Musta aukko muistuttaa tikkataulua

Kesäkuun 15. päivänä NASAn Swift-satelliitti havaitsi taivaalla harvinaisen purkauksen. Joutsenen tähdistön suunnassa sijaitseva V404 Cygni on kaksoisjärjestelmä, jossa musta aukko ja auringonkaltainen tähti kiertävät toisiaan. 

Toisinaan aineen syöksyminen mustaan aukkoon saa aikaan purkauksen, joka näkyy röntgenalueella. Edellisestä on aikaa jo yli neljännesvuosisata, mutta ensimmäinen purkaus sitten vuoden 1989 ei ollut tässä omituisinta.

Kun tähtitieteilijät tarkkailivat purkauksen kehittymistä, kirkkaan röntgenkohteen ympärille alkoi syttyä samankeskisiä renkaita. Kesäkuun lopussa kohde muistutti kesämökin seinällä roikkuvaa tikkataulua. Renkaat laajenivat ja pian ne olivat näennäiseltä kooltaan samaa luokkaa kuin täysikuu. 

Ilmiö johtuu "röntgenkaiusta". Mustaan aukkoon syöksyvän kuuman aineen lähettämä säteily leviää joka suuntaan ja heijastuu avaruudessa olevista pölypilvistä. Heijastunut säteily kulkee pidemmän matkan kuin suoraan kohteesta tuleva, joten Maahan saakka se saapuu hieman myöhemmin. Siksi heijastumat näkyvät hiljalleen laajenevina renkaina.

 

V404 Cygnin etäisyys on noin 8 000 valovuotta ja sen säteilyä heijastavat pölypilvet ovat 4 000–7 000 valovuoden etäisyydellä Maasta. Pilvistä heijastuva säteily on peräisin 26. kesäkuuta tapahtuneesta voimakkaasta räjähdyksestä, joka liittyy aiemmin alkaneeseen purkaukseen.

Renkaiden laajenemista seuraamalla tutkijat saavat tietoa avaruuden pölypilvistä, jotka muuten pysyttelevät näkymättömissä. Samalla heijastumat kertovat purkauksen yksityiskohdista ja etenemisestä.

Röntgenrenkaista kerrottiin NASAn uutissivuilla.

Kuvat: NASA Scientific Visualization Studio (Kuu)/Andrew Beardmore (University of Leicester)/NASA/Swift (V404 Cygni)

Supernovaräjähdys 1987A oli oudon toispuoleinen

Kuva: NASA/JPL-Caltech/UC Berkeley

Supernovaräjähdys 1987A vaikuttaa olleen erittäin toispuoleinen. NASAn NuSTAR-teleskoopin havaintojen mukaan suurin osa tähden räjähtäneistä ulko-osista kiitää meistä poispäin huimaa 720 kilometrin sekuntivauhtia (2,6 milj. km/h). Tästä voidaan päätellä, että tähden entinen ydin (olipa se sitten nykyisin neutroni- tai kvarkkitähti tai musta aukko) on Newtonin lain mukaan matkalla vastakkaiseen suuntaan.

1987A räjähti Suuressa Magellanin pilvessä 168000 valovuoden päässä, ja näkyi Maassa vuonna 1987. Se on toistaiseksi meitä lähin modernina aikana sattunut supernovaräjähdys, ja sitä on seurattu intensiivisesti koko kehityskaaren ajan.

NuSTARin uudet havainnot perustuvat titaanin isotoopin, Ti-44:n, erittäin tarkkaan kartoitukseen. Ainetta syntyy juuri supernovaräjähdyksen keskiössä, joten sen jakautuminen myös näyttää minkä muotoinen tähden hajoittanut räjähdys oli, ja kuinka räjähdys suuntautui. Aineen liikesuunta saadaan selville säteilyn dopplersiirtymästä.

Jutun lähteenä oleva tiedote ei kuitenkaan kerro, onko Ti-44 -pilven huimasta nopeudesta jo poistettu tähden aiempi ominaisliike. Tiedote ei myöskään ota kantaa siihen, että räjähdyksessä jäljelle jäänyttä neutronitähteä (tai mikä se onkin) ei ole ikinä havaittu. Tulkinta lienee kuitenkin ainakin jossain määrin pitävä, sillä tutkimus julkaistiin torstaina 8.5. tiedelehti Sciencessa.

