Dele:
10 måter Ett prosjekt avslører sjelen av universet
Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), den kraftigste samlingen av radioteleskoper i verden, er bygget på Chajnantor-platået i Nord-Chile. I en høyde på 5.000 meter er den høyere enn de tykkeste lagene i jordens atmosfære.
Disse teleskopene lar oss dechifrere bølgelengder som er lengre enn optisk lys, avslørende lys (eller farger) som vi ikke kan se med egne øyne. Men ALMA, som betyr "sjel", er også en tidsmaskin. Det ser ut til fortiden å verifisere vitenskapelige teorier om hvordan universet dannet over 13 milliarder år siden. Det propellerer oss også inn i fremtiden når vi søker etter nye verdener og for det fremmede liv som beboer dem.
Utvalgt fotokreditt: C. Ponton / ESO10 Livsmolekylen
I den gigantiske gassskyen Skytten B2 nær sentrum av vår galakse, har ALMA for første gang påvist i et interstellært rom et hydrogenrikt, karbonbærende molekyl relatert til de vi trenger for livet på jorden. Denne oppdagelsen betyr at interstellære molekyler som disse kan ha kommet til jorden i den fjerne fortiden for å hoppe i livet her. Det antyder også at karbonbasert fremmedliv kan eksistere andre steder i universet.
Molekylære skyer som Skytten B2 er kjent som "stellare planteskoler" fordi deres kompakte områder med gass og støv er godt egnet for å skape stjerner. Hittil har alle organiske molekyler oppdaget i interstellare rom bestått av en rettkjede karbonatomer. Men i Skytten B2 fant ALMA et nytt molekyl, isopropylcyanid, med forgrenet karbonstruktur som det finnes i aminosyrer. Aminosyrer er byggesteinene av protein, som er nøkkelkomponenter av livet på jorden.
Denne oppdagelsen antyder at molekylene som trengs for livet som vi kjenner det, blir skapt når stjernene dannes, godt før planeter som jorden eksisterer. Iso-propylcyanid var rikelig i Skytten B2, så forgrenede molekyler kan være vanlige i interstellarrom. Astronomer håper å finne aminosyrer der også.
9Fusjonen av galakser
Voldelige fusjoner mellom galakser er ganske vanlig. Men deres stjerner og solsystemer kolliderer ikke faktisk. I stedet går disse galakser gjennom hverandre som spøkelser fordi deres stjerner er for langt fra hverandre for å berøre.
En fusjon utgjør en frenet dannelse av nye stjerner, sammen med tyngdekraften kaos. Dette var lenge antatt å ødelegge den opprinnelige galakse strukturer, erstatte dem med en massiv elliptisk galakse formet som en amerikansk fotball. Dette skulle skje selv om begge de opprinnelige galakser var diskgalaksier - som vår Melkevei - med flatete, sirkulære områder av gass og støv.
Det har vært den rådende visdom siden datasimuleringer ble gjort på 1970-tallet. Nyere simuleringer motsatte disse resultatene, noe som tyder på at noen galaksefusjoner kan danne diskgalaksier. Men forskerne hadde ikke noe bevis på noen måte.
Nå har imidlertid ALMA og andre radioteleskoper levert røykpistolen med 24 observerte galakser som har gjennomgått fusjoner for å danne diskgalaksier. Det er 65 prosent av de 37 galakene som er undersøkt av en internasjonal forskergruppe under ledelse av Junko Ueda fra Japans samfunn for fremme av vitenskap.
Som Ueda sa, "Vi vet at flertallet av galakser i det fjernere universet også har disker. Vi vet imidlertid ikke om galaksefusjoner også er ansvarlige for dem, eller om de dannes av kald gass som gradvis faller inn i galaksen. Kanskje vi har funnet en generell mekanisme som gjelder gjennom universets historie. "
8Eksentriske og tilbøyelige baner av eksoplaneter
Noen eksoplaneter, som er planeter utenfor vårt solsystem, bane deres stjerner i en svært langstrakt eller oval form (en "eksentrisk" bane) eller i en høyt vinklet vinkel fra stjernens ekvator (en "skrå" bane). For å finne ut hvorfor dette skjer i binære systemer, hvor to stjerner kretser hverandre, brukte forskere ALMA til å se på HK Tauri, et ungt binært system i Taurus konstellasjonen.
