galaksit

Eduardo Bañadosin johtama tutkimusryhmä on löytänyt toistaiseksi "kirkkaimmin" radioalueella säteilevän nuoren kvasaarin, joka on syntynyt maailmankaikkeuden ollessa alle miljardin vuoden ikäinen.

Kvasaarin löytymisen jälkeen Emmanuel Momjian teki siitä havaintoja, joiden avulla plasmasuihkusta saatiin ennennäkemättömän tarkkoja tietoja. Niiden ansiosta pystytään entistä paremmin selvittämään varhaisen maailmankaikkeuden ilmiöitä ja kehittymistä.

Tarkkaan tutkittu kvasaari tunnetaan luettelonimellä PSO J352.4034-15.3373. Kvasaarit löytyivät 1960-luvulla voimakkaan radiosäteilynsä perusteella, mutta todellisuudessa vain noin joka kymmenes kvasaari on "kirkas" radioalueella.

Voimakas radiosäteily on yleensä lähtöisin mustan aukon pyörimisakselin suuntaan lähtevistä suihkuista, joissa kuuma plasma liikkuu lähes valon nopeudella.

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

Kun kaksi suurta galaksia törmää toisiinsa, niiden keskellä olevat supermassiiviset mustat aukot päätyvät kiertämään toisiaan, kunnes nekin törmäävät ja yhdistyvät. Tutkijoiden mukaan tällaiset ilmiöt ovat voimakkaimpia gravitaatioaaltojen lähteitä.

Radioastronomit ovat tutkineet VLA-teleskoopilla tehtyjä havaintoja "X-kirjaimen muotoisista radiogalakseista". Omituisen muodon on arveltu johtuvan siitä, että mustien aukkojen kertymäkiekoista lähtevät hiukkassuihkut ovat muuttaneet suuntaa. Syynä suunnanmuutoksen olisi törmäys toisen galaksin kanssa. 

Tutkijoilla oli käytössään 100 kiinnostavan kohteen luettelo, josta he valitsivat 52 tarkempaa analyysia varten. Arkistohavaintojen avulla niistä pystyttiin muodostamaan aiempaa yksityiskohtaisemmat kuvat.

Uusien kuvien perusteella näyttää siltä, että tutkituista galakseista ainoastaan yhdessätoista on tapahtunut törmäys ja sulautuminen, joka on muuttanut hiukkassuihkujen suuntaa. Kaikissa muissa galakseissa suunnanmuutoksen taustalla on jokin toinen syy. 

Yllä olevassa kuvassa vasemmanpuoleisen galaksin J0702+5002 muoto ei ole syntynyt sulautumisen seurauksena, mutta oikeanpuoleisen galaksin J1043+3131 todennäköisesti on.

Tulosten perusteella on arvioitu, että alle 1,3 prosentissa radioalueella voimakkaasti säteilevistä galakseista on tapahtunut sulautuminen. Se on vain viidesosa aiemmin arvioidusta yleisyydestä.

"Aikaisempiin arvioihin verrattuna tämä voi merkittävästi vähentää X-kirjaimen muotoisissa radiogalakseissa syntyneen pitkäaaltoisen gravitaatiosäteilyn määrää", tutkimusryhmää johtanut David Roberts sanoo. 

"On hyvin tärkeää kytkeä gravitaatioaallot kohteisiin, jotka havaitsemme sähkömagneettisen säteilyn, esimerkiksi radioaaltojen, avulla. Siten pystymme lisäämään tietämystämme perusfysiikasta."

Gravitaatioaallot ovat Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustamia, mutta niitä ei ole vieläkään onnistuttu havaitsemaan suoraan. Välilliset havainnotkin on kuitenkin arvioitu Nobelin arvoisiksi. Joseph Taylor ja Russell Hulse löysivät vuonna 1974 kaksoistähden, jossa pulsari kiertää tähteä. 

Vuosien mittaan niiden kiertoratojen todettiin kutistuvan suhteellisuusteorian mukaisesti, kun gravitaatioaaltojen oletettiin vievän järjestelmästä energiaa. Taylor ja Hulse saivat löydöstään fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1993.

Uudesta tutkimuksesta kerrottiin NRAO:n (National Radio Astronomy Observatory) uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal Supplements -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Roberts et al., NRAO/AUI/NSF

Galakseja on joka lähtöön: isoja ja pieniä, ellipsin muotoisia ja linssimäisiä, kierrehaaraisia ja epäsäännöllisiä.

