Uusi teoria ehdottaa "mustan aukon tähtiä" ratkaisuksi punaisten pisteiden arvoitukseen

KAK – James Webb -avaruusteleskooppi (JWST) on jälleen kerran haastanut käsityksemme maailmankaikkeudesta. Sen ottamissa kuvissa on havaittu pieniä, punaisia pisteitä, jotka eivät tunnu sopivan nykyisiin malleihin galaksien muodostumisesta. Nyt uusi teoria ehdottaa, että nämä kohteet voisivat olla aivan uudenlainen taivaankappale. Tutkijat käyttivät tästä nimitystä "mustan aukon tähti".

Taiteilijan näkemys ”mustan aukon tähdestä”. Kuva on kaaviollinen ja tähden keskellä on massiivinen musta aukko kertymäkiekkoineen. Piirros ei ole mittakaavassa, sillä mustan aukon ympärille kertynyt kaasukehä on paljon laajempi ja massiivisemmi kuin mitä kaavio antaa ymmärtää. Kaasukehä on juuri se minkä näemme punaisina pisteinä. Kuva © MPIA / Hda / T. Müller / A. de Graaff.

James Webb -teleskoopin kyky tehdä havaintoja kaukaa menneisyydestä on paljastanut joukon kohteita, jotka vaikuttavat olevan liian massiivisia sijaitakseen niin varhaisessa maailmankaikkeudessa. Nämä "pienet punaiset pisteet" eivät näytä sopivan perinteiseen malliin siitä, miten galaksit ja supermassiiviset mustat aukot niiden keskustoissa kehittyvät.

Yksi tällainen kohde, lempinimeltään "The Cliff", on erityisen mielenkiintoinen. Sen ominaisuudet eivät vastaa sitä, mitä odottaisimme nuorelta galaksilta.

Ratkaisuksi tähän arvoitukseen on ehdotettu uutta teoriaa, joka esittelee "mustan aukon tähdet". Nämä eivät ole tähtiä perinteisessä mielessä, vaan supermassiivisia mustia aukkoja, joita ympäröi paksu, myrskyisä kaasuvaippa.

Tässä mallissa musta aukko kerää ympärilleen valtavan määrän kaasua, joka muodostaa sen ympärille tiheän kuoren. Tämä kaasuvaippa peittää mustan aukon ja sen kertymäkiekon näkyvistä, ja sen sijaan näemme vain kaasun hehkun – punaisen pisteen. Tämä selittäisi, miksi kohteet näyttävät niin kirkkailta ja punaisilta, ja miksi ne vaikuttavat olevan niin massiivisia.

Jos teoria mustan aukon tähdistä osoittautuu todeksi, se mullistaisi käsityksemme varhaisesta maailmankaikkeudesta. Se voisi selittää, miten supermassiiviset mustat aukot kasvoivat niin suuriksi niin nopeasti universumin historian alkuvaiheessa.

 

Punaiset pisteet ja "The Cliff"

James Webb -avaruusteleskooppi on suunniteltu näkemään maailmankaikkeuden kaukaisimpiin ja varhaisimpiin kolkkiin. Tutkiessaan näitä varhaisia vaiheita, noin 700 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, teleskooppi on löytänyt lukuisia kohteita, joita on alettu kutsua punaisiksi pisteiksi.

Nämä kohteet ovat hämmentäneet tutkijoita, koska ne näyttävät olevan liian kehittyneitä ja massiivisia ollakseen olemassa niin varhain maailmankaikkeuden historiassa. Niiden punainen väri viittaisi vanhoihin tähtiin, mutta niiden kirkkaus ja koko eivät sovi yhteen tunnettujen galaksimallien kanssa.

"The Cliff" erottui punaisten pisteiden joukosta selvästi. Sen valon spektri on äärimmäisen poikkeava. Spektrissä näkyi jyrkkä pudotus, jota kutsutaan Balmerin harppaukseksi. Tämä ilmiö liittyy vetyatomien ionisoitumiseen, ja "The Cliffillä" se oli kaksi kertaa voimakkaampi kuin missään aiemmin havaitussa kaukaisessa kohteessa. Tällainen voimakas signaali viittasi siihen, että valo ei tule tavanomaisesta tähtien joukosta, vaan yhdestä, massiivisesta lähteestä.

Koska "The Cliffin" kaltaisten kohteiden ominaisuudet eivät sopineet yhteen olemassa olevien teorioiden kanssa, tutkijoiden oli ajateltava laatikon ulkopuolelta. Perinteiset selitykset eivät riittäneet.

Tutkijaryhmä kehitti uuden mallin, mustan aukon tähden. Tässä mallissa ei ole kyse tähdestä sanan perinteisessä merkityksessä, vaan supermassiivisesta mustasta aukosta, jota ympäröi tiheä ja myrskyisä vetykaasuvaippa. Kaasuvaippa syntyy nopeasti materian kertymisestä musta aukon ympärille. Se kuumenee ja emittoi sähkömagneetista säteilyä lähes kaikilla aallonpituuksilla. Tämä kuuma kaasuvaippa peittää alleen mustan aukon ja sen kuuman kertymäkiekon. Kaasun läpi kulkeva valo muuttuu ja saa aikaan juuri sellaisen voimakkaan ja jyrkän Balmerin harppauksen, joka "The Cliff" -kohteessa havaittiin. Simulaatiot, jotka perustuivat tähän malliin, vastasivat erittäin tarkasti "The Cliffin" havaittua spektriä. Tämä antoi vahvaa tukea teorialle, että kyseessä voisi olla aivan uudenlainen taivaankappale.

