galaksien kehitys

Jos galaksissa ei ole tähtiä, se ei ihmeemmin säteile. Siksi pimeiden galaksien tutkimus ja ylipäätään löytäminen on hankalaa. Tutkijat ovat tehneet havaintoja kuudesta lupaavasta kandidaatista, joiden toivotaan tuovan lisävalaistusta galaksien kehityksen hämäriin varhaisvaiheisiin.

Arvoituksena on edelleen, miten syntymässä olevan galaksin kaasu muuttuu tähdiksi. Teoreettiset mallit viittaavat siihen, että kaasua kerääntyy ensin suuret määrät yhteen ja tähtien "tuotanto" käynnistyy vasta jonkin ajan kuluttua. Havaintoihin pohjaavia todisteita tästä ei kuitenkaan vielä ole.

Zürichin teknillisen yliopiston professoreiden Raffaella Anna Marinon ja Sebastiano Cantalupon johtama ryhmä on käyttänyt pimeiden galaksien etsinnässä hyväksi kvasaarien lähettämää voimakasta ultraviolettisäteilyä. Se saa aikaan galaksien vetypilvissä fluoresenssia, jonka synnyttämä säteily – ja samalla koko galaksi – on mahdollista havaita.

Samaa konstia on käytetty aikaisemminkin, mutta Marinon ja Cantalupon ryhmä teki etsintöjä kauempana maailmankaikkeudessa sijaitsevien kvasaarien lähettyvillä kuin kertaakaan aiemmin.

Havainnot COSMOS J100054 -galaksista tehtiin Karl G. Jansky -radioteleskoopilla eli VLA:lla (Very Large Array). Jokin aika sitten mittavasti uudistetulla teleskoopilla voidaan tehdä havaintoja, jotka eivät aiemmin olleet mahdollisia.

"Havainnon myötä pystymme hahmottamaan, miten galaksit keräävät kaasua, muodostavat siitä tähtiä, ja menettävät sitä kehityksensä myötä", toteaa Ximena Fernandez Rutgersin yliopistosta. 

Hubble-avaruusteleskoopilla otettuun näkyvän valon kuvaan on yhdistetty radiohavaintojen perusteella määritetty atomaarisen vedyn jakauma (oranssinpunainen alue).

Galaksien kehitys on kuitenkin hyvin hidasta, joten sen tutkimiseksi on tarkasteltava eri-ikäisiä galakseja, jotka ovat kehityksensä eri vaiheissa. "Kun katsomme kauemmas, katsomme myös kauemmas ajassa taaksepäin, joten uusien havaintojen avulla saamme uutta tietoa galaksien kehityksestä", Fernandez lisää.

Samasta galaksista tehtiin havaintoja myös LMT-teleskoopilla (Large Millimetre Telescope) ja niiden perusteella siinä on hiilimonoksidia. Havainto on tärkeä, sillä tähtien synnyn kannalta molekyylimuodossa olevan kaasun esiintyminen on keskeistä.

COSMOS J100054 on havaintojen mukaan massiivinen sauvaspiraaligalaksi, joka on mahdollisesti vuorovaikutuksessa pienemmän naapurigalaksinsa kanssa. Radiohavaintojen perusteella siinä on vetyä lähes 100 miljardin Auringon massan verran. 

Tutkijat arvioivat, että galaksissa syntyy hieman alle sata tähteä vuodessa. Linnunradassa syntytahti on huomattavasti pienempi, vain noin kolme tähteä vuodessa.

"Pystyimme ensimmäisen kerran tekemään havaintoja sekä atomaarisen vedyn että hiilimonoksidin säteilystä näin kaukaisesta maailmankaikkeudesta", Hansung Gim Massachusettsin yliopistosta kertoo. "Nyt kun se on mahdollista, pystymme vähitellen täyttämään eri-ikäisten galaksien ominaisuuksia koskevan tietämyksemme aukkoja."

Tutkimuksesta kerrottiin NRAO:n uutissivuilla ja se julkaistaan Astrophysical Journal Letters -tiedelehdessä.

Kuva: Fernandez et al./Bill Saxton/NRAO/AUI/NSF/Koekemoer et al./Massey et al./NASA

ALMA-radioteleskoopilla (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) on löytynyt 11,5 miljardin valovuoden etäisyydeltä joukko hyvin nuoria galakseja, jotka asustavat suunnattomien pimeän aineen säikeiden risteyskohdassa.

Yli kymmenen miljardia vuotta sitten galakseissa syntyi tähtiä satoja tai tuhansia kertoja tiuhempaan tahtiin kuin Linnunradassa. Nykyisin tällaisia galakseja ei enää ole, mutta niiden uskotaan kehittyneen jättimäisiksi ellipsigalakseiksi, joita havaitaan maailmankaikkeudessa edelleen olevan. 

Galaksien syntyä koskevien teorioiden mukaan varhaiset galaksit muotoutuivat pimeään aineen tihentymissä. Aiemmin on kuitenkin ollut vaikea tehdä riittävän tarkkoja havaintoja tähtiä kiivaaseen tahtiin synnyttävistä galakseista ja niiden sijainneista, jotta teorioita voitaisiin testata.

Yhtenä ongelmana on, että muinaiset galaksit olivat usein pölypilvien kätköissä, jolloin niitä on hankala havaita näkyvän valon alueella. Ne säteilevät voimakkaasti alimillimetrialueella, mutta radioteleskooppien tarkkuus ei ole riittänyt yksittäisten galaksien erottamiseen.

Japanilainen tutkijaryhmä onnistui tekemään Chilessä sijaitsevalla ALMA-radioteleskoopilla Vesimiehen tähdistössä sijaitsevasta SSA22-kohteesta havaintoja, jotka paljastivat yhdeksän vauvagalaksin rykelmän.

Aiemmin ASTE-teleskoopilla (Atacama Submillimeter Telescope Experiment) tehdyissä havainnoissa erottui vain yksi kookas radiosäteilyn lähde (vasemmanpuoleinen ruutu), mutta ALMAn kymmenkertaisella herkkyydellä ja 60-kertaisella erotuskyvyllä se hajosi erillisiksi galakseiksi (keskimmäinen ruutu). Oikeanpuoleisessa ruudussa on 8,2-metrisellä Subaru-teleskoopilla näkyvän valon alueella otettu kuva.

Kuinka suuri voi supermassiivinen musta aukko olla? Ilmeisesti paljon suurempi kuin aiemmin pidettiin edes mahdollisena.

SAGE0536AGN-nimellä tunnetun galaksin keskustassa on musta aukko, joka uhkaa pistää uusiksi teoriat galaksien kehityksestä. 

Itse galaksi (alla olevassa kuvassa keskellä) löytyi infrapuna-alueella havaintoja tekevällä Spitzer-avaruusteleskoopilla. Yhdeksän miljardin valovuoden etäisyydellä sijaitsevalla tähtijärjestelmällä on aktiivinen ydin, jonka kirkkauden on arveltu olevan peräisin supermassiivista mustaa aukkoa ympäröivästä kertymäkiekosta.

Galakseja on joka lähtöön: isoja ja pieniä, ellipsin muotoisia ja linssimäisiä, kierrehaaraisia ja epäsäännöllisiä.

Kosmisissa törmäyksissä galaksien rakenne voi muuttua rajusti, ja tähtijärjestelmä voi hajota kokonaan joutuessaan suuremman galaksin ahmaisemaksi.

Galaktinen kolarointi ja kannibalismi eivät kuitenkaan ole välttämättä ainoita syitä galaksien muodonmuutoksiin. Ne voivat muuntautua uuteen uskoon ihan itsekseenkin. 

Kansainvälinen tutkijaryhmä on havainnut ensi kertaa, että huomattava osa galakseista on muuttanut ulkomuotoaan sen jälkeen, kun ne syntyivät vuosimiljardeja sitten.  

Tähtitieteilijät tekivät Hubble- ja Herschel-avaruusteleskoopeilla havaintoja noin 10 000 galaksista. Ensin he lajittelivat suhteellisen läheiset galaksit kahteen ryhmään: litteisiin, kiekkomaisiin galakseihin ja suuriin, pallomaisiin galakseihin. Sitten he tekivät saman jaottelun kaukaisemmille galakseille, jotka näemme sellaisina kuin ne olivat maailmankaikkeuden nuoruudessa. 

Tilastollisesti tarkasteltuna 83 prosenttia kaikista tähdistä kuului nuoressa maailmankaikkeudessa kiekkomaisiin galakseihin. Sittemmin osuus on laskenut 49 prosenttiin. "Nykyisin" eli lähimaailmankaikkeudessa yli puolet tähdistä on pallomaisissa galakseissa.

Suuri osa maailmankaikkeuden galakseista on siis muuttunut tyystin toisenlaiseksi kuin ne olivat syntynsä jäljiltä. 

Suosittu teoria on, että muutokset ovat seurausta kosmisista kolareista. Kun kaksi kiekkomaista galaksia joutuu niin lähelle toisiaan, että ne sulautuvat yhteen, lopputuloksena on kumpaakin törmäilijää paljon suurempi pallomainen galaksi. 

Toisen teorian mukaan muodonmuutokset ovat tapahtuneet rauhallisemmin. Kiekkomaisen galaksin laitamilla syntyneet tähdet olisivat hitaasti vaeltaneet keskemmälle ja kasvattaneet spiraaligalaksille tyypillisen keskuspullistuman suureksi, pallomaiseksi galaksiksi. 

