Mysteriet med millisekundpulsarer

 

Bild wikipedia Karta över var pulsar PSR B1937+21  som  finns  i stjärnbilden Räven

PSR B1937+21 är en pulsar (en pulsar är en roterande neutronstjärna) som finns i stjärnbilden ”Den Lilla Räven” några grader från den först upptäckta pulsaren, PSR B1919+21. Denna den först upptäckta pulsaren gjordes av astrofysikern Jocelyn Bell och den engelske radioastronomen Antony Hewish den 28 november 1967.

I Vintergatan, i riktning mot stjärnbilden ”Den Lilla Räven” snurrar en kosmisk "fyr" med namnet PSR B1937+21 vilket är den som vi koncentrerar oss på i detta inlägg. Denna pulsar rör sig med den häpnadsväckande hastigheten av 642 varv per sekund. Den avger elektromagnetiska pulser som konkurrerar med precisionen hos atomklockor.

För första gången har en kinesisk forskargrupp fångat hela polarisationsmönstret av PSR B1937+21:s huvudpuls och interpuls när de varierar i frekvens. Studien beskrivs i The AstrophysicalJournal och ger avgörande bevis för strålningsmekanismer som verkar under extrema fysikaliska förhållanden.

Med hjälp av Murriyang (Parkes) 64-meters radioteleskopet i Australien, utrustat med en ultrabredbandsmottagare, genomförde doktoranden WANG Zhen vid Xinjiang Astronomical Observatory (XAO) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) under ledning av sina handledare, professor Yuan Jianping och professor WEN Zhigang,  tre år av ihållande observationer.

Forskarna avslöjade strålningshemligheterna bakom PSR B1937+21: att den linjära polarisationsgraden för huvudpulsen minskar när frekvensen ökar medan interpulsen visar den motsatta trenden; Den cirkulära polarisationsgraden i båda emissionsområdena stärks med ökande frekvens. Intensitetsförhållandet mellan huvud och interpuls följer ett effektlagsspektrum med ett index på 0,52±0,02.

PSR B1937+21 upptäcktes 1982 som en av de första millisekundpulsarerna och har en ultrakort rotationsperiod på 1,558 millisekunder. Dess magnetfältstyrka är bara en tiotusendel av vanliga pulsarers, vilket tyder på att den kan spinna upp via ackretion från en  närliggande stjärna. Forskarna använde ett ultrabredbandsmottagningssystem som täcker 704-4032 MHz, vilket ökade signal-brusförhållandet 20 gånger genom att integrera flerårsdata. Dessutom användes flödesdensitetsmätningar, dispersionsmätningar (DM) och Faradays rotationsmätningar för att härleda egenskaper hos det mellanliggande interstellära mediet.

Resultaten bekräftade att emissionshöjden minskar när frekvensen ökar vilket visar sig som en avsmalnande pulsbredd. Resultaten tyder också på att huvudpulsen och interpulsen sannolikt kommer från olika regioner inom neutronstjärnans  magnetosfär. Detta fynd ger observationsstöd för den "relativistic beaming model".

Upptäckterna kommer att främja forskningen inom neutronstjärnors magnetosfärsfysik och mekanismer för plasmastrålning, samtidigt som de kommer att erbjuda mer exakta tidsreferenser för detektion av gravitationsvågor.

TRAPPIST-1 e misstänks ha atmosfär och vatten.

 

Bild wikipedia på hur en illustratör tolkar hur planeten TRAPPIST-1 e som finns 39 ljusår från jorden i Vattumannens stjärnbild kan se ut från ovan.

Med hjälp av NASA:s JWST har forskare som en del av ett stort internationellt projekt sökte efter atmosfär på TRAPPIST-1e som kretsar inom den beboeliga zonen av den röda dvärgstjärnan TRAPPIST-1.

TRAPPIST-1e är av särskilt intresse eftersom närvaron av flytande vatten kan finnas här om planeten visas ha en atmosfär.

