Tutkijat ovat löytäneet kaikkein kaukaisimman kvasaarin, jolla on voimakkaat radiosuihkut

eso2103fi – Tutkimustiedote – Pasi Nurmi

Kvasaarit ovat hyvin kirkkaita kohteita, jotka sijaitsevat joidenkin galaksien keskustoissa ja saavat energiansa supermassiivisista mustista aukoista. Ympäröivää kaasun pudotessa mustaan aukkoon vapautuu energiaa, jolloin tähtitieteilijät voivat havaita niitä myös silloin, kun ne ovat hyvin kaukana.

Tähtitieteilijät ovat Euroopan eteläisen observatorion Very Large Telescope kaukoputken (ESO:n VLT) avulla löytäneet ja tutkineet tarkasti tähän mennessä kaukaisinta tiedossa olevaa radiosäteilyn lähdettä. Kohde on ”radiokirkas (radio-loud)” kvasaari, joka on kirkas radiolähde, jolla on voimakkaat radiosuihkut. Kohde on niin kaukana, että sen valolta on kestänyt 13 miljardia vuotta saavuttaa meidät. Löytö voi antaa tärkeitä vihjeitä, jotka auttavat tähtitieteilijöitä ymmärtämään paremmin varhaista maailmankaikkeutta. Kuva ESO/M. Kornmesser.

Hiljattain löydetty kvasaari, lempinimeltään P172+18, on niin kaukana, että sen valo on kulkenut noin 13 miljardia vuotta päästäkseen perille. Näemme kohteen sellaisena kuin se oli, kun maailmankaikkeus oli vain noin 780 miljoonaa vuotta vanha. Vaikka kaukaisempia kvasaareja onkin löydetty, niin tämä on ensimmäinen kerta, kun tähtitieteilijät ovat pystyneet erottamaan kvasaarin radiosuihkut näin varhaisessa vaiheessa maailmankaikkeuden historiaa. Vain noin 10 prosentilla kvasaareista, jotka tähtitieteilijät luokittelevat ”radiokirkkaiksi (radio-loud)” on suihkut, jotka ovat radiotaajuuksilla ^[1] kirkkaita.

P172+18:n energianlähteenä on musta aukko, joka on noin 300 miljoonaa kertaa massiivisempi kuin Aurinko, ja kuluttaa kaasua hämmästyttävällä vauhdilla. ”Musta aukko syö ainetta hyvin nopeasti ja kasvattaa massaansa yhdellä korkeimmista koskaan havaituista määristä”, tähtitieteilijä Chiara Mazzucchelli kertoi. Chiara on ESO Fellow Chilessä, ja hän johti tutkimusta yhdessä Eduardo Bañadosin kanssa Saksan Max Planck-tähtitieteen instituutista.

Tähtitieteilijät arvelevat, että supermassiivisten mustien aukkojen nopean kasvun ja P172+18:n kaltaisissa kvasaareissa havaittujen voimakkaiden radiosuihkujen välillä on olemassa yhteys. Suihkujen arvellaan pystyvän häiritsemään mustan aukon ympärillä olevaa kaasua, mikä puolestaan lisää vauhtia, jolla kaasu putoaa mustaan aukkoon. Siksi radiokirkkaiden kvasaarien tutkiminen voi paljastaa, miten varhaisen maailmankaikkeuden mustat aukot kasvoivat supermassiivisiksi niin nopeasti alkuräjähdyksen jälkeen.

”On erittäin jännittävää löytää 'uusia' mustia aukkoja ensimmäistä kertaa ja tuoda mukaan vielä yksi rakennuspalikka varhaisen maailmankaikkeuden ymmärtämiseksi, ja sen selvittämiseksi mistä me lopulta oikein tulemme”, Mazzucchelli sanoi.

P172+18 tunnistettiin ensimmäisen kerran kaukaiseksi kvasaariksi Magellan-teleskoopin avulla Las Campanasin observatoriossa Chilessä, jolloin kohdetta havaitsivat Bañados ja Mazzucchelli. ”Heti kun saimme datan käsiimme, kävimme sen pikaisesti läpi ja tiesimme heti, että olimme löytäneet tähän mennessä kaukaisimman radiokirkkaan kvasaarin”, Bañados sanoi.

Lyhyen havaintoajan vuoksi tutkimusryhmä ei saanut kerättyä tarpeeksi dataa kohteen yksityiskohtaiseen tutkimiseen. Löytöä seurasi joukko eri teleskoopeilla tehtyjä havaintoja, sisältäen ESO:n VLT:ssä olevan X-shooter-instrumentin havainnot. Näiden avulla he pystyivät selvittämään lisää kvasaarin ominaisuuksia, kuten kohteen musta aukon massan ja kuinka nopeasti siihen putoaa ainetta ympäristöstään. Muita tutkimuksessa mukana olleita teleskooppeja olivat muun muassa Yhdysvaltojen National Radio Astronomy Observatorion Very Large Array ja Keck-teleskooppi.

