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

 

Hubble havaitsi kaukaisimman tunnetun tähden

ESO Tiedejulkaisu 30. maaliskuuta 2022

NASA/ESA:n Hubble-avaruusteleskooppi on luonut poikkeuksellisen uuden vertailukohdan: se on havainnut ensimmäisen miljardin vuoden aikana maailmankaikkeuden syntymän jälkeen universumin alkuräjähdyksessä olemassa olleen tähden valoa – kaukaisimman koskaan nähdyn yksittäisen tähden valoa.

Havainto on valtava harppaus ajassa taaksepäin verrattuna edelliseen yhden tähden ennätykseen, jonka Hubble havaitsi vuonna 2018. Tuo tähti oli olemassa, kun maailmankaikkeus oli noin 4 miljardia vuotta vanha, eli 30 prosenttia nykyisestä iästä. Tähden punasiirtymä on 1,5.

Toistaiseksi kaukaisin havaittu tähti on merkitty kuvaan nuolella. Sen kuva on vahvistunut ja suurentunut gravitaatiolinssin vaikutuksesta siten, että se on tullut Hubblella havaittavaksi. Ilman gravitaatiolinssiä emme näkisi hyvin varhaisesta maailmankaikkeudesta mitään. Hubble ei pysty havaitsemaan hyvin voimakkaasti punasiirtynyttä tähden valoa kovinkaan tehokkaasti. Sen sijaan kesällä toimintansa aloittava James Webb avaruusteleskooppi pystyy tekemään tästäkin kohteesta hyvin monipuolisia havaintoa. Kuva NASA, ESA, B. Welch (JHU), D. Coe (STScI), A. Pagan (STScI).  

 
Äskettäin havaittu tähti on niin kaukana, että sen valon saapuminen Maahan on kestänyt 12,9 miljardia vuotta. Valo lähti matkaan, kun maailmankaikkeus oli vain 7 prosenttia nykyisestä iästään ja tähden punasiirtymä on 6,2. Pienimmät ja himmeimmät kohteet, jotka aiemmin nähtiin näin suurelta etäisyydeltä, ovat olleet tähtijoukkoja varhaisissa galakseissa.

"Emme uskoneet sitä aluksi, se oli niin paljon kauempana kuin edellinen kaukaisin, suurimman punasiirtymän tähti ", sanoi tähtitieteilijä Brian Welch Johns Hopkins -yliopistosta Baltimoresta. Hän on löytöä kuvaavan Nature-tiedejulkaisussa julkaisun pääkirjoittaja. Löytö tehtiin tiedoista, jotka kerättiin Hubblen RELICS-ohjelman (Reionization Lensing Cluster Survey) aikana, jota johti toinen kirjoittaja Dan Coe Space Telescope Science Institutesta (STScI).

"Normaalisti näillä etäisyyksillä kokonaiset galaksit näyttävät pieniltä tahroilta, miljoonien tähtien valo sekoittuu yhteen", Welch sanoi. "Tätä tähteä isännöivä galaksin kuva on suurennettu ja vääristynyt gravitaatiolinssien avulla pitkäksi puolikuuksi, jolle annoimme nimen Auringonnousukaari.” Tutkittuaan galaksia yksityiskohtaisesti Welch päätteli, että sen yksi piirre on erittäin suurentunut tähti, jota hän kutsui Earendeliksi, mikä tarkoittaa "aamutähteä" vanhalla englannin kielellä. Löytö on lupaus tuntemattoman, hyvin varhaisten tähtien muodostumisen aikakauden avauksesta.

"Earendel oli olemassa niin kauan sitten, että siinä ei ehkä ollut kaikkia samoja alkuaineita kuin ympärillämme olevilla tähdillä nykyään", Welch selitti. "Earendelin tutkiminen on ikkuna universumin aikakauteen, jota emme tunne, mutta joka johti kaikkeen siihen mitä nykyisin tiedämme. Tuntuu kuin olisimme lukeneet todella mielenkiintoista kirjaa, mutta aloittaneet toisesta luvusta, ja nyt meillä on mahdollisuus nähdä, miten kaikki sai alkunsa”, Welch sanoi.

"On olemassa pitkäaikainen teoreettinen ennuste, että tähtien, jotka muodostuvat yksinomaan alkuräjähdyksen jälkeen syntyneistä alkuaineista – vedystä, heliumista ja vähäisistä määristä litiumia – pitäisi olla massiivisempia kuin nykyään muodostuvat tähdet", lisäsi ryhmän jäsen Erik Zackrisson, Uppsalan yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitokselta. "Nämä ikiaikaiset tähdet, jotka tunnetaan populaatio III -tähtinä, ovat toistaiseksi jääneet havainnoijien ulkopuolelle, mutta ne voivat tulla havaittaviksi, jos niiden kuvat suurentuvat gravitaatiolinssin vaikutuksesta, kuten Earendel tapauksessa.”