Kuinka tähti voi räjähtää sillä tavoin?

Koska tähdet ovat suuressa mittakaavassa varsin symmetrisiä kappaleita, räjähdyksen suuntautuminen on periaatteessa varsin outoa. Tutkijat uskovat kuitenkin keksineensä selityksen.

Yksinään elelevän suuren tähden kuollessa tapahtuu II-tyypin supernova. Sellaisia räjähdyksiä on jo pitkään arveltu epäsymmetrisiksi, mutta mallit ovat kaivanneet tuekseen myös havaintoja todellisesta maailmasta. Aiemmin tähän suuntaan vihjanneet havainnot ovat olleet varsin monitulkintaisia, ja ne on voitu selittää vaikkapa tähden ympäristön olosuhteilla. NASAn mukaan NuSTARin Ti-44 -havainnot ovat kuitenkin yksiselitteisiä. Koska aineen puoliintumisaika on vain vaivaiset 85 vuotta, kyse ei juuri voi olla muusta kuin räjähdyksessä syntyneestä tavarasta. Sillä ei voi olla mitään muuta lähdettä.

Viime vuonna NuSTAR todisti myös toisen supernovan (Cassiopeia A:n) olleen hieman toispuoleinen, muttei mitään verrattuna 1987A:n luokkaan. Yhdessä nämä tulokset antavat tutkijoiden mukaan ymmärtää, että epäsymmetrisyys voikin olla aivan perustavaa laatua oleva piirre kakkostyypin supernovissa.

Artikkelin pääkirjoittaja Steve Boggs Kalifornian yliopistolta Berkeleystä selventää syitä epäkeskoon posaukseen: "Tähdet ovat toki pallomaisia kappaleita, mutta ilmeisesti niiden ydin muuttuu kuolinprosessissa turbulenttiseksi. Se kuohuu ja loiskuu viimeisten sekuntien aikana voimakkaasti. Juuri ytimen heiluminen johtaa epäsymmetrisiin räjähdyksiin."

Jää nähtäväksi, onko 1987A vain poikkeus, vai lieneekö se oletusten mukainen tyyppiesimerkki erityisen vinksahtaneista räjähdyksistä.

1987A:n kuvaa hallitsee nykyään kolme laajaa kirkasta rengasta. Ne koostuvat tähdestä ennen räjähdystä irronneesta materiasta, joka tuli näkyväksi ionisoiduttuaan räjähdyksestä tulleesta säteilyannoksesta. Vuonna 2001 sisimmän renkaan kirkkaus alkoi lisääntyä entisestään, kun räjähdyspilvi sai sen viimein kiinni.

1987A:n paikalla oli aiemmin sininen superjättiläistähti, jonka massa oli Aurinkoon verrattuna noin 20-kertainen.

Hätääntyneille tiedoksi: Löytö ei missään nimessä tarkoita, että 1987A:n ytimen jäänne syöksyisi juuri tännepäin, kohti Aurinkokuntaa. Tutkimuksessa ei perehdytty lainkaan liikkeen sivuttaiskomponenttiin, jota eittämättä on ainakin hitusen. Ja näin pitkällä etäisyydellä sekin riittää paremmin kuin hyvin.

Lähteenä käytetty NuSTAR-teleskooppia operoivan Jet Propulsion Laboratoryn tiedotetta.

ALMA paljasti mustan aukon mielettömän magneettikentän

Atacaman autiomaassa Chilessä sijaitsevalla ALMA-radioteleskooppijärjestelmällä (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) on tehty havaintoja mustan aukon magneettikentästä, joka päihittää voimakkuudessa kaikki aiemmin tunnetut.