For å forstå hva ALMA gjør, hjelper det å vite hvordan stjerner og planeter blir laget. Når en sky av interstellær gass kollapser i seg selv fra å trekke sin egen tyngdekraft, virker det raskere og raskere til det flater inn i en disk. I midten av den disken danner et protostar som et embryo i livmor. Når protostarens kjernetemperatur blir høy nok til å utløse atomreaksjoner, blir en ny stjerne født. Om lag 90 prosent av tiden går gass og støv igjen fra stjernens fødsel rundt den nye stjernen på en protoplanetisk plate. Materialet i denne disken kan til slutt danne seg til planeter, måner og andre gjenstander.
I et binært system, hvis de to stjernene og deres protoplanetiske disker ikke bane på samme plan (som betyr at de er "feiljustert"), kan nye planeter danne seg med svært eksentriske eller tilbøyelige baner. En teori, Kozai-mekanismen, sier gravitasjonens trekk fra en annen stjerne gir den første stjernens planeter disse rare banene.
ALMA bekreftet denne teorien med HK Tauri. Dimmerstjernen, HK Tauri B, har en protoplanetisk disk som blokkerer blendingen av stjernens lys, noe som gjør at disken er lett å se i synlig lys. Men den protoplanetære disken til HK Tauri A er vippet slik at det blendende lyset fra stjernen gjør denne disken umulig å se i synlig lys. ALMA oppdaget begge diskene lett i millimeter-bølgelengde lys, noe som viste at de er feiljustert med hverandre med minst 60 grader. Minst en disk er ikke på samme plan som de to stjernene.
Selv om dette ikke forklarer hver rare eksoplanet bane i universet, viser det seg at betingelsene for å skje en eksoplanets bane kan være til stede når den planeten dannes i et binært system.
7The Planet-Forming Lifelines
I et flerstjernesystem kjent som GG Tau-A i Taurus-konstellasjonen, har ALMA oppdaget gass og støv som strømmer i en strøm. Strømmen flyter fra en enorm ytre disk som omgir hele stjernesystemet til en mindre indre disk som omslutter bare den viktigste sentrale stjernen. Det ser ut som et hjul i et hjul.
Forskere hadde vært klar over den indre disken før ALMA, men de kunne ikke forklare hvordan den indre disken overlevde. Dens materiale ble tømt av sin sentrale stjerne så fort at platen skulle ha forsvunnet lenge siden. Da oppdaget ALMA dette aldri forutse fenomenet: gassklumper i området mellom de to diskene som fungerer som en livslinje ved å overføre materiale fra den ytre disken for å mate den indre disken. Den indre disken kan derfor overleve mye lengre, noe som gir den en større sjanse til å utvikle planeter som bane rundt den sentrale stjernen.
Hvis andre flerstjernesystemer har disse livslinjestrukturene for å mate protoplanetiske disker, har vi flere steder å jakte på eksoplaneter og fremmede i livet fremover.
6 Boomerang-nebulaen
På 5000 lysår unna Jorden, vinner Boomerang-nebulaen i Centaurus-konstellasjonen prisen for det kaldeste kjente objektet i universet. Temperaturen er kun 1 Kelvin, som er den samme som -272 grader Celsius (-458 ° F). Det er enda kaldere enn den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, som på 2.8 Kelvin er den naturlige bakgrunnstemperaturen i rommet.
Forskere undersøkte de frigid egenskapene til Boomerang Nebula ved hjelp av ALMA. I prosessen oppdaget de også nebulaens faktiske form. Tidligere viste optiske teleskoper nebulaen i synlig lys som en bue med to overlappende boomerangs. Men ALMA kunne visualisere bølgelengder av lys som tidligere var skjult av et tykt band av støv som omkranser stjernen inne i nebelen. Det viste seg at nebelen har en mye bredere form, som ekspanderer raskt.
Astronomer oppdaget også hvorfor Boomerang-nebulaen er så frigid. Dens sentrale stjerne er døende. Dette skaper en rask strøm av gass fra stjernen som samtidig ekspanderer og avkjøler nebelen som å ekspandere gass kjøler kjøleskap. Etter hvert som gassekspansjonen senkes, blir det ytre skallet av nebelen varmere. "Dette er viktig for forståelsen av hvordan stjernene dør og blir planetariske nevler," sier Raghvendra Sahai fra NASAs Jet Propulsion Laboratory. "Ved å bruke ALMA, var vi ganske bokstavelig og figurativt i stand til å kaste nytt lys på dødsbrønnen til en sol-lignende stjerne."