Tutkimusryhmä arvioi, että Earendel on vähintään 50 auringonmassainen ja miljoonia kertoja kirkkaampi, mikä kilpailee massiivisimpien tunnettujen tähtien kanssa. Mutta edes tällaista loistavaa, erittäin suurimassaista tähteä olisi mahdoton nähdä niin suurelta etäisyydeltä ilman valtavan galaksijoukon, tässä tapauksessa WHL0137-08, joka sijaitsee meidän ja Earendelin välissä, tuottaman luonnollisen suurennuksen avulla. Galaksijoukon massa vääntää avaruuden kudosta luoden voimakkaan suurennuslasin, joka vääristää ja vahvistaa suuresti takanaan olevien kaukaisten kohteiden valoa.

Tämä ilmiö saa Earendel-tähden ponnahtamaan ulos kotigalaksinsa yleisestä hehkusta. Sen kirkkaus suurentuu tuhatkertaisesti tai enemmän. Tässä vaiheessa tähtitieteilijät eivät pysty määrittämään, onko Earendel kaksoistähti, mutta useimmissa massiivisissa tähdissä on ainakin yksi pienempi tähtikumppani.

Tähtitieteilijät odottavat, että Earendel pysyy erittäin suurena tulevina vuosina. NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope [1] havaitsee sitä myöhemmin vuonna 2022 [2]. Webbin suurta herkkyyttä infrapunavalolle tarvitaan saadaksemme lisätietoja Earendelistä, koska sen valo venyy (punasiirtymä) pitemmille infrapuna-aallonpituuksille universumin laajenemisen seurauksena.

"Webin kuvien ja spektrien avulla voimme vahvistaa, että Earendel on todella tähti, ja määrittää sen ikä, lämpötila, massa ja säde", selitti tiimin jäsen Jose Maria Diego Espanjan Instituto de Física de Cantabriasta. "Hubblen ja Webbin havaintojen yhdistäminen antaa meille mahdollisuuden tutkia myös galaksijoukon mikrolinssejä, jotka voivat sisältää eksoottisia kohteita, kuten muinaisia mustia aukkoja. ”

Earendelin koostumus kiinnostaa suuresti tähtitieteilijöitä, koska se muodostui ennen kuin maailmankaikkeus täyttyi peräkkäisten massiivisten tähtien sukupolvien tuottamilla raskailla alkuaineilla. Jos seurantatutkimukset osoittavat, että Earendel koostuu vain alkuperäisestä vedystä ja heliumista, se olisi ensimmäinen todiste legendaarisista populaatio III -tähdistä, joiden oletetaan olevan ensimmäisiä alkuräjähdyksen jälkeen muodostuneita tähtiä. Vaikka todennäköisyys on pieni, Welch myöntää, että se on silti houkutteleva.

"Webillä saatamme nähdä tähdet jopa kauempana kuin Earendel, mikä olisi uskomattoman jännittävää", Welch sanoi. "Palaamme ajassa niin pitkälle taaksepäin kuin voimme. Haluaisin nähdä Webbin rikkovan Earendelin etäisyysennätyksen.”

 

Huomautuksia

[1] James Webb avaruusteleskooppi laukaistiin avaruuteen joulukuussa 2021 Ariane 5 -raketilla Euroopan avaruuskeskuksesta Ranskan Guayanasta. James Webb Space Telescope on kansainvälinen projekti, jota NASA johtaa yhteistyössä ESAn ja Kanadan avaruusjärjestön kanssa.

[2] Earendeliä tullaan havaitsemaan James Webb -avaruusteleskoopilla osana sen havainnointiohjelmaa.

Mitä Gaia tekee?

Taiteiljan näkemys Gaiasta
sijoituspaikassaan L2-pisteessä.
Kuva ESA.

Euroopan avaruusjärjestön Gaia-observatorio[1] on päässyt matkaan kohti Lagrangen L2-pistettä. Piste sijaitsee maapallon yöpuolella noin 1,5 miljoonan kilometrin etäisyydellä. Sijoituspaikka on erityinen, sillä siellä olevat laitteet voivat pysytellä alueella hyvin vähäisellä ohjaustarpeella. Syynä tähän on Auringon ja maapallon yhteinen gravitaatiokenttä, joka kumoaa luotaimeen kohdistuvan keskipakoisvoiman[2].

Gaia-observatorion tehtävänä on määrittää tähtien tarkat paikat, etäisyydet, radiaalinopeudet ja ominaisliikkeen. Näiden tietojen perusteella tutkijat kykenevät hahmottamaan osan Linnunratamme rakenteesta 3D:nä. Tutkijat arvioivat, että Gaian mittauskyvyn tarkkuudella saamme edellä luetellut tiedot noin miljardin tähden osalta. Linnunradassa arvioidaan olevan noin 400 miljardia tähteä, joten Gaian tekemä kartoitus on vasta alkua hyvin laajalle ja vaativalle kartoitukselle.

