Aalto-yliopiston tutkijat selvittivät maailmankaikkeuden saloja James Webb -avaruusteleskoopin avulla

KAK – Aalto-yliopiston tutkijat ovat osallistuneet kahteen merkittävään kansainväliseen tutkimukseen, joissa James Webb -avaruusteleskooppia hyödynnetään maailmankaikkeuden salojen selvittämisessä.

Varhaisten galaksien kuvaus ja galaksiryhmien luettelo

Ensimmäisessä tutkimuksessa [2], joka on osa COSMOS Web -hanketta, kuvattiin maailmankaikkeuden varhaisimpia galakseja ja julkaistiin laajin koskaan koottu luettelo galaksiryhmistä ja -joukoista.

ESAn kuukauden kuvaksi huhtikuussa valittu kuva galaksiryhmästä on 6,6 miljardin vuoden takaa, 7,3 miljardin valovuoden etäisyydeltä.

Tutkijat havaitsivat 1 678 galaksiryhmää tai niiden esiastetta, mikä tarjoaa ennennäkemättömän näkymän galaksien kehitykseen viimeisen 12 miljardin vuoden ajalta. Tutkimus julkaistiin Astronomy & Astrophysics -lehdessä, ja sen tulokset valittiin Euroopan avaruusjärjestö ESA:n kuukauden kuvaksi.

James Webb -avaruusteleskooppi, joka aloitti toimintansa vuonna 2022, mahdollistaa galaksien havainnoinnin sellaisina kuin ne olivat, kun maailmankaikkeus oli alle miljardin vuoden ikäinen. Galaksiryhmät ja -joukot ovat tiheitä alueita, joissa on paljon pimeää ainetta, kuumaa kaasua ja jättimäisiä keskusgalakseja. Galaksit muodostavat kosmista verkkoa, jossa ne vuorovaikuttavat ja sulautuvat toisiinsa, mikä vaikuttaa niiden evoluutioon.

Pimeän aineen kartoitus ja sen rooli maailmankaikkeudessa

Toisessa tutkimuksessa [3] Nasan vetämä ryhmä kartoitti pimeän aineen [1] vaikutusta galaksien, tähtien ja planeettojen syntyyn. Tutkijat loivat ennennäkemättömän yksityiskohtaisen pimeän aineen kartan Sekstantin tähdistön alueelta, joka paljastaa, kuinka pimeä aine limittyy ja kietoutuu tavalliseen aineeseen. Karttaan tallentui lähes 800 000 galaksia, ja se on kaksi kertaa tarkempi kuin Hubble-teleskoopin aikaisempi kartta.

Kuva näyttää pimeän aineen jakautumisen samalla taivaan alueella. Kuvat ovat otettu Nasan Webb-teleskoopilla 2026 (oikealla) ja Hubblen avaruusteleskoopilla 2007 (vasemmalla). Kuva: NASA/STScI/A. Pagan.

Pimeä aine muodostaa noin 27 prosenttia maailmankaikkeudesta, kun taas tavallinen aine vain noin 5 prosenttia. Tutkimus osoittaa, että pimeä ja tavallinen aine ovat aina olleet samassa paikassa ja kasvoivat yhdessä. Pimeä aine alkoi kasautua ensin, vetäen tavallista ainetta kasaan ja luoden alueita, joissa tähtien ja galaksien muodostuminen oli mahdollista. Tutkimus on julkaistu Nature Astronomy -lehdessä.

Aalto-yliopiston tutkijatohtori Ghassem Gozaliasl on osallistunut molempiin tutkimuksiin, joissa on selvitetty pimeän aineen roolia, galaksien vuorovaikutusta sekä niiden massojen ja sijaintien kartoitusta.

James Webb -teleskooppi on mahdollistanut ennennäkemättömän tarkat havainnot, jotka auttavat ymmärtämään maailmankaikkeuden kehitystä ja rakenteita. Tutkimukset paljastavat myös, kuinka galaksien ulkonäkö muuttuu kosmisen ajan mukana: kaukaisissa galakseissa tähtien muodostus on aktiivista ja niiden muodot epäsäännöllisiä, kun taas lähempänä nykyhetkeä tähtien muodostus tukahtuu ja galaksien muodot muuttuvat säännöllisemmiksi.

