Algoritmi näytti meille mustan aukon

M87:n musta aukko
Jari Mäkinen

Hetki sitten julkistettiin ensimmäinen kuva mustasta aukosta. Tai tarkkaan ottaen kuvassa on aukon ympärillä oleva kerääntymäkiekko, jonka keskellä on musta alue – se on musta aukko, eikä sitä voi oikeastaan nähdä. Mullistava, mutta odotettu havainto tehtiin eri puolilla maapalloa olevien radioteleskooppien signaaleita yhdistämällä.

Kyseessä on M87 -galaksissa oleva supermassiivinen musta aukko, joka on noin 55 miljoonan kilometrin päässä Maasta.

Ei siis mitään paniikkia - etenkin kun lähempänäkin, jopa omassa Linnunradassammekin on erittäin todennäköisesti myös suuria mustia aukkoja. Tämä aukko on vain juuri sopivan suuri ja sen ympärillä oleva, kuumasta kaasusta muodostuva kerääntymäkiekko on sellaisessa asennossa, että voimme nähdä sen lähes suoraan yläpuolelta. Se on myös suhteellisen lähellä – vaikka silti kaukana Linnunradan ulkopuolella.

Vertailun vuoksi: meitä lähin täysikokoinen galaksi on 2,5 miljoonan valovuoden päässä oleva Andromeda.

Itse musta aukko on täysin pimeä kappale, josta valo ei pysty pakenemaan. Siksi mustan aukon kuvaamisella tarkoitetaankin sen ympäröivää säteilyä vasten näkyvän varjon kuvaamista.

Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa varjon olevan noin 2,5 kertaa suurempi halkaisijaltaan kuin itse mustan aukon tapahtumahorisontti, joka M87:n tapauksessa on noin 40 miljardia kilometriä. Musta aukko on massaltaan 6,5 miljardia Auringon massaa, ja nyt julkaistu havainto siitä tehtiin jo pari vuotta sitten.

Syy, miksi asia on nyt ajankohtainen, on The Astrophysical Journal Letters-lehden erityisnumero, missä on peräti kuusi aiheesta kertovaa artikkelia.

M87

M87-galaksi.

Havainti on tehty "tapahtumahorisonttiteleskoopilla", eli eri puolilla maapalloa olevien radioteleskooppien havaintoja yhdistävällä yhteenliittymällä. Englanniksi tämän nimi on Event Horizon Telescope, eli ETH.

Nimi tulee siitä, että mustaa aukkoa ympäröivää rajaa, jonka takaa pakeneminen on mahdotonta, kutsutaan tapahtumahorisontiksi.

Kun kaukana toisistaan olevien teleskooppien signaaleita yhdistetään, on tuloksena havainto, joka on tarkkuudeltaan samanlainen kuin teleskooppien välimatkan kokoisella yhdellä isolla teleskoopilla. 

Teleskooppien signaaleita yhdistetään monimutkaisella tekniikalla, missä kaikkiaan kahdeksan teleskooppia on toiminut yhdessä. Teleskoopit sijaitsevat hyvin korkeilla paikoilla: Havaijin ja Meksikon tulivuorilla, Arizonan ja Espanjan Sierra Nevadan vuoristoissa, Chilen Atacaman autiomaassa ja Etelämantereella.

Kyseessä on ns. pitkäkantainterferometriatekniikka (very long baseline interferometry VLBI), joka vastaa lähes maapallon kokoista radioteleskooppia. Havaintoja tehtiin 1,3 mm:n aallonpituudella ja havaintojen tarkkuus on noin 20 mikrokaarisekuntia.

Tämä vastaa sitä, että pariisilaisesta kahvilasta pystyttäisiin lukemaan New Yorkissa olevaa sanomalehteä.

Kahdeksan mukana ollutta teleskooppia ovat ALMA, APEX, IRAM 30-metre Telescope, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope, ja South Pole Telescope [6]. Teleskoopeista saatu raakadata, jota on petatavuittain, yhdistettiin radiotähtitieteen Max Planck instituutin ja MIT:n Haystackin observatorion supertietokoneilla.

EHT:n rakentaminen ja tänään julkistetut havainnot ovat vuosikymmenten työn huipentuma. Kolmetoista kumppanuusinstituuttia ovat yhdessä muodostaneet EHT:n hyödyntämällä olemassa olevaa infrastruktuuria ja useiden eri laitosten tukea.

Katie Bowman

Olennaista kuvan tekemisessä oli algoritmi, jolla havainnoista saatiin muodostettua kuva. Radioteleskoopit sinällään eivät ota kuvia, vaan se on muodostettu "keinotekoisesti" signaainkäsittelyn avulla. Tämä on jälleen yksi esimerkki siitä, että tietokoneavusteinen nykytekniikka on aivan erinomaista ja suorituskykyistä, mutta etääntynyt yhä kauemmaksi perinteisestä kaukoputkeen katsomisesta.

Toinen esimerkki tällaisesta on gravitaatioaaltojen havaitseminen, mikä vaatii huimaa laskentaa, mutta perustuu täysin luonnonlakeihin. 

Itse asiassa se, että tämäkin havainto on juuri tällainen, vahvistaa edelleen esimerkiksi Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa, koska kerääntymäkiekko ja musta aukko sen keskellä ovat juuri odotetun kaltaisia.

