Hubble

1960-luvulla avaruuajan alussa Nasaa johtaneen James Webbin mukaan nimetty uusi avaruusteleskooppi on upea laite. 

Ja kuten aika usein upeat avaruuslaitteet ovat, on JWST myös monimutkainen ja kallis. Tähän mennessä se on kallein Nasan hanke, kun mukaan ei lasketa Kansainvälistä avaruusasemaa. Vaikka mukana kustannuksia jakamassa ovat Euroopan avaruusjärjestö ja Kanada, on pelkästään amerikkalaisille veronmaksajille tulevassa hintalapussa nyt yli kahdeksan miljardia dollaria.

Ei ihme, että ennen kaikkea Yhdysvaltain hallituksen tilitarkastajat ovat seuranneet menoa viime aikoina tarkasti.

Kun JWST oli lähellä tulla peruutetuksi vuonna 2011 (jo sitä ennen olleiden viivytysten ja budjettiylitysten vuoksi), asetettiin tuolloin hankkeelle tämä kahdeksan miljardin dollarin katto. Tuskin kukaan ehdottaa teleskoopin jättämistä Maahan tämän kaiken jälkeen pienen ylityksen vuoksi, mutta nipotusta on tiedossa.

Supermassiivinen musta aukko on keskellä galaksia, joka sijaitsee varsin autiolla avaruuden alueella. Tähän mennessä miljardeja kertoja Aurinkoa massiivisemmat mustat aukot ovat löytyneet hyvin suurista galakseista, jotka ovat tiheillä, galaksirikkailla seuduilla.

Esimerkiksi massiivisin tunnettu, 21 miljardin Auringon massainen musta aukko on Coman galaksijoukossa, johon kuuluu yli tuhat galaksia.

"Vastikään löydetty superiso musta aukko on keskellä massiivista ellipsigalaksia NGC 1600, joka sijaitsee kosmisilla syrjäseuduilla, vain noin 20 galaksin muodostamassa pienessä ryhmässä", kertoo tutkimusta johtanut Chung-Pei Mak.

Vastaavia ryhmittymiä on noin 50 kertaa enemmän kuin Coman joukon kaltaisia jättimäisiä keskittymiä. Jos sellaisissakin voi piileskellä hyvin massiivisia mustia aukkoja, niiden lukumäärä on paljon arveltua suurempi.

Tutkijat olivat myös yllättyneitä siitä, että mustan aukon massa on kymmenen kertaa suurempi kuin itse galaksin massa antoi olettaa. Aiemmin on tultu siihen tulokseen, että mustan aukon ja galaksin keskuspullistuman massan välillä on tietty riippuvuussuhde. Nyt näyttää siltä, että se ei välttämättä pädekään – ei ainakaan tässä tapauksessa.

Tähtijoukolla on läpimittaa vain muutamia valovuosia ja se sijaitsee Tarantella-sumussa. Etäisyyttä sillä on 170 000 valovuotta, joten ihan lähitähdistä ei ole kyse.

Yhdistämällä Hubble-avaruusteleskoopin näkyvän valon kameralla ja spektrografilla tehdyt havainnot tutkijat ovat saaneet selvitettyä, millaisista tähdistä joukko koostuu. Jo aiemmin on tiedetty, että voimakkaasti ultraviolettialueella (kuva alla) säteilevät tähdet ovat suuria, mutta nyt selvisi niiden todellinen koko ja runsaus.

Kaukaisin tunnettu galaksi on peräti 13,4 miljardin valovuoden etäisyydellä. Maailmankaikkeudella oli tuolloin ikää alle 400 miljoonaa vuotta.

Hubble-avaruusteleskoopilla kuvattu galaksi GN-z11 on Ison karhun tähdistön suunnassa. Galaksi on tutkijoiden mukaan "yllättävän kirkas".

"Olemme ottaneet merkittävän askeleen ajassa taaksepäin, kauemmas kuin oletimme olevan mahdollista Hubblen avulla. Näemme galaksin ajanhetkenä, jolloin maailmankaikkeuden ikä oli ainoastaan kolme prosenttia nykyisestä eli hyvin lähellä niin sanotun Pimeän ajan päättymistä", toteaa tutkimusta johtanut Pascal Oesch Yalen yliopistosta.

