supermassiiviset mustat aukot

Eduardo Bañadosin johtama tutkimusryhmä on löytänyt toistaiseksi "kirkkaimmin" radioalueella säteilevän nuoren kvasaarin, joka on syntynyt maailmankaikkeuden ollessa alle miljardin vuoden ikäinen.

Kvasaarin löytymisen jälkeen Emmanuel Momjian teki siitä havaintoja, joiden avulla plasmasuihkusta saatiin ennennäkemättömän tarkkoja tietoja. Niiden ansiosta pystytään entistä paremmin selvittämään varhaisen maailmankaikkeuden ilmiöitä ja kehittymistä.

Tarkkaan tutkittu kvasaari tunnetaan luettelonimellä PSO J352.4034-15.3373. Kvasaarit löytyivät 1960-luvulla voimakkaan radiosäteilynsä perusteella, mutta todellisuudessa vain noin joka kymmenes kvasaari on "kirkas" radioalueella.

Voimakas radiosäteily on yleensä lähtöisin mustan aukon pyörimisakselin suuntaan lähtevistä suihkuista, joissa kuuma plasma liikkuu lähes valon nopeudella.

Kolme vuotta kestänyt havaintoprojekti toteutettiin GMRT-teleskoopilla (Giant Metrewave Radio Telescope) ja sen kohteena oli tunnuksella ELAIS-N1 tunnettu avaruuden alue. Vasemmanpuoleiseen kuvaan on ympyröity galakseja, joiden mustat aukot suihkuavat samaan suuntaan.

Suihkujen samansuuntaisuus kertoo myös siitä, että havaittujen galaksien supermassiiviset mustat aukot pyörivät samaan suuntaan. Tällainen tuplasattuma ei voi olla sattumaa, vaan sen taustalla täytyy olla jokin yhteinen tekijä, joka on saanut suuntauksen aikaan. 

"Koska kyseiset mustat aukot eivät tiedä toisistaan mitään eivätkä pysty vaihtamaan keskenään informaatiota tai vaikuttamaan suoraan toisiinsa valtavien etäisyyksien päästä, niiden pyörimissuuntien on täytynyt asettua samansuuntaisiksi jo galaksien syntyessä maailmankaikkeuden nuoruudessa", tutkimusta johtanut Andrew Russ Taylor toteaa.

Havainnot viittaavat siihen, että näin suurella avaruuden alueella esiintyvä samansuuntainen pyörimisliike on perua alkuperäisistä tiheysvaihteluista, jotka olivat maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenteiden lähtökohtana.

Tutkimuksen tulos oli yllätys. Tarkoituksena oli vain tutkia maailmankaikkeuden heikoimpia radiolähteitä. Samankaltaisia suuntausilmiöitä on havaittu aiemminkin, mutta paljon pienemmässä mittakaavassa. Nyt saatiin ensimmäisen kerran todisteita yli 300 miljoonan valovuoden läpimittaisella alueella esiintyvästä ilmiöstä. 

Sen lisäksi, että löytö oli odottamaton, tällaiselle laajamittaiselle yhdensuuntaisuudelle ei toistaiseksi ole kunnollista teoriaa. Mahdollisia ehdokkaita suuntauksen aiheuttajiksi ovat muiden muassa kosmiset magneettikentät, eksoottisiin hiukkasiin liittyvät kentät sekä kosmiset jänteet.

Olipa taustalla mikä tahansa tekijä, sen on täytynyt vaikuttaa paljon galaksijoukkoja laajemmilla alueilla siinä vaiheessa, kun galaksit alkoivat muotoutua. 

"Alamme ymmärtää, miten maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenne on syntynyt: alkuräjähdyksestä lähtien varhaisen maailmankaikkeuden häiriöt kasvoivat nykyisiin mittoihin", kertoo Taylor. "Se auttaa meitä myös selvittämään, millainen on tulevaisuuden maailmankaikkeus."

Tutkimuksesta kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivuilla ja se on julkaistu Seuran Monthly Notices -tiedelehdessä.

Kuva: Andrew Russ Taylor

Kun kaksi suurta galaksia törmää toisiinsa, niiden keskellä olevat supermassiiviset mustat aukot päätyvät kiertämään toisiaan, kunnes nekin törmäävät ja yhdistyvät. Tutkijoiden mukaan tällaiset ilmiöt ovat voimakkaimpia gravitaatioaaltojen lähteitä.

Radioastronomit ovat tutkineet VLA-teleskoopilla tehtyjä havaintoja "X-kirjaimen muotoisista radiogalakseista". Omituisen muodon on arveltu johtuvan siitä, että mustien aukkojen kertymäkiekoista lähtevät hiukkassuihkut ovat muuttaneet suuntaa. Syynä suunnanmuutoksen olisi törmäys toisen galaksin kanssa. 

Tutkijoilla oli käytössään 100 kiinnostavan kohteen luettelo, josta he valitsivat 52 tarkempaa analyysia varten. Arkistohavaintojen avulla niistä pystyttiin muodostamaan aiempaa yksityiskohtaisemmat kuvat.

Uusien kuvien perusteella näyttää siltä, että tutkituista galakseista ainoastaan yhdessätoista on tapahtunut törmäys ja sulautuminen, joka on muuttanut hiukkassuihkujen suuntaa. Kaikissa muissa galakseissa suunnanmuutoksen taustalla on jokin toinen syy. 

Yllä olevassa kuvassa vasemmanpuoleisen galaksin J0702+5002 muoto ei ole syntynyt sulautumisen seurauksena, mutta oikeanpuoleisen galaksin J1043+3131 todennäköisesti on.

Tulosten perusteella on arvioitu, että alle 1,3 prosentissa radioalueella voimakkaasti säteilevistä galakseista on tapahtunut sulautuminen. Se on vain viidesosa aiemmin arvioidusta yleisyydestä.

"Aikaisempiin arvioihin verrattuna tämä voi merkittävästi vähentää X-kirjaimen muotoisissa radiogalakseissa syntyneen pitkäaaltoisen gravitaatiosäteilyn määrää", tutkimusryhmää johtanut David Roberts sanoo. 

"On hyvin tärkeää kytkeä gravitaatioaallot kohteisiin, jotka havaitsemme sähkömagneettisen säteilyn, esimerkiksi radioaaltojen, avulla. Siten pystymme lisäämään tietämystämme perusfysiikasta."

Gravitaatioaallot ovat Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustamia, mutta niitä ei ole vieläkään onnistuttu havaitsemaan suoraan. Välilliset havainnotkin on kuitenkin arvioitu Nobelin arvoisiksi. Joseph Taylor ja Russell Hulse löysivät vuonna 1974 kaksoistähden, jossa pulsari kiertää tähteä. 

Vuosien mittaan niiden kiertoratojen todettiin kutistuvan suhteellisuusteorian mukaisesti, kun gravitaatioaaltojen oletettiin vievän järjestelmästä energiaa. Taylor ja Hulse saivat löydöstään fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1993.

Uudesta tutkimuksesta kerrottiin NRAO:n (National Radio Astronomy Observatory) uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal Supplements -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Roberts et al., NRAO/AUI/NSF