Tähtitieteilijät ovat löytäneet kaukaisista kaasupilvistä ensimmäisten tähtien jättämiä kemiallisia jälkiä

eso2306fi — Tutkimustiedote, suomennos Pasi Nurmi, Turun yliopisto

Tutkijat ovat löytäneet ESO:n VLT-kaukoputken (Very Large Telescope) avulla ensimmäistä kertaa merkkejä ensimmäisten tähtien räjähdysten jäänteistä. He havaitsivat kolmea kaukaista kaasupilveä, joiden koostumus vastaa sitä, mitä odotamme ensimmäisten tähtien räjähdysten jäänteiltä. Havainnot auttavat meitä ymmärtämään paremmin alkuräjähdyksen jälkeen muodostuneiden ensimmäisten tähtien ominaisuuksia.

Tässä taiteilijan tekemässä kuvassa on kaukainen kaasupilvi, joka sisältää erilaisia alkuaineita. Kuvassa on myös piirroksia eri atomeista. Tähtitieteilijät ovat ESO:n VLT-kaukoputken (Very Large Telescope) avulla havainneet kolmea kaukaista kaasupilveä, joiden kemiallinen koostumus vastaa sitä, mitä odotamme ensimmäisiltä maailmankaikkeuteen ilmestyneiden tähtien räjähdyksiltä. Kuva ESO/L. Calçada, M. Kornmesser.

"Olemme ensimmäistä kertaa pystyneet tunnistamaan ensimmäisten tähtien räjähdysten kemialliset jäljet hyvin kaukaisissa kaasupilvissä", kertoi Observatoire de Paris - PSL:n tohtoriopiskelija Andrea Saccardi, joka oli tämän tutkimuksen päätekijänä Firenzen yliopistosta maisterityönsä aikana.

Tutkijoiden mukaan maailmankaikkeuteen muodostuneet ensimmäiset tähdet olivat hyvin erilaisia kuin ne, joita näemme nykyään. Niiden ilmestyttyä maailmankaikkeuteen 13,5 miljardia vuotta sitten, ne sisälsivät vain vetyä ja heliumia, jotka ovat luonnossa esiintyvistä alkuaineista yksinkertaisimpia [1]. Nämä tähdet, joiden arvellaan olleen kymmeniä tai satoja kertoja Aurinkoamme suurempia, ja katosivat nopeasti supernovaksi kutsutuissa voimakkaissa räjähdyksissä. 

Supernovien jäännökset rikastuttivat ympäröivää kaasua ensimmäistä kertaa raskaammilla alkuaineilla. Tuosta rikastetusta kaasusta syntyi myöhemmin uusia tähtisukupolvia, jotka puolestaan levittivät kuollessaan raskaampia alkuaineita ympäristöönsä. Ensimmäiset tähdet ovat kuitenkin jo hävinneet kauan sitten, joten miten tutkijat voivat saada niistä tietoa? "Varhaisia tähtiä voidaan tutkia epäsuorasti havaitsemalla alkuaineita, joita ne ovat levittäneet ympäristöönsä supernovina", sanoi Stefania Salvadori, Florencen yliopiston apulaisprofessori ja yksi Astrophysical Journal -lehdessä julkaistun tutkimuksen kirjoittajista.

Chilessä sijaitsevan ESO:n VLT:llä otetun datan avulla tutkimusryhmä löysi kolme hyvin kaukaista kaasupilveä ajalta, jolloin universumi oli vain 10–15 prosenttia nykyisestä iästään. Ryhmä havaitsi kemiallisen sormenjäljen, joka vastaa sitä, mitä ensimmäisten tähtien räjähdyksiltä odotamme. Näiden alkutähtien massasta ja niiden räjähdysten energiasta riippuen näistä ensimmäisistä supernovista vapautui ympäristöönsä erilaisia alkuaineita, kuten hiiltä, happea ja magnesiumia, joita on tähtien ulkokerroksissa. Osa näistä räjähdyksistä ei kuitenkaan ollut tarpeeksi voimakkaita raskaampien alkuaineiden levittämiselle, kuten raudalle, jota esiintyy vain tähtien ytimessä. 

