Huimalla vauhdilla kasvava musta aukko löytynyt

Supermassiivinen musta aukko. Kuva: Hubble (ESA/NASA)
Jari Mäkinen

Australialaistutkijat ilmoittavat löytäneensä taivaalta ennätyksellisen nopeasti kasvavan mustan aukon. Se imaisee itseensä ympäröivästä avaruudesta noin oman Aurinkomme verran massaa kahden vuorokauden kuluessa, siis noin 363 miljoonaa miljoonaa miljoonaa miljoonaa miljoonaa kilogrammaa vuodessa.

Kvasaari nimeltä SMSS~J215728.21-360215.1 on itse asiassa supermassiivinen musta aukko, joka on noin 12 miljardin valovuoden päässä. Näemme siis sen sellaisena, kuin se oli 12 miljardia vuotta sitten – siis aikaan, jolloin maailmankaikkeus oli hyvin nuori.

Tuolloin musta aukko oli massaltaan 20 miljardia kertaa oman Aurinkomme verran ja se kasvoi prosentin verran miljoonassa vuodessa. 

Prosentti miljoonassa vuodessa ei kuulosta suurelta, mutta se on, kun kyse on näin massiivisesta taivaankappaleesta.

"Tämä musta aukko kasvaa niin nopeasti, että se loistaa tuhansia kertoja kirkkaammin kuin kokonainen galaksi", sanoo tutkimusryhmän vetäjä Christian Wolf Australian kansallisesta yliopistosta.

"Emme tiedä vielä miksi ja miten tämä musta aukko kasvoi näin suureksi niin aikaisin maailmankaikkeuden historiassa."

Musta aukko säteilee valtavasti, koska siihen putoava kaasu alkaa hohtaa kiihtyessään ja muun kaasun kanssa yhteen osuessaan. Aukon ympärillä on kerääntymäkiekko, joka on säteilyn lähde; itse musta aukko ei säteile valoa.

"Jos tämä monsteri olisi Linnunradan keskustassa, niin se olisi kymmenen kertaa täysikuuta kirkkaampi. Se olisi hyvin kirkas piste taivaalla ja sen loiste peittäisi alleen kaikkien muiden tähtien valon."

Tosin jos näin massiivinen musta aukko olisi Linnunradan keskellä, olisi meillä tukalat olot. Se säteilee valon lisäksi paljon ultraviolettisäteilyä sekä röntgensäteitä, jotka grillaisivat koko ajan maapalloa.

Kyseessä oleva musta aukko on kuitenkin erittäin kaukana, eikä siitä ole meille haittaa. Se on itse asiassa varsin heikkovaloinen, eikä sitä voi havaita ilman tehokasta kaukoputkea. Havainnot siitä tehtiin Australiassa Coonabarabranin luona olevassa Siding Spring -observatoriossa olevalla kaukoputkella, joka katsoo taivasta pääasiassa infrapunavalon alueella.

Kohde näkyy lähi-infrapunassa, koska sen valo on siirtynyt punaisen suuntaan liikkuessaan laajenevan maailmankaikkeuden halki vuosimiljardien kuluessa.

Wolfin ryhmä on etsinyt supermassiivisia mustia aukkoja jo jonkin aikaa, ja nyt tehty havainto pystyttiin varmistamaan viime kuussa julkistettujen Gaia-satelliitin tietojen avulla.

Löytö varmistettiin vielä Siding Springissä olevalla 2,3-metrisellä peilillä varustetulla teleskoopilla.

Supermassiiviset mustat aukot ovat kiinnostavia paitsi sinällään, niin myös siksi, että niiden avulla voidaan tutkia varhaista maailmankaikkeutta ja sen kehitystä.

*

Löydöstä kertova tutkimus ilmestyy pian Publications of the Astronomical Society of Australia (PASA) -julkaisussa: https://arxiv.org/abs/1805.04317

Otsikkokuvassa on supermassiivinen musta aukko Hubble-avaruusteleskoopin kuvaamana. Se näyttää samalta, mutta ei ole tutkimuksessa ollut kvasaari. Kuva: Hubble (ESA/NASA)

Gaian tuoreet tähtitiedot ovat yksinkertaisesti upeita – katso näyttävät videot!

Gaia RD2
Jari Mäkinen

Gaia-tähtikartoittajan toinen tietopaketti julkistettiin tänään ja se on hieno. Täydennämme aamuista ennakkojuttuamme tuoreilla tiedoilla.

Kerroimme tänään jo aiemmassa jutussamme Gaia-satelliitin uudesta tietokannasta, joka julkistettiin klo 13 Suomen aikaa.

Tiedot ovat odottamattomankin upeita: lähes 1,7 miljardista tähdestä on saatu nyt sijainnit taivaalla tarkemmin kuin koskaan. Tarkkuus on sama kuin havaittaisiin euron kolikkoa Kuun pinnalla.

Tähtitieteilijöille tarkat kartat taivaalla olevista tähdistä ovat tärkeitä, mutta vieläkin tärkeämpää se on tähtien liikkeistä tutkiville tähtitieteilijöille. 

Taivastahan ei ole paikallaan, vaikka se siltä näyttää. Kaikki tähdet liikkuvat toistensa suhteen ja kun Gaian tekemien havaintojen perusteella nopeutetaan tähtien liikkeitä ja jatketaan liikettä tulevaisuuteen, näyttää taivas tältä:

Koska kaikki taivaallamme näkyvät tähdet ovat Linnunradassa, omassa kotigalaksissamme, voidaan näistä tähtien liikkeistä nähdä miten Linnunrata pyörii ja miten siihen kuuluvat tähtijoukot ja muut vastaavat liikkuvat. Tästäkin on tehty animaatio:

Gaian tuloksien avulla päästään myös käsiksi ennenkuulumattoman tarkasti galaktiseen arkeologiaan.

