Extremt massiva stjärnor fanns under universums första tid

 

Bild https://pxhere.com/sv/photo/56824  på Vintergatan.

Ett internationellt forskarlag under ledning  av ICREA-forskare Mark Gieles vid Institute of Cosmos Sciences  och universitetet i Barcelona (ICCUB) och Institute of Space Studies of Catalonia (IEEC) har utvecklats en banbrytande modell som avslöjat extremt massiva stjärnor (EMS). Stjärnor med en massa 1000 gånger större än vår sols i de äldsta stjärnhoparna i universum.

Klotformiga stjärnhopar är täta, sfäriska grupper på hundratusentals till miljontals stjärnor  finns i nästan alla galaxer, inklusive Vintergatan. De flesta av dem är mer än 10 miljarder år gamla och även de i Vintergatan vilket innebär att de bildades några miljarder år efter Big Bang.

Stjärnorna uppvisar förbryllande kemiska signaturer bland annat ovanliga mängder av helium, kväve, syre, natrium, magnesium och aluminium. Det visar komplexa anrikningsprocesser av klusterbildning från extremt heta "föroreningar".

Den nya studien bygger på tröghetsinflödesmodellen för massiv stjärnbildning och utvidgar den till de extrema miljöerna i det tidiga universum. Resultatet visar att turbulent gas i de största och tyngsta stjärnhoparna naturligt gett upphov till extremt massiva stjärnor (EMS) som väger mellan 1 000 och 10 000 solmassor. Dessa ansamlingar av system frigör kraftfulla stjärnvindar rika på produkter av väte som förbränns vid höga temperaturer som sedan blandas med den omgivande orörda gasen och bildar de kemiskt distinkta stjärnorna.

– Vår modell visar att bara några få extremt massiva stjärnor kan lämna ett bestående kemiskt fingeravtryck på en hel hop, beskriver Mark Gieles. "Det kopplar äntligen bildningsfysiken hos klotformiga stjärnhopar till de kemiska signaturer vi observerar idag."

Laura Ramirez Galeano och Corinne Charbonnel från universitetet i Genève tillägger: "Det var redan känt att kärnreaktioner i centrum av extremt massiva stjärnor kunde skapa de rätta överflödsmönstren. Vi har nu en modell som ger en naturlig väg för att bilda dessa stjärnor i massiva stjärnhopar.

Denna process utvecklades snabbt  under en tid av 1 till 2 miljoner år  tiden innan några supernovor exploderade vilket säkerställer att hopens gas förblir fri från supernovaföroreningar.

Studien, som publiceras i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , visar hur dessa kortlivade stjärnjättar har haft ett stort inflytande på kemin i klotformiga stjärnhopar i några av de äldsta och mest gåtfulla stjärnsystemen i kosmos.

Ute i universum börjar livets byggstenar få form.

 

Bild https://www.colorado.edu/ tagen med James Webb-rymdteleskopet av de så kallade "Skapelsens pelare", en region i Örnnebulosan där moln av gas och stoft kollapsar och bildar nya stjärnor. Bildkälla: NASA, ESA, CSA, STScI; Bildbehandling: Joseph DePasquale (STScI), Anton Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI)

I en ny studie har ett internationellt forskarlag under ledning av forskare vid University of Colorado Boulder gjort experiment på jorden för att återskapa kemin djupt ute i rymden. Gruppens resultat kan ha avslöjat viktiga steg i de processer som formar dessa organiska molekyler över tid.  "Vi är alla gjorda av kol, så det är verkligen viktigt att veta hur kol i universum omvandlas på sin väg till att införlivas i ett planetsystem som vårt eget solsystem", beskriver Bouwman, biträdande professor vid institutionen för kemi och forskare vid laboratoriet för atmosfärs- och rymdfysik (LASP) vid CU Boulder.