Aiemmin GN-z11:n etäisyys oli arvioitu sen värin perusteella. Nyt onnistuttiin kuitenkin määrittämään kohteen spektrin avulla sen tarkka etäisyys. Laajenevassa maailmankaikkeudessa spektriviivojen siirtymän määrä kohti punaista kertoo, kuinka kaukana kohde on. 

"Suureksi yllätykseksemme Hubble antoi punasiirtymäksi 11,1, joka on paljon suurempi kuin edellinen ennätys 8,7. Suoritus on melkoinen, sillä avaruusteleskooppi onnistui päihittämään paljon suuremmat maanpäälliset kaukoputket, jotka pitivät aiempia ennätyksiä hallussaan", sanoo Pieter van Dokkum niin ikään Yalen yliopistosta.

Hänen mukaansa uusi etäisyysennätys pitänee pintansa siihen saakka, että James Webb -avaruusteleskooppi saadaan käyttöön vuonna 2018.

GN-z11 on havaintojen mukaan kooltaan ainoastaan 1/25 Linnunradasta ja sen tähtien massa on vain prosentin luokkaa kotigalaksimme tähtien massasta. Vastikään muodostunut galaksi kasvattaa kokoaan kuitenkin nopeasti, sillä siinä syntyy uusia tähtiä noin 20 kertaa nopeammin kuin Linnunradassa nykyisin. Siksi GN-z11 on niin kirkas, että siitä pystyttiin tekemään havaintoja Hubblella.

"On hämmästyttävää, että niin massiivinen galaksi saattoi olla olemassa vain 200–300 miljoonaa vuotta sen jälkeen kun ihkaensimmäiset tähdet alkoivat muodostua", aprikoi Garth Illingworth Kalifornian yliopistosta Santa Cruzista.

"Vaatii todella vauhdikasta kasvua ja tähtien syntyä huimaan tahtiin, jotta miljardin Auringon massainen galaksi on voinut muotoutua niin pian."

Tutkimuksesta kerrottiin Yalen yliopiston uutissivulla ja se julkaistaan Astrophysical Journal -tiedelehdessä. 

Kuva: NASA/ESA/P. Oesch (Yale University)

2M1207b on noin neljä kertaa Jupiteria massiivisempi planeetta, joka kiertää noin 170 valovuoden etäisyydellä Maasta sijaitsevaa ruskeaa kääpiötä eli niin sanottua "epäonnistunutta" tähteä. Eksoplaneetan etäisyys tähdestä on noin kymmenen kertaa suurempi kuin Jupiterin etäisyys Auringosta.

Planeetan kaasukehässä on pilvimuodostelmia samaan tapaan kuin Jupiterissa, joten sen kirkkaus vaihtelee riippuen siitä, kuinka vaaleita tai tummia alueita on Maata kohti olevalla pallonpuoliskolla.

Eksoplaneetta löytyi jo kymmenen vuotta sitten ja silloinkin havaintolaitteena oli Hubble-avaruusteleskooppi. Sen kaasukehän lämpötila on niin korkea, 1 200–1 400 celsiusastetta, että pilvistä sataa höyrystyneestä kiviaineksesta kiteytyneitä silikaattisiruja ja metallipisaroita. 

"Korkeammalla kaasukehässä sataa siis lasia, alempana rautaa", selventää Yifan Zhou Arizonan yliopistosta. 

Super-Jupiterin kuumuus johtuu siitä, että sillä on ikää vasta noin 10 miljoonaa vuotta: se on edelleen kutistumassa ja jäähtymässä. Korkean lämpötilan seurauksena planeetta "näkyy" kirkkaimmillaan infrapuna-aallonpituuksilla. 

Toisin kuin Hubble-avaruusteleskoopissa, Webbin peili ei ole yhtä kappaletta, vaan rakentuu 18 kuusikulmaisesta palasesta. Kukin niistä on 1,3 metrin läpimittainen ja painaa noin 40 kiloa.

"Pääpeilin valmistuminen on todella merkittävä virstanpylväs. Siihen kiteytyy yli vuosikymmenen kestänyt suunnittelu, valmistus, testaaminen ja nyt lopullinen kokoaminen", toteaa Lee Feinberg Goddardin avaruuslentokeskuksesta.

