Neptunuksen arvoituksellinen tumma pilkku on havaittu ensimmäistä kertaa maanpinnalta

eso2314fi — Tutkimustiedote

Tähtitieteilijät ovat havainneet suuren tumman pilkun Neptunuksen kaasukehässä ESO:n VLT-teleskooppia käyttäen (Very Large Telescope). Pilkun vieressä on odottamaton pienempi kirkas piste. Tämä on ensimmäinen kerta, kun planeetan tumma pilkku on havaittu maanpäällisellä teleskoopilla. Nämä aina välillä Neptunuksen ilmakehän sinisessä taustassa esiintyvät ilmiöt ovat mysteeri tähtitieteilijöille, ja uudet tulokset antavat lisää vihjeitä niiden luonteesta ja alkuperästä.

Tässä kuvassa näkyy Neptunus havaittuna MUSE-instrumentilla ESO:n VLT-teleskoopin (Very Large Telescope). Jokaisessa pikselissä MUSE jakaa tulevan valon eri aallonpituuksiin. Oikealla oleva kuva yhdistää kaikki MUSE:n vangitsemat värit "luonnolliseksi" Neptunusnäkymäksi, jossa tumma täplä näkyy oikeassa yläkulmassa. aallonpituudet ovat: 551 nanometriä (sininen), 831 nm (vihreä) ja 848 nm (punainen); Huomaa, että värit ovat vain suuntaa antavia näyttötarkoituksia varten.

Tumma pilkku on näkyvin lyhyemmillä (sinisillä) aallonpituuksilla. Aivan tämän tumman pisteen vierestä on pieni kirkas pilvi, joka näkyy tässä vain keskimmäisessä kuvassa 831 nm:ssä ja se sijaitsee syvällä ilmakehässä. Tämän tyyppistä syvää kirkasta pilviä ei ollut koskaan aiemmin tunnistettu planeetalla. Kuvissa näkyy myös useita muita matalampia kirkkaita pilviä kohti Neptunuksen vasenta alareunaa pitkillä aallonpituuksilla.

Neptunuksen tumman pilkun kuvaaminen maanpinnalta oli mahdollista vain VLT:n Adaptive Optics Facilityn ansiosta, joka korjaa ilmakehän turbulenssin aiheuttaman epätarkkuuden ja antaa MUSElle mahdollisuuden saada kristallinkirkkaat kuvat. Kuva ESO/P. Irwin & al.

--

Suuret pilkut ovat yleisiä piirteitä jättiläisplaneettojen ilmakehissä, joista tunnetuin on Jupiterin suuri punainen piste. NASAn Voyager 2 löysi Neptunuksesta tumman pisteen ensimmäisen kerran vuonna 1989, ennen kuin se katosi muutamaa vuotta myöhemmin. " Tumman pilkun ensimmäisestä löydöstä lähtien olen aina ihmetellyt, mitä nämä lyhytikäiset ja vaikeasti havaittavat tummat piirteet ovat ", sanoo päätutkijana Patrick Irwin, professori Oxfordin yliopistosta Iso-Britanniasta ja tänään Nature Astronomy -lehdessä julkaistusta tutkimuksesta. 

Irwin ja hänen tutkimusryhmänsä käyttivät ESO:n VLT-teleskoopilla otettua havaintoaineistoa sulkeakseen pois sen mahdollisuuden, että tummat pilkut johtuvat pilvien "selkenemisestä". Uudet havainnot osoittavat kuitenkin, että tummat pilkut johtuvat todennäköisesti ilmakehän hiukkasten tummumisesta enimmäkseen näkyvän usvakerroksen alapuolella olevassa kerroksessa, kun jäät ja usva sekoittuvat Neptunuksen kaasukehässä.