Fulleren  är en av de fem kristallina allotroperna av kol (de naturliga är diamant, grafen, nanorör och grafit) och består av kolatomer organiserade i form av en sluten bur. Det mest kända exemplet är buckminsterfulleren (C69)  som fått sitt namn från den berömda futuristen Richard Buckminster Fuller. Dessa molekyler innehåller 60 atomer i form av en sfär och har en slående likhet med en fotboll.

Fullerener, inklusive buckminsterfulleren svävar fritt i det interstellära mediet (i gas, stoft, plasma, magnetfält och kosmisk strålning som finns i rymden mellan stjärnorna i en galax). Men forskare har länge kämpat med att förklara var de kom ifrån och hur de bildats.

Den nya studiens resultat tyder på att strålning i rymden kan bidra till att omvandla PAH:er (polycykliska aromatiska kolväten) till fullerener.

"Det ger oss en ledtråd om att de buckminsterfuller som vi hittar i rymden kan vara kopplad till dessa stora aromatiska molekyler som också de finns i överflöd", beskriver Bouwman. Forskargruppen simulerade kemin i rymden genom att studera två små PAH-molekyler som kallas antracen och fenantren. 

PAH:er består av kolatomer arrangerade i en serie hexagoner, inte olikt en bikaka. PAH:er är rikligt förekommande på jorden där man kan hitta dem i rök, sot och andra förkolnade material.

Först bombarderade forskarna de två PAH:erna med en elektronstråle. Det liknar vad som händer när strålning i rymden interagerar med molekyler i det interstellära mediet.

Detta bombardemang omvandlade PAH:erna till nya laddade organiska molekyler. Forskarna matade sedan in produkterna i en jonfällningsapparat vid en vetenskaplig anläggning som kallas Free Electron Lasers for Infrared eXperiments vid HFML-FELIX (Forskningsinstitut i Nijmegen, Nederländerna). Denna unika nationella inkluderar flera lasrar som sprider sig över ett stort källarrum. Med hjälp av dessa lasrar kunde forskarna exakt undersöka strukturen hos de nya molekylerna. Bouwman beskriver att när teamet träffade antracen och fenantren med elektroner, förlorade molekylerna en eller två av sina väteatomer.

I processen förändrade de också radikalt sina strukturer och bygga en ny struktur. Istället för att bara inkludera hexagoner, innehöll de resulterande produkterna nu kolatomer arrangerade i form av både hexagoner och pentagoner.

Den radikala reaktionen hade aldrig setts tidigare, beskrev Bouwman. Huruvida den här typen av pentagonbärande molekyler också är vanliga i rymden är inte klarlagt.

"Det var ett mycket överraskande resultat att bara genom att frigöra en eller två väteatomer, omorganiserades hela molekylen", beskriver Sandra Brünken, medförfattare till studien och docent vid Radboud universitet i Nederländerna och gruppledare vid FELIX.

Resultaten var ögonöppnande, delvis eftersom den typen av molekyler också är väldigt enkla att vika ihop. (Tänk dig bara en fotboll, som är uppbyggd av en blandning av både hexagoner och pentagoner).

Med andra ord kan dessa pentagonbärande molekyler vara den saknade länken för att omvandla vanliga PAH:er till buckyballs och andra fullerener.

Bouwman och Brünken hoppas att astrofysiker kommer att lägga märke till deras resultat. Forskare skulle kunna använda teamets resultat för att undersöka om liknande pentagonbärande molekyler existerar djupt ute i rymden med hjälp av verktyg som James Webb-rymdteleskopet vilket är det kraftfullaste teleskopet som någonsin uppskjutits.

"Man kan ta våra resultat från laboratoriet och sedan använda dem som ett fingeravtryck för att leta efter samma signaturer i rymden", beskriver Brünken.

Forskningsresultatet har nyligen publicerades i Journal ofthe American Chemical Society.

 

Är den mörka energin i avtagande och med detta universums expansion?

