vilket hjälper till att spåra hur jordens atmosfär förändras av den globala uppvärmningen.

På sin färd till jorden kan stjärnljus förändras när det interagerar med partiklar i områden som innehåller gas och stoft. Denna effekt är särskilt märkbar när ljus passerar genom vår atmosfär eftersom atmosfären introducerar linjer  i ljusmönstren som  från stjärnor i form av stjärnspektra.

Dessa linjer, kända som tellurlinjer är ett problem för astronomer, som försöker "rensa dem från oväsentlig data" sina observationer genom att ta bort de oönskade egenskaperna. Med hjälp av en en ny algoritm som kallas Astroclimes, utvecklad vid University of Warwick syftar till att utnyttja absorptionslinjerna som lämnas av molekyler i jordens atmosfär i stjärnspektra för att mäta mängden växthusgaser (GHG) på natten. såsom koldioxid (CO₂), metan (CH₄) och vattenånga (H₂O).

Marcelo Aron Fetzner Keniger, doktorand vid forskargruppen för astronomi och astrofysik vid Warwick och utvecklare av algoritmen Astroclimes, beskriver: "Att övervaka mängden växthusgaser är nödvändigt för att kvantifiera deras inverkan på den globala uppvärmningen och klimatförändringarna. Att använda tellurlinjer för att mäta förekomsten av växthusgaser i jordens atmosfär har använts i stor utsträckning med hjälp av solspektra, till exempel av COllaborative Carbon Column Observing Network (COCCON).

Men eftersom de är beroende av solspektra kan dessa mätningar bara utföras under dagen, så Astroclimes kan förhoppningsvis fylla luckan med mätningar nattetid. Spektra dagtid mättes med hjälp av en bärbar FTIR-spektrometer (EM27/SUN) från COCCON-Spaniens nätverk, tillfälligt installerad vid Calar Alto-observatoriet. Under natten analyserades stjärnljuset med hjälp av algoritmen Astroclimes som bygger på data från spektrografen CARMENES på observatoriets 3,5 m-teleskop. COCON-instrumentet kan härleda atmosfäriska koncentrationer av växthusgaser som är kalibrerade och i nivå med bestämd standard och används för att kalibrera de förekomster som uppmätts med Astroclimes-algoritmen.

Marcelo Aron lade till: – Om vi lyckas kalibrera astroklimat med hjälp av COCON-mätningar kan det ge ett nytt nätverk för att mäta växthusgaser, vilket kompletterar nuvarande nätverk med mätningar nattetid.

Observationerna under dagen som gjordes av EM27/SUN på cirka 2 100 meters höjd kompletterades med ett andra instrument på havsnivå vid universitetet i Almería (UAL). Joaquín Alonso Montesinos, universitetsprofessor och representant för UAL i COCCON-Spanien-projektet, beskriver: "Vi är tacksamma för att AEMET har räknat med oss i ett så viktigt projekt, som vi tror kommer att bli ett riktmärke i energiomställningen."

"Det nationella nätverket COCCON-Spain syftar till att ta itu med den latenta bristen på atmosfäriska växthusgasobservationer i Spanien genom att implementera ett nätverk av stationer för mätningar på nationell skala. Ett av huvudmålen för COCCON-Spanien-nätverket är att förbättra den nuvarande kunskapen om källor och sänkor för växthusgaser och på så sätt bidra till utvecklingen av strategier för begränsning av och anpassning till klimatförändringarna. betonar Omaira García-Rodríguez (AEMET-CIAI), samordnare för nätverket.

Jesús Aceituno, chef för observatoriet i Warwick sammanfattar: "Calar Alto, med sin solcellsanläggning och biomassapanna, siktar på att uppnå energihållbarhet. Dessa upptäckter av växthusgaser som gjorts med CARMENES visar att ett astronomiskt observatorium också kan användas för att övervaka vår planets klimat.

