We are searching data for your request:
Upon completion, a link will appear to access the found materials.
Wat sou gebeur as ons met 'n ruimtetuig na die diep ruimte sou gaan en water in die ruimte sou vrylaat? Sou die water tot ys vries of sou dit as vloeistof bly?
Water kan nie in 'n lugleegte bestaan nie. Water in die ruimte (atmosfeer, geen swaartekrag) is geneig om in 'n bal te vorm nie, maar neem die atmosfeer weg en dit vlieg vinnig uitmekaar. Dit sou eintlik nie soos kook lyk nie. U kook op aarde omdat water deur swaartekrag in 'n pot gehou word. In die leë ruimte sal die water vinnig en ietwat plofbaar uitstroom
Hierdie artikel sê dat dit lyk soos wat gebeur as jy warm water in 'n baie koue lug gooi en vinnig na sneeu verander. Dit is waarskynlik 'n redelike goeie visuele beeld as u geen swaartekrag voorstel nie, en alles sou voortgaan om uitmekaar te vlieg, nie stadig deur lugweerstand of op die aarde val nie.
In koue ruimtes sou die water vries, maar sommige van die vloeistowwe sou ook effektief wegkook, selfs by baie koue temperatuur omdat vloeistof nie stabiel is in 'n vakuum nie. Soos ek gesê het, sommige daarvan sou kook, maar dit sou nie soos kook lyk nie, dit sou vinniger uitmekaar vlieg as wat dit sou vries, maar u sou ook sien dat dit redelik vinnig gevries het. As die water toegebou was, sou die vries 'n rukkie duur, maar in 'n lugdruk en versprei sou dit vinnig in sneeu en yskristalle vries.
'N Persentasie van die water sal gas word en dit sal help om hitte van die oorblywende water weg te voer, wat die vriesproses sal bespoedig. Daardie gas sal met hoë snelheid wegvlieg en nie sigbaar wees nie. As u die yskristalle versamel en weeg nadat die water in die ruimte gegooi is, sou u waarskynlik vind dat 'n persentasie van die water as gas ontsnap.
U kan 'n idee kry van water wat in ys verander deur hitte-oordrag en ontsnap uit die vorming van gasmolekules in 'n video wat wys wat met water in 'n vakuumkamer gebeur. 'N Vakuumkamer kan nie die vinnige verspreiding herhaal nie, omdat dit swaartekrag is, maar dit toon aan dat water na ys verander, selfs by kamertemperatuur. Hier is een video daarvan.
Waarheen sou 'n kompas in die ruimte wys?
Josh Barker van die National Space Centre kom aan die einde van hierdie interessante vraag vir ons.
Kompasse werk met behulp van magnetiese velde. Hier op aarde sou 'n kompas na magnetiese noord wys. 'N Kompas sal hom self in lyn bring met die sterkste magnetiese veld in die streek. Dit is waarom as u 'n magneet kry en dit naby 'n kompas hou, dit die rigting sal verander.
As u die aarde verlaat en die ruimte in beweeg, sal die magnetiese veld swakker word. Alhoewel die veld swakker is, kan die kompas steeds daarby aansluit, wat beteken dat 'n kompas op die Internasionale Ruimtestasie steeds 'n betroubare gids vir die Noordpool sou wees.
As u verkies om verder weg te gaan, sal dinge 'n bietjie interessanter word. As u ver genoeg van die aarde af beweeg, bereik u 'n punt waar die son se magnetiese veld sterker sal wees as die aarde. Op hierdie stadium sou u kompas trou omruil en na die magnetiese noordpool van Suns wys.
Natuurlik, as u 'n kompas na die intergalaktiese ruimte sou stuur, die ruimte tussen sterrestelsels. Dan sal u kompas waarskynlik glad nie werk nie. 'N Sterker kompas sal flouer magnetiese velde opspoor, maar kom ver weg van 'n magnetiese bron en u kompas sal nêrens heen wys nie.
Bly op hoogte van dienuutste resensies in All About Space -beskikbaar elke maand vir slegs £ 4,99. Alternatiewelik kan u intekenhier vir 'n fraksie van die prys!
Water in die ruimte: wat gebeur?
Die aarde is een van die uiters seldsame, spesiale plekke in die heelal waar water kan bestaan, stabiel, as vloeistof. Daar bestaan soveel hier op aarde dat as u al die oseane op aarde sou optel, sou dit meer as 10 ^ 18 ton, massiewer as die grootste asteroïde ooit, en ongeveer so massief soos Pluto se reuse-maan, Charon.
Maar water het net 'n klein venster waarin dit vloeistof kan wees. As u byvoorbeeld warm water tot baie hoog neem, sal dit begin kook en 'n gas word! Hoe hoër u dit geneem het, hoe laer en laer sou u kookpunt wees.
Hoekom? Omdat hoër hoogtes op aarde beteken laer druk. As daar nie genoeg krag is om die water in 'n vloeibare fase in te druk nie, is daar geen krag wat die watermolekules aan mekaar bind nie. As u net toelaat dat hulle versprei, sal hulle dit doen. En dit is die definisie van 'n gas, dit is waarmee u sal eindig.
Aan die ander kant het water ook nie 'n vloeistof by lae temperature nie. U kan - uit hierdie diagram hieronder - sien dat u dit kan draai as u met vloeibare water begin in 'n gas deur die druk te verlaag, maar jy kan dit ook draai in 'n vaste stof deur die temperatuur te verlaag.