Kosmisissa törmäyksissä galaksien rakenne voi muuttua rajusti, ja tähtijärjestelmä voi hajota kokonaan joutuessaan suuremman galaksin ahmaisemaksi.

Galaktinen kolarointi ja kannibalismi eivät kuitenkaan ole välttämättä ainoita syitä galaksien muodonmuutoksiin. Ne voivat muuntautua uuteen uskoon ihan itsekseenkin. 

Kansainvälinen tutkijaryhmä on havainnut ensi kertaa, että huomattava osa galakseista on muuttanut ulkomuotoaan sen jälkeen, kun ne syntyivät vuosimiljardeja sitten.  

Tähtitieteilijät tekivät Hubble- ja Herschel-avaruusteleskoopeilla havaintoja noin 10 000 galaksista. Ensin he lajittelivat suhteellisen läheiset galaksit kahteen ryhmään: litteisiin, kiekkomaisiin galakseihin ja suuriin, pallomaisiin galakseihin. Sitten he tekivät saman jaottelun kaukaisemmille galakseille, jotka näemme sellaisina kuin ne olivat maailmankaikkeuden nuoruudessa. 

Tilastollisesti tarkasteltuna 83 prosenttia kaikista tähdistä kuului nuoressa maailmankaikkeudessa kiekkomaisiin galakseihin. Sittemmin osuus on laskenut 49 prosenttiin. "Nykyisin" eli lähimaailmankaikkeudessa yli puolet tähdistä on pallomaisissa galakseissa.

Suuri osa maailmankaikkeuden galakseista on siis muuttunut tyystin toisenlaiseksi kuin ne olivat syntynsä jäljiltä. 

Suosittu teoria on, että muutokset ovat seurausta kosmisista kolareista. Kun kaksi kiekkomaista galaksia joutuu niin lähelle toisiaan, että ne sulautuvat yhteen, lopputuloksena on kumpaakin törmäilijää paljon suurempi pallomainen galaksi. 

Toisen teorian mukaan muodonmuutokset ovat tapahtuneet rauhallisemmin. Kiekkomaisen galaksin laitamilla syntyneet tähdet olisivat hitaasti vaeltaneet keskemmälle ja kasvattaneet spiraaligalaksille tyypillisen keskuspullistuman suureksi, pallomaiseksi galaksiksi. 

"Galaksit ovat universumin perusrakennuspalikoita, joten niiden muodonmuutos edustaa yhtä merkittävimmistä muutoksista maailmankaikkeuden olemuksessa ja ominaisuuksissa viimeksi kuluneiden kahdeksan miljardin vuoden aikana", arvioi tutkimusryhmää johtanut Steve Eales.

Tutkimuksesta kerrottiin Cardiffin yliopiston uutissivulla ja se on julkaistu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä.

Kuva: NASA

Quentin Parkerin ja Albert Zijlstran johtama tähtitieteilijäryhmä on löytänyt lähimmän galaktisen kolaripaikan. Ainoastaan 30 miljoonan valovuoden etäisyydellä kaksi samankokoista ja -massaista galaksia on törmäämässä suoraan toisiinsa. Seuraavaksi lähin vastaava spektaakkeli on havaittu yli 200 miljoonan valovuoden etäisyydellä.

Galaksien tiedetään kasvattavan kokoaan törmäilemällä toisiinsa ja sulautumalla yhteen. Tutkijat antoivat muodostumassa olevalle uudelle galaksille nimeksi "Kathryn's Wheel", sillä se muistuttaa ilotulituksissa käytettyä tulipyörää – ja Ziljstran vaimo on nimeltään Kathryn.

Vasemmanpuoleisessa kuvassa on yhdistetty vedyn tietyllä aallonpituudella (H-alfa) lähettämä säteily sekä punaisessa ja sinisessä valossa otetut kuvat. Oikeanpuoleisessa kuvassa H-alfasta on vähennetty punaisen valon aallonpituudet, jolloin tähtien syntyalueet korostuvat.

Rengasmainen rakenne on syntynyt, kun galaksien törmäyksessä muodostunut paineaalto on puristanut tähtienvälistä kaasua kasaan ja käynnistänyt kiivaan tähtien syntyprosessin. Taivaalta on löytynyt lukuisia esimerkkejä kosmisista kolareista, mutta näin suora törmäys on harvinainen. Vastaavia tapauksia tunnetaan alle 20.