Tutkimus julkaistaan pian Astrophysical Journal julkaisussa. Vaikka tiimi on innoissaan löydöstään, he uskovat, että tämä radiokirkas kvasaari voi olla ensimmäinen monista tulevaisuudessa löytyvistä kvasaareista, jotka voivat olla jopa vielä suuremmilla kosmologisilla etäisyyksillä. ”Tämä löytö tekee minusta optimistisen ja uskon sekä toivon, että etäisyysennätys rikkoutuu pian”, Bañados sanoi.

Tulevat havainnot esimerkiksi ALMA:lla, jossa ESO on yhtenä kumppanina, tai ESO:n tulevan Erittäin suuren teleskoopin (ELT) avulla, voivat auttaa paljastamaan lisää näiden varhaisen maailmankaikkeuden kohteiden salaisuuksista.

Huomautukset

[1] Radioaaltojen taajuudet ovat 30 Hz ja 300 GHz välillä.

 

 

Uusi tutkimus Hubblen vakion arvosta

Hubble-avaruus teleskooppia käyttävä tähtitieteilijöiden ryhmä on mitannut maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden tekniikalla, joka on täysin riippumaton aikaisemmasta menetelmästä.

Tarkan Hubblen vakion tunteminen on tärkeä kosmoksen iän, koon ja kohtalon määrittämiseksi. Tämän mysteerin ratkaiseminen on ollut viime vuosien suurimpia astrofysiikan haasteita. Uusi tutkimus lisää käsitystä siitä, että uusia teorioita voidaan tarvita selittämään, mitä tutkijat ovat havainneet.

Jokainen näistä Hubble-avaruusteleskoopin tilannekuvista paljastaa neljä vääristynyttä kuvaa taustakvasaarista. Kuva NASA, ESA, SH Suyu (Max Planckin astrofysiikan instituutti.

Tutkijoiden tulokset vahvistavat edelleen eroa maailmankaikkeuden laajentumisnopeuden (jota kuvataan Hubblen vakiolla) eri tutkimusten välillä. Lasketun Hubblen vakion ero paikallisuniversumin mittausten ja varhaisen maailmankaikkeuden taustasäteilyn perusteella ennustetun nopeuden välillä on merkittävä.

Uusimman tutkimuksen tulos edustaa tarkinta mittausta ja se perustuu gravitaatiolinssimenetelmään, jossa etualalla sijaitsevan galaksin painovoima toimii kuin jättiläinen suurennuslasi, vahvistaen ja vääristäen taustakohteista tulevaa valoa. Tutkimuksessa ei luotettu perinteiseen "kosmisen etäisyyden tikkaisiin" -menetelmään, jossa mitataan etäisyyksiä galakseihin käyttämällä erityyppisiä tähtiä "virstanpylväinä". Sen sijaan tutkijat käyttivät gravitaatiolinssien fysiikkaa maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden laskemiseksi.

Uudet Hubblen vakion mittaukset tehnyt tutkimusryhmä on nimeltään H0LiCOW (H0-linssit COSMOGRAILin Wellspringissä). COSMOGRAIL on lyhenne gravitaatiolinssien kosmologisesta seurannasta, suuri kansainvälinen projekti, jonka tavoitteena on gravitaatiolinssien seuranta. "Wellspring" viittaa kvasaarilinssijärjestelmien runsaaseen tarjontaan.

Tutkimusryhmä laski Hubblen vakion H0LiCOW-arvon tarkkailu- ja analysointitekniikoilla, joita on parannettu huomattavasti kahden viimeisen vuosikymmenen aikana.

H0LiCOW ja muut viimeaikaiset mittaukset viittaavat nopeampaan laajentumisnopeuteen paikallisuniversumissa, kuin mitä odotettiin perustuen Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliitin havaintoihin kosmisen taustasäteilystä yli 13 miljardia vuotta sitten.

Näiden kahden arvon välisellä erolla on tärkeitä vaikutuksia maailmankaikkeuden taustalla olevien fysikaalisten parametrien ymmärtämiseen, ja se voi vaatia uutta fysiikkaa eroavuuksien huomioon ottamiseksi.

"Jos nämä tulokset eivät ole samoja, se voi olla vihje, että emme vielä ymmärrä täysin kuinka aine ja energia kehittyivät ajan myötä, etenkin varhaisina aikoina", sanoi H0LiCOW-ryhmän johtaja Sherry Suyu Max Planckin astrofysiikan instituutista Saksassa, Münchenin tekninen yliopisto ja Academia Sinica -astronomian ja astrofysiikan instituutti Taipeissa, Taiwanissa.

