ESO:n teleskoopit ovat auttaneet pulsarin arvoituksen selvittämisessä

eso2315fi — Tutkimustiedote 30. elokuuta 2023, Turku

Tähtitieteilijät ovat paljastaneet pulsarin oudon käyttäytymisen syyn laajan havaintokampanjan avulla, johon osallistui 12 teleskooppia. Mukana oli sekä maassa että avaruudessa sijaitsevia havaintolaitteita, mukaan lukien kolme Euroopan eteläisen observatorion (ESO) yksikköä. Tämän salaperäisen kohteen kahden kirkkaustilan tiedetään vaihtuvan lähes jatkuvasti, minkä syy on tähän asti ollut arvoitus. Tähtitieteilijät ovat nyt havainneet, että hyvin lyhyiden jaksojen aikana pulsarista sinkoutuu purkausten aikana äkillisesti materiaa, mikä on näiden outojen muutosten syy.

Taiteilijan näkemys pursarista. Katso myös video, joka selväntää tapahtumia. Kuva ESO/M. Kornmesser.

"Olemme todistaneet poikkeuksellisia kosmisia tapahtumia, joissa valtavat määrät ainetta ammutaan avaruuteen kosmisten tykinkuulien tavoin sekunnin kymmenesosien aikaskaalassa pienestä, tiheästä taivaankappaleesta, joka pyörii uskomattoman suurilla nopeuksilla", sanoi Maria Cristina Baglio, New Yorkin yliopiston Abu Dhabin tutkija, joka on Italian kansallisesta astrofysiikan instituuttista (INAF), ja tänään Astronomy & Astrophysics -lehdessä julkaistun artikkelin pääkirjoittaja.

Pulsari on nopeasti pyörivä, voimakasmagneettinen tähti, joka lähettää sähkömagneettista säteilyä keilamaisesti avaruuteen. Pyöriessään tämä sädekeila pyyhkäisee maailmankaikkeuden poikki muistuttaen ympäristöään skannaavaa majakkaa. Tähtitieteilijät havaitsevat kohdetta säteilykeilan leikatessa Maan näkösuunnan. Tämä saa meistä katsottuna tähden näyttämään kirkkaalta pulssilta.

PSR J1023+0038, tai lyhyesti J1023, on erityinen pulsarityyppi, joka käyttäytyy oudosti. Se sijaitsee noin 4 500 valovuoden päässä Sekstantin tähdistössä ja kiertää lähellä toista tähteä. Tämän vuosikymmenen aikana pulsari on aktiivisesti irrottanut kumppanistaan materiaa, joka kerääntyy pulsarin ympärillä olevaan kiekkoon ja putoaa hitaasti sitä kohti.  

Materian kertymisen alettua sädekeila käytännöllisesti katsoen katosi ja pulsari alkoi jatkuvasti vaihtaa tilaansa kahden eri tilan välillä. "Korkeassa" tilassa pulsari lähettää voimakasta röntgensäteilyä, ultraviolettisäteilyä ja näkyvää valoa, kun taas "matalassa" tilassa se himmenee näillä taajuuksilla ja emittoi enemmän radioaaltoja. Pulsari voi pysyä kussakin tilassa useita sekunteja tai minuutteja, minkä jälkeen se vaihtaa toiseen tilaan vain muutamassa sekunnissa. Tämä tilan vaihtumisen syy on ollut tähtitieteilijöille arvoitus. 

"Tämän pulsarin käyttäytymisen ymmärtämiseksi tehty ennennäkemätön havainnointikampanjamme sisälsi kymmenkunta huippuluokan maanpäällistä ja avaruudessa olevaa teleskooppia", sanoi Francesco Coti Zelati, tutkija avaruustieteiden instituutissa Barcelonassa, Espanjassa, ja artikkelin toinen pääkirjoittaja.