Lähteet

Aalto-yliopiston tiedotteet 28.4.2025 ja 26.1.2026.

 

Viitteet

[1] Pimeä aine on näkymätöntä (ei emittoi sähkömagneetista säteilyä – valoa), mutta sen gravitaatio vaikuttaa tavalliseen aineeseen. Näkymättömän sitä ei voida nähdä suoraan, mutta sen olemassaolo paljastuu esimerkiksi galaksien pyörimisnopeuksista ja valon kulkureitin taipumisena (gravitaatiolinssi-ilmiö).

Pimeä aine muodostaa noin 27 prosenttia maailmankaikkeuden kokonaismassasta ja -energiasta. Se on siis yksi maailmankaikkeuden pääkomponenteista tavallisen aineen (5 %) ja pimeän energian (noin 68 %) rinnalla. Tutkijat kartoittavat pimeää ainetta mittaamalla sen gravitaation vaikutuksia.

[2] The COSMOS-Web deep galaxy group catalog up to z = 3.7; https://arxiv.org/pdf/2501.09060

[3] Scognamiglio, D., Leroy, G., Harvey, D. et al. An ultra-high-resolution map of (dark) matter. Nat Astron (2026). https://doi.org/10.1038/s41550-025-02763-9 (maksullinen).

 

 

 

3I/ATLAS – Pitkämatkainen kulkija

KAK – Kolmas tunnettu tähtienvälinen kappale, 3I/ATLAS, on nyt saanut perusteellisen ratalaskennan ja dynaamisen analyysin. Uusi tutkimus ^[1] käy läpi sen liikeradan miljoonien vuosien taaksepäin Galaksin potentiaalissa ja tutkii, onko sen menneisyydestä löydettävissä tähtiä, jotka olisivat joskus vaikuttaneet sen kulkuun.

Syväkuva tähtienvälisestä komeetasta 3I/ATLAS, joka on otettu Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) -observatoriolla Gemini Southissa Cerro Pachónissa Chilessä. Kuvassa näkyy komeetan laaja koma - kaasu- ja pölypilvi, joka muodostuu komeetan jäisen ytimen ympärille sen lähestyessä Aurinkoa. Pyrstö, joka ulottuu noin 1/120 asteen päähän taivaalla on suuntautunut poispäin Auringosta.

Valotukset seurasivat komeettaa sen kulkiessa taivaan poikki, ja lopullinen kuva on koostettu siten, että tähdet pysähtyivät paikalleen havainnon aikana. Kuvassa näkyy myös kaksi pientä värillistä jälkeä, jotka ovat peräisin toisistaan riippumattomista asteroideista, joiden liike poikkeaa komeetan liikkeestä.

Kuva: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/Shadow the Scientist
Image Processing: J. Miller & M. Rodriguez (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab), T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), M. Zamani (NSF NOIRLab). 

Tutkimus käytti Gaia DR3 -luettelon tietoja yli kolmen ja puolen miljoonan tähden tarkoista paikkoista ja nopeuksista. 3I/ATLAS:n rata määritettiin taaksepäin 10 miljoonan vuoden ajalle, käyttäen yksityiskohtaista mallia Galaksin gravitaatiopotentiaalista.

Laskelmissa etsittiin tilanteita, joissa komeetta ja tähti kulkevat alle kahden parsekin etäisyydeltä toisistaan. Raja määriteltiin siten, että ohitettu tähti voisi muuttaa komeetan rataa havaittavasti. Monte Carlo -simulaatiot huomioivat sekä komeetan että tähtien astrometriset epävarmuudet, jotta löydettäisiin vain aidosti todennäköiset kohtaamiset.

Lopputulos oli yllättävän yksiselitteinen. Tutkijat löysivät 93 mahdollisesti läheistä kohtaamista, mutta mikään niistä ei ollut dynaamisesti merkittävä. Merkittävin kohtaaminen oli tähden Gaia DR3 6863591389529611264 ohitus noin 0,30 parsekin (noin 1 valovuosi) etäisyydeltä, suhteellisnopeuden ollessa 35 km/s. Tällainen ohitus aiheutti komeetan nopeuteen hyvin pienen ^[2] muutoksen – täysin merkityksetön Galaktisessa mittakaavassa. Radan suunta muuttui vain aavistuksen verran ^[3].