Bortom ett svart håls skugga

 

Bild https://tacc.utexas.edu/ Superdatorsimuleringar hjälper forskare att få förståelse av miljön bortom ett svart håls "skugga", materia precis utanför dess händelsehorisont. Ovan är en ögonblicksbild av strålningssimuleringar av det svarta hålet M87. Källa: DOI: 10.1093/mnras/staf200

De första bilderna av svarta hål togs 2019. Bilderna visade ett glödande munkformat objekt i centrum av galaxen Messier 87 (M87 – 55 miljoner ljusår från jorden). Superdatorsimuleringar hjälper nu forskare att få  mer förståelse av miljön bortom ett svart håls "skugga", materia precis utanför dess händelsehorisont.

"Ända sedan vi tog den första bilden av det svarta hålet har det pågått mycket arbete med att försöka förstå miljön runt det svarta hålet", beskriver Andrew Chael, forskare vid Princeton University och medlem av Princeton Gravity Initiative. Event Horizon Telescope Collaboration (EHT),  kopplar samman teleskop från hela världen för att bilda ett megateleskop som är ungefär lika stort som jorden. EHT använder en teknik som kallas Very Long Baseline Interferometry, en typ av astronomisk interferometri som används inom radioastronomi och som jämför teleskopsignaler för att sy ihop dessas bilder som löst upp det svarta hålet M87.

I bilden av det svarta hålet visas ljus från heta elektroner som kretsar runt omgivande magnetfältslinjer som ger synkrotronstrålning. 

"Vi vill förstå karaktären hos partiklarna i plasma som det svarta hålet slukar och detaljerna i magnetfälten blandade med plasmat som i M87 avfyrar enorma, ljusstarka jetstrålar av subatomära partiklar", beskriver Chael. Dennes forskargrupp är en av dem som använder avancerade simuleringar för att modellera det dynamiska samspelet mellan högenergirik plasma, kraftfulla magnetfält och den överväldigande gravitationen nära svarta hål. Dessa krafter verkar inte isolerat  de interagerar på komplexa, återkopplingsdrivna sätt som gör det möjligt för svarta hål att konsumera omgivande materia, skicka iväg jetstrålar över stora avstånd och avge en glödande strålning som fångas upp av Event Horizon Telescope. Chaels senaste framsteg inom  simuleringsteknik beskrivs i hans studie  som publicerades i februari 2025 i Monthly Notices of the Astronomical Society.

Simuleringar som visar de elektriskt laddade partiklarna av protoner och elektroner i plasmat som omger det svarta hålet som ses som en vätska. Högupplösta simuleringar avslöjade att även om det svarta hålets skugga förblir anmärkningsvärt konsekvent i storlek och allmän struktur  år från år är den långt ifrån statisk. Dessutom skiftar den ljusaste punkten på ringen över tid, drivet av turbulent blandning och dynamiska flöden av plasma nära händelsehorisonten. 

När olika områden av gas värms upp eller kyls ner på grund av dessa kaotiska processer, utvecklas det svarta hålets utseende subtilt men mätbart.

Detaljer i den komplexa planetariska nebulosan NGC 6072

 

Bild https://webbtelescope.org/ James Webb Space Telescopes bild av den planetariska nebulosan (planetarisk nebulosa är ett astronomiskt objekt som består av materia som små och medeltunga stjärnor i slutfasen av sitt liv stöter ut.) NGC 6072 (ca 3100 ljusår från oss i skorpionens stjärnbild) Bilden ses i kortvågigt infrarött ljus

Astronomer använder Webbteleskopet till att studera planetariska nebulosor för att lära sig mer om stjärnornas hela livscykel och hur de påverkar sin omgivande miljö. Webbteleskopets senaste titt på den planetariska nebulosan NGC 6072 i kort- och mellaninfrarött ljus visar en mycket kaosartad scen som liknar stänkt färg. Det ovanliga, asymmetriska utseendet tyder dock på att mer komplicerade mekanismer sker. Ex ses en stjärna i centrum som närmar sig de allra sista stadierna av sin existens och kastar ut skal av materia och förlorar upp till 80 procent av sin massa. 

