Harvinainen gravitaatiolinssi näyttää kaukaisen supernovan viitenä kuvana

Yli kymmenen miljardin valovuoden päässä Maasta sijaitsevan Winny-supernovan räjähdys voi tuottaa uutta tietoa maailmankaikkeuden laajenemisvauhdista.

Gravitaatiolinssi on kosminen ilmiö, jossa painovoima taivuttaa valoa ikään kuin vahvistaen sitä optisen linssin tavoin. Viime vuonna havaittu gravitaatiolinssi antoi meille kuvan kaukaisesta supernovasta, joka nimettiin Winnyksi.

 

Satelliittikuva näyttää Winny-supernovan räjähdyksen valon taittuvan viiteen kertaan (A-E) kahden gravitaatiolinssinä toimivan galaksin (G1 ja G2) voimasta. Kuva: SN Winny Research Group.

Havainnon teki kansainvälinen HOLISMOKES -yhteistyöverkosto , jonka Kaliforniassa sijaitseva The Zwicky Transient Facility -observatorio havaitsi supernovan ensimmäisenä.

Tutkijatohtori Stefan Schuldt huomasi Winnyn valon kulkeutuneen gravitaatiolinssin kautta. Tarkempien havaintojen tekoa jatkettiin Suomen ja muiden Pohjoismaiden ylläpitämällä Nordic Optical -teleskoopilla (NOT). Se paljasti kohteen olevan hyvin harvinainen supernovatyyppi ja sijaitsevan yli 10 miljardin valovuoden etäisyydellä Maasta.

Tämä on poikkeuksellisen suuri etäisyys havaitulle supernovalle. Tähtitieteilijät mittaavat tällaisia etäisyyksiä sen perusteella, kuinka paljon valo on venynyt ja punasiirtynyt matkansa aikana maailmankaikkeuden laajenemisen vuoksi. Näin ilmaistuna galaksin etäisyys vastaa punasiirtymää 2,01.

Gravitaatiolinssissä kaukaisesta kohteesta, kuten supernovasta, tuleva valo kohtaa toisen galaksin kulkureitillään kohti Maata. Silloin lähemmän galaksin gravitaatiokenttä toimii linssinä, joka taivuttaa ja vahvistaa kauempaa tulevaa valoa. Samalla valo taipuu linssissä niin, että Winny näkyy sen kautta viitenä erillisenä kuvana. 

Supernovaräjähdyksien monistamat kuvat gravitaatiolinsseissä [1] ovat erittäin harvinaisia. Ennen viime vuonna tehtyä havaintoa tunnettiin vain kaksi tapausta, joissa yksittäinen galaksi aiheutti linssin – eikä kumpikaan niistä soveltunut kosmologisiin tutkimuksiin.

Winnyn kohdalla tilanne on toisin.

”Gravitaatiolinssi taittoi Winnyn räjähdyksen tuottaman valon maapallolle viittä eri reittiä. Samalla jokainen niistä on hieman eri mittainen”, selittää tohtori Stefan Schuldt. Hän työskentelee tutkijatohtorina Suomen ESO-yhteistyön tähtitieteen keskuksessa ja Helsingin yliopistossa. Schuldt on mukana myös HOLISMOKES-yhteistyössä.

”Reittien aikaerojen ansiosta voimme mitata maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta”, hän jatkaa.

Ensimmäisissä havainnoissa Winnystä saatiin vain neljä kuvaa, mutta tuoreimmat havainnot ovat paljastaneet viidennen. Se on ratkaisevan tärkeä, sillä useampi reitti antaa lisätietoa maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden entistä tarkempaan mittaamiseen. Laajenemisnopeutta kuvataan Hubblen vakiolla, mutta sen tarkasta arvosta on ristiriitaisia laskemia.

”Gravitaatiolinssin antamat viisi kuvaa Winnysta antavat lisätietoa aiheesta”, arvio Schuldt.

Tämän erikoislaatuisen järjestelmän lisäanalyysi on nyt käynnissä. Tavoitteena on uusi, riippumaton Hubblen vakion mittaus mahdollisesti vielä tämän vuoden kuluessa.

Winny-supernovasta kertova tuore artikkeli on julkaistu Astrophysics and Astronomy -lehdessä.

…

[1] Gravitaatiolinssit – harvinaisuus vai yleinen ilmiö?

KAK – Helsingin yliopiston tiedote (19.2.2026) totesi, että gravitaatiolinssit olisivat “erittäin harvinaisia” ja että ennen viime vuoden havaintoa tunnettiin “vain kaksi” linssitapausta. Tämä saattaa olla kuitenkin hieman harhaanjohtavaa, sillä linssit yleensä ovat varsin yleinen ilmiö. 

Kaavio gravitaatiolinssin synnystä. Valon kulkureitti kaareutuu massiivisen kohteen ohituksessa.  Oranssit nuolet osoittavat taustalähteen näennäisen sijainnin. Valkoiset nuolet osoittavat valon kulkureitin lähteen todellisesta sijainnista. Riippuen gravitaatiolinssin muodosta tuloksena voi olla kaukaisemman kohteen kuva, jonka muoto voi olla rengas, pisteitä ja osittaisia kaaria. Kuva hubblesite.org/archive/2000/07 via en.wikipedia.