Kaikkinensa teleskoopilla on kokoa suunnilleen saman verran kuin tenniskentällä, joten peilin valmistumisen jälkeenkin on vielä paljon tehtävää  ennen kuin se voidaan lähettää avaruuteen. 

Noin 15 valovuoden etäisyydellä (kuvasta oikealle) sijaitsevien kuumien ja kirkkaiden tähtien voimakas hiukkastuuli ja ultraviolettisäteily ovat raastamassa tähtienvälistä kaasupilveä hajalle.

Se on venähtänyt jo valovuoden mittaiseksi ja kaasua katoaa kaiken aikaa kirjaimellisesti taivaan tuuliin. 4 500 valovuoden etäisyydellä sijaitsevan pilven sisällä oleva prototähti yrittää parhaansa mukaan kerätä itseensä lisää kaasua ympäröivästä ainepilvestä, mutta aika voi loppua kesken. 

Tähdestä voisi lopulta muodostua jopa kymmenen kertaa Aurinkoa massiivisempi, mutta jos sitä ympäröivä kaasupilvi ehtii hajota ennen kuin prototähti pääsee seuraavaan kehitysvaiheeseensa, se jää paljon pienemmäksi – tai ei syty lainkaan loistamaan lajitovereidensa tavoin. 

Päivän kuvassa on yhdistetty Hubble-avaruusteleskoopin havainnot vihreässä ja infrapunavalossa sekä La Palmalla Kanarian saarilla sijaitsevan Isaac Newton -teleskoopin havainnot H-alfassa eli vedyn säteilemässä valossa. 

Kuva: NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/IPHAS

Alkuräjähdyksen jäljiltä maailmankaikkeus oli niin kuuma ja tiheä, että kaikki aine oli ionisoitunutta – toisin sanoen elektronit olivat ytimien ympäriltä karkuteillä. 

Kuitenkin jo 380 000 vuoden kuluttua lämpötila oli laskenut niin paljon, että atomien ytimet ja elektronit löivät hynttyyt yhteen. Alati laajeneva maailmankaikkeus muuttui läpinäkyväksi, säteily pääsi kulkemaan esteettä ja aine saattoi kasautua vety- ja heliumpilviksi.

Valtavista kaasupilvistä muodostuivat ensimmäiset ja tähdet ja galaksit – kunnes noin miljardi vuotta myöhemmin maailmankaikkeus kuumeni uudelleen.

Ylivoimaisesti yleisin alkuaine vety ionisoitui uudelleen, mutta tähän saakka syytä siihen ei ole tiedetty. Tai ainakin siitä on käyty kovaa kiistaa.

Nyt näyttäisi siltä, että syypäitä tähän kuumentumiseen olivat nuoret kääpiögalaksit. 

Galaksit ovat olleet aiemminkin epäiltyjen listalla, mutta kansainvälinen tutkijaryhmä on tehnyt Hubble-avaruusteleskoopilla ultraviolettihavaintoja, jotka vahvistavat arvelun. 

Tutkimuksen kohteena oli suhteellisen läheinen, hyvin tiivis kääpiögalaksi. Sen todettiin lähettävän voimakkaasti ionisoivaa säteilyä, juuri sellaista, joka voisi olla vastuussa maailmankaikkeuden alkuaikojen ionisaatiosta.

"Galaksi vaikuttaa erinomaiselta paikalliselta vastineelta lukuisille kääpiögalakseille, joiden on arveltu aiheuttaneen varhaisen maailmankaikkeuden ionisoitumisen uudelleen", toteaa tutkijaryhmää johtanut Trinh Thuan Virginian yliopistosta.

Teorian ongelmana on ollut se, että galaksien lähettämän ionisoivan säteilyn pitää päästä etenemään galaksienväliseen avaruuteen: yleensä sen matka päättyy jo galaksien omiin kaasu- ja pölypilviin. Aiemmin ei ole onnistuttu havaitsemaan galaksia, joka lähettäisi riittävästi ultraviolettisäteilyä riittävän kauas avaruuteen.

