valkoinen kääpiö

Muurahaissumu eli Menzel 3 on eteläisellä taivaalla Kulmaviivoittimen tähdistön suunnassa noin 8 000 valovuoden etäisyydellä sijaitseva planetaarinen sumu. Se on syntynyt Auringon kokoluokkaa olevan tähden puhaltaessa uloimmat kerroksensa avaruuteen, jolloin jäljelle on jäänyt suunnilleen maapallon kokoinen valkoinen kääpiö.

Euroopan avaruusjärjestön Herschel-avaruusteleskoopilla tehtyjen infrapunahavaintojen perusteella Muurahaissumusta tulee lasersäteilyä. Vastaavanlaisia kohteita tunnetaan vain muutama, sillä avaruudessa lasersäteilyn synty edellyttää aivan tietynlaisia olosuhteita.

Mielenkiintoinen yhteensattuma on, että Muurahaissumun 1920-luvulla löytänyt ja luetteloinut Donald Menzel esitti aikoinaan, että tällaisissa kaasupilvissä voi esiintyä valon vahvistusta säteilyn stimuloidun emission avulla – eli lasersäteilyä. Silloin laseria ei ollut vielä saatu toimimaan laboratoriossakaan.

"Havaitsimme hyvin harvinaista laseremissiota, jonka selittyy vedyn rekombinaatiolla", kertoo tutkimusta johtanut Isabel Aleman.

Tällaista lasersäteilyä voi syntyä ainoastaan olosuhteissa, joissa tähden lähellä on hyvin tiheää kaasua. Havaintojen ja laskennallisten mallien vertailu osoittaa, että tiheyden on oltava noin 10 000 kertaa suurempi kuin yleensä planetaarisissa sumuissa ja myös Muurahaissumun ulommissa osissa.

Texasin yliopiston yhteyteen perustetaan energiaministeriön myöntämän apurahan turvin uusi CAPP-keskus (Center for Astrophysical Plasma Properties), jonka tarkoituksena on edistää tähtitieteellistä tutkimusta kokeellisin menetelmin.

Tutkijat aikovat luoda maailman tehokkaimman röntgensäteilyn lähteen, Sandian kansallisten laboratorioiden "Z-koneen", avulla olosuhteet, jollaiset vallitsevat tähdissä. Se merkitsee korkeita lämpötiloja ja suuria tiheyksiä.

"Jos haluamme tutkia valkoista kääpiötä, jonka pintalämpötila on 15 000 astetta, täällä voimme tehdä kokeita 15 000 asteen lämpötilassa", CAPP-keskuksen apulaisjohtaja Mike Montgomery sanoo. "Oikeastaan otamme palasen Auringosta ja katsomme sitä mikroskoopilla".

Tutkijoiden mukaan uusi menetelmä muuttaa tähtitieteellisen tutkimuksen luonteen.

"Astrofysiikassa oli monia asioita, jotka luulimme tietävämme tai tiesimme, ettemme ymmärrä. Luomalla oikeanlaiset olosuhteet ja tekemällä laboratoriomittauksia muutamme ajattelutapaamme sekä tähtitieteestä tutkimusalana että tietyistä tähtitieteellisistä kohteista", arvioi CAPP-keskuksen johtaja Don Winget.

Noin vuosi sitten Lontoon University Collegen tutkija Jay Farihi oli kirjoittamassa New Astronomy Reviews -tiedelehteen artikkelia valkoisten kääpiöiden planeetoista. Hän otti yhteyttä Carnegie-observatorioiden johtajaan John Mulchaeyyn etsiessään valokuvauslevyä, jolle oli tallennettu van Maanenin tähden spektri 99 vuotta sitten.

Adriaan van Maanen oli löytänyt valkoisen kääpiötähden aiemmin samana vuonna. Valokuvauslevy jäljitettiin arkistosta ja kävi ilmi, että sen oli ottanut observatorioiden silloinen johtaja Walter Adams Mount Wilsonin observatoriossa.

Ensinäkemältä spektrissä ei ollut mitään erikoista, se vain osoitti tähden olevan hieman Aurinkoa kuumempi. Farihin tutkiessa spektriä tarkemmin hän löysi siitä absorptioviivoja, joita siinä ei olisi pitänyt olla.  