Kuvan muodostaneen algoritmin pääkehittäjä on Massachusettsin teknologiainstituutissa, MIT:ssä havainnon tekoaikaan työskennellyt Katie Bouman (kuvassa ylhäällä).

Kaikkiaan hankkeessa on ollut mukana yli 200 tutkijaa, yksi myös Suomesta: Tuomas Savolainen Aalto-yliopiston Metsähovin radiotutkimusasemalta.

"Kuvan muodostaminen datasta oli tehtävä äärimmäisen huolellisesti. Vaikka prosessi tuntui välillä tuskastuttavan hitaalta, juuri menetelmien kattava testaus ja analyysien riippumattomat tarkistukset ovat edellytys luotettavalle tulokselle”, kertoo Savolainen Aalto-yliopiston tiedotteessa.

Metsähovin radiotutkimusasema kuuluu Aalto-yliopistoon.

"Huolellisuus totisesti kannatti. Olemme Metsähovissa tutkineet aktiivisia galakseja jo vuosikymmenten ajan ja nyt meillä vihdoin on suora todiste siitä, että niiden voimanlähde todella on supermassiivinen musta aukko.”

Metsähovissa on kehitetty paljon radioteleskooppien interferometriaan liittyvää tekniikkaan ja osaamista. Periaatteena on se, että toisiinsa fyysisesti liittymättömien teleskooppien havainnot yhdistetään ajastamalla ne erittäin tarkasti yhteen. Tähän tarvitaan äärimmäisen tarkka aikasignaali, joka saadaan vetymaser -atomikelloista.

Nyt kyseessä olevat havainnot mustasta aukosta tehtiin 1,3 mm:n aallonpituudella vuonna 2017.

Jokainen EHT:n teleskooppi tuotti valtavan määrän dataa (noin 350 teratavua päivittäin), joka tallennettiin erittäin tehokkaille helium-täytteisille kovalevyille. Tämä data syötettiin aivan erityisiin supertietokoneisiin, korrelaattoreihin, Max Planckin radiotähtitieteen instituutissa ja MIT:n Haystackin observatoriolla ja yhdistettiin.  

Sitten data muunnettiin kuvaksi yhteistyöverkoston valmistamia edistyneitä työkaluja käyttäen. Olennaisin näistä oli Boumanin kehittämä algoritmi.

M87 päältä

Kuvassa taitelijan näkemys valon liikkeestä mustan aukon läheisyydessä. Kuvassa näkyvä varjo on seurausta gravitaation aiheuttamasta valon taipumisesta sekä valon katoamisesta tapahtumahorisonttiin. Kuva: Nicolle R. Fuller/NSF
 

Pieni koko, valtava massa

Mustat aukot ovat poikkeuksellisia kosmisia kohteita: massaltaan valtavia, mutta kooltaan hyvin pieniä. Mustat aukot vaikuttavat ympäristöönsä taivuttaen aika-avaruutta ja kuumentaen niiden ympärillä olevaa ainetta.

"Jos musta aukko on kirkkaasti säteilevän kaasukiekon ympäröimä, oletamme aukon muodostavan varjon kaltaisen tumman alueen. Tämä on Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustama ilmiö, jota emme ole koskaan aikaisemmin nähneet", EHT:n tiedeneuvoston puheenjohtaja Heino Falcke Hollannista Radboudin yliopistosta kertoo.

"Tämä varjo on seurausta gravitaation aiheuttamasta valon taipumisesta sekä valon katoamisesta tapahtumahorisonttiin."

Useat eri kalibrointi- ja kuvantamismenetelmät paljastivat rengasmaisen rakenteen, jossa on tumma keskusalue eli mustan aukon varjo. Tulos pysyi samana useissa riippumattomissa havainnoissa.

"Kun olimme varmoja, että olemme saaneet kuvattua varjon, pystyimme vertaamaan tulosta tarkkoihin tietokonemalleihin, jotka sisältävät taipuneen avaruuden, ylikuumentuneen aineen ja voimakkaiden magneettikenttien fysiikkaa. Havainnoista saatu kuva vastaa hyvin meidän teoreettista käsitystämme", kertoo Paul T.P. Ho, EHT:n hallituksen jäsen ja East Asian Observatoryn johtaja.

"Se tekee meidät luottavaisiksi havaintojemme tulkinnasta, mukaan lukien arviomme mustan aukon massasta."

Juttu perustuu osittain Aalto-yliopiston tiedotteeseen. Lisätietoja saa myös ESO:n tiedotteesta, missä on myös lisää kuvia. Kuvat: ETH, Nicolle R. Fuller/NSF ja Katie Bowman.

 

Uusi malli kertoo, mitä näemme mustan aukon ahmaistessa tähden

Markus Hotakainen

Liian lähelle supermassiivista mustaa aukkoa joutuva tähti hajoaa vuorovesivoimien vaikutuksesta ja saa aikaan voimakkaan välähdyksen. Teoreetikot ovat nyt selvittäneet, miksi sama ilmiö näyttää eri galakseissa niin erilaiselta.

Tähden silpoutumista kutsutaan vuorovesihajoamiseksi (tidal disruption event eli TDE). Mustan aukon valtaisa gravitaatio kohdistuu lähelle ajautuneen tähden eri osiin erilaisilla voimakkuuksilla, jolloin tähti repeytyy hajalle.