Havaintokampanjaan kuuluivat ESO:n VLT-teleskooppi (Very Large Telescope) ja ESO:n NTT-teleskooppi (New Technology Telescope), jotka havaitsivat näkyvää ja lähi-infrapuna-alueen valoa, sekä Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), jossa ESO on mukana kumppanina. Kahden yön aikana kesäkuussa 2021 tehdyissä havainnoissa he huomasivat kohteen tekevän yli 280 vaihdosta korkean ja matalan tilan välillä.

"Olemme havainneet, että tilan vaihtuminen johtuu monimutkaisesta vuorovaikutuksesta pulsarituulen, eli suurienergisten pulsarista poispäin liikkuvien hiukkasten virtauksesta, ja pulsaria kohti virtaavan materian välillä", sanoi Coti Zelati, joka on myös INAF:ista.

Matalassa tilassa pulsaria kohti virtaava materia karkaa kapeana suihkuna kohtisuoraan suuntaan kiekkoon nähden. Vähitellen materiaa kasaantuu lähemmäs ja lähemmäs pulsaria ja tämän tapahtuessa pulsarista ulospäin puhaltava tuuli osuu siihen, jolloin materia kuumenee. Pulsari on silloin korkeassa tilassa lähettäen voimasta röntgensäteilyä, ultraviolettisäteilyä ja näkyvää valoa. Lopulta pulsari poistaa kuuman aineen kasaumat suihkuna. Kun kiekossa on vähemmän kuumaa materiaa, pulsari ei ole enää niin kirkas ja tila vaihtuu takaisin matalaan tilaan.

Vaikka tämä löytö on selvittänyt J1023:n oudon käyttäytymisen arvoituksen, tähtitieteilijöillä on vielä paljon opittavaa tästä ainutlaatuisesta kohteesta. ESO:n teleskoopit ovat edelleen tähtitieteilijöiden apuna tämän erikoisen pulsarin havainnoissa. Erityisesti Chilessä rakenteilla oleva ESO:n ELT-teleskooppi (Extremely Large Telescope) tulee mahdollistamaan upean näkymän J1023:n tilan kytkentämekanismeihin. "Pystymme ELT:n avulla saamaan keskeistä tietoa siitä, miten pulsarin ympärille virtaavan materian määrä, jakautuminen, dynamiikka ja energia vaikuttavat tilan vaihtumisen tapaan" kertoi Sergio Campana lopuksi. Hän on INAF Breran observatorion tutkimusjohtaja ja yksi tutkimuksen kirjoittajista.

Lisätietoa

Tässä esitelty tutkimus julkaistaan Astronomy & Astrophysics (doi:10.1051/0004-6361/202346418) lehdessä.

Jalokaasuyhdiste Rapu-sumussa

Rapusumu infrapunaisella aallonpituudella.
Kuva ESA/Herschel/PACS/MESS
Key Programme Supernova Remnant
Team; NASA, ESA and Allison Loll/
Jeff Hester (Arizona State University)

Kuten tunnettua, jalokaasut[1] ovat hyvin inertisiä[2], ne eivät muodosta maanpinnalla vallitsevissa olosuhteissa kemiallisia yhdisteitä muiden alkuaineiden kanssa kovinkaan helposti. Niinpä tutkijat, johtajanaan Michael J. Barlow (University College London), olivat hieman hämmästyneitä, kun he havaitsivat Rapusumussa[3] outoja spektriviivoja, joiden todettiin kuuluvan argonin ja vedyn muodostamalle ionisoituneelle yhdisteelle argonhydriitille(ArH⁺).

Yhdiste syntyy, kun argo-ioni (Ar⁺) kohtaa molekyylisen vedyn (H₂). Vaikeus on siinä, että tavallisesti supernovan jäännöksissä kaasut ovat erillään toisistaan. Kaasujen ionisaatio tapahtuu alueilla joissa säteily on voimakkainta, kun taas molekyylistä kaasua esiintyy tiheissä ja kylmissä taskuissa. Rapusumusta kuitenkin löytyi alueita joissa esiintyy molempia kaasuja oikeassa olomuodossa ja yhdisteen syntyminen ja säilyminen oli mahdollista.

