neutronitähti

Magneettikenttä antaa energian maailmankaikkeuden voimakkaimmille räjähdyksille

Ke, 07/08/2015 - 18:32 By Markus Hotakainen

Gammapurkaukset ovat maailmankaikkeuden voimakkaimpia räjähdyksiä sitten alkuräjähdyksen. Yleensä GRB (Gamma-ray Burst) kestää vain joitakin sekunteja, mutta joskus jopa tunteja. Tällaisia pitkäkestoisia gammapurkauksia on toistaiseksi havaittu vasta neljä. Yksi ongelma purkausten havaitsemisessa on, että gammasäteily kilpistyy Maan ilmakehään, joten havaintolaitteet on lähetettävä avaruuteen.

Joulukuussa 2011 gammapurkausten tutkimiseen suunniteltu Swift-satelliitti havaitsi yhden kaikkien aikojen kirkkaimmista ja samalla pitkäkestoisimmista purkauksista, joka sai tunnuksekseen GRB 111209A. Purkauksen hiljalleen hiipunutta näkyvän valon ja infrapuna-alueen jälkihehkua tarkkailtiin Euroopan eteläisen observatorion ESOn kaukoputkilla sekä La Sillan että Paranalin observatorioissa.

2,2-metrisellä MPG/ESO-kaukoputkella sekä neljästä kahdeksanmetrisestä kaukoputkesta koostuvalla VLT-teleskoopilla tehdyistä havainnoista löydettiin viitteitä supernovasta, elämänsä lopulla räjähtäneesta tähdestä. Se sai puolestaan tunnuksekseen SN 2011kl. 

Supernovien ja lyhyempien gammapurkausten kytkös todettiin jo 2000-luvun alussa, mutta nyt onnistuttiin ensimmäisen kerran havaitsemaan supernovan ja hyvin pitkäkestoisen gammapurkauksen välillä selvä yhteys.

"Pitkäkestoinen gammapurkaus liittyy vain yhteen kymmenestä- tai sadastatuhannesta supernovasta, joten räjähtävän tähden täytyy olla jollain tavalla erikoinen. Tähtitieteilijät ovat olettaneet, että tällaiset purkaukset syntyvät hyvin suurista, jopa 50 kertaa Aurinkoa massiivisemmista tähdistä, ja ne kertovat mustan aukon synnystä. Tekemämme havainnot supernovasta SN 2011kl, joka löytyi gammapurkauksen GRB 111209A jälkeen, muuttavat käsityksiä pitkäkestoisista purkauksista", toteaa tutkimusryhmää johtanut Jochen Greiner Max-Planck-instituutista.

Aiemman teorian mukaan massiivisen tähden luhistuttua viikon verran kestävä näkyvän valon ja infrapuna-alueen säteily syntyy radioaktiivisen nikkeli-56-isotoopin hajoamisessa. Nikkeli puolestaan on syntynyt supernovan huippukuumassa pätsissä. GRB 111209A -purkauksesta tehdyt havainnot osoittavat, että ainakaan tässä tapauksessa selitys ei päde.

Ainoa havaintoihin sopiva vaihtoehto purkauksen energianlähteeksi on magnetar, vinhasti pyörivä neutronitähti, jonka magneettikenttä on vielä paljon voimakkaampi kuin neutronitähdillä yleensä. Siinä missä tyypillisen neutronitähden magneettikentän voimakkuus on noin 100 miljoonaa teslaa, magnetarilla se voi olla jopa 100 miljardia teslaa eli tuhatkertainen. 

Vaikka magnetarit ovat "tavallisten" neutronitähtien tapaan vain parinkymmenen kilometrin läpimittaisia ja niissä on massaa suunnilleen Auringon verran, niiden arvellaan olevan maailmankaikkeuden magneettisimpia kappaleita. Neutronitähtien tiedetään olevan supernovina räjähtäneiden tähtien jäänteitä, mutta nyt saatiin ensimmäistä kertaa suora havainto supernovan ja magnetarin välisestä yhteydestä. 