Spektriviivat kertovat alkuaineista, jotka ovat "imeneet" säteilystä tiettyjä aallonpituuksia ja siksi niillä kohdin on tummat viivat. van Maanenin tähden spektrissä oli jälkiä esimerkiksi kalsiumista, magnesiumista ja raudasta. Valkoisissa kääpiöissä sellaisia on ainoastaan tähden sisuksissa, sillä raskaina alkuaineina ne vajoavat syvyyksiin.

Negatiivikuvassa varsinainen spektri näkyy ohuena mustana juovana ja ympyröidyt kalsiumin viivat erottuvat valkoisina.

Viime vuosina on käynyt ilmi, että valkoisilla kääpiöillä, joiden spektrissä näkyy raskaiden alkuaineiden aiheuttamia absorptioviivoja, on ympärillään kiviplaneettojen jäänteitä. Aine ajautuu hiljalleen valkoisen kääpiön kaasukehään ja aiheuttaa oudot spektriviivat. 

Tällaiset "saastuneet valkoiset kääpiöt" tulivat tutkijoille yllätyksenä, sillä kuolleen tähden ympärillä ei arveltu voivan olla enää minkäänlaista jäämistöä vanhasta planeettakunnasta.

Sen paremmin van Maanenin tähden kuin muidenkaan valkoisten kääpiöiden ympäriltä ei ole vielä paljastunut varsinaisia planeettoja, mutta Farihi on vakuuttunut, että niitä kyllä löytyy. 

"Mekanismi, joka synnyttää planetaarisen aineen renkaat, ja ajaa ainetta tähden kaasukehään, edellyttää varsinaisten planeettojen gravitaatiovaikutusta", Farihi selittää. "Se ei olisi mahdollista ilman planeettoja."

Löydöstä kerrottiin Carnegien uutissivuilla.

Kuva: Carnegie Institution for Science

Ei, kyseessä eivät ole yllättävän comebackin tehneet elokuva- tai rockpersoonat, vaan kehityksensä myöhäisissä vaiheissa olevat siniset tähdet, jotka näyttävät paljon ikäistään nuoremmilta.

Natalie Gosnell Texasin yliopistosta on työryhmineen tehnyt näistä ikinuorista tähdistä havaintoja, jotka paljastivat niiden nuorekkuuden salaisuuden.

"Sinisiksi kuljeksijoiksi" kutsuttuja tähtiä on tutkittu jo yli 60 vuoden ajan. Nimensä ne ovat saaneet siitä, että ne ovat "vaeltaneet" pois pääsarjasta, joka kuvaa tähtien kehitystä. Niiden kummallisesta kehityksestä on ollut tarjolla kilpailevia teorioita. 

Yksi suosituimmista on ollut, että vanhenevasta tähdestä virtaa ainetta kaksoistähden pienempään seuralaiseen. Kun tähti saa lisää massaa, se kuumenee ja muuttuu sinisemmäksi samalla kun yhä iäkkäämmäksi käyvä ainetta lahjoittanut kumppani sammuu ja luhistuu valkoiseksi kääpiöksi.

Toisen teorian mukaan syynä olisivat tähtien törmäykset tähtijoukoissa. Kolareiden seurauksena avaruuteen singonneesta aineesta olisi tiivistynyt uusia, hyvin kuumia tähtiä. Kolmas teoria perustuu ajatukseen kahden tähden sulautumisesta kolmoistähtijärjestelmissä.

Gosnellin johtama tutkijaryhmä keskittyi avoimeen tähtijoukkoon NGC 188, jossa on kaikkiaan 21 "sinistä kuljeksijaa". Hubblen havaintojen perusteella seitsemällä niistä on suositun teorian mukaisesti seuralaisenaan valkoinen kääpiö, joka paljastui ultraviolettisäteilynsä perusteella.

Tübingenin ja Potsdamin yliopistojen tähtitieteilijät ovat onnistuneet mittaamaan Linnunradan kuumimman valkoisen kääpiön lämpötilan. Kotigalaksimme laitamilla lymyävän tähden jäänteen pinnalla on lämpöä huimat 250 000 celsiusastetta.

