Francisco Müller-Sánchezin johdolla tutkitun galaksin keskustassa on normaalin yhden sijasta kaksi supermassiivista mustaa aukkoa. Ja ne ovat törmäämässä pikapuoliin toisiinsa.

Vinhaa vauhtia toisiaan kiertävät mustat aukot sinkoavat avaruuteen kaasua, joka on yhdessä tähdistä puhaltavan tuulen kanssa ajamassa alas galaksin tähtitehdasta: uusia tähtiä ei kohta enää synny.

"Kyseessä on ensimmäinen galaksi, jossa pystymme tarkastelemaan samaan aikaan kahden supermassiivisen mustan aukon aikaansaamaa tuulta ja tähtien synnystä seuraavaa heikosti ionisoituneen kaasun virtausta", Müller-Sánchez sanoo.

NGC 6240 edustaa melko harvinaista galaksien tyyppiä, sillä se on parhaillaan muotoutumassa kahdesta yhteensulautuneesta galaksista. Ilmiössä ei sinänsä ole mitään erikoista, sillä myös Linnunradan arvellaan aikoinaan syntyneen samalla tavalla.

Nyt tutkitun galaksin tekee merkittäväksi se, että prosessi on vielä kesken. Siten se tarjoaa oivan näkymän galaksien kehityksen tärkeään vaiheeseen.

Oxfordin yliopiston professorin Pat Rochen johdolla on laadittu huippuluokan "kartta" kotigalaksimme keskuksessa piileskelevän mustan aukon lähiympäristössä kieppuvista kaasu- ja pölypilvistä sekä tähdistä.

Linnunradan keskusalueilla tähtien on todettu kiitävän jopa 30 miljoonan kilometrin tuntinopeudella, mistä on pystytty laskemaan mustan aukon massan olevan yli miljoonakertainen Aurinkoon verrattuna.

Kartoitukseen käytettiin La Palman saarella sijaitsevaa 10,4-metristä GTC-kaukoputkea (Gran Telescopio Canarias) ja siihen kytkettyä CanariCam-infrapunakameraa. Sen toiminta-alue on 7,5–25 mikronin aallonpituuksilla ja sillä pystytään tutkimaan myös magneettikenttien ominaisuuksia säteilyn polarisaation perusteella.

Näkyvän valon alueella Linnunradan keskuksen tutkimus ei onnistu laisinkaan, sillä se on Maasta katsottuna tiheiden tähtienvälisten kaasu- ja pölypilvien takana. Infrapuna-alueella, samoin kuin radio- ja röntgenalueilla, havainnot kuitenkin onnistuvat.

Valaskalan tähdistön suunnassa noin 47 miljoonan valovuoden etäisyydellä sijaitsevan Messier 77 -galaksin keskuksessa on 10–15 miljoonan Auringon massainen musta aukko. Nyt sen ympärillä on "nähty" tiheä kaasu- ja pölyrengas, joka pyörii vinhasti.

Supermassiivisilla mustilla aukoilla on jo pitkään arveltu olevan ympärillään tällaisia rakenteita, mutta nyt sellaisesta onnistuttiin tekemään ensimmäisen kerran tarkkoja havaintoja. Varsinaista valokuvaa donitsista ei saatu, sillä havainnot tehtiin radioaallonpituuksilla.

Jokseenkin kaikkien galaksien keskuksessa lymyilee supermassiivinen musta aukko. Mustan aukon massan tiedetään noudattelevan galaksin massaa varsin suoraviivaisesti eli mitä suurempi galaksi, sitä massiivisempi musta aukko.

Ongelmana on kuitenkin se, että mustien aukkojen ja galaksien kokoero on hyvin suuri: kerroin on noin 10 miljardia. Tutkijoiden on vaikea selittää, miten niin erikokoiset "kappaleet" voivat vaikuttaa suoraan toisiinsa.

M77 tarjoaa oivan kohteen tällaisen vuorovaikutuksen tarkastelulle, sillä sen keskusalue on luokiteltu "aktiiviseksi galaksinytimeksi" (active galactic nucleus eli AGN). Mustaan aukkoon syöksyy kaiken aikaa ainetta, joka ennen katoamistaan kosmiseen nieluun säteilee voimakkaasti.