Forskarna riktade JWST:s kraftfulla instrument NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) mot solsystemet när planeten passerade framför sin sol. Stjärnljus som passerar genom planetens atmosfär, om det finns ett, kommer delvis att absorberas och motsvarande dippar i ljusspektrumet som når JWST berättar för astronomerna vilka grundämnen som finns där. Med varje ytterligare passage blir det atmosfäriska innehållet mer och mer analyserat.

De första resultaten, som publiceras i dagarna i två vetenskapliga artiklar i tidskriften Astrophysical Journal Letters  (en av artiklarna) indikerar flera möjliga scenarier, inklusive möjligheten av en atmosfär. Dr Hannah Wakeford, docent i astrofysik vid University of Bristol och en ledande medlem av JWST Transiting Exoplanet-teamet som hjälpte till att utforma observationsutrustningen till teleskopet för att säkerställa att forskarna får tillgång till intressant data.

"JWST:s infraröda instrument ger oöverträffad detaljrikedom och hjälper oss att förstå mycket  om vad som finns i en planets atmosfär och på dess yta i form av grundämnen.

Medförfattare till båda studierna, Dr David Grant, tidigare Senior Research Associate vid University of Bristol, förklarade: "Resultaten utesluter närvaron av en ursprunglig vätebaserad atmosfär. Detta är det gashölje som  huvudsakligen bestående av väte, som omgav många  planeter i dess tidiga bildningsstadier. Sådana atmosfärer tros vara gemensamma för både jätteplaneter och jordlika planeter i det tidiga solsystemet. Så en atmosfär om den finns är inte den ursprungliga likt vår inte är på jorden (vi har ju inte en atmosfär bestående av nästan enbart väte på jorden i dag).           

– Eftersom TRAPPIST-1 är en mycket aktiv stjärna, med frekventa solutbrott, är det inte förvånande att den väte-heliumatmosfär som planeten kan ha bildat skulle skalas bort av strålning. Många planeter, inklusive jorden, bygger upp en tyngre sekundär atmosfär efter att ha förlorat sin primära atmosfär. Det är möjligt att planeten aldrig kunde göra detta och inte har en sekundär atmosfär, men det finns en lika stor möjlighet att en sådan existerar.

Närvaron av en sekundär atmosfär innebär att flytande vatten kan existera på ytan (likt har skett på jorden) och om så är fallet kan det enligt forskare ha åtföljas av en växthuseffekt, liknande den som skett på jorden, där olika gaser, särskilt koldioxid, håller atmosfären stabil och jorden varm.

Den andra artikeln beskriver arbetet med den teoretiska tolkningen och huvudförfattaren till denna Dr Ana Glidden, en postdoktoral forskare vid Massachusetts Institute of Technology, beskriver: "Det är osannolikt att atmosfären på planeten domineras av koldioxid, som ex den kraftiga atmosfären på Venus består av och den tunna atmosfären på Mars. Men det är också viktigt att notera att det inte finns några direkta paralleller med vårt solsystem. TRAPPIST-1 är en stjärna som skiljer sig mycket från vår sol och planetsystemet runt den är också distinkt.

Dr Wakeford tillägger: "En liten växthuseffekt kan räcka långt och de nya mätningarna utesluter inte att det finns tillräckligt med koldioxid för att upprätthålla en del flytande vatten på ytan. Det flytande vattnet skulle kunna ta formen av ett globalt hav, eller täcka ett mindre område av planeten som alltid är riktat mot sin sol eller finns vattnet på den eviga nattisen i form av is. Detta skulle vara möjligt eftersom TRAPPIST-1:s planeter är så stora och att de ligger nära sina stjärnors omloppsbanor, såden ena sidan alltid är vänd mot stjärnan och den andra sidan ligger i evigt mörker.

Nästa steg i forskningen kommer att innebära ytterligare detaljerade observationer, där man jämför data från en annan exoplanet i detta solsystem TRAPPIST-b vilken kretsar närmast TRAPPIST-1.