"Mustan aukon tähti" -malli on tällä hetkellä vahvin ehdokas selittämään "The Cliffin" kaltaisten äärimmäisten kohteiden olemassaolon. Se tarjoaa elegantin ratkaisun siihen, miksi nämä kohteet näyttävät yhdeltä massiiviselta, punaiselta ja kylmältä "tähdeltä" monien erillisten tähtien sijaan. Malli voisi myös selittää, miten supermassiiviset mustat aukot kasvoivat niin nopeasti varhaisessa maailmankaikkeudessa.

On kuitenkin tärkeää muistaa, että malli on vielä uusi ja hypoteettinen. Se vaatii lisää havaintoja ja tutkimusta vahvistuakseen.

Ennen "mustan aukon tähti" -mallia "pienille punaisille pisteille" on ehdotettu myös muita selityksiä:

Erittäin tiheät ja pölyiset nuoret galaksit: Yksi johtavista teorioista oli, että kohteet ovat äärimmäisen tiheitä ja pienikokoisia galakseja, joissa syntyy valtavasti uusia tähtiä. Tässä mallissa galaksit olisivat niin paksun pölyvaipan peitossa, että vain punainen valo pääsisi siitä läpi, mikä selittäisi niiden värin. Ongelmana tässä mallissa on, että se vaatisi tähtien syntyvän niin kiivaaseen tahtiin, että se haastaa nykyiset mallit galaksien muodostumisesta.

Aktiiviset galaksiytimet (AGN): Toinen vaihtoehto on, että kohteet ovat supermassiivisia mustia aukkoja, jotka ovat galaksiensa keskustoissa ja keräävät aktiivisesti ainetta (AGN, Active Galactic Nucleus). Nämä kohteet olisivat myös paksun pölyn peitossa. Vaikka monissa "pienissä punaisissa pisteissä" onkin havaittu merkkejä aktiivisista galaksiytimistä, tämä teoria ei yksinään selitä "The Cliffin" kaltaisten kohteiden äärimmäisiä ominaisuuksia, kuten erittäin voimakasta Balmerin harppausta. Lisäksi monilta kohteilta puuttuu röntgen- ja radiosäteily, jota tyypillisesti odotettaisiin AGN-kohteilta.

Koska "mustan aukon tähti" on toistaiseksi hypoteettinen malli, tutkijoiden ensisijainen tavoite on kerätä lisää todistusaineistoa, joka joko tukee tai kumoaa sen. Suunnitelmat jatkotutkimuksille ovatkin monipuolisia ja keskittyvät juuri mallin heikkojen kohtien ja ennusteiden testaamiseen.

 

Suunnitelmat jatkotutkimuksille

Jatkotutkimusten päätavoite on erottaa "mustan aukon tähti" -kandidaatit muista mahdollisista selityksistä, kuten äärimmäisen pölyisistä galakseista tai perinteisistä aktiivisista galaksiytimistä (AGN).

Ensimmäinen askel on käydä läpi kaikki James Webb -teleskoopin keräämä data ja etsiä järjestelmällisesti lisää "The Cliffin" kaltaisia kohteita, joilla on poikkeuksellisen voimakas spektri. Mitä suurempi otos samankaltaisia kohteita löydetään, sitä paremmin niiden yhteisiä ominaisuuksia voidaan tutkia ja verrata teorioihin.

Tutkijat pyrkivät myös saamaan entistä tarkempia ja syvempiä spektrejä "The Cliffistä" ja muista mahdollisista kandidaateista. Tavoitteena on etsiä heikkoja merkkejä kaasun liikkeestä ja koostumuksesta. Tällainen data voisi paljastaa yksityiskohtia kaasun nopeudesta ja lämpötilasta, mikä auttaisi varmistamaan, onko kyseessä kaoottinen kaasuvaippa vai esimerkiksi järjestäytyneemmin pyörivä galaksin kiekko.

Näiden jatkotutkimusten avulla tiedeyhteisö pyrkii pala palalta kokoamaan palapeliä ja selvittämään, onko James Webb -avaruusteleskooppi todella löytänyt ensimmäiset todisteet täysin uudentyyppisestä taivaankappaleesta.

 

Lähteet

[1] “Black Hole Stars” could solve JWST riddle of overly massive early galaxies” Max Plancj Institute:n lehdistötiedote, 12.9.2025.

[2] "A remarkable ruby: Absorption in dense gas, rather than evolved stars, drives the extreme Balmer break of a little red dot at z = 3.5", by A. de Graaff et al. Published in Astronomy & Astrophysics, 2025, 701, A168.

 

 

Toinen musta aukko Sgr A*:n vieressä

Kölnin yliopistossa työskentelevän astrofyysikko Florian Peißkerin johtama tutkijaryhmä on havainnut Linnunradan keskustassa olevan musta aukon vierestä välimassaisen musta aukon (IMBH). Näiden kahden mustan aukon välinen etäisyys on vain 0,1 valovuotta.

IRS 13: een NACO: n ja ALMA: n kanssa tehdyt havainnot. Lähde: The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ad4098.

Löydetty välimassinen musta aukko sijaitsee tähtijoukossa IRS 13. Tutkijat tarkkailivat joukon tähtien liikkeitä ja havaitsivat niiden olevan järjestäytyneitä, satunnaisten liikesuuntien sijaan. Suurimmat nopeudet olivat noin 130 km/s ja tähtien liikeratoihin vaikuttaa voimakkaasti joukossa oleva massapiste.

