tähtien synty

Jos galaksissa ei ole tähtiä, se ei ihmeemmin säteile. Siksi pimeiden galaksien tutkimus ja ylipäätään löytäminen on hankalaa. Tutkijat ovat tehneet havaintoja kuudesta lupaavasta kandidaatista, joiden toivotaan tuovan lisävalaistusta galaksien kehityksen hämäriin varhaisvaiheisiin.

Arvoituksena on edelleen, miten syntymässä olevan galaksin kaasu muuttuu tähdiksi. Teoreettiset mallit viittaavat siihen, että kaasua kerääntyy ensin suuret määrät yhteen ja tähtien "tuotanto" käynnistyy vasta jonkin ajan kuluttua. Havaintoihin pohjaavia todisteita tästä ei kuitenkaan vielä ole.

Zürichin teknillisen yliopiston professoreiden Raffaella Anna Marinon ja Sebastiano Cantalupon johtama ryhmä on käyttänyt pimeiden galaksien etsinnässä hyväksi kvasaarien lähettämää voimakasta ultraviolettisäteilyä. Se saa aikaan galaksien vetypilvissä fluoresenssia, jonka synnyttämä säteily – ja samalla koko galaksi – on mahdollista havaita.

Samaa konstia on käytetty aikaisemminkin, mutta Marinon ja Cantalupon ryhmä teki etsintöjä kauempana maailmankaikkeudessa sijaitsevien kvasaarien lähettyvillä kuin kertaakaan aiemmin.

Orionin tähdistön suunnassa olevalla molekyylipilvellä on mittaa kymmeniä valovuosia. Sen alueella on eri vaiheissa olevia "tähtitehtaita", myös tiheitä tähtijoukkoja, jollaisessa Auringon arvellaan syntyneen lähes viisi miljardia vuotta sitten.

"Kartta kuvaa laajalla skaalalla fysikaalisia ilmiöitä, jotka kertovat, miten tähdet syntyvät molekyylipilvissä ja toisaalta miten nuoret tähdet vaikuttavat pilveen, josta ne ovat tiivistyneet", toteaa Shuo Kong, tutkimusartikkelin pääkirjoittaja.

Kansainvälