Del:
10 måder Et projekt afslører universets sjæl
Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), den mest kraftfulde samling af radioteleskoper i verden, er bygget på Chajnantor-plateauet i det nordlige Chile. I en højde på 5.000 meter er den højere end de tykkeste lag af jordens atmosfære.
Disse teleskoper giver os mulighed for at dechiffrere bølgelængder, der er længere end optisk lys, afslørende lys (eller farver), som vi ikke kan se med egne øjne. Men ALMA, som betyder "sjæl", er også en tidsmaskine. Det ser ud til fortiden at verificere videnskabelige teorier om hvordan universet dannede over 13 milliarder år siden. Det fremmer os også i fremtiden, når vi søger efter nye verdener og for det fremmede liv, der beboer dem.
Udvalgte billedkredit: C. Ponton / ESO10 Livsmolekylen
I den gigantiske gassky Skytten B2 nær centrum af vores galakse har ALMA for første gang påvist i et interstellært rum et hydrogen-rige, kulstofbærende molekyle relateret til dem, vi har brug for for livet på Jorden. Denne opdagelse betyder, at interstellære molekyler som disse måske er kommet til jorden i den fjerne fortid for at springe i gang her. Det antyder også, at kulstofbaseret fremmedliv kan eksistere andre steder i universet.
Molekylære skyer som Skytten B2 er kendt som "stellare planteskoler", fordi deres kompakte områder af gas og støv er velegnede til at skabe stjerner. Indtil nu har alle organiske molekyler opdaget i interstellært rum bestået af en lige kæde af carbonatomer. Men i Skytten B2 fandt ALMA et nyt molekyle, isopropylcyanid, med en forgrenet carbonstruktur som den, der findes i aminosyrer. Aminosyrer er byggestenene af protein, som er nøglekomponenter i livet på Jorden.
Denne opdagelse antyder, at de molekyler der er nødvendige for livet, som vi kender det, er skabt, når stjerner danner, godt før planeter som Jorden eksisterer. Isopropylcyanid var rigeligt i Skytten B2, så forgrenede molekyler kan være almindelige i interstellært rum. Astronomer håber at finde aminosyrer der også.
9 De fusionerende galakser
Voldelige fusioner mellem galakser er ret almindelige. Men deres stjerner og solsystemer kolliderer faktisk ikke. I stedet passerer disse galakser gennem hinanden som spøgelser, fordi deres stjerner er for langt fra hinanden for at røre ved.
En fusion sætter en frenet formation af nye stjerner sammen med tyngdekraften kaos. Dette var længe antaget at ødelægge de oprindelige galakse strukturer, erstatte dem med en massiv elliptisk galakse formet som en amerikansk fodbold. Dette skulle ske selvom begge de oprindelige galakser var diskgalakser - som vores Milky Way - med fladede, cirkulære områder af gas og støv.
Det har været den rådende visdom siden computersimuleringer blev udført i 1970'erne. Nyere simuleringer modsatte disse resultater, hvilket tyder på, at nogle galaksefusioner kan danne diskgalakser. Men forskerne havde heller ikke noget bevis.
Nu har ALMA og andre radioteleskoper imidlertid givet røgpistolen med 24 observerede galakser, der har gennemgået fusioner til at danne diskgalakser. Det er 65 procent af de 37 galakser undersøgt af en international forskningsgruppe under ledelse af Junko Ueda fra Japan Society for Promotion of Science.
Som Ueda sagde: "Vi ved, at flertallet af galakser i det fjernere univers også har diske. Vi ved dog endnu ikke, om galaksefusioner også er ansvarlige for dem, eller om de dannes af kold gas, der gradvist falder ind i galaksen. Måske har vi fundet en generel mekanisme, der gælder i hele universets historie. "
8Eksentriske og tilbøjelige kredsløb af eksoplaneter
Nogle exoplaneter, som er planeter udenfor vores solsystem, omlaster deres stjerner i en meget langstrakt eller oval form (en "excentrisk" kredsløb) eller i en højt vinklet vinkel fra deres stjernens ækvator (en "skrå" bane). For at finde ud af hvorfor dette sker i binære systemer, hvor to stjerner kredser hinanden, brugte forskere ALMA til at se på HK Tauri, et ungt binært system i Taurus konstellationen.
For at forstå, hvad ALMA gør, hjælper det med at vide, hvordan stjerner og planeter er lavet. Når en sky af interstellær gas falder ind i sig selv fra træk af sin egen tyngdekraft, virker det hurtigere og hurtigere, indtil det flader ind i en disk. I midten af den disk formes en protostar som et embryo i livmoderen. Når protostarens kernetemperatur bliver høj nok til at udløse atomreaktioner, fødes en ny stjerne. Ca. 90 procent af tiden går gas og støv tilbage fra stjernens fødsel rundt om den nye stjerne i en protoplanetisk disk. Materialet i denne disk kan til sidst indgå i planeter, måner og andre genstande.
I et binært system, hvis de to stjerner og deres protoplanetiske diske ikke kredser på samme plan (hvilket betyder, at de er "fejljusteret"), kan nye planeter danne sig med yderst excentriske eller tilbøjelige baner. En teori, Kozai-mekanismen, siger, at tyngdekraften fra en anden stjerne giver den første stjernes planeter disse underlige baner.
ALMA bekræftede denne teori med HK Tauri. Dimmerstjernen HK Tauri B har en protoplanetisk disk, der blokerer stjernens lys, hvilket gør disken let at se i synligt lys. Men den protoplanetære disk af HK Tauri A er vippet, så det blændende lys fra sin stjerne gør denne disk umuligt at se i synligt lys. ALMA opdagede begge diske let i millimeterbølgelængde lys, hvilket afslørede, at de er misaligneret med hinanden med mindst 60 grader. Mindst en disk er ikke på samme plan som de to stjerners kredsløb.
Selvom dette ikke forklarer alle de rare eksoplanetbaner i universet, viser det sig, at betingelserne for at skævre en eksoplanets omløb kan være til stede, når denne planet danner i et binært system.
7The Planet-Forming Lifelines
I et flerstjernesystem kendt som GG Tau-A i Taurus konstellationen har ALMA detekteret gas og støv, som strømmer i en strøm. Strømmen strømmer fra en enorm ydre disk, der omgiver hele stjernesystemet til en mindre indre disk, der omgiver kun den centrale centralstjerne. Det ligner et hjul i et hjul.
Forskere havde været opmærksomme på den indre disk før ALMA, men de kunne ikke forklare, hvordan den indre disk overlevede. Dens materiale blev udtømt af sin centrale stjerne så hurtigt, at disken skulle være forsvundet længe siden. Derefter opdagede ALMA dette aldrig-før-set fænomen: Gaskobber i området mellem de to diske, der virker som en redningslinje, ved at overføre materiale fra den ydre disk til at fodre den indre disk. Den indre disk kan derfor overleve meget længere, hvilket giver en større chance for at udvikle planeter, der kredser om den centrale stjerne.
Hvis andre multiple-stjernesystemer har disse livslinjestrukturer til at fodre protoplanetære diske, har vi flere steder at jage for eksoplaneter og fremmede i livet fremover.
6The Boomerang Nebula
På 5.000 lysår væk fra Jorden vinder Boomerang-nebulaen i Centaurus-konstellationen prisen for det koldeste kendte objekt i universet. Dens temperatur er kun 1 Kelvin, hvilket er det samme som -272 grader Celsius (-458 ° F). Det er endnu koldere end den kosmiske mikrobølge baggrund, som ved 2.8 Kelvin er den naturlige baggrundstemperatur i rummet.
Forskere undersøgte de frige egenskaber ved Boomerang-nebulaen ved hjælp af ALMA. I processen opdagede de også nebulaens egentlige form. Tidligere skildrede optiske teleskoper nebulaen i synligt lys som en sløjfe med to overlappende boomerangs. Men ALMA kunne visualisere bølgelængder af lys, der tidligere var dækket af et tykt band af støv, der omringede stjernen inde i neblen. Det viste sig, at nebulaen har en meget bredere form, som ekspanderer hurtigt.
Astronomerne opdagede også, hvorfor Boomerang-nebulaen er så frigid. Dens centrale stjerne er døende. Dette skaber en hurtig strøm af gas fra stjernen, der samtidig udvider og køler neblen som ekspanderende gas køler et køleskab. Efterhånden som gasudvidelsen sænker, bliver nålens ydre skal varmere. "Dette er vigtigt for forståelsen af, hvordan stjerner dør og bliver planetariske nebulae," siger Raghvendra Sahai fra NASAs Jet Propulsion Laboratory. "Ved hjælp af ALMA var vi helt bogstaveligt og figurativt i stand til at kaste nyt lys på dødsstrålerne fra en sollignende stjerne."
5Space Blob
Dette fund fra ALMA er spændende på grund af hvad teleskoperne gjorde ikke se. Men lad os starte med hvad vores teleskoper så.
I 2009 opdagede astronomerne en glødende, varm gasboble, der spænder over 55.000 lysår. De kaldte det "Himiko", efter en legendarisk dronning i Japan. På næsten 13 milliarder lysår fra Jorden og i betragtning af den tid det tager for lys at rejse den afstand, så forskerne Himiko på et tidspunkt, hvor universet kun var 6 procent af dets nuværende størrelse. Det syntes alt for stort og stærkt for sin æra.
Ved hjælp af Hubble Space Telescope og ALMA kunne astronomerne løse nogle af puslespillet. Hubble afslørede at Himiko består af tre stjerneklubber, som hver især er den normale størrelse af en lysende galakse fra den tid. Disse tre klumper danner stjerner med den fantastiske hastighed på ca. 100 solmasser hvert år. Som California Institute of Technology Richard Ellis forklarer: "Dette meget sjældne tredobbelte system, set da universet kun var 800 millioner år gammelt, giver vigtig indsigt i de tidligste stadier af galakseformationen i en periode kendt som" kosmisk daggry ", da universet blev først badet i stjernelys. Endnu mere interessant, ser disse galakser ud til at smelte ind i en enkelt massiv galakse, som i sidste ende kunne udvikle sig til noget, der ligner Vægten. "
Men her er hvad der forlod astronomer, der klødte hovedet. Et område med sådan aktiv stjernedannelse bør skabe støvskyve af tunge elementer som kulstof, ilt og silicium. Når de opvarmes af stjernelys, producerer disse elementer radiobølgelængder, som ALMA kan samle op. Men ALMA registrerede ikke nogen signifikante radiobølger. Den registrerede heller ikke gasformigt carbon, hvilket også er forbundet med rasende stjernedannelse.
I stedet mener astronomer, at Himikos interstellære gas er lavet af hydrogen og helium. Det betyder nok, at vi ser en primordial galakse, da den danner kort efter big bang.
4The Supernova Dust Factory
Uden støv ville ingen af os eksistere. Støv er afgørende for dannelsen af stjerner og planeter. Vi ved, at universet er fyldt med det, men videnskabsmænd var ikke sikre på, hvordan støv blev dannet i det tidlige univers.
I dag kommer det meste støv i universet fra stjerner af alle størrelser, som de dør. Men i det tidlige univers var kun massive stjerner gået supernova. Det tegnede sig for noget støv, men tilsyneladende ikke næsten nok til de store mængder, der ses i fjerne, unge galakser. Så undersøgte astronomerne resterne af Supernova 1987A med ALMA, og de fandt svaret på det manglende tidlige støv.
Som navnet antyder, eksploderede SN 1987A i 1987 omkring 168.000 lysår fra Jorden. Forskere forventede at se store mængder støv som kulstof, ilt og siliciumatomer bundet til molekyler i midten af kølegassen fra eksplosionen. Med den tidens teleskoper så de kun en lille mængde varmt støv. Men da de brugte ALMA, opdagede de en støvsky med en masse svarende til 25 procent af vores sol.Med ALMAs evne til at afsløre millimeter og submillimeterbølgelængder, hvor det (meget mere rigelige) kolde støv lyser lyst, blev mysteriet løst.
"Virkelig tidlige galakser er utroligt støvede, og dette støv spiller en vigtig rolle i udviklingen af galakser," siger Mikako Matsuuro fra University College London. "I dag ved vi, at støv kan skabes på flere måder, men i det tidlige univers skal det meste være kommet fra supernovaer. Vi har endelig direkte beviser for at støtte denne teori. "
3The Orion Death Star
Der er planet-dræber lurker i Orion Nebula's overfyldte stjerneskole.
