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.

Pimeä aine ehkä koostuu steriileistä neutriinoista

Pimeä aine on kerääntynyt galaksien
ja klusterien ympärille.
Kuva: J.-P. Kneib (Observatoire Midi-Pyrenees,
Caltech) et al., ESA, NASA

Kaksi erillistä tutkijaryhmää [1] on onnistunut havaitsemaan kaukaisista galakseista tulevaa röntgensäteilyä, jonka energia on 7 keV. Ainoa ajateltavissa oleva selitys säteilylle on steriilit neutriinot[2], jonka jakaantuvat spontaanisti röntgensäteilyksi ja tavallisiksi neutriinoiksi. 

Steriilejä neutriinoja voi olla käytännössä mahdotonta havaita suoraan, tavallistenkin neutriinojen havaitseminen on vaikeaa.

Tavallisin selitys pimeälle aineelle on, että se koostuu heikosti vuorovaikuttavista massiivisista hiukkasista eli WIMPeistä. Jos steriileillä neutriinoilla olisi riittävästi massaa (~10 keV), ne pystyisivät selittämään kaiken pimeän aineen. Jos taas massa on tätä pienempi, hiukkaset voivat ratkaista kosmoksen muita perustavaa laatua olevia arvoituksia[3].

Molempien tutkimusryhmien tutkimustuloksen mukaan röntgensäteilyn energia on 3,5 keV. Tämä voisi olla mahdollista, jos steriilin hiukkasen massa olisi 7 keV. Tutkijoilla voi olla vaikeuksia selittää yhtenevä tulos, jos kyseessä ei ole steriilien neutriinojen jakaantuminen. Molemmat ryhmät ovat pystyneet poistamaan havainnoistaan myös teleskooppien aiheuttaman kohinan.

Aikaisemmin pimeästä aineesta olen kirjoittanut artikkeleissa:

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2014/01/pimean-aineen-arvoitus-syvenee.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/11/pimeaa-ainetta-ei-loytynyt.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/02/nasa-liittyi-esan-pimean-aineen-ja.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/04/ams-02-pimean-aineen-jaljilla.html

ja neutriinoista

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2014/03/muuttavatko-neutriinot-makuaan.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/11/supernova-rajahtaa-linnunradassa.html

Huomautukset

[1] Ryhmät ovat Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, johtajanaan tohtori Esra Bulbul ja Leiden University in the Netherlands, johtajanaan tohtori Alexey Boyarsky. Bulbulin ryhmä teki havainnot 73 galaksiklusterista ESAn XMM-Newton avaruusteleskoopilla ja Nasan Chandra röntgenteleskoopilla (avaruusteleskooppi). Boyarskyn ryhmän havainnot tehtiin XMM-Newtonilla Perseuksen galaksiklusterista ja läheltä Andromedan galaksia.

Standardimallin laajennus sisältää
kolme steriiliä neutriinoa.
Kuva Alexey Boyarsky.

[2] Hiukasfysiikan standardi malli sisältää kolme eri makuista neutriinoa, jotka ovat elektronin, taun  ja myonin neutriinot. Nämä ovat lähes massattomia hiukkasia ja niillä kaikilla on vasenkätinen spinkvankkitluku (eräänlainen pyörimismäärä) ½.  Boyarskyn mukaan standardimallin laajennus sisältää kolme oikeakätistä neutriinoa, joita kutsutaan steriileiksi neutriinoiksi (N₁, N₂ ja N₃).

[3] Yksi merkittävimmistä arvoituksista on ”puuttuvat galaksit”. Kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn kartoitusta on käytetty mittamaan kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee ja kuinka tavallinen aine on muodostanut galaksiklustereita ja galakseja. Kartoitus ja paikalliset mittaukset kuitenkin antavat erilaisia arvoja, kartoitus osoittaa maailmankaikkeuden laajenevan liian hitaasti ja että galakseja pitäisi olla kolminkertaisesti havaittuun määrään nähden.

Mark Wyman’in (New York yliopisto) mukaan jos steriileiden neutriinojen massa on vähemmän kuin 1 keV, maailmankaikkeuden laajeneminen asettuu nykyarvoonsa. Lisäksi neutriinojen vähäinen vuorovaikutus mahdollistaisi aineen pakenemisen, jolloin sitä jäisi vähemmän klustereiden ja galaksien muodostumiseen. Wymanin laskema steriilin neutriinon massa olisi aivan liian vähän ratkaisemaan pimeän aineen arvoitusta, mutta toisen ”makuiset” steriilit neutriinot voivat sitä olla, edellyttäen, että niillä on enemmän massaa.