Tiedotteessa ei tarkoitetut kaikkia gravitaatiolinssejä, vaan nimenomaan galaksien aiheuttamia linssejä, joissa kaukaisesta supernovasta syntyy useita erillisiä kuvia. Winny-supernovan tapauksessa havaittiin viisi monistunutta kuvaa. Aiemmin vastaavia galaksin aiheuttamia linssejä tunnettiin vain muutamia (esim. SN iPTF16geu ja SN Zwicky) – siksi tiedotteessa kerrotiin kahdesta tapauksesta.

Gravitaatiolinssi syntyy, kun massiivinen etualan objekti (galaksi tai galaksiryhmä) taivuttaa taustalla olevan kohteen valoa ja monistaa kuvan. Yleisimmillään havaitaan pitkiä kaaria tai Einsteinin renkaita kaukaisten galaksien ympärillä. Tällaisia kohteita on havaittu satoja ja uusia löydetään koko ajan.

Jo vuonna 2021 yhdistelmätutkimus (DESI Legacy Imaging Surveys) löysi yli 1 200 uutta gravitaatiolinssiä, moninkertaistaen silloin tunnettujen (~300) linssien määrän. Käytännössä tunnettuja ja vahvistettuja linssijärjestelmiä on tuhansia (ja määrä kasvaa jatkuvasti) ja linssi-ilmiöitä saattaa olla jopa 500 000.

Yleisissä kartoissa linssien osuus on pieni: esimerkiksi vain ~1/10 000 suurista galakseista toimii voimakkaana linssinä. Siksi yksittäiset linssijärjestelmät eivät ole arkipäivää, mutta kun taivaalta katsotaan miljoonia galakseja, linssikohtia kertyy paljon.

Käyttämällä pieniä syvän taivaan otoksia koko taivaalle laajennettuna on saatu arvioita gravitaatiolinssi-ilmiön kokonaismääristä. Esimerkiksi NASA:n COSMOS-tutkimus havaitsi 1,6 neliöasteen alueelta 67 linssiä, josta päättelemällä koko taivaalla voisi olla noin 0,5 miljoonaa vastaavaa kohdetta.

Tulevat laajat kartoitusprojektit ennustavat kymmeniä tuhansia uusia havaintoja: ESA:n Euclid-teleskooppi löytää arviolta 100 000 galaksilinssejä koko taivaalta, Rubin Observatory (LSST) noin 60 000 – 120 000 ja Roman-teleskooppi vielä noin ~160 000 linssiä. Nämä ennusteet todistavat, että linssijärjestelmiä odotetaan löytyvän useita kymmeniä tai satoja tuhansia.

 

Lähteet:

Winny-tutkimuksen tiedote Helsingin yliopistolta;

Sachs, Huang ym. 2021 (noirlab/AURA); Linkki

NASA Hubble/COSMOS-linssitutkimus; Linkki

Euclid-, LSST- ja Roman-määräennusteet. Linkki

 

Pitkään odotettu havainto: Betelgeusella on kumppani

KAK – NOIRLab tiedote 21.7.2025 – Tähtitieteilijät ovat löytäneet tähden, joka kiertää uskomattoman tiukasti Betelgeusesta käyttäen NASAn ja Yhdysvaltain kansallisen tiedesäätiön rahoittamaa Alopeke-instrumenttia Gemini North -observatoriossa ^[3]. Tämä löytö ratkaisee pitkään jatkuneen mysteerin tähden vaihtelevasta kirkkaudesta ja tarjoaa tietoa muiden muuttuvien punaisten superjättiläisten taustalla olevista fysikaalisista mekanismeista.

Tässä valokuvassa Betelegeusen kumppanitähti näkyy sinisenä läikkänä. Vaikka kuva näyttääkin piirrokselta, se on kuitenkin oikea valokuva.
Kuva International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA. Image Processing: M. Zamani (NSF NOIRLab).

Betelgeuse on yksi yötaivaan kirkkaimmista tähdistä ja Maata lähin punainen superjättiläinen. Sen tilavuus on valtava, sillä sen säde on noin 700-kertainen kuin Auringon. Tähden ikä on noin kymmenen miljoonaa vuotta. Ihmiset ovat havainneet Betelgeusea Orionin tähdistön olkapäässä paljain silmin jo vuosituhansien ajan ja huomanneet, että tähden kirkkaus muuttuu ajan myötä. Tähtitieteilijät ovat havainneet, että Betelgeusella on noin 400 vuorokauden päävaihtelujakso ja pidempi, noin kuuden vuoden pituinen toissijainen jakso.

Vuosina 2019 ja 2020 Betelgeusen kirkkaus väheni jyrkästi. Tapahtumaa kutsutaan nimellä "Suuri himmennys". Tapahtuma sai jotkut uskomaan, että tähti on muuttumassa supernovaksi nopeasti lähestymässä, mutta tutkijat pystyivät toteamaan, että himmeneminen johtui itse asiassa Betelgeusesta sinkoutuneesta suuresta pölypilvestä.