Tuoreen tutkimuksen kohteiksi valittiin "vihreiksi herneiksi" kutsuttuja pienikokoisia, pyöreitä, hyvin tiiviitä ja näkyvän valon alueella vihreinä näkyviä galakseja. Niissä tapahtuu voimakkaita supernovaräjähdyksiä, joissa vapautuvat ionisoivat fotonit pääsevät galaksienväliseen avaruuteen saakka. Tai näin oletettu. Ja ihan syystä.

Sloan Digital Sky Survey -kartoituksen tietokannasta löytyi peräti 5 000 galaksia, jotka ovat hyvin tiiviitä ja säteilevät hyvin voimakkaasti ultraviolettialueella. Niistä viisi valittiin Hubble-avaruusteleskoopilla tehtävien havaintojen kohteiksi.

Yksi niistä, kuvassa näkyvä J0925+1403, on noin kolmen miljardin valovuoden etäisyydellä. Vain noin 6 000 valovuoden läpimittaisen galaksin todettiin lähettävän ionisoivia fotoneita voimakkaammin kuin koskaan aiemmin on havaittu.

"Hubblella tehtävien lisähavaintojen avulla odotamme ymmärtävämme paremmin, miten fotonit sinkoutuvat tällaisista galakseista, ja millaiset galaksit saivat aikaan kosmisen ionisoitumisen", sanoo Trinh.

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert-uutissivustolla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA

Hubble-avaruusteleskoopilla on saatu kuvattua supernova. Siinä ei ole vielä mitään ihmeellistä, mutta poikkeuksellista on, että supernovaräjähdys pystyttiin ennustamaan etukäteen. Tai oikeastaan se nähtiin pikauusintana.

Supernovien havaitseminen heti tuoreeltaan räjähdyshetkellä tai pian sen jälkeen on harvinaista, mutta ensimmäisen kerran ilmiötä osattiin odottaa.

Kaukaisessa galaksijoukossa havaitulle supernovalle on annettu lempinimeksi Refsdal norjalaisen tähtitieteilijän Sjur Refsdalin mukaan. Hän ehdotti jo vuonna 1964, että gravitaatiolinssien muodostamia supernovien kuvajaisia voitaisiin käyttää maailmankaikkeuden laajenemisen tutkimiseen.

Marraskuussa 2014 tutkijat bongasivat MACS J1149.5+2223-galaksiryhmän yhden jäsenen ympärillä useita supernovan kuvajaisia. Galaksi muodosti gravitaatiolinssin, joka muutti supernovasta tulevien valonsäteiden kulkusuuntaa ja hajotti sen kuvan neljäksi. 

Galaksijoukko on noin viiden miljardin vuoden etäisyydellä, mutta supernova on paljon kauempana. Siitä tuleva valo on ollut matkalla lähes kymmenen miljardia vuotta.

"Supernovaa tutkiessamme huomasimme, että galaksi, jossa se on räjähtänyt, tunnettiin jo joukon vääristämänä kuvajaisena", kertoo Steve Rodney Etelä-Carolinan yliopistosta. "Supernovan 'emogalaksi' näkyy ainakin kolmena eri kuvana, jotka galaksijoukon massa on saanut aikaan."

Galaksin kuvajaiset tarjosivat harvinaisen mahdollisuuden ennustaa tulevaisuutta – tai pikemminkin menneisyyttä. Koska galaksijoukon massa on jakautunut epätasaisesti, eri kuvajaisten valo kulkee eripituisen matkan, joten galaksi näkyy niissä eri aikoina. 

"Käytimme seitsemää erilaista galaksijoukon mallia, joiden perusteella laskimme milloin ja missä supernova näkyy seuraavan kerran. Suurin ponnistuksin tiedeyhteisö keräsi tarvittavat tiedot Hubble-, VLT-MUSE- ja Keck-teleskoopeilla, ja muotoili linssiä koskevat mallit", toteaa Tommaso Treu UCLA:sta (University of California at Los Angeles). 

"Hämmästyttävällä tavalla kaikki seitsemän mallia antoivat ennusteeksi suunnilleen saman ajankohdan, jolloin uusi kuvajainen räjähtävästä tähdestä ilmestyisi näkyviin."