 

Galaktinen kulkija ohuessa levyssä

Kun komeetan liike asetettiin Galaktiseen viitekehykseen, sen ominaisuudet vastasivat hyvin ohuen levyn ^[4] tähtipopulaatiota. Sen pystyliike pysyy |Z| < 0,42 kpc rajoissa, ja kokonaisnopeus Aurinkoon nähden on noin 55 km/s – tyypillinen arvo ohueen levyyn kuuluville tähdille.

Tilastollisesti sen todennäköisyys kuulua tähän ryhmään on noin 20-kertainen paksuun levyyn verrattuna. Tämä tarkoittaa, että 3I/ATLAS on todennäköisimmin peräisin tavallisesta, melko nuoresta tähtijärjestelmästä Galaksin ohuessa kiekossa.

Dynaamisen “iän” perusteella sen matkanteko on kuitenkin voinut kestää useita miljardeja vuosia. On mahdollista, että se on sinkoutunut ulos alkuperäisestä järjestelmästään planeettadynamiikan seurauksena jo varhain, ja on sen jälkeen kulkenut hiljaisesti tähtienvälisessä avaruudessa ennen saapumistaan Aurinkokuntaan.

Tutkimuksen johtopäätös on ehkä antikliimaksinen, mutta samalla hyvin informatiivinen: 3I/ATLAS:n rata on säilynyt lähes häiriöttömänä vähintään 10 miljoonan vuoden ajan.

Yksikään tunnettu tähti ei ole tullut lähelle sitä, eikä sen liikerataa voida yhdistää mihinkään nykyisin havaittavaan tähtijärjestelmään. Tämä tekee sen alkuperästä tuntemattoman. Samalla tutkimustulos vahvistaa käsitystä siitä, että tähtienväliset kappaleet todella liikkuvat Galaksissa vapaasti ja lähes häiriöttömästi.

 

Lähde ja viitteet

[1] “3I/ATLAS: In Search of the Witnesses to Its Voyage” (Perez-Couto et al. 2025). https://arxiv.org/pdf/2509.07678

[2] Δv≃5×10⁻⁴ km/s

[3] θ ≃ 1,6×10⁻⁵ radiaania, mikä tarkoittaisi 100 miljoonan vuoden aikana noin 0,05 parsekin poikkeamaa aikaisemmasta suunnasta.

[4] Linnunrata koostuu useasta osasta: ohut levy, paksu levy, tähtihalo, keskuspullistuma  ja galaksin keskusalue. Näistä kaksi ensimmäistä – ohut ja paksu levy – muodostavat suurimman osan galaksin kiekkomaisesta osasta, jossa Aurinkokin sijaitsee.

Ohut levy

Ohut levy on nuorempi, tiheämpi ja litteämpi osa Galaksin kiekkoa. Sen paksuus (tähtien jakauman mitta Z-suunnassa) on tyypillisesti noin 300–400 parsekia. Tässä levyosassa sijaitsee suurin osa nuorista ja keski-ikäisistä tähdistä, kaasusta, pölystä ja tähtienvälisistä pilvistä. Tässä Linnunradan osassa tapahtuu edelleen aktiivista tähtienmuodostusta.

Tähtien radat ovat melko ympyrämäisiä ja pysyvät lähellä galaksin keskitasoa. Metallipitoisuudet ovat yleensä korkeat: [Fe/H] ≳ −0,3, eli tähdet sisältävät paljon raskaampia alkuaineita (metalleja), jotka ovat syntyneet aikaisempien tähtisukupolvien supernovissa. Tyypillinen nopeusdispersio on pieni: vain noin
20–40 km/s pystysuunnassa galaksin tasoon nähden. Aurinko kuuluu ohueen levyyn.

Paksu levy

Paksu levy on vanhempi ja harvempi Linnunradan rakenne, joka ulottuu paljon korkeammalle galaksin keskitasosta, noin 900–1200 parsekin korkeuteen. Tähdet ovat ikääntyneitä (8–12 Gyr) ja niiden metallipitoisuus on alhainen, [Fe/H] ≈ −0,5...−1,0. Niiden liikkuvat epäsäännöllisemmillä ja kallistuneemmilla radoilla, ja niiden nopeusdispersio on suurempi (50 – 70 km/s). Näiden tähtien synty on jo lakannut, joten siellä ei ole merkittävästi kaasua eikä aktiivisia tähtienmuodostusalueita. Kinematiikan puolesta paksu levy pyörii hieman hitaammin Galaksin keskustan ympäri kuin ohut levy.