Laskelmat osoittivat, että massapisteen täytyi olla musta aukko, sillä sen massaksi laskettiin noin 32 000 auringonmassaa. Tämän tarkoitti, että IRS 13 musta aukko on ns. välimassainen musta aukko. Välimassaisilla mustilla aukoilla ymmärretään mustia aukkoja, joiden massa asettuu yhdestä tähdestä muodostuneen mustan aukon (maksimissaan 80 auringonmassaa) ja galaksien ytimissä sijaisevien miljoonien auringonmassaisten mustien aukkojen väliin. Tällaisia kohteita tunnetaan vain kymmenkunta.

ISR 13 havaittiin ensikerran noin 25 vuotta sitten. Aluksi sen arveltiin olevan massiivinen tähti. Nopeasti kuitenkin paljastui, että se saattoi olla liian massiivinen yhdeksi tähdeksi, joten sitä alettiin pitää kaksoistähtenä. Sekään ei selittänyt kaikkia havaintoja ja niinpä tutkijat päätyivät olettamaan sen olevan hyvin massiivinen Wolfin–Rayetin tähti, joka olisi muuttumassa supernovaksi lähiaikoina. Seuraava vaihe tutkimuksessa oli se, että ISR 13 todettiin olevan tähtijoukko. Tosin tähtijoukkona olemassaolo näin lähellä 4,3 miljoonan auringonmassaisen mustan aukon välittömässä läheisyydessä herätti ihmetystä. Sen ei uskottu pystyvän pysymään koossa, ennekuin nyt tämän uuden tutkimuksen mukaan sille saatiin luotettava selitys.

Tutkimuksesta on raportoitu The Astrophysical Journal tiedejulkaisun vol 970 no 1 heinäkuun 18. päivänä 2024 otsikolla "The Evaporating Massive Embedded Stellar Cluster IRS 13 Close to Sgr A*. II. Kinematic Structure". Artikkeli on luettavissa kokonaisuutenaan pdf-formaatissa.

IRS 13 ei ole ainoa tähtijoukko Linnunradan mustan aukon välittömässä läheisyydessä. Esimerkiksi IRS 16 on toinen merkittävä tähtijoukko, joka sisältää monia hyvin massiivisia tähtiä. Näiden muiden tähtijoukkojen keskustoissa ei ole yhtä selviä todisteita mustista aukoista. Kuitenkin tällaiset joukot ja niiden mahdolliset mustat aukot ovat edelleen aktiivisen tutkimuksen kohteena, koska ne voivat tarjota tärkeitä tietoja galaktisen ytimen dynamiikasta ja mustien aukkojen muodostumisesta.

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.

 

 

Puuttuva linkki on löydetty: supernovat synnyttävät mustia aukkoja tai neutronitähtiä

 ESO lehdistötiedote 10. tammikuuta 2024

Suomennos Pasi Nurmi

Tähtitieteilijät ovat löytäneet suoran yhteyden massiivisten tähtien supernovana räjähtämisen ja maailmankaikkeuden tiheimpien ja arvoituksellisimpien kohteiden, eli mustien aukkojen ja neutronitähtien muodostumisen välillä. Kaksi tutkimusryhmää havaitsivat Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopin ja ESO:n New Technology Telescope, eli NTT:n avulla läheisen galaksin supernovaräjähdyksen jälkeistä vaihetta ja löysivät todisteita räjähdyksen jälkeensä jättämästä salaperäisestä kompaktista kohteesta.

Tämä taitelijan tekemä kuva esittää prosessia, jossa kaksoistähtijärjestelmässä olevasta massiivisesta tähdestä tulee supernova. Kuvassa esitetty tapahtumasarja tapahtui supernova SN 2022jli:ssä, mikä selvisi tutkijoille ESO:n Very Large Telescope, eli VLT-kaukoputken ja New Technology Telescope, eli NTT-kaukoputken havaintojen avulla. Kun massiivinen tähti räjähti supernovana, se jätti jälkeensä kompaktin kohteen, eli neutronitähden tai mustan aukon. Seuralaistähti selvisi räjähdyksestä, mutta sen ilmakehä pullistui sen seurauksena. Kompakti kohde ja seuralaistähti jatkoivat toistensa kiertämistä kompaktin kohteen varastaessa säännöllisesti ainetta toisen tähden laajenneesta ilmakehästä. Aineen kertyminen näkyi tutkijoiden havainnoissa kohteen säännöllisinä kirkkauden vaihteluina sekä vetykaasun jaksoittaisina liikkeinä. Kuva: ESO/L. Calçada.

 

Kun massiiviset tähdet saavuttavat kehityskaarensa viimeiset vaiheet, ne romahtavat oman gravitaation vaikutuksesta niin nopeasti, että seurauksena on voimakas räjähdys, jota kutsutaan supernovaksi. Tähtitieteilijät uskovat, että dramaattisen räjähdysvaiheen jälkeen tähdestä jää jäljelle erittäin tiheä ydin tai kompakti jäänne. Riippuen siitä, kuinka massiivinen tähti on, kompakti jäänne on joko neutronitähti tai musta aukko.