Gaiain tekemä etäisyysmittaukset perustuvat tähtien parallaksien määrittämiseen. Parallaksi tarkoittaa tähden (yleisemmin jonkin kohteen) suuntakulman muuttumista jos tarkastelupiste siirtyy toiseen paikkaan[3]. Gaian tapauksessa suuntakulma muuttuu maapallon liikkeestä kiertoradalla. Puolen vuoden kuluessa havaintopisteiden välinen etäisyys on noin 300 miljoona kilometriä. Tätä etäisyyttä kutsutaan parallaksimittauksen kannaksi. Kun kannan pituus ja suuntakulman muutos tunnetaan, yksinkertaisella trigonometriaan perustuvalla laskelmalla saadaan määritettyä tähden etäisyys.

Havainnekuva parallaksin
määrittämisestä. Kuva ESA.

Monet Gaian tekemistä mittauksista perustuvat spektroskopiaan. Tähdestä tuleva valo sisältää tietoa valonlähteen kemiallisesta koostumuksesta, lämpötilasta ja liikkeen tilasta. Erityisesti viimeksi mainitut tiedot ovat sellaisia, joita hyödynnetään Gaian viiden vuoden aikana keräämästä mittausdatasta paljastamaan tähtien kiertoradoilla olevien eksoplaneettojen olemassa olo. 

Tähtien spektri paljastaa myös tähtien säteisnopeuden. Säteisnopeus on tähtien suhteellinen liike näkösäteen suunnassa: tähti liikkuu joko meistä poispäin tai meihin päin. Tähden nopeus paljastuu spektrissä tapahtuvasta spektriviivojen siirtymisestä (Doppler-ilmiö), joka on verrannollinen nopeuteen; mitä suurempi nopeus sitä suurempi siirtymä. Lisäksi siirtymän suunta kertoo meille mihin suuntaan tähti etenee meidän suhteemme. Jos tähti kulkee meistä poispäin, siirtymä on kohti pitempiä aallonpituuksia (punasiirtymä) ja jos tähti tulee meitä kohti, siirtymä on lyhempiin aallonpituuksia kohti (sinisiirtymä).

Gaian suuri tarkkuus tähtien sijaintimäärityksessä mahdollistaa tähtien liikkeen määrittämisen (ominaisliikkeen) taivaankannella. Mittaus ei kerro ainoastaan tähden suuntaa ja nopeutta, vaan se paljastaa myös mahdollisten eksoplaneettojen aiheuttaman huojunnan tähden keskimääräisen liikeradan suhteen.

Tähtien ominaisliikkeen löysi Edmund Halley vuonna 1718. Hän vertasi aikansa tähtien paikkoja pari tuhatta vuotta vanhaan Hipparchosin tähtiluetteloon ja havaitsi, että jotkin kirkkaat tähdet olivat siirtyneet paikoiltaan. Suurin ominaisliike on Barnadin tähdellä, joka vaeltaa muiden tähtien suhteen peräti 10,3 kaarisekuntia vuodessa. Vauhti on sen verran kova, että Kuun halkaisijan verran (0,5°) kulkemiseen kuluu aikaa vain noin 174 vuotta.

Kaikki edellä kerrotut tähtien liikkeistä kertova mittausdata paljastaa tutkijoille paljon tähtien liikkeestä Linnunradassa ja Auringon liikkeestä lähitähtien suhteen. Tokihan osa näistä tiedoista jo tunnetaan, mutta Gaian mittaukset siirtävät pilkunpaikkaa merkittävästi tarkempaan suuntaan ja tarkasti tunnetun alueen laajenemista valtavasti.

Huomautukset

[1] Gaian tehtävästä voit lukea blogiartikkelini ”Miljardintähden tähtiluettelo”

[2] Keskipakoisvoima on näennäinen voima, joka syntyy kappaleeseen sen liikkuessa pakotettua kaarevaa rataa pitkin. Perimmäinen syy keskipakovoiman syntyyn on massan hitaus, sillä jos pakottava voima yhtäkkiä poistuisi, kappale jatkaisi matkaansa suoraan samalla nopeudella kuin mitä sen kehävauhti oli ennen pakottavan voiman katoamista.

Tavallisin keskipakoisvoiman ilmenemismuoto on esimerkiksi naruun kiinnitettyä esinettä pyöritettäessä. Tällöin pakottavana voimana on naru ja keskipakovoima ilmenee narun jännitystilana. narun jännitys kohdistaa kappaleeseen yhtä suuren mutta vastakkaisen voiman kuin kappaleeseen kohdistuva keskipakoisvoima on.  Gaian tapauksessa ”naru” on Auringon ja maapallon yhdessä muodostama gravitaatiokenttä. 

[3] Voit havainnollistaa parallaksin synty itsellesi siten, että ojennat kätesi ja yhden sormen sekä suljet toisen silmäsi. Tällöin näet sormesi jonkin taustalla olevan kohteen kohdalla. Pidä sormesi samassa paikkaa ja vaihda katseluun käytettyä silmää. Tällöin sormesi paikka taustaan nähden näyttää siirtyneen.