En av huvudforskarna i forskargruppen med fokus på TRAPPIST-1e Dr Néstor Espinoza, associerad astronom och uppdragsforskare för exoplanetvetenskap vid Space Telescope Science Institute (STScI) i Baltimore, Maryland, beskriver: "Webbs infraröda instrument ger oss mer detaljer än vi någonsin haft tillgång till tidigare och de första fyra observationerna vi har kunnat göra av TRAPPIST-1e visar oss vad vi kommer att behöva arbeta med när mer information kommer in."

Stjärnan Fomalhauts förvrängda ring kommer troligen från att planeter bildas där.

 

Bild https://public.nrao.edu/ Den ljusstarka stjärnan i mitten är Fomalhaut, omgiven av en uråldrig fragmentskiva med skiftande ljusstyrka. Skivan ligger närmare stjärnan söderut från oss sett där skivan är bredare och ljussvagare och längre från stjärnan i norr, där skivan är tunnaare och ljusare. Den prickade ringen visar den möjliga omloppsbanan för en planet som antyds av Lovell et al. NSF/AUI/NSF NRAO/B.Saxton

Fomalhaut, (Alfa Piscis Austrini eller 24 Piscis Austrini)  är den starkast lysande stjärnan i stjärnbilden Södra fisken. Stjärnan befinner sig 25 ljusår från oss.

Astronomer har använt ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) teleskopet i Chile till att skapa den mest högupplösta bilden hittills av Fomalhaut vilket ger nya insikter om den ovanliga och annorlunda arkitekturen hos fragmentskivan runt en av de ljusstarkaste och mest välstuderade stjärnorna i vårt kosmiska grannskap. Fragmentskivor är enorma bälten av stoft och sten liknande det stoft och sten som finns i vårt solsystems asteroidbälte. 

En internationell forskargrupp under ledning av astronomer vid Center for Astrophysics  | Harvard & Smithsonian och Johns Hopkins University har publicerat två artiklar efter studien av detta solsystem i Astrophysical Journal/Astrophysical Journal Letters. De upptäckte att Fomalhauts skiva inte bara är excentrisk utan dess excentricitet förändras med avståndet från stjärnan. 

Till skillnad från tidigare datamodeller som antagit en likformig eller "fast" excentricitet, visar deras nya datamodell att skivans form blir mindre utsträckt (eller mindre excentrisk) ju längre ett segment är från Fomalhaut. Denna morfologi är känd som en negativ excentricitetsgradient. Du kan föreställa dig förskjutningarna mellan stjärnan och ringens centrum, ungefär som om Saturnus ringar runt Saturnus inte fanns i mitten runt Saturnus.

"Våra observationer visar för första gången att skivans excentricitet inte är konstant", beskriver huvudförfattaren till en av artiklarna, Joshua Bennett Lovell, Submillimeter Array Fellow vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Den sjunker stadigt med avståndet en upptäckt som aldrig tidigare har setts i någon annan fragmentskiva."

Denna negativa gradient ger ledtrådar om att här kan finnas planeter som för närvarande inte kan ses som kretsar kring Fomalhaut i skivan. Den nya modellen föreslår att en massiv planet i omloppsbana inuti Fomalhauts skiva kan ha skulpterat dess excentricitetsprofil tidigt i det exoplanetära systemets historia. Den ovanliga formen på skivan kan ha bildats i systemets ungdom, under den protoplanetära skivfasen och har förblivit så i mer än 400 miljoner år, tack vare planetens fortsatta tryck och dragningskraft.

I den andra artikeln, ledd av doktoranden Jay Chittidi vid Johns Hopkins University, uttömde forskarlaget möjligheten att ringens excentricitet beror på avståndet från stjärnan. "Även om förskjutningen i ljusstyrkeskillnaden i skivan, närmast stjärnan, till längst bort från stjärnan, mellan JWST- och ALMA-mätningarna var väntad, kunde de exakta skillnaderna och skiftningarna som vi uppmätte i skivans ljusstyrka och ringens bredd inte förklaras av de gamla datamodellerna", beskriver Jay. – Enkelt uttryckt: vi kunde inte hitta en modell med en fast excentricitet som kunde förklara dessa märkliga egenskaper i Fomalhauts skiva.