Om man först ser på bilden från Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) är det uppenbart att denna nebulosa är multipolär. Det innebär att det finns flera olika elliptiska utflöden som sprutar ut i två riktningar från mitten. Ett från klockan 11 till 5, ett annat från klockan 1 till 7 och eventuellt ett tredje från klockan 12 till 6. Utflödena antas komprimera material i utflödena vilket resulterar i en skiva som ses vinkelrätt mot den.

Astronomer anser att detta visar att det troligen finns minst två stjärnor i centrum av bilden. En närliggande stjärna som växelverkar med en åldrande stjärna som redan har börjat göra sig av med några av sina yttre lager av gas och stoft.

Den centrala delen av den planetariska nebulosan lyser från den heta stjärnkärnan, som ses som en ljusblå nyans i kortvågigt infrarött ljus. Det mörkorange materialet består av gas och damm och följer fickor (öppna områden) som ses mörkblå ut. Detta kunde skapas när täta molekylmoln bildades samtidigt som de skyddades från het strålning från den centrala stjärnan. Det kan också finnas en tidsfaktor som spelat in. Under tusentals år kan kraftiga inre vindar plöja igenom den halo som kastades ut från huvudstjärnan när den först började förlora massa.

De längre våglängderna som fångats av Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument) framhäver stoft och avslöjar stjärnan som forskarna misstänker kan vara central i denna scen. Den visas som en liten rosa-vitaktig prick i den här bilden.

Webbteleskopet avslöjar också i de mellaninfraröda våglängderna koncentriska ringar som expanderar från den centrala regionen.

Detta kan vara ytterligare bevis på en sekundär stjärna i mitten av bilden som är dold för oss. Sekundärstjärnan, som cirklar upprepade gånger runt den ursprungliga stjärnan, kan ha karvat ut ringar av material i ett bullseye-mönster när huvudstjärnan kastade ut massa under ett tidigare skede av sin existens.

Ringarna kan också antyda någon form av pulsering som resulterade i att gas eller stoft kastades ut likformigt i alla riktningar med kanske tusentals års mellanrum.

De röda områdena i NIRCam och de blå områdena i MIRI visar båda kall molekylär gas (troligen molekylärt väte) medan de centrala regionerna visar het joniserad gas.

Efter hand som stjärnan i mitten av en planetarisk nebulosa svalnar och bleknar, kommer nebulosan gradvis att försvinna in i det interstellära mediet och bidra med material som kan bilda nya stjärnor och planetsystem som  kommer att innehålla  tyngre grundämnen.

Nya rön om lavaplaneter

 

Bild https://www.yorku.ca/ Illustration av den inre strukturen av en lavaplanet i kallt tillstånd, som visar en magmahav på dagsidan överlagrad av en mineralatmosfär. Pilarna anger riktningen för värmetransporten i planetens inre och den värmestrålning som avges från dess nattsida. Upphovsman: Romain Jean-Jaques (Instagram: @romainjean.jacques)

"Lavaplaneter befinner sig i så extrema omloppsbanor runt sina stjärnor att vår kunskap om stenplaneter i solsystemet inte är direkt tillämplig för dem vilket gör forskarna osäkra på vad de kan förvänta sig när de observerar lavaplaneter", beskriver fhuvudförfattare till en ny artikel Charles-Édouard Boukaré, biträdande professor vid York Universitys avdelning för fysik och astronomi vid naturvetenskapliga fakulteten.

"Våra simuleringar föreslår ett konceptuellt ramverk för att tolka deras evolution och ger scenarier för att undersöka deras interna dynamik och kemiska förändringar över tid. Dessa processer, även om de är kraftigt förstärkta hos lavaplaneter, är i grunden desamma som de som formar stenplaneter i vårt solsystem.