"Kutakuinkin vasta kuluneen vuosikymmenen aikana olemme pystyneet erottamaan TDE-tapaukset muista galaktisista ilmiöistä. Uusi malli antaa meille perusteet ymmärtää näitä harvinaisia tapahtumia", kertoo Enrico Ramirez-Ruiz, joka toimii professorina sekä Kalifornian yliopistossa (Santa Cruz) että Kööpenhaminan yliopistossa.

Useimpien galaksien keskellä piileksivä musta aukko elelee hissuksiin eikä ime ainetta sisuksiinsa. Siksi niiden lähettyviltä ei myöskään tule säteilyä. TDE-tapaukset ovat harvinaisia, sillä tyypillisessä galaksissa sellainen tapahtuu vain noin 10 000 vuoden välein. Jos mustaan aukkoon kuitenkin päätyy tähti, se "ylensyö" ja lähettää voimakasta säteilyä.

"On mielenkiintoista nähdä, miten aine kulkeutuu mustaan aukkoon äärimmäisissä olosuhteissa", toteaa tutkimusta johtanut apulaisprofessori Jane Lixin Dai.

"Mustan aukon ahmiessa tähden kaasua vapautuu suuri määrä säteilyä. Kun havaitsemme tuota säteilyä, se auttaa meitä ymmärtämään fysiikkaa ja määrittämään mustan aukon ominaisuuksia. Siksi TDE-tapausten metsästys on äärimmäisen kiinnostavaa."

Vaikka kaikki tapaukset noudattavat oletettavasti samanlaista fysiikkaa, toistaiseksi havaituissa parissa tusinassa kohteessa niiden ominaisuuksissa on todettu esiintyvän suuria vaihteluja.

Jotkut lähettävät pääasiassa röntgensäteilyä, joistakin puolestaan tulee enimmäkseen näkyvää valoa ja ultraviolettisäteilyä. Teoreettisesti tällaista vaihtelua on ollut hankala ymmärtää ja sen pohjalta on ollut vaikea laatia yhtenäistä mallia.

Uuden mallin mukaan eroavaisuudet selittyvät havaintosuunnalla. Galaksit ovat Maahan nähden sattumanvaraisissa asennoissa, jolloin tarkastelemme TDE-tapauksia aina eri kulmista.

"Se on kuin harso, joka peittää osan pedosta", Ramirez-Ruiz havainnollistaa. "Joistakin kulmista näemme sen kokonaan, mutta muista suunnista näemme verhotun pedon. Se on aina samanlainen, mutta havaintomme siitä ovat erilaisia."

Dai yhdisti kollegoidensa kanssa mallissa yleistä suhteellisuusteoriaa, magneettikenttiä, säteilyä ja kaasun hydrodynamiikkaa. Se kertoo, mitä tähtitieteilijät voivat odottaa näkevänsä, kun TDE-tapauksia tarkastellaan eri suunnista, ja selittää, miten erilaiset ilmiöt liittyvät samanlaisiin tapahtumiin.

Tulevien kartoitushankkeiden toivotaan antavan paljon uutta havaintoaineistoa TDE-tapauksista, mikä helpottaa niiden tutkimusta.

"Muutaman vuoden kuluttua havaitsemme satoja, ellei tuhansia TDE-tapauksia. Ne muodostavat suuren määrän 'laboratorioita', joissa voimme testata mallia ja yrittää ymmärtää sen avulla paremmin mustia aukkoja", Dai arvioi.

Tutkimuksesta kerrottiin Kalifornian yliopiston (Santa Cruz) uutissivuilla ja se on julkaistu The Astrophysical Journal Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Jane Lixin Dai

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)

Tutkijat aikovat testata Einsteinin teoriaa mustilla aukoilla

Markus Hotakainen

Yksi Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennusteista oli mustat aukot. Se ei kuitenkaan ole ainoa gravitaatioteoria, jonka mukaan niitä voi syntyä.

Mustien aukkojen olemassaolo on jokseenkin kiistatonta, sillä niiden törmäyksissä syntyneitä gravitaatioaaltoja on onnistuttu havaitsemaan. Sähkömagneettiseen säteilyyn perustuvia suoria havaintoja ei silti ole vieläkään pystytty tekemään.

Siksi ei ole täyttä varmuutta, ovatko avaruuden mustat aukot "einsteinilaisia" vai jonkin vaihtoehtoisen gravitaatioteorian mukaisia olioita.

Mustaan aukkoon syöksyvän aineen fotoneista eli valohiukkasista osa pääsee karkuun, mistä on seurauksena, että musta aukko saa aikaan eräänlaisen "varjon", joka erottuu taustataivasta vasten. Varjon koko ja muoto riippuvat mustan aukon ominaisuuksista ja gravitaatioteoriasta, jonka mukaisia sen ominaisuudet ovat.

BlackHoleCam-projektin tutkijat pyrkivät selvittämään, miten mustien aukkojen todellinen luonne pystyttäisiin käytännössä tunnistamaan niiden heittämän varjon perusteella. He ovat mallintaneet Linnunradan keskuksessa sijaitsevaa supermassiivista mustaa aukkoa Sagittarius A* sekä suhteellisuusteorian että säieteorian mukaisilla laskelmilla.