As u 'n glas water na die buitenste ruim sou neem, sou die water dan wees vries of sou die water kook?
Dit is 'n vraag wat baie moeilik lyk, want behalwe om van water te weet:
Ons moet ook weet van die buitenste ruimte. Ruimte is baie dinge: koud, donker en leeg kom dadelik in jou gedagtes op. En hulle dink amper aan sodra jy die aarde verlaat.
Wel, die temperatuur van die ruimte is op sy koudste net die temperatuur van die oorskietgloed van die oerknal. Hierdie bestraling, bekend as die Kosmiese Mikrogolfagtergrond, bad die hele heelal in 'n temperatuur van slegs 2,7 Kelvin. Dit is minder as 3 grade bo absolute nul, of -455 grade Fahrenheit! Maar daar is ook - letterlik - geen druk in die ruimte nie. So, wat gebeur? Wie wen? Vries of kook die water?
Vreemd genoeg is die antwoord eerste een, en dan die ander! Dit blyk dat die druk van vakuum die water byna onmiddellik sal laat kook. Met ander woorde, die effek van kook is baie, baie vinniger as die effek van vriespunt.
Maar die verhaal eindig nie daar nie. Sodra die water gekook het, het ons nou 'n paar geïsoleerde watermolekules in 'n gasvormige toestand, maar 'n baie, baie koue omgewing! Hierdie klein waterdampdruppels vries nou (of, tegnies, desubliseer), en word yskristalle.
Ons het dit al voorheen waargeneem. Volgens waarnemers van ruimtevaarders, waar hulle waargeneem het, word hul urine van die skip verdryf:
Wanneer die ruimtevaarders 'n lekkasie neem terwyl hulle op 'n missie is en die resultaat in die ruimte verdryf, kook dit heftig. Die damp gaan dan onmiddellik in die vaste toestand oor ('n proses bekend as desublimasie), en jy eindig met 'n wolk van baie fyn kristalle bevrore urine.
Dit klink of dit 'n fantastiese ding is om na te kyk, is dit nie? Wel, ons het gedoen amper dieselfde op aarde. Wat gebeur as u kookwater neem en dit op 'n baie koue dag in die lug gooi?
Antwoord
Ben - Ons het 'n e-posvraag van Jim Irvin gehad en hy wil weet of u water in 'n vaste stof kan saampers. Nou kan u natuurlik water in 'n vaste stof verander deur net hitte weg te neem, maar kan u dit net hard genoeg indruk om 'n soliede struktuur te maak? Dave wat dink jy?
Dave - Die eenvoudige antwoord is, ja, jy kan. U het 'n belaglike hoeveelheid krag nodig, maar dit is moontlik. Wanneer dit gebeur, word 'n ander vorm van ys gevorm, genaamd ys IV, wat 'n ander kristalstruktuur is as konvensionele ys.
Ben - Konvensionele ys het 'n groter volume as vloeibare water; om water dan saam te pers om dit in konvensionele ys te verander, moet jy dit op 'n manier in 'n vaste stof saampers en dit laat uitbrei?
Dave - Ja, dit sou dus net nie werk as u konvensionele ys probeer vervaardig nie.
Dave - Nee, maar as die ys in 'n ander kristalstruktuur vorm wat nie 'n groter volume het nie, wat u kan bereik met 'n druk van ongeveer 2 Gigapascal - of ongeveer 20.000 atmosfeer, wat dieselfde druk is as wat u onder 20 kilometer ys of water - dan kan jy ys produseer by normale kamertemperatuur.
Ben - Is daar stukke van die wêreld waar water onder die soort druk is, 20 kilometer diep in sommige diep oseaanrante? En indien wel, waarom vorm dit nie die ysstruktuur nie?
Dave - Twintig kilometer is ongeveer twee keer so diep as die diepste dele van die oseaan, dus waarskynlik is daar geen rede waarom u hierdie effek nie op ander planete met 'n dieper oseaan kon kry nie.
Ben - Water lyk dus na so 'n eenvoudige ding, so 'n eenvoudige alledaagse ding, maar eintlik is dit fassinerende dinge, is dit nie?
Is die lewe moontlik op 'n skelm planeet?
As ons aan die lewe op Aarde dink, sien ons ryk uiteenlopende eggostelsels wat aangedryf word deur gasheerster, naamlik Son. Wanneer ons aan die lewe elders in die heelal dink, stel ons ons gewoonlik iets soortgelyks voor. 'N Aarde soos 'n planeet wat wentel op 'n aarde soos 'n afstand van 'n son soos 'n ster. Maar ons weet nou dat daar miljarde planete alleen in ons sterrestelsel is wat niks soos hierdie lyk nie. In werklikheid is daar miljarde skelm planete wat glad nie om 'n ster wentel nie. Hierdie planete word in 'n sterstelsel gevorm soos gewone planete, maar word op die een of ander manier uit hul oorspronklike baan gegooi en in die diep ruimte geslinger.
Die yslike oorvloed van hierdie skelm planete het wetenskaplikes laat wonder of daar lewe sonder 'n ster kan ontstaan. Alhoewel ons nie afdoende bewyse het nie, is daar eintlik 'n goeie rede om te dink dat dit wel kan. Dit is moeilik om jou voor te stel dat iets floreer met geen gasheerster nie, want son is so lewensbelangrik vir die lewe hier op aarde. Maar dit blyk dat ster se lig en hitte dalk nie die deal breakers is nie.