Tehdyt havainnot ovat tärkeitä paitsi tutkitun galaksin keskustassa möykkäävään mustaan aukkoon liittyvien ilmiöiden ymmärtämiseksi myös yleisemmin. Melkein kaikkien galaksien keskellä on supermassiivinen musta aukko ja etenkin galaksien varhaisissa vaiheissa se vaikuttaa suuresti koko tähtijärjestelmän kehitykseen.

Kun miljardeja kertoja Aurinkoa massiivisemmalla mustalla aukolla on paljon "syötävää" eli ainetta, joka syöksyy sen uumeniin, aukon ympärille muodostuu kertymäkiekko. Ennen katoamistaan aukkoon aineen kiertonopeus kasvaa huimaavaksi ja aine kuumenee niin paljon, että se säteilee voimakkaasti eri aallonpituusalueilla.

Joissakin tapauksissa syntyy myös kaksi ainesuihkua, jotka etenevät liki valonnopeudella kiekon pyörimisakselin myötäisesti vastakkaisiin suuntiin. Suihkujen syntyprosessi on ollut hämärän peitossa, joskin syypääksi on arveltu voimakasta magneettikenttää. Nyt epäily on varmistunut.  

Aiemmin on onnistuttu havaitsemaan ainoastaan heikkoja magneettikenttiä kaukana, useiden valovuosien etäisyyksillä mustista aukoista. Tuoreessa tutkimuksessa Chalmersin teknillisen korkeakoulun ja Onsalan avaruusobservatorion tutkijat ovat onnistuneet selvittämään ALMAn avulla olosuhteita galaksissa PKS 1830-211 olevan mustan aukon lähistöllä, täsmälleen siellä, missä suihkut syntyvät.

 

Mustan aukon läheisyydessä esiintyvää magneettikenttää ei parane mennä mittailemaan paikan päälle – tosin se ei ole teknisestikään mahdollista – joten havainnot perustuvat säteilyn polarisaatioon. Kun säteily etenee magneettikentässä olevassa aineessa, sen polarisaatio muuttuu ja siitä voidaan päätellä kentän voimakkuus.

Havaintojen mukaan mustan aukon kertymäkiekosta tulevan säteilyn polarisaatio on kiertynyt hyvin voimakkaasti. "Tekemiemme havaintojen mukaan polarisaation kiertymä on satoja kertoja voimakkaampaa kuin missään muualla maailmankaikkeudessa", toteaa Sebastien Muller, yksi tutkijaryhmän jäsenistä.

Samalla päästiin tutkimaan yksityiskohtaisesti olosuhteita lähempänä mustaa aukkoa kuin aiemmin on ollut mahdollista. Säteilyssä havaittu polarisaatio on syntynyt ainoastaan joidenkin valovuorokausien etäisyydellä tapahtumahorisontista eli rajasta, jonka takaa ei ole mahdollisuutta saada minkäänlaista informaatiota. Yksi valovuorokausi on noin 26 000 000 000 kilometriä eli ainoastaan neljä kertaa Auringon ja Pluton välinen keskietäisyys.

Havainnoista kerrottiin Euroopan eteläisen observatorion ESOn sivuilla ja tutkimus ilmestyi Science-tiedelehdessä (maksullinen) 17. huhtikuuta.

Kuvat ESO / L. Calçada (musta aukko) / B. Tafreshi (ALMA)

Muinainen monsteri – tutkijat löysivät ultramassiivisen mustan aukon

Kuva: ESO / M. Kornmesser

Pekingin yliopiston professorin Xue-Bing Wun johtama tutkijaryhmä on löytänyt kirkkaimman tunnetun kvasaarin, jonka voimanlähteenä on valtaisa musta aukko. SDSS J0100+2802 loistaa ennätykselliset 420 biljoonaa kertaa Aurinkoa suuremmalla säteilyteholla.

Tai loisti: kvasaarilla on etäisyyttä 12,8 miljardia valovuotta, joten sen säteily on lähtenyt matkaan, kun maailmankaikkeudella oli ikää vasta noin miljardi vuotta.Todennäköisesti kvasaarin loiste on hiipunut jo aikakausia sitten.