Samalla tutkijat tulivat löytäneeksi galaksienvälisen kaasupilven, joka on lähestymässä Linnunrataa. Se osoittaa, että galaksit keräävät jatkuvasti itseensä uutta ainetta, josta tiivistyy tähtiä.

Auringon kokoluokkaa olevat tähdet päättävät päivänsä valkoisina kääpiöinä. Ennen lopullista kohtaloaan esimerkiksi Aurinko laajenee punaiseksi jättiläiseksi, jolloin noin 6 000 asteen pintalämpötila kohoaa jopa 180 000 asteeseen. Kun jäljellä on enää valkoinen kääpiö, se jäähtyy hitaasti ja samalla himmenee.

Tähän mennessä korkein kuolevalle tähdelle mitattu lämpötila on ollut 200 000 astetta, mutta nyt entinen ennätys rikkoutui. RX J0439.8-6809 -tunnuksen saanut valkoinen kääpiö on jo jäähtymässä, mutta silti sen pintakerroksen lämpötila on neljännesmiljoona astetta. Lukema perustuu Hubble-avaruusteleskoopilla mitattuun ultraviolettispektriin.

Tähti on alkujaan ollut noin viisi kertaa Aurinkoa massiivisempi. Jäänteen lämpötilan arvellaan olleen korkeimmillaan jopa 400 000 astetta eikä siitä ole aikaa kuin noin tuhat vuotta. 

Valkoisen kääpiön kemiallinen koostumus on omituinen, sillä sen pinnalla on hiiltä ja happea. Niitä syntyy täysin luonnollisesti heliumin fuusiossa, mutta se tapahtuu yleensä syvällä kuolevan tähden sisuksissa.

Ensimmäisen kerran RX J0439.8-6809 kiinnitti tutkijoiden huomion jo yli 20 vuotta sitten, jolloin se havaittiin kirkkaana, pistemäisenä röntgensäteilyn lähteenä. Jo se viittasi hyvin korkeaan lämpötilaan. Tuolloin arveltiin, että valkoisen kääpiön pinnalla on käynnissä fuusioreaktio, jossa polttoaineena on kaksoistähden toisesta osapuolesta virtaava vety.

Alkujaan kuolleen tähden oletettiin kuuluvan Linnunradan naapurigalaksiin, Suuren Magellanin pilveen, mutta Hubblella tehdyt uudet havainnot osoittavat sen olevan Linnunradan ulko-osissa ja etääntymässä noin 220 kilometrin sekuntinopeudella.

Tähden ultraviolettispektri paljasti myös kaasupilven, joka on Linnunradan ja valkoisen kääpiön välissä – ja liikkumassa kohti Linnunrataa. Pilven kemiallisen koostumuksen perusteella on pääteltävissä, että se on lähtöisin galaksienvälisestä avaruudesta. 

Löydöstä kerrottiin Tübingenin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Astronomy & Astrophysics -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: ROSAT

SDSS J1228+1040 on valkoinen kääpiö, suunnilleen Auringon massaisen tähden jäänne, joka on pirstonut sitä kiertävän asteroidin. Christopher Manserin johtama Warwickin yliopiston tutkijaryhmä on tutkinut sen jäänteistä muodostunutta rengasta, joka ympäröi valkoista kääpiötä.

Etupäässä Euroopan eteläisen observatorion ESO:n VLT-teleskoopilla (Very Large Telescope) tehtiin järjestelmästä havaintoja 12 vuoden ajan, mikä tarjosi mahdollisuuden määrittää sen ominaisuudet huipputarkkuudella.

"Käsitellyn datan perusteella muodostunut kuva kertoo, että tällaiset systeemit ovat todellakin kiekkomaisia. Samalla se paljastaa monia rakenteita, joita olisi mahdoton erottaa yksittäisistä havainnoista," kertoo Manser.

Tutkimuksessa käytettiin niin sanottua Doppler-tomografiaa, joka muistuttaa lääketieteessä käytettyä kerros- tai viipalekuvausta. Sen avulla saatiin kartoitettua yksityiskohtaisesti kuollutta tähteä kiertävän ainekiekon rakenne. 