Alhoewel die lewe waarmee ons die meeste bekend is, deur sonlig aangedryf word, is daar baie lewende dinge wat daarsonder kan oorleef. In werklikheid vir ten minste 'n geruime tyd gebruik geen lewe op aarde sonlig as energiebron nie. Die molekulêre instrumente wat nodig is om fotosintese uit te voer, het eers na die eerste mikrobes ontstaan. En dit is 'n deel van die rede waarom veelvuldige hipotese oor hoe die lewe ontstaan het, 'n paar donker plekke behels.
Vandag weet ons van 'n groot aantal mikroörganismes wat diep onder die grond woon en dit oorleef van chemiese reaksies in die omliggende gesteentes. Een hipotese is dus dat die lewe eers in die ondergrondse deel van die water ontstaan het, of dat die lewe laag onder by hidrotermiese openinge kon begin het, op plekke op die seebodem waar vulkaniese aktiwiteit stoomstrale produseer. Daar bestaan 'n verskeidenheid organismes rondom hierdie openinge, dus dit is nie moeilik om jou voor te stel dat die lewe daar begin voordat dit die weg na die oppervlak gevind het nie.
Al hierdie oorsprongstories het een ding gemeen, naamlik vloeibare water. Dit is omdat water noodsaaklik is vir alle lewe op die planeet Aarde. As ons aanneem dat die lewensduur vloeibare water benodig, is dit baie minder waarskynlik dat dit op 'n skelm planeet bestaan, aangesien water slegs vloeibaar kan wees teen 'n baie lae temperatuur en druk. Natuurlik is dit nie gewaarborg dat water nodig is vir lewe elders in die heelal nie. Selfs as die lewe sonder water kan leef, het dit waarskynlik nog hitte nodig. Diep ruimte is net heeltemal te koud om aan enige interessante biochemie te dink. Maak nie saak of daar water is of nie, maar sonder gasheersterre om hulle te verwarm, die meeste skelm planete is waarskynlik diepruimte koud, hier praat ons net 'n paar grade bo absolute nul.
Maar daar is verrassende maniere waarop hulle net genoeg kan verhit om die lewe te onderhou. Skelm planete kan hulself byvoorbeeld van binne af warm maak. Dit is iets wat ons sien met baie planete, insluitend die Aarde. In die geval van Aarde is ongeveer 10% van die kernhitte oor van die botsings wat die Aarde gevorm het, terwyl die res van radioaktiewe verval afkomstig is. Daar is voorgestel dat soortgelyke prosesse genoeg hitte in 'n skelm planeet kan produseer om 'n oseaan ondergrondse water vir miljarde jare op te warm, wat genoeg tyd is vir die lewe om te ontstaan en te ontwikkel.
Selfs met hierdie soort hitte van die kern, sal 'n wêreld soos hierdie waarskynlik 'n oppervlak van ys van ongeveer enkele kilometers dik benodig om as isolasie te kan dien. Daar is nog 'n moontlike manier om 'n skelm planeet met 'n superdik atmosfeer te isoleer. 'N Waterstofryke atmosfeer wat ongeveer 10-100 keer dikker is as ons s'n, kan 'n skelm planeet isoleer. Skelm planete is miskien beter geskik om hierdie atmosfeer te behou as dié in sogenaamde bewoonbare sones rondom sterre. Dit is omdat sonstraling so 'n atmosfeer kan ontplof.
Dit is ook moontlik dat skelm planeet 'n temperatuurstoot kan kry deur 'n meganisme wat getyverwarming genoem word. Swaartekrag verwarm twee liggame om dieselfde rede as wat getye veroorsaak. Die verskille in swaartekrag wat deur verskillende dele van die wêreld ervaar word, laat hulle stamp en rek, wat groot wrywing tot gevolg het. Hier kan die getyverhitting deur die nabygeleë mane veroorsaak dat die skelm planete om hulle kan wentel.
Voordat ons te opgewonde raak oor die moontlikheid van lewe in hierdie swerwende wêrelde, is dit opmerklik dat dit regtig moeilik is om iets ingewikkelder as mikro-organismes op hierdie skelm planete voor te stel. Dit is omdat hierdie verwarmingsmeganismes naastenby soveel energie gee as direkte sterlig soos die aarde van die son af kry.
Kyk waterkook by kamertemperatuur
Alhoewel dit onprakties is om die ruimte te besoek om die water te laat kook, kan u die effek sien sonder om die gemak van u huis of klaskamer te verlaat. Al wat jy nodig het, is 'n spuit en water. U kan 'n spuit by enige apteek kry (geen naald nodig nie), of baie laboratoriums het dit ook.
- Suig 'n klein bietjie water in die spuit. U het net genoeg nodig om dit te sien - moet die spuit nie heeltemal vul nie.
- Sit u vinger oor die opening van die spuit om dit te verseël. As u bekommerd is om u vinger seer te maak, kan u die opening met 'n stuk plastiek bedek.
- Trek die spuit so vinnig as moontlik terwyl u na die water kyk. Het u die water sien kook?
Bevrore planete wat hou van burp
Daar is 'n moontlikheid dat die hitte nie teen 'n bestendige tempo vrygestel word nie, maar in 'burps' kom. "Ons sien Uranus dalk net in 'n rustige periode, terwyl Neptunus onlangs meer geboer het," het Tollefson gesê. "Die burps is konveksie, wat kan gebeur in diskrete episodes wat deur lang tydperke geskei word, maar ons weet miskien nie of dit vir seker op hierdie manier werk nie, tensy ons sien dat een van hierdie konvektiewe episodes plaasvind."
