OJ 287 – Mustan aukon mysteeri avautuu

Tähtitieteilijöiden vuosikymmeniä kestänyt työ on tuonut valoa yhteen avaruuden suurimmista arvoituksista: OJ 287 -galaksin mustan aukon käyttäytymiseen. Tämä kaukainen blasaari (musta aukko) on herättänyt huomiota poikkeuksellisen ja säännöllisten kirkkausvaihteluiden vuoksi, jotka ovat nyt selittyneet mustan aukon kiertoliikkeellä paljon massiivisemman mustan aukon ympäri.

Havainnekuva OJ-287 järjestelmästä. Pienemmän musta aukon radan periheli kiertyy voimakkaasti, joka aiheuttaa muutoksia isomman musta aukon kertymäkiekon välähdysten (kuvassa flare) aikatauluun riippuen siitä, missä osassa rataa läpäisy tapahtuu. Viimeisten vuosikymmenien aikana tehdyt havainnot kuitenkin ovat auttaneet tutkijoita määrittämään radan muodon ja perihelikiertymän määrän, joten tulevat kirkastumiset voidaan ennakoida hyvin, jopa muutaman tunnin tarkkuudella. Kuva NASA/JPL-Caltecg/Scot Shutterland.

 

OJ 287:n suurempi musta aukko, jonka massa on yli 18 miljardia kertaa Auringon massaa, on kertymäkiekon (tiheää kaasua ja plasmaa) ympäröimä. Tätä jättiläistä kiertää toinen pienempi musta aukko, jonka massa on noin 150 miljoonaa kertaa Auringon massaa. Kaksi kertaa joka 12. vuosi pienempi musta aukko syöksyy suuren kertymäkiekon läpi, mikä aiheuttaa valon välähdyksen, joka on kirkkaampi kuin biljoona (10¹²) tähteä.

Vuonna 2015 Spitzer-teleskooppi havaitsi OJ 287 -galaksin mustan aukon käyttämällä infrapunateleskooppiaan, joka pystyi havaitsemaan kaukaisen valon välähdyksen. Tämä välähdys oli merkki siitä, että pienempi musta aukko oli syöksynyt suuremman mustan aukon ympäröivän kaasulevyn läpi. Havainto oli onnekas, koska OJ 287 oli tuolloin Maasta katsottuna Auringon takana, mikä teki siitä näkymättömän maanpäällisille havaintolaitteille. Spitzer oli kuitenkin Aurinkoa kiertävällä radalla sellaisessa asemassa, että havaintoja voitiin tehdä.

Turkulaiset tutkijat, johtajanaan Aimo Sillanpää, olivat 1980-luvulla ensimmäisiä, jotka esittivät, että OJ 287:n kirkkausvaihtelut johtuvat binäärisestä mustan aukon järjestelmästä. Heidän työnsä on ollut perustavanlaatuinen OJ 287:n ymmärtämisessä ja on auttanut kehittämään malleja, jotka ennustavat mustien aukkojen välisten vuorovaikutusten aiheuttamia kirkkausvaihteluita.

TESS-observatorio (Transiting Exoplanet Survey Satellite) on tehnyt merkittäviä havaintoja OJ 287 -galaksin mustasta aukosta. Vuonna 2021 TESS havaitsi ensimmäistä kertaa suoraan pienemmän mustan aukon. Tutkijat ovat jo pitkään epäilleet, että OJ 287:n kirkkausvaihtelut johtuvat kahden mustan aukon vuorovaikutuksesta. TESS:n havainnot vahvistivat tämän teorian, kun se tarkkaili galaksin kirkkautta ja havaittu valon välähdys paljasti pienemmän mustan aukon olemassaolon.

OJ 287 on erityisen kiinnostava musta aukko useista syistä. Se sisältää kaksi massiivista mustaa aukkoa, jotka muodostavat harvinaisen binäärisen järjestelmän. Se tuottaa säännöllisiä valon välähdyksiä noin 12 vuoden välein, mikä on ollut arvoitus tähtitieteilijöille vuosikymmenien ajan. Välähdyksen kirkkaus on moninkertainen koko Linnunradan kirkkauteen verrattuna.

OJ 287 on ehdokas nanohertsin gravitaatioaaltoja lähettäväksi supermassiiviseksi mustan aukon binäärijärjestelmäksi, mikä tekee siitä tärkeän kohteen gravitaatioaaltojen tutkimuksessa. Gravitaatioaallot ovat avaruuden kaarevuuden aaltoja, jotka syntyvät massiivisten kappaleiden, kuten mustien aukkojen tai neutronitähtien, kiihtyvästä liikkeestä. Albert Einstein ennusti niiden olemassaolon vuonna 1916 yleisen suhteellisuusteorian pohjalta. Gravitaatioaaltojen havaitseminen on tärkeää, koska ne tarjoavat ainutlaatuisen tavan tutkia avaruuden äärimmäisiä ilmiöitä, kuten mustien aukkojen yhdistymisiä, neutronitähtien törmäyksiä ja maailmankaikkeuden alkuvaiheita.

OJ 287:n mustien aukkojen liikkeen mallintaminen on mahdollistanut ennusteiden tekemisen näiden välähdysten ajankohdista hyvin tarkasti, mikä tukee käsitystä siitä, että niiden liike tuottaa gravitaatioaaltoja. Tämä tekee OJ 287:stä parhaan ehdokkaan supermassiivisen mustan aukon parin havaitsemiseksi, joka lähettää gravitaatioaaltoja.

Tutkimus OJ 287:n osalta jatkuu, ja jokainen uusi havainto tuo meidät lähemmäksi ymmärrystä siitä, miten universumi toimii sen kaikkein mystisimmillä tasoilla. Tänä päivänä Turun yliopiston professori Mauri Valtosen johtamien tutkijoiden panos on ollut merkittävä tähtitieteen alalla ja heidän työnsä jatkuu edelleen tärkeänä osana OJ 287:n tutkimusta. Tämä tarina on esimerkki siitä, miten pitkäjänteinen tutkimustyö voi valaista avaruuden syvimpiä salaisuuksia.

 

 

Ensimmäinen suora kuva mustasta aukosta, josta lähtee voimakas suihku

 eso2305fi — Tutkimustiedote, suomennos Pasi Nurmi, Turun yliopisto

Tähtitieteilijät ovat ensimmäistä kertaa havainneet samassa kuvassa Messier 87-galaksin (M87) keskellä olevan mustan aukon varjon ja siitä lähtevän voimakkaan suihkun. Havainnot on tehty vuonna 2018 seuraavilla teleskoopeilla: Global Millimetre VLBI Array (GMVA), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), jossa ESO on mukana kumppanina, ja Greenland Telescope (GLT). Uuden kuvan ansiosta tähtitieteilijät ymmärtävät nyt paremmin, miten mustat aukot voivat saada tällaisia voimakkaita suihkuja aikaiseksi.

Kuvassa näkyy ensimmäistä kertaa yhdessä mustan aukon suihku ja varjo M87-galaksin keskustassa. Havainnot on otettu Global Millimetre VLBI Array (GMVA),  Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) teleskoopilla, jonka kumppani ESO on, ja Greenland Telescopella. Kuva antaa tutkijoille mahdollisuuden ymmärtää, miten voimakas suihku on muodostunut. Uudet havainnot paljastivat myös, että mustan aukon rengasrakenne, joka näkyy kuvan suurennoksessa, on 50 prosenttia suurempi kuin lyhyemmillä aallonpituukisilla havaitussa Event Horizon Telescope (EHT) kuvassa. Tämä viittaa siihen, että uudessa kuvassa näkyy enemmän mustaan aukkoon putoavaa materiaa kuin mitä EHT:n avulla pystyttiin näkemään. Kuva R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF).