Kuvan "Kerr"-versio on Einsteinin teorian ja "Dilaton" säieteorian mukaisen mustan aukon aiheuttama varjo. Vasemmanpuoleiset kuvat ovat perussimulaatioita, oikeanpuoleisissa on otettu huomioon havainto-olosuhteiden vaikutus syntyvään kuvaan.

Oikeasti tällaisia kuvia ei vielä saada otettua edes Linnunradan keskellä olevasta supermassiivisesta mustasta aukosta, mutta kansainvälisen Event Horizon Telescope -hankkeen tavoitteena on onnistua siinä lähivuosina.

Mallinnuksessa laskettiin, mitä tapahtuu aineen syöksyessä kahteen erilaiseen mustaan aukkoon ja millaista säteilyä se lähettää juuri ennen katoamistaan.

"Saadaksemme näkyviin mustien aukkojen eroavaisuuksien vaikutukset teimme realistiset simulaatiot kertymäkiekoista lähes identtisillä alkuarvoilla. Se vaati useiden kuukausien laskenta-ajan Instituutin LOEWE-supertietokoneella", kertoo tutkimusta johtanut Yosuke Mizuno.

Simulaatioissa tarkasteltiin myös havaintoihin käytettävien radioteleskooppien erotuskyvyn ja havainto-olosuhteiden vaikutusta lopputulokseen. Tutkijoiden yllätykseksi näyttää siltä, että "vale-einsteinilaisia" mustia aukkoja on vaikea erottaa tavallisista mustista aukoista.

Tulos tarkoittaa sitä, että Event Horizon Telescope -hankkeessa on kehitettävä uudenlaisia analyysimenetelmiä, jos tavoitteena on päästä selvyyteen mustien aukkojen taustalla olevasta gravitaatioteoriasta.

"Vaikka uskommekin, että suhteellisuusteoria on oikea vaihtoehto, tutkijoina meidän on edettävä avoimin mielin", toteaa Luciano Rezzolla.

Simulaatiosta kerrottiin Radioastronomian Max Planck -instituutin uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature Astronomy -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Fromm/Younsi/Mizuno/Rezzolla

Mallit uusiksi? Mustan aukon magneettikenttä oletettua heikompi

Markus Hotakainen

Yigit Dallilarin johtama yli 60 tutkijan ryhmä on tehnyt havaintoja V404 Cygni -kaksoistähtijärjestelmään kuuluvan mustan aukon magneettikentästä. Sen voimakkuus osoittautui yllättäen selvästi oletettua vähäisemmäksi.

Kun jättiläistähti räjähtää supernovana ja sen sisimmät osat luhistuvat mustaksi aukoksi, jäljelle ei jää suunnattoman gravitaation lisäksi paljoakaan, ainoastaan aukon pyörimisliike ja magneettikenttä, jotka ovat perintöä edesmenneeltä tähdeltä.

Magneettikentän avulla on selitetty monille mustille aukoille tyypilliset ainesuihkut. Aukkoon syöksyvä aine kasautuu ennen katoamistaan kertymäkiekkoon, ja osa aineesta sinkoutuu kauas avaruuteen aukon pyörimisakselin suuntaisesti.

Mustan aukon magneettikenttä kiihdyttää sähköisesti varatut hiukkaset lähes valon nopeuteen.

V404 Cygni on kirkkaudeltaan muuttuva tähti, jossa tapahtuu aika ajoin purkauksia. Mustan aukon massa on noin kymmenkertainen Aurinkoon verrattuna ja sen seuralainen on hieman Aurinkoa kevyempi punainen jättiläistähti. Etäisyyttä kaksoistähdellä on noin 8 000 valovuotta.

 

 

Tutkijaryhmän havainnot kohdistuivat tämän niin sanotun mikrokvasaarin tuoreimpaan purkaukseen, joka tapahtui vuonna 2015. Tekemällä mittauksia näkyvän valon lisäksi myös infrapuna- radio- ja röntgenalueilla tähtitieteilijät selvittivät, miten purkaus käyttäytyi eri aallonpituuksilla. Siitä puolestaan pystyttiin määrittämään mustan aukon magneettikentän voimakkuus.

Koska kenttä osoittautui selvästi heikommaksi kuin nykyiset mallit antavat olettaa, liittyy mustien aukkojen suihkuihin todennäköisesti ilmiöitä, joita ei vielä tunneta.

Mustia aukkoja koskeva ymmärrys on tärkeää monella tavalla. Se kytkeytyy sekä tähdenmassaisten että supermassiivisten mustien aukkojen syntyyn ja sitä kautta myös galaksien ja koko maailmankaikkeuden kehitykseen.

"Jos palaamme ajassa taaksepäin maailmankaikkeuden varhaisvaiheisiin, alkuräjähdystä seuranneisiin hetkiin, mustien aukkojen ja galaksien välillä näyttää olleen hyvin vahva yhteys. Sekä mustien aukkojen että galaksien synty ja kehitys ovat läheisesti kytköksissä toisiinsa. Tuloksemme on yllättävä ja yritämme selvittää sen seuraukset", tutkimukseen osallistunut Chris Packham Texasin yliopistosta toteaa.

Tutkimuksesta kerrottiin Texasin yliopiston (San Antonio) uutissivuilla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: University of Texas at San Antonio

Paljonko neutronitähti voi painaa?