Artikeln, "The role of interior dynamics and differentiation on the surface and atmosphere of lava planets", är skriven av Charles-Édouard Boukaré, försteförfattare   Assistant Professor in York University’s Department of Physics and Astronomy in the Faculty of Science.  Daphné Lemasquerier (University of St Andrews), Nicolas B. Cowan (McGill University), Lisa Dang (University of Waterloo), Henri Samuel, James Badro, Aurélien Falco och Sébastien Charnoz (Université Paris Cité).

Med hjälp av oöverträffade numeriska simuleringar förutsäger teamet två evolutionära tillstånd i slutändan:

• Helt smält inre (troligen unga planeter): Atmosfären speglar planetens sammansättning, och värmetransporten inuti det smälta inre håller nattytans yta varm och dynamisk.

• Mestadels fast inre (troligen äldre planeter): Endast ett grunt lavahav finns kvar på dagsidan och atmosfären blir utarmad på grundämnen som natrium, kalium och järn.

Boukaré förklarar att denna forskning på exoplaneter av lava började som ett mycket utforskande arbete med få initiala förväntningar. Det bygger på en ny modelleringsmetod som han utvecklade för att studera smälta stenplaneter i samarbete med kollegor vid Institute de Physique du Globe de Paris, Université Paris Cité, som publicerades i Nature tidigare i år.

Det som började som en explorativ studie har sedan dess öppnat en lovande ny forskningslinje. Förutsägelserna som beskrivs i detta arbete bidrog till att säkra 100 timmars observationstid på James Webb Space Telescope (JWST) – det mest avancerade infraröda observatorium som någonsin byggts, med en 6,5 meter lång segmenterad spegel och ultrakänsliga instrument som kan undersöka de tidigaste galaxerna och atmosfären hos avlägsna exoplaneter med oöverträffad precision. Dessa kommande JWST-observationer, ledda av medförfattaren Prof. Dang, kommer direkt att testa det teoretiska ramverket som föreslås i denna studie.

– Vi hoppas verkligen att vi kan observera och skilja gamla lavaplaneter från unga lavaplaneter. Om vi kan göra detta skulle det vara ett viktigt steg mot att gå bortom den traditionella ögonblicksbilden av exoplaneter, påtalar Boukaré.

Ljudstörning från det tidiga universum kan tolkas som att vi finns i ett gigantiskt tomrum

 

Bild https://theconversation.com  Illustration som visar att något fler galaxer bildats längs krusningarna av de ursprungliga ljudvågorna (markerade med blått) än någon annanstans. Sedan sträcktes galaxernas ringar ut i takt med universums expansion. Övriga galaxer är nedtonade i  bilden för att  effekten lättare ska ses. Nasa

Om man ser upp på natthimlen kan det verka som om vårt kosmiska grannskap är fullt av planeter, stjärnor och galaxer. Men forskare har länge föreslagit att det kan finnas mycket färre galaxer i vår kosmiska omgivning än vad man tror.

I själva verket verkar det som om vi lever i ett gigantiskt kosmiskt tomrum med ungefär 20 % lägre densitet än den genomsnittliga densiteten av materia i övriga kosmos.

Alla fysiker är inte övertygade om att så är fallet. Men i en ny artikel i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society beskrivs teorin.

Kosmologin befinner sig i en kris och krisen är Hubbles lag  : då det lokala universumet verkar expandera cirka 10 procent snabbare än väntat. Den förutspådda hastigheten kommer från extrapolering av observationer av det unga universum fram till idag med hjälp av standardmodellen för kosmologi, känd som Lambda-Cold Dark Matter (ΛCDM). 

Vi kan observera det tidiga universum i detalj genom den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), en relik från det tidiga universum när det var 1 100 gånger mindre än det är idag. Ljudvågor i det tidiga universum skapade slutligen områden med låg och hög densitet och temperaturer.