Löytö tehtiin tutkimusryhmän havaitessa sumun ytimen (pulsari[5]) ympärillä olevia kaasupilviä. Havainnot oli tehty Herschel-avaruusobservatoriolla. Argonhydriitin lähempi tarkastelu osoitti myös, että yhdisteen muodostanut isotooppi oli ³⁶Ar. Sinällään löytö ei ollut hämmentävä, sillä isotooppi 36 on maailmankaikkeuden mittakaavassa yleisin[4] argonin isotoopeista. Lisäksi se on yleisin argonin isotoopeista supernovan räjähdyksen aikaansaamassa alkuainesynteesissä. Rapusumun alkuperästä ei ole ollut epäselvyyttä, mutta ³⁶Ar-isotoopin löytyminen vahvisti sen.

Huomautukset

[1] Jalokaasuja ovat helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), radon (Ra) ja keinotekoisesti aikaansaatu ununoktium (Uuo). 

[2] Inertisyys johtuu atomien elektronikuorien kahdeksasta valenssielektronista, oktetista. Ainoan poikkeaman tähän tekee helium, jolla valenssielektroneja on vain 2. Jalokaasujen kemialliset yhdisteet edellyttävät kovalenttisia sidoksia, joissa yhdistyvät alkuaineet jakavat keskenään saatavilla olevat valenssielektronit.

[3] Rapusumu tunnetaan myös Messier-luottelon tunnuksella M1 ja supernovatunnuksella SN 1054. Se sijaitsee Härän tähdistössä noin 6300 valovuoden etäisyydellä. Rapusumu on supernovajäänne, jonka nähtiin purkautuvan vuonna 1054. Supernovan kerrotaan näkyneen jopa päivänvalossa, joten sen kirkkaus on täytynyt olla enemmän kuin –4,5^m ja korkeintaan –7^m.

[4] Maapallon ilmakehässä oleva argon on muodostunut argonin isotoopista 40 (⁴⁰Ar).

[5] Pulsari on neutronitähti, joka säteilee sähkömagneettista säteilyä gammasäteilystä radioaaltoihin keilanmuotoisena suihkuna. Tähden pyöriessä säteilykeila kohdistuu meidän suuntaamme kerran jokaisella kierroksella, jolloin havaitsemme säteilyn tulevan pulsseina; tästä pulsari-nimitys. Rapusumun pulsari pyörähtää itsensä ympäri 30,2 kertaa sekunnissa ja tähden massaksi on arvioitu noin 1,4–2 M_☉(Auringon massaa). Tähden halkaisija on noin 28–30 km.

Toistasataa projektia etsii eksoplaneettoja

Taiteilijan näkemys eksoplaneetasta
Kuva NASA/JPL.

Uutisia löydetyistä eksoplaneetoista voimme lukea lehdistä tai kuulla televisiosta lähes päivittäin. Eksoplaneettaoja onkin löydetty runsaasti, mutta silti kukaan ei osaa sanoa aivan tarkkaa lukumäärää. Tämä johtuu yleensä siitä, että useilla eksoplaneettaluetteloita ylläpitävillä organisaatioilla on hieman erilaiset kriteerit hyväksyessään löytöjä rekisteröidyiksi. Esimerkiksi Nasa on erittäin tiukka ja hyväksyy vain eksoplaneetat joista on julkaistu tieteellinen artikkeli jossakin ”oikeassa” tiedejulkaisussa. Nasan luettelossa onkin ”vain” 920 eksoplaneettaa.

Nasan vastapainoksi Exoplanet.eu verkkosivut tietävät kertoa, että eksoplaneettoja tunnetaan varmasti 1010 kappaletta. Sivuilta löytyy myös työkaluja eksoplaneettojen tai tähden ominaisuuksien perusteella katselemiseen luettelosta. Esimerkiksi massan perusteella kaikkien pienimassaisin eksoplaneetta on PSR 1257 12 b, jolle ilmoitetaan arvo (M × sin i)^[1] 7×10^–5 M_J ,siis kutakuinkin 0,02 maapallon massaa. Sattumalta tähti (millisekuntipulsari^[2]) on samalla myös kaikkien aikojen ensimmäinen, jonka kiertoradalta eksoplaneetta löydettiin 1990-luvun alussa.