Vajaan miljardin vuoden ikäinen universumi oli muuttumassa radikaalisti, kun ensimmäisten galaksi- ja kvasaarisukupolvien säteily päätti "kosmisen pimeän kauden". Toistaiseksi onkin arvoitus, miten näin suuri musta aukko on voinut muodostua pian sen jälkeen, kun ensimmäiset tähdet ja galaksit vasta alkoivat loistaa.

Kvasaarit ovat nuorten galaksien kehitysvaiheita. Tähtijärjestelmän keskuksessa olevalla mustalla aukolla on runsaasti kaasua ahmittavanaan ja sen ympärille muodostuvan kertymäkiekon ilmiöt saavat aikaan kvasaarin suuren kirkkauden. Kun purtava loppuu, musta aukko rauhoittuu ja kvasaari sammuu – jos asian ilmaisee hyvin yksinkertaistetusti.

Vaikka suurin osa kvasaareista on etäällä meistä, näin kaukaiset ovat harvinaisuuksia. Vuodesta 1963 lähtien kosmisia majakoita on löydetty yli 200 000, mutta ainoastaan neljänkymmenen etäisyys on yli 12,7 miljardia valovuotta. Vaikka miljardin vuoden ikäinen maailmankaikkeus oli paljon nykyistä pienempi, kvasaareja oli silti harvassa. Niiden kukoistuskausi oli vasta alkamassa.

 

Monsterikvasaarin punasiirtymä on 6,3, kun "ennätys" on tällä hetkellä 7,085. Se ei siis ole etäisin kvasaari, mutta ero ei ole suuri: kaukaisin tunnettu kvasaari on 13 miljardin valovuoden etäisyydellä. SDSS J0100+2802 on seitsemän kertaa sitä kirkkaampi ja kaukaisin kvasaari, joka on löytynyt ainoastaan 2,4-metrisellä kaukoputkella.

Yllä vasemmalla olevaan kaavioon on sijoitettu kvasaareja niiden mustan aukon massan ja säteilytehon mukaisesti. Oikeanpuoleisessa kuvassa näkyvä SDSS J0100+2802 on kummankin suhteen omilla kymmenluvuillaan.

 
Myös Linnunradan keskuksessa on supermassiivinen musta aukko, joka on todennäköisesti tehnyt kauan sitten omasta kotigalaksistamme kvasaarin. Nyt löytynyt kohde on kuitenkin aivan toista luokkaa. Linnunradan mustan aukon massa on noin kolme miljoonaa Auringon massaa, mutta SDSS J0100+2802 -kvasaarin "moottori" on 4 000 kertaa massiivisempi.

 

Kuva: John Hill / LBTO

Vaikka SDSS J0100+2802 säteilee hyvin voimakkaasti, suuren etäisyyden takia se näkyy taivaalla vain himmeänä valopisteenä. Kvasaarin tutkimiseen käytettiinkin kovan luokan kalustoa eri puolilla maailmaa.

Havaintoja tehtiin 2,4 metrin Lijiang-teleskoopilla Yunnanissa Kiinassa, 6,5-metrisellä MMT:llä (Multiple Mirror Telescope) ja 8,4-metrisellä LBT:llä (Large Binocular Telescope; kuvassa yllä) Arizonassa Yhdysvalloissa, 6,5-metrisellä Magellan-teleskoopilla Las Campanasissa Chilessä ja 8,4-metrisellä pohjoisella Gemini-kaukoputkella Mauna Kealla Havaijilla.

Valovoimaisen kvasaarin jatkotutkimusten toivotaan antavan viitteitä galaksien muotoutumisesta ja kvasaarien kehitysvaiheista sekä supermassiivisten mustien aukkojen synnystä ja niitä ympäröivien galaksien vuorovaikutuksesta hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa.

Tutkimuksesta kerrottiin esimerkiksi LBT-observatorion sivuilla ja tulokset julkaistaan Nature-tiedelehdessä huomenna 26. helmikuuta.

 

Ei rampata!

Ihan ensimmäiseksi ei välttämättä tulisi mieleen, että mustilla aukoilla ja legendaarisella Kummeli-viihdesarjalla voisi olla mitään yhteistä, mutta jos oikein hakemalla hakee ja talikolla tonkii, jotain silti löytyy: ramppaaminen.