Kun Auringon kokoluokkaa oleva tähti alkaa olla elinkaarensa lopussa, se laajenee punaiseksi jättiläiseksi ja puhaltaa sitten ulkokerroksensa avaruuteen hitaasti laajenevaksi planetaariseksi sumuksi. Tähteä kiertävien planeettojen, asteroidien ja muiden kappaleiden kohtalo on vielä osin epäselvä.

Yleensä valkoisten kääpiöiden ympärillä ei ole ainakaan sitä kiertävää kaasua: tällä hetkellä sellaisia tapauksia tunnetaan ainoastaan seitsemän. Nyt tutkittua valkoista kääpiötä ympäröivän aineen arvellaan olevan peräisin asteroidista, joka on joutunut liian lähelle ja hajonnut voimakkaan gravitaation aiheuttamien vuorovesivoimien seurauksena.

Siten valkoisen kääpiön kiekko olisi syntynyt samaan tapaan kuin esimerkiksi Saturnuksen renkaat, vaikka onkin paljon laajempi. Keskeinen ero on keskuskappaleen massassa: valkoinen kääpiö on läpimitaltaan vain seitsemäsosa Saturnuksesta, mutta massaltaan yli 2500-kertainen. Saturnus mahtuisi renkaineen helposti valkoisen kääpiön ja sitä ympäröivän kiekon väliin.

Valkoisen kääpiön vetovoima saa kiekon vaappumaan eikä se muutenkaan ole aivan vakaa: rengas on aavistuksen toispuoleinen eikä edes täydellisen pyöreä – vielä. Kiekon havaitut ominaisuudet saattavatkin viitata melko nuoreen ikään.

Tutkimuksesta kerrottiin ESO:n uutissivuilla ja se julkaistaan Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä. 

Kuva: Mark Garlick (www.markgarlick.com) and University of Warwick/ESO

Missä tähdet kuolevat? Näemmä vähän missä sattuu.

Ryan Foley Illinois’n yliopistosta on tutkinut kolmeatoista supernovaa, elämänsä ehtoolla räjähtänyttä jättiläistähteä, jotka ovat päättäneet päivänsä aivan muualla kuin voisi olettaa. Arvoitus kietoutuu kaksoistähtien, sulautuvien galaksien ja mustien tupla-aukkojen ympärille.

Ensimmäinen odottamattomassa paikassa räjähtänyt supernova löydettiin vuonna 2000. Hubble-avaruusteleskoopilla, Lick-observatoriossa sekä Keck- ja Subaru-teleskoopeilla tehtyjen havaintojen avulla Foley pääsi ratkaisun jäljille. 

"Tiesimme näiden tähtien olevan kaukana sieltä, missä ne ovat syntyneet, joten halusin selvittää, miten ne päätyivät nykyisille sijoilleen."

Oletuksena siis oli, että jokin on saanut tuhoontuomitut tähdet vaihtamaan maisemaa. Jättiläiskaukoputkilla onnistui tähtien nopeuksien mittaus ja ne osoittautuivat oudon suuriksi. Nopeudet olivat samaa luokkaa kuin tähdillä, jotka Linnunradan keskustan supermassiivinen musta aukko on singonnut ulos galaksista, jopa seitsemän miljoonaa kilometriä sekunnissa.

Seuraavaksi Foley tarkasteli galakseja, joiden ulkolaidoilta supernovat olivat löytyneet. Monet niistä ovat suuria ellipsigalakseja, jotka sulautuneet tai parhaillaan sulautumassa toisen galaksin kanssa. Niissä näkyy pölyvanoja, jotka ovat jäänteitä galaksien hajonneista rakenteista.

Monet galaksit ovat hyvin vanhoja, mutta niillä näytti silti olevan aktiivinen supermassiivinen musta aukko, joka oli vastikään saanut uutta ”syötävää” galaktisen törmäyksen seurauksena. 

Vanhan galaksin tähdetkin ovat vanhoja, joten supernovien täytyy olla kaksoistähtijärjestelmissä. Miksi? Räjähtäneen tähden on täytynyt saada lisää massaa seuralaiseltaan tai se ei olisi ollut riittävän suuri supernovaksi.