Vaikka kolaroiva kaksikko sijaitsee melko lähellä, sitä ei ole aiemmin löydetty, sillä se piileksii Alttarin tähdistössä Linnunradan tiheiden tähtipilvien takana. Lisäksi samassa suunnassa on kirkas tähti, jonka loiste on peittänyt sen taakseen.

Törmäyksessä syntyneen renkaan massa on yllättävän pieni, vain joitakin miljardeja kertoja Aurinkoa suurempi eli prosentin luokkaa Linnunradan massasta. Se viittaa renkaiden syntyyn paljon pienempien galaksien törmäyksissä kuin aiemmin on arveltu.

Koska pienet galaksit ovat paljon runsaslukuisampia kuin suuret, rengasmuodostelmat saattavat olla kymmenen kertaa oletettua yleisempiä. Uuden löydön tehneet tähtitieteilijät aikovatkin tehdä lisähavaintoja suurilla teleskoopeilla, jotta törmäyksen ja sen seurausten yksityiskohdista saadaan tarkempaa tietoa.

Kolarista kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä. 

Kuvat: Ivan Bojicic / the scientific team

Gammapurkaukset ovat universumin voimallisimpia ilmiöitä. Yhdessä ainoassa purkauksessa voi vapautua muutamassa sekunnissa yhtä paljon energiaa kuin Aurinko säteilee koko kymmenen miljardin vuoden mittaisen elinkaarensa aikana. 

Gammapurkausten säteily kantaa kevyesti useiden miljardien valovuosien päähän ja ne voivat paljastaa kohteita, joita ei muuten voitaisi havaita lainkaan. Purkausten syytä ei vielä varmuudella tiedetä, mutta niiden arvellaan syntyvän massiivisten tähtien romahtaessa kaukaisissa galakseissa mustiksi aukoiksi.

Tähtitieteilijät ovat tehneet gammapurkaustn avulla uuden ennätyksen: seitsemän miljardin valovuoden etäisyydeltä on löytynyt galaksien muodostama rengas (kuvassa keskellä), joka on maailmankaikkeuden tunnetuista rakenteista ylivoimaisesti suurin.

Lajos Balazsin johtama ryhmä on tutkinut tarkemmin yhdeksää gammapurkausta, jotka on havaittu sekä avaruudessa että maanpinnalla olevien observatorioiden havaintolaitteilla. Ne kaikki näyttävät sijaitsevan samalla etäisyydellä. Taivaalla niiden muodostamalla renkaalla on läpimittaa 36 astetta eli yli 70 kertaa Kuun näennäinen läpimitta.

Mikäli purkausten etäisyydet on määritetty oikein, rengas on todellisuudessa halkaisijaltaan yli viisi miljardia valovuotta. Tutkijoiden mukaan todennäköisyys, että gammapurkaukset muodostaisivat sattumalta tietyllä etäisyydellä olevan renkaan, on vain 1/20 000.

"Jos rengas on todellinen rakenne, näemme sen jokseenkin kohtisuorasta suunnasta, sillä gammapurkausten etäisyydet sen keskustasta vaihtelevat vain vähän. Toisaalta rengas voi olla kuvajainen pallosta, missä kaikki havaitut gammapurkaukset tapahtuivat 250 miljoonan vuoden kuluessa. Maailmankaikkeuden ikään verrattuna se on lyhyt aika", pohtii Balazs.

Jos kyseessä on pallo, se voi puolestaan muodostua suuren mittakaavan tyhjiä aukkoja ympäröivistä galaksijoukkojen ketjuista. Monet maailmankaikkeuden mallit ennustavat, että avaruus on kuin saippuavaahtoa; tosin nyt havaittu rakenne on vähintään kymmenen kertaa suurempi kuin aiemmin tunnetut "kuplat".

Kosmologisen periaatteen mukaan maailmankaikkeus on kaikkein suurimmassa mittakaavassa tasainen. Teoreettisesti suurimmat rakenteet olisivat läpimitaltaan korkeintaan 1,2 miljardia valovuotta. Vastikään löytynyt rengas on lähes viisi kertaa suurempi.

"Jos olemme oikeassa, rakenne on ristiriidassa nykyisten maailmankaikkeuden mallien kanssa. Oli suuri yllätys löytää jotain näin suurta emmekä vieläkään ymmärrä, miten se on voinut ylipäätään syntyä", Balazs päättää.

Valtavasta renkaasta kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivulla ja tutkimus on julkaistu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -lehdessä.

