Galaxen med få stjärnor men med ett gigantiskt svart hål

 

Bild https://mcdonaldobservatory.org Segue 1 är en mycket ljussvag dvärggalax (Omöjligt att se men den finns på bilden) som innehåller få stjärnor. Ny forskning tyder på att det i dess centrum finns ett gigantiskt stort svart hål. Det är en klotformig galax i riktning mot stjärnbilden Lejonet 75000 ljusår från oss. Bild: SIMBAD, DSS.

Astronomer har under lång tid ansett att mycket små dvärggalaxer eller stjärnhopar inte har ett svart hål i sitt centrum utan istället en koncentration av mörk materia. Men forskare vid University of Texas i Austin och University of Texas i San Antonio vänder upp och ner på detta antagande och utmanar astronomernas förståelse av dvärggalaxer. I stället för mörk materia finns det ett gigantiskt svart hål i hjärtat av Segue 1. Ett svart hål som håller samman de få stjärnor som finns i denna dvärggalax.

– Vårt arbete kan revolutionera modellen av dvärggalaxer eller stjärnhopar så att de inkluderar supermassiva svarta hål i stället för halos av mörk materia, beskriver Nathaniel Lujan, doktorand vid UTSA som ledde forskningen.

Upptäckten publicerades nyligen i The AstrophysicalJournal Letters  och är kulmen i en kurs i astronomi som gavs av astrofysikerna Karl Gebhardt (UT Austin) och Richard Anantua (UTSA) vilken gav eleverna möjlighet att använda avancerad datormodelleringsteknik för att studera gravitationens effekt i galaxer. Studenterna använde superdatorer vid Texas Advanced Computing Center vid UT Austin för att skapa hundratusentals komplexa datamodeller. Var och en av dessa kartlade de förväntade banorna för Segue 1:s stjärnor vilket resultat bäst stämde på närvaron av ett svart hål, dess storlek, överflödet av mörk materia och andra hypotetiska faktorer allt i jakten på en modell som nära matchade stjärnornas verkliga rörelser som observerats av W.M. Keck-observatoriet.

Studenterna började med att identifiera stjärnors påverkan i Segue 1. Stjärnorna är där glest utspridda. I galaxens yttre kanter dominerar stjärnor som är på väg bort från galaxen. Genom att mäta populationen av stjärnor i utkanten och subtrahera den från den de i centrala regionen filtrerade de bort stjärnor som var under Vintergatans inflytande (de som är på väg ut från galaxen dras troligen iväg av Vintergatans stjärnors gravitation).

Därefter kartlade teamet hastigheten och riktningen för de återstående stjärnorna. Det stod snart klart att stjärnorna i den mittersta regionen färdades i snabba, snäva cirklar vilket är tecken på existensen av ett svart hål i centrum av galaxen. Data med en hög andel mörk materia eller både mörk materia och ett svart hål, stämde dåligt överens med de modeller som enbart visade på ett svart hål av ofantlig storlek.

Något som var spännande var att försöka  hitta det svarta hålet av denna teoretiskt enorma storlek. Med en massa som uppskattas vara 450 000 gånger större än vår sols massa innebär att den har ungefär 10 gånger större massa än alla stjärnor tillsammans i Segue 1. I de flesta galaxer är annars massan hos ett centralt svart hål inte större än hos stjärnorna i en galax.

– Det finns ett starkt samband mellan ett svart håls massa och värdgalaxens massa. Det svarta hålet i Segue 1 är däremot betydligt större än vad ovan samband visar förklarar Gebhardt. Om detta stora massförhållande som finns i Segue 1 är vanligt bland dvärggalaxer måste vi omtolka hur dessa system utvecklas, beskriver han.

En möjlig förklaring till Segue 1:s utveckling är att den tidigare var en större galax med betydligt fler stjärnor. Men med tiden kan Vintergatans gravitation dragit flertalet till sig (flera är ju fortfarande på väg ut ur galaxen se ovan så det låter troligt) och lämnat  några få kvar.

En annan möjlighet är att Segue 1 liknar en nyupptäckt klass av galaxer som kallas Little Red Dots, som verkar ha utvecklats med enorma svarta hål och mycket få stjärnor. Dessa tidiga galaxer, som finns i de mest avlägsna delarna av universum (i tid och rum) är svåra att studera. Med Segue 1 kan astronomer nu ha ett närliggande objekt som gör det möjligt  att observera några av de processer som antas pågå i Little Red Dots. 

Hur denna dvärggalax än har utvecklats har Segue 1 visat sig vara en spännande utmaning för de nuvarande teorierna om dvärggalaxer.