Kaksoistähtiä, sulautuvia galakseja, mustia tupla-aukkoja… Kun kaksi galaksia sulautuu yhteen, niiden keskustoissa olleet supermassiiviset mustat aukot muodostavat tupla-aukon, jossa kaksi aukkoa asettuu kiertämään yhä tiiviimmällä radalla toisiaan.

Aukot vetävät perässä tähtien muodostamaa vanaa, jossa on väistämättä myös kaksoistähtiä. Jos tähdet joutuvat lähelle mustaa tupla-aukkoa, valtaisa vetovoima voi singota ne suurella nopeudella ulos galaksista. 

Tupla-aukon ansiosta tähtien sinkoutumisen todennäköisyys kasvaa huomattavasti. Linnunradan musta aukko paiskaa arvioiden mukaan yhden tähden vuosisadassa ulos galaksista. Jos ulosheittäjänä on supermassiivinen musta tupla-aukko, lukumäärä voi kasvaa sataan tähteen vuodessa.

Samalla kaksoistähden osapuolet lähestyvät toisiaan, mikä nopeuttaa tietä tuhoon. Vanhan kaksoisjärjestelmän tähdet ovat hyvin todennäköisesti valkoisia kääpiötä, ja kun vetovoima ennen pitkää hajottaa niistä toisen, sen aine päätyy jäljellejääneeseen kääpiöön. Sen massa kasvaa niin suureksi, että seurauksena on supernovaräjähdys.

Normaalisti tällaisten kaksoiskääpiötähtien tuhoutuminen kestää kauemmin kuin maailmankaikkeus on ollut olemassa, mutta galaktisilla karkulaisilla siihen menee aikaa vain noin 50 miljoonaa vuotta. Arvoitus on siis ratkennut, mutta joitakin kysymyksiä on yhä selvittämättä. 

Galaksien ulkolaidoilla tapahtuvissa supernovaräjähdyksissä syntyy noin viisi kertaa enemmän kalsiumia kuin normisupernovissa. Yleensä räjähdyksen energia on niin suuri, että se riittää muodostamaan paljon raskaampia alkuaineita kuten rautaa ja nikkeliä, jolloin kalsiumin määrä jää vähäisemmäksi.

Jostain syystä nyt tutkitut supernovaräjähdykset ovat normaalia heikompia ja himmeämpiä, joten niissä vapautuu vähemmän energiaa. Myöskin avaruuteen leviävän aineen määrä on vähäisempi. 

Oudoista supernovista kerrottiin Hubble-avaruusteleskoopin uutissivuilla ja niitä koskeva tutkimus on julkaistu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/ESA/P. Jeffries & A. Feild (STScI)

Euroopan eteläinen observatorio ESO on julkaissut kaikkien aikojen yksityiskohtaisimman kuvan aiemmin kehnohkosti tunnetusta kohteesta ESO 378-1. Kohteen nimi viittaa luetteloon, joka koottiin 1970- ja -80-luvuilla ESOn metrisellä Schmidt-kaukoputkella otettujen kuvien perusteella. Tuore kuva on otettu Chilessä sijaitsevalla VLT-teleskoopilla (Very Large Telescope), joka rakentuu neljästä 8,2-metrisestä peilikaukoputkesta.

Kuvassa hohtava kupla on Vesikäärmeen tähdistössä oleva planetaarinen sumu, jonka lempinimi on "Eteläinen pöllösumu". Se muistuttaa pohjoisen taivaan Pöllösumua, joka on Ison karhun tähdistön suunnassa. Hyvällä mielikuvituksella sumussa näkyvät tummemmat alueet voi mieltää pöllön ymmyrkäisiksi silmiksi.

Planetaarinen sumu syntyy, kun Auringon kokoluokkaa oleva tähti kehityksensä loppuvaiheissa syytää osan massastaan avaruuteen. Laajenevan kaasupilven keskelle jää valkoinen kääpiö, suunnilleen maapallon kokoinen, mutta liki Auringon massainen tähden jäänne. 