Forskarna hoppas att den nya modellen kommer att testas ytterligare med fler ALMA-observationer, som nyligen godkändes. "Och förhoppningsvis kommer vi att hitta nya ledtrådar som kan hjälpa oss att avslöja den planet som vi tror bör finnas i skivan. (planeten som kan finnas här och som kan förklara effekten på skivan) " tillägger Lovell. Forskarlaget har delat med sig av koden för excentricitetsmodellen som utvecklats för denna nyligen publicerade forskning för att göra det möjligt för andra astronomer att tillämpa den på liknande solsystem.

Stjärnhopen Pismis 24

 

Bilden ovan är tagen med Webbteleskopet. Här ses en gnistrande scen av stjärnfödelse i Pismis 24, en ung stjärnhop cirka 5 500 ljusår från jorden i stjärnbilden Skorpionen. Ett av de bästa områdena för att utforska heta unga stjärnors egenskaper och utveckling.

Det som ser ut att vara en klippig, stjärnbelyst bergstopp med strimmiga moln är i själva verket ett kosmiskt stoftlandskap som efterhand förintas av de brännande vindarna och strålningen från närliggande massiva, unga stjärnor.

Denna unga stjärnhop kallad Pismis 24, finns i kärnan av den närliggande Hummernebulosan, ungefär 5 500 ljusår från jorden i stjärnbilden Skorpionen. Pismis 24 är en livfull stjärnbarnkammare och en av de närmaste platserna från oss räknat för uppkomst av massiva stjärnor. Dess närhet till oss gör området till en av de bästa platserna att utforska och undersöka egenskaperna hos heta unga stjärnor och se hur de utvecklas.

I centrum av detta glittrande kluster finns Pismis 24-1. Den ligger i mitten av en klump av stjärnor ovanför de taggiga orange topparna och den högsta spiran pekar direkt mot den. Pismis 24-1 ser ut som en gigantisk och enda stjärnan här. Forskare har numera förstått att den består av minst två stjärnor även om det inte kan upplösas i två i bilden ovan. Med en massa på 74 respektive 66 solmassor är de två stjärnorna bland de mest massiva och ljusstarka stjärnor som någonsin skådats.

Bilden är tagen i infrarött ljus av Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) och avslöjar tusentals juvelliknande stjärnor i olika storlekar och färger. De största och mest ljusstarka stjärnorna med sexpunkts diffraktionspikar är de tyngsta stjärnorna i hopen. Hundratals till tusentals mindre medlemmar av hopen ser ut som vita, gula och röda, beroende på deras stjärntyp och mängden stoft som omger dem. Webb visar oss också tiotusentals stjärnor bakom hopen vilka är en del av Vintergatan.

Superheta, unga stjärnor vissa nästan 8 gånger varmare än solen slungar här ut brännande strålning och solvindar som skulpterar ett hålrum i väggen på den stjärnbildande nebulosan. Nebulosan sträcker sig långt bortom NIRCams synfält. Endast små delar av den är synliga längst ner och uppe till höger på bilden. Strömmar av het, joniserad gas strömmar från nebulosans åsar, och tunna slöjor av gas och stoft, upplysta av stjärnljus, svävar runt dess höga toppar.

Dramatiska spiror sticker ut från den glödande väggen av gas och slår emot  strålningen och vindarna. De ser ut som fingrar som pekar mot de heta unga stjärnorna som har skulpterat spiralformerna. De våldsamma krafter som formar och komprimerar dessa spiror gör att nya stjärnor bildas i dessa spiror. Den högsta spiran sträcker sig cirka 5,4 ljusår från dess spets till bildens nederkant. Dess spets är 0,14 ljusår.