Tiedoista on koottu uusi, tarkka ns. Hertzsprung-Russell -kuvaaja, missä on tähtien kirkkaudet ja värit. Kuvaajan avulla voidaan tutkia tähtien kehitystä ja sitä, miten yksittäiset tähdet muuttuvat elämänsä aikana ja siirtyvät kuvaajassa.

Kiinnostavaa kartassa on valkoisten kääpiötähtien eri tyypit. Esimerkiksi Auringosta tulee aikanaan valkoinen kääpiö, kun sen vety alkaa loppua. Kuvaaja näyttää selvän eron runsaasti vetyä sisältävien ja heliumrikkaiden kääpiöiden välillä.

Tietojen avulla voidaan myös katsoa millaisia tähtiä on eri puolilla Linnunrataa. Tästä voidaan päätellä miten esimerkiksi galaksimme keskellä olevan kiekon ympärillä oleva halo on muodustunut.

Uusi tietokanta pitää sisällään myös tietoja siitä, miten Linnunradan luona olevan Magellanin pilven tähdet liikkuvat; tämä on otsikkokuvassa.

 

*

Gaian uusi tietokanta on täällä: archives.esac.esa.int/gaia

Hienoja 3D-visualisointeja on puolestaan täällä: sci.esa.int/gaia-vr

Otsikkokuva:  Gaia Data Processing and Analysis Consortium (DPAC); P. McMillan, Lund Observatory, Sweden; A. Moitinho / A. F. Silva / M. Barros / C. Barata, University of Lisbon, Portugal; H. Savietto, Fork Research, Portugal

Lähes 1,7 miljardia tähteä: "...ja kaikki alkaa liikkua"

Timo Prusti ESTECissä. Kuva: Jari Mäkinen
Jari Mäkinen

Euroopan avaruusjärjestö ESA julkistaa tänään Gaia-satelliittinsa uusia mittauksia. "Tällä tulee olemaan sokkiefekti tutkimukselle", lupaa lennon suomalainen tiedejohtaja Timo Prusti.

Gaia on satelliitti, jonka tehtävänä on yksinkertaisesti mitata tarkasti tähtitaivasta. Missä tähdet ovat, kuinka kirkkaita ne ovat ja miten ne liikkuvat?

Tätä rutiininomaista kartoitusta on tehty erilaisin menetelmin jo historian hämystä, mutta Gaian tulokset ovat mullistavia niin määrän kuin laadunkin suhteen. 

"Kaikkein tärkein syy tehdä Gaia ja mitata tähtiä näin tarkasti on selvittää oman galaksimme, Linnunradan rakenne", selitti Timo Prusti, kun tapasimme ESTECissä, Hollannissa helmikuun lopussa ja tutkiskelimme mitä tuloksia nyt tänään julkistetaan.

Tätä ennen taivasta parhaiten kartoittanut Hipparcos-satelliitti katsoi vain lähitähtiä, mutta Gaian tähtikartta kattaa koko Linnunradan.

"Tulosten avulla voimme nähdä missä ovat Linnunradan spiraalihaarat tarkalleen, missä on galaksimme keskus ja miten itse liikumme keskuksen ympärillä. Tähän saakka kuvamme Linnunradasta on ollut hyvin staattinen, mutta me laitamme nyt kuvan kolmiulotteiseksi ja liikkumaan."

"Tämä todella sokkiefekti, kun näkee miten Linnunrata alkaa liikkua ja muuttuu eläväksi!"

Gaian tuloksia julkaistiin jo syyskuussa 2016, mutta Timon mukaan se oli vain harjoittelua.

Otsikkokuvassa on tuon tietokannan perusteella tehty kuva Linnunradasta.

"Siinä ensimmäisessä kartassa oli kaksi miljoonaa tähteä, mutta tässä uudessa on yli 1,3 miljardia tähteä. Se on aikamoinen harppaus eteenpäin, ei voi kuin aavistaa mitä kaikkea tutkijat tulevat tekemään tällä tiedolla."

Jo ensimmäisen tietokannan perusteella on tehty yli 400 referoitua julkaisua.

Tähdistä tietokannassa on niiden erittäin tarkat sijainnit taivaalla ja kirkkaudet, mutta tässä uudessa listassa on lisäksi noin 1,1 miljardin tähden värit. Gaia pystyy sanomaan alle millikaarisekunnin tarkkuudella tähtien sijainnit.

"Ensimmäistä kertaa optisilla aallonpituuksilla päästään alle millikaarisekunnin tarkkuuteen."

Tämä tarkoittaa samaa kuin voisi nähdä New Yorkista katsottuna 20 sentin kolikon Eiffeltornin huipulla.

"Lisäksi olemme voineet mitata tähtien radiaalinopeuksia, eli vauhtia, jolla tähdet tulevat meitä kohden tai etääntyvät meistä. Tämä voidaan tehdä toistaiseksi vain kirkkaimmille tähdille, eli sellaisille, jotka ovat magnitudia 12 ja vähemmän. Näistä listassa on noin kuusi miljoonaa."

Ja lista jatkuu edelleen: "puoli miljoonaa muuttuvaa tähteä ja 13 000 omassa aurinkokunnassamme olevan pienkappaleen astrometristä mittausta.

Asteroidien ja komeettojen mittaukset ovat kiinnostavia siksi, että Gaian avulla voidaan niiden ratoja Auringon ympärillä laskea hyvin tarkasti. Tämä tuo mukanaan jännittävän yllätyksen:

"Kun esimerkiksi asteroidi kulkee radallaan jonkun toisen asteroidin läheltä, niin niiden radat muuttuvat vähän. Voimme nyt mitata tämän ratamuutoksen tarkasti ja sen avulla voimme laskea asteroidien massoja. Tällä hetkellä emme tunne hyvin niiden massoja, mutta Gaian avulla saamme tästä lisää tietoa."

Gaian ensimmäisten tulosten mukaan tehty kartta Linnunradasta.