Medförfattare till studien inkluderade UT Austins Owen Chase, Maya Debski, Claire Finley, Om Gupta, Alex Lawson, Zorayda Martinez, Connor Painter och Yonatan Sklansky och UTSA:s Loraine Gomez, Izabella Marron och Hayley West. Forskningen stöddes av Simons Foundation.

Stora koronamassutkastningar var omvälvande i solens första tid.

 

Bild https://www.kyoto-u.ac.jp/ Konstnärs skildring av en koronamassutkastning från EK Draconis (en ung stjärna av samma slag som vår sol). Den heta och snabba utkastningen visas i blått, medan den svalare och långsammare utkastningen visas i rött. (NAOJ)

Forskare vid Kyoto university visar att   under solen och jordens första tid var solen så aktiv att dessa CME:er (koronamassutkastningar)  kan ha påverkat uppkomsten och utvecklingen av livet på jorden. Faktum är att tidigare studier har avslöjat att unga solliknande stjärnor ofta producerar kraftfulla utbrott som vida överstiger de största solutbrotten från vår sol i vår tid.

Stora CME:er från solens första tid kan ha haft en stor inverkan på den tidiga miljön på jorden, Mars och Venus. Oklart dock i vilken utsträckning explosioner i unga stjärnor uppvisar solliknande CME:er. Under de senaste åren har den kalla plasman hos CME upptäckts genom optiska observationer. Den höga hastigheten och den förväntade frekventa förekomsten av starka CME:er i det förflutna har dock inte kunnat bevisas ha skett i vårt solsystem.

För att förstå mer försökte ett internationellt team av forskare, inklusive Kosuke Namekata vid Kyoto University undersöka om unga solliknande stjärnor därute  producerar solliknande CME:er.

"Det som inspirerade oss mest var det långvariga mysteriet om hur den unga solens våldsamma aktivitet kunnat påverka den  jordens början", beskriver Namekata. "Genom att kombinera rymd- och markbaserade observatorier i Japan, Korea och USA kunde vi rekonstruera vad som kan ha hänt för miljarder år sedan i vårt eget solsystem."

Teamets analys inkluderade samtidiga insamlade ultravioletta observationer med rymdteleskopet Hubble och optiska observationer med markbaserade teleskop i Japan och Korea. Deras mål var den unga stjärnan EK Draconis.  Hubbleteleskopet användes för  observationer av ultravioletta emissionslinjer vilka är känsliga för het plasma, medan de tre markbaserade teleskopen samtidigt observerade väte Hα-linjen vilken spårar kallare gaser. Dessa samtidiga spektroskopiska observationer av flera våglängder gjorde det möjligt för forskargruppen att fånga både de varma och kalla komponenterna i utkastningar av korona i realtid.

Observationerna ledde till de första bevisen för en multitemperaturmässig koronamassutkastning från EK Draconis. Teamet fann att het plasma på ca100 000 grader Celcius kastades ut med en hastighet av 300 till 550 kilometer per sekund, följt cirka tio minuter senare av en svalare gas på cirka 10000 grader Celsius som kastades ut med en hastighet på 70 kilometer per sekund. Den heta plasman innehöll mycket mer energi än den kyligare  plasman vilket tyder på att frekvent starka CME:er i det förflutna kunde ge starka chocker och energirika partiklar som kunde erodera eller kemiskt förändra tidiga planeters atmosfärer.

Teoretiska och experimentella studier stöder den avgörande roll som starka CME:er och energirika partiklar kan spela för att initiera biomolekyler och växthusgaser, som är avgörande för uppkomsten och upprätthållandet av liv på en planets tidiga existens. Upptäckten har stor betydelse för förståelsen av planeters möjligheter till livsformer och de förhållanden under vilka liv uppstod på jorden och  någon annanstans.

Djupt under Medelhavet sker jakten på neutrinos

 

Bild wikipedia Den första observationen av en neutrino skedde i en bubbelkammare 1970. En neutrino kommer från höger, träffar en proton, och tre laddade partiklar lämnar spår. En myon uppstår och lämnar det långa spåret till det övre vänstra hörnet; protonen lämnar det korta spåret snett uppåt; det tredje spåret är en pimeson som skapats i kollisionen.