Etsiäkseen paljastavia merkkejä näistä ensimmäisistä tähdistä, jotka räjähtivät matalan energian supernovina, tutkimusryhmä etsi sellaisia kaukaisia kaasupilviä, joissa on vähän rautaa, mutta runsaasti muita alkuaineita. He havaitsivat juuri tämän, eli kolme kaukaista varhaisen universumin pilveä, joissa oli hyvin vähän rautaa, mutta runsaasti hiiltä ja muita alkuaineita. Tämä oli ensimmäisten tähtien räjähdysten kemiallinen jälki.

Myös monissa oman galaksimme vanhoissa tähdissä on havaittu sama erikoinen kemiallinen koostumus. Tutkijat kutsuvat näitä toisen sukupolven tähdiksi, jotka ovat muodostuneet suoraan ensimmäisten tähtien 'tuhkasta'. Tässä esitellyssä tutkimuksessa vastaavaa 'tuhkaa' on löydetty varhaisesta maailmankaikkeudesta, mikä on lisännyt palapeliin siitä puuttuvan palan. "Löytömme avaa uusia mahdollisuuksia tutkia epäsuorasti ensimmäisten tähtien ominaisuuksia samalla täydentäen tutkimuksia oman galaksimme tähdistä", kertoi Salvadori.

Havaitakseen ja tutkiakseen näitä kaukaisia kaasupilviä tutkimusryhmä hyödynsi kvasaareina tunnettuja valomajakoita. Ne ovat hyvin kirkkaita kohteita, joiden energianlähteenä ovat kaukaisten galaksien keskustoissa olevat supermassiiviset mustat aukot. Kvasaarin valon kulkiessa maailmankaikkeuden läpi, se kulkee myös kaasupilvien läpi, joissa olevat eri alkuaineet jättävät jälkiä valoon.

Näiden kemiallisten jälkien löytämiseksi tutkimusryhmä analysoi useista kvasaareista kerättyjä tietoja, jotka oli havaittu ESO:n VLT:n X-shooter-instrumentilla. X-shooter hajottaa valon useisiin eri aallonpituuksiin, eli väreihin, mikä tekee siitä ainutlaatuisen instrumentin, jonka avulla näissä kaukaisissa pilvissä olevia eri alkuaineita voidaan tunnistaa.

Tämä tutkimus avaa uusia näkymiä seuraavan sukupolven teleskoopeille ja instrumenteille, kuten ESO:n tulevalle Erittäin suurelle kaukoputkelle (ELT) ja sen korkean resoluution ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph, ANDES-instrumentille. "ELT:n ANDES:in avulla voimme tutkia näitä harvinaisia kaasupilviä tarkemmin, ja pystymme vihdoin selvittämään ensimmäisten tähtien salaperäistä luonnetta", totesi Italian kansallisen Astrofysiikan laitoksen tutkija Valentina D’Odorico lopuksi.

 

Huomautukset

[1] Alkuräjähdyksen jälkeen ensimmäisten minuuttien aikana maailmankaikkeudessa oli vain kolmea kevyintä alkuainetta: vetyä, heliumia ja hieman litiumia. Raskaammat alkuaineet muodostuivat tähdissä paljon myöhemmin.

 

Tässä esitelty tutkimus on julkaistu Astrophysical Journal -lehden artikkelissa (DOI 10.3847/1538-4357/acc39f).

  

Älyttömän iso kaukoputki päätettiin rakentaa

Havainnekuva tulevasta E-ELT-kaukoputkesta. Kuva ESO.

ESO–Avaruusmagasiini

Euroopan eteläisen observatorion^[1] ESO:n ylimmän hallinnollisen elimen, johtokunnan kokouksessa näytettiin ^[2] vihreää valoa Euroopan erittäin suuren E-ELT -teleskoopin rakentamiselle kahdessa vaiheessa.

Ensimmäisessä vaiheessa on annettu valtuutus noin miljardin euron käyttöön täysin toimivan teleskoopin rakentamiseksi tehokkaine havaintolaitteineen. Ensivalo odotetaan saatavan kymmenen vuoden kuluessa.

Kaukoputki mahdollistaa merkittävien tieteellisten havaintojen tekemisen eksoplaneetoista, läheisten galaksien tähtipopulaatioista ja etäisestä maailmankaikkeudesta. ESO:n kautta aikojen suurin rakennussopimus teleskoopin tähtitornista ja kantavista rakenteista solmitaan vuoden kuluessa.