Alussa oli ongelmia

Kun Gaia laukaistiin avaruuteen joulukuussa 2013, huomattiin pian, että sen havaintolaitteisiin tuli jostain hajavaloa. Sen kaksi teleskooppia eivät siis olleet sisältä täydellisen pimeitä siten, että ne näkivät vain ja ainoastaan tähtitaivaan kuvan, vaan jostain sivusta tuli hieman valoa.

Kyse ei ollut suuresta asiasta, mutta hajavalo haittasi hieman havaintojen tekemistä. 

"Etsimme syytä siihen, mutta emme löytäneet, joten tälle ei voinut tehdä mitään. Onneksi tätä voidaan korjata havaintoja käsittelemällä, ja mitä enemmän meillä on havaintoja, niin sitä vähemmän tämä haittaa."

Toinen alussa ollut yllättävä ongelma oli teleskooppien peileihin kertynyt jäähuuru. Satelliitin sisälle oli kaikesta puhdistamisesta huolimatta jäänyt vähän vesihöyryä, joka tiivistyi ja jäätyi peilien pinnoille. Tämäkin ongelma oli pieni ja jäätä oli hyvin vähän, mutta kun kyse on erittäin tarkoista havainnoista, oli tilanne harmittava.

Tältä varalta peilejä voidaan lämmittää, ja nyt näyttää siltä, että tästä ongelmasta on päästy eroon. Vesihöyry on häipynyt avaruuteen niiden pienenpienien rakojen kautta, mistä se sisälle pääsi tunkeutumaan.

"Kolmas ongelma oli se, että teleskooppien välinen kulma on heilahdellut", harmittelee Timo ja viittaa siihen, että Gaian kaksi teleskooppia katsovat avaruuteen eri suuntiin, niin niiden välisen kulman pitäisi olla tarkalleen 106,5°.

"Tässä on ollut millikaarisekunnin heilahtelua. Se johtuu varmaankin rakenteen lämpölaajenemisesta, eikä sitä osattu ottaa huomioon, koska Gaia on ensimmäinen havaintolaite, joka voi nähdä näin pientä liikettä. Vastaavaa on voinut olla aiemminkin avaruusteleskoopeissa, mutta sitä ei ole vain havaittu."

Onneksi nämä muutokset voidaan mitata ja korjata tuloksissa.

Gaiassa on kaksi teleskooppia, joissa on kooltaan 1,45 × 0,5 metriä olevat peilit ja ne katsovat avaruuteen 106,5° astetta eri suuntiin. Kun satelliitti pyörii, keilaavat teleskoopit koko taivasta.

 

Kaasua riittää vuoteen 2024

Periaatteessa mitä pitempään mittauksia jatketaan, sitä tarkempia tuloksista tulee. Siksi on hyvä, että näillä näkymin Gaia jatkaa toimintaansa paljon suunniteltua pitempään.

"Laukaisun aikaan suunnittelimme satelliitin tekevän tiedehavaintoja vähintään viiden vuoden ajan ja tämä aika tulee täyteen nyt ensi kesällä", Timo selittää. 

Toimintaa rajoittava tekijä on ns. kylmän kaasun määrä. Sitä käytetään satelliitin asennon säätöön ja pyörittämiseen. 

"Kun se loppuu, niin emme voi enää tehdä tarkkoja kuvia. Viimeisimmän tiedon mukaan näin käy vuonna 2024 plus miinus yksi vuosi. Eli viiden vuoden sijaan voisimme tehdä havaintoja Gaialla kymmenen vuoden ajan. Avaruus on vaarallinen paikka ja mitä tahansa voi tapahtua milloin vain, mutta tällä hetkellä näyttää tosiaan siltä, että voimme jatkaa vielä vuosien ajan."

Satelliitit tuntuvat nykyisin kestävän hyvin ja koska niihin laitetaan varmuuden vuoksi mukaan ylimääräistä polttoainetta (ja Gaian tapauksessa ohjauskaasua), on suunnitellun toiminta-ajan ylittäminen normaalia. Kun lennonjohto oppii vielä pian optimoimaan satelliitin käyttöä, kuluu polttoainetta vielä suunniteltua vähemmän.

Jatkoaika vaatii kuitenkin byrokratiaa, sillä satelliitin ylläpito ja sen tulosten vastaanotto maksaa. Nyt Gaialle on saatu epävirallisesti lupaus työn jatkumisesta ainakin vuoden 2020 loppuun, ja todennäköisesti tätä jatketaan ainakin vuoteen 2022 saakka. Kriteerinä jatkoajalle on se, voiko satelliitti tuottaa enää uutta, kiinnostavaa tietoa, ja ainakin toistaiseksi lisähavainnot auttavat parantamaan laatua olennaisesti.

Gaian tietokanta numero kolme joskus tulevaisuudessa tulee olemaan siksi tätäkin parempi ja massiivisempi.

Samalla Timo ja muut tutkijat katsovat kuitenkin jo tulevaisuuteen.

"Olisi hyvä tehdä Gaian kaltainen satelliitti joskus 40 vuoden päästä, koska kun toistaisimme havainnot tuolloin uudelleen, niin saisimme erittäin kiinnostavia tuloksia. Pääsisimme esimerkiksi katsomaan oman Linnunratamme tähtien liikkeiden lisäksi lähellämme olevien Magellanin pilvien tähtien liikkeitä. Se auttaisi muun muassa mittaamaan ensimmäistä kertaa tarkasti mahdollisen pimeän aineen määrää."

Lisäksi olisi kiinnostavaa, jos uusi laite voisi tehdä havaintoja myös lähi-infrapunassa pelkän optisen alueen sijaan.

"Voisimme nähdä silloin pölypilvien peitossa olevia nuoria ja vanhoja tähtiä. Se olisi jännää!"

*

Juttua on päivitetty 25.4. päivällä olleen tiedostustilaisuuden jälkeen. Lue myös uudempi juttumme!

