maailmankaikkeus

Vetyä, heliumia ja litiumia lukuun ottamatta kaikki universumin alkuaineet – myös elämän kannalta keskeiset hiili, happi ja typpi – ovat tulosta tähtien ydinfuusiosta. Ikääntyvien tähtien räjähtäessä alkuaineet leviävät avaruuteen ja niiden määrä kasvaa tähtisukupolvesta toiseen.

ALMA-teleskoopilla (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) tehtyjen havaintojen perusteella happea on esiintynyt maailmankaikkeudessa jo 13,28 miljardia vuotta sitten eli vain 500 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Universumin ikä oli tuolloin ainoastaan neljä prosenttia nykyisestä.

Jotta nuoreen galaksiin, joka tunnetaan luettelotunnuksella MACS1149-JD1, olisi ennättänyt kertyä havaittava määrä happea, sen tähtien on täytynyt syttyä loistamaan jo paljon aikaisemmin, vain 250 miljoonan vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa.

"Oli jännittävää nähdä kaikkein kaukaisimman hapen signaali", kertoo tutkimusta johtanut Takuya Hashimoto Osaka Sangyo -yliopistosta.

"Äärimmäisen kaukainen ja äärimmäisen nuori galaksi osoittaa hämmästyttävää kemiallista kypsyyttä", ihmettelee puolestaan Wei Zheng, jonka johdolla määritettiin galaksin etäisyys Hubble-avaruusteleskoopin avulla.

Galaksien varhaisvaiheiden simulointikaan ei ole yksinkertaista, sillä yhdessä ainoassa galaksissa voi olla satoja miljardeja tähtiä, kaasusta ja pölystä puhumattakaan. Ja mitä suurempaa avaruuden aluetta mallinnetaan, sitä enemmän siinä on yksittäisiä galakseja.

Tähän saakka massiivisin simulaatio tehtiin vuonna 2015. Nyt tuota "Illustris"-mallia on laajennettu ja uuden sukupolven simulaatiolle on annettu nimeksi "Illustris, The Next Generation".

Sekä tarkkuutta että tilavuutta on kasvatettu siten, että kolmesta uudesta mallista laajimmassa on laskentapisteitä 30 miljardia ja tarkasteltava avaruuden alue on yhdeltä kantiltaan melkein miljardi valovuotta.

Simuloidussa kuvassa kaasun lämpötilaa on kuvattu eri väreillä ja painetta kirkkauden vaihteluilla. Punainen väri suurten galaksijoukkojen keskusalueilla tarkoittaa 10 miljoonaa kelviniä. Kirkkaimmat rakenteet puolestaan kuvaavat galaksienvälistä kaasua, joka puristuu kasaan kosmisten onkaloiden ja säikeiden raja-alueilla.

Hankkeessa on ollut mukana useita yliopistoja ja tutkimuslaitoksia, ja varsinainen laskenta on tehty Stuttgartissa yhdessä Gauss-superlaskentakeskuksen kolmesta laitoksesta. Tutkijaryhmällä oli käytössä kaikkiaan 24 000 laskentaydintä, joilla tietokoneaikaa kertyi yhteensä 35 miljoonaa tuntia. Nyt julkaistun simulaation pyörittäminen aloitettiin jo kaksi vuotta sitten maaliskuussa 2016.

Galaksien synnyn simulointi ei ole pelkkää teoreettista numeroiden murskaamista, vaan se perustuu myös havaintoihin. Tietokoneeseen on syötettävä alkuehdot ja -arvot sekä esimerkiksi tähtien syntyä ja supermassiivisten mustien aukkojen kasvua kuvaavat algoritmit.

Liekö kosmista huumorintajua, että Stephen Hawking oli syntynyt tasan 300 vuotta sen jälkeen kun Galileo Galilei kuoli, ja hän kuoli päivälleen 139 vuotta sen jälkeen kun Albert Einstein syntyi.

Maailmankaikkeus ei ole Hawkingin poismenosta moksiskaan, mutta meidän tietämyksemme maailmankaikkeudesta olisi valtaisasti nykyistä vajavaisempi, ellei Hawking olisi pohtinut sitä kymmeniä vuosia parantumattoman sairauden runtelemaan kehoon kahlitussa mielessään.

Hawkingilla todettiin liikehermoja rappeuttava amyotrofinen lateraaliskleroosi eli ALS-tauti hänen ollessaan 21-vuotias. Elinaikaa hänelle luvattiin korkeintaan kaksi vuotta.