Genom att studera CMB:s temperaturfluktuationer på olika skalor kan vi i princip "lyssna" på ljudet från det tidiga universum som är särskilt "bullrigt" på vissa skalor. beskriver Banik och tillägger "Mina kollegor och jag har tidigare argumenterat för att spänningen i Hubble-systemet kan bero på att vi befinner oss i ett stort tomrum. Det beror på att den glesa mängden materia i tomrummet skulle attraheras av gravitationen till den tätare materian utanför det, och materia kontinuerligt flödar ut ur tomrummet.

I tidigare forskning har vi (studiens forskare Indranil BaniPostdoktoral forskare i astrofysik, University of Portsmouth, Vasileios Kalaitzidis Scottish Universities Physics Alliance, University of Saint Andrews, North Haugh, Saint Andrews, Fife KY16 9SS, Storbritannien) visat att detta flöde skulle få det att se ut som om det lokala universumet expanderar cirka 10 % snabbare än väntat. Det skulle lösa Hubbles lags motsättning.

Men de ville ha mer bevis. Och vi vet att ett lokalt tomrum skulle förvränga förhållandet mellan BAO-vinkelskalan och rödförskjutningen något på grund av den snabbare rörliga materian i tomrummet och dess gravitations effekt på ljuset utifrån.

Lever vi i ett gigantiskt tomrum? Det skulle kunna lösa gåtan med universums expansion

Så i den nya artikel har Vasileios Kalaitzidis och Indranil försökt testa tomrumsmodellens förutsägelser med hjälp av BAO-mätningar som samlats in under de senaste 20 åren. De jämförde tidigare  resultat med modeller utan tomrum under samma bakgrundsexpansionshistorik.

I den tomma modellen ska BAO-linjalen se större ut på himlen vid varje given rödförskjutning. Och detta överskott borde bli ännu större vid låg rödförskjutning (nära avstånd), i linje med Hubbles lag.

Observationerna bekräftar denna förutsägelse. Våra resultat tyder på att ett universum med ett lokalt tomrum är ungefär hundra miljoner gånger mer sannolikt än ett kosmos utan ett sådant, när man använder BAO-mätningar och antar att universum expanderar enligt standardmodellen för kosmologi som ses av CMB.

Vår forskning visar att ΛCDM-modellen utan något lokalt tomrum befinner sig i "3,8 sigma-spänning" med BAO-observationerna. Detta innebär att sannolikheten för ett universum utan ett tomrum som passar dessa data är mindre sannolik. Kort sagt  modeller som visar tomrum passar insamlad data ganska bra.

Vädersolar (sun dogs) kan uppstå på vissa exoplanter

 

Bild wikipedia Mycket ljusa vädersolar  i Fargo, North Dakota. Man kan också se delar av 22° halo (bågarna som passerar genom varje väderbåge), en solpelare (den vertikala linjen) och en parhelisk cirkel (den horisontella linjen).

Iskristaller i jordens atmosfär är ibland exakt rätt inriktade för att skapa olika visuella effekter av en halo runt månen till ljusa fläckar som kallas vädersolar på vardera sidan av solen på en vinterhimmel, eller en pelare med regnbågar, som kallas en kronblixt ovanför ett stormmoln.

Cornell-astronomer har funnit att liknande fenomen kan dyka upp på himlen över vissa exoplaneter. De så kallade heta Jupiter-sorten. En vanlig typ av gasformiga jätteplaneter som kretsar nära sin värdstjärna. På WASP 17b , en het exoplanet i Jupiterklassen kan vindar på 10 000 kilometer i timmen rikta in partiklar i moln som består av kvarts och andra kristallina mineralaerosoler. Detta ger förhållanden där polariserande stoft troligen kan interagera med stjärnljus på samma sätt som iskristaller interagerar med solljus på jorden.

"Precis som bildningen av iskristaller i jordens atmosfär får observerbara fenomen, kan vi observera inriktningen av silikatkristaller i heta Jupiter-exoplaneter", beskriver Elijah Mullens, MS '24, doktorand i astronomi och medförfattare till studien.