 

Diagramet ovan är från  https://www.ras.ac.uk  och visar hur universum verkar befinna sig i ett tillstånd av inbromsad expansion (röd linje). Den prickade vertikala linjen markerar den nuvarande tiden medan den svarta linjen visar ΛCDM-förutsägelsen.  De gröna och röda linjerna representerar den nya studiens modell före (grön) och efter (röd) korrigering av åldersbias, i överensstämmelse med baryoniska akustiska svängningar och kosmiska bakgrundsdata för mikrovågor (blå linje). Typ av licens Attribution (CC BY 4.0)

Under de senaste tre decennierna har astronomer allmänt ansett att universum expanderar i en ständigt ökande takt under påverkan av mörk energi vilken fungerar som en slags antigravitation.

Denna slutsats, baserad på avståndsmätningar till avlägsna galaxer med hjälp av typ Ia-supernovor belönades med 2011 års Nobelpris i fysik. 

Ett team av astronomer vid Yonsei University Seoul Korea har nyligen lagt fram nya bevis för att supernovor av typ Ia, som länge betraktats som universums "standardljus", i själva verket påverkas starkt av åldern av tidigare stjärnors ljus.

Även efter luminositetsstandardisering verkar supernovor från nyare stjärnpopulationer systematiskt svagare, medan de från äldre populationer verkar ljusstarkare.

Den nya studien, som baseras på ett urval av 300 galaxer (där Ia-supernovor finns) bekräftar denna effekt med extremt hög signifikans (99,999 procents konfidens), vilket tyder på att försvagningen av avlägsna supernovor inte bara beror på kosmologiska effekter utan också på astrofysiken på stjärnor.

När denna systematiska bias korrigerades stämde supernovadata inte längre överens med ΛCDM:s kosmologiska modell med en kosmologisk konstant, beskriver forskarna.

Istället stämde den mycket bättre överens med en ny modell som gynnats av DESI-projektet (Dark Energy Spectroscopic Instrument), som härstammar från baryoniska akustiska svängningar (BAO) vilket innebär ljudet av Big Bang i form av kosmisk mikrovågsbakgrundsdata (CMB).De korrigerade supernova-datan och resultaten från BAO+CMB-only indikerar båda att mörk energi försvagas och utvecklas över tid.

Det mest överraskande av allt är att denna kombinerade analys indikerar att universum inte accelererar som man tidigare trott utan redan har övergått till ett tillstånd av inbromsad expansion.

Professor Lee tillägger: "I DESI-projektet erhölls de viktigaste resultaten genom att kombinera okorrigerade supernovadata med mätningar av baryoniska akustiska svängningar vilket ledde till slutsatsen att även om universum kommer att bromsa in i framtiden accelererar det för närvarande fortfarande.

"Däremot visar vår analys – som tillämpar korrigeringen för åldersbias  att universum redan har gått in i en inbromsningsfas idag. Anmärkningsvärt nog stämmer detta överens med vad som oberoende förutspås från BAO-analyser eller BAO+CMB-analyser, även om detta faktum hittills har fått svag uppmärksamhet.

För att ytterligare bekräfta resultatet genomför Yonsei-teamet nu ett "evolutionsfritt test", som bara använder supernovor i unga galaxer över hela rödförskjutningsområdet. De första resultaten stöder deras huvudsakliga slutsats. "Inom de närmaste fem åren, när Vera C. Rubin-observatoriet troligen har upptäckt kanske mer än 20000 nya supernovavärdgalaxer kommer exakta åldersmätningar att möjliggöra ett mycket mer robust och definitivt test av supernovakosmologi", beskriver forskaren professor Chul Chung, som leder studien tillsammans med doktoranden Junhyuk Son.

Vera C. Rubin-observatoriet som finns på ett berg i de chilenska Anderna är  världens mest kraftfulla digitalkamera. Den började sin vetenskapliga verksamhet i år och kan  svara på viktiga frågor om vårt eget solsystem och universum i stort.