Tähtitieteilijät ovat nähneet mustan aukon aktivoitumisen reaaliajassa

Vuoden 2019 lopulla aiemmin himmeä galaksi SDSS1335+0728 alkoi yhtäkkiä loistaa kirkkaammin kuin koskaan aiemmin. Ymmärtääkseen ilmiötä tähtitieteilijät ovat hyödyntäneet useiden avaruus- ja maapäällisten observatorioiden, kuten Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopin, tietoja tutkiakseen miten galaksin kirkkaus on vaihdellut. Tänään julkaistussa tutkimuksessa he toteavat, että he ovat todistamassa sellaisia muutoksia, joita galaksissa ei ole koskaan aiemmin nähty. Nämä ovat todennäköisesti seurausta galaksin ytimessä olevan massiivisen mustan aukon äkillisestä aktivoitumisesta.

Loppuvuodesta 2019 galaksi SDSS1335+0728 alkoi yhtäkkiä loistaa kirkkaammin kuin koskaan aiemmin. Se luokiteltiin aktiiviseksi galaktiseksi ytimeksi, jonka voimanlähteenä toimii galaksin ytimessä oleva massiivinen musta aukko. Tämä on ensimmäinen kerta, kun massiivisen mustan aukon aktivoituminen on havaittu reaaliajassa. Tässä taiteilijan tekemässä havainnekuvassa näkyy mustan aukon ympärillä oleva ja kasvava materiaalikiekko, joka saa ympäristöstään lisää kaasua ja tästä syystä se kirkastuu edelleen.

Kuva ESO/M. Kornmesser

 

"Kuvittele, että olet havainnut kaukaista galaksia vuosien ajan, ja se on aina vaikuttanut rauhalliselta ja passiiviselta", sanoi Paula Sánchez Sáez, ESO:n tähtitieteilijä Saksassa ja Astronomy & Astrophysics -lehdessä julkaistavaksi hyväksytyn tutkimuksen pääkirjoittaja. "Yhtäkkiä sen [ytimessä] alkaa näkyä dramaattisia epätyypillisiä kirkkauden muutoksia, joita emme ole aiemmin nähneet". SDSS1335+0728:lle tapahtui juuri näin. Sen jälkeen, kun se kirkastui dramaattisesti joulukuussa 2019, kohde on nyt luokiteltu aktiiviseksi galaksiytimeksi (AGN). AGN on kirkas kompakti alue, jonka voimanlähteenä on massiivinen musta aukko^[1].

Jotkin ilmiöt, kuten supernovaräjähdykset tai TDEt (tidal disruption events, vuorovesihäiriö), jossa tähti joutuu liian lähelle mustaa aukkoa ja repeytyy hajalle, voivat saada galaksit yhtäkkiä kirkastumaan. Nämä kirkkauden vaihtelut kestävät kuitenkin tyypillisesti vain muutamia kymmeniä tai korkeintaan muutamia satoja vuorokausia. SDSS1335+0728 kirkastuu edelleen yli neljä vuotta sen jälkeen, kun sen havaittiin ensimmäisen kerran. Lisäksi tässä 300 miljoonan valovuoden päässä Neitsyen tähdistössä sijaitsevassa galaksissa havaitut kirkkauden vaihtelut ovat täysin erilaisia kuin aiemmin havaitut, mikä viittaa tähtitieteilijöiden mielestä erilaiseen selitykseen.

Tutkimusryhmä yritti saada kirkkauden vaihteluille selvyyttä yhdistämällä useiden eri laitteiden arkistodataa ja uusia havaintoja, kuten dataa ESO:n VLT:n X-shooter-instrumentista, joka sijaitsee Chilen Atacaman autiomaassa^[2]. Verrattaessa ennen ja jälkeen joulukuun 2019 otettuja tietoja he havaitsivat, että SDSS1335+0728 lähettää nyt paljon enemmän valoa ultravioletti-, optisella ja infrapuna-aallonpituudella. Galaksi alkoi myös lähettää röntgensäteilyä helmikuussa 2024. "Tämä käyttäytyminen on ennennäkemätöntä", sanoi Sánchez Sáez, joka kuuluu myös Chilessä sijaitsevaan Millennium Institute of Astrophysics (MAS) -instituuttiin.