"Silicate Sundogs: Probing the Effects of GrainDirectionality in Exoplanet Observations" publicerad i The Astrophysical Journal Letters den 21 juli. I artikeln föreslår Mullens och medförfattaren Nikole Lewis, docent i astronomi vid College of Arts and Sciences, att förhållandena är de rätta i exoplanetens atmosfär för att vinden ska kunna rikta in silikatkristaller. En process som kallas mekanisk inriktning vilken skapar visuella effekter.

Högenergirika partiklar i rymden kan bevara liv under Mars yta.

 

Bild wikipedia Mars i naturlig färg tagen av Förenade Arabemiratens första rymdsond. rymdsonden Hope. Tharsis Montes kan ses i mitten, med Olympus Mons precis till vänster och Valles Marineris till höger.

I en ny studie från NYU Abu Dhabi beskrivs hur man funnit att högenergirika partiklar från rymden i form av kosmisk strålning, kan skapa den energi som behövs för att stödja liv under dess yta på planeter och månar i vårt solsystem.

NYU Abu Dhabi är det första omfattande liberala konst- och forskningscampuset i Mellanöstern som drivs utomlands av ett stort amerikanskt forskningsuniversitet. Times Higher Education rankar NYU ses som de 35 bästa universiteten i världen, vilket gör NYU Abu Dhabi till det högsta globalt rankade universitetet i Förenade Arabemiraten och MENA-regionen. NYU Abu Dhabi har integrerat en mycket selektiv läroplan för grundutbildningen.

Forskningsresultatet visar att kosmisk strålning inte bara kan vara ofarlig i vissa miljöer utan även kan hjälpa mikroskopiskt liv att överleva. Detta studieresultat utmanar den traditionella uppfattningen att liv bara kan existera i direkt solljus eller vulkanisk värme.

Teamet fokuserade på vad som händer när kosmisk strålning träffar vatten eller is under marken. Händelsen bryter sönder vattenmolekyler och frigör små partiklar  i form av elektroner. Vissa bakterier på jorden kan använda dessa elektroner till energi, på samma sätt som växter använder solljus. Processen kallas radiolys , och processen kan bevara liv även i mörka, kalla miljöer utan solljus.

Med hjälp av datorsimuleringar har forskarna studerat hur mycket energi denna process skulle kunna ge på Mars och på de isiga månarna runt Jupiter och Saturnus. Dessa månar är täckta av tjocka lager av is och tros innehålla vatten under isen. I studien fann visas att Saturnus isiga måne Enceladus hade störst potential att stödja liv på detta sätt, följt av Mars och därefter Jupiters måne Europa.

- Upptäckten förändrar vårt sätt att tänka på var liv kan finnas, beskriver Dimitra Atri, försteforskare vid Space Exploration Laboratory vid NYUAD:s Center for Astrophysics and Space Science (CASS och som var den som ledde forskningsprojektet. 

– I stället för att bara leta efter solvarma planeter kan vi nu titta på platser som är kalla och mörka, så länge de har lite vatten under ytan och utsätts för kosmisk strålning. Livet kanske kan överleva på fler platser än vi kan föreställa oss."

Studien introducerar en ny idé som kallas den Radiolytic Habitable Zone. Till skillnad från den traditionella "Guldlockszonen" området runt en stjärna där en planet kan ha flytande vatten på sin yta fokuserar denna nya zon på platser där vatten finns under jorden och kan aktiveras av kosmisk strålning. Eftersom kosmisk strålning finns i hela rymden kan det betyda att det finns många fler platser i universum där liv kan existera än vi trodde.

Resultaten ger ny vägledning för framtida rymdfärder. I stället för att bara leta efter tecken på liv på ytan kan forskare också utforska underjordiska miljöer på Mars och de isiga månarna med hjälp av verktyg som kan upptäcka kemisk energi under ytan som skapats av kosmisk strålning.

Studien, som är publicerad i International Journal of Astrobiology,  av Dimitra Atri, med kolleger vid Space Exploration Laboratory vid NYUAD:s Center for Astrophysics and Space Science (CASS).