Tämän johtopäätöksen tekeminen ei ollut helppoa, koska tummat pilkut eivät ole Neptunuksen ilmakehässä pysyviä piirteitä eivätkä tähtitieteilijät olleet koskaan aikaisemmin kyenneet tutkimaan niitä riittävän yksityiskohtaisesti. Tähän tuli kuitenkin tilaisuus sen jälkeen, kun NASA/ESA:n Hubble-avaruusteleskooppi havaitsi Neptunuksen kaasukehässä useita tummia pilkkuja, joista yksi oli planeetan pohjoisella pallonpuoliskolla ja joka oli havaittu ensimmäisen kerran jo vuonna 2018. Irwin ja hänen tutkimusryhmänsä ryhtyivät heti tutkimaan sitä maanpinnalla olevalla instrumentilla, joka sopii ihanteellisesti näihin haastaviin havaintoihin.

Tutkijat pystyivät VLT:n Multi Unit Spectroscopic Explorerin (MUSE) avulla hajottamaan Neptunuksesta heijastunutta auringonvaloa ja sen pilkun valon eri aallonpituuksiin ja saamaan kohteesta 3D-spektrin  [1]. Tämä tarkoitti sitä, että he pystyivät tutkimaan pilkkua tarkemmin kuin aiemmin oli ollut mahdollista. "Olen aivan innoissani siitä, että olen pystynyt tekemään ensimmäisen havainnon tummasta pilkusta maanpinnalta, sekä olen myös saanut otettua ensimmäistä kertaa tästä heijastusspektrin", Irwin sanoi.

Koska eri aallonpituuksilla havaitaan Neptunuksen kaasukehän eri syvyyksiä, spektrin avulla tähtitieteilijät pystyivät määrittämään paremmin tumman pilkun korkeuden planeetan kaasukehässä. Spektrin avulla saatiin myös tietoa ilmakehän eri kerrosten kemiallisesta koostumuksesta, mikä antoi ryhmälle vihjeitä siitä, miksi täplä näytti tummalta.

Havainnot tarjosivat myös yllätyksen. "Löysimme prosessin aikana harvinaisen syvän kirkkaan pilvityypin, jota ei oltu koskaan aiemmin tunnistettu edes avaruudesta", kertoi Kalifornian yliopiston tutkija Michael Wong Berkeleystä, Yhdysvalloista. Tämä harvinainen pilvityyppi näkyi kirkkaana pisteenä aivan suuremman tumman pilkun vieressä. VLT:n data osoittaa, että uusi "syvä kirkas pilvi" oli ilmakehässä samalla tasolla kuin tumma pilkku. Tämä tarkoittaa, että se on täysin uudenlainen piirre verrattuna aiemmin havaittuihin pieniin korkealla sijaitseviin metaanijääpilviin.

Tähtitieteilijät pystyvät nyt ESO:n VLT:n avulla tutkimaan näiden pilkkujen kaltaisia kohteita Maasta. "Tämä on hämmästyttävä lisä kyvyssämme havaita maailmankaikkeutta. Pystyimme aikaisemmin havaitsemaan nämä pilkut vain lähettämällä sinne luotaimia, kuten Voyagerin. Pystyimme sitten havaitsemaan niitä etänä Hubblella. Lopulta teknologian kehitys on tehnyt saman mahdolliseksi maanpinnalta,” totesi Wong, ennen kuin lisäsi leikillisesti: "Tämä voisi tehdä minut työttömäksi yhtenä Hubblen havaitsijoista!"

Huomautukset

[1] MUSE on 3D-spektrografi, jonka avulla tähtitieteilijät voivat havaita koko kohdetta samalla kertaa, kuten tässä tutkimuksessa Neptunusta. Mittalaite havaitsee kuvan jokaisessa pikselissä valon voimakkuutta värin tai aallonpituuden funktiona. Lopputuloksena on data, joka muodostaa 3D-kuvan, jossa kuvan jokaisessa pikselissä on mukana koko valon spektri. MUSE mittaa samanaikaisesti yli 3500:a väriä. Instrumentti on suunniteltu hyödyntämään adaptiivista optiikkaa, joka korjaa Maan ilmakehän turbulenssin vaikutuksia, jolloin saadaan terävämpiä kuvia kuin muuten olisi mahdollista. Ilman näitä ominaisuuksia Neptunuksen tumman pilkun tutkiminen maanpinnalta ei olisi ollut mahdollista.

ESO:n teleskoopeilta on saatu ensimmäiset tulokset DARTin asteroiditörmäyksen jäljistä

eso2303fi — Tutkimustiedote - suomennos Pasi Nurmi

Kaksi tähtitieteilijäryhmää ovat havainneet ESO:n Very Large Telescope, eli VLT-kaukoputken avulla NASAn Double Asteroid Redirection Test (DART) luotaimen ja asteroidi Dimorphosin törmäyksen vaikutuksia. Ohjattu törmäys oli planetaarisen puolustuksen testi, mutta sen lisäksi se antoi tähtitieteilijöille ainutlaatuisen mahdollisuuden oppia lisää asteroidien koostumuksesta tutkimalla siitä irronnutta materiaa.

Nämä kuvat, jotka on otettu ESO:n Very Large Telescope kaukoputken MUSE-instrumentilla osoittavat, miten törmäyspilvi kehittyi NASAn DART-luotaimen törmättyä asteroidi Dimorphosiin.

Ensimmäinen kuva otettiin 26. syyskuuta 2022 juuri ennen törmäystä, ja viimeinen kuva otettiin lähes kuukautta myöhemmin 25. lokakuuta. Tänä aikana ympärille kehittyi useita rakenteita, kuten ainekasaumia, spiraalimaisia rakenteita ja Auringon säteilyn työntämä pitkä pölyhäntä. Kuvissa oleva valkoinen nuoli osoittaa Auringon suunnan.

Dimorfos kiertää Didymos-nimistä isompaa asteroidia. Valkoinen vaakapalkki vastaa 500 kilometriä, mutta asteroidit ovat vain yhden kilometrin päässä toisistaan, joten ne eivät näy näissä kuvissa erillisinä.

Taustalla näkyvät säteet johtuvat takana olevien tähtien näennäisestä liikkeestä havaintojen aikana teleskoopin seuratessa asteroidiparia.

Kuva ESO/Opitom et al.

DART-luotain törmäsi 26. syyskuuta 2022 asteroidi Dimorphosiin kokeessa, jonka tarkoitus oli testata kykyä muuttaa asteroidin suuntaa hallitusti. Törmäys tapahtui 11 miljoonan kilometrin päässä Maasta, niin lähellä, että sitä voitiin tarkkailla useilla kaukoputkilla yksityiskohtaisesti. Kaikki neljä Chilessä sijaitsevaa ESO:n 8,2-metristä VLT-teleskooppia havaitsi törmäyksen jälkeisiä vaiheita, ja ensimmäiset tulokset näistä VLT-havainnosta on nyt julkaistu kahdessa tieteellisessä julkaisussa.

"Asteroidit ovat jäännöksiä siitä perusmateriasta, mistä kaikki aurinkokuntamme planeetat ja kuut ovat muodostuneet", Brian Murphy sanoi. Hän on tohtoriopiskelija Edinburghin yliopistossa Isossa-Britanniassa, ja ollut mukana toisessa tutkimuksista. DARTin törmäyksen jälkeensä jättämän materiaalipilven tutkiminen voi siten kertoa, miten aurinkokuntamme on muodostunut. "Asteroidien välisiä törmäyksiä tapahtuu luonnollisesti, mutta niitä ei koskaan tiedetä etukäteen", Cyrielle Opitom, tähtitieteilijä myös Edinburghin yliopistossa ja toisen artikkelin pääkirjoittaja, jatkoi. "DART on todella hieno mahdollisuus kontrolloidun törmäyksen tutkimiseksi, melkein kuin laboratoriossa".