Suuren himmennyksen mysteeri ratkesi, mutta tapahtuma herätti uuden kiinnostuksen Betelgeusen tutkimiseen, mikä johti tähden arkistotietojen uusiin analyyseihin. Eräs analyysi sai tutkijat ehdottamaan, että Betelgeusen kuuden vuoden vaihtelun syy on kumppanin olemassaolo ^[1]. Mutta kun Hubble-avaruusteleskooppi ja Chandra-röntgensäteilyobservatorio etsivät tätä kumppania, havaintoja siitä ei tehty.

Speckle-kuvaus on tähtitieteellinen kuvaustekniikka, jossa käytetään hyvin lyhyitä valotusaikoja Maan ilmakehän aiheuttamien vääristymien poistamiseksi kuvista. Tämä tekniikka mahdollistaa korkean resoluution, ja kun se yhdistetään Gemini Northin 8,1 metrin peilin valonkeräystehoon, Betelgeusen himmeä seuralainen voitiin havaita suoraan.

Seuratähden valon analyysin avulla vanhempi tutkija Steve Howell ja hänen ryhmänsä pystyivät määrittämään kumppanin ominaisuudet. He havaitsivat, että se on optisella aallonpituusalueella kuusi magnitudia himmeämmäksi kuin mitä Betelgeuse on, että sen arvioitu massa on noin 1,5 kertaa suurempi kuin Auringon massa ja että se näyttää olevan A- tai B-tyypin esi-pääsarjan tähti, siis hyvin kuuma ja sinivalkoinen tähti, jonka ytimessä vedyn fuusio ei ole vielä alkanut.

"Gemini Northin kyky saavuttaa suuri kulmatarkkuus ja terävät kontrastit mahdollistivat Betelgeusen seuralaisen suoran havaitsemisen", Howell sanoo. Lisäksi hän selittää, että "Alopeke teki sen, mitä mikään muu teleskooppi ei ole aiemmin tehnyt."

Tämä havainto antaa selkeämmän kuvan Betelgeusen (punaisen superjättiläinen) aikaisemmasta kehityksestä ja tulevista tapahtumista. Betelgeuse ja sen seurantatähti syntyivät todennäköisesti samaan aikaan. Kumppanin kehityskaari jäänee lyhyeksi, sillä voimakkaat vuorovesivoimat saavat sen kierteisesti syöksymään Betelgeuseen ja tuhoutumaan, minkä tutkijat arvioivat tapahtuvan seuraavien 10 000 vuoden aikana.

Havainto auttaa myös selittämään, miksi samankaltaisten punaisten superjättiläistähtien kirkkaudessa saattaa tapahtua jaksottaisia muutoksia useiden vuosien mittaisella aikavälillä. Howell kertoo toivovansa lisätutkimuksia tällä alalla: "Tämä havainto oli äärirajoilla siitä, mitä Geminillä voidaan tehdä korkean kulmatarkkuuden kuvauksen osalta, ja se onnistui. Tämä avaa nyt oven muille samanlaisille havaintoharrastuksille."

Gemin North observatorio Havajilla. Kuva International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/J. Chu

Martin Still, NSF:n kansainvälisen Gemini-observatorion ohjelmajohtaja lisää: "Kansainvälisen Gemini-observatorion tarjoamat speckle-ominaisuudet ovat edelleen vaikuttava työkalu, joka on avoin kaikille tähtitieteilijöille monenlaisiin tähtitieteen sovelluksiin. Satoja vuosia kestäneen Betelgeuse-ongelman ratkaisun toimittaminen jää mieleenpainuvaksi huippusaavutukseksi."

Toinen tilaisuus tutkia Betelgeuseksen kumppania tarjoutuu marraskuussa 2027, kun se on suurimmalla etäisyydellä Betelgeusesta ja on siten helpoin havaittavissa. Howell ja hänen tutkimusryhmänsä odottavat innolla Betelgeusesta tehtäviä havaintoja ennen tätä tapahtumaa ja sen aikana, jotta seuralaisen luonne voitaisiin määritellä paremmin.

 

Viitteet

[1] Kahdessa vuonna 2024 julkaistussa julkaisussa käytettiin vuosikymmenten havaintoja Betelgeusesta monilta tarkkailijoilta eri puolilta maailmaa ennustamaan seurantatähden kiertorata ja sijainti, vaikka sitä ei havaittu suoraan (ks. DOI: 10.3847/1538-4357/ad93c8 ja DOI: 10.3847/1538-4357/ad87f4).

[2] Tutkimus esitellään artikkelissa "Probable Direct Imaging Discovery of the Stellar Companion to Betelgeuse", joka ilmestyy The Astrophysical Journal Letters -lehdessä 24. heinäkuuta. DOI: 10.3847/2041-8213/adeaaf.

[3] Gemini North on Maunakea:lla (Havaiji) sijaitseva kansainvälisen Gemini-observatorion 8,1 m -teleskooppi. Geminillä on toinen samalainen teleskooppi Gemini South Cerro Pachó:lla Chilessä. Gemini-observatorio osittain NSF:n rahoittama ja NSF NOIRLab:n ylläpitämä.

 

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.