Aiemmin heinäkuussa kerrottiin siitä, miten Etelämantereella olevan IceCube-laboratorion havaitseman neutriinon alkuperä onnistuttiin paikantamaan. Paikannus onnistui siten, että havainto yhdistettiin muiden teleskooppien keräämien tietojen kanssa. Yksi näistä oli Kanarialla sijaitseva MAGIC, jolla tehtävässä tutkimuksessa on Turun yliopisto mukana.
Neutriinot ovat alkeishiukkasia, jotka eivät ole juurikaan vuorovaikutuksessa ympäröivän maailman kanssa. Niitä on kuitenkin joka puolella koko ajan valtavasti; esimerkiksi niitä paljon tuottavasta Auringosta peräisin olevia neutriinoita kulkee sinunkin lävitsesi noin triljoona sekunnissa.
Et huomaa mitään, koska solusi ja sinussa olevat atomit eivät ole neutriinolle kuin mitään. Ne vain menevät läpi.
Paitsi että joskus, hyvin harvoin neutriino osuu atomiin ja synnyttää hiukkasen, joka puolestaan törmää ympärillä oleviin atomeihin ja hiipuu nopeasti.
Tähtitieteilijät ovat kovin kiinnostuneita näistä törmäyksistä, koska ne ovat oikeastaan ainoa tapa saada tietoa neutriinoista ja ennen kaikkea maailmankaikkeudessa olevista fysikaalisista prosesseista, jotka synnyttävät neutriinoja. Siksi ympäri maailman on niin sanottuja neutriinoteleskooppeja, joissa eri menetelmin koetetaan saada koppi neutriinoista.
Suurin tällainen laite on etelänavalla sijaitseva IceCube, joka havaitsee päivittäin noin 200 neutriinoa.
IceCuben näkyvä osa on jään päällä oleva laboratorio. Itse havaintolaite on kuutiokilometrin tilavuuteen jään sisälle laitetut 5160 valoilmaisinta, jotka havaitsevat jäämolekyyleihin törmäävien neutriinojen synnyttämiä valotuikahduksia. Kuva: E. Jacobi/NSF
Poikkeuksellinen neutriino herätti tutkijoiden mielenkiinnon
IceCube havaitsi 22.9.2017 erityisen neutriinon, jonka erittäin korkea energia (osapuilleen 290 teraelektronivolttia) viittasi siihen, että hiukkanen oli lähtöisin kaukaisesta taivaankappaleesta. Tutkijat pystyivät myös määrittämään sen tulosuunnan erittäin tarkasti, mutta suunnan selvitys onnistui muilta teleskoopeilta saadun virka-avun ansiosta.
"Teorioiden mukaan neutriinosäteilyn yhteydessä saattaa lisäksi vapautua valohiukkasia", selittää MAGIC-teleskooppiyhteenliittymän edustaja Razmik Mirzoyan, joka työskentelee tutkijana Max Planck -instituutissa.
Havainnon myötä monet teleskoopit suunnattiinkin neutriinon tulosuuntaan sen lähteen paljastumisen toivossa.
Yksi näistä oli itse asiassa gammasäteilyä havaitseva, maapalloa avaruudessa kiertävä Fermi -satelliitti. Se tutkii koko ajan kaikkialta taivaalta tulevaa gammasäteilyä, ja sen tietojen avulla voitiin nähdä, että neutriinon tulosuunta oli hyvin todennäköisesti linjassa tunnetun aktiivisessa tilassa olevan gammasäteiden lähteen, TXS 0506+056 -blasaarin, kanssa.
Blasaari on aktiivinen galaksi, jonka keskeltä lähtevä voimakas hiukkassuihku suuntautuu aina välillä suoraan meitä kohti ja siksi blasaari kirkastuu toisinaan erittäin voimakkaasti.
Lisäapua antoi gammasäteilyn suuntaa tarkasti havaitseva MAGIC-kaksoisteleskooppi. Se koostuu kahdesta 17-metrisestä suuresta peilistä, jotka havaitsevan ilmakehään osuvien gammasäteiden synnyttämää ns. cherenkov-säteilyä. Yllä oleva video kertoo tästä ja teleskoopeista enemmän.
MAGICin avulla saatiin selville, että blasaarista tulevan säteilyn energia yltää vähintään 400 gigaelektronivolttiin.
Nämä löydökset sekä neutriinon tulosuunta osoittavat blasaarin olevan neutriinon todennäköinen lähde. TXS 0506+056 on aktiivinen galaktinen keskus, 3,7 miljardin valovuoden päässä Maasta sijaitsevan galaksin energiaa säteilevä ydin. Sen sisuksissa on supermassiivinen musta aukko, joka laukaisee suihkuja – hiukkasten ja energian ulosvirtauksia, jotka etenevät lähes valonnopeudella.