Tähtitieteilijät ovat aiemmin löytäneet useita todisteita tapahtumaketjun puolesta, kuten Rapusumun neutronitähden havaitseminen. Rapusumu on lähes tuhat vuotta sitten räjähtäneen tähden jäljelle jäänyt kaasupilvi. Tutkijat eivät kuitenkaan ole koskaan aiemmin nähneet tämän prosessin tapahtuvan reaaliajassa, joten suoraa näyttöä supernovan jättämästä kompaktista jäänteestä ei olla saatu. "Osoitamme tutkimuksessamme tällaisen suoran yhteyden olemassaolon", sanoi israelilaisen Weizmann-instituutin tutkija Ping Chen, joka on tänään Nature-lehdessä julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja. Tutkimus esiteltiin American Astronomical Societyn 243. kokouksessa New Orleansissa, Yhdysvalloissa.

Tutkijoiden tekemä löytö oli varsinainen onnenpotku ja se tehtiin toukokuussa 2022, kun eteläafrikkalainen harrastajatähtitieteilijä Berto Monard löysi supernova SN 2022jli:n 75 miljoonan valovuoden päässä sijaitsevan NGC 157 -galaksin spiraalihaarasta. Kaksi erillistä ryhmää tutki tämän räjähdyksen jälkimaininkeja ja havaitsi sen käyttäytyvän ainutlaatuisesti.

Räjähdyksen jälkeen supernovan kirkkaus yleensä yksinkertaisesti hiipuu ajan myötä ja tähtitieteilijät havaitsevat räjähdyksen "valokäyrän" tasaisen, asteittaisen laskun. SN 2022jli käyttäytyy kuitenkin hyvin erikoisesti. Kun sen kokonaiskirkkaus vähenee, se ei vähene tasaisesti, vaan vaihtelee ylös ja alas noin 12 päivän välein. "SN 2022jli:n havainnoissa näkyy toistuva kirkastumisen ja himmenemisen sarja", sanoi Thomas Moore, Pohjois-Irlannissa sijaitsevan Belfastin Queen's Universityn tohtorikoulutettava, joka johti viime vuoden lopulla Astrophysical Journal -lehdessä jukaistua supernovaa koskevaa tutkimusta. "Tämä on ensimmäinen kerta, kun supernovan valokäyrässä on havaittu toistuvia jaksottaisia muutoksia useiden syklien ajan", Moore totesi artikkelissaan.

Sekä Mooren että Chenin tutkimusryhmät uskovat, että SN 2022jli -systeemin käyttäytyminen voidaan selittää, jos kohteessa on useampi kuin yksi tähti. Itse asiassa massiiviset tähdet ovat usein osana kaksoistähtijärjestelmää ja kiertävät toisiaan, eikä SN 2022jli ole tästä poikkeus. Merkillepantavaa tässä järjestelmässä on kuitenkin se, että seuralaistähti näyttää selvinneen kumppaninsa räjähdyksestä. Nämä kaksi kohdetta, eli kompakti jäänne ja seuralastähti, todennäköisesti yhä kiertävät toisiaan.

Mooren ryhmän keräämä havaintoaineisto, johon sisältyi Chilen Atacaman autiomaassa ESO:n NTT:llä tehtyjä havaintoja, ei mahdollistanut tarkkaa selvitystä siitä, miten kohteiden välinen vuorovaikutus aiheuttaa valokäyrän nousut ja laskut. Chenin ryhmä oli kuitenkin tehnyt lisähavaintoja. He havaitsivat järjestelmän kirkkaudessa samoja säännöllisiä vaihteluita kuin Mooren ryhmä oli havainnut, ja he havaitsivat kohteessa myös vetykaasun jaksollista liikettä ja gammasädepurkauksia. Chenin ryhmän havainnot olivat mahdollisia, koska he käyttivät maassa ja avaruudessa sijaitsevia instrumentteja, joihin myös Chilessä ESO:n VLT:ssä oleva X-shooter kuului.

Kun kaikki tieto yhdistetään, nämä kaksi ryhmää ovat yleisesti ottaen yhtä mieltä siitä, että kun seuralaistähti vuorovaikutti supernovaräjähdyksen aikana irronneen materian kanssa, sen vetypitoisesta ilmakehästä tuli tavallista suurempi. Kun räjähdyksen jälkeen jäljelle jäänyt kompakti kohde kiersi kiertoradallaan seuralaisensa kaasukehän läpi, se varasti vetykaasua kumppaniltaan muodostaen ympärilleen kuuman ainekiekon. Tämä jaksollinen aineen kerääminen tuotti paljon energiaa, joka havainnoissa näkyi säännöllisinä kirkkauden muutoksina.

Vaikka tutkimusryhmät eivät kyenneet havaitsemaan kompaktista kohteesta tulevaa valoa suoraan, he päättelivät, että tämä energiaa tuottava aineen varastaminen voi johtua vain näkymättömästä neutronitähdestä tai mahdollisesti mustasta aukosta, joka imee ainetta seuralaistähden laajentuneesta ilmakehästä. "Tutkimuksemme on kuin palapelin ratkaisemista, missä kaikki mahdolliset todisteet kerätään yhteen", Chen sanoi. "Huomioimalla nämä kaikki palaset saadaan totuus selville".

Vaikka mustan aukon tai neutronitähden läsnäolo on nyt vahvistettu, tässä arvoituksellisessa kohteessa on vielä paljon tutkittavaa. Kompaktin kohteen tarkkaa luonnetta ei tunneta, eikä tiedetä mikä tämän kohteen kehityksen lopputulos voisi olla. Seuraavan sukupolven teleskoopit, kuten ESO:n Extremely Large Telescope, eli ELT-kaukoputki on tässä tärkeässä roolissa ja sen avulla tähtitieteilijät voivat paljastaa tästä ainutlaatuisesta järjestelmästä ennennäkemättömiä yksityiskohtia. ELT:n on tarkoitus aloittaa toimintansa myöhemmin tämän vuosikymmenen aikana.