5Space Blob
Dette funnet fra ALMA er spennende på grunn av det som teleskopene ikke se. Men la oss starte med hva våre teleskoper så.
I 2009 oppdaget astronomer en glødende, varm gassboble som spenner over 55 000 lysår. De kalte det "Himiko", etter en legendarisk dronning i Japan. På nesten 13 milliarder lysår fra Jorden, og gitt tiden det tar for lys å reise den avstanden, så var forskerne å se Himiko på et tidspunkt da universet bare var 6 prosent av sin nåværende størrelse. Det virket altfor stort og kraftig for sin tid.
Ved å bruke Hubble Space Telescope og ALMA, var astronomer i stand til å løse noen av puslespillet. Hubble avslørte at Himiko består av tre stjerneklubber, som hver er den vanlige størrelsen på en lysende galakse fra den tiden. Disse tre klumpene danner stjerner med den fantastiske frekvensen på ca. 100 solmasser hvert år. Som California Institute of Technology Richard Ellis forklarer, "Dette overveldende sjeldne trippelsystemet, sett da universet var bare 800 millioner år gammel, gir viktig innsikt i de tidligste stadiene av galakseformasjonen i en periode som kalles kosmisk daggry, når universet ble først badet i starlight. Enda mer interessant, ser disse galakser ut til å slå seg sammen i en eneste massiv galakse, noe som til slutt kunne utvikle seg til noe som ligner Melkeveien. "
Men her er det som igjen astronomer klirde hodet på. Et område med en slik aktiv stjernedannelse bør skape støvskyger av tunge elementer som karbon, oksygen og silisium. Ved oppvarming av starlight produserer disse elementene radiobølgelengder som ALMA kan plukke opp. Men ALMA oppdaget ikke noen signifikante radiobølger. Det oppdaget heller ikke gassformig karbon, som også er forbundet med rasende stjerneformasjon.
I stedet tror astronomer at Himikos interstellære gass er laget av hydrogen og helium. Dette betyr sannsynligvis at vi ser en primordial galakse som den danner kort tid etter big bang.
4The Supernova Dust Factory
Uten støv ville ingen av oss eksistere. Støv er kritisk for dannelsen av stjerner og planeter. Vi vet at universet er fylt med det, men forskere var ikke sikre på hvordan støv dannet i tidlig univers.
I dag kommer det meste støv i universet fra stjerner av alle størrelser når de dør. Men i det tidlige universet hadde bare massive stjerner gått supernova. Det sto for noe støv, men tilsynelatende nesten ikke nok for de store mengdene som ble sett i fjerne, unge galakser. Så undersøkte astronomene resterne av Supernova 1987A med ALMA, og de fant svaret på det manglende tidlige støvet.
Som navnet antyder, eksploderte SN 1987A i 1987 omtrent 168 000 lysår fra Jorden. Forskere forventes å se store mengder støv som karbon, oksygen og silisiumatomer bundet til molekyler i sentrum av kjølegassen fra eksplosjonen. Med teleskopene på den tiden så de bare en liten mengde varmt støv. Men da de brukte ALMA, oppdaget de en støvsky med en masse som tilsvarer 25 prosent av vår sol.Med ALMAs evne til å avsløre millimeter og submillimeter bølgelengder hvor det (mye mer rikelig) kaldt støv lyser sterkt, ble mysteriet løst.
"Virkelig tidlige galakser er utrolig støvete, og dette støvet spiller en viktig rolle i utviklingen av galakser," sier Mikako Matsuuro fra University College London. "I dag vet vi at støv kan opprettes på flere måter, men i det tidlige universet må det meste ha kommet fra supernovaer. Vi har endelig direkte bevis for å støtte den teorien. "
3The Orion Death Star
Det er planet-drapere som lurker i det overfylte stjerneskoleverket på Orion-nebulaen.