Dit kan ook 'n probleem wees dat Uranus 'n outydse persoon is en Neptunus 'n jonger hondjie. "Hoeveel hitte 'n planeet uitstraal, hang meestal af van hoe oud dit is en hoe vinnig of stadig dit die hitte vrystel," het Amy Simon, 'n senior wetenskaplike van NASA vir Planetary Atmosphere Research by die NASA Goddard Space Flight Centre, gesê. "'N Ouer planeet sou kouer wees. Hoe vinnig dit loslaat, hang af van die binnestruktuur en samestelling, wolklae, konveksie, ensovoorts, en dit kan nogal ingewikkeld wees."
"In die gasreuse kan daar aansienlike hoeveelhede heliumreën wees, wat die hoeveelheid hitte wat vrygestel word, verander. Vir Uranus en Neptunus is dit moontlik dat hulle verskillende ouderdomme het, of meer waarskynlik dat die gebeurtenis wat Uranus op sy sy gedraai het, sy binnestruktuur en / of vinniger hitte vrystel, ”het Simon gesê.
Wat dan van die winde? Hulle is onteenseglik fel, en dit het moontlik iets met temperatuur te doen.
"Ons het lank bespiegel dat die koue van Neptunus en Uranus tot byna wrywinglose toestande kan lei en sodoende vinniger winde moontlik maak," het Heidi Hammel, 'n planetêre sterrekundige gesê, wat albei planete uitvoerig bestudeer het en wat deel was van die spanbeelding van Neptunus van Voyager 2.
Hiermee bedoel sy dat daar geen berge, heuwels of ander vorms in die Neptuniese landskap is wat die wind vertraag nie. Maar is daar enige verband tussen die storms en die interne hittebron? "Waarskynlik," het Hammel gesê, "maar daar is ook 'n fyn balans tussen die interne hitte en die inkomende sonlig."
Dit is moeilik om hierdie effekte te kwantifiseer as gevolg van die lang tydskale. "Een jaar op Neptunus is 165 Aarde, so ons het nog nie 'n kans gehad om die planeet met moderne gereedskap te bestudeer vir 'n groot deel van die seisoen nie," het Hammel gesê. 'U het baie geduld nodig - en vertroue in die vorige en toekomstige generasies van planetêre wetenskaplikes - om die atmosfeer van die buitenste planete te bestudeer.'
'Ek dink die teorie was veronderstel om die groter hoeveelheid sonenergie te wees, hoe meer windenergie, maar op Aarde weet ons al lank dat die hoeveelheid energie wat die son ontvang en in kinetiese energie in die atmosfeer omskakel - dit wil sê wind - is 'n klein fraksie, & rdquo het Del Genio gesê.
Aarde is 'n baie ondoeltreffende hitte-enjin, en dit gee jou nie veel geld nie. Een rede is dat dit 'n soliede oppervlak het wat windenergie deur wrywing versprei, terwyl die gasreuse dit nie het nie. Dit is een van die redes waarom al die reuse-planete baie sterker winde het as die aarde.
Vlamme is sfere
Op Aarde styg vlamme op. In die ruimte beweeg hulle in alle rigtings van buite hul bron. Dit is waarom:
Hoe nader u aan die aardoppervlak is, hoe meer lugmolekules is daar, danksy die swaartekrag van die planeet wat hulle daarheen trek. Omgekeerd word die atmosfeer al hoe dunner namate jy vertikaal beweeg, wat geleidelik afneem in druk. Die atmosferiese drukverskil oor 'n hoogte van 'n duim, hoewel gering, is genoeg om 'n kersvlam te vorm.
Daardie drukverskil veroorsaak 'n effek wat natuurlike konveksie genoem word. Namate die lug rondom 'n vlam opwarm, brei dit uit en word dit minder dig as die koue lug wat dit omring. Namate die warmlugmolekules na buite uitbrei, druk koue lugmolekules daarteen terug. Omdat daar meer koue lugmolekules teen die warm molekules aan die onderkant van die vlam is, dan is daar aan die bokant, en die vlam ervaar minder weerstand aan die bokant. En so boei dit op.
As daar egter geen swaartekrag is nie, ervaar die uitbreidende warm lug gelyke weerstand in alle rigtings, en beweeg dit dus bolvormig na buite vanaf die bron.
Nie heeltemal gereed vir volledige ligspoed nie
& # 8220Knak die snelheid van die lig beteken om die wette van fisika te kraak, & # 8221 sê Stephen Holler, 'n medeprofessor in fisika aan die Fordham Universiteit. & # 8220Op die oomblik is ons beperk deur hierdie wette, maar daar kan nuwe fisika wees wat ons nog nie ontdek het nie. & # 8221 Om groot interstellêre afstande oor te steek, sou 'n manipulasie van ruimte-tyd vereis - ruimte vou en spring - eerder as die maklik-om-te-visualiseer-metode om met 'n superluminale spoed van een punt na 'n ander te versnel, het hy gesê.