"Uudet tulokset ovat todisteena odottamattomasta kytköksestä gammapurkausten, hyvin kirkkaiden supernovien ja magnetarien välillä. Niiden yhteyttä on ounasteltu teoreettisin perustein jo joidenkin vuosien ajan, mutta kaiken linkittyminen yhteen on jännittävää", lisää tutkimusryhmään kuulunut Paolo Mazzali.

Tutkimuksesta kerrottiin Euroopan eteläisen observatorion uutissivuilla ja se ilmestyy Nature-tiedelehdessä 9. heinäkuuta.

Kuva: ESO

 

Avaruusteleskooppi havaitsi neutronitähden röntgenkaikuja

Pe, 06/26/2015 - 10:15 By Markus Hotakainen

Eteläisen taivaan pienessä ja himmeässä Harpin tähdistössä on voimakas röntgensäteilyn lähde Circinus X-1. Se on kaksoisjärjestelmä, jossa neutronitähti ja jättiläistähti kiertävät toisiaan. 

Vain noin kymmenen kilometrin läpimittainen, mutta silti suunnilleen auringonmassainen neutronitähti on syntynyt suuren tähden räjähtäessä elämänsä lopulla supernovana. 2 500 vuotta sitten tapahtuneen räjähdyksen seurauksena avaruuteen on levinnyt kaasua ja pölyä, joka edelleen ympäröi kaksoistähteä.  

Tai 2 500 vuotta sitten Maasta katsottuna: todellisuudessa siitä on kulunut paljon pidempi aika. Kohteen etäisyyttä on ollut vaikea määrittää, joten tutkijat eivät ole tienneet, kuinka kauan sitten supernovaräjähdys oikeasti tapahtui.

Vajaa kaksi vuotta sitten (plus etäisyyden mukainen aika…) neutronitähdessä tapahtui voimakas purkaus, joka tarjosi tähtitieteilijöille mittatikun tarkan etäisyyden määrittämiseksi. 

Röntgenalueella toimivalla Chandra-avaruusteleskoopilla on havaittu neutronitähden ympärillä samankeskisiä renkaita, jotka ovat syntyneet säteilyn heijastuessa tähtienvälisestä pölystä.

"Samaan tapaan kuin lepakot käyttävät kaikuluotausta ympäristönsä hahmottamiseksi me voimme määrittää Circinus X-1:n röntgensäteilyn avulla sen täsmällisen sijainnin", sanoo tutkimusta johtanut Sebastian Heinz

Neutronitähdessä tapahtuneen purkauksen seurauksena röntgensäteily leviää joka suuntaan, mutta kun se heijastuu eri etäisyyksillä olevista pölypilvistä, se saapuu Maahan eri suunnista hieman eri aikaan. Viive on yhdestä kolmeen kuukauteen.

Chandran havaintoihin yhdistettiin Australiassa sijaitsevalla Mopran radioteleskoopilla tehdyt mittaukset pölypilvien sijainneista, jolloin näiden "röntgenkaikujen" perusteella voitiin laskea neutronitähden etäisyydeksi 30 700 valovuotta.

Kun Circinus X-1:n etäisyys tunnetaan nyt paljon aiempaa tarkemmin, se näyttää säteilevän sekä röntgenalueella että muillakin aallonpituuksilla paljon oletettua voimakkaammin. Neutronitähdestä tulevan energisten hiukkasten suihkun nopeus on myös todettu huimaksi: yli 99,9 prosenttia valon nopeudesta.

Näin suuria nopeuksia esiintyy yleensä vain mustia aukkoja ympäröivien kertymäkiekkojen yhteydessä. "Circinus X-1 käyttäytyy joissakin suhteissa kuin neutronitähti ja joissakin kuin musta aukko", ihmettelee tutkimusryhmään kuuluva Catherine Braiding. "On hyvin harvinaista löytää kohde, jolla on kummankin ominaisuuksia".