--

Tässä esitelty tutkimus on julkaistu kahdessa erillisessä artikkelissa. P. Chenin johtaman tutkimusryhmä on julkaissut artikkelin nimeltään: “A 12.4 day periodicity in a close binary system after a supernova” Nature (doi: 10.1038/s41586-023-06787-x) julkaisusarjassa.

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).

 

Supermassiivinen musta aukko riipi tähden

Viime helmikuussa Palomarin observatoriossa (Kalifornia) havaittiin mustan aukon säteilymäärän kasvaneen ja samalta alueelta havaittiin energistä röntgensäteilyä. Havaintojen ryhdyttiin myös muissa observatorioissa ja lopputuloksena todettiin havaintojen johtuneen siitä, että supermassiivinen musta aukko oli onnistunut riipimään tähden. Tapahtuma sai tunnuksekseen AT2022cmc.

Taiteilijan näkemys mustasta aukosta sen kaapatessa tähden tai osan siitä. Kuva Nasa's Goddard Space Flight Center.

Vaikka nämä vuorovesihäiriötapahtumat (a tidal disruption event, TDE) eivät aivan ennen havaitsemattomia olekaan, niin ne eivät ole kovinkaan yleisiä. Toistaiseksi niitä on havaittu kaikkiaan 125 tapahtumaa.

Poikkeuksellisen tästä tekee se, että tapahtuman etäisyydeksi määriteltiin noin 12,5 miljardia valovuotta (punasiirtymä Z=1,193). Etäisyys on niin suuri, että normaalisti tältä etäisyydeltä näitä tapahtumia ei havaita. Tässä tapauksessa havainnot onnistuivat havaintogeometrian vuoksi.

Mustan aukon kaapatessa tähden tai osan siitä, aine ennen mustaan aukkoon joutumistaan muodostaa kertymäkiekon musta aukon ympärille. Kertymäkiekossa aineen tiheys ja lämpötila kasvavat, kiekolle muodostuu voimakas magneettikenttä ja osa kiekon ionisoituneesta materiasta sinkoutuu järjestelmästä pois kiekon pyörimisakselin suunnassa relativistisella nopeudella (lähes valonnopeudella) hyvin kapeana suihkuna (super-Eddington -suihku). Tämä ilmiö on myös syynä siihen, miksi pystyimme havaitsemaan tapahtuman: katselemme sitä juuri suihkun suunasta.

Suihku joutuu kosketuksiin avaruudessa olevan aineen kanssa ja törmäyksessä syntyy synkrotronisäteilyä, joka ilmenee voimakkaana ja kapeakeilaisena (Ø < 1°) radiosäteilynä hyvin laajalla aallonpituusalueella (röntgensäteilystä radioaaltoihin asti). Osa röntgensäteilystä käänteisen Comptonin sironnan^[1] vuoksi leviää joka suuntaan.

Laskelmissaan tutkijat päätyivät tulokseen, jonka mukaan supermassiivisen mustan aukon massa ei kuitenkaan ollut kovin suuri, enintään samaa suuruusluokkaa kuin mitä nykyinen Linnunradan keskustassa oleva musta aukko (noin 4,5 miljoonaa auringonmassaa). Sen sijaan musta aukko näyttää pyörivän hyvin nopeasti.

 

Huomautukset

[1] Käänteisessä Comptonin sironnassa energia siirtyy (relativistisiltä) elektroneilta pienienergiselle fotonille. Siirtymässä fotoninen energia ja taajuus lisääntyy; syntyy röntgesäteilyä.

[2] Tutkimus tulkaistiin Nature Astronomy tiedejulkaisussa (maksullinen):

Pasham, DR, Lucchini, M., Laskar, T. et ai. Relativistisen suihkukoneen synty kosmologisen mustan aukon aiheuttaman tähden hajoamisen jälkeen. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01820-x.

Sama paperi on julkaistu myös pdf-formaatissa

https://www.nature.com/articles/s41550-022-01820-x.epdf?sharing_token=tflRYRuwKiPNFPZ4hXQ2TtRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0MNYozI0D8Eajp5gnFDd1dhQFze2DV2wrYMALVJnlhdiu8_rXr-GWEK3ZTLRvYkX6Y7WIE4rahuN8tpGKcaw0IoFud5muh1nXXifILnvP8hfdZbxQY07aLDxKlN9OxZ2kCxyF1C6GoOTJ6jm9Ej4hwWo7qsrw8w77AVAw8zc1FglyOAoGP0JHvX9JNf7ITYsAQ%3D&tracking_referrer=www.newscientist.com

 

Massiivinen musta aukko löytyi läheltä

Kaksi tutkimusryhmää on tehnyt mustasta aukosta käyttämällä mm. Gaia DR3 tietoja tutkimuksissaan. Löydetyllä mustalla aukolla on binäärinen kumppani, joka on Aurinkoa hieman pienempi tavallinen tähti. Tavallisesti tällaiset kaksoisjärjestelmät ovat hyvin tiiviittä, mutta tällä kertaa tavallinen tähti kiertää mustaa aukkoa kerran noin 185,4 vuorokaudessa, joka vastaa etäisyyttä 1,49 au.

Hiusristikko merkitsee äskettäin löydetyn hirviön mustan aukon sijaintia. Sloan Digital Sky Survey / S. Chakrabart et al.