Opitom ja hänen tutkimusryhmänsä seurasivat törmäyspilven kehittymistä kuukauden ajan ESO:n VLT:n Multi Unit Spectroscopic Explorer eli MUSE-instrumentilla. He huomasivat, että törmäyspilvi oli sinisempi kuin itse asteroidi ennen törmäystä, mikä viittaa siihen, että pilvi saattaa koostua hyvin pienistä partikkeleista. Törmäystä seuranneina tunteina ja päivinä muodostui muita rakenteita, kuten ainekasaumia, spiraalimaisia rakenteita ja pitkä Auringon säteilyn poispäin työntävä häntä. Spiraalit ja häntä olivat punaisempia kuin alkuperäinen pilvi, joten ne saattavat koostua suuremmista partikkeleista.

Opitomin tiimin pystyi MUSEn avulla havaitsemaan kaasujen spektrin, josta erottui eri alkuaineiden spektriviivat. He etsivät erityisesti happea ja törmäyksen paljastamasta jäästä peräisin olevaa vettä. He eivät kuitenkaan löytäneet mitään. "Asteroidien ei odoteta sisältävän merkittäviä määriä jäätä, joten vesijäämien havaitseminen olisi ollut todellinen yllätys", Opitom kertoi. He etsivät myös jälkiä DART-luotaimen polttoaineesta, mutta eivät löytäneet mitään. "Tiesimme, että se oli kaukaa haettua", hän sanoi  "koska propulsiojärjestelmän tankkeihin jäävän kaasun määrä ei olisi kovinkaan suuri. Lisäksi osa siitä olisi mennyt havaintojen alkaessa liian kauas, jotta MUSE olisi pystynyt sitä havaitsemaan".

Toista tutkimusryhmää johti Armaghin observatorion ja planetaarion tähtitieteilijä Stefano Bagnulo Britanniasta, ja he tutkivat, miten DARTin törmäys muutti asteroidin pintaa.

"Havaitessamme aurinkokuntamme kohteita katselemme niiden pinnan tai ilmakehän sirottamaa auringonvaloa, joka muuttuu osittain polarisoituneeksi valoksi", Bagnulo kertoi. Tämä tarkoittaa, että valoaallot heilahtelevat erityisesti tiettyyn suuntaan eivätkä sattumanvaraisesti. "Asteroidin asento suhteessa meihin ja Aurinkoon paljastaa tietoa sen pinnan rakenteesta ja koostumuksesta".

Tarkkaillessaan asteroidia Bagnulo kollegoineen käytti VLT:n FOcal Reducer/low dispersion Spectrograph 2, eli FORS2-instrumenttia ja he havaitsivat, että polarisaation taso laski yhtäkkiä iskun jälkeen. Samanaikaisesti systeemin kokonaiskirkkaus kasvoi. Yksi mahdollinen selitys tälle on se, että törmäys paljasti asteroidin sisältä koskemattomampaa materiaalia. "Ehkä törmäyksen vaikutuksesta irronnut materia oli kirkkaampaa ja vähemmän polarisoivaa kuin pinnalla oleva materia, koska se ei ollut koskaan altistunut aurinkotuulen ja Auringon säteilyn vaikutuksille", Bagnulo sanoi.

Toinen mahdollisuus on, että törmäys tuhosi pinnalla olevia partikkeleita, jolloin törmäyspilveen päätyi paljon pienempiä hiukkasia. "Tiedämme, että tietyissä olosuhteissa pienet partikkelit heijastavat valoa tehokkaammin ja ovat tehottomampia polarisoimaan valoa", Zuri Gray kertoi, tohtoriopiskelija myös Armaghin observatoriossa ja planetaariossa.

Bagnulon ja Opitomin johtamien tutkimusryhmien tutkimukset osoittavat VLT:n mahdollisuudet, kun sen eri instrumentteja käytetään yhdessä. Törmäyksen jättämiä jälkiä havaittiin MUSEn ja FORS2:n lisäksi kahdella muulla VLT-instrumentilla, mutta näiden tietojen analysointi on vielä kesken. "Tässä tutkimuksessa hyödynnettiin ainutlaatuista tilaisuutta, kun NASA lähetti törmääjän kohti asteroidia", Opitom kertoi lopuksi, "Havaintoja ei voida toistaa millään tulevalla tutkimuslaitteella. Tämä tekee VLT:n avulla törmäyksen aikana saadut tiedot erittäin arvokkaiksi asteroidien ominaisuuksien ymmärtämisessä".

Lisätietoa

Ensimmäisen tutkimuksen tulokset on esitelty artikkelissa: “Morphology and spectral properties of the DART impact ejecta with VLT/MUSE”, joka julkaistaan Astronomy & Astrophysics (doi:10.1051/0004-6361/202345960) julkaisussa.

Toisen tutkimuksen tulokset liittyvät artikkeliin “Optical spectropolarimetry of binary asteroid Didymos-Dimorphos before and after the DART impact”, joka julkaistaan Astrophysical Journal Letters (doi:10.3847/2041-8213/acb261) lehdessä.

Galaksimme ulkopuolella sijaitsevasta tähtijoukosta on löydetty piileksivä musta-aukko

eso2116fi — Tutkimustiedote käännös FT Pasi Nurmi (Turun Yliopisto, Tiedekeskus)

Euroopan eteläisen observatorion Very Large Telescope (ESO:n VLT) kaukoputken avulla tähtitieteilijät ovat löytäneet pienen mustan aukon Linnunradan ulkopuolelta tarkkailemalla, miten musta aukko vaikuttaa läheisen tähden liikkeeseen. Tämä on ensimmäinen kerta, kun tätä havaintomenetelmää käytetään galaksimme ulkopuolisen mustan aukon olemassaolon paljastamiseen. Tämä menetelmä voisi olla merkittävässä asemassa Linnunradassa ja läheisissä galakseissa olevien kätkettyjen mustien aukkojen paljastamisessa. Siten näiden salaperäisten kohteiden muodostumisesta ja kehittymisestä saataisiin lisää tietoa.

Havainnekuva tähtijoukossa NGC 1850 olevasta mustasta aukosta. Kuva ESO/M. Kornmesser.

 

Juuri löydetty musta aukko havaittiin piileksivän NGC 1850:ssä, joka on noin 160 000 valovuoden päässä oleva tuhansien tähtien joukko Suuressa Magellanin pilvessä, joka on Linnunradan naapurigalaksi.

”Aivan kuin Sherlock Holmes jäljittäessään rikollisjengiä heidän jälkiensä perusteella, myös me tarkastelemme suurennuslasilla jokaista tähtijoukon tähteä yrittäen löytää todisteita mustien aukkojen läsnäolosta kuitenkaan näkemättä niitä suoraan”, Sara Saracino Astrofysiikan tutkimusinstituutista Liverpool John Moores yliopistosta Isossa-Britanniassa sanoi. Hän johti tutkimusta, joka on nyt hyväksytty julkaistavaksi 'Monthly Notices of the Royal Astronomical Society'-lehdessä. ”Tässä esitelty löytö edustaa vain yhtä etsintäkuulutettua rikollista, mutta kun olet löytänyt yhden, olet matkalla kohti monia muita eri tähtijoukoissa piileksiviä kohteita.”

Tämä ensimmäinen tutkimusryhmän jäljittämä ”rikollinen” osoittautui noin 11 kertaa niin massiiviseksi kuin Aurinkomme. Tähtitieteilijät pääsivät mustan aukon jäljille tutkiessaan sen painovoiman vaikutusta sitä kiertäneeseen viiden Auringon massaiseen tähteen.

Tähtitieteilijät ovat aiemmin löytäneet näin pieniä (tähdenmassaisia) mustia aukkoja muista galakseissa havaitsemalla mustien aukkojen lähettämää heikkoa röntgenhehkua niiden kaapatessa materiaa, tai havaitsemalla gravitaatioaaltoja, jotka ovat peräisin mustien aukkojen tai neutronitähtien sulautumisista toisiinsa.