Tavallisien tähtien kiertoradoilta pienin tällä hetkellä tunnettu planeetta on KOI-1843 b, jonka löydöstä ilmoitettiin tänä vuonna. Sen massa on noin 0,001 M_J eli kutakuinkin 1/3 maapallon massasta. Sen tiheys on suuri, joten se on käytännössä ohuen kivikuoren peittämä rautapallo. Tähti KOI-1843 on myös pieni, massaltaan vain 0,46 auringonmassainen.

Eksoplaneettojen massalle ei ole määritetty ylärajaa ja niinpä Eksoplanet.eu sivuston ylläpitämässä luettelossa on merkitty niinkin suuria massoja kuin 47 M_J. Tämän kokoluokan kohteet ovat kuitenkin määritelty ruskeiksi kääpiöiksi^[3], tähdiksi joissa ydinreaktiot eivät ole käynnistyneet.

Eksoplaneettojen etsintää tehdään hyvin monessa paikassa. Exoplanet-sivusto tietää kertoa, että meneillään on kaikkia 91 (jos laskin oikein) etsintäprojektia maanpäällisin laittein. Lisäksi on tai ainakin on ollut kaikkiaan kolmekymmentä avaruudessa olevien observatorioiden havaintoihin perustuvaa projektia.

Etsintäprojektien määrä tuntuu huikealta, mutta täytyy muistaa että projektit ovat yleensä vain pienten tutkimuslaitosten ja yliopistojen projekteja ja ne toimivat yleensä pienellä budjetilla. Ne ovat kuitenkin hyviä harjoitustöitä tuleville tutkijoille.  

Ehkä projektien ääripäinä voidaan pitää Nasan avaruuskaukoputkia ja toisena ääripäänä Amateur Exoplanet Archive^[4], joista jälkimmäinen on nimensä mukaisesti tähtiharrastajien projekti. Löytyypä sivuilta myös suomalaisen harrastajan Veli-Pekka Hentusen^[5] kolmekymmentä havaintoa kuluneen vuoden aikana.

Tähtiharrastajat voivat olla aivan oikeasti tutkijoiden apuna tasavertaisessa tai jopa ylivoimaisessa asemassa, sillä harrastajia ei rajoita havaintoajan puute (ehkä Suomea lukuun ottamatta). Taitava havaitsija voikin antaa taitonsa ja laitteistonsa erilaisten projektien käyttöön.

Huomautukset

[1] Usein eksoplaneettojen ratakulma suhteessa näkösäteeseemme jää tuntemattomaksi johtuen siitä, että eksoplaneetta on havaittavissa vain yhdellä menetelmällä. Tästä seuraa, että käytetystä havaintomenetelmästä riippuen, voimme määrittää vain planeetan suurimman tai pienimmän massan.  Tällöin puutteellinen tieto massa-arviossa ilmaistaan merkitsemällä massan yhteyteen laskentakaava (M × sin i), joka siis kertoo että ilmoitettu massa on arvion yläraja. Kaavassa i-kirjain merkitsee radan kaltevuutta (inklinaatiota) näkösäteemme suhteen.

[2] Millisekuntipulsari on nopeasti pyörivä neutronitähti, jonka magneettiselta navalta lähtöisin oleva hiukkassuihkun emittoima radiosäteily havaitaan nopeina, millisekuntien luokaan olevina pulsseina. Jokainen pulssi vastaa yhtä pyörähdystä, joten pulsari pyörii itsensä ympäri satoja kertoja sekunnissa.