Johtuen kumppanitähden suurehkosta etäisyydestä, tällä mustalla aukolla ei näytä olevan kertymäkiekkoa ympärillään. Tästä syystä se on erittäin vaikea havaita ja ainoat viitteet sen olemassaolosta on kumppanitähden huojunta ja satunnaiset röntgensäteilyn havainnot.

Gaian havaitsema tähti on saanut tunnuksen DR3 4373465352415301632 ja se sijaitsee Käärmeenkantajan tähdistössä 1 545 valovuoden etäisyydellä. Näkyvän tähden massa on noin 0,91 M_Sun, säde 1,00 R_Sun, luminositeetti 1,18 L_Sun ja efektiivinen lämpötila 5972 ± 100 K. Mustan aukon massaksi tutkijat laskevat noin 11,9 M_Sun. Tämän tutkimuksen teki tohtori Sukanya Chakrabarti’n (Department of Physics and Astronomy, University of Alabama, Huntsville) johtama tutkimusryhmäs ja se löytyy arxiv.org nettisivustolta.

Toinen tutkimusryhmä johtajanaan Kareem El-Badry (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)) ovat päätyneet hieman erilaisiin tuloksiin. Tähden etäisyydeksi ilmoitetaan 1 564 valovuotta ja mustan aukon massaksi he ovat laskeneet 9,8 M_Sun. Erisuuruinen massa voi selittyä tutkimusmenetelmien eroilla, sillä muutoin tutkimukset ovat yhteneväisiä virherajojen puitteissa. Jälkimmäinen ryhmä nimesi kohteen Gaia BH1:ksi. Tämä tutkimusraportti löytyy tästä.

Yli kymmenen auringonmassaisen mustan aukon syntyminen kaksoistähtiparista ei ole vielä kovin tarkasti selvillä. Musta aukon massa on niin suuri, että se voi syntyä vain hyvin massiivisen (15–50 M_Sun) tähden ytimen luhistuessa. Ennen luhistumista massiivisesta tähdestä tulee superjättiläinen, jonka ulkopinta on täytynyt olla paljon kauempana (> 400 au) kuin mitä nykyinen Auringon kaltainen G-luokan tähti sijaitsee. Toisin sanoen nyt tavallisena tähtenä näkyvä kappale on joutunut superjättiläisen sisään, jossa olosuhteet ovat sellaiset, että tähti tuskin on selvinnyt riittävän pitkään ennen massiivisemman tähden luhistumista mustaksi aukoksi. Tutkijat ajattelevatkin, että selitys saattaa olla siinä, että tähtijärjestelmä on ollut kolmoistähtijärjestelmä. Tällöin kolmas tähti on joutunut mustaan aukkoon kasvattaen sen massaa ja alkuperäinen luhistuva tähti on ollut merkittävästi vähemmän massiivinen kuin miltä se nykyisin näyttää. 

Kosmologi sai tiedonjulkistamispalkinnon

Tommi Tenkanen.

Tiedonjulkistamisen valtionpalkinto Opetus- ja kulttuuriministeriö myöntää vuosittain
tiedonjulkistamisen valtionpalkinnot tiedonjulkistamisen neuvottelukunnan esityksestä. Yksi palkituista on Tommi Tenkanen, joka on osallistunut laajalti yhteiskunnalliseen vuorovaikutukseen eri kanavissa ja kirjoittanut Ursalle kaksi yleistajuista kirjaa teoreettisen fysiikan aiheista.

Tommi Tenkanen, teoreettisen fysiikan dosentti ja kosmologian tutkija, ehti opiskeluaikanaan muun muassa vetää Ursan nuortenkerhoja. Sittemmin hänestä on tullut myös Ursan kirjailija, joka on ehtinyt kirjoittaa alastaan jo kaksi yleistajuista teosta: Pimeän aineen arvoitus (2019) ja Matka mustaan aukkoon. Alkuräjähdyksestä kaiken teoriaan (2021).

"Olen valtavan otettu siitä, että kirjani ja muu tiedonjulkistamisen työni on koettu merkitykselliseksi ja kansalaisten tietämystä lisääväksi", Tenkanen kertoo. "Tieteen kansantajuistaminen on aina ollut minulle läheinen asia ja olen tehnyt sitä aktiivisesti jo opiskeluajoistani lähtien, pienten lasten tähtitiedekerhosta suuriin luentosaleihin ja opiskelijatapahtumista televisioon. Koen, että valtionpalkinto antaa tunnustuksen tästä koko matkasta."

Miksi Tenkanen haluaa tehdä kansantajuistamista? "Maailmankaikkeus on niin mielenkiintoinen!" hän kuvailee. "Olen kiinnostunut lähes kaikesta ja haluan jakaa tähän liittyvää innostusta ja löytämisen iloa muillekin." Tutkijataustansa johdosta Tenkanen kokee myös oleelliseksi kertoa, mitä emme vielä tiedä ja miten tiede etenee, eli miten ihmiskunnan tieto todellisuudesta karttuu.

Tenkanen suunnittelee kirjoittavansa tulevaisuudessa lisää tietokirjoja, aiempaa laaja-alaisemmista aiheista. "Maailmankaikkeus ja sen lainalaisuudet pysyvät kiehtovina mutta samoina, kun taas luonto, teknologia ja yhteiskunta ympärillämme muuttuvat kiihtyvällä tahdilla", Tenkanen kuvailee. "Minulla on suunnitelmissa kirjoittaa siitä, mitä nämä muutokset tarkoittavat, mitä mahdollisuuksia uudet teknologiat meille tarjoavat ja kuinka hyödynnämme niitä koko ihmiskunnan ja biosfäärin parhaaksi."