Useimpien galaksien keskellä on supermassiivinen musta aukko. Vaikka mustat aukot tunnetaan niiden kyvystä imaista ainetta niiden välittömästä ympäristöstään, ne voivat myös saada aikaiseksi voimakkaita ainesuihkuja, jotka ulottuvat aina galaksien ulkopuolelle saakka. Se, miten mustat aukot luovat näin valtavia suihkuja, on ollut tähtitieteessä pitkäaikainen ongelma. "Tiedämme, että suihkut saavat alkunsa mustia aukkoja ympäröivältä alueelta", sanoi Ru-Sen Lu Shanghain tähtitieteellisestä observatoriosta Kiinasta, "mutta emme vieläkään täysin ymmärrä, miten tämä todella tapahtuu. Jotta voimme tutkia tätä suoraan, meidän on seurattava suihkun alkuperää mahdollisimman lähelle mustaa aukkoa".

Tänään julkaistussa uudessa kuvassa näkyy ensimmäistä kertaa juuri se, miten suihkun lähtökohta yhdistyy supermassiivisen mustan aukon ympärillä pyörivään aineeseen. Kohteena on galaksi M87, joka sijaitsee 55 miljoonan valovuoden etäisyydellä kosmisessa naapurustossamme. M87 galaksissa on musta aukko, joka on 6,5 miljardia kertaa Aurinkoa massiivisempi. Aikaisemmissa havainnoissa oli onnistuttu kuvaamaan mustan aukon ja suihkun lähellä olevat alueet erikseen, mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun molemmat on havaittu yhdessä. "Tämä uusi kuva selventää tilannetta näyttämällä mustan aukon ja suihkun ympärillä olevan alueen samanaikaisesti", lisäsi Jae-Young Kim Saksan Max Planck Institute for Radio Astronomy -instituutista.

Kuva on otettu GMVA:n, ALMA:n ja GLT:n avulla, jotka muodostavat maailmanlaajuisen radioteleskooppien verkoston, joka toimii yhdessä virtuaalisena Maan kokoisena teleskooppina. Näin suuri verkosto voi havaita M87:n mustan aukon ympärillä olevalla alueella hyvin pieniä yksityiskohtia.

Uudessa kuvassa näkyy mustan aukon läheltä muodostuva suihku sekä se, mitä tutkijat kutsuvat mustan aukon varjoksi. Kun aine kiertää mustaa aukkoa, se kuumenee ja lähettää valoa. Musta aukko taivuttaa ja vangitsee osan tästä valosta luoden Maasta nähtynä kehämäisen rakenteen mustan aukon ympärille. Kehän keskellä oleva pimeä alue on mustan aukon varjo, jonka Event Horizon Telescope (EHT) kuvasi ensimmäisen kerran vuonna 2017. Sekä tässä uudessa kuvassa, että EHT:n kuvassa on yhdistetty useiden eri puolilla maailmaa sijaitsevien radioteleskooppien datat, mutta tänään julkaistun kuvan radiosäteilyn aallonpituus on pidempi kuin EHT:n kuvassa, eli 3,5 mm 1,3 mm:n sijaan. "Tällä aallonpituudella voimme nähdä, miten suihku saa alkunsa supermassiivisen mustan aukon ympärillä olevasta emissiorenkaasta", sanoi Thomas Krichbaum Max Planckin radioastronomian instituutista.

GMVA-verkon havaitseman renkaan koko on noin 50 prosenttia suurempi kuin Event Horizon Telescope -kuvassa. "Ymmärtääksemme isomman ja paksumman renkaan fyysisen alkuperän jouduimme testaamaan erilaisia skenaarioita tietokonesimulaatioiden avulla", kertoi Keiichi Asada Taiwanin Academia Sinicasta. Tulokset viittaavat siihen, että uusi kuva paljastaa enemmän mustaa aukkoa kohti putoavaa materiaa kuin mitä EHT:llä voitiin havaita.