Kosmisen roskan seasta löytyi pikkuplaneetta

Gaian löytämä asteroidi
Jari Mäkinen

Gaia-teleskoopin havainnoista on löytynyt kokonaan uusi asteroidi. Tähän mennessä tämä vuonna 2013 avaruuteen laukaistu taivaankartoittaja on löytänyt suuren määrän tunnettuja pikkuplaneettoja, mutta suomalaistutkijat äkkäsivät niistä aiemmin tuntemattoman.

ESAn Gaia-teleskooppi kartoittaa taivasta paljon aikaisempaa paremmin ja tarkemmin.

Sen päätehtävä on kartoittaa omaa galaksiamme, Linnunrataa. Tämä tapahtuu siten, että Gaia kuvaa tähtitaivasta ympärillään ällistyttävän tarkasti, ja näistä tiedoista voidaan määrittää noin miljardin naapuritähtemme sijainnit parhaimmillaan asteen sadasmiljoonasosan tarkkuudella.

Lopputuloksena syntyy kolmiulotteinen maisema galaksistamme vuoteen 2022 mennessä.

Kaukana olevia tähtiä kuvatessaan sen tiedoista löytyy myös paljon muuta: esimerkiksi asteroideja. Vaikka niiden löytäminen ei ole Gaian päätarkoitus, on niitä koko ajan Gaian ottamissa kuvissa.

Toisten mielestä nämä "etualalla" aurinkokunnassa olevat häiriöt ovat roskaa, mutta niitä tutkivien kannalta tiedot ovat erittäin kiinnostavia. Tällaisia ovat muun muassa Helsingin yliopiston tähtitieteilijät, joiden tehtävänä on tunnistaa Gaian havaitsemat asteroidit.

Kun Gaian kuvissa on kummallisesti, asteroidin tapaan liikkuva kohde, kuullaan Helsingissä hälytys.

Tämä ensimmäinen uuden asteroidin löytö julkistettiin viime tiistaina 24.1.2017, kun tutkijat kokoontuivat Sitgesissä, Espanjassa.

Päätehtävänsä ohella Gaian on arvioitu havaitsevan muun muassa yli 300 000 Aurinkokunnan asteroidia.

Lokakuussa 2016 Gaian löytämä ja aluksi Gaia-606 nimellä tunnettu asteroidi 2016 UV56 on ensimmäinen aiemmin tuntematon asteroidi, jonka olemassaolo on nyt kyetty varmistamaan maanpäällisten kaukoputkien havainnoilla.

Tämä muutaman kilometrin läpimittainen asteroidi liikkuu Marsin ja Jupiterin ratojen välissä sijaitsevan asteroidien päävyöhykkeen ulko-osissa.

Gaian asteroidihavaintojen perusteella Aurinkokunnan pienkappaleista saadaan järjestelmällistä ja tarkkaa tietoa.

Kertyneestä havaintoaineistosta voidaan mm. johtaa muoto- ja pyörimismalleja vähintään kymmenille tuhansille asteroideille. Massoja voidaan johtaa vähintään sadoille asteroideille, ja havaittujen asteroidien radat voidaan ennustaa tarkasti satakunta vuotta eteenpäin.

Gaian tähtikartta Linnunradasta

Vaikka nyt julkistettiin ensimmäinen uusi asteroidi, kerrottiin Gaian tieteellisistä havainnoista ensimmäisen kerran jo viime syksyllä. Silloin julkistettiin mm. yllä oleva kartta, missä on ensimmäisten 14 havaintokuukauden aikana kerätty havaintoaineisto tähtien ja kvasaarien paikoista. 

Laadunvarmistuksen jälkeen osa paikkatiedoista ei vielä ollut julkaisukelpoista, mutta siitä huolimatta Gaian havaintoaineistosta johdettu tähtikatalogi on jo käytännössä paras olemassa olevista katalogeista.

Tämän osoittaa esimerkiksi se, että aineistoon liittyvät tieteelliset julkaisut ovat muutamassa kuukaudessa keränneet jo satoja viittauksia tutkijoilta eri puolilta maailmaa.

Gaian toinen tiedonjulkistus ajoittuu vuoden 2018 loppuun, ja se sisältää tähtiaineiston lisäksi kirkkaus- ja paikkatietoa 10 000 asteroidista.

Yllä on osa Gaian elokuuhun 2015 mennessä tekemistä tunnettujen asteroidien havainnoista. Väriskaala kuvaa asteroidin ennustetun ja havaitun paikan erotusta. Yksi aste jaetaan 3600 kaarisekuntiin (eng. arcsec).

Kuva yllä: ESA/Gaia/DPAC/CU4, L. Galluccio, F. Mignard, P. Tanga (Observatoire de la Côte d'Azur)

Osa yllä olevasta jutusta perustuu Helsingin yliopiston tiedotteseen.

Kosminen mittatikku meni uusiksi - ja paremmaksi

Tähtien etäisyysmittaus
Markus Hotakainen

Tähtien etäisyyksien tunteminen on yksi tähtitieteen keskeisistä asioista. Parhaan keinon mitata tähden etäisyys suoraan tarjoaa parallaksi. Kun tähden sijainti taivaalla määritetään tarkasti puolen vuoden välein – eli Maan ollessa kiertoratansa vastakkaisilla reunoilla – se näyttää liikkuvan kauempana olevien tähtien muodostaman taustan suhteen. Etäisyys saadaan laskettua yksinkertaisen trigonometrian avulla.

Ongelmana on, että parallaksikeinoa voi soveltaa vain suhteellisen läheisiin tähtiin. Tällä hetkellä maksimietäisyys on noin 1 600 valovuotta: sitä kaukaisempien tähtien liike on liian vähäistä mitattavaksi. Parallaksin avulla voidaan määrittää etäisyys ainoastaan miljoonasosalle Linnunradan kaikista tähdistä.

Gaia-satelliitin avulla mittaustarkkuus parantuu huimasti ja sillä päästään jo 30 000 valovuoteen saakka. Joulukuussa 2013 laukaistun satelliitin suururakka kestää noin viisi vuotta ja silloin tunnetaan tarkasti noin miljardin tähden etäisyys. Sekin on kuitenkin vain vaivainen prosentti kotigalaksimme tähdistä.

