Astrofysik, kosmologi och partikelfysik

Albanova teleskop

Den framstående forskningen inom partikelfysik och astronomi vid Stockholms universitet spänner över ett brett område, från universums minsta beståndsdelar till hur galaxer bildas och förändras över miljarder år. Varifrån får partiklarna sin massa och ger Higgspartikeln det slutgiltiga svaret? Varför finns det mer materia än antimateria i universum, har det samband med hypotetiska axioner eller de processer som ger neutriner massa? Vad händer när kompakta stjärnrester som neutronstjärnor och svarta hål sammansmälter och hur kan gravitationsvågorna som då uppstår sammanlänkas med andra signaler av ljus och neutriner? Hur kan energirika partiklar som når jorden ge oss information om processer i avlägsna galaxer? Hur bildas galaxer och stjärnor? Vad är den mörka materian och energin, som dominerar i universum? Forskningen vid Institutionen för astronomi och vid Fysikum försöker svara på frågor som dessa. Forskningsområdet omfattar både teoretisk forskning, storskaliga experiment och observationer.

Atomers, molekylers och komplexa kvantsystems fysik

DESIREE. Foto: Eva Dalin

Detta breda profilområde spänner från studier av egenskaper hos isolerade atomer, molekyler och dynamiska processer när sådana system växelverkar med fotoner eller med varandra till studier av sammanflätade foton- och partikeltillstånd, kvantkryptering, kvantinformation, kalla atomära gaser och topologiska kvantmaterial. Profilområdet innefattar också studier av kluster, vätskors egenskaper – speciellt vatten - och av katalytiska reaktioner på ytor. Forskningen bedrivs i en nära samverkan mellan utveckling av teoretiska och experimentella metoder, ofta med starka inslag av instrumentutveckling. Atomer, molekyler och kluster undersöks och manipuleras med hjälp av jonfällor och jonlagringsringar; man använder laserstrålning för att kontrollera egenskaper hos enskilda fotoner och man använder strålningens tidsstruktur för att studera jonisationsdynamik och för att åstadkomma sammanflätade fotontillstånd, teleportering av kvanttillstånd och för att manipulera kvantmaterial bortom jämvikt i extremt snabba förlopp. Frielektronlaser- och synkrotronljusanläggningar spelar avgörande roller för katalysstudier, för studier av nya egenskaper hos vatten i olika former liksom för studier av andra material. Med jonlagringsringar studeras jon-jon kollisioner med nya kraftfulla metoder – bland annat för applikationer inom astrofysik.   

Biologiska membraner

Biologiska membraner

Cellmembranen har en central funktion för biokemiska processer i cellen. Vid Stockholms universitet pågår unik forskning om de proteiner som utgör en stor del av cellmembranen. Många centrala processer i cellen är beroende av membranproteiner och en majoritet av framtidens läkemedel förväntas vara riktade mot dessa. Cellulära processer är intimt sammankopplade med membraners funktion att reglera vilka ämnen som passerar in i och ut ur cellen. Membranproteiner, som styr dessa processer, är därför i fokus för många forskargrupper, både i Sverige och internationellt. Det som gör forskningen vid SU unik är den stora bredden. Här finns ett tjugotal olika forskningsgrupper med såväl experimentell som teoretisk inriktning, bland annat inom biokemi, biofysik, cellbiologi, molekylärbiologi, bioinformatik och bioteknik. Exempelvis studeras hur membranproteinerna är uppbyggda, hur de tillverkas inne i cellen, hur de rör sig, och vilken roll de spelar för cellens energiomsättning.

Katalys i organisk kemi

Katalys i organisk kemi

Vid Stockholms universitet bedrivs framgångsrik forskning kring nya selektiva syntesmetoder. Med hjälp av olika katalysatorer utvecklas reaktioner som är intressanta för bland annat läkemedelstillverkning. Forskningen täcker in utveckling av katalysatorer baserad på organiska och metallorganiska föreningar samt metalliska nanopartiklar. Nya syntesmetoder utvecklas för att med stor precision kunna styra vilka kemiska ämnen som bildas. Modellering med hjälp av teoretisk kemi är en viktig beståndsdel i forskningen för att kunna förutsäga vilka reaktioner som kan ske och utifrån detta modifieras katalysatorerna.