Nämä uudet havainnot M87:n mustasta aukosta tehtiin vuonna 2018 GMVA:lla, joka koostuu 14 radioteleskoopista Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa ^[1]. Lisäksi GMVA:han liitettiin kaksi muuta tutkimusyksikköä: Greenland Telescope ja ALMA, jonka kumppani ESO on. ALMA koostuu Chilen Atacaman autiomaassa sijaitsevasta 66 antennista, ja sillä oli näissä havainnoissa keskeinen rooli. Näiden kaikkien ympäri maailmaa sijaitsevien teleskooppien keräämät tiedot yhdistetään interferometriaksi kutsutulla tekniikalla, joka synkronoi kunkin yksittäisen laitoksen ottamat signaalit. Jotta havaittavan kohteen todellinen muoto saadaan kunnolla selvitettyä, on tärkeää, että kaukoputket ovat sijoittuneena kaikkialle maapallolla. GMVA-teleskoopit ovat pääosin itä-länsi-suunnassa, joten ALMA:n olemassaolo eteläisellä pallonpuoliskolla osoittautui välttämättömäksi, jotta kuva M87:n mustan aukon suihkusta ja varjosta saatiin otettua. "ALMA:n sijainnin ja herkkyyden ansiosta pystyimme paljastamaan mustan aukon varjon ja katsoa syvemmälle suihkuun samanaikaisesti", Lu kertoi.

Tämän teleskooppiverkoston avulla tulevaisuudessa tehtävillä havainnoilla voidaan selvittää, kuinka supermassiiviset mustat aukot saavat aikaiseksi näitä voimakkaita suihkuja. "Aiomme havaita M87:n keskustassa olevaa mustaa aukkoa radioalueella eri aallonpituuksilla tutkiaksemme lisää suihkun lähettämää emissiota", kertoi Eduardo Ros Max Planck Institute for Radio Astronomy -instituutista. Yhtä aikaa tehtävät havainnot antaisivat tutkimusryhmälle mahdollisuuden eritellä supermassiivinen musta aukon lähellä olevia monimutkaisia prosesseja. "Tulevat vuodet tulevat olemaan jännittäviä, kun saamme lisää tietoa siitä, mitä yhdellä maailmankaikkeuden salaperäisimmistä alueista tapahtuu", Ros totesi lopuksi.

M87. Kuva ESO.

Galaksi M87

Messier 87 (M87) on valtava elliptinen galaksi, joka sijaitsee noin 55 miljoonan valovuoden etäisyydellä Maasta ja sijaitsee Neitsyen tähdistössä. Charles Messier löysi sen vuonna 1781, mutta se tunnistettiin galaksiksi vasta 1900-luvulla. Sen massa on kaksinkertainen oman galaksimme Linnunradan massaan verrattuna, ja siinä on jopa kymmenen kertaa enemmän tähtiä. Galaksi on läheisistä galakseista suurimpia. Pelkän kokonsa lisäksi M87:llä on hyvin ainutlaatuisia ominaisuuksia. Sillä on esimerkiksi poikkeuksellisen paljon pallomaisia tähtijoukkoja. Linnunradallamme niitä on alle 200, mutta M87:llä niitä on noin 12 000, minkä jotkut tutkijat arvelevat johtuvan siitä, että se on kerännyt ne pienemmiltä naapureiltaan.

Aivan kuten kaikilla muillakin suurilla galakseilla M87:n keskellä on supermassiivinen musta aukko. Galaksin keskustan mustan aukon massa liittyy koko galaksin massaan, joten ei pitäisi olla yllättävää, että M87:n musta aukko on yksi massiivisimmista tunnetuista aukoista. Musta aukko voi myös selittää yhden galaksin energisimmistä piirteistä, eli relativistisen suihkun, joka sinkoutuu ulos lähes valon nopeudella.