Vielä kaukaisempien tähtien etäisyys on määritettävä huomattavan epätarkoilla konsteilla, jotka perustuvat tähden lämpötilaa, gravitaatiota ja kemiallista koostumusta koskeviin malleihin. Niiden pohjalta voidaan arvioida todellinen kirkkaus ja havaitun kirkkauden perusteella laskea etäisyys. Tarkkuus ei kuitenkaan ole kuin 30 prosentin luokkaa.

Cambridgen yliopiston tutkijat ovat nyt kehittäneet menetelmän, jonka perustana ovat "tähtikaksoset". Eivät siis kaksoistähdet, vaan kaukana toisistaan sijaitsevat, mutta spektriltään identtiset tähdet. Kuudensadan tutkitun, spektrinsä puolesta tarkasti tunnetun tähden joukosta löytyi kaikkiaan 175 paria. Kussakin tapauksessa toisen tähden etäisyys oli määritetty jo aiemmin parallaksin avulla.

Tähtikaksosten etäisyyserot näkyvät suoraan niiden näennäisissä kirkkauksissa, joten etäisyys voidaan määrittää ilman tarkkuutta heikentäviä oletuksia. Uudella menetelmällä tehdyt mittaukset poikkesivat vain kahdeksan prosenttia parallaksimittausten tuloksista eikä tarkkuus heikentynyt kaukaisempienkaan tähtien kohdalla.

"Idea on todella yksinkertainen – niin yksinkertainen, että on vaikea uskoa, ettei kukaan ole tullut ajatelleeksi sitä aikaisemmin", ihmettelee tutkimusryhmää johtanut Paula Jofré Pfeil. "Mitä kauempana tähti on, sitä himmeämmältä se näyttää, joten mikäli kahdella tähdellä on identtiset spektrit, voimme laskea kirkkauseron avulla niiden etäisyydet."

Yhden tähden tarkassa spektrissä on liki 300 000 datapistettä, joten eri tähtien yksityiskohtainen spektrivertailu olisi hyvin työlästä ja aikaavievää. Siksi tutkijat päätyivät käyttämään vertailussa ainoastaan 400 spektriviivaa, jotka luonnehtivat parhaiten tähtien ominaisuuksia.

Seuraavaksi tutkijoiden on määrä laatia luettelo tähdistä, joiden etäisyys tunnetaan tarkasti, ja etsiä listatuille tähdille kaksosia, joille saadaan uudella keinolla määritettyä aiemmin  tuntematon tai huonosti tunnettu etäisyys.

Seuraavan sukupolven jättiläiskaukoputkilla pystytään mittaamaan miljoonien tähtien spektrit niin tarkasti, että niitä voidaan käyttää tähtikaksosmenetelmän apuna. 

Tutkimus julkaistaan Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä.

Kuva: Carolina Jofré

Linnunradan tähtitiheyskartta

Markus Hotakainen

Päivän kuva

Joulukuussa 2013 avaruuteen laukaistun, Linnunradan rakennetta kartoittavan Gaia-luotaimen tähänastisista havainnoista on koottu kotigalaksimme tähtitiheyskartta. Kirkkaimmilla alueilla on eniten tähtiä; mitä tummempaa kuvassa on, sitä vähemmän alueella on tähtiä. Musta avaruus on miltei tähdetön. 

Linnunradan tasossa tähtien tiheys on suuri, joten se erottuu kaikkein kirkkaimpana vyöhykkeenä. Keskellä kuvaa olevassa galaksin keskuksessa tähtiä on kaikkein tiheimmässä. 

Kirkkaus ei kuitenkaan ole tasaista, sillä galaksin kiekon tasoa kirjovat tummina näkyvät tiheät pölypilvet, jotka peittävät kauempana olevat tähdet taakseen.

Linnunradan ulkopuolisessa avaruudessa erottuu selkeimmin kaksi seuralaisgalaksia, Suuri ja Pieni Magellanin pilvi. Niiden lisäksi on siellä täällä pieniä valopisteitä. Ne ovat pallomaisia tähtijoukkoja, jotka muodostavat kehän Linnunradan ympärille.

Kuva: Edmund Serpell/ESA/Gaia – CC BY-SA 3.0 IGO

 

Gaia taivaalla ja taskussasi

Vuosi sitten avaruuteen laukaistu ESAn Gaia-teleskoopi on laite, joka kartoittaa taivasta huiman tarkasti. Tarkoituksena on muun muassa koota Linnunradasta ainutlaatuinen kolmiulotteinen kartta, mutta lisäksi Gaia havaitsee paljon muuta, kuten muita tähtiä kiertäviä planeettoja , ruskeita kääpiöitä, oman galaksimme ulkopuolella olevia kohteita sekä lähellä, aurinkokunnassa olevia pienkappaleita.

Gaian työtä ja sen havaintomaailmaa voi seurata kätevästi älypuhelimille tehdyllä sovelluksella. Barcelonan yliopiston tekemä sovellusohjelma näyttää paitsi kauniita kuvia ja interaktiivisia diagrammeja, niin myös kertoo Gaiasta, sen matkasta havaintopaikalleen ja siitä miten sen tekee työtään.

Sovellus kertoo myös ajantasaista tietoa siitä mitä Gaia on tekemässä ja kuinka paljon tietoa se on kerännyt. Myös kaikki uudet löydöt tulevat näkyviin puhelimeesi.

Sovellus katsoo lisäksi menneeseen: se kertoo Hipparcos-satelliitista, Gaian edeltäjästä, joka keräsi havaintoja 120 000 tähdestä ja muusta taivaalla olevasta kohteesta. Näistä on koottu suuri, tähtitieteilijöiden aktiivisesti käyttämä taivaan kartasto. Gaian havainnoista tullaan tekemään uusi, moninkertaisesti parempi ja laajempi kartasto, jonka ensimmäinen osa on tarkoitus julkistaa kesällä 2016.