Kosmisen säteilyn kintereillä
Koska neutriinojen synty on aina yhteydessä protonivuorovaikutukseen, uudet havainnot saattavat auttaa ratkaisemaan vanhan mysteerin toistaiseksi tuntemattomasta kosmisen säteilyn syntypaikasta. Kosminen säteily, jonka fyysikko Victor Hess löysi vuonna 1912, koostuu pitkälti korkeaenergisistä protoneista.
"Kosmisen neutriinon ansiosta tiedämme, että blasaari kykenee kiihdyttämään protoneita erittäin korkeaenergisiksi, ja täten se saattaakin itse asiassa olla yksi kosmisen säteilyn lähteistä", sanoo tutkija Elisa Bernardini saksalaisen DESY-hiukkastutkimuskeskuksen Zeuthenin tutkimuslaitoksesta.
Kosmisten säteiden lähteiden löytäminen on hankalaa monesta syystä.
"Positiivisesti varautuneet protonit ohjautuvat avaruudessa magneettikenttien vaikutuksesta pois reiteiltään. Ne eivät siis matkaa suorassa linjassa, emmekä näin ollen tiedä mistä suunnasta ne tulevat."
Neutriinot ja fotonit ovat sitä vastoin varauksettomia, minkä ansiosta ne matkaavat maailmankaikkeudessa suorinta reittiä. Siksi niiden alkuperä voidaan jäljittää luotettavasti. Blasaarien taustalla oleviin prosesseihin etsitään kuitenkin yhä selityksiä.
"Meitä kiinnostavat tarkka paikka sekä protoneja kiihdyttävä mekanismi, joihin sekä korkeaenergisten neutriinojen että fotonien alkuperä juontavat juurensa", selittää edelleen MAGICin Mirzoyan.
Alkuperä suihkun protoneissa
MAGICin tutkimus tarjoaa mahdollisia vastauksia neutriinojen alkuperästä. Neutriinolöydöksen jälkeen teleskoopeilla havaittiin blasaarin roihuavan ja sitä tarkasteltiin yhteensä noin 41 tunnin ajan. Tutkimusaineisto viittaisi siihen, että protonit ovat blasaarin laukaisemissa suihkuissa vuorovaikutuksessa keskenään.
"Tulokset todentavat myös sen, että neutriinon lisäksi osa gammasäteistä syntyy korkeaenergisten protonien vaikutuksesta – ei muusta suihkun hiukkasvuorovaikutuksesta", Mirzoyan lisää. "Tämä on ensimmäinen kerta, kun voimme vahvistaa sekä neutriinojen että gammasäteiden juontuvan protoneista."
Tutkijat löysivät ainutlaatuisen tunnusmerkin TXS 0506+056 -blasaarista tulleiden korkeaenergisten gammasäteiden spektrissä.
"Havaitsimme fotonien määrän vähenevän tietyn energia-alueen sisällä, eli hiukkasten on täytynyt absorboitua, sulautua yhteen", kertoo Bernardini.
Tunnusmerkki viittaa myös siihen, että IceCuben havaitsema neutriino saattaa olla tulosta protonien ja blasaarin laukaisemissa suihkuissa olevien fotonien vuorovaikutuksesta.
"Nämä tulokset todentavat sen, että eri hiukkasviestintuojien, neutriinojen ja fotonien, välillä on aito yhteys", iloitsee Mirzoyan.
Gammasäteilyn avulla saadaan tietoa siitä, miten supermassiivisten aukkojen ”voimalat” toimivat, eli miten äärimmäisen korkeaenerginen suihku syntyy, ja mitkä hiukkasfysiikan prosessit ovat silloin käynnissä.
MAGIC-teleskooppi juhlisti 15-vuotista taivaltaan
Turun yliopiston tutkijat ovat olleet mukana MAGIC-teleskoopin toiminnassa alusta alkaen. Suomen ESO-keskuksesta mukana ovat erikoistutkija Elina Lindfors ja yliopistotutkija Kari Nilsson. Fysiikan ja tähtitieteen laitokselta yhteistyössä ovat olleet mukana yliopistotutkija Aimo Sillanpää sekä tohtorikoulutettavat Vandad Fallah Ramazani ja Auni Somero. Somero työskentelee parhaillaan MAGIC-teleskoopilla Espanjan La Palmalla.
Turkulaisryhmällä on ollut merkittävä rooli blasaaritutkimuksessa. Lindfors on johtanut havainto-ohjelmaa, jonka ansiosta on löydetty yli kymmenen uutta erittäin korkeaenergistä gammasäteilyä lähettävää blasaaria. Ryhmä on myös havainnut La Palmalla sijaitsevalla KVA-teleskoopilla optista säteilyä blasaareista, joita MAGIC havaitsee korkean gammasäteilyn alueella.