Holler het bygevoeg: & # 8220Die afstande is net so groot dat selfs teen tien keer die spoed van die lig, dit nog steeds meer as 10.000 jaar sal neem om van die een punt van die Melkweg na die ander te gaan, ongeag die intergalaktiese reis. & # 8221
Nietemin hou wetenskaplikes en ingenieurs aan - meestal in teorie. Soos Holler opmerk, is die vele idees agter interstellêre reis almal teoreties. Maar dit is nog steeds die moeite werd om dit te hersien. Een gewilde idee is om ramjet-tegnologie te gebruik om waterstof in die ruimte op te ruim en te gebruik as brandstof, het Holler gesê. 'N Ander konsep het sonseil-tegnologie wat gebruik maak van stralingsdruk deur miskien 'n kragtige laser om die ruimtetuig te druk. & # 8220Uit die beste sou dit tussen 10 persent en 50 persent van die spoed van die lig kom, & # 8221 het hy gesê. In dieselfde tempo sal dit dekades duur voordat 'n tuig 'n ander ruimtestelsel bereik.
Volgens die fisikaprofessor van die Universiteit van Richmond, Jack Singal, is die vinnigste langtermynsnelhede van diepruimtesondes dié van Pioneer 11 (van stapel gestuur in 1973 en steeds reis, maar nie meer inligting terugstuur nie), Voyager 1 en 2, (albei gelanseer in 1977 en steeds data versamel) en New Horizons (van stapel gestuur in 2006 en die eerste ondersoek om Pluto te bestudeer, die planeet wat nie meer 'n planeet is nie). Hierdie sondes beweeg tans tussen 16.000 en 32.000 myl per uur van die son af as hulle die sonnestelsel verlaat, het hy gesê. Dit, het Singal bygevoeg, is & # 8220 minder as 0,01 persent van die spoed van die lig. & # 8221 (As u dit op aarde lees, is die spoed van die lig 186,282 myl per sekonde.)
Miskien sal toekomstige sondes wat die diep ruimte aandurf nie so groot wees soos die Voyager-kunsvlyt of die Parker Solar Probe nie, maar dit sal iets wees waarop 'n wetenskaplike per ongeluk kan trap. Volgens Batcheldor, van die Florida Institute of Technology, ondersoek wetenskaplikes die moontlikheid om mikrosatelliete van die grootte van 'n rekenaarskyfie te gebruik om ruimteversameling met klein data uit te voer. & # 8220Dit kan dalk besonderhede terugstuur oor 'n ander ruimtestelsel wat ons dalk nie met ons eie teleskope kry nie, & # 8221 het hy gesê.
Batcheldor skat egter dat selfs 'n mikrosatelliet nie meer as 'n kwart van die ligsnelheid sal beweeg nie. Dit sal dekades duur om die volgende ruimtestelsel op daardie spoed te bereik, het hy gesê.
Astrofisiese Masers, Megamasers, en hul belangrike rol in sterrekunde
'N Illustrasie van waarom die masjierstraling sterk versterk, samehangend is en 'n nou frekwensie het. Krediet Junying Chen Wat is astrofisiese masers en megamasers?
Astrofisiese masers (ook bekend as kosmiese masers) en megamasers is masers wat natuurlik in die ruimte voorkom.
Masers is voorwerpe wat straling uitstraal wat versterk word deur gestimuleerde emissie. Hulle naam is 'n akroniem wat staan vir mikrogolfversterking deur gestimuleerde emissie van straling.
Astrofisiese masers vorm as gevolg van sekere digthede, temperature en die vermoë van die materiaal om straling te versterk. Dit beteken dat ons dit kan gebruik om die chemiese samestellings en die fisiese toestande van die voorwerp wat die masjien vervaardig, te bestudeer.
Die helderheid van kosmiese masers, tesame met hul enkele frekwensie en klein grootte, maak dit ook nuttig om te weet hoe verskillende dele van 'n voorwerp beweeg.
'N Voorbeeld hiervan is aanwas-skyfies rondom supermassiewe swartgate wat megamasers skep. Megamasers is astrofisiese masers wat honderde miljoene keer helderder is as normale kosmiese masers. Sulke kosmiese masers is dikwels rondom aktiewe galaktiese kerne en massiewe stervormende streke.
Megamasers het ons in staat gestel om die massas van supermassiewe swart gate te bepaal, die grootte van hul aanwasskywe en hoe ver dit is. Dit het ons in staat gestel om sulke voorwerpe te gebruik om die waarde van die Hubble-konstante te bevestig.
Die rol van gestimuleerde emissie in kosmiese masers
Elektrone in atome, molekules of ione kan in verskillende energietoestande bestaan. 'N Elektron spring na 'n opgewekte toestand wanneer dit 'n foton absorbeer met 'n energie gelyk aan die verskil tussen die opgewekte toestand en die grondtoestand.
Botsings tussen atome kan ook veroorsaak dat hul elektrone na opgewonde toestande spring.
In die opgewekte toestand is die elektron onstabiel en sak vinnig na die grondtoestand en laat 'n foton vry. Hierdie foton het dieselfde energie en frekwensie as die oorspronklike foton. Dit is spontane emissie.
Om gestimuleerde emissie te vind, moet 'n elektron reeds in 'n opgewekte toestand wees wanneer die foton daarmee bots. Die foton moet 'n energie hê wat gelyk is aan die verskil tussen die opgewekte toestand en die grondtoestand.
Wanneer hierdie foton met die elektron bots, veroorsaak dit dat die elektron na die grondtoestand val en 'n tweede foton vrystel. Hierdie tweede foton het dieselfde energie en frekwensie as die eerste foton.