[3] Ruskeiksi kääpiöiksi on määritelty massaltaan 13–80 M_J tähdet. Aivan massiivisimpia lukuun ottamatta tähtien säteilemä infrapunainen valo on peräisin tähden luhistumisesta. 80 M_J massaisten ruskeiden kääpiöiden on ajateltu pystyvän käynnistämään ydinfuusion, jossa raskas vety, deuterium (D), fuusioituu heliumiksi. Deuteriumia ei kuitenkaan ole paljoa joten fuusio ja energiantuotanto lakkaavat jonkin ajan kuluttua.

 [4] http://brucegary.net/AXA/x.htm

[5] http://www.taurushill.net/

Einsteinin suhteellisuusteoria edelleen paikkakansa pitävä

Taitilijan näkemys
toisiaan kiertävästä
pulsarista ja valkoisesta
kääpiöstä. Kuva NRAO.

Albert Einsteinin vuonna 1915 julkaisema yleinen suhteellisuusteoria on edelleen käyttökelpoinen työkalu, vaikka jotkin sen osat eivät olekaan aivan samassa linjassa hieman myöhemmin syntyneen kvanttiteorian kanssa. 

Lisäksi on olemassa kilpailevia gravitaatioteorioita, joista jotkut tutkijat odottavat tarkempia tuloksia kuin yleinen suhteellisuusteoria antaa. Niinpä tiedeyhteisössä onkin muodostunut tapa kilpailevien gravitaatioteorioiden vertaileminen nimenomaan Yleisen suhteellisuusteorian kanssa. Toistaiseksi Einsteinin teoria, vaikka ei olekaan kvanttiteoria, on pitänyt hyvin paikkansa kovassa kilpailussa.

Ehkä kaikkein vaativin Yleisen suhteellisuusteorian testi on toisiaan kiertävien suurimassaisten kohteiden radan säteen lyheneminen ja kiertonopeuden kasvaminen. Yleinen suhteellisuusteorian mukaan tällainen järjestelmä menettää energiaansa nimenomaan gravitaatioaaltoina.

Yhdysvaltalainen National Radio Astronomy Observatoryn (NRAO) tutkijat ovat testanneet Yleisen suhteellisuusteorian toimivuutta. Heidän kohteenaan oli noin 7 000 valovuoden etäisyydellä oleva pulsari PSR J0348 +0432, jolla on massaa noin kahden auringonmassan verran. Sen kumppanina on tavallinen valkoinen kääpiö. Kohde löydettiin Green Bank teleskoopilla, ja sitä on tutkittu sen jälkeen näkyvän valon aallonpituudella Uudessa Meksikossa olevalla Apache Point -teleskoopilla, ESOn VLT -teleskoopilla, William Herchel -teleskoopilla La Palmalta (Kanariansaaret). Lisäksi havaintoja tehtiin Arecibon radioteleskoopilla Puerto Ricosta ja Effelberg kaukoputkella Saksasta.

Tähtiparin kiertoaika pystytään määrittämään hyvin tarkasti havaitsemalla pulsarin emittoimia radiopulsseja ja niissä tapahtuvia äärimmäisen vähäisiä muutoksia. Ratamuutosten havaitseminen vaatii lisäksi myös pitkäaikaisia havaintosarjoja. Tarkkuusvaatimus on erityisen suuri ja tutkijat arvelivat, että suhteellisuusteoria ei ehkä anna riittävän tarkkoja tuloksia ja ehkä jokin kilpailevista teorioista selviytyisi paremmin. Toisin kävi; suhteellisuusteorian antamat tulokset ovat parempia kuin kilpailevien teorioiden.

Tulos on hyvä myös siinä mielessä, että gravitaatioaaltojen tutkijat pyrkivät ennakoimaan mahdollisesti tulevaisuudessa havaittavien gravitaatioaaltojen ominaisuuksia. Suhteellisuusteorian pitäessä tässäkin suhteessa paikkansa, tutkijat voivat turvautua siihen suunnitellessaan uusia gravitaatioaalto-observatorioita, kuten he ovat tehneet tähän asti ja tehty työ on edelleen käyttökelpoista materiaalia.