Yli viisikymmentä vuotta jatkuneella laina-ajalla Hawking selvitti useita kosmoksen arvoituksia, mutta keksi myös uusia ominaisuuksia ja omituisuuksia, joita kukaan muu ei ollut tullut ajatelleeksikaan.

"Mustat aukot eivät säteile."

Näin uskottiin, kunnes Hawking meni mullistamaan käsitykset laskemalla, että ne voivat säteillä itsensä olemattomiin virtuaalihiukkasten karanneina osapuolina. Tätä "Hawkingin säteilyä" on vain äärimmäisen vaikea havaita ja siksi Nobel jäi Hawkingilta saamatta. Hyvistäkään teorioista palkintoa ei jaeta.

Kirjaimellisesti tähtitieteellisen suuret luvut, liki-ikuisuudet ja käsittämättömät kvantti-ilmiöt eivät Hawkingia pelottaneet. Välillä tuntui, että hän ilkikurisuuttaan valikoi tutkimusaiheensa sen mukaan, kuinka paljon hänen kollegansa joutuisivat vaivaamaan päätään päästäkseen kärryille, mistä kulloinkin on kyse.

Omien ja läheistensä sanojen mukaan Hawkingilla oli poikkeuksellinen kyky ”nähdä” tarvittavat mielettömän mutkikkaat laskelmat mielessään. Yhtälöiden piirustelu paperille tai liitutaululle oli mahdotonta, edes kirjojen tai lehtien sivujen kääntely ei sairauden edetessä onnistunut.

Kaikki oli tehtävä päässä.

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen astrofysiikan apulaisprofessori Peter Johansson on kehittänyt yhteistyössä irlantilaisten ja amerikkalaisten tutkijoiden kanssa simulaatiomallin, jonka avulla voidaan kuvata supermassiivisten mustien aukkojen muodostumista varhaisessa maailmankaikkeudessa entistä tarkemmin.

Tutkimus julkistettiin tuoreessa Nature Astronomy -lehdessä.

Sen mukaan supermassiivisia mustia aukkoja oli olemassa jo hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa, silloin, kun sen ikä oli alle 800 miljoonaa vuotta. Tämän ovat aiemmat havainnot osoittaneet.

Mustien aukkojen kasvu oli kituliasta

Johanssonin mukaan galaksien keskustoista löytyvien supermassiivisten mustien aukkojen massat voivat olla miljoonia tai jopa useita miljardeja kertoja aurinkoa suurempia, kun tyypillisesti massiivisten tähtien jälkeen jättämien mustien aukkojen massat ovat 5-20 kertaa Auringon massaa suurempia.

"Nämä havainnot ovat jossain määrin yllättäviä, koska mustien aukkojen massojen kasvattaminen kymmenistä auringon massoista miljardeihin auringon massoihin lyhyessä ajassa on hankalaa", sanoo Johansson.

Mustan aukon massan kasvattaminen onnistuu parhaiten kaasua syömällä, mutta samalla kun kaasu syöksyy kohti mustaa aukkoa, se kuumenee hyvin voimakkaasti johtuen kitkavoimista ja suuresta painovoimakentästä. Tämä kuuma kaasu säteilee voimakkaasti, ja osa säteilystä kytkeytyy takana tulevaan kaasuun aiheuttaen säteilypainetta, joka estää kaasun putoamisen mustaan aukkoon.

"Mustia aukkoja ei ikään kuin voi pakkosyöttää, koska liian suuri putoava kaasun määrä aiheuttaa voimakkaan säteilyryöpyn, joka puskee kaasua takaisin."

Galaksien taistelua

Viimeisten vuosien aikana on kehitetty myös vaihtoehtoinen malli selittämään supermassiivisten mustien aukkojen syntymistä varhaisessa maailmankaikkeudessa.

Tässä niin sanotussa ”suorassa romahdusmallissa” isot kaasupilvet, joiden massat vastaavat 10 000 - 100 000 Auringon massaa, romahtavat suoraan verrattain massiivisiksi mustiksi aukoiksi.

Tällainen suora romahtaminen edellyttää, että kaasun jäähtyminen varhaisessa maailmakaikkeudessa on ollut tehotonta, koska muuten kaasupilvi fragmentoituisi ja seurauksena syntyisi tähtiä.

Varhaisessa maailmankaikkeudessa ainut tapa jäähdyttää kaasua matalilla lämpötiloilla on molekulaarinen vety.

Nyt Nature Astronomy -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa osoitetaan ensimmäistä kertaa, että jos kaksi galaksia syntyy lähes samanaikaisesti, ensimmäisen galaksin tähtien säteily voi tuhota molekulaarisen vedyn toiseksi syntyvästä galaksista.

Näin toiseen muodostuvaan galaksiin voi syntyä suuri musta aukko kaasupilven suorassa romahduksessa, josta kasvaa varsin nopeasti miljardin auringon massainen musta aukko. Tämän havainnot osoittavat.  

Tutkimusartikkeli Rapid formation of massive black holes in close proximity to embryonic protogalaxies on julkaistu Nature Astronomyn lisäksi kaikille avoimessa ArXiv:ssa.

Otsikkokuvassa on hahmotelma siitä, miltä protogalaksin lähelle syntyvä supermassiivinen musta aukko voisi näyttää. Sen massa vastaa kymmeniä tuhansia Auringon massoja ja sitä ympäröi kiertymäkiekko, mistä siitä lähtee symmetrisiä materiasuihkuja. Nuoressa protogalaksissa (oikealla) loistaa kirkkaana suuri joukko nuoria massiivisia tähtiä. Kuva vastaa simulaation tilannetta punasiirtymällä z=24, noin 140 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Kuvaoikeudet: J. Wise (Georgia Tech) & J. Regan (Dublin City).

Artikkeli on Helsingin yliopiston tiedote hieman editoituna.

Kaukaisin tunnettu galaksi on peräti 13,4 miljardin valovuoden etäisyydellä. Maailmankaikkeudella oli tuolloin ikää alle 400 miljoonaa vuotta.

Hubble-avaruusteleskoopilla kuvattu galaksi GN-z11 on Ison karhun tähdistön suunnassa. Galaksi on tutkijoiden mukaan "yllättävän kirkas".

"Olemme ottaneet merkittävän askeleen ajassa taaksepäin, kauemmas kuin oletimme olevan mahdollista Hubblen avulla. Näemme galaksin ajanhetkenä, jolloin maailmankaikkeuden ikä oli ainoastaan kolme prosenttia nykyisestä eli hyvin lähellä niin sanotun Pimeän ajan päättymistä", toteaa tutkimusta johtanut Pascal Oesch Yalen yliopistosta.

Aiemmin GN-z11:n etäisyys oli arvioitu sen värin perusteella. Nyt onnistuttiin kuitenkin määrittämään kohteen spektrin avulla sen tarkka etäisyys. Laajenevassa maailmankaikkeudessa spektriviivojen siirtymän määrä kohti punaista kertoo, kuinka kaukana kohde on. 

"Suureksi yllätykseksemme Hubble antoi punasiirtymäksi 11,1, joka on paljon suurempi kuin edellinen ennätys 8,7. Suoritus on melkoinen, sillä avaruusteleskooppi onnistui päihittämään paljon suuremmat maanpäälliset kaukoputket, jotka pitivät aiempia ennätyksiä hallussaan", sanoo Pieter van Dokkum niin ikään Yalen yliopistosta.

Hänen mukaansa uusi etäisyysennätys pitänee pintansa siihen saakka, että James Webb -avaruusteleskooppi saadaan käyttöön vuonna 2018.

GN-z11 on havaintojen mukaan kooltaan ainoastaan 1/25 Linnunradasta ja sen tähtien massa on vain prosentin luokkaa kotigalaksimme tähtien massasta. Vastikään muodostunut galaksi kasvattaa kokoaan kuitenkin nopeasti, sillä siinä syntyy uusia tähtiä noin 20 kertaa nopeammin kuin Linnunradassa nykyisin. Siksi GN-z11 on niin kirkas, että siitä pystyttiin tekemään havaintoja Hubblella.

"On hämmästyttävää, että niin massiivinen galaksi saattoi olla olemassa vain 200–300 miljoonaa vuotta sen jälkeen kun ihkaensimmäiset tähdet alkoivat muodostua", aprikoi Garth Illingworth Kalifornian yliopistosta Santa Cruzista.

"Vaatii todella vauhdikasta kasvua ja tähtien syntyä huimaan tahtiin, jotta miljardin Auringon massainen galaksi on voinut muotoutua niin pian."

Tutkimuksesta kerrottiin Yalen yliopiston uutissivulla ja se julkaistaan Astrophysical Journal -tiedelehdessä. 

Kuva: NASA/ESA/P. Oesch (Yale University)

Alkuräjähdyksen jäljiltä maailmankaikkeus oli niin kuuma ja tiheä, että kaikki aine oli ionisoitunutta – toisin sanoen elektronit olivat ytimien ympäriltä karkuteillä. 

Kuitenkin jo 380 000 vuoden kuluttua lämpötila oli laskenut niin paljon, että atomien ytimet ja elektronit löivät hynttyyt yhteen. Alati laajeneva maailmankaikkeus muuttui läpinäkyväksi, säteily pääsi kulkemaan esteettä ja aine saattoi kasautua vety- ja heliumpilviksi.

Valtavista kaasupilvistä muodostuivat ensimmäiset ja tähdet ja galaksit – kunnes noin miljardi vuotta myöhemmin maailmankaikkeus kuumeni uudelleen.

Ylivoimaisesti yleisin alkuaine vety ionisoitui uudelleen, mutta tähän saakka syytä siihen ei ole tiedetty. Tai ainakin siitä on käyty kovaa kiistaa.

Nyt näyttäisi siltä, että syypäitä tähän kuumentumiseen olivat nuoret kääpiögalaksit. 

Galaksit ovat olleet aiemminkin epäiltyjen listalla, mutta kansainvälinen tutkijaryhmä on tehnyt Hubble-avaruusteleskoopilla ultraviolettihavaintoja, jotka vahvistavat arvelun. 

Tutkimuksen kohteena oli suhteellisen läheinen, hyvin tiivis kääpiögalaksi. Sen todettiin lähettävän voimakkaasti ionisoivaa säteilyä, juuri sellaista, joka voisi olla vastuussa maailmankaikkeuden alkuaikojen ionisaatiosta.

"Galaksi vaikuttaa erinomaiselta paikalliselta vastineelta lukuisille kääpiögalakseille, joiden on arveltu aiheuttaneen varhaisen maailmankaikkeuden ionisoitumisen uudelleen", toteaa tutkijaryhmää johtanut Trinh Thuan Virginian yliopistosta.

Teorian ongelmana on ollut se, että galaksien lähettämän ionisoivan säteilyn pitää päästä etenemään galaksienväliseen avaruuteen: yleensä sen matka päättyy jo galaksien omiin kaasu- ja pölypilviin. Aiemmin ei ole onnistuttu havaitsemaan galaksia, joka lähettäisi riittävästi ultraviolettisäteilyä riittävän kauas avaruuteen.

Tuoreen tutkimuksen kohteiksi valittiin "vihreiksi herneiksi" kutsuttuja pienikokoisia, pyöreitä, hyvin tiiviitä ja näkyvän valon alueella vihreinä näkyviä galakseja. Niissä tapahtuu voimakkaita supernovaräjähdyksiä, joissa vapautuvat ionisoivat fotonit pääsevät galaksienväliseen avaruuteen saakka. Tai näin oletettu. Ja ihan syystä.

Sloan Digital Sky Survey -kartoituksen tietokannasta löytyi peräti 5 000 galaksia, jotka ovat hyvin tiiviitä ja säteilevät hyvin voimakkaasti ultraviolettialueella. Niistä viisi valittiin Hubble-avaruusteleskoopilla tehtävien havaintojen kohteiksi.

Yksi niistä, kuvassa näkyvä J0925+1403, on noin kolmen miljardin valovuoden etäisyydellä. Vain noin 6 000 valovuoden läpimittaisen galaksin todettiin lähettävän ionisoivia fotoneita voimakkaammin kuin koskaan aiemmin on havaittu.

"Hubblella tehtävien lisähavaintojen avulla odotamme ymmärtävämme paremmin, miten fotonit sinkoutuvat tällaisista galakseista, ja millaiset galaksit saivat aikaan kosmisen ionisoitumisen", sanoo Trinh.

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert-uutissivustolla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA

Kuvassa on koostettuna suuri määrä teleskoopeilla, luotaimilla ja jopa Mars-kulkijoilla otettuja kuvia, jotka tähtitieteilijät J. Richard Gott ja Mario Juric keräsivät taiteilijan pyynnöstä. Lisäksi kuvassa on spektrivärit yli kolmesta miljoonasta kohteesta, eli väritys kuvassa vastaa varsin lähelle luonnollista.

Maa on keskellä ja maailmankaikkeus sen ympärillä siten, että kohteet eivät ole suinkaan kooltaan oikeassa suhteessa toisiinsa, mutta kappaleiden ja kohteiden etäisyydet ovat jotakuinkin oikeassa suhteessa logaritmisen asteikon mukaan laskettuna.