E-ELT teleskoopista tulee halkaisijaltaan 39-metrinen optisen ja infrapuna-aallonpituusalueen teleskooppi, joka sijaitsee Cerro Armazonesin vuorella Chilen Atacaman autiomaassa, 20 kilometrin etäisyydellä ESO:n VLT-teleskoopista Cerro Paranal -vuorella.

"Johtokunnan tekemä päätös tarkoittaa sitä, että teleskooppi voidaan nyt rakentaa ja että E-ELT:n suurin teollinen rakennusurakka on nyt rahoitettu ja voidaan aloittaa suunnitelmien mukaan. Chilessä on jo tehty paljon töitä Armazonesin huipulla ja seuraavat vuodet tulevat olemaan hyvin jännittäviä", sanoo ESO:n pääjohtaja Tim de Zeeuw.

E-ELT -teleskoopin rakentaminen hyväksyttiin ESO:n johtokunnassa kesäkuussa 2012 sillä ehdolla, että hinnaltaan yli 2 miljoonan euron sopimuksia voitaisiin solmia vasta, kun vähintään 90 % teleskoopin kokonaiskustannuksista on rahoitettu (1 083 miljoonaa euroa vuoden 2012 hintatasolla). Teleskoopin sijaintipaikan maansiirtotöille myönnettiin poikkeuslupa. Ne alkoivat peruskiviseremonialla kesäkuussa 2014 ja etenevät vauhdilla.

Toistaiseksi 10 % projektin kokonaiskustannuksista on siirretty toiseen vaiheeseen. Puolan liittyminen ESO:on nosti E-ELT -kaukoputken vahvistetun rahoituksen yli 90 %:iin ensimmäisen vaiheen kokonaiskustannuksista, joilla saadaan aikaiseksi täysin toimiva E-ELT. Tulevalta jäsenmaalta Brasilialta odotetaan saatavan lisärahoitusta lähivuosina.

Jotta projektin aikataulu ei veny, päätti ESO:n johtokunta, että halkaisijaltaan 39 metrin teleskoopin ensimmäisen vaiheen rakentaminen voidaan aloittaa. Nyt rahoitettu projekti käsittää teleskoopin tähtitornin ja kantavien rakenteiden sopimukset, jotka ovat ESO:n historian suurimmat. Sopimukset allekirjoitetaan loppuvuodesta 2015 ja ne johtavat täysin toimivan E-ELT -teleskoopin rakentamiseen.

Teleskoopin toistaiseksi rahoittamattomat komponentit käsittävät osia adaptiivisen optiikan järjestelmästä, osan havaintolaitteiden valmistustyöstä, pääpeilin sisimmät viisi peilisegmenttien rengasta (210 segmenttiä) sekä pääpeilin segmenttien varakappaleet, joita tarvitaan jatkossa kaukoputken tehokkaamman toiminnan varmistamiseksi. Näiden komponenttien, joiden lykkääminen ei vaikuta kaukoputken kykyyn tehdä havaintoja jo ensimmäisen vaiheen lopussa, rakentaminen hyväksytään lisärahoituksen tullessa saataville, mukaan lukien tuloillaan olevalta jäsenmaalta Brasilialta odotettu rahoitus.

"Nyt hyväksytty rahoitus mahdollistaa täysin toimivan E-ELT -teleskoopin rakentamisen. Siitä tulee tällä hetkellä suunnitteilla olevista erittäin suurista teleskooppiprojekteista kaikkein tehokkain ylivoimaisilla valonkeruualalla ja havaintolaitteilla. Se mahdollistaa Maan massaisten eksoplaneettojen alustavan ominaisuuksien määrittämisen, yksittäisten tähtien havaitsemisen läheisistä galakseista ja äärimmäisen herkät kaukaisen maailmankaikkeuden havainnot" päättää Tim de Zeeuw.

Huomautukset

[1] ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 15 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta.

ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa.

ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor.

ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin varta vasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi.

ESO on myös maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, ALMA-teleskoopin eurooppalainen yhteistyökumppani.

 [2] Päätös vaati kymmenen puoltoääntä. Neljästätoista äänestä kolme on ad referendum, joka tarkoittaa sitä, että niitä pidetään alustavasti puoltoina ja ne antaneiden kolmen jäsenvaltion virkamiehet vahvistavat äänet ennen seuraavaa johtokunnan kokousta. Vahvistusten jälkeen johtokunnan päätös on yksimielinen.