Efter Big Bang och den snabba expansionen av universum för cirka 13,8 miljarder år sedan saktade gravitationen ner det. Men 1998 konstaterades det att nio miljarder år efter universums begynnelse hade dess expansion börjat ta fart igen, driven av en mystisk kraft.

Astronomer kallar detta mörka energi. Men trots att den utgör cirka 70 procent av universums innehåll anses den fortfarande vara ett av de största mysterierna inom vetenskapen.

Mörk materia påverkar inte gravitationsbrunnar

 

Bild wikipedia  Gravitationen håller solsystemets planeter i omloppsbana kring solen. Bilden är ej skalenlig.

Vanlig materia lyder under fyra väl identifierade krafter: gravitationen, elektromagnetismen och den starka och svaga kärnkraften. Frågan är om mörk materia lyder under en femte kraft? För att lösa frågan har ett forskarlag lett av UNIGE (Universitetet i Genève) tagit sig an uppgiften att avgöra om mörk materia på en kosmisk skala faller ner i gravitation på samma sätt som vanlig materia. Under inflytande av massiva himlakroppar förvrängs det utrymme som upptas av vårt universum och skapar brunnar (det är det som är effekten av gravitation ju större massivare objekt ju djupare brunn och tiden är även involverad i djupet av gravitation som drar ner ett objekt därav att tiden är relativ). Vanlig materia – planeter, stjärnor och galaxer – faller ner i dessa brunnar enligt väletablerade fysikaliska lagar, inklusive Einsteins allmänna relativitetsteori och Eulers ekvationer. Men hur är det med mörk materia?

"För att svara på frågan jämförde vi hastigheterna hos galaxer i universum med djupet hos gravitationsbrunnar", förklarar Camille Bonvin, docent vid institutionen för teoretisk fysik vid UNIGE:s   naturvetenskapliga fakultet och medförfattare till studien. "Om mörk materia inte är utsatt för en femte (okänd) kraft, kommer galaxer som till största delen består av mörk materia att falla ner i dessa brunnar likt vanlig materia som enbart styrs av gravitationen. Å andra sidan om en femte kraft verkar på mörk materia kommer den att påverka galaxernas rörelse som då skulle falla ner i brunnarna på ett annat sätt än vanlig materia. Genom att jämföra borrhålens djup med galaxernas hastigheter kan vi därför testa om det finns en sådan okänd kraft.

Genom att tillämpa detta tillvägagångssätt på nuvarande kosmologiska data drog forskargruppen slutsatsen att mörk materia faller ner i gravitationsbrunnar på samma sätt som vanlig materia, och därmed följer Eulers ekvationer. 

 "I det här skedet utesluter dock dessa slutsatser ännu inte att det finns en okänd kraft. Men om det finns en sådan femte kraft kan den inte överstiga 7 procent av gravitationsstyrkan i annat fall skulle den redan ha dykt upp i våra analyser, beskriver Nastassia Grimm huvudförfattare till studien och tidigare postdoktoral forskare vid institutionen för teoretisk fysik vid UNIGE:s naturvetenskapliga fakultet vilken nyligen har anslutit sig till Institute of Cosmology and Gravitation vid University of Portsmouth.

Dessa första resultat markerar ett stort steg framåt i karakteriseringen av mörk materia. Nästa utmaning blir att avgöra om det är en femte kraft som styr den. 

– Kommande data från de senaste experimenten, som LSST och DESI, kommer att vara känsliga för krafter så svaga som 2 procent av gravitationen. Det bör därför göra det möjligt för oss att lära oss ännu mer om hur mörk materia beter sig, avslutar Isaac Tutusaus, forskare vid ICE-CSIC och IEEC och docent vid IRAP, Midi-Pyrénées-observatoriet, University of Toulouse och medförfattare till studien. Men hur är det med mörk materia? Den är osynlig och undflyende och kan vara underkastad samma lagar eller styras av en femte, ännu okänd kraft? Vilket är ännu okänt.