Tikkitakkisen A-ryhmäkaksikon ylenkatseinen kritiikki kohdistui monen muun ärsyttävän asian ohella myös siihen, että monet tuppaavat kulkemaan ovensuussa päättämättömästi edestakaisin. Nyt unohtuivat avaimet. Olikos siellä sateista? Hellanlevyt pitää tarkistaa. Veinkö jo roskat? Kännykkä jäi!

Joko mennään ulos tai tullaan sisään, mutta ei rampata!

Mustan aukon tapahtumahorisontti on vähän niin kuin sketsin ovi, josta selkeästi A-ryhmään kuulumaton tumpelo ja naurettava pelle ravaa päätään raapien ja taskujaan taputellen ees ja taas. Siinäkään ei ole ramppaamista.

Perinteisen käsityksen mukaan tapahtumahorisontti muodostaa äärimmäisen rajan, jonka ylitettyään on ikuisesti mustan aukon vankina – mitä "ikuisesti" sitten tarkoittaakaan paikassa, missä meidän tuntemamme fysiikan lait eivät päde. Painovoima pitää huolen siitä, että edes valo, joka vinhasta vauhdistaan huolimatta joutuu kiltisti noudattamaan universaalia nopeusrajoitusta, ei pääse karkuun.

1970-luvulla Stephen Hawking teoretisoi, että mustat aukot kaikesta huolimatta säteilevät. Keksijänsä mukaan nimetty Hawkingin säteily ei kuitenkaan tarkkaan ottaen tule mustan aukon sisältä, vaan aavistuksen tapahtumahorisontin ulkopuolelta. Tyhjästä putkahtaneiden virtuaalisten hiukkasparien epäonniset puoliskot syöksyvät syöveriin, orvoksi jääneet toiset puoliskot tekeytyvät todellisiksi hiukkasiksi ja pakenevat rikospaikalta. Mustiin aukkoihin on tosiaankin tarjolla vain menolippuja.

Tosin sellaistakaan ei kannata ostaa. Joseph Polchinskin ja kumppaneiden pari vuotta sitten kehittelemän palomuurimallin mukaan tapahtumahorisontin kohdalla on niin valtaisa energiakenttä, että mikä tahansa sen ylittämistä yrittävä kärähtää karrelle saman tien. Mustan aukon sisuksissa lymyävän singulariteetin aiheuttamista ongelmista ei siis tarvitse olla huolissaan, koska matka tyssää jo tullissa.

Jotta tilanne ei olisi liian yksinkertainen – mitä se missään tapauksessa ei muutenkaan ole – Hawking on vastikään esittänyt, että tapahtumahorisontti saattaakin olla pelkkää harhaa. Kvanttimaailman epämääräisyys aiheuttaa sen, että mustalla aukolla ei olekaan täsmällistä rajaa, vaan sitä ympäröi eräänlainen näennäishorisontti, joka voi olla milloin missäkin – vähän niin kuin valtioiden rajat Euroopassa pitkin 1900-lukua.

Kun olosuhteet ovat otolliset, mustasta aukosta voikin lähteä lätkimään. Kaikki aukkoon pudonnut aine, energia ja informaatio pääsevät palaamaan takaisin tutun turvalliseen maailmankaikkeuteemme, vaikka niiden olemuksesta ei voikaan enää päätellä mitään siitä, millaista ainetta, energiaa ja informaatiota aukkoon on aikojen saatossa joutunut.

Sen lisäksi, että eri teorioiden mukaan mustan aukon tapahtuma- tai näennäishorisontissa voi sittenkin rampata, sama rasittava ramppaaminen on riesana myös näiden teorioiden työstämisessä. Ollako vai eikö olla, mennäkö vaiko tulla? Syynä ei kuitenkaan ole se, että kosmisten kummajaisten kimpussa ahertavat tutkijat eivät kuuluisi parhaaseen A-ryhmään, vaan se, että mustat aukot ovat varsinaisia venkuloita.