Neutrinon är en elementarpartikel (en av materiens minsta beståndsdelar)  som tillhör familjen leptoner vilka saknar elektrisk laddning (obs ska inte förväxlas med neutronen som är en av byggstenarna i atomer)

Varje sekund passerar miljarder neutriner genom jorden och även våra kroppar utan att lämna ett spår efter sig. De har ingen elektrisk laddning och nästan ingen massa. De är minst en miljon gånger lättare än en elektron och växelverkar sällan med materia vilket gör dem extremt svåra att upptäcka. Under Medelhavets finns Europas neutrinoteleskop KM3NeT. Höga strängar av sensorer sträcker sig en kilometer ner till havsbotten, arrangerade i ett stort 3D-rutnät. 

Dess syfte är att fånga in de spöklika subatomära partiklar som kallas neutriner vilka kan färdas obehindrat i universum, genom planeter och stjärnor  och visa ledtrådar utifrån sin riktning om händelser långt bort i universum som skett i tid och rum.

I gryningen den13 februari 2023 upptäckte KM3NeT en intensiv blixt av ren energi. Det var den mest energirika neutrino som någonsin observerats. Effekten var 30 gånger större än något tidigare mätresultat. Forskare har sedan dess försökt ta reda på var den kom. "Neutriner är de mest intressanta partiklarna som finns just nu", beskriver Paschal Coyle vid Frankrikes nationella centrum för vetenskaplig forskning där man samordnar ett EU-finansierat projekt kallat KM3NeT-INFRADEV2 som stöder utvecklingen av KM3NeT-infrastrukturen. "Det finns många mysterier kring dem. De är de minst förstådda av de fundamentala partiklarna."

Neutriner kan passera genom universum utan att absorberas vilket innebär att de bär med sig orörd information från de mest extrema miljöer som vetenskapen känner till ex exploderande stjärnor, svarta hål och kosmiska kollisioner. Den neutrino som upptäcktes 2023, med beteckningen KM3-230213A, registrerades för en energiladdning på 220 petaelektronvolt (PeV). En extraordinärt stor siffra för en enskild partikel och nästan otänkbar inom partikelfysiken. Var kom den ifrån? Ingen vet!

Neutriner produceras av en mängd olika källor, från kärnreaktionerna som de som driver solen till exploderande stjärnor (supernovor) och andra högenergetiska kosmiska händelser. En teori är att de mest energirika neutrinerna härstammar från blazarer. Från de  galaxers aktiva supermassiva svarta hål vilka slungar jetstrålar av mycket energirik strålning direkt mot jorden.

En annan möjlighet är att högenergirik kosmisk strålning som strömmar över universum, kolliderar med ljusets fotoner och bildar neutriner. Om KM3-230213A ursprung är detta tyder det på att kosmogena neutriner (isotoper som bildats i jordens eller andra himlakroppars yttre lager genom kosmisk strålning) är vanligare än man trott.

"Eller så hade vi bara tur vid upptäckten", medger Coyle. Det kan vara så att KM3NeT av en slump lyckades upptäcka en sällsynt neutrino med mycket hög energi.

Exoplaneten GJ 251 c ska undersökas närmare då det misstänks kan finnas liv på denna.

 

Bild Ett internationellt team av forskare bland annat från forskare vid Penn State vilka gav exoplaneten beteckningen GJ 251 c  (vilken finns 18,2 ljusår bort i riktning mot stjärnbilden Tvillingarna ), insamlad data tyder på att den har en stenig sammansättning liknande jorden men är nästan fyra gånger så massiv. Källa: Illustration av University of California Irvine . Alla rättigheter förbehållna.

Upptäckten av en möjlig "superjord" mindre än 20 ljusår från Jorden ger forskare nytt hopp i jakten på andra världar som kan hysa liv enligt ett internationellt team forskare från bland annat Penn State (The Pennsylvania State University). Data på GJ 251 c tyder på att den är nästan fyra gånger så massiv som jorden och sannolikt en stenplanet.

Den upptäcktes med i insamlad data från Habitable-Zone Planet Finder (HPF), en högprecisionspektrograf för kortvågigt infrarött ljus. Ett komplext prisma som bryter isär signaler från stjärnljus. Prismat är fäst vid Hobby-Eberly-teleskopet vid McDonald-observatoriet i Texas.  Suvrath Mahadevan professor i astronomi vid Penn State University och hans kollegor gjorde upptäckten genom att analysera en stor mängd data som sträcker sig över 20 år och samlats in av teleskop runt om i världen med fokus på den lilla rörelse, eller "vingling", av planetens sol GJ 251. Denna "vingling" består av små dopplerförskjutningar i stjärnans ljus som orsakas av gravitationen från GJ 251 c i sin omloppsbana.