Hur vatten bildas medan en planet bildas

 

Bilden från wikimedia  visar exoplaneten som kretsar kring den solliknande stjärnan HD 85512 i den sydliga delen av stjärnbilden Seglet. Planeten är en av sexton superjordar som upptäckts av instrumentet HARPS på 3,6-metersteleskopet vid ESO:s La Sillaobservatorium. Planeten är ungefär 3,6 gånger massivare än jorden och finns i utkanten av den beboeliga zonen runt stjärnan. Här kan flytande vatten finnas och kanske  liv

Mer än 6 000 bekräftade exoplaneter har hittats i Vintergatan av dessa är så kallade Sub-Neptunus de vanligaste. Desssa är mindre än Neptunus och men mer massiva än jorden och tros ha stenigt inre med tjocka vätedominerade atmosfärer.

Tidigare forskning av matematiska modeller har visat att interaktioner mellan atmosfäriskt väte och magmahav under planetbildning kan producera betydande mängder vatten. Omfattande experimentella tester av denna föreslagna källa till vatten har dock inte utförts förrän nu.

Miozzi och Shahar (se nedan) ledde ett internationellt team av forskare från Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) och UCLA för att skapa de förhållanden under vilka sådana interaktioner mellan väte i den tidiga atmosfären på en planet tillsammans med järnrik kiseldioxidsmältning representerar den bildande magmaoceanen. Forskarna åstadkom detta genom att komprimera prover upp till nästan 600 000 gånger atmosfärstrycket (60 gigapascal) och värma upp dessa till över 4 000 grader Celsius.

 

Denna experimentella miljö efterliknar en kritisk fas i den steniga planetens evolutionära process. Stenplaneter (som jorden) bildas av den skiva (protoplanetär skiva) av stoft och gas som omger en ung stjärna under perioden efter stjärnans tillblivelse. Materialet samlas till objekt som kraschar in i varandra och blir större och varmare och så småningom smälter till en stor magmaocean. Detta blir blir början till  unga planeter och de är ofta omgivna av ett tjockt hölje av molekylärt väte, H2 (vätgas), kan då fungera som en "termisk filt" som håller magmahavet kvar i miljarder år innan det svalnar.

"Vårt arbete gav de första experimentella bevisen för två kritiska processer från den tidiga planetutvecklingen", säger Mozzi. – Vi visade att en stor mängd väte löses upp i smältan och att betydande mängder vatten skapas genom järnoxidreduktion med molekylärt väte.

Sammantaget visar dessa fynd att stora mängder väte kan lagras i magmahavet medan vatten bildas. Detta har stora konsekvenser för de fysikaliska och kemiska egenskaperna av planetens inre med potentiella effekter även på kärnans utveckling och atmosfärens sammansättning.

Denna nya internationella forsknings resultat är publicerad i Nature av Carnegies av Francesca Miozzi och Anat Shahar från Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) och UCLA .

Perseverance insamlade mineral från Mars ska analyseras på Jorden.

 

Bild https://www.mpg.de/ Formation,  kallas Cheyava Falls och är belägen i Bright Angel-regionen i Jezerokratern på Mars där Perseverance tog stenprov förra året. Motsvarande borrhål kan ses till vänster. Nyligen genomförda studier av urvalet av mineral kan ge bevis på eventuellt tidigare liv på Mars. © NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

I mer än fyra år har den uttorkade Jezerokratern varit NASA-rovern  Perseverances arbetsplats på Mars. Rovern utför inte bara vetenskapliga mätningar här utan har även samlat in 33 sten-, jord- och atmosfärsprover varav några har stuvats undan ombord. I ett framtida uppdrag ska dessa prover transporteras till jorden.  De relativt små och få vetenskapliga instrument som Perseverance har ombord erbjuder endast mycket begränsade analysmöjligheter.

Endast på jorden kan en mängd olika analysmetoder användas och mätningar utföras med hög känslighet och precision. Under de senaste två åren har ett internationellt team på 21 forskare under ledning av de amerikanska och europeiska rymdorganisationerna NASA och ESA diskuterat hur man ska gå vidare med Perseverances prover ur ett vetenskapligt perspektiv då de kommer till jorden.