Musta aukko oli Event Horizon Telescope havaintolaitteen tekemien mullistavien havaintojen kohteena. Kohde valikoitui EHT:n havaintojen kohteeksi kahdesta syystä. Vaikka EHT:n erotuskyky on uskomaton, niin silläkin on rajansa. Koska massiiviset mustat aukot ovat myös halkaisijaltaan suurempia, niin M87:n keskustan musta aukko oli poikkeuksellisen suuri kohde. Tämä tarkoittaa sitä, että se voitaisiin kuvata helpommin kuin lähempänä olevat pienemmät mustat aukot. Toinen syy sen valintaan oli kuitenkin selvästi tavallisempi. Planeetaltamme katsottuna M87 on melko lähellä taivaan ekvaattoria, minkä ansiosta se näkyy suurimmalla osalla pohjoista ja eteläistä pallonpuoliskoa. Tämä maksimoi EHT:n käytettävissä olevien havaintolaitteiden määrän, jotka voisivat tarkkailla sitä lisäten lopullisen kuvan resoluutiota.

Kuva on otettu ESO:n Very Large Telescope, eli VLT:n FORS2-instrumentilla osana Cosmic Gems-ohjelmaa, joka on tieteen näkyvyyden edistämiseksi tehty aloite, jossa ESO:n teleskoopit ottavat kuvia kiinnostavista, kiehtovista tai visuaalisesti näyttävistä kohteista koulutuksen ja yleisön tavoittamiseksi. Ohjelma hyödyntää teleskooppiaikaa, jota ei voi käyttää tieteellisiin havainnointiin, ja sen avulla saadaan otettua henkeäsalpaavia kuvia joistakin yötaivaan upeimmista kohteista. Jos kerätystä datasta voi olla hyötyä myös tulevissa tieteellisissä tarkoituksissa, havainnot tallennetaan ja saatetaan tähtitieteilijöiden saataville ESO:n tiedearkiston kautta.

Huomautukset

[1] Korean VLBI-verkosto on nyt myös osa GVVA:ta, mutta se ei osallistunut tässä esitettyihin havaintoihin.

Lisätietoa

Tässä esitelty tutkimus on julkaistu artikkelissa "A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet", joka julkaistaan Nature lehdessä (doi: 10.1038/s41586-023-05843-w).

 

Teoria aktiivisten kvasaarien toiminnasta puuttuu vielä

Maarten Schmidt:in havaisema ensimmäinen
kvasaari Neitsyen tähdistössä. Kvasarin
synnyttämä materiasuihku on
pituudeltaan 150 000 valovuotta.
Kuva NOAO/AURA/NSF.

Kvasistellaariset kohteet, lyhyemmin kvasaarit, ovat tutkijoille vielä varsin arvoituksellisia ja eksoottisia kohteita. Ne havaitsi ensimmäisen kerran tähtitieteilijä Maarten Schmidt:n tutkimuksissa vuonna 1963. Hän havaitsi voimakkaasti säteilevän kohteen (3C 273), jonka vedyn Balmer-sarjan spektriviivat olivat punasiirtyneet 16 %. Tämä merkitsi, että kohde liikkui meistä poispäin nopeudella, joka oli 16 % valonnopeudesta (noin 48 000 km/s).

Kohteen olemassa olo tuntui mahdottomalta, sillä jos se oli lähellä oleva kohde, miten se olisi saanut nopeutensa? Jos se taas olisi hyvin kaukainen kohde, laskelmat osoittivat sen olevan 2,4 miljardin valovuoden etäisyydellä, sen säteilemän valon kirkkaus oli käsittämätön suurta. Nopeus siis selittyisi maailmankaikkeuden laajenemisella, joka on sitä vauhdikkaampaa mitä kaukaisempia kohteita havainnoimme.

Seuranneet jatkotutkimukset osoittivat kohteen olevan hyvin kaukainen, ja vastaavia kohteita näytti olevan suhteellisen runsaasti. Nykyisin tiedämme valtavan energiatuoton salaisuuden; kohde onkin kaukaisen galaksin ytimessä oleva supermassiivinen musta aukko, jonka ympärillä oleva kertymäkiekko aiheuttaa ja selittää valtavan energiatuoton. Kvasaarin kirkkaus ylittää moninkertaisesti isäntägalaksin energiatuoton.