Chandran havaintojen perusteella on neutronitähden itsensä ohella mahdollista tutkia Linnunradan rakennetta. Röntgenkaikujen avulla saadaan laadittua kolmiulotteinen kartta Circinus X-1:n ja Maan välillä olevien pölypilvien sijainnista.

Kaikuluotauksesta kerrottiin Chandra-avaruusteleskoopin sivuilla ja tutkimus on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/CXC/University of Wisconsin-Madison/S. Heinz et al/DSS

 

Supernovaräjähdys 1987A oli oudon toispuoleinen

Pe, 05/08/2015 - 12:32 By Jarmo Korteniemi
Kuva: NASA/JPL-Caltech/UC Berkeley

Supernovaräjähdys 1987A vaikuttaa olleen erittäin toispuoleinen. NASAn NuSTAR-teleskoopin havaintojen mukaan suurin osa tähden räjähtäneistä ulko-osista kiitää meistä poispäin huimaa 720 kilometrin sekuntivauhtia (2,6 milj. km/h). Tästä voidaan päätellä, että tähden entinen ydin (olipa se sitten nykyisin neutroni- tai kvarkkitähti tai musta aukko) on Newtonin lain mukaan matkalla vastakkaiseen suuntaan.

1987A räjähti Suuressa Magellanin pilvessä 168000 valovuoden päässä, ja näkyi Maassa vuonna 1987. Se on toistaiseksi meitä lähin modernina aikana sattunut supernovaräjähdys, ja sitä on seurattu intensiivisesti koko kehityskaaren ajan.

NuSTARin uudet havainnot perustuvat titaanin isotoopin, Ti-44:n, erittäin tarkkaan kartoitukseen. Ainetta syntyy juuri supernovaräjähdyksen keskiössä, joten sen jakautuminen myös näyttää minkä muotoinen tähden hajoittanut räjähdys oli, ja kuinka räjähdys suuntautui. Aineen liikesuunta saadaan selville säteilyn dopplersiirtymästä.

Jutun lähteenä oleva tiedote ei kuitenkaan kerro, onko Ti-44 -pilven huimasta nopeudesta jo poistettu tähden aiempi ominaisliike. Tiedote ei myöskään ota kantaa siihen, että räjähdyksessä jäljelle jäänyttä neutronitähteä (tai mikä se onkin) ei ole ikinä havaittu. Tulkinta lienee kuitenkin ainakin jossain määrin pitävä, sillä tutkimus julkaistiin torstaina 8.5. tiedelehti Sciencessa.

Kuinka tähti voi räjähtää sillä tavoin?

Koska tähdet ovat suuressa mittakaavassa varsin symmetrisiä kappaleita, räjähdyksen suuntautuminen on periaatteessa varsin outoa. Tutkijat uskovat kuitenkin keksineensä selityksen.

Yksinään elelevän suuren tähden kuollessa tapahtuu II-tyypin supernova. Sellaisia räjähdyksiä on jo pitkään arveltu epäsymmetrisiksi, mutta mallit ovat kaivanneet tuekseen myös havaintoja todellisesta maailmasta. Aiemmin tähän suuntaan vihjanneet havainnot ovat olleet varsin monitulkintaisia, ja ne on voitu selittää vaikkapa tähden ympäristön olosuhteilla. NASAn mukaan NuSTARin Ti-44 -havainnot ovat kuitenkin yksiselitteisiä. Koska aineen puoliintumisaika on vain vaivaiset 85 vuotta, kyse ei juuri voi olla muusta kuin räjähdyksessä syntyneestä tavarasta. Sillä ei voi olla mitään muuta lähdettä.