Hubble-avaruusteleskoopilla tarkkailtiin MACS J1149.5+2223-galaksijoukkoa lokakuun lopulta lähtien ja 11. joulukuuta supernova ilmaantui ennusteen mukaisesti kuviin. 

Otsikkokuvan vasempaan ruutuun on merkitty punaisella ympyrällä galaksi, jonka reunamilla näkyy neljä supernovan kuvajaista. Turkoosin ympyrän kohdalla on supernovan ennustettu paikka.

Oikealla ylhäällä on Hubblen seurantaohjelman ensimmäinen kuva lokakuun lopulta ja oikealla alhaalla kuva, jossa Refsdalin supernova on ilmestynyt näkyviin – täsmälleen ennustetussa paikassa.

Supernovasta tehdyt havainnot antavat tutkijoille mahdollisuuden testata malleja siitä, miten massa ja erityisesti pimeä aine jakautuu tässä nimenomaisessa galaksijoukossa. Samalla saatiin vahvistus siitä, että gravitaatiolinssit ovat tehokas menetelmä tutkia hyvin kaukaisia maailmankaikkeuden kohteita ja ilmiöitä.

Refsdalista kerrottiin Hubblen uutissivuilla. 

Kuva: NASA/ESA/P. Kelly (University of California, Berkeley)

Lähes kahdentuhannen tunnetun eksoplaneetan joukossa on liuta "kuumia jupitereita". Ne ovat jättimäisiä kaasuplaneettoja, jotka kiertävät tähteään niin lähellä, että niiden pintalämpötila on vähintään satoja asteita.

Pieni etäisyys tähdestä tekee näistä eksoista hankalasti havaittavia, joten vain muutamaa on pystytty tutkimaan tarkemmin. Yhteistä monille maailmoille on, että niiden kaasukehässä näyttää olevan vettä paljon vähemmän kuin teoreettisten mallien perusteella voisi olettaa.

Hubble- ja Spitzer-avaruusteleskoopeilla on nyt tehty kymmenestä Jupiterin kokoluokkaa olevasta eksoplaneetasta havaintoja, jotka kertovat, mihin vesi on kadonnut: ei mihinkään.

Kaikki tutkitut eksot vaeltavat tähtensä editse, jolloin ylikulun aikana osa tähden valosta kulkee planeetan kaasukehän läpi. 

"Kaasukehä jättää ainutlaatuisen sormenjäljen tähden valoon, joka saapuu havaintolaitteisiimme", toteaa Hannah Wakeford NASAn Goddardin avaruuslentokeskuksesta.

Yhdistämällä Hubblella ja Spitzerillä tehdyt havainnot tutkijat pystyivät kokoamaan kustakin planeetasta spektrin, joka ulottuu näkyvästä valosta infrapuna-alueelle. Kun eri aallonpituusalueilla mitattuja planeetan läpimitan arvoja verrattiin toisiinsa, saatiin selville, onko kaasukehä pilvinen vai pilvetön.

Pilvien peittämä planeetta näyttää optisella alueella suuremmalta kuin infrapuna-aallonpituuksilla, jotka pääsevät syvemmälle kaasukehään. Näin saatiin määritettyä pilvisen tai utuisen kaasukehän ja vähäisen veden mahdollinen yhteys.

"On todella jännittävää saada lopultakin tietoa näin laajasta planeettojen joukosta, sillä nyt meillä on riittävästi havaintoja eri aallonpituusalueilla, jotta voimme vertailla planeettojen erilaisia ominaisuuksia toisiinsa", sanoo David Sing Exeterin yliopistosta.

"Tulostemme mukaan vesi yksinkertaisesti piileskelee pilvien alla, joten kuivia ja kuumia jupitereita ei olekaan", selittää Jonathan Fortney Kalifornian yliopistosta Santa Cruzista.

"Vaihtoehtoinen selitys on, että planeetat muodostuvat vähävetisissä ympäristöissä, mutta se edellyttäisi kokonaan uusia teorioita planeettojen synnystä."

Tutkimuksesta kerrottiin Hubblen uutissivuilla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/ESA (taiteilijan näkemys tutkituista maailmoista)