Valkoinen kääpiö jäähtyy hitaasti, sillä sen sisuksissa ei enää tapahdu energiaa vapauttavia fuusioreaktioita. Alkuun sen säteilemä ultraviolettisäteily saa ympäröivän kaasupilven hohtamaan planetaarisena sumuna. Pilven laajentuessa ja säteilyn hiipuessa planetaarinen sumu himmenee, ja katoaa lopulta kokonaan.

Planetaarisen sumun elinaika on tähden elinkaareen verrattuna suunnilleen sama kuin saippuakuplan elinaika verrattuna kuplan puhaltaneen lapsen ikään. Siinä missä Auringon kokoisen tähden elinkaari kestää kymmenisen miljardia vuotta, planetaarinen sumu haihtuu muutamassa kymmenessätuhannessa vuodessa.

Kauniisti hohtavat planetaariset sumut eivät ole pelkkiä kosmisia koristeita, vaan ne ovat keskeisessä asemassa myös meidän itsemme olemassaolon kannalta. Tähtien sisuksissa myllertävissä fuusioreaktioissa syntyy vetyä ja heliumia raskaampia alkuaineita aina rautaan saakka (rautaa raskaammat alkuaineet syntyvät supernovaräjähdyksissä). 

Kun tähti ehättää elämänsä ehtoolle, sen tuottamat alkuaineet puhaltuvat avaruuteen tähden ulkokerrosten mukana. Ja nuo ulkokerrokset näemme planetaarisina sumuina, joiden kaasu vähitellen sekoittuu tähtienväliseen aineeseen seuraavien tähtisukupolvien ja planeettojen rakennusmateriaaliksi. Ilman planeraarisia sumuja maailmankaikkeus olisi eloton paikka.

Kuva on julkaistu osana ESOn "Kosmiset jalokivet" -ohjelmaa (Cosmic Gems), jonka tarkoituksena on tuottaa opetus- ja tiedotustoimintaa varten näyttäviä kuvia mielenkiintoisista tähtitaivaan kohteista.

Lisätietoja kuvasta ja kohteesta löytyy ESOn uutissivuilta.

Kuva: ESO

Otsikko ei viittaa Disneyn ensimmäisen pitkän värianimaation Lumikin ja seitsemän kääpiön kuvitteelliseen jatko-osaan, vaan pallomaisessa tähtijoukossa 47 Tucanae käynnissä olevaan tähtien jäänteiden eli valkoisten kääpiöiden vaellukseen.

Valkoiset kääpiöt ovat Auringon kokoluokkaa olevien tähtien kehityksen päätepisteitä. Kun tähden polttoaine alkaa loppua, se laajenee punaiseksi jättiläiseksi ja lopulta puhaltaa suuren osan aineestaan avaruuteen. Jäljelle jää hiljalleen laajeneva ja harveneva planetaarinen sumu, ja suunnilleen Maan kokoinen valkoinen kääpiö.

Pallomaisissa tähtijoukoissa valkoiset kääpiöt käyvät levottomiksi ja alkavat siirtyä hitaasti kohti joukon laitamia. Syynä on erimassaisten tähtien gravitaatiobiljardi. Ohitellessaan massiivisia jättiläistähtiä pienemmät tähdet – ja valkoiset kääpiöt – ryöväävät niiltä liike-energiaa. Saadessaan lisää vauhtia pienet tähdet viilettävät kauemmas joukon tiheästä keskustasta, mihin puolestaan massiiviset tähdet "putoavat" niiden nopeuden hidastuttua.

Tähän asti tämä kaikki on ollut teoriaa ja perustunut havaintoihin tähtien jakaumasta pallomaisissa joukoissa. Nyt Hubble-avaruusteleskoopilla on ensimmäisen kerran onnistuttu näkemään, kun valkoiset kääpiöt matkaavat kohti joukon ulko-osia.

47 Tucanae on satojen tuhansien tähtien muodostama pallomainen joukko, joka sijaitsee noin 16 700 valovuoden etäisyydellä eteläisellä taivaalla Tukaanin tähdistön suunnassa. Se on taivaan toiseksi kirkkain pallomainen joukko Omega Centaurin jälkeen ja näkyy helposti paljain silmin – jos matkustaa riittävän etelään sitä katselemaan.