Gaia havaitsee arvion mukaan viisi vuotta kestämään suunnitellun havaintorupeamansa aikana noin miljardia kohdetta – tämä vastaa noin petatavua tietoa (miljoona gigatavua). Tiedot käy läpi Gaian eri maissa ja eri tutkimuslaitoksissa oleva tietojenkäsittely ja -analyysiyhteistö, johon kuuluu myös Helsingin yliopiston tähtitieteilijäryhmä. Suomalaisten vastuualueena ovat havainnoista löytyvät aurinkokunnan pienkappaleet, eli uudet asteroidit ja komeetat.

Toistaiseksi ilmainen Gaia-app on saatavissa vain iOS- ja Android-käyttöjärjestelmille. Lähiaikoina sovellukseen ollaan vielä lisäämässä materiaalia. Sovelluksen tekemisen rahoittivat yhdessä Espanjan tieteellistekninen säätiö sekä Espanjan talous- ja kilpailukykyministeriö. Niinpä englannin lisäksi sovelluksen kielet ovat espanja ja katalaani.

Gaia-app on ladattavissa iTunesista ja Google Playsta.

Jäätä ja hajavaloa

Gaia laukaistiin avaruuteen tasan vuosi sitten, 19. joulukuuta 2013, ja se aloitti tieteellisen työnsä 25. heinäkuuta, eli hieman myöhemmin kuin oli tarkoitus. Syynä viivästymiseen oli satelliitin sisällä ollut vesihöyry; normaalisti kaikissa avaruuslaitteissa on sisällä ilmaa, joka laukaisun aikana ja avaruudessa pihisee siitä ulos tätä varten tehtyjä tiehyeitä pitkin. Tähtitieteellisissä havaintolaitteissa, joissa on herkkää optiikkaa, tähän on kiinnitetty erityistä huomiota, koska ilmassa oleva vesihöyry tiivistyy jääksi muun muassa peileihin. Siksi Gaiankin peileissä on sähkövastukset, joilla niitä voidaan lämmittää ja siten jäästä voidaan päästä vähitellen eroon. 

Gaiassa vesihöyryä oli jostain syystä enemmän kuin oletettiin, joten vesihöyryn härmistyminen jääksi peilien päälle oli ongelma. Tämä saatiin hallintaan ajan myötä ja erityisillä kikoilla, joilla satelliitin sisälle jäänyttä ylimääräistä ilmaa puolipakotettiin ulos avaruuteen.

Lisäksi Gaialla oli – ja on edelleen – toinen ongelma: sen optiikkaan pääsee ylimääräistä valoa. Valoa ei tule paljon, ja sen määrä vaihtelee Gaian asennosta ja Auringon suunnasta riippuen. 

Hajavalo ei haittaa havaintojen määrää, mutta vaikuttaa sen tekemien havaintojen laatuun. Kirkkaiden kohteiden tutkimista hajavalo ei haittaa paljoakaan, mutta himmeämpien tähtien kohdalla ero on merkittävä. Eniten tästä kärsivät spektrometriset havainnot, joiden avulla määritetään tähtien liikkumisnopeutta. Mikäli Gaia pystyy jatkamaan havaintojaan suunniteltua pitempään, saadaan silloin enemmän havaintoja erilaisissa hajavalotilanteissa, ja siten tulokset ovat parempia.

Joka tapauksessa Gaian mittaukset ovat nytkin paljon aiempia parempia, joten vaikka Gaia-lentoon osallistuvat tähtitieteilijät ovat hieman pettyneitä, saavat he käsiinsä päivittäin ainutlaatuista havaintomateriaalia.

esablog
gaia
ESA
app

Koululaiset tutustuivat Gaiaan

Koululaisia Observatoriolla, Paula Kyyrö oikealla.
Jari Mäkinen

Tähtikartoittajasatelliitti Gaiaa esiteltiin tiistaina 25.3. koululaistapahtumassa Helsingin observatoriolla. Samannaikaisesti järjestettiin kymmenessä Euroopan maassa Gaia Live in Schools -tapahtuma, jossa koululaiset pääsivät tutustumaan Gaia-avaruusteleskoopin taustoihin, työskentelyyn ja tutkimuksen tavoitteisiin. Samalla tehtiin tutuksi avaruuslentojen periaatteita ja tähtitaivasta.

Helsingin observatoriolla, eli virallisesti Helsingin yliopistomuseon tähtitieteen yleisökeskuksessa, tapahtumaan osallistui viitisenkymmentä 5. -luokkalaista. Ohjelmaan kuului myös suora lähetys ESA:n ESOC-lennonjohtokeskuksesta, missä hankkeen tieteellinen johtaja, suomalainen Timo Prusti sekä mission operaatiojohtaja David Milligan vastasivat eurooppalaisten koululaisten esittämiin kysymyksiin Gaia-satelliitista.

"Tilaisuus oli menestys", iloitsee Observatorion johtaja Päivi Harjunpää.

"Oppaame Paula Kyyrö osallistui viime vuoden lopussa ESTECissä järjestettyyn koulutukseen, jossa he saivat toimivia työkaluja tilaisuuden toteuttamiseen. Oppilaat lähtivät hienosti mukaan heti alusta saakka. He tulivat meille suoraan liikuntatunnilta, söivät eväät ennen tilaisuuden alkua ja sitten olikin aivan sopiva hetki istua alas tutustumaan Gaiaan ja siihen liittyvään tähtitieteeseen."

"Ohjelman aluksi Paula johdatteli yleisön aiheeseen kertomalla, mikä Gaia on, mitä se tekee, mitä sen avulla voidaan selvittää ja miksi tämä kaikki tehdään. Sitten oli vuoro live-yhteyden ESA/ESOCiin. Sitä oppilaat odottivatkin jännityksellä. Yhteyden aikana David Milligan ja Timo Prusti kertoivat meille lisää Gaiasta. Tähän osioon kuului myös mahdollisuus esittää kysymyksiä haastatelluille. Meiltä koululaiset kysyivät mm. mitä polttoainetta Gaia käyttää."