Suihkujen lähettämää säteilyä havaitaan erityisesti kvasaareissa, jotka ovat maailmankaikkeuden kirkkaimpiin kuuluvia kohteita. Kvasaarien energia on peräisin miljoonia kertoja Aurinkoa massiivisempien mustien aukkojen kertymäkiekoista, joissa lähiympäristön aine kiertyy kohti kosmista imuria. Vain osa tästä energiasta säteilee radioalueella, sillä ainoastaan noin 10 prosenttia kvasaareista on "kirkkaita" radiosäteilyn aallonpituuksilla.  

Jo aiemmin on tiedetty, että radiosäteilyn voimakkuuteen vaikuttaa se, välttääkö osa kertymäkiekon aineesta karun kohtalon ja päätyy mustan aukon sijasta sen pyörimisakselin suuntaisiin ainesuihkuihin, jotka voivat sinkoutua miljoonien valovuosien etäisyydelle.

Tähän saakka ei kuitenkaan ole tiedetty, miksi joissakin kvasaareissa suihkuja esiintyy, joissakin taas ei.  

Uuden tutkimuksen mukaan vaahdossa olevia "kuplia" vastaavilla tyhjinä  pidetyillä alueilla onkin paljon ainetta, jopa viidennes kaikesta maailmankaikkeuden "tavallisesta" eli näkyvästä aineesta. Galaksien osuus universumin ainesisällöstä olisikin ainoastaan 1/500.   

Nykykäsityksen mukaan tätä tavallista ainetta olisi koko maailmankaikkeudesta ainoastaan 4,9 prosenttia, kun pimeän aineen osuus olisi 26,8 prosenttia ja pimeän energian, joka saa maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymään, 68,3 prosenttia.

Markus Haiderin johtama ryhmä on tarkastellut maailmankaikkeuden rakennetta sekä massan jakaumaa Illustris-simulaatiolla, jossa lasketaan suurella tarkkuudella galaksien syntyä ja kehitystä.

Simulaatio kuvaa kuutionmuotoista avaruuden aluetta, jonka yhdellä sivulla on mittaa noin 350 miljoonaa valovuotta. Alkupisteenä on 12 miljoonan vuoden ikäinen maailmankaikkeus, jonka massan – sekä tavallisen että pimeän aineen – ja gravitaation vuorovaikutusta seurataan laskennallisesti tähän päivään saakka.

Tutkijoiden mukaan noin puolet maailmankaikkeuden kokonaismassasta on alueilla, joille galaksit sijoittuvat, mutta ne muodostavat kokonaistilavuudesta ainoastaan 0,2 prosenttia. 44 prosenttia massasta on galakseja ympäröivien rihmojen verkostossa. 

Universumin tyhjät onkalot vievät kokonaistilavuudesta peräti 80 prosenttia, mutta niissä olevan massan osuus on ainoastaan kuusi prosenttia. Yllätys oli se, että tavallisesta aineesta jopa viidennes, noin 20 prosenttia, on kulkeutunut näihin tyhjinä pidettyihin onkaloihin. 

Syypäänä tähän kosmiseen "siivoukseen" pidetään supermassiivisia mustia aukkoja, jotka piileskelevät galaksien keskustoissa. Osa niihin syöksyvästä aineesta muuttuu energiaksi, joka saa ympäröivän kaasun kiivaaseen liikkeeseen.

Ainevirtaukset ulottuvat satojentuhansien valovuosien etäisyydelle mustista aukoista eli kauas galaksien ulkopuolelle. Lopulta kaasu päätyy galaksijoukkojen välillä oleviin onkaloihin, piiloon maailmankaikkeuden rakennetta selvitteleviltä tutkijoilta. 

Ongelmana on se, että onkaloihin kertynyt aine on hyvin harvaa ja äärimmäisen kylmää, joten se ei juurikaan säteile. Siksi sitä on hyvin vaikea havaita. Eikä sitä nytkään ole siis havaittu: arviot aineen määrästä perustuvat ainoastaan tietokonesimulaatioon.

Tutkimuksesta kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivuilla ja se on julkaistu seuran Monthly Notices -tiedelehdessä.

Kuva: Markus Haider/Illustris collaboration

Samalla vapautuu suunnaton määrä energiaa, joka on singonnut avaruuteen valtaisan, yli 300 000 valovuoden mittaisen hiukkassuihkun. Sillä on siis pituutta noin kolme kertaa Linnunradan halkaisijan verran. Ja hiukkaset kiitävät melkein valon nopeudella.

Vastikään julkaistuun kuvaan on yhdistetty Chandra-röntgensatelliitin 15 vuoden aikana tekemät havainnot (kuvassa sinisellä) ja Australia Telescope Compact Array -radioteleskoopilla tehdyt tuoreet havainnot (punaisella).

Suuresta etäisyydestään huolimatta galaksi on kuitenkin riittävän lähellä, jotta röntgenalueella säteilevää suihkua ja siihen liittyviä ilmiöitä on mahdollista tutkia yksityiskohtaisesti.

Kirkkaana erottuvan suihkun lisäksi mustan aukon lähistöltä lähtee vastakkaiseen suuntaan "vastasuihku". Siitä oli saatu viitteitä jo aiemmin, mutta Chandran havainnot varmistivat sen olemassaolon.

Kummankin suihkun ympärillä esiintyy voimakasta radiosäteilyä, kun hiukkaset törmäävät tähtien- ja galaksienväliseen kaasuun. Lähellä kuvan oikeaa reunaa näkyvä kirkas "tähti" on "kuuma piste", joka syntyy suihkun shokkiaallosta – samaan tapaan kuin yliäänipamaus suihkukoneen murtaessa äänivallin. 

Aiemmin arveltiin, että röntgensäteily saattaisi syntyä hiukkassuihkun elektronien törmäillessä kosmisen taustasäteilyn fotonien kanssa. Fotonit saisivat silloin lisää energiaa, jolloin säteilyn aallonpituus siirtyisi röntgenalueelle.  Suihkujen kirkkausero ei kuitenkin täsmää tähän selitysmalliin.

Havaintojen perusteella on nyt todettu, että röntgensäteily on niin sanottua synkrotronisäteilyä, joka syntyy elektronien kieppuessa magneettikentän voimaviivojen ympärillä. Jokin antaa elektroneille kaiken aikaa lisävauhtia, mutta ilmiön tausta on toistaiseksi tuntematon.

Suihkusta kerrottiin Chandran uutissivulla ja tutkimus on julkaistu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/CXC/University of Hertfordshire/M. Hardcastle et al. [röntgen]; CSIRO/ATNF/ATCA [radio]

Havainnot tehtiin yhdeksällä Yhdysvalloissa sijaitsevalla VLBA-antennilla (Very Long Baseline Array), kuudella eurooppalaisella radioteleskoopilla sekä venäläisellä RadioAstron-satelliitilla, jossa on kymmenmetrinen lautasantenni.

Kun havainnot yhdistettiin, saatiin järjestelmän erotuskyky vastaamaan 101 000 kilometrin läpimittaista radioteleskooppia.

Kohteena oli BL Lacertae -galaksi, jonka keskustassa on supermassiivinen musta aukko. Siitä sinkoutuu avaruuteen suihku, jonka hiukkaset etenevät lähes valon nopeudella. Ne säteilevät voimakkaasti radioalueella. 

Nimensä mukaisesti mustat aukot eivät säteile – paitsi hiukkasista koostuvaa Hawkingin säteilyä – joten kuinka ihmeessä musta aukko voi leimahdella?

Mustien aukkojen lähettyviltä tuleva, usein röntgenalueen säteily ei sinänsä ole mikään ihme. Jos aukolla on ahmittavaa, sen ympärille muodostuu kertymäkiekko, samantapainen pyörre kuin pesualtaasta katoavaan veteen. 

Juuri ennen joutumistaan mustan aukon kitaan aine kuumenee niin paljon, että se säteilee voimakkaasti röntgenalueella. Ilmiö on tuttu sekä tähdenmassaisilta että galaksien keskustoissa lymyäviltä supermassiivisilta mustilta aukoilta. 

NASAn Swift- ja NuSTAR-avaruusteleskoopeilla (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) on nyt tehty havaintoja jättimäisestä röntgenpurkauksesta, joka on saanut tutkijat ymmälleen. 

Näyttää siltä, että mustissa aukoissa voi tapahtua flare-purkauksia, jollaisia havaitaan myös Auringossa. Vaikka ilmiön taustalla olevassa fysiikassa on eroja, mustan aukon flaret liittyvät sen lähistöllä olevaan koronaan siinä missä Auringon flare-purkauksilla on kytkentä päivätähtemme koronan ominaisuuksiin.

Mustan aukon korona ei kuitenkaan ole samanlainen "kehä" kuin Auringon korona, vaan muodostuu hyvin energisten  hiukkasten tihentymistä. Havaintojen mukaan voimakkaat röntgenalueen purkaukset ovat seurausta siitä, että musta aukko sinkoaa tällaisen tihentymän suurella nopeudella kauemmas avaruuteen.

"Olemme pystyneet ensimmäisen kerran kytkemään toisiinsa koronan 'laukaisun' ja flare-purkauksen", toteaa tutkimusryhmään kuulunut Dan Wilkins. "Se auttaa meitä ymmärtämään, miten supermassiiviset mustat aukot synnyttävät maailmankaikkeuden kirkkaimpiin kuuluvia kohteita."

Mustien aukkojen koronat on vielä huonosti tunnettuja. Niiden arvellaan sijaitsevan joko aukon pyörimisakselin suuntaisesti sen molemmin puolin tai sitten ne ovat sirottuneet laajemmalle alueelle. 

Jälkimmäisessä tapauksessakin on kaksi vaihtoehtoa: koronat voivat muodostaa mustaa aukkoa ympäröivän pilven tai kertymäkiekon ylä- ja alapuolella olevat ”levyt”. On myös mahdollista, että koronamuodostelma muuttaa muotoaan pitkulaisesta pilvenomaiseksi ja takaisin.

Tuoreet havainnot viittaavat siihen, että koronat asettuisivat mustan aukon pyörimisakselille. Swift-teleskoopilla havaittiin voimakas röntgen- ja gamma-alueen purkaus Markarian 335 -nimisestä galaksista. 

Kohde sijaitsee 324 miljoonan valovuoden etäisyydellä Pegasuksen tähdistön suunnassa. Aiemmin se oli yksi taivaan kirkkaimmista röntgenalueen lähteistä.

"Vuonna 2007 tapahtui jotain hyvin outoa, sillä Mrk 335 himmeni kertoimella 30. Olemme nähneet, että siinä tapahtuu edelleen flare-purkauksia, mutta kirkkaus ei ole kasvanut ennalleen", ihmettelee tutkimuksessa mukana ollut Luigi Gallo.

Massiivisen kohteen vetovoima muuttaa valonsäteiden kulkusuuntaa. Jos kolme taivaankappaletta sattuu täsmälleen samalle linjalle, väliin jäävä kappale saa aikaan niin sanotun Einsteinin renkaan: taaempana olevasta kohteesta tuleva säteily "kiertää" etualan kohteen joka puolelta siten, että sen ympärille näyttää muodostuvan rengas. Nimi tulee siitä, että valon taipumisen vetovoimakentässä ennusti Albert Einstein suhteellisuusteoriassaan.

Vesikäärmeen tähdistön suunnassa näkyvä SDP.81 on juuri tällainen gravitaatiolinssi. Etäisempi galaksi on 12 miljardin valovuoden etäisyydellä ja ”linssinä” toimivaan galaksiin on matkaa noin neljä miljardia valovuotta. Kauempana olevassa galaksissa on runsaasti pölyä, jota vastasyntyneet tähdet kuumentavat, joten se säteilee voimakkaasti ALMA-radioteleskoopilla tehdyissä alimillimetrialueen havainnoissa (kuvassa oranssina näkyvä rinkula).

340 miljoonan valovuoden etäisyydellä sijaitsevassa kääpiögalaksissa on monien muiden tähtijärjestelmien tapaan supermassiivinen musta aukko. Michiganin yliopiston tähtitieteilijöiden tekemien havaintojen mukaan se ei kuitenkaan ole erityisen "super" eikä "massiivinen", vaan lajissaan pienin tunnettu.

Yleensä galaksien keskustoissa lymyävät mustat aukot ovat massaltaan miljoonia tai miljardeja kertoja Aurinkoa massiivisempia. RGG 118 -kääpiögalaksin keskuskurimuksella on massaa vain 50 000 kertaa enemmän kuin Auringolla.

RGG 118 on itsekin niin pieni, ettei se todennäköisesti ole koskaan sulautunut toisten galaksien kanssa. Suurempien galaksien sen sijaan arvellaan muodostuneen törmäysten seurauksena.

"Tällaiset pikkugalaksit antavat käsityksen varhaisen maailmankaikkeuden galakseista", sanoo Vivienne Baldassare Michiganin yliopistosta. "Esimerkiksi Linnunradan tapauksessa emme tiedä, millainen se oli nuoruudessaan."

Kääpiögalaksista tehtiin havaintoja sekä Chandra-röntgenavaruusteleskoopilla että Chilessä sijaitsevalla 6,5-metrisellä Clay-teleskoopilla. Jälkimmäisellä selvitettiin mustan aukon massa tarkkailemalla galaksin keskuksessa olevan kaasun liikkeitä. Röntgenalueen havainnot puolestaan kertoivat aukkoon syöksyvän aineen määrän.