Kuinka se tehtiin

H0LiCOW-ryhmä käytti Hubblea havaitsemaan kuuden kaukaisen kvasaarin valoa. Kvaasarit ovat ihanteellisia kohteita monista syistä; esimerkiksi, ne ovat kirkkaita, erittäin kaukana ja hajallaan taivaalla. Tutkimuksessa havaittiin sitä, kuinka kunkin kvasaarin valo jakaantui neljään kuvaan massiivisen etualan galaksin gravitaatiokentässä. Tutkitut galaksit ovat 3 miljardin - 6,5 miljardin valovuoden etäisyydellä ja kvasaarien keskimääräinen etäisyys on 5,5 miljardia valovuotta maasta.

Kunkin kvasaarin kuvan valonsäteet kulkevat hiukan erilaisella reitillä avaruuden läpi päästäkseen Maahan. Polun pituus riippuu aineen määrästä, joka vääristää avaruutta näkölinjaa pitkin kvasaarista Maahan. Kunkin reitin jäljittämiseksi tähtitieteilijät tarkkailevat kvasaarin valon välkkymistä. Kun valo välähtää, kukin linssin muodostama kuva kirkastuu eri aikaan.

Ymmärtääkseen nämä viiveet kokonaan, ryhmä käytti aluksi Hubblea laatimaan tarkat kartat aineen jakautumisesta kussakin linssigalaksissa. Tähtitieteilijät voivat sitten luotettavasti laskea etäisyydet galaksista kvasaariin ja Maasta galaksiin ja edelleen kvasaariin. Vertaamalla näitä etäisyysarvoja tutkijat mittasivat maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta.

Tutkijat laskivat Hubblen vakion arvoksi 73 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohden (±2,4%). Ryhmän mittaus on myös lähellä Hubblen vakion arvoa 74 km/s/Mpc, jonka Supernova H0 (SH0ES) tutkimusryhmä, joka käytti kosmisen etäisyyden tikkaat -menetelmää, on laskenut. SH0ES-mittaus perustuu etäisyyksien mittaamiseen kaukana oleviin galakseihin käyttämällä kefeidie ja supernovien kirkkauksia etäisyyden määrittämiseksi.

SH0ES- ja H0LiCOW-arvot eroavat merkittävästi Planckin luvusta 67 km/s/Mpc , vahvistaen eroa nykyisen  maailmankaikkeuden Hubblen vakion ja varhaisen maailmankaikkeuden havaintoihin perustuvan ennustetun arvon välillä.

Vuonna 2012 aloitetulla H0LiCOW-tiimillä on nyt kuvat ja aikaviiveet 10 kvasaarille. Ryhmä jatkaa uusien kvasaarien etsimistä ja seurantaa yhteistyössä kahden uuden ohjelman tutkijoiden kanssa. Ensimmäinen ohjelma on nimeltään STRIDES (STRong-lensing Insights into Dark Energy Survey) ja siinä etsitään uusia gravitaatiolinssien tuottamia kvasaarien kuvia. Toinen ohjelma on nimeltään SHARP ja siinä käytetään WM Keck-teleskooppien adaptiivista optiikkaa gravitaatiolinssien kuvaamiseksi. Ryhmän tavoitteena on tarkkailla yli 30 kvasaarijärjestelmää vähentääkseen tutkimuksen 2,4 prosentin epävarmuutta 1 prosenttiin.

NASAn tuleva James Webbin avaruusteleskooppi, jonka odotetaan aloittavan toimintansa vuonna 2021, voi auttaa tutkimusryhmiä saavuttamaan 1 % tarkkuustavoitteensa.

H0LiCOW-tiimin työ valmistelee myös tietä satojen linssikvasaarien havainnoille, joita tähtitieteilijät ovat löytäneet sellaisten tutkimusten avulla, kuten Dark Energy Survey ja PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) ja tulevan National Science Foundationin laaja Synoptic Survey Telescope, joiden odotetaan paljastavan tuhansia uusia gravitaatiolinssejä.

Edelleen NASAn laajakenttäinen infrapunateleskooppi (WFIRST) auttaa tähtitieteilijöitä ratkaisemaan Hubblen vakion arvoa jäljittämällä maailmankaikkeuden 

laajentumishistorian. Tehtävässä käytetään myös useita tekniikoita, kuten näytteenottoa tuhansista supernovista ja muista eri etäisyyksillä olevista kohteista, ​​jotta voidaan selvittää johtuuko ero mittausvirheistä, havainnointitekniikasta vai onko tähtitieteilijöiden mukautettava teoriaa, josta he johtavat ennusteita.