Euroopan avaruusjärjestö ESA laukaisi Gaian joulukuussa 2013 avaruuteen ja se aloittaa juuri näihin aikoihin työnsä, eli kotigalaksiamme Linnunradan kartoittamisen sen tähtien avulla.

Viisivuotisen missionsa aikana Gaia mittaa yli miljardin tähden paikat ja liikkeet ja luo näin erittäin tarkan kolmiulotteisen kartan omasta galaksistamme Linnunradasta. Kaupan päälle Gaia mm. löytää satoja tuhansia uusia eksoplaneettoja sekä havaitsee satoja tuhansia oman Aurinkokuntamme asteroideja. Gaian avulla myös testataan Albert Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa.

Tiedetuubi on seurannut Gaian tekemistä, tehtävää ja laukaisua monin jutuin: ne ovat listattuna täällä.

Kuvat observatoriolta: Timo Huvilinna / Helsingin yliopistomuseo

Gaia

Gaia aloittaa työt

NGC1818 Gaian kuvaamana
Toimitus

Joulun alla avaruuteen laukaistu ja tammikuun alussa havaintopaikalleen Lagrangen pisteeseen 2 päässyt Euroopan avaruusjärjestön tähtikartoittaja Gaia on osoittanut olevansa toimintakunnossa. Sen havaintolaitteita on säädetty ja kalibroitu, ja yllä on eräs viimeisimmistä testikuvista: siinä on Suuressa Magellanin pilvessä oleva nuori tähtijoukko NGC1818. Kuvassa pohjoinen on kuvassa ylhäällä ja itä vasemmalla, kuvan leveys on alle asteen kymmenesosa.

Gaia on siis erittäin hyvässä kunnossa ja aloittaa pian rutiininomaiset havaintonsa. Tämä tarkoittaa pitkään valmistellun työrupeaman alkamista myös tähtitieteilijöille, jotka kästtelevät havaintoja lähes reaaliajassa. Eräs näistä käsittelypaikoista on Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella, tähtitieteen professori Karri Muinosen työryhmässä. Heidän kiikarissaan ovat asteroidit.

Gaian urakkana on tuottaa viiden vuoden ajan uutta tietoa galaksimme rakenteesta, muodostumisesta ja kehityksestä. Sen avulla määritellään yli miljardin tähden tarkka sijainti ja etäisyys toisistaan. Tämä on noin prosentti Linnunradan tähdistä.

Odotettavissa on tähän asti kattavin ja tarkin kolmiulotteinen kartta Linnunradasta. Kartan julkaisua saa kuitenkin odottaa vuoteen 2022, sillä kuvaamisen jälkeen havaintoaineiston käsittely vie vielä hyvän aikaa.

Gaia katselee aurinkokuntaa 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta, niin sanotussa L2-pisteessä. Sieltä se pystyy havaitsemaan maanpäällisiä teleskooppeja paremmin mm.  aiemmin havaitsemattomia kohteita, esimerkiksi uusia asteroideja. Niitä odotetaan löytyvän tuhansia. Lisäksi Gaia voi löytää toisia tähtiä kiertäviä planeettoja, jopa kokonaisia planeettakuntia.

Helsinki huolehtii asteroideista

Helsingin yliopiston fysiikan laitos vastaa Gaian löytämien tunnistamattomien asteroidien alustavasta radanmäärityksestä.

"Gaia havainnoi yli 300 000 Aurinkokunnan asteroidia", Muinonen kertoo. "Viiden vuoden aikana kertyneestä havaintoaineistosta voidaan johtaa muoto- ja pyörimismalleja vähintään kymmenille tuhansille asteroideille. Massoja voidaan johtaa vähintään sadoille asteroideille, ja havainnoitujen asteroidien radat voidaan ennustaa tarkasti satakunta vuotta eteenpäin.#

Radanmäärityksen jälkeen lähiasteroideja jamuita erityisen kiinnostavia kohteita voidaan seurata kaukoputkilla maan päällä.

Tiedetuubin Gaia-artikkelit ovat kaikki osoitteessa www.tiedetuubi.fi/gaia ja joulukuussa julkaistu Karri Muinosen haastattelu on täällä.

Tämä artikkeli perustuu Helsingin Yliopiston tiedotteeseen Tulossa on tarkka kolmiulotteinen maisema Linnunradasta.

Alla on ESAn julkaisema video Gaian tiestä taivaalle – kokoonpanosta rakettiin ja sillä avaruuteen, kaikki nopeutettuna:

Gaia saapui perille Lagrangen pisteeseen

Lentodynamiikkaväki työssään. Kuva: ESA / J. Mai
Jari Mäkinen

ESAn tähtitaivasta kartoittava luotain Gaia on saapunut onnellisesti perille Lagrangen pisteeseen 2 – tai tarkalleen ottaen kiertoradalle tämän painovoimien tasapainopisteen ympärillä. Sen jälkeen kun Gaia laukaistiin juuri ennen joulua, on se lentänyt kohti tätä 1,5 miljoonan kilometrin päässä olevaa paikkaa ja sen laitteita on käynnistetty hiljakseen. Gaia-hankkeen suomalainen tiedejohtaja Timo Prusti kirjoitti Gaian ensitoimista avaruudessa blogikirjoituksessaan 31. joulukuuta.

Asettuminen radalle matemaattisen pisteen ympärillä vaatii luonnollisesti paljon laskemista, lentodynamiikan tuntemusta ja kykyä tehdä satelliitilla tarkkoja ohjausliikkeitä. Kun Gaia asettui radalleen tiistaina (7. tammikuuta), sen kahdeksan pientä rakettimoottoria komennettiin toimimaan lähes kahden tunnin ajan klo 20.58 Suomen aikaa alkaen. Ne hidastivat matkavauhtia ratanopeudeksi ja muuttivat samalla lentorataa juuri sopivaksi. Tätä tosin tullaan vielä hienosäätämään 14. tammikuuta, kun kaikki rataparametrit on saatu varmistettua.