Opetusministeriön myöntämän palkinnon perusteissa Tenkasen työtä kuvaillaan näin:

"Teoreettisen fysiikan dosentti, kosmologian tutkija Tommi Tenkanen on kansainvälisesti arvostetun tieteellisen tutkimustyönsä ja tiedehallinnollisten tehtäviensä ohella osallistunut laajasti yhteiskunnalliseen vuorovaikutukseen monilla eri keskustelufoorumeilla.

Tenkanen on tutkimuksessaan ollut erityisen kiinnostunut fysiikan alan merkittävimpiin arvoituksiin liittyvästä teemasta, näkymättömiin jäävästä pimeästä aineesta. Tämän lisäksi hän on kiinnostunut mustista aukoista ja painovoimasta. Nämä kaikki ovat aiheita, jotka kiinnostavat suurta yleisöä. Samalla ne ovat aiheita, joiden yleistajuistaminen vaatii vankkaa osaamista.

Tommi Tenkanen avaa ansiokkaasti tätä niin kutsuttua kovaa luonnontieteellistä tutkimusta lähestyttävästi ja ymmärrettävästi.

Tenkanen on aktiivisen ja monipuolisen tiedon sekä tutkimuksen popularisointityönsä ohella kirjoittanut suomeksi kaksi suurelle yleisölle suunnattua teosta (Pimeän aineen arvoitus, Ursa 2019 ja Matka mustaan aukkoon. Alkuräjähdyksestä kaiken teoriaan, Ursa 2021).

Hän on näin kirjoituksissaan ja puheenvuoroissaan tehnyt ymmärrettäväksi ja selittänyt kiinnostavasti tieteenalaansa vihkiytymättömille erilaisia maailmankaikkeuden perimmäisiä ongelmia."

 

 

Suuresta Magellanin pilvestä löytyi lepotilassa olevan musta aukko

eso2210fi — Tutkimustiedote 18. heinäkuuta 2022, Turku

Kansainvälinen asiantuntijoiden ryhmä, joka on useasti kritisoinut raportoituja mustien aukkojen löytöjä, on nyt löytänyt tähtien massaisen mustan aukon naapurigalaksi Suuresta Magellanin pilvestä. ”Ensimmäistä kertaa tiimimme raportoi mustan aukon löydöstä sen sijaan, että hylkäisi sellaisen”, tutkimuksen johtaja Tomer Shenar sanoi. Lisäksi he havaitsivat, että mustan aukon synnyttänyt tähti katosi ilman merkkejä voimakkaasta räjähdyksestä. Löytö tehtiin Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopilla (ESO:n Very Large Telescope) kuuden vuoden aikana tehtyjen havaintojen avulla.

Tämän taiteilijan näkemys kuvaa, miltä kaksoistähtijärjestelmä VFTS 243 voisi näyttää, jos tarkkailisimme sitä läheltä. Järjestelmä, joka sijaitsee Tarantula-sumussa Suuressa Magellanin pilvessä, koostuu kuumasta, sinisestä tähdestä, jonka massa on 25 Auringon massaa, ja mustasta aukosta, jonka massa on vähintään yhdeksänkertainen Aurinkoon verrattuna. Kaksoistähtikomponenttien koot eivät ole mittakaavassa. Todellisuudessa sininen tähti on noin 200 000 kertaa mustaa aukkoa suurempi. Kuva ESO/L. Calçada.

"Tunnistimme 'neulan heinäsuovassa'”, sanoi Shenar, joka aloitti tutkimuksen KU Leuvenissa Belgiassa ^[1] ja on nyt Marie-Curie -tutkijana Amsterdamin yliopistossa Alankomaissa. Vaikka muita vastaavia musta aukko kandidaatteja onkin ehdotettu, tutkimusryhmä sanoo, että tämä on ensimmäinen ”lepotilassa oleva” tähtien massainen musta aukko, joka on yksiselitteisesti havaittu galaksimme ulkopuolelta.

Tähtien massaisia mustia aukkoja muodostuu, kun massiiviset tähdet saavuttavat kehityskaarensa lopun ja romahtavat oman gravitaation vaikutuksesta. Kaksoistähdissä, jotka kiertävät toistensa ympäri, prosessin seurauksena jäljelle jää musta aukko, jota seuralaistähti kiertää. Musta aukko on ”lepotilassa”, jos se ei juurikaan emittoi röntgensäteilyä, josta tällaiset mustat aukot tyypillisesti havaitaan. ”On uskomatonta, että tuskin tunnemme yhtään lepotilassa olevaa mustaa aukkoa, kun otetaan huomioon, kuinka yleisiä tähtitieteilijät uskovat niiden olevan”, yksi artikkelin kirjoittajista Pablo Marchant KU Leuvenista, sanoi. Juuri löydetty musta aukko on vähintään yhdeksän kertaa Auringon massainen, ja kiertää kuumaa, sinistä tähteä, joka painaa 25 kertaa Auringon massan verran.