Om elektrone lank genoeg in opgewonde toestande te hou om masers te skep, moet die opgewekte toestand 'n metastabiele toestand wees. Metastabiele toestande is waar elektrone baie langer kan bestaan in vergelyking met normale opgewekte toestande.
In wolke van atome, molekules en ione wat in masers verander, word elektrone eers na normale opgewekte toestande aangeskakel. Hulle daal dan na hierdie metastabiele toestande waar hulle lank genoeg kan bestaan vir 'n foton om gestimuleerde emissie te veroorsaak.
'N Illustrasie van hoe gestimuleerde emissie werk. Krediet: Junying Chen
Die rol van versterking in kosmiese masers
'N Foton wat deur gestimuleerde emissie geskep word, het nie net dieselfde frekwensie as die oorspronklike foton nie. Dit is ook in fase en beweeg in dieselfde rigting. Albei fotone is dus samehangend. Daarom word die masjineringsstraling sterk versterk.
Dit klink baie soos lasers. In werklikheid is hulle amper dieselfde. Die enigste verskil is dat masers mikrogolwe is. Lasers daarenteen kan sigbare lig, infrarooi, ultraviolet of selfs röntgenstrale wees.
Masers vorm slegs wanneer daar 'n populasie-inversie is. Dit is wanneer meer atome in die opgewekte toestand is as die grondtoestand. As dit gebeur, is dit meer waarskynlik dat fotone 'n reeds opgewekte atoom sal tref eerder as 'n atoom van die grondtoestand en dat dit gestimuleerde emissie veroorsaak. Op hierdie manier word die laserstraling eksponensieel versterk.
'N Wolk van gas wat in termiese ewewig is (dit wil sê geen netto vloei van hitte-energie gaan in of uit nie) het meer atome in die grondtoestand as in die opgewekte toestand. Daardie gaswolk het 'n eksterne energiebron nodig om populasie-inversie te bewerkstellig.
Ons noem energiebronne wat masers skep, pompmeganismes.
Fotone vervaardig deur gestimuleerde emissie tref ander atome in opgewonde toestande. Dit skep meer fotone met dieselfde frekwensie en fase. Dit skep 'n sterk versterkte en samehangende ligbron op een frekwensie. Soos ons sal sien, is dit baie belangrik om die snelheid en vorm van voorwerpe in die sterrekunde te bestudeer.
Waar vind u astrofisiese masers?
Ruimte het baie dinge wat baie energie lewer. In die teenwoordigheid van gaswolke kan hierdie dinge dien as pompmeganismes wat nodig is om astrofisiese masers te skep. Sulke dinge kan bestraling van sterre wees, botsings tussen deeltjies by hoë temperature of interaksies met magnetiese velde.
'N Illustrasie van voorwerpe in die ruimte wat veelvuldige kosmiese bronne bevat. In hierdie beeld is die voorwerpe die sirkelvormige skyf rondom 'n jong massiewe ster en die bipolêre strale wat dit produseer. In sulke stelsels is genoeg energie beskikbaar om bevolkingsinversies in baie dele van hierdie voorwerpe te skep. Sulke energie kan afkomstig wees van die straling van sterre in die omgewing, supernova of botsings tussen gaswolke. Krediet: Yvonne Kei-Nam Tang (Cornell Universiteit)
Astrofisiese masers is die eerste keer opgespoor deur Weaver et. al. 1965. Hierdie masers is in molekulêre wolke geleë en is geskep deur hidroksielmolekules wat kragtig aangeskakel is. Sedertdien is kosmiese masers in 'n verskeidenheid voorwerpe gevind.
In die ruimte, water (H2O), silikonmonoksied (SiO) en hidroksiel (OH) dikwels as deel van metanol (CH3OH) is verantwoordelik vir die meeste uitlaatgasse. Ander verbindings insluitend ammoniak (NH3), formaldehied (CH2O), metaan (CH4) en sianied (CN-X) kan ook astrofisiese masers skep, maar baie minder gereeld.
'N 463 miljard km lange wolk metanol, bekend as W3 (OH), geleë in 'n stervormende streek. Die rooi area toon dat die lig van die streek 'n hoë intensiteit het en sterk versterk word. Dit beteken dat die streek 'n maser geword het. Krediet: Jodrell Bank Observatory
Die belangrikheid van astrofisiese masers in sterrekunde
Soos voorheen gesê, is maserstraling sterk versterk, dit het een frekwensie en is in fase. Dit beteken dat die lig 'n duidelike en nou voorspelbare spektrum het. 'N Baie belangrike kenmerk waarmee rooi en blou verskuiwings opgespoor kan word, veroorsaak deur die snelheid van die masjien.
Hierdie eienskappe, saam met die feit dat astrofisiese masers oor die algemeen klein is en hoë helderheid het, maak dit baie nuttig om die struktuur en snelhede van die voorwerpe waaruit hulle bestaan, te bepaal.