Som vi forklarede tidligere, giver store molekylære skyer af gas og støv som neblen et glimrende miljø for at skabe stjerner og til sidst planeter. Men der er også ældre O-type stjerner i Orion Nebula, der er langt mere massive end vores sol og har overflade temperaturer på 50.000 Kelvin eller mere. Disse O-stjerner bruger livets og dødens magt til at udvikle planetsystemer i deres region. Når disse massive kortlivede O-stjerner går supernova, tror forskerne, at de resulterende eksplosioner skaber skyer af gas og støv, som vil danne den næste runde stjerner og planeter. Men mens disse O-stjerner lever, kan de ødelægge protoplanetære diske, hvis disse embryonale solsystemer bliver for tætte.
Med ALMAs evne til at se objekter, der er skjult af støv, kan astronomer visualisere to gange antallet af kendte protoplanetiske diske i Orion-nebulaen. Dataene viser, at hvis de unge stjerner kommer inden for en tiendedel af et lysår af en O-stjerne, vil den intense ultraviolette stråling fjerne den unge stjernes protoplanetiske disk, før planeter kan danne sig. Denne ekstreme elektromagnetiske stråling skubber ofte de berørte unge stjerner i form af tårer.
2The Event Horizon Telescope
I midten af 2014 installerede forskerne et ekstremt præcist atomur på ALMAs Array Operations Site for at synkronisere ALMA med et globalt netværk af radioteleskoper. Dette var en del af en proces for at danne et Earth-sized instrument kaldet Event Horizon Telescope (EHT). "Ved at forene de mest avancerede millimeter og submillimeter bølgelængde radio retter over hele kloden, skaber Event Horizon Telescope et fundamentalt nyt instrument med den største forstørrelse, der nogensinde er opnået," sagde Shep Doeleman fra MIT Haystack Observatory. "Forankret af ALMA vil EHT åbne et nyt vindue på sorthullforskning og fokusere på et af de eneste steder i universet, hvor Einsteins teorier kan bryde ned: på arrangementshorisonten."
Hændelseshorisonten er en teoretisk grænse, der omgiver et sort hul, der repræsenterer point of no return, hvor intet - ikke engang lys - kan undslippe hulets gravitationstræk. Forskere vil bruge EHT til at se om en eventshorisont faktisk findes ved det supermassive sorte hul i midten af vores Melkevejs galakse. Det antages, at dette sorte hul, Skytten A *, pakker massen på ca. fire millioner solstråle ind i et utroligt lille område.
For yderligere at teste Einsteins generelle relativitetsteori vil EHT også scanne Skytten A * til en skygge, som er et mørkt område, hvor det sorte hul har slukket lys. Med form og størrelse af sin skygge bestemt af Skytten A * s spin og masse, kunne EHTs data afsløre, hvordan plads og tidskæde i dette miljø.
Astronomer vil også observere Skyttens A-kollision med G2, en enorm sky af gas og støv for at se, hvordan det påvirker det sorte hul og vores galakse. Denne kollision varer mere end et år.
1Fødningen af et solsystem
I begyndelsen af november 2014 gav ALMA os den første detaljerede oversigt over planeter, der danner i en protoplanetisk disk omkring en ung sollignende stjerne. Stjernen var HL Tau, i Taurus konstellationen omkring 450 lysår fra Jorden. Dette forbløffende klare billede viser fødslen af et nyt solsystem og giver også et vindue til vores fortid ved at afsløre, hvordan vores eget solsystem kan have dannet mere end fire milliarder år siden.
I synligt lys er HL Tau gemt bag en kæmpe sky af gas og støv. Men endnu engang kunne ALMA scanne langt længere bølgelængder for at se gennem støvet til skyens kerne, hvor planlægningens aktivitet fandt sted. ALMAs nye billede bekræftede en del videnskabsteori om planetdannelse.
ALMA gav også astronomer mindst en stor overraskelse. HL Tau skulle være for ung til store planetariske kroppe at cirkulere rundt om det. Men ALMA viser tydeligt koncentriske ringe, der skærer gennem HL Tau's protoplanetiske disk. Når planeterne stiger i størrelse, skaber de disse koncentriske ringe, adskilt af huller, hvor planeterne kredser deres unge stjerne og skubber snavs ud af disken.
Mindst otte planeter synes at være dannende, en for hver koncentrisk ring. ALMA-videnskabsmanden Catherine Vlahakis opsummerede det hidtidige syn pænt: "Dette ene billede alene vil revolutionere teorier om planetdannelse."