Lepotilassa olevia mustia aukkoja on erityisen vaikeita havaita, koska ne eivät ole juurikaan ympäristönsä kanssa vuorovaikutuksessa. ”Olemme etsineet yli kahden vuoden ajan tällaisia kaksoismusta-aukkojärjestelmiä”, yksi artikkelin kirjoittajista Julia Bodensteiner, Saksan ESO tutkija, sanoi. ”Olin erittäin innoissani, kun kuulin VFTS 243:sta, joka on mielestäni vakuuttavin tähän mennessä ilmoitetuista ehdokkaista”. ^[2]

VFTS 243:n löytämiseksi tutkimusryhmä tarkasteli lähes tuhatta massiivista tähteä Suuren Magellanin pilven Tarantula-sumun alueelta. He etsivät tähtiä, joilla voisi olla mustia aukkoja kumppaneinaan. Näiden kumppaneiden tunnistaminen mustiksi aukoiksi on erittäin vaikeaa, koska on olemassa niin monia eri vaihtoehtoja.

Tämä on 30 Doradus tähtienmuodostusalueen yhdistelmäkuva, joka tunnetaan myös nimellä Tarantula-sumu. Taustakuva on otettu infrapunassa ja myös se itsessään on yhdistelmäkuva. Se otettiin ESO:n VLT-teleskoopin (VLT) HAWK-I-instrumentilla ja Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy, eli VISTA-teleskoopilla. Siinä näkyy kirkkaita tähtiä ja heikkoja pinkin värisiä kuuman kaasun pilviä. Kuvaan lisätyt ja siinä näkyvät kirkkaan punakeltaiset raidat ovat peräisin ALMA:n (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) radiohavainnoista, jotka paljastavat kylmän ja tiheän kaasun alueita. Nämä voivat myöhemmin romahtaa ja muodostaa tähtiä. Kaasupilvien ainutlaatuinen verkkomainen rakenne on saanut tähtitieteilijät niemämään sumun hämähäkkilajin mukaan. Kuva ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Wong et al., ESO/M.-R. Cioni/VISTA Magellanic Cloud survey. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit.

”Tutkijana, joka on viime vuosina ollut kriittinen useita musta aukko löytöjä kohtaan, olin erittäin skeptinen tämän löydön suhteen”, Shenar sanoi. Myös toinen tutkija epäili löytöä. Hän oli Kareem El-Badry Harvard & Smithsonian astrofysiikan keskuksesta Yhdysvalloista ja yksi tutkimuksen tekijöistä, ja jota Shenar kutsuu ”mustan aukon hävittäjäksi”. ”Kun Tomer pyysi minua tarkistamaan havaintonsa uudelleen, minulla oli sen suhteen epäilyksiä. Mutta en löytänyt uskottavaa selitystä, joihin musta aukko ei olisi liittynyt”, El-Badry selitti.

Löytö antaa tutkimusryhmälle myös ainutlaatuisen näkymän mustien aukkojen muodostumiseen liittyviin prosesseihin. Tähtitieteilijät uskovat, että tähtien massainen musta aukko muodostuu kuolevan massiivisen tähden ytimen romahtaessa, mutta on edelleen epävarmaa, liittyykö tähän voimakas supernovaräjähdys vai ei.

”Tähti, joka on muodostanut VFTS 243:n mustan aukon, näyttää romahtaneen kokonaan, eikä siinä ole merkkejä aiemmasta räjähdyksestä”, Shenar kertoi. ”Todisteita tästä 'suoran romahduksen' skenaariosta on tullut viime aikoina esille, mutta tutkimuksemme tarjoaa epäilemättä yhden suorimmista viitteistä tähän suuntaan. Tällä on valtavia vaikutuksia mustien aukkojen yhdistymisten alkuperään maailmankaikkeudessa”.

VFTS 243:n musta aukko löydettiin havaitsemalla Tarantula-sumua kuuden vuoden aikana ESO:n VLT:n Fibre Large Array Multi Element Spectrograph, eli FLAMES-instrumentilla ^[3].

Lempinimestään ”mustan aukon poliisi” huolimatta tutkimusryhmä haluaa rohkaista muita kriittiseen tarkasteluun. He toivovat, että heidän tänään Nature Astronomy -lehdessä julkaistu työnsä edesauttaa muiden massiivisia tähtiä kiertävien tähtien massaisten mustien aukkojen löytämisessä, joita ennustetaan olevan Linnunradassa ja Magellanin pilvissä tuhansia.

”Tietenkin odotan, että muut tutkijat tarkastelisivat analyysimme huolellisesti läpi ja yrittävät kehittää vaihtoehtoisia malleja”, El-Badry totesi. ”Tämä on erittäin jännittävä projekti olla mukana.”

Huomautukset

[1] Työ tehtiin Hugues Sanan johtamassa tutkimusryhmässä, KU Leuvenin tähtitieteen instituutissa. 

[2] Erillisessä Laurent Mahyn johtamassa tutkimuksessa, johon osallistui monia samoja tiimin jäseniä, ja joka on hyväksytty julkaistavaksi Astronomy & Astrophysics -lehdessä, ilmoitettiin toisesta lupaavasta tähtien massaisesta musta aukko kandidaatista omassa Linnunrata galaksissamme HD 130298 -järjestelmässä.

[3] Tutkimuksessa tehdyt havainnot on tehty noin kuuden vuoden aikana. Ne koostuvat VLT FLAMES Tarantula Survey -tutkimuksesta (jota johtaa Chris Evans, United Kingdom Astronomy Technology Centre, STFC, Royal Observatory, Edinburgh; nyt Euroopan avaruusjärjestössä) vuosina 2008 ja 2009 tehdyistä havainnoista, sekä Tarantula Massive Binary Monitoring -ohjelmassa (johtajana Hugues Sana, KU Leuven) vuosina 2012-2014 tehdyistä lisähavainnoista.