Viime vuonna NuSTAR todisti myös toisen supernovan (Cassiopeia A:n) olleen hieman toispuoleinen, muttei mitään verrattuna 1987A:n luokkaan. Yhdessä nämä tulokset antavat tutkijoiden mukaan ymmärtää, että epäsymmetrisyys voikin olla aivan perustavaa laatua oleva piirre kakkostyypin supernovissa.

Artikkelin pääkirjoittaja Steve Boggs Kalifornian yliopistolta Berkeleystä selventää syitä epäkeskoon posaukseen: "Tähdet ovat toki pallomaisia kappaleita, mutta ilmeisesti niiden ydin muuttuu kuolinprosessissa turbulenttiseksi. Se kuohuu ja loiskuu viimeisten sekuntien aikana voimakkaasti. Juuri ytimen heiluminen johtaa epäsymmetrisiin räjähdyksiin."

Jää nähtäväksi, onko 1987A vain poikkeus, vai lieneekö se oletusten mukainen tyyppiesimerkki erityisen vinksahtaneista räjähdyksistä.

1987A:n kuvaa hallitsee nykyään kolme laajaa kirkasta rengasta. Ne koostuvat tähdestä ennen räjähdystä irronneesta materiasta, joka tuli näkyväksi ionisoiduttuaan räjähdyksestä tulleesta säteilyannoksesta. Vuonna 2001 sisimmän renkaan kirkkaus alkoi lisääntyä entisestään, kun räjähdyspilvi sai sen viimein kiinni.

1987A:n paikalla oli aiemmin sininen superjättiläistähti, jonka massa oli Aurinkoon verrattuna noin 20-kertainen.

Hätääntyneille tiedoksi: Löytö ei missään nimessä tarkoita, että 1987A:n ytimen jäänne syöksyisi juuri tännepäin, kohti Aurinkokuntaa. Tutkimuksessa ei perehdytty lainkaan liikkeen sivuttaiskomponenttiin, jota eittämättä on ainakin hitusen. Ja näin pitkällä etäisyydellä sekin riittää paremmin kuin hyvin.

Lähteenä käytetty NuSTAR-teleskooppia operoivan Jet Propulsion Laboratoryn tiedotetta.

Lukiolaiset löysivät erikoisen kaksoistähden

Ma, 05/04/2015 - 20:07 By Markus Hotakainen

Voivatko neutronitähti ja pulsari muodostaa kaksoistähden? Kyllä voivat, vaikka sellaisia ei kovin paljon tunnetakaan. Nyt näiden harvinaisten järjestelmien joukko on kasvanut poikkeuksellisella parilla.

Pulsarit löydettiin vuonna 1967, kun taivaalta havaittiin tulevan hyvin säännöllisiä radiopulsseja. Ennestään tuntemattomille kohteille annettiin ensin tunnukseksi LGM, Little Green Men eli "pienet vihreät miehet": pulssien säännöllisyyden arveltiin mahdollisesti viittaavan keinotekoiseen alkuperään.

Oudot kohteet osoittautuivat kuitenkin luonnontuotteiksi, vinhasti pyöriviksi neutronitähdiksi, jotka ovat Aurinkoa massiivisempien tähtien kehityksen päätepisteitä. Pulsareiden säteily suuntautuu voimakkaan magneettikentän ansiosta kahteen vastakkaiseen keilaan. Jos keilat sattuvat osumaan Maan suuntaan, ne havaitaan hyvin nopeasti sykkivinä pulsseina, kuin kaukaisen majakan välkkeenä.

Noin joka kymmenes pulsari kuuluu kaksoistähtijärjestelmään. Useimmiten parina on valkoinen kääpiö, suunnilleen Auringon kokoisen tähden jäähtyvä jäänne. Vain ani harva pulsari kiertää toista neutronitähteä, pääsarjaan kuuluvasta, vakaasti loistavasta tähdestä puhumattakaan. Tutkijoiden mukaan kaksoisneutronitähtien harvinaisuus johtuu neutronitähtien syntytavasta.