Mittakaava siis muuttuu nopeasti keskeltä ulospäin mentäessä – tässä tapauksessa kymmenkantaisesti, eli koko ajan kymmenen kertaa suuremmaksi muuttuen.

Näin kuvaan saadaan mukavasti mukaan planeettoja, Kuiperin vyöhyke, Oortin pilvi, Alfa Kentauri, Perseuksen haara Linnunradassa ja sen jälkeen muut osat kotigalaksistamme, sekä lopulta lähigalakseja, kauempia tähtijärjestelmiä ja niin sanottu galaksimuuri, ja aivan uloimpana big bangin jälkikaikuina oleva plasmaa. 

Itse asiassa Princetonin tähtitieteilijät ovat tuottaneet logaritmisia maailmankaikkeuskarttoja jo aikaisemminkin, mutta Pablo Carlos Budassi halusi tehdä niiden perusteella visuaalisesti miellyttävämmän kuvan.

Kuvan täysikokoinen versio on täällä.

Kun Higgsin hiukkanen, joka antaa muille hiukkasille massan, löydettiin CERNissä vuonna 2012, yksi hiukkasfysiikan niin sanotun standardimallin keskeisistä palasista loksahti paikalleen. Samalla heräsi visaisia kysymyksiä, joista yksi liittyy koko kosmokseen: miten maailmankaikkeus voi olla olemassa.

Higgsin hiukkaset syntyivät, kun maailmankaikkeus laajeni inflatorisesti. Teorioiden mukaan sen olisi pitänyt johtaa epävakauteen, josta olisi ollut seurauksena maailmankaikkeuden romahtaminen heti alkumetreillään. Niin ei käynyt, koska olemme täällä pohtimassa siihen syytä.

Lontoon Imperial Collegessa professorina toimiva Arttu Rajantie selvitti työryhmineen viime vuonna, että maailmankaikkeuden pelasti luhistumiselta Higgsin hiukkasen ja gravitaation välinen vuorovaikutus. Nyt työryhmä on saanut määritettyä tuon vuorovaikutuksen voimakkuuden paljon aiempaa tarkemmin.

Vuorovaikutuksen voimakkuus on standardimallin viimeinen tuntematon parametri. CERNin LHC-kiihdyttimellä (Large Hadron Collider) tehtyjen kokeiden perusteella sen arvo on saatu määritettyä hyvin epätarkasti miinus kvadriljoonan ja kvadriljoonan välille (-10¹⁵–10¹⁵).

Tutkimalla välittömästi inflaatiota seurannutta ajanjaksoa, jolloin maailmankaikkeuden laajeneminen hidastui ja tasaantui, työryhmä on onnistunut parantamaan tarkkuutta huimasti: arvo on tuoreen arvion mukaan nollan ja yhden välillä. Jos se olisi suurempi kuin yksi, maailmankaikkeus olisi luhistunut kasaan.

Maailmankaikkeuden varhaisia vaiheita kuvaavia inflaatioteorioita on useita ja monet niistä ovat sopusoinnussa uuden tuloksen kanssa. Jatkotutkimukset ja tulevat havainnot saattavat auttaa tutkijoita ratkaisemaan, mikä teorioista on oikea.

"Olemme määrittäneet Higgsin hiukkasen ja gravitaation väliselle voimakkuudelle paljon aiempaa rajatumman vaihteluvälin", toteaa Rajantie. "Tulevissa hiukkaskokeissa ja kosmologisissa havainto-ohjelmissa tiedämme nyt paremmin, mitä etsiä, jotta saisimme selville tarkan arvon. Kun se yhdistetään muihin tietoihin, voimme kenties ratkaista, mikä inflaatioteoria on se oikea."

Tulevaisuudessa on tarkoitus toteuttaa useitakin kosmologiaan ja hiukkasfysiikkaan liittyviä tutkimushankkeita, joilla vuorovaikutuksen voimakkuuden arvoa pystytään entisestään tarkentamaan. 

Esimerkiksi LHC-kiihdyttimen energia on kaksinkertaistettu sitten Higgsin hiukkasen löytymisen ja vastikään avaruuteen laukaistu LISA Pathfinder -luotain tähtää gravitaatioaaltojen havaitsemiseen – ja ne voivat kertoa osaltaan myös maailmankaikkeuden varhaisvaiheiden olosuhteista.

Tutkimuksesta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja se on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Imperial College London