"Galaksit ovat universumin perusrakennuspalikoita, joten niiden muodonmuutos edustaa yhtä merkittävimmistä muutoksista maailmankaikkeuden olemuksessa ja ominaisuuksissa viimeksi kuluneiden kahdeksan miljardin vuoden aikana", arvioi tutkimusryhmää johtanut Steve Eales.

Tutkimuksesta kerrottiin Cardiffin yliopiston uutissivulla ja se on julkaistu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä.

Kuva: NASA

340 miljoonan valovuoden etäisyydellä sijaitsevassa kääpiögalaksissa on monien muiden tähtijärjestelmien tapaan supermassiivinen musta aukko. Michiganin yliopiston tähtitieteilijöiden tekemien havaintojen mukaan se ei kuitenkaan ole erityisen "super" eikä "massiivinen", vaan lajissaan pienin tunnettu.

Yleensä galaksien keskustoissa lymyävät mustat aukot ovat massaltaan miljoonia tai miljardeja kertoja Aurinkoa massiivisempia. RGG 118 -kääpiögalaksin keskuskurimuksella on massaa vain 50 000 kertaa enemmän kuin Auringolla.

RGG 118 on itsekin niin pieni, ettei se todennäköisesti ole koskaan sulautunut toisten galaksien kanssa. Suurempien galaksien sen sijaan arvellaan muodostuneen törmäysten seurauksena.

"Tällaiset pikkugalaksit antavat käsityksen varhaisen maailmankaikkeuden galakseista", sanoo Vivienne Baldassare Michiganin yliopistosta. "Esimerkiksi Linnunradan tapauksessa emme tiedä, millainen se oli nuoruudessaan."

Kääpiögalaksista tehtiin havaintoja sekä Chandra-röntgenavaruusteleskoopilla että Chilessä sijaitsevalla 6,5-metrisellä Clay-teleskoopilla. Jälkimmäisellä selvitettiin mustan aukon massa tarkkailemalla galaksin keskuksessa olevan kaasun liikkeitä. Röntgenalueen havainnot puolestaan kertoivat aukkoon syöksyvän aineen määrän.

Galaksien kehitykseen vaikuttavat sekä sisäiset että ulkoiset tekijät. Tähtien syntytahti riippuu kaasun ja pölyn määrästä, galaksin rakenne puolestaan usein vuorovaikutuksesta naapurigalaksien kanssa. Galaksin kehitys voi kuitenkin pysähtyä – ainakin uusien tähtien synnyn osalta – käytännössä kokonaan, jos kosminen puhuri vie kaasun ja pölyn mennessään.

Prosessi on tutkijoille jo ennestään tuttu, mutta nyt Hubble-avaruusteleskoopilla on saatu tarkka kuva siitä, miten kosminen tuuli vaikuttaa tähtienväliseen aineeseen. Yksityiskohtainen otos 300 miljoonan valovuoden etäisyydellä sijaitsevan Coman galaksijoukon spiraaligalaksista NGC 4921 paljastaa, mitä tähtienvälisessä avaruudessa tapahtuu.

Jos tarkkoja ollaan, kyseessä ei ole tuuli siinä mielessä kuin sen arkikielessä ymmärrämme, vaan ”törmäyspaineesta”, joka syntyy galaksin liikkuessa galaksienvälisessä kaasussa. Vaikutus on kuitenkin samanlainen kuin tilanteessa, jossa voimakas tuuli puhaltaa suoraan menosuunnasta.

"Galaksin 'etureunassa' kaasu ja pöly ovat kasautuneet pitkäksi harjanteeksi, eräänlaiseksi pölyrintamaksi. Siinä erottuu kuitenkin myös pienen mittakaavan rakennetta", Jeffrey Kenney Yalen yliopistosta selittää. "Pölyrintamasta pistää esiin kielekkeitä, joiden arvelemme syntyneen, kun tiheät kaasupilvet ovat erottuneet harvemmasta aineesta."

Kosminen tuuli riepottelee harvaa kaasua mielensä mukaan, mutta tiheiden pilvien kohdalla tilanne on toinen. Kaasun tihentymät alkavat erottua, kun tuuli vie harvan aineen mennessään. Erottuminen ei kuitenkaan ole täydellistä, sillä magneettikentät pitävät tiheän ja harvan kaasun osittain sidoksissa toisiinsa.

"Siksi pölykielekkeet muistuttavat Hubble-avaruusteleskoopin kuvissa venyvää toffeeta. Pääsemme näkemään pilvien erottumisprosessin ensimmäistä kertaa yksityiskohtaisesti", Kenney toteaa.