I bilden indikerar färgen cyan het eller joniserad vätgas som värms upp av de massiva unga stjärnorna. Stoftmolekyler som liknar rök här på jorden ses i orange. Rött betyder kallare, tätare molekylärt väte. Ju mörkare röd desto tätare gas. Svart betecknar den tätaste gasen, som inte avger ljus. De strimmiga vita dragen är stoft och gas som sprider stjärnljus.

Solstormarnas temperatur överraskande hög.

 

Bild https://news.st-andrews.ac.uk

För att läsa mer om solstormar och hur dessa kan påverka oss se länk från msb (Myndigenhet för samhällsskydd och beredskap).  

Citerar ”Solstormar är kraftiga energiutbrott på solen som består av strålning eller laddade partiklar. Stormar på solen kan påverka vardagen på jorden genom exempelvis elavbrott, norrsken eller störningar i flygtrafiken” slut citat. 

Genom att se på data från skilda forskningsområden insåg forskare under ledning av Dr Alexander Russell, universitetslektor i solteori från School of Mathematics and Statistics att solstormar med stor sannolikhet värmer upp joner starkare än elektroner. Solfysiken har historiskt utgått från att joner och elektroner måste ha samma temperatur. Men när vi gjorde om beräkningarna med ny data fann vi  temperaturskillnad i solstormar vilket öppnar vägen för att överväga superheta joner.

"Dessutom", tillade Russell är den upptäckta jontemperaturen passande bra med bredden på spektrallinjerna, vilket potentiellt kan lösa ett astrofysikalt mysterium som inte kunnat förklaras i nästan ett halvt sekel.

Det har sedan 1970-talet undrats över varför spektrallinjer, ljusa förstärkningar av solstrålningen vid specifika "färger" i extremt ultraviolett och röntgenljus är bredare än väntat. Historiskt sett har man trott att detta bara kan bero på turbulenta rörelser. Men den tolkningen har diskuterats då forskare har försökt identifiera turbulensens natur. Efter nästan 50 år argumenteras nu i den nya studien behovet av ett nytt paradigmskifte där jontemperaturen kan ge ett stort bidrag till att förklara de gåtfulla linjebredderna hos solstormspektra.

Studien har publicerats nyligen i AstrophysicalJournal Letters här beskrivs hur utbrott värmer upp solplasma till mer än 10 miljoner grader. Solplasma består av joner och elektroner. Den nya forskningen hävdar att soleruptioner, positivt laddade partiklar som utgör hälften av plasmat, kan nå över 60 miljoner grader.

Magnetfältet under universums första tid kan ha varit miljarder gånger svagare än en kylskåpsmagnet

 

Bild https://www.freepik.com/

Magnetfälten som bildades under universums allra tidigaste stadier kan ha varit miljarder gånger svagare än en liten kylskåpsmagnet vilkas styrkor kan jämföras med den magnetism som alstras av neuroner i den mänskliga hjärnan. Men trots denna svaghet i magnetfälten finns det fortfarande kvantifierbara spår av deras existens kvar i det kosmiska nätet i  de synliga kosmiska strukturer som universum är förbunden med.

Dessa slutsatser beskrivs i en studie innehållande cirka en kvarts miljon datorsimuleringar utförda av ett team från SISSA-Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati i samarbete med universiteten i Hertfordshire, Cambridge, Nottingham, Stanford och Potsdam.

Observationsdatan användes sedan för att validera dessa resultat. Forskningens resultat har publicerats i Physical Review Letters där man beskriver både möjliga och maximala värden för styrkan hos ursprungliga magnetfält. Det ger en möjlighet att förfina vår kunskap om det tidiga universum och hur de första stjärnorna och galaxerna bildades. En kortfattad text om studien kan se här i form av en pdf-fil på engelska från https://www.sissa.it/  

En stenig exoplanet med bara hälften av Venus massa

 

Bild https://www.eso.org/ Jämförelse mellan planetsystemet L 98-59 där exoplaneten finns och de inre delarna av vårt solsystem.