Även om exoplaneten som teamet upptäckte inte är möjlig att avbilda med nuvarande instrument, beskriver Mahadevan att nästa generation av teleskop bör kunna analysera planetens atmosfär med syftet att avslöja eventuella kemiska tecken på liv.

GJ 251 c är perfekt positionerad för direkt observation med hjälp av mer avancerad teknik. Mahadevan och hans studenter planerar redan för undersökningar med framtida kraftfullare teleskop då den nya generationen av markbaserade teleskop i 30-metersklassen, tas i drift. De nya teleskopen, som är utrustade med avancerade instrument, förväntas ha kapacitet att avbilda närliggande stenplaneter i livsvänliga zonen runt en stjärna.

"Även om vi ännu inte kan bekräfta närvaron av en atmosfär eller liv på GJ 251 c, är planeten ett lovande mål för framtida utforskning", beskriver Mahadevan.

"Vi letar efter den här typen av planeter då de är vår bästa möjlighet att hitta liv därute", beskriver Suvrath Mahadevan och Verne M. Willaman professor i astronomi vid Penn State University och medförfattare till artikeln om upptäckten som publicerats nyligen i The Astronomical Journal.

Exoplaneten ligger i den livsvänliga zonen, eller "Guldlockzonen", på rätt avstånd från sin stjärna för att flytande vatten ska kunna existera på dess yta, om den har rätt slag av atmosfär.

Ytterligare en svårfångad brun dvärg (misslyckat stjärnobjekt) har hittats.

 

Bild  https://subarutelescope.org/ Infraröd bild av den bruna dvärgen J1446B (markerad med pilen). Värdstjärnan (J1446) maskeras i vitt under bildbehandlingen. Den vita stapeln längst ner till höger motsvarar ett vinkelavstånd som motsvarar 10 astronomiska enheter (ungefär avståndet mellan Saturnus och solen). (Källa: Taichi Uyama (Astrobiology Center/CSUN) / W. M. Keck-observatoriet)

I Vintergatan är den vanligaste typen av stjärnor M-dvärgar (röda dvärgstjärnor). 

De utgör mer än hälften av alla stjärnor i Vintergatan. Då röda dvärgstjärnor är ljussvaga är det svårt att se och avgöra hur många av dem som har planeter eller bruna dvärgar . (misslyckade stjärnbildningsobjekt mellanting mellan gasplanet och stjärna). 

 Bruna dvärgar har för låg densitet för att ens lysa som en svaglysande röd dvärgstjärna. De är tyngre än planeter då de stadiet mellan gasplanet och stjärna. Att förstå hur ofta bruna dvärgar bildas och hur många som finns och vilken densitet en sådan har är viktigt att förstå för att förstå mer om hur stjärnor och planeter bildas och utvecklas.

En internationell forskargrupp under ledning från Astrobiology Center, California State University Northridge och Johns Hopkins University har nyligen upptäckt en brun dvärg som kretsar kring en närliggande röd dvärgstjärna med beteckningen LSPM J1446+4633 ( J1446). Stjärnan finns 55 ljusår från jorden. Den bruna dvärgen J1446B som ha en bana runt stjärnan har en massa som är ungefär 60 gånger större än Jupiters och kretsar runt sin sol på ett avstånd som är 4,3 gånger längre ut än det mellan jorden och solen.  Omloppsbanan för den bruna dvärgen tar cirka 20 år. Upptäckten gjordes i kortvågigt infrarött ljus och visade även variationer på cirka 30 procent av dess svaga sken över tid vilket tyder på möjlig molnaktivitet eller atmosfärisk cirkulation på den bruna dvärgen.

– Att studera vädret på dessa avlägsna objekt hjälper oss att förstå hur deras atmosfär bildats och består av ger kunskap för hur vårt sökande i framtiden  efter planeter som kan hysa liv bortom solsystemet bör göras, beskriver Taichi Uyama, forskare vid Astrobiology Center of Japan och huvudförfattare till studien. Att lära hur en atmosfär rör sig och vad den består av ger kunskap om planeten kan hysa liv.

I detta fall  är liv omöjligt. Bruna dvärgar har inte en fast yta utan är gas med en kärna långt därnere och dess atmosfär (gas) har en temperatur av fler tusen grader Celsius.

Livets byggstenar hittade i Stora Magellanska molnet

 

Bild wikipedia  på  dvärggalaxen Stora Magellanska molnet i stjärnbilderna Svärdfisken och Taffelberget. En av Vintergatans satellitgalaxer.

Med hjälp av James Webb Space Telescopes (JWST) Mid-Infrared Instrument (MIRI) upptäckte astroforskare fem olika kolbaserade föreningar i det Stora Magellanska molnet.