Tutkija Robert Antonucci (UC Santa Barbara) on nyt julkaissut tiedejulkaisu Nature:ssa artikkelin, jossa hän kyseenalaistaa monia aikaisempia käsityksiä kvasaarien toiminnasta. Esimerkiksi kvasaarien alkeishiukkassuihkujen, jotka ulottuvat galaksien väliseen avaruuteen asti, synnylle ei ole onnistuttu luomaan riittävän hyvää teoriaa. Hiukkasuihkut kiihtyvät nopeuteen, joka on hyvin lähellä valonnopeutta. Mutta miten?

Nykyisen käsityksen mukaan supermassiivisen mustaa aukkoa kiertää kertymäkiekko, jonka lämpötila ja tiheys kasvavat sitä suuremmaksi mitä lähemmäksi mustaa aukkoa mennään. Tiheyden ja lämpötilan kasvaessa kertymäkiekon aine muuttuu plasmaksi (sähköä johtavaksi kaasuksi) ja lopulta alkeishiukkasiksi kuten protoneiksi ja elektroneiksi. Tällaisessa ympäristössä vapautuu runsaasti energiaa, jonka näemme kvasaarin säteilemänä sähkömagneettisena säteilynä aina röntgensäteilystä radioaaltoihin asti. 

Jotenkin (hiukkastuulena kertymäkiekosta irronnut) osa plasmasta ei kuitenkaan päädy mustaan aukkoon vaan avaruuteen syöksyvään hiukkassuihkuun. Toimivaa teoriaa tämän selittämiseksi ei ole. Antonuccin mukaan tutkijoita vaivaa luovuuden puute, ja he ovat ikään kuin luovuttaneet ongelman edessä.

Näyttäisi siltä, että kvasaaritutkimuksen pysähtyneisyyden tila voisi juontaa juurensa siihen, että riittävästi havaintoaikaa röntgentutkimuksiin ei ole saatavissa Chandra ja MMX-röntgenkaukoputkista. Röntgenaallonpituuden fotoneja tutkimuslaitteeseen tulee sen verran harvassa, että Antonucci väittää voivansa jopa nimetä yksittäiset fotonit. Röntgenkaukoputkilta kuluu vuorokausia heikkolaatuisen spektriin tarvittavan säteilymäärän keräämiseen. Vastaavan erotuskyvyn spektrin saadaan aikaiseksi näkyvän valon aallonpituuksilla parissa minuutissa. Ilman parempia tutkimusmahdollisuuksia Antonuccin mukaan tutkijoilla ei ole mitään.

Kommentti:

Yrittämättä olla fysiikan teoreetikko, mielestäni vaihtoehdot ovat hyvin vähissä. Pyörivän mustan aukon tapahtumahorisontin ulkopuolelle syntyy ergosfääriksi kutsuttu alue. Tällä alueella aika-avaruus kiertyy musta aukon ympäri sitä voimakkaammin mitä lähemmäksi tapahtumahorisonttia tullaan. Ergosfäärin tuleva materia on pakotettu osallistumaan tähän kiertymiseen. Ergofäärin kummallisuuksiin kuulu se, että alueelta on mahdollista poistua, jos vauhti on lähellä valonnopeutta.

Nyt yhdistämme kertymäkiekon plasman aiheuttaman voimakkaan magneettikentän ja ergosfäärissä lähes valonnopeuteen kiihtyneet hiukkaset. Magneettikenttä ohjaa nopeimmat hiukkaset ulos ergosfääristä ja tämä tapahtuu molemmilla magneettisilla navoilla, joissa magneettikenttä suuntautuu ulos kierteisenä "putkena". Hiukkaset jatkava vauhdikasta matkantekoaan kohti galaksien välistä avaruutta muodostaen näkyvät suihkut. Magneettisessa "putkessa" sähkövarautuneet hiukkaset säteilevät synkrotronisäteilyä. Kohdatessaan avaruudessa olevan kaasupilven, hiukkasten törmäys kuumentaa sitä ja näemme sen termistä smg-säteilyä emittoimavana "solmuna".