Ett forskarlag har använt Europeiska sydobservatoriets Very Large Telescope (ESO:s VLT) i Chile för att få ny kunskap om planetsystemet kring stjärnan L 98-59 en röd dvärgstjärna 34,6 ljusår från jorden. L98-59 är ett solsystem snarlikt vårt solsystem. Bland upptäckterna finns en planet med hälften av Venus massa. Det är den exoplanet med minst densitet som har uppmätts med radialhastighetsmetoden. Det är en vattenplanet troligen belägen i stjärnans livsmöjliga zon. 

En planet som befinner sig i den livsvänliga zonen kan ha en skyddande atmosfär som gör det möjligt för liv att utvecklas” beskriver María Rosa Zapatero Osorio, astronom vid Astrobiologiska centret i Madrid, Spanien, och en av författarna till artikeln som publicerats i dagarna i Astronomy & Astrophysics.

Resultatet av studien innebär viktiga steg i sökandet efter exoplaneter av jordens storlek. För att detektera biosignaturer på en exoplanet måste man kunna observera planetens atmosfär, men dagens teleskop är inte tillräckligt stora för att leverera den upplösning som krävs för att undersöka små steniga exoplaneter. Det studerade planetsystemet är ett attraktivt mål för framtida observationer av exoplanetatmosfärer. Stjärnan är belägen på endast 35 ljusårs avstånd och har stenplaneter, likt jorden och Venus är tillräckligt nära stjärnan för att värmas upp.

Observationerna med VLT (very large teleskop)  gjorde det möjligt för forskarlaget att dra slutsatsen att tre av exoplaneterna kan innehålla vatten i sina atmosfärer eller på sina ytor. De två planeterna som är närmast stjärnan är troligen torra men kan ha små mängder vatten, medan upp till 30 % av den tredje planetens massa kan ha vatten vilket skulle klassificera den som en “vattenplanet”.

Dessutom fann astronomerna “gömda” exoplaneter som inte tidigare hade setts i systemet. De upptäckte en fjärde planet och misstänker att här finns även en femte planet i en zon på ett avstånd från stjärnan där flytande vatten skulle kunna förekomma på ytan. “Vi har indikationer på förekomsten av en stenplanet i den beboeliga zonen i detta system” beskriver Olivier Demangeon, vid Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Portos universitet i Portugal och huvudförfattare till studien.

Forskningsprojektet representerar ett teknologiskt genombrott eftersom astronomerna med hjälp av radialhastighetsmetoden kunde bestämma att den innersta planeten i systemet endast är hälften så tung som Venus. Den är därmed den lättaste exoplaneten som någonsin studerats med denna teknik, som mäter den periodiska rörelsen hos moderstjärnan som orsakas av dragningskrafterna från dess planeter.

Forskarlaget använde ESPRESSO-instrumentet (Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations) på ESO:s VLT för att studera L 98-59. “Utan den precision och stabilitet som ESPRESSO levererar skulle mätningarna inte ha kunnat utföras” beskriver Zapatero Osorio. “Det är ett steg framåt i vår förmåga att mäta massa hos de lättaste exoplaneterna bortom vårt solsystem”.

Astronomerna upptäckte tre av planeterna i systemet 2019 med hjälp av NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Detta rymdteleskop utnyttjar transitmetoden för att bestämma exoplaneters egenskaper genom att observera när de passerar över moderstjärnans yta sett från jorden och därmed försvagar stjärnans ljus marginellt. Det var dock bara tack vare radialhastighetsmätningarna med ESPRESSO och dess föregångare HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) vid ESO:s 3,6-metersteleskop på La Sillaobservatoriet, som Demangeon och hans forskarlag kunde identifiera ytterligare planeter och bestämma massa och storlek för de tre först kända planeterna. “Om vi vill veta vad en planet består av är massan och radien den minimala information som behövs” förklarar Demangeon.