Havainnollistus neutronitähdestä. Kuva: Goethe University Frankfurt
Markus Hotakainen

​Neutronitähdet, nuo jättiläistähtien vähän yli kymmenkilometriset jäänteet, löydettiin 1960-luvulla, mutta niiden massa laskettiin jo 1930-luvun lopulla. Tai tarkkaan ottaen massalle saatiin laskettua teoreettinen yläraja.

Maksimimassan suuruus tunnetaan Tolmanin–Oppenheimerin–Volkoffin rajana, sillä sen laskivat Robert "Atomipommi" Oppenheimer ja George Volkoff kollegansa Richard Tolmanin kvanttiteoreettisten tarkastelujen pohjalta. 

Oletuksena oli, että neutronitähden aine on niin sanottua Fermi-kaasua, joka koostuu pelkästään neutroneista. Todellisuudessa olosuhteet neutronitähtien sisuksissa tunnettiin kehnosti, joten alkujaan ylärajaksi saatiin vain noin 0,7 kertaa Auringon massa.

Jos neutronitähden massa kasvaa tätä raja-arvoa suuremmaksi – kuten voi tapahtua kaksoistähtijärjestelmässä, jossa toisesta tähdestä virtaa kaasua neutronitähteen – sen sisäinen paine ei enää kykene vastustamaan vetovoimaa, vaan neutronitähti luhistuu mustaksi aukoksi.  

Sittemmin arviota on korotettu puolestatoista peräti kolminkertaiseen Auringon massaan. Isohko vaihteluväli kertoo siitä, että neutronitähtien sisäistä rakennetta ei edelleenkään tunneta kovin hyvin.

Useimpien neutronitähtien massan on todettu olevan noin 1,4 Auringon massaa, mutta raskaampiakin on löydetty. Esimerkiksi pulsarin PSR J0348+0432 massa on 2,01 -kertainen Auringon massaan verrattuna.

Nyt ylärajalle on saatu uusi, entistä paljon tarkempi arvo. Göethe-yliopiston tutkijat Luciano Rezzolla, Elias Most ja Lukas Weih ovat laskeneet uuden ylärajan muutaman prosentin tarkkuudella.

Menetelmä perustuu Cosima Breun samaisessa yliopistossa tekemään tutkimukseen, joka osoitti neutronitähtien tietyt piirteet universaaleiksi riippumatta aineen tilanyhtälön kuvaamista sisäisistä ominaisuuksista.

Kun tutkimuksen tulos yhdistettiin tuoreisiin gravitaatioaaltohavaintoihin kahden neutronitähden yhteentörmäyksestä (kuvassa tietokonemallinnus tapahtumasta), saatiin massan ylärajaksi noin 2,17 Auringon massaa.

Se pätee pyörimättömälle neutronitähdelle, mikä on tilanteena varsin teoreettinen, sillä kaikki tähdet pyörivät. Pyörivälle neutronitähdelle massan yläraja on hieman suurempi, sillä pyörimisliikkeen aiheuttama keskihakuvoima vastustaa osaltaan tähden taipumusta luhistua vetovoiman vaikutuksesta vielä tiheämmäksi kappaleeksi. 

Tulos on tutkijoiden mukaan hyvä esimerkki teorian ja havaintojen saumattomasta yhteispelistä. "Teoreettisen tutkimuksen kauneus on sen kyvyssä tehdä ennusteita. Teoria kaipaa kuitenkin kipeästi havaintoja, jotka asettavat rajat epävarmuustekijöille", toteaa Rezzolla.  

Kun gravitaatioaaltoja onnistuttiin havaitsemaan ensimmäisen kerran LIGO-observatorioiden huippuherkillä interferometreillä, tutkijat hehkuttivat, kuinka maailmankaikkeuteen avautui uusi ikkuna. Neutronitähden massan yläraja on ensimmäisiä uudesta ikkunasta avautuneita konkreettisia näkymiä. 

*

Uutinen perustuu Göethe-yliopiston tiedotteeseen.
Kuva: Goethe University Frankfurt

Radiopurkausten polarisaatio kielii lähteen lähiympäristöstä

Toimitus

Vuodesta 2007 lähtien eri puolilla taivasta havaittujen nopeiden radiopurkausten arvoitus saattaa olla hiljalleen ratkeamassa. Nyt näyttää vahvasti siltä, että ne ovat peräisin neutronitähdistä.

Tutkijat ovat selvittäneet Arecibon ja Green Bankin radioteleskoopeilla tehtyjen havaintojen avulla, että FRB121102-tunnuksella tunnetun lähteen radiopurkaukset ovat voimakkaasti polarisoituneita. Ja se kertoo paljon lähteen lähiympäristöstä.

Vuosi sitten tutkijaryhmä sai määritettyä FRB121102:n sijainnin. Se on yli kolmen miljardin valovuoden etäisyydellä sijaitsevassa kääpiögalaksissa alueella, jolla syntyy uusia tähtiä. Koska etäisyys on näin suuri, yksittäisen purkauksen energiamäärän täytyy olla valtaisa: millisekunnissa vapautuu saman verran energiaa kuin Auringossa yhden vuorokauden aikana.

FRB121102 on toistaiseksi löydetyistä nopeiden radiopurkausten lähteistä ainoa, jossa niitä havaitaan toistuvasti. Polarisaatio eli sähkömagneettisen säteilyn sähkökentän värähtelytason suuntautuminen ei ole mikään ihmeellinen asia, sillä esimerkiksi vedenpinnasta heijastunut auringonvalo on polarisoitunutta.

Tässä tapauksessa kyse on hieman mutkikkaammasta ilmiöstä, sillä FRB121102:n radiosäteilyn todettiin olevan ympyräpolarisoitunutta eli sähkökentän värähtelytaso kiertyy. Tämä niin sanottu Faraday-kiertymä syntyy säteilyn kulkiessa magneettikentässä: mitä suurempi kiertymä, sitä voimakkaampi magneettikenttä.  

FRB121102:n tapauksessa kiertymä on suurimpia radiolähteillä havaittuja, joten purkausten säteilyn täytyy kulkea tiheässä plasmassa, jossa on poikkeuksellisen voimakas magneettikenttä.

“Linnunradan ainoat kohteet, joissa kiertymä on yhtä suuri kuin FRB121102:n säteilyssä, sijaitsevat galaksimme keskuksessa lähellä massiivista mustaa aukkoa. FRB121102 saattaa olla omassa galaksissaan samanlaisessa ympäristössä”, arvelee väitöskirjatutkija Daniele Michilli Amsterdamin yliopistosta ja Hollannin radioastronomian instituutista ASTRONista.

Hänen mukaansa radiopurkausten kiertymä voi selittyä myös sillä, että niiden lähde on voimakkaasti säteilevässä kaasusumussa tai supernovajäänteessä.

 

 

Tällä kertaa purkauksia havaittiin aiempaa korkeammilla radiotaajuuksilla, mikä osaltaan auttoi mahdollisen lähteen selvittämisessä. Arecibossa työskentelevän Andrew Seymourin mukaan ”purkausten polarisaatio ja rakenne ovat samanlaisia kuin Linnunradan nuorten ja hyvin energisten neutronitähtien säteilyllä. Se tukee malleja, joiden mukaan purkaukset ovat peräisin neutronitähdestä”.

Ennätyksellisen voimakkaan polarisaation lisäksi FRB121102:n purkausten rakenne on mutkikas. Siinä missä muissa vastaavissa purkauksissa esiintyy yksi tai korkeintaan kaksi ”kirkastumaa”, FRB121102:n purkauksessa niitä on havaittu jopa seitsemän.

Laura Spitler radioastronomian Max Planck -instituutista kertoo, että ”seuraavaksi yritämme selvittää, onko purkausten rakenne seurausta radiosäteilyn syntyprosessista vai syntyykö se säteilyn kulkiessa lähteen lähellä sijaitsevassa tiheässä plasmassa”.

“Jatkossa tarkkailemme, miten purkausten ominaisuudet muuttuvat aikaa myöten”, sanoo Jason Hessels Amsterdamin yliopistosta. ”Toivomme uusien havaintojen varmistavan, kumpi kilpailevista hypoteeseista on oikea: onko neutronitähti lähellä mustaa aukkoa vai voimakkaasti säteilevän kaasusumun sisällä.”

Tutkimuksesta kerrottiin Max Planck -instituutin uutissivuilla ja se julkaistaan Nature-tiedelehdessä.

Kuvat: David Broad/CC BY 3.0 [Arecibo], Gemini Observatory/AURA/NRAO/NSF/NRC [FRB121102]

Näin syntyivät supermassiiviset mustat aukot vauvaikäisessä maailmankaikkeudessa

Protogalaksin lähelle syntyvä musta aukko (J. Wise (Georgia Tech) & J. Regan (Dublin City))
Toimitus

Supertietokoneilla lasketut simulaatiot osoittavat, että läheisten galaksien säteily voi edesauttaa mustien aukkojen syntyä viereisissä kaasupilvissä.

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen astrofysiikan apulaisprofessori Peter Johansson on kehittänyt yhteistyössä irlantilaisten ja amerikkalaisten tutkijoiden kanssa simulaatiomallin, jonka avulla voidaan kuvata supermassiivisten mustien aukkojen muodostumista varhaisessa maailmankaikkeudessa entistä tarkemmin.

Tutkimus julkistettiin tuoreessa Nature Astronomy -lehdessä.

Sen mukaan supermassiivisia mustia aukkoja oli olemassa jo hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa, silloin, kun sen ikä oli alle 800 miljoonaa vuotta. Tämän ovat aiemmat havainnot osoittaneet.

Mustien aukkojen kasvu oli kituliasta

Johanssonin mukaan galaksien keskustoista löytyvien supermassiivisten mustien aukkojen massat voivat olla miljoonia tai jopa useita miljardeja kertoja aurinkoa suurempia, kun tyypillisesti massiivisten tähtien jälkeen jättämien mustien aukkojen massat ovat 5-20 kertaa Auringon massaa suurempia.

"Nämä havainnot ovat jossain määrin yllättäviä, koska mustien aukkojen massojen kasvattaminen kymmenistä auringon massoista miljardeihin auringon massoihin lyhyessä ajassa on hankalaa", sanoo Johansson.

Mustan aukon massan kasvattaminen onnistuu parhaiten kaasua syömällä, mutta samalla kun kaasu syöksyy kohti mustaa aukkoa, se kuumenee hyvin voimakkaasti johtuen kitkavoimista ja suuresta painovoimakentästä. Tämä kuuma kaasu säteilee voimakkaasti, ja osa säteilystä kytkeytyy takana tulevaan kaasuun aiheuttaen säteilypainetta, joka estää kaasun putoamisen mustaan aukkoon.