Kun Aurinkoa massiivisempi tähti päättää päivänsä, se räjähtää supernovana. Vaikka kuoleva tähti alkujaan kuuluisikin kaksoistähtijärjestelmään – kuten suuri osa tähdistä kuuluu – räjähdys sinkoaa tähden tiiviiksi puristuneen jäänteen eli neutronitähden usein kauas avaruuteen: kaksoistähtijärjestelmä hajoaa.

Todennäköisyys sille, että kaksoistähti selviäisi peräti kahdesta supernovaräjähdyksestä, jolloin jäljelle jäisi kaksoisneutronitähti, on hyvin pieni. Mahdotonta se ei kuitenkaan ole, ja uuden löydön toivotaan antavan valaistusta tähän epätodennäköiseen syntyprosessiin.

Uuden pulsarin, joka sai tunnuksekseen PSR J1930-1852, löysivät lukiolaiset Cecilia McGough ja De’Shang Ray vuonna 2012. He olivat mukana Yhdysvaltain kansallisen tiedesäätiön järjestämässä PSC-projektissa (Pulsar Search Collaboratory). Siinä lukiolaiset saavat tutkia radioteleskoopilla kerättyä havaintoaineistoa, jossa saattaa piileksiä merkkejä pulsareista.

Hyviä kandidaatteja löytävät lukiolaiset pääsevät Green Bankin radio-observatorioon tekemään jatkohavaintoja yhdessä tähtitieteilijöiden kanssa. Green Bankin 100-metrinen antenni on maailman suurin täysin suunnattava radioteleskooppi. Se sijaitsee "kansallisella radiohiljaisuuden vyöhykkeellä", joka on muodostettu varmistamaan ensiluokkaiset olosuhteet huipputarkkojen radiohavaintojen tekemiselle.

 

Jatkotutkimukset varmistivat, että kyseessä todella on pulsari, ja lisäksi ne osoittivat sen kuuluvan kaksoistähtijärjestelmään. Kun pulsarin suunnassa ei havaittu optisella alueella mitään, kävi ilmeiseksi, että myös kaksoistähden toinen osapuoli on neutronitähti. Pulsarin lähettämien säteilypulssien tarkempi analyysi paljasti, että sen ja neutronitähden välinen etäisyys on suurempi kuin yhdessäkään aiemmin tunnetussa järjestelmässä.

Yleensä kaksoisneutronitähdet ovat hyvin lähekkäisiä. Ne saattavat kiertää toisiaan alueella, jonka halkaisija on jokseenkin sama kuin Auringon läpimitta eli miljoonan kilometrin luokkaa. Silloin niiden kiertoaika toistensa ympäri on alle vuorokauden.

J1930-1852 ja sen kumppanina oleva neutronitähti kiertävät toisiaan noin 52 miljoonan kilometrin etäisyydellä eli suunnilleen yhtä kaukana kuin Merkurius kiertää Aurinkoa. Etäisyys on yli tuplaten suurempi kuin edellisen "ennätyksen" haltijalla. Pulsarin ja neutronitähden kiertoaika on peräti 45 vuorokautta.

Toistaiseksi ei tiedetä, miten näin väljä kaksoisneutronitähti on voinut syntyä, mutta siitä tehtävien havaintojen toivotaan antavan siitä tietoa. Joka tapauksessa löytö osoittaa, että neutronitähtien muodostamat kaksoistähtijärjestelmät ovat paljon aiemmin oletettua monimuotoisempia.

Löydöstä kerrottiin NRAO:n (National Radio Astronomy Observatory) uutissivuilla ja tutkimus julkaistaan Astrophysical Journal -lehdessä.

Kuvat: B. Saxton/NRAO/AUI/NSF (kaksoisneutronitähti) ja NRAO/AUI/NSF (radioteleskooppi)