"Nyt tehty löytö on pitkäjänteisen tiimityön tulosta", toteaa Elina Lindfors.
"MAGIC-teleskoopissa on panostettu siihen, että sen suorituskyvystä saadaan kaikki irti, ja havaintostrategioita on optimoitu. Jo vuosia on puhuttu siitä, että blasaarien laukaisemat suihkut ovat todennäköisesti erittäin korkeaenergisten neutriinojen lähteitä, mutta neutriinojen havaitseminen on hyvin vaikeaa. Vielä vaikeampaa on saada kaikki loksahtamaan kohdalleen eli paikallistaa neutriinon potentiaalinen lähde ja seurata sitä korkeimmilla mahdollisilla gammaenergioilla. Nyt se onnistui!"
Kun Maxim Pshirkov Sternbergin tähtitieteellisestä instituutista kävi läpi gamma-alueella toimivan Fermi-avaruusteleskoopin havaintoaineistoa, hän törmäsi voimakkaaseen säteilylähteeseen. Kävi ilmi, että se osoitti oikeaksi teorian kaksoistähdistä yhtenä gammasäteilyn lähteistä.
Joissakin kaksoistähtijärjestelmissä on kirkas ja kuuma Wolf-Rayet-tähti ja kymmeniä kertoja Aurinkoa massiivisempi OB-spektriluokan tähti, joilla kummallakin on puhurina puhaltava tähtituuli. Kun hiukkasvirrat törmäävät, voi tuloksena olla hyvin voimakasta gammasäteilyä.
Aiemmin ainoa esimerkki tällaisesta järjestelmästä oli Eta Carinae, jossa tähtien massat ovat 120 ja 30–80 kertaa Auringon massaa suurempia. Kohde näkyi erityisen kirkkaana – itse asiassa taivaan kirkkaimpana tähtenä – 1800-luvun alkupuolella, kun toisessa tähdessä tapahtui vuonna 1834 voimakas purkaus.
Eta Carinaen etäisyys on noin 8 000 valovuotta, mutta jos se olisi vaikkapa 30 valovuoden etäisyydellä, sen loiste olisi samaa luokkaa kuin täysikuun. Seitsemän vuotta sitten onnistuttiin havaitsemaan energistä gammasäteilyä, joka on peräisin tästä kaksoistähtijärjestelmästä.
Yksittäinen havainto ei kuitenkaan riitä varmistukseksi teorialle, mutta muita vastaavia kohteita ei tuntunut löytyvän. Nyt sellainen vihdoin saatiin haaviin.
"Viimeaikaiset laskelmat osoittavat, että Eta Carinaen tyyppiset tähdet ovat äärimmäisen harvinaisia – niitä on luokkaa yksi galaksia kohti", Maxim Pshirkov.
Vuonna 2013 amerikkalais-itävaltalainen tutkijaryhmä nimesi seitsemän Wolf-Rayet-kaksoistähtijärjestelmää, joista voisi tulla gammasäteilyä. Pshirkov otti avuksi havaintoaineiston, jota oli kerätty Fermi-avaruusteleskoopilla seitsemän vuoden ajan… Bingo! Gamma Velorum osoittautui gammasäteilyn lähteeksi.
Tähden nimi ei liity sen lähettämään säteilyyn vaan kertoo sen kuuluvan Purjeen tähdistön (Vela). Se on kuvion kirkkain tähti, vaikka yleensä kunkin tähdistön tähdet nimetään kirkkausjärjestyksessä kreikkalaisilla kirjaimilla alfasta alkaen.
Gamma Velorum muodostuu 10 ja 30 kertaa Aurinkoa massiivisemmista tähdistä. Niiden välinen etäisyys on suunnilleen sama kuin Maan etäisyys Auringosta eli kyseessä on hyvin lähekkäinen kaksoistähti. Sen kirkkaus on noin 200 000 kertaa suurempi kuin Auringon ja sillä on etäisyyttä runsaat tuhat valovuotta.
Kummastakin tähdestä puhaltaa voimakas tähtituuli ja kun tuulet törmäävät yli 1 000 kilometrin sekuntinopeudella, hiukkaset saavat energiaa niin paljon, että vapautuva säteily on gamma-alueella. Säteilyn tarkkaa syntymekanismia ei kuitenkaan vielä tunneta.
"Tällaisten lähteiden etsintä Linnunradan tason suunnassa on selvästi haastavampaa, koska galaksimme on itsekin voimakas gammasäteilyn lähde. Silloin törmäävistä tähtituulista tulevan vähäisen 'ylimääräisen' säteilyn havaitseminen on paljon vaikeampaa", Pshirkov sanoo.
"Gamma Velorum on kuitenkin tason yläpuolella ja melko lähellä meitä. Sitä tuskin olisi löytynyt, jos se olisi kauempana tai lähempänä Linnunradan tasoa."
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.