Useimmat tähtien massaiset mustat aukot eivät kuitenkaan paljasta olemassaoloaan röntgensäteilyllä tai gravitaatioaaltoina. ”Valtaosa voidaan paljastaa vain dynaamisesti”, sanoi Stefan Dreizler, tutkimusryhmän jäsen, joka toimii Göttingenin yliopistossa Saksassa. ”Kun mustat aukot muodostavat yhteisen järjestelmän tähden kanssa, ne vaikuttavat sen liikkeeseen hienovaraisella mutta havaittavalla tavalla, jonka voimme tarkoilla instrumenteilla havaita.”

Tämä Saracinon ja hänen tutkimusryhmänsä käyttämä dynaaminen menetelmä voisi antaa tähtitieteilijöille mahdollisuuden löytää lisää mustia aukkoja, mikä auttaisi niihin liittyvien mysteerien selvittämisessä. ”Jokainen havainto, jonka teemme on tärkeä tekijä, joilla ymmärryksemme tähtijoukoista ja niiden mustista aukoista kasvaa”, kertoi yksi tutkimuksen kirjoittajista, Mark Gieles Barcelonan yliopistosta Espanjasta.

Suuri Magellanin pilvi. Kuva ESO/VMC Survey.

 

NGC 1850:n löytö merkitsee sitä, että musta aukko on löydetty ensimmäistä kertaa nuoresta tähtijoukosta (joukko on vain noin 100 miljoonaa vuotta vanha, joka on vain silmänräpäys tähtitieteellisessä mittakaavassa). Dynaaminen menetelmä voisi paljastaa vielä enemmän nuoria mustia aukkoja samanlaisissa tähtijoukoissa, mikä antaisi uutta tietoa siitä, miten ne kehittyvät. Vertaamalla niitä vanhemmissa joukoissa oleviin suurempiin ja kehittyneempiin mustiin aukkoihin, tähtitieteilijät pystyisivät ymmärtämään, miten nämä kohteet kasvavat kaappaamalla tähtiä tai sulautumalla muihin mustiin aukkoihin. Lisäksi mustien aukkojen kartoitus tähtijoukoissa lisää ymmärrystämme gravitaatioaaltolähteiden alkuperästä.

Tutkimuksessa käytettiin kahden vuoden aikana Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) instrumentin avulla kerättyjä tietoja. MUSE on asennettu Chilen Atacaman autiomaassa sijaitsevaan ESO:n VLT:hen. ”MUSE teki hyvin tiheiden alueiden havaitsemisen mahdolliseksi, kuten tähtijoukkojen sisimpien alueiden havaitsemisen, ja pystyimme analysoimaan joka ikisen tähden lähettämää valoa. Kaiken tuloksena meillä on tietoa tuhansista tähdistä yhdellä otoksella, mikä on vähintään 10 kertaa enemmän kuin millään muulla instrumentilla", yksi julkaisun kirjoittajista Sebastian Kamann, Liverpoolin astrofysiikan tutkimuslaitoksesta ja pitkäaikainen Muse-asiantuntija, sanoi. Näin tutkimusryhmä pystyi löytämään oudon tähden, jonka erikoinen liike viittasi mustan aukon läsnäolon. Varsovan yliopiston 'Optical Gravitational Lensing Experiment'-dataa hyödyntämällä ja NASA/ESA Hubble -avaruusteleskoopin tietojen avulla he pystyivät mittaamaan mustan aukon massan ja varmistamaan havaintonsa.

ESO:n Erittäin suuri teleskooppi Chilessä, jonka on tarkoitus aloittaa toimintansa myöhemmin tällä vuosikymmenellä, antaa tähtitieteilijöille mahdollisuuden löytää entistä enemmän näitä piileksiviä mustia aukkoja. ”ELT tulee ehdottomasti mullistamaan tämän tutkimusalan”, Saracino sanoi. ”Sen avulla voimme tarkkailla huomattavasti himmeämpiä tähtiä samalla näkökentällä, sekä etsiä mustia aukkoja pallomaisista tähtijoukoista, jotka sijaitsevat paljon suuremmilla etäisyyksillä.”

Huomautukset

Tutkimusartikkeli on luettavissa osoitteessa https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2116/eso2116a.pdf