"Mustia aukkoja ei ikään kuin voi pakkosyöttää, koska liian suuri putoava kaasun määrä aiheuttaa voimakkaan säteilyryöpyn, joka puskee kaasua takaisin."

Galaksien taistelua

Viimeisten vuosien aikana on kehitetty myös vaihtoehtoinen malli selittämään supermassiivisten mustien aukkojen syntymistä varhaisessa maailmankaikkeudessa.

Tässä niin sanotussa ”suorassa romahdusmallissa” isot kaasupilvet, joiden massat vastaavat 10 000 - 100 000 Auringon massaa, romahtavat suoraan verrattain massiivisiksi mustiksi aukoiksi.

Tällainen suora romahtaminen edellyttää, että kaasun jäähtyminen varhaisessa maailmakaikkeudessa on ollut tehotonta, koska muuten kaasupilvi fragmentoituisi ja seurauksena syntyisi tähtiä.

Varhaisessa maailmankaikkeudessa ainut tapa jäähdyttää kaasua matalilla lämpötiloilla on molekulaarinen vety.

Nyt Nature Astronomy -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa osoitetaan ensimmäistä kertaa, että jos kaksi galaksia syntyy lähes samanaikaisesti, ensimmäisen galaksin tähtien säteily voi tuhota molekulaarisen vedyn toiseksi syntyvästä galaksista.

Näin toiseen muodostuvaan galaksiin voi syntyä suuri musta aukko kaasupilven suorassa romahduksessa, josta kasvaa varsin nopeasti miljardin auringon massainen musta aukko. Tämän havainnot osoittavat.  

Tutkimusartikkeli Rapid formation of massive black holes in close proximity to embryonic protogalaxies on julkaistu Nature Astronomyn lisäksi kaikille avoimessa ArXiv:ssa.

Otsikkokuvassa on hahmotelma siitä, miltä protogalaksin lähelle syntyvä supermassiivinen musta aukko voisi näyttää. Sen massa vastaa kymmeniä tuhansia Auringon massoja ja sitä ympäröi kiertymäkiekko, mistä siitä lähtee symmetrisiä materiasuihkuja. Nuoressa protogalaksissa (oikealla) loistaa kirkkaana suuri joukko nuoria massiivisia tähtiä. Kuva vastaa simulaation tilannetta punasiirtymällä z=24, noin 140 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Kuvaoikeudet: J. Wise (Georgia Tech) & J. Regan (Dublin City).

Artikkeli on Helsingin yliopiston tiedote hieman editoituna.

Noin 3500 mustaa aukkoa yhdessä kuvassa – mukana supermassiivisia superaukkoja

Chandra Deep Field-South
Jari Mäkinen

Röntgensäteilyn alueella taivasta havaitseva Nasan Chandra-avaruusteleskooppi on ottanut huiman kuvan:  11,5 viikon valotusajan vaatineessa, täydenkuun kokoisen alueen näyttävässä kuvassa on näkyvissä noin 5000 kohdetta.

Tämä on siis Chandra-teleskoopin vastine aiemmin Hubble-avaruusteleskoopilla otetulle "syvän taivaan kuvalle", monista yksittäisistä hyvin pitkään valotetuista havainnoista koostetulle kuvalle, missä näkyy paljon hyvinkin heikkovaloisia kohteita – pääasiassa galakseja.

Siinä missä Hubblen kuva on otettu näkyvän valon alueella, on Chandran kuvassa suurenergistä röntgensäteilyä lähettäviä kohteita, jotka tyypillisesti ovat tähtitaivaan järeimpiä taivaankappaleita tai hyvin suurienergisiä ilmiöitä. 

Nasa kertoo tiedotteessaan, että tätä Chandra Deep Field-South -nimen saanutta kuvaa on valotettu yhteensä seitsemän miljoonan sekunnin ajan, eli 11,5 viikkoa.

Kuva on otettu eteläisellä tähtitaivaalla sijaitsevan Sulatusuunin tähdistön suuntaan, koska siellä sijaitsee suuri galaksijoukko ja siihen suuntaan voi nähdä hyvin ulos Linnunradan oman kaasun ja kohteiden pahemmin häiritsemättä. Samaa aluetta on kuvattu aikaisemminkin, koko ajan yhä heikompia kohteita mukaan ottaen.

Erityisen kiinnostavaksi kuvan tekee se, että siinä on kaikkein suurin koskaan havaittu keskittymä supermassiivisia mustia aukkoja, eli sinänsä jo varsi hurjien mustien aukkojen kaikkein raskaimpia versioita. 

Lisäksi kuvasta tutkijat ovat löytäneet supermassiivisia superaukkoja, joiden massat ovat jopa 10 miljardia kertaa oman Aurinkomme massan verran. "Tavallinen" supermassiivinen musta aukko on noin 100 000 kertaa Aurinkoa massiivisempi.

Koska tästä suuresta mustien aukkojen paljoudesta voidaan erottaa eri ikäisiä kohteita, voidaan nyt saada lisätietoa siitä, miten mustat aukot kehittyvät vuosimiljardien aikana. Näyttää siltä, että niitä alkoi syntyä noin kaksi miljardia vuotta vanhassa maailmankaikkeudessa, ja ne ovat nähtävästi syntyneet rykäyksittäin – eivät vähitellen aineen kerääntyessä niihin tasaiseen tahtiin. Ovatko aukot siis hotkineet sisäänsä suuria suupaloja kerrallaan?