Teamet identifierade fem komplexa organiska molekyler i is som omger en ung protostjärna i molnet. Molekyler av vilka många kan hittas här på jorden: metanol och etanol, metylformiat och acetaldehyd (som främst används som industrikemikalier på jorden) och ättiksyra (huvudkomponenten i vinäger). Ättiksyra har aldrig tidigare upptäckts i is i rymden medan etanol, metylformiat och acetaldehyd var de första molekyler som upptäcktes i is utanför Vintergatan. Dessutom observerade teamet spektrala egenskaper som liknar ett annat slag av molekyl i isen, glykolaldehyd, en sockerrelaterad molekyl och föregångare till mer komplexa biomolekyler som komponenter i RNA. Det krävs dock ytterligare undersökningar för att bekräfta riktigheten i denna upptäckt.

Teamet leddes från University of Maryland och NASA-forskare Marta Sewilo, och inkluderade astrofysikerna Dr Joana Oliveira och Dr Jacco van Loon vid Keele University. Forskarlaget redogjorde för sina resultat i en artikel som publicerats i Astrophysical Journal Letters.

– Vi har använt James Webb Space Telescope och fann då förstadier till biotiskt material i en närliggande galax i detta fall Stora Magellanska molnet. Ättiksyra, metylformiat och eventuellt glykolaldehyd är alla förknippade med skapande av de första sockerarterna och som utgör grunden för RNA och DNA - livets grundvalar.

Att hitta dessa även i den orörda miljön i det Stora Magellanska molnet tyder på att livet kan ha börjat någon annanstans än på Jorden eller i vår galax och mycket tidigare än det har gjort på jorden.

Självstyrande system lösningen vid transporter på månen

 

Bild https://www.utoronto.ca/ Doktorand Alec Krawciw, till vänster, och professor Tim Barfoot står bredvid den kanadensiska rymdorganisationens Lunar Exploration Light Rover efter ett fältförsök 2024 (foto med tillstånd av Tim Barfoot)

I en del av ett team under ledning av MDA Space utvecklar professor Tim Barfoot och doktoranden Alec Krawciw teknik till Kanadas föreslagna framtida månfordon för navigering mellan lastavlämningsplatser vid framtida månuppdrag vilket blir en viktig transportutmaning när astronauter landar på månen.

"Utforskning av månen innebär en landningsplats och en livsmiljö cirka fem kilometer i diameter", beskriver Barfoot, som också är chef för U of T Robotics Institute.

"Landningsplatsen ska vara platt för säker ankomst för rymdfärjan samtidigt som livsmiljön måste skyddas från strålning bakom en stenig terräng. Detta skapar en transportutmaning då astronauterna måste kunna flytta all last från rymdfärjan till sin livsmiljö på månen.

Till skillnad från tidigare uppdrag där rovers utforskar terräng i flera riktningar (som nu på Mars) för att samla in data kommer månfarkosten att göra regelbundna tur- och returresor (till jorden) mellan fasta platser för att leverera varor och utrustning till astronauter på månen. Detta blir första gången som en rymdrover kommer att behöva upprepa samma resa vilket gör Barfoots visuella inlärnings- och upprepningsramverk väl lämpat för uppdraget.

"Teach-and-repeat-algoritmer gör det möjligt att styra rovern längs en förutbestämd bana genom att manuellt eller fysiskt köra  och när den sedan väl har lärt sig vägen kan den automatiskt upprepa rutten så många gånger behovet finns", beskriver Barfoot.

Som en del av sin doktorandforskning anpassar Krawciw den självkörande tekniken för integration med den kanadensiska rymdorganisationens testfordon, Lunar Exploration Light Rover (LELR) Se bild och bildtext ovan.

I december 2024 anslöt sig Krawciw och Barfoot till teamet från MDA Space och Centre de Technologies Avancées BRP vid Université de Sherbrooke för att testa det autonoma systemet vid rymdorganisationens analoga terränganläggning i Montreal vilken har likheter med Mars yta. Fälttestet gav teamen möjlighet att identifiera och ta itu med eventuella hårdvaru- och mjukvarubegränsningar vid arbete under månliknande förhållanden.

Efter ett framgångsrikt fältförsök valdes teamet ut av rymdorganisationen i juli 2025 för att genomföra en studie i tidig fas för Kanadas föreslagna månfarkost som en del av myndighetens initiativ för utforskning av månens yta. Detta blir Kanadas nästa bidrag till NASA:sArtemis-program vilket syftar till att etablera en hållbar mänsklig närvaro på månen.