'N Voorbeeld van 'n OH maser-spektrum geproduseer deur metanolgas. Die stippellyn toon die spektrum van 'n stilstaande metanolmaser. Let op dat hierdie spektrum 'n enkele piek op slegs een frekwensie het. Daarteenoor toon die soliede lyn die spektrum van 'n metanol-kosmiese maser in 'n gaswolk bekend as IRAS 20126 + 4104. Hierdie gaswolk vorm 'n ster. Die spektrum het verskeie pieke teen verskillende frekwensies van 'n relatiewe klein streek. Dit wys dat van die gas na die aarde beweeg en die ander wegbeweeg. Dit kan gebeur as daar 'n aanwasskyf in die gaswolk is. Krediet: Edris et. al. 2005
Soos voorheen genoem, vorm astrofisiese masers as gevolg van sekere temperature, druk en die grootte van die gas wat die masjien produseer. Dit beteken dat die teenwoordigheid van masers ook die wetenskaplikes in staat stel om die omgewing in dele van die voorwerpe wat hulle bestudeer, te raai.
Astrofisiese masers as gevolg van komete
Daar is voorwerpe in ons sonnestelsel wat astrofisiese masers skep. Een so 'n voorwerp was die planeet Jupiter na sy impak op die fragmente van die komeet Shoemaker-Levy 9 in 1994. Dit was die eerste keer dat kosmiese masers in ons sonnestelsel bespeur is.
Die ontleding van drie van die impakpersele op Jupiter toon die uitstoot van lasers teen 'n frekwensie van 22 GHz. Sodanige frekwensie kan slegs vervaardig word deur watermolekules wat deur die impakte opgewek word deur termiese energie.
Die donker kolle op die planeet Jupiter is impakskante van die komeet Shoemaker-Levy 9 se fragmente. Watermaser-emissies is op drie van hierdie terreine opgespoor. Krediet: Hubble Space Telescope Team & amp NASA
Volgens sommige wetenskaplikes kan masers soos hierdie gebruik word om water op eksoplanete in ander sonnestelsels op te spoor.
Astrofisiese masers is ook van komete self opgespoor. Een so 'n voorbeeld is die komeet Hale-Bopp.
Op Hale-Bopp verdamp die hitte van die son watermolekules van die oppervlak af. Straling van die son breek dan die water in OH-radikale in. Meer straling gee hierdie radikale energie en veroorsaak dat hulle laserstraling teen 1665 MHz en 1667 MHz frekwensies uitstraal.
'N Foto van komeet Hale-Bopp. Krediet: E. Kolmhofer, H. Raab / Johannes-Kepler-sterrewag
Kosmiese masers en die teenwoordigheid van atmosferiese water
Planete en komete is nie die enigste dinge in die sonnestelsel om masers aan te bied nie.
Soos dit blyk, het Saturnus se mane Enceladus, Titan, Atlas en Hyperion ook masers. Hierdie masers het 'n frekwensie van 22 GHz en is dus te wyte aan watermolekules. Dit behoort nie verbasend te wees nie, want waterdamppluime is gevind deur Cassini & # 8217 s Ultraviolet Imaging Spectrometer.
Twee beelde van Enceladus & # 8217 ysgeisers geneem deur die Cassini-ruimtetuig. Gegewe die hoë waterinhoud van die geisers, is dit waarskynlik die bron van maser-emissies wat opgespoor is. Krediet: NASA / JPL / Space Science Institute
Daar word steeds gedebatteer oor wat die uitloper van Maser op Saturnus & # 8217s mane veroorsaak. Die meeste wetenskaplikes dink dat botsings tussen watermolekules hulle aangespoor en 'n populasie-inversie geskep het.
Ander dink egter dat interaksies met sonwindplasma, Saturnus se magnetiese veld of skokke wat deur die sonwind gegenereer word, ook uitmekaar kan speel.
Soos die vorige voorbeeld, kan masers soos hierdie gebruik word om die bestaan van water op eksoplanete en eksomonne op te spoor. Hulle sterk versterkte aard, tesame met die duidelike vorm wat hulle in hul spektrum maak, maak dit maklik om hulle van ver af te identifiseer.
Astrofisiese masers in stervormende streke
Maskers kan bestaan in die atmosfeer van sterre, newels en supernovareste wat met molekulêre wolke in wisselwerking is. Die bestaan van masers in hierdie voorwerpe help sterrekundiges om meer inligting daaroor in te samel.
Die masers in stervormende streke het wetenskaplikes in staat gestel om te ondersoek hoe die beweging van gas in molekulêre wolke sterre vorm. Dit het wetenskaplikes ook in staat gestel om te ondersoek hoe sulke gasse sterre in hul vroeë lewens beïnvloed.
An image of a water maser emission coming from a protoplanetary disk and bipolar jets from a young star within a molecular cloud. To get a sense of the size of this object, the outline of the orbit of the outermost planet, Neptune, is superimposed on the picture. Krediet: NRAO/AUI and Jose M. Torrelles, et al.
By analyzing the red and blue shifts of maser radiation created by hydrogen recombination, scientists were able to determine the shape and properties of the disk of material around the young massive star MonR2-IRS2. They were also able to confirm the existence of a fast ionized wind coming from the star.
Mapping the Milky Way with cosmic masers
As previously stated, maser radiation is highly amplified. On top of that, dust and gas scattered throughout the Milky Way do not block microwave radiation. These properties make astrophysical masers great for studying objects on the far side of the Milky Way.
With the ability to take advantage of these properties, scientists used these objects to create a map of their positions along with their velocities. This allows scientists to study how objects move around the Milky Way. It also allowed scientists to discover that our own solar system is orbiting faster and closer to the Milky Way’s center than previously thought.