Fermin kuplien arvoitus ratkeaa

Kaavio havainnollistaa mittausmenetelmöö, jolla Fermin
kuplien arvoitusta on ratkottu. Kuplan värit ilmentävät
kaasun liikesuuntaa: sinin tulee meitä kohti ja punainen menee
meistä poispäin. Kuva NASA's Goddard Space Flight Center.

Linnunratamme on suhteellisen laakea järjestelmä, jossa on noin 400 miljardia tähteä jakaantuneena erilaisiin spiraalihaaroihin. Linnunradan keskustassa on noin 4,5 miljoonan auringonmassainen musta aukko^[1], joka on ilmiselvästi hyvin rauhallinen. Siihen ei ole putoamassa kovinkaan suuria ainemääriä.

Toisin on ollut menneisyydessä, silloin mustaan aukkoon päätyi merkittävä määrä ainetta. Tiedämme tämän koska mustaan aukkoon päätyvä aine ei putoa sinne suoraan, vaan muodostaa kertymäkiekon aukon ympärille. Kertymäkiekossa oleva aine kuumenee plasmaksi ja osa siitä joutuu mustan aukon sijaan kertymäkiekon pyörimisakselin suuntaiseen ainesuihkuun. Suihkun lämpötila on noin 10 miljoonaa Kelviniä ja se kuumentaa Fermin kuplina^[2] tunnettuja kaasukuplia niin paljon, että ne säteilevät röntgen- ja gammasäteilyä.

Samanlaisia kaasukuplia on havaittu muissakin galaksissa, mutta ne ovat liian kaukana tarkkojen havaintojen tekemiseksi. Linnunradan tilanne on toisin, sillä katselemme kuplia Linnunradan sisältä. 

Havainnot^[4] on tehty Cosmic Origins spektrografilla (COS) ja Hubble avaruusteleskoopin kuvantavalla spektrografilla, joilla havaittiin 46+1 kaukaista kvasaaria^[3]. Kvasaarien valo tulee Fermin kuplien läpi, jolloin spektrissä näkyy viileän kaasun aiheuttamia muutoksia. Muutokset kertovat Fermin kuplien kaasun kemiallisesta koostumuksesta, lämpötilasta ja laajenemisnopeudesta.

Tutkimukset ovat osoittaneet Fermin kuplissa olevan jonkin verran piitä ja hiiltä. Kuplien laajenemisnopeudeksi mitattiin noin 1000 km/s ja lämpötilaksi noin 10 000 K. Mustasta aukosta lähtöisin olevan suihkun lämpötila onkin sitten paljon korkeampi, sillä sen on noin 10 000 000 K. Fermin kupliin on kertynyt ainetta noin 2 miljoonan auringonmassan verran ja se ulottuu noin 23 000 valovuoden etäisyyteen Linnunradan keskustasta.

Fermin kuplien laajenemisnopeudesta voitiin laskea niiden syntyneen noin 6–9 miljoonaa vuotta sitten. Silloin Linnunradan keskustan mustaan aukkoon syöksyi merkittävä määrä ainetta, josta kuplat ovat muistona. Sen jälkeen kovinkaan suuria ainemääriä mustaan aukkoon ei ole joutunut ainakaan samassa mittakaavassa.

Huomautukset

[1] Linnunradan keskusta sijaitsee Jousimiehen tähdistössä ja musta aukko tunnetaan nimellä Sgr A* .

[2] Fermin kuplat havaittiin vuonna 2010 NASAn Fermi Gamma-Ray teleskooppia ja nimettiin teleskoopin mukaan.

[3] Kvasaarit ovat etäisten galaksien aktiivisia ytimiä, joissa on supermassiivisia mustia aukkoja. Nimitys kvasari viittaa kohteiden ulkonäköön Maasta katsottuna. Nimitys tulee englanninkielisistä sanoista quasi-stellar object (QSO) ja se tarkoittaa tähden kaltaista kohdetta (kvasistellaarinen kohde), sillä usein optisella kaukoputkella havaittuna ne näyttävät hyvin pieniltä tähdiltä. Erikoista niissä oli se, että niiden punasiirtymä oli suuri eli kohteet olivat niin kaukana ja etääntyivät meistä suurella nopeudella, että yksittäisten tähtien oli mahdotonta näkyä Maahan asti. Päätelmä oli, että kohteet ovat erittäin kirkkaita mutta hyvin pieniä. Ainoa tunnettu kohde voi olla supermassiivinen musta aukko, jonka kertymäkiekko säteilee jopa voimakkaammin kuin kymmenen galaksia yhteensä.

[4] Tutkimusryhmän johtajana toimii tähtitieteilijä Rongmon Bordoloi (Massachusetts Institute of Technology) ja tutkimus julkaistiin 10.1.2017 Astrophysical Journal tiedejulkaisussa.

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".