Todennäköisesti näiden supermassiivisten mustien aukkojen siemenet ovat olleet varsin massiivisia, eli 10 000 – 100 000 Auringon massaa. Aiemmin oletettiin, että myös supermassiiviset aukot olisivat alkaneet kehittyä pienemmistä, vain noin sadan Auringon massaisista massakerääntymistä. Normaalit mustat aukot syntyvät Aurinkoa parikymmentä kertaa suurempien tähtien romahtaessa kasaan elämänsä lopussa; supermassiiviset aukot vaativat jotain muuta syntyäkseen.

Mustat aukot eivät sinällään säteile näkyvää valoa, röntgensäteilyä tai muutakaan sähkömagneettista säteilyä ympärilleen, mutta niiden ympärillä oleva kuumasta kaasusta koostuva, suurella nopeudella pyörivä kerääntymäkiekko lähettää voimakkaasti suurienergisiä säteitä, etenkin röntgensäteilyä. 

Kaukaiset, kuvassa selvästi näkyvät galaksit puolestaan kätkevät keskelleen suuria mustien aukkojen ryppäitä, jotka säteilevät voimakkaasti. Kaukaisimmat tällaiset ovat tässä Chandran ottamassa kuvassa 12,5 miljardin valovuoden päässä, eli ne ovat syntyneet pian maailmankaikkeuden syntymän jälkeen. 

Samaa aluetta taivaalta on kuvattu myös Hubble-avaruusteleskoopilla, ja sen ottamista kuvista on voitu paikantaa yli 2000 Chandran kuvassa näkyvää galaksia. Nämä sijaitsevat 12 – 13 miljardin valovuoden päässä meistä.

Tulokset julkistettiin tänään Yhdysvaltain astronomisen yhdistyksen kokouksessa.

Lisätietoa kuvasta (ja sen edellisistä versioista) on täällä: www2.astro.psu.edu/users/niel/cdfs/cdfs-chandra.html

Video: Mustan aukon tuhovoima kauniina animaationa

Video: Mustan aukon tuhovoima kauniina animaationa

Monet kuvittelevat mustat aukot kosmisiksi pedoiksi, jotka imevät sisäänsä kaikki ympärillään olevat tähdet, planeetat ja muun aineen.

Toimitus
15.08.2016

Tämä pitääkin paikkansa – ja ei pidä. Jos esimerkiksi Aurinko muuttuisi nyt mustaksi aukoksi, se ei imisi maapalloa sisäänsä, vaan sen vetovoima pysyisi samana kuin aikaisemmin.

Mutta jos jokin tähti tulee lähelle suuren mustan aukon tapahtumahorisonttia, niin sitten alkaakin tapahtua. 

Tämä NASAn tekemä video kertoo koodinimellä ASASSN-14li tunnetusta tapauksesta, jonka havaitsivat kolme avaruudessa olevaa röntgenalueella toimivaa teleskooppia (NASAn Chandra ja Swift sekä ESAn XMM-Newton) marraskuussa 2014. Se havaittiin 290 miljoonan valovuoden päässä olevassa galaksissa PGC 043234.

Tuhoon tuomittu tähti lähestyy videolla mustaa aukkoa (jonka voi havaita vain taustalla olevien tähtien häipyessä tapahtumahorisontin kohdalla) ja kun tähti on tarpeeksi lähellä, siitä alkaa virrata kaasua mustaan aukkoon. Painovoima saa aikaan vuorovesivoimia, jotka muovaavat voimakkaasti tähteä.

Tapahtumahorisontti on mustan aukon ympärillä oleva etäisyys, jonka sisäpuolelta edes valo ei pääse pakenemaan; se ei ole siis mustan aukon "pinta", mutta näyttäytyy sellaisena, koska sen sisäpuolelta emme voi nähdä mitään.

Koko tähti imeytyy nopeasti mustaan aukkoon ja jäljelle jäävä kaasu tähdestä levittäytyy lähiavaruuteen. 

Mutta tapahtuma ei suinkaan ole ohi: musta aukko ei pysty imemään koko tähteä kerralla, vaan vähitellen. Siksi sitä kiertää vinhasti pyörivä, kuumasta kaasusta koostuva kerääntymäkiekko. Kiekon alaosassa kaasu valuu mustaa aukkoon, mutta muu osa kiekosta hohtaa kirkkaasti voimakkaan röntgensäteilyn aallonpituusalueella.

Mustan aukon nielemisvaikeuksien vuoksi osa kaasusta myös suihkuaa pyörimisakselin napojen kohdilta ulos avaruuteen komeina kaasupatsaina, jotka osoittavat niin ylös kuin alaskin.

Tällaisia kerääntymiskiekkoja ja tapauksia, joissa tähti imeytyy mustaan aukkoon, tiedetään varsin paljon ja niitä havaitaan koko ajan lisää.

Tätä kyseistä tapahtumaa selittävä tutkimus julkaistiin viime lokakuussa Nature-tiedelehdessä ja siitä kerrottiin aikaisemmin mm. tässä Chandra-teleskoopin tutkijaryhmän tiedotteessa.

Tilaa aihepiirin musta aukko RSS-syöte