A map of the position of masers and their velocities (speed and trajectory). This allows scientists to map how the galaxy is rotating. It also allows us to know how our solar system is moving in relation to other objects. Credit: National Astronomy Observatory of Japan
Astrophysical masers in old stars
Oxygen rich stars with low surface temperatures have maser emissions in their atmospheres. Such stars include asymptotic giant branch (AGB) stars.
These stars are so big that they don’t hold on to their atmospheres very well. On top of that, they experience pulsations caused by unstable nuclear fusion in their cores.
This serves to slowly eject the star’s outer layers into space forming a cloud of material around it.
Shockwaves from pulsations in the star’s core act as a pumping mechanism causing population inversion which results in maser emissions from silicon oxide, hydroxyl, and water molecules.
An illustration of a kind of AGB star called a Mira variable. Silicon monoxide (SiO) masers can only be found at distances where the heat isn’t enough to breakdown SiO molecules. Further out from the star, the density of SiO molecules is too sparse to create masers. H2O and OH masers dominate instead. Credit: Junying Chen
Megamasers
The most luminous astrophysical masers are thousands of times brighter than the Sun. We call these megamasers. Most of them are outside our Milky Way.
These megamasers are hundreds of millions of times brighter than cosmic masers found within our galaxy. Most of them are hydroxyl masers. Although others can be water, formaldehyde, or methane masers.
Hydroxyl megamasers are often due to high rates of star formation in luminous infrared galaxies. Such galaxies become what they are due to collisions with other galaxies. These collisions cause gas clouds to become unstable and collapse leading to mass star formation.
Photos of 9 luminous infrared galaxies taken by the Hubble Space Telescope. Credit: NASA, Kirk Borne , Luis Colina, Howard Bushouse and Ray Lucas
Water Megamasers are often around the center of active galactic nuclei. Material near the center of these galaxies fall into their supermassive black holes. As they do so, most of the material settles into a fast spinning disk.
In the disk, shockwaves travel throughout and act as pumping mechanisms imparting energy into water molecules. This results in population inversion.
Radiation from hotter parts of the disk cause stimulated emission in these water molecules creating bright astrophysical masers.
A photo of the supermassive black hole and it’s disk of material at the center of the giant elliptical galaxy M87. Shockwaves in the disk likely creates masers many times brighter then those found in the Milky Way. Credit: The Event Horizon Telescope (EHT).
Using megamasers to find the earliest signs of water
The luminosity of megamasers has allowed scientists to look at distant objects and find out if water was present in the early universe.
This happened with MG J0414+05534 a distant quasar that is 11.1 billion light years from Earth. At that distance, the quasar appears to us as it was when the universe was only 2.5 billion years old.
MG J0414+05534 is located behind a massive galaxy that is closer to us. This is a good thing as the gravity of the massive galaxy causes a gravitational lensing effect that bends the quasar’s light and magnify it. This makes MG J0414+05534 easier to see and study.
The detection of a water megamaser from the quasar by Impellizzeri et. al. 2008 confirmed that water was already present in the universe when it was only 2.5 billion years old.
By that point, stars would have produced enough oxygen for the existence of water.
A photo of the quasar MG J0414+05534 (in red). Light from this quasar is being lensed by the gravity of a galaxy in the foreground (in yellow-green). Credit: Ros et. al. A&A 362. 845 2000
Measuring distances with megamasers
When studying the centers of active galactic nuclei, we can measure the red and blue shifts of megamasers in the disks around their super massive black holes.
This gives us the velocities of those masers and how they change over time. With this information, we can find the gravitational acceleration that keeps these masers in their orbits.
With this acceleration, velocity and the angular separation between the maser and the center of the disk known, we can find the distance between the AGN and Earth.
Using this distance, we can find the actual radius of the maser’s orbit around the center of the disk. This along with the velocity of the maser allows us to find the mass of the object at the center of the accretion disks of multiple AGNs and confirm that they are indeed supermassive black holes.
One particular galaxy that this method has been applied to was NGC 4258.
An illustration of how we use the narrow spectrum of water megamasers to get their distance from Earth. This also leads to us finding the mass of the supermassive blackhole at the center of the galaxy hosting the maser. Credit: Junying Chen
The great thing about this method is that it does not rely on the distance ladder where errors in previous methods would affect the results. On the contrary, using megamasers to measure distances could be used in correcting those methods improving their accuracy on intergalactic scales.
Finding the Hubble constant with megamasers
There is one other benefit of using megamasers to find distances. That is that it can be used to find Hubble’s constant. This was demonstrated by Pesce et. al. 2020.
With this method, Pesce’s team got a Hubble constant of 73.9±3.0 km/s/Mpc. This is almost the same as the value obtained with earlier methods using cephid variables and type Ia supernova. However, it is different from the one obtain using the Planck CMB data. That last method gave a Hubble constant of 66.9±0.6 km/s/Mpc.
As a result, this unfortunately adds more mystery to the current “Hubble tension” or “Crisis in Cosmology”.
Previously, it was possible that the Hubble constant obtained from type Ia supernovae may not be accurate. This was because of the possibility of incorrect assumptions in the nature of type Ia supernovae. Now, the results from the megamaser distance method has dispelled that idea making the discrepancy between the two results likely to be real.
Gevolgtrekkings
Astrophysical masers are an example of how nature could produce coherent and amplified radiation with extremely narrow frequencies.
As the examples in this article has shown, this makes them very helpful to scientists when studying other objects and to uncover the mysteries of the universe.
Over to you now. What other things do you know about astrophysical masers and megamasers that interests you?