"Selkein tapa tämän ilmiön selittämiseksi on se, että näemme parhaillaan, miten galaksin [ydin] alkaa (...) aktivoitua", sanoi yksi tutkimuksen kirjoittajista Lorena Hernández García MAS:sta ja Valparaíson yliopistosta Chilessä. "Jos näin on, niin tämä olisi ensimmäinen kerta, kun näemme massiivisen mustan aukon aktivoituvan reaaliajassa".

Useimpien galaksien, kuten myös Linnunradan, keskellä on massiivinen musta aukko, joiden massa on yli satatuhatta kertaa Aurinkoamme massa. "Nämä jättimäiset hirviöt yleensä ”nukkuvat” eivätkä ole suoraan näkyvissä", kertoi yksi tutkimuksen tekijöistä Claudio Ricci Diego Portalesin yliopistosta, joka sijaitsee myös Chilessä. "SDSS1335+0728:n tapauksessa pystyimme havaitsemaan massiivisen mustan aukon ”heräämisen”, [joka] alkoi yhtäkkiä ”herkutella” ympäristöstään saatavilla olevalla kaasulla ja muuttui hyvin kirkkaaksi".

"[Tätä] prosessia (...) ei ole koskaan aiemmin havaittu", Hernández García sanoi. Aikaisemmissa tutkimuksissa on raportoitu galaksien muuttuvan aktiivisiksi useiden vuosien kuluessa. Tämä on ensimmäinen kerta, kun itse prosessi, eli mustan aukon aktivoituminen on havaittu reaaliajassa. Ricci, joka kuuluu myös Pekingin yliopiston Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics -instituuttiin Kiinassa, lisäsi: "Tämä voisi tapahtua myös omalle Sgr A*:lle, siis galaksimme keskellä sijaitsevalle massiiviselle mustalle aukolle", mutta on epäselvää, kuinka todennäköistä tämä on.

Vaihtoehtoisten selitysten poissulkemiseksi tarvitaan vielä seurantahavaintoja.  On mahdollista, että kyseessä on epätavallisen hidas TDE-ilmiö tai jopa aivan uusi ilmiö. Jos kyseessä on TDE, niin tämä olisi pisin ja heikoin koskaan havaittu tällainen tapahtuma. "Riippumatta siitä, millaista vaihtelu on, [tämä galaksi] antaa arvokasta tietoa siitä, miten mustat aukot kasvavat ja kehittyvät", Sánchez Sáez sanoi. "Oletamme, että [VLT:n MUSE:n tai tulevan ELT:n (Extremely Large Telescope) vastaavat laiteet] uudet instrumentit ovat avainasemassa [galaksin kirkastumisen syiden] ymmärtämisessä".

Lisätietoja

[1] SDSS1335+0728 -galaksin epätavalliset kirkkausvaihtelut havaittiin Yhdysvalloissa sijaitsevalla Zwicky Transient Facility (ZTF) -teleskoopilla. Tämän jälkeen Chilen johtama Automatic Learning for the Rapid Classification of Events (ALeRCE) -ohjelma luokitteli SDSS1335+0728:n aktiiviseksi galaksiytimeksi.

[2] Tutkimusryhmä kokosi arkistodataa useista eri lähteistä: NASAn Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), Galaxy Evolution Explorer (GALEX), Two Micron All Sky Survey (2MASS), Sloan Digital Sky Survey (SDSS) sekä IKI:n ja DLR:n Spektr-RG-avaruusobservatorion eROSITA-instrumentista. Seurantahavaintoja tehtiin ESO:n VLT:n lisäksi Southern Astrophysical Research Telescope (SOAR) -teleskoopilla, W. M. Keckin observatoriolla sekä NASA:n Neil Gehrels Swift -teleskoopilla ja Chandra X-ray -teleskoopilla

Tämä tutkimus on esitelty artikkelissa: “SDSS1335+0728: The awakening of a ∼ 106M⊙ black hole”, joka julkaistaan Astronomy & Astrophysics -lehdessä.