Den omfattande studien av förslag om detta har publicerats i tidskriften Astrobiology. 

Bland de författare som NASA och ESA valt ut bland ett stort antal sökande i arbetet från USA, Kanada och ESA:s 22 medlemsländer är Christian Schröder från MPS och Andreas Pack från Geosciences Center vid universitetet i Göttingen som är de enda representanterna för tyska forskningsinstitutioner. NASA hedrade nyligen teamet med NASA Group Achievement Award. I en annan rapport i samma tidskrift undersöker forskare hur proverna från Mars kan skyddas från markbunden kontaminering (påverkan av liv eller föroreningar här på jorden).

En av medförfattarna till denna är Christoph Burkhardt från MPS. Väl på jorden kommer Mars-proverna först att tas in i den provmottagande anläggningen. Enligt experternas rekommendation ska den vara utrustad med 18 vetenskapliga instrument, inklusive en röntgentomograf, ett elektronmikroskop och olika slag av masspektrometrar. Vid provmottagningsanläggningen ska forskarna först beskriva och katalogisera proverna för vidare undersökning och bedöma den potentiella biologiska fara de utgör. Efter det kan alla tidskritiska utredningar genomföras. En viktig slutsats i rapporten är att de flesta av de vetenskapligt nödvändiga mätningarna utföras och då utanför provtagningsmottagningen i specialiserade laboratorier.

En slags ansökningsprocess kommer att avgöra vilka laboratorier i världen som kommer att få delar av det ovärderliga materialet. Denna procedur säkerställer att proverna hamnar i de mest erfarna och kvalificerade händerna. Forskarna i Göttingen hoppas få både sten- och gasprover från Perseverance. Om och när Mars-proverna från Perseverance kommer till jorden som en del av ett gemensamt NASA- och ESA-uppdrag är för närvarande oklart. Den ursprungliga tidtabellen var inriktad på början av 2030-talet men har ändrats flera gånger under tiden så det kan försenas ytterligare.

Färgrikt då Vintergatan fotograferades i lågfrekventa radiovågfärger

 

Bild https://www.icrar.org/  Professor Hurley-Walker, avbildad framför GLEAM-X-undersökningen.

Silvia Mantovanini är doktorand vid Curtin University-noden i ICRAR (International Centre of Radio Astronomy Research) se medföljande länk ovan. Mantovanini ägnade 18 månader och cirka 1 miljon CPU-timmar åt att konstruera bilden med hjälp av superdatorerna vid Pawsey Supercomputing Research Centre för att bearbeta och sammanställa data från två omfattande kartläggningar. Kartläggningar som genomförts med hjälp av teleskopet Murchison Widefield Array (MWA) vid Inyarrimanha Ilgari Bundara, CSIRO Murchison Radio-Astronomy Observatory på Wajarri Yamaji Country i västra Australien.

Undersökningar gjordes med hjälp av GaLactic and Extragalactic All-sky MWA (GLEAM) och GLEAM-X (GLEAM eXtended) under 28 nätter under 2013 och 2014, respektive 113 nätter mellan 2018 och 2020.

Bilden, som fokuserar på Vintergatan har dubbelt så hög upplösning, tio gånger högre känslighet och täcker dubbelt så stor yta jämfört med den tidigare GLEAM-bilden som släpptes 2019. – Man kan tydligt identifiera rester av exploderande stjärnor, som representeras av stora röda cirklar. De mindre blå områdena indikerar områden där nya stjärnor bildas, beskriver Mantovanini.

Bilden kan hjälpa till att lösa mysterierna kring pulsarer i vår galax. Genom att mäta ljusstyrkan hos pulsarer vid olika GLEAM-X-frekvenser hoppas astronomer få en djupare förståelse för hur dessa gåtfulla objekt sänder ut radiovågor och var de finns i vår galax.