Tätä toimenpidettä oli valmisteltu jo muutaman vuoden ajan, sillä kaksitonnisen, vain pienillä rakettimoottoreilla varustetun avaruusaluksen vieminen siirtoradalta, minne Sojuz-kantoraketti sen jätti laukaisun jälkeen, L2-pisteen ympärillä olevalle erityiselle ns. Lissajous-tyyppiselle radalle ei ole yksinkertaista. Olennaisin hankaluus on se, että L2-pisteessä ei ole mitään kiinteää kappaletta, joka vetäisi alusta puoleensa ja jonka suhteen olisi helppo navigoida.

L2 on siis vain tyhjää avaruutta, missä sattumalta vain Maan ja Auringon vetovoimat sekä kiertoradan keskihakuisvoima (ns. keskipakovoima) nollaavat toisensa siten, että periaatteessa L2-pisteeseen sijoitettu alus kiertää Aurinkoa samalla periodilla Maan kanssa. Käytännössä L2:ssa ei olla, vaan sitä kierretään. Gaian kiertoaika pisteen ympärillä on 180 vuorokautta. Kiertorata on säädetty sellaiseksi, että se on kohtisuorassa tasossa planeettojen ratatason, ekliptikan, kanssa, mutta sen akseli osoittaa aina kohti Maata. Rata siis kiertyy suhteessa Aurinkoon koko ajan, mutta pysyy 263 000 x 707 000 x 370 000 km kooltaan olevan kuvitteellisen laatikon sisällä.

Rataa täytyy säätää voin kerra kuukaudessa, sillä L2:ta kiertävät kappaleet koittavat luontaisesti "karata" radoiltaan, ja siten Gaiaakin täytyy koko ajan sysätä ikään kuin takaisin paikalleen.

Poissa varjosta, kaukana Auringosta

Eräs tärkeä kriteeri radanhallinnassa ja ennen kaikkea sitä etukäteen suunnitellessa oli se, että Gaiaa ei saa päästää Maan varjoon. Varjon koko ei ole kovin suuri 1,5 miljoonan kilometrin päässä, mutta koska määritelmänsä mukaisesti L2 on tarkalleen Maan varjossa, on vaara vaanimassa koko ajan. Gaian lämpötilaa säädellään hyvin tarkasti ja vaikka luotain itse kestäisikin varjossa olemisen, eivät sen kamerat toimi silloin normaalisti ja tulosten laatu kärsii.

Nykyinen rata estää tämän viiden vuoden ajan, mutta sen jälkeen rataa pitää säätää hieman enemmän, jotta Gaia ei joutuisi varjoon.

Gaian keskiakseli ei saa myöskään osoittaa kohti Aurinkoa: herkät teleskoopit rikkoontuvat välittömästi, jos kirkas Aurinko pääsee paistamaan niiden sisälle. Siksi Gaialla on koko ajan vähintään 15 asteen kulma Aurinkoon. Samalla aurinkopaneelien teho olisi parhain suoraan Aurinkoon osoitettaessa, joten kulma on määrätty siten, että sähköä saadaan tarpeeksi, mutta samalla havaintolaitteet ovat turvassa. Lisäksi ratadynamiikkatiimi on joutunut ottamaan huomioon Maahan osoittavan antennin suunnan.

"Suurin ero Gaian ja monien Maata tai vaikkapa Marsia kiertävien satelliittien välillä on se, että planeettaa kierrettäessä kiertoradat ovat yleensä stabiileita, ja jos jokin ratamuutos ei mene aivan toivotulla tavalla, sitä voidaan korjata helposti myöhemmin", selittää Mathias Lauer, eräs Euroopan avaruusoperaatiokeskuksessa ESOCissa Gaian parissa työskentelevistä ratadynamiikka-asiantuntijoista.

"Gaian tapauksessa rata ei ole stabiili, vaan meidän täytyy olla tarkkana jokaista askelta ottaessamme."

Jotta asettuminen radalle L2:n ympärillä sujui hyvin, Gaia laitettiin hyvissä ajoin ennen manovääriä erityiseen tilaan, missä se sieti normaalia enemmän epätavallisia toimia ennen menoa ns. turvatilaan. Tämä esti sen, että luotain olisi jäänyt odottamaan ohjeita Maasta kesken tärkeän toimenpidesarjan.

Ennen pitkän ratapolton alkua tiistaina illalla, lennojohto oli yhteydessä Gaiaan ESA:n Cerberoksessa, Espanjassa, olevan 35-metrisen antennin kautta ja tarkistivat, että Gaia oli valmis. Lennonjohtotoiminta siirrettiin sitten ESOCin suureen lennonjohtohuoneeseen, missä aluksen tilaa, rataa, avaruussäätä, tietoliikenneyhteyksiä ja kaikkea muuta asiaan vaikuttavaa voidaan seutata paremmin ja missä suuri määrä asiantuntijoita saadaan kerralla konsolien ääreen. Normaalisti Gaian lennonjohto tapahtuu pienemmästä tilasta ja lopulta osana rutiinitoimintoja.

Klo 20.20 tiistaina illalla Cerberoksen antennin kautta saatiin tieto siitä, että Gaia oli valmis, ja muutamaan minuuttia muöhemmin, klo 20.35, Gaia kääntyi oikeaan asentoon polttoa varten. Ja sitten, tarkalleen klo 20.58 rakettimoottorit syttyivät ja toimivat 103 minuutin ajan.

Ja niin Gaia oli oikealla radallaan. Kunhan tutkimuslaitteet on saatu nyt kalibroitua, voi Gaia aloittaa pitkän ja puuduttavan, mutta huiman kiinnostavan työrupeamansa.

Tilaa aihepiirin gaia RSS-syöte