Klimat, hav och miljö

Forskning

Centrala frågor för profilområdet är hur jordens naturliga klimat- och ekosystem fungerar och hur de påverkas av människan. Den breda forskningen vid Stockholms universitet bedrivs i form av såväl djupgående, specialiserade studier som med tvärvetenskapliga arbetsmetoder, vilket bidrar till en god förståelse och en övergripande helhetssyn. Arbetet sker till en betydande del inom centrumbildningar och större forskningsprogram med tvärvetenskaplig inriktning. Vid Bolincentret för klimatforskning samlas en stor del av klimatforskning vid universitetet och samarbetet inkluderar även SMHI och KTH. Inom Bolincentret studeras även effekterna av klimat och markanvändning på biologisk mångfald och ekosystem. Vid Stockholms resilienscentrum (SRC), samlas forskning kring hållbar utveckling och människors påverkan på naturresurser och ekosystem. Forskningsfrågor som rör Östersjöns övergödning och effekter av miljögifter samlas inom Östersjöcentret, i Baltic Eye och i Baltic Nest Institute. Kunskapen som skapas vid dessa centra ger underlag till politiska beslut som på sikt bidrar till en hållbar förvaltning av Östersjön. Studier av Arktis och effekter av klimatförändringar utgör också ett viktigt forskningsfält. Inom detta profilområde studeras också källor till miljöföroreningar, hur och i vilka halter, olika substanser tas upp i miljön samt toxiska effekter på människor och djur.

Materialkemi

wettex, elektronmikroskop

Inom materialkemin på Stockholms universitet bedrivs betydelsefull forskning med målet att framställa och studera material med unika egenskaper. Resultaten är viktiga för hållbara system, minskad energianvändning, och för miljö och hälsa. Hybridmaterial baserade på naturligt förekommande polymerer, kol eller mineraler är centrala och utvecklas för tillämpningar inom t.ex. kemi- och byggnadsteknik. Porösa material studeras för tillämpningar inom bl.a. katalys och separation av koldioxid från rökgas. Nanomaterial skräddarsys för nya och förbättrade funktioner; t.ex. katalytiska, mekaniska, värmeisolerande, magnetiska eller optiska egenskaper. Jonvätskor studeras i relation till hållbar kemisk syntes av material. Att förstå hur ett material är uppbyggt är avgörande för att kunna förklara dess egenskaper och optimera det för specifika tillämpningar. Elektronmikroskopi, diffraktion, NMR-spektroskopi, och spridningsstudier med hjälp av synkrotronljus eller neutroner är exempel på viktiga tekniker som tillämpas för att karaktärisera materialens struktur.

Matematisk teoribildning och modellering

Matematisk teoribildning och modellering

Matematiska strukturer är en bärande del i mycket av den naturvetenskapliga teoribildningen. Inom fysiken är matematiseringen av teorier och modeller mycket långt driven, och omvänt finns många exempel på att ny matematik utvecklats ur idéer som har sitt ursprung inom fysiken. Inom astronomi, kemi och geovetenskap är matematisk modellering mycket viktig, och inom vissa områden, som t.ex. kvantkemi och meteorologi, är den ett dominerande verktyg. En ny och viktig utveckling är att matematisk modellering också blir allt viktigare inom livs- och samhällsvetenskaperna. Det finns anledning att tro att matematisk teoribildning kommer att bli allt mer betydelsefull inom såväl naturvetenskap som övriga vetenskaper, och att de matematiska verktygen i allt större utsträckning kommer att behöva utvecklas i samarbete med andra forskare. Detta gäller inte minst numeriska aspekter, ofta sprungna ur nya former av högdimensionella data. Denna korsbefruktning innebär både att ny avancerad matematik, och matematisk intuition, kommer till användning inom andra vetenskaper, och att frågeställningar inom dessa i sin tur inspirerar matematiker att formulera, och få insikter om, nya matematiska begrepp och strukturer. Vid Stockholms universitet finns en stark teoriverksamhet inom flertalet naturvetenskapliga områden, och inom matematik bedrivs forskning bl.a. med nära anknytning till dessa teorier och modeller.

Samspel mellan gener och miljö

Samspel mellan gener och miljö

Samspelet mellan det genetiska arvet och miljön påverkar allt liv, på både populations- och individnivå. Miljödrivna selektionstryck orsakar förändringar i genfrekvenser, som skapar geografisk variation i individegenskaper och uppkomst av nya arter. I enskilda individer kommunicerar olika organ sitt tillstånd med varandra och anpassar individens fysiologi och beteende efter lokala variationer i miljön, såsom efter en måltid, vid stress, eller vid olika temperaturer. Variationer i miljön kan ge snabba ändringar av genuttryck genom modifiering av reglerande proteiner och icke-kodande RNA, men även globala och mer långsiktiga förändringar. De senare involverar förändringar av arvsmassan och dess packning genom så kallade epigenetiska mekanismer, samt evolution av plastiska egenskaper som anpassar individen till förväntad miljövariation genom naturligt urval. Vid Stockholms universitet studeras samspel mellan gener och miljö på bred front. Alltifrån populationers anpassning till den omgivande miljön till cellulära svar på förändringar i miljön på mekanistisk nivå. Hur miljö och gener samspelar är en central fråga för allt liv på jorden, inte minst när det gäller vår egen hälsa.