Kuva: L. Balazs

Kuten Linnunradan käsikirja liftareille toteaa, avaruus on iso, tosi iso. Ja ilmeisesti myös tyhjempi kuin tähän asti on luultu. Galakseja saattaa olla vain sadasosa aiemmin arvioidusta.

Hubble-avaruusteleskoopin "syvien" eli hyvin kaukaiseen maailmankaikkeuteen yltävien otosten perusteella on laskeskeltu kaukaisten galaksien lukumääriä, mutta tulokset saattavat olla pahasti pielessä. 

"Tutkimuksemme viittaa siihen, että himmeitä galakseja on selvästi vähemmän kuin olemme uskoneet", toteaa Brian O’Shea, Michiganin valtionyliopiston fysiikan ja tähtitieteen professori.

"Aikaisempien arvioiden mukaan himmeiden galaksien lukumäärä varhaisessa maailmankaikkeudessa olisi ollut satoja tai tuhansia kertoja suurempi kuin Hubble-avaruusteleskoopilla havaittujen kirkkaiden galaksien määrä. Nyt näyttää siltä, että kerroin on vain luokkaa kymmenen."

O’Shean johtama tutkijaryhmä mallinsi galaksien syntyä nuoressa maailmankaikkeudessa Blue Waters -supertietokoneella. Simulaatiossa oli mukana tuhansia galakseja sekä niiden väliset gravitaatio- ja säteilyvuorovaikutukset.

Mallinnus tuotti kirkkaita galakseja jokseenkin havaitun määrän, mutta himmeämpien ja siksi havaitsemattomien tähtijärjestelmien kohdalla tulokset poikkesivat selkeästi aikaisemmista laskelmista. Niiden määrä ei kasvanutkaan eksponentiaalisesti kirkkauden pienentyessä vaan pysyi suunnilleen vakiona. 

Simulaatioita päästään vertaamaan havaintoihin muutaman vuoden kuluttua, kun Webb-avaruusteleskooppi saadaan avaruuteen vuonna 2018. Sillä voidaan tutkia paljon himmeämpiä kohteita kuin Hubblella.

Webbin näkökenttä on kuitenkin suhteellisen pieni, joten havaintoja tulkittaessa on otettava huomioon, että tilastollisesti galaksien määrä vaihtelee maailmankaikkeuden kolkasta toiseen. Se tekee O’Shean ryhmän tekemistä ja muista vastaavista mallinnuksista yhä tärkeämpiä.

"Tarvitsemme entistä syvällisempää teoreettista ymmärrystä, jotta voimme tulkita oikein näkemämme", O’Shea arvioi.

Uudesta tutkimuksesta kerrottiin Michiganin valtionyliopiston uutissivuilla ja se julkaistiin Astrophysical Journal Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/CXC/STSci/DSS/Magellan

Infrapuna-alueella toimivan Spitzer-avaruusteleskoopin ottamien kuvien pohjalta 75 galaksia on järjestetty niiden rakenteen mukaiseen kaavioon. Galaksien ulkomuoto vaihtelee huomattavasti enemmän kuin alkuperäisen Hubblen äänirautakaavion mukaisessa luokittelussa. Selkeiden tyyppigalaksien lisäksi on paljon rajatapauksia, joissa on kahden tai useamman luokan ominaisuuksia. Infrapunakuvissa galaksien vanhat tähdet näkyvät sinisinä ja tähtien syntyalueet sekä nuoret tähdet punaisina. Kuvan voi ladata julistemuodossa täältä. Vuonna 2003 avaruuteen laukaistun Spitzer-teleskoopin instrumenttien jäähdytykseen käytetty nestemäinen helium loppui vuonna 2009, mutta osa sen laitteista on edelleen toiminnassa.

1920-luvun lopulla kosmologian mullistanut Edwin Hubble kehitti ennen galaksien etääntymistä koskevien tutkimustulostensa julkaisua niiden rakennetta kuvaavan, ulkomuodostaan nimensä saaneen ”äänirautakaavion”. Hubblen käsityksen mukaan kaavio kuvaa galaksien rakenteen lisäksi niiden kehitystä: pallomaiset galaksit venyvät ensin elliptisiksi ja myöhemmin niille kehittyy spiraalirakenne. Sittemmin ajatus on osoittautunut vääräksi. Yksinkertainen kaavio on tiedon lisääntyessä muutenkin huomattavasti monimutkaistunut – huominen ”päivän kuva” kertoo, miten.