Som vi forklarte tidligere, gir store molekylære skyer av gass og støv som nebelen et utmerket miljø for å skape stjerner og til slutt planeter. Men det er også eldre O-type stjerner i Orion-nebulaen som er langt mer massive enn vår sol og har overflatetemperaturer på 50.000 Kelvin eller mer. Disse O-stjernene bruker livets og dødens kraft til å utvikle planetsystemer i deres region. Når disse massive, kortlivede O-stjernene går supernova, tror forskere at de resulterende eksplosjonene skaper sky og skyvsky som skal danne neste runde stjerner og planeter. Men mens disse O-stjernene lever, kan de ødelegge protoplanetiske disker hvis disse embryonale solsystemene blir for nært.
Med ALMAs evne til å se objekter som er skjult av støv, kan astronomer visualisere to ganger antall kjente protoplanetiske disker i Orion-nebulaen. Dataene viser at hvis unge stjerner kommer innenfor en tiendedel av et lysår av en O-stjerne, vil den intense ultrafiolette strålingen stripe bort den unge stjernens protoplanetiske disk før planeter kan danne seg. Denne ekstreme elektromagnetiske strålingen skyver ofte de berørte unge stjernene i form av tårer.
2The Event Horizon Telescope
I midten av 2014 installerte forskere en ekstremt presis atomur på ALMAs Array Operations Site for å synkronisere ALMA med et globalt nettverk av radioteleskoper. Dette var en del av en prosess for å danne et Earth-sized instrument kalt Event Horizon Telescope (EHT). "Ved å forene de mest avanserte millimeter- og submillimeterbølgelengderadio-retter over hele kloden, skaper Event Horizon Telescope et fundamentalt nytt instrument med den største forstørrelsesmakten som er oppnådd," sa Shep Doeleman fra MIT Haystack Observatory. "Forankret av ALMA, vil EHT åpne et nytt vindu på svart hullforskning og fokusere på et av de eneste stedene i universet der Einsteins teorier kan bryte ned: på hendelseshorisonten."
Hendelseshorisonten er en teoretisk grense rundt et svart hull som representerer punktet uten retur, hvor ingenting - ikke engang lyset - kan unnslippe hullets gravitasjonsspor. Forskere vil bruke EHT for å se om en hendelseshorisont faktisk eksisterer ved det supermassive sorte hullet i sentrum av vår Melkeveis galakse. Det antas at dette svarte hullet, Skytten A *, pakker massen på om lag fire millioner soler til et utrolig lite område.
For å teste Einsteins generelle relativitetsteori, vil EHT også skanne Skytten A * for en skygge, som er et mørkt område hvor det svarte hullet har slukket lys. Med skyggenes form og størrelse, bestemt av Skytten A * s spin og masse, kunne EHTs data avsløre hvordan rom og tidssprang i dette miljøet.
Astronomer vil også observere Skytten A * kollisjon med G2, en stor sky av gass og støv, for å se hvordan det påvirker det svarte hullet og vår galakse. Denne kollisjonen varer mer enn et år.
1Fødningen av et solsystem
I begynnelsen av november 2014 ga ALMA oss den første detaljvise oversikten over planeter som dannes i en protoplanetisk disk rundt en ung, sunnlignende stjerne. Stjernen var HL Tau, i Taurus konstellasjonen om 450 lysår fra Jorden. Dette forbløffende klare bildet viser fødsel av et nytt solsystem og gir også et vindu til fortiden vår ved å avsløre hvordan vårt eget solsystem kan ha dannet mer enn fire milliarder år siden.
I synlig lys er HL Tau gjemt bak en gigantisk sky av gass og støv. Men nok en gang kunne ALMA skanne på mye lengre bølgelengder for å se gjennom støvet til skyens kjerne, der planleggingsaktiviteten fant sted. ALMAs nye bilde bekreftet ganske mye vitenskapelig teori om planetformasjon.
ALMA ga også astronomer minst en stor overraskelse. HL Tau skulle være for ung for store planetariske kropper å sirkle rundt den. Men ALMA viser klart konsentriske ringer som skjærer gjennom HL Tau protoplanetiske disk. Når planeter øker i størrelse, skaper de disse konsentriske ringene, adskilt av hull hvor planeterne kretser rundt sin unge stjerne og skyver rusk ut av disken.
Åtte planeter ser ut til å dannes, en for hver konsentrisk ring. ALMA-forsker Catherine Vlahakis oppsummerte den fremtredende oppfatningen pent: "Dette ene bildet alene vil revolusjonere teorier om planetformasjon."