Fermi-avaruusteleskooppi

Tällä viikolla uutisoitiin, kuinka "samalla suunnalla" havaittiin vain 0,4 sekuntia myöhemmin voimakas gammapurkaus. Joidenkin arvioiden mukaan havainnot liittyisivät toisiinsa.

Kuvasta voi päätellä, kuinka tarkasti voidaan puhua "samalla suunnalla" esiintyneistä ilmiöistä. Gammapurkauksen havainnut Fermi-avaruusteleskooppi pystyy määrittämään säteilyn tulosuunnan parhaimmillaan asteen kymmenesosien tarkkuudella, mutta LIGO-laitteistoilla tilanne on toinen.

Koko taivasta esittävään kuvaan erivärisin viivoin merkityt alueet kuvastavat todennäköisyyksiä, joilla gravitaatioaallot ovat tulleet kultakin suunnalta. Pinkki viiva rajaa aluetta, jolta signaali on peräisin 90 prosentin todennäköisyydellä ja sisin eli vaaleankeltainen aluetta, jolla todennäköisyys on vain 10 prosenttia.

Gravitaatioaaltojen tulosuunnan määritys perustuu seitsemän millisekunnin aikaeroon, joka oli Louisianassa sijaisevan Livingstonin ja Washingtonissa sijaitsevan Hanfordin observatorioiden havaitsemien signaalien välillä.

Pelkän aikaeron perusteella saatiin laskettua koko taivaan kiertävä rengas, jonka kohdalta aallot tulivat. Kun lisäksi tarkasteltiin signaalien voimakkuuksia ja niissä esiintyneitä vaihteluita, voitiin osa renkaasta eliminoida, jolloin jäljelle jäivät kuvan esittämät alueet.

Jos käytössä olisi ollut kolmas tai mieluummin vielä useampi observatorio, suunta olisi saatu määritettyä huomattavasti tarkemmin. Onneksi uusia havaintolaitteita on jo valmisteilla.

Kuva: LIGO/Axel Mellinger

0FGL J2339.8-0530 on voimakas gammasäteilylähde, joka päätyi Fermi-avaruusteleskoopin kohdeluetteloon vuonna 2009. Muilla aallonpituuksilla tehdyt havainnot paljastivat, että se on millisekuntipulsari, joka kuuluu hyvin lähekkäiseen kaksoistähtijärjestelmään. 

Millisekuntipulsarit ovat tiheitä neutronitähtiä, massiivisten tähtien jäännöksiä, jotka nimensä mukaisesti pyörivät niin vinhasti, että ne tuikahtavat millisekuntien välein. Pulsarien voimakas magneettikenttä suuntaa niiden säteilyn kahteen kapeahkoon keilaan, jotka saavat ne näyttämään kosmisilta majakoilta. 

Gammasäteilylähteen toinen luettelonimi on PSR J2339-0533 – jos se nyt tekee muistamisen helpommaksi – ja sen radiosäteily paljasti kaksoistähdessä käynnissä olevan vuorovaikutuksen. 

Pulsarin voimakas säteily kuumentaa kaksoistähden toista osapuolta, tavallista tähteä, ja höyrystää sen uloimpia kerroksia. Höyrystyneestä aineesta muodostuu kaasupilviä, jotka imevät itseensä pulsarin radiosäteilyä ja aika ajoin peittävät sen "näkyvistä".

Gammasäteily sen sijaan läpäisee vaivatta kaasun ja tarjoaa aallonpituusalueen, jolla kaksoistähden ominaisuuksia on nyt pystytty määrittämään yksityiskohtaisesti. Pulsari ja tähti kiertävät toisensa kerran 4,6 tunnissa, mutta kiertoliike ei ole tasaista. Fermi-avaruusteleskoopin avulla pystyttiin tekemään huipputarkkoja havaintoja ja ne paljastivat kaksoistähden kiertoliikkeessä odottamattomia vaihteluja.

"Muutokset ovat ainoastaan joitakin sekunnin tuhannesosia, mutta verrattuna sekunnin miljoonasosien havaintotarkkuuteen, ne ovat suuria", kertoo tutkijaryhmään kuulunut Colin Clark. "Maan kiertoliikkeeseen suhteutettuna se tarkoittaisi, että vuoden pituus vaihtelisi kymmeniä sekunteja suuntaan tai toiseen."

Poikkeuksellinen tarkkuus perustui uuteen tapaan tarkastella lähteen lähettämää säteilyä. "Toisin kuin aikaisemmissa havaintomenetelmissä, joissa tarkasteltiin useiden gammafotonien keskimääräistä saapumisaikaa ja näin menetettiin ajallinen erotuskyky, meidän soveltamamme menetelmä perustuu yksittäisten fotonien saapumisaikoihin", selittää Clark. 

Todennäköisimpänä syynä kiertoajan vaihteluun pidetään pieniä muutoksia tähden muodossa. Niiden taustalla olisi puolestaan magneettinen aktiivisuus, periaatteessa samanlainen, mutta paljon voimakkaampi ilmiö kuin Auringossa. Kun tähden muoto muuttuu, tapahtuu myös sen vetovoimassa muutoksia, ja se vaikuttaa tähden ja pulsarin keskinäiseen kiertoliikkeeseen.  

Asia ei kuitenkaan ole vielä loppuunkäsitelty eikä selitys täysin vankalla pohjalla. "Tulevaisuudessa samaan aikaan näkyvän valon alueella tehtävät havainnot auttavat meitä osoittamaan tähden aktiivisuuden ja kiertoajan muutosten välisen riippuvuuden", toivoo tutkijaryhmää johtanut Holger Pletsch.

Tutkimuksesta kerrottiin Albert Einstein -instituutin uutissivulla ja se julkaistiin The Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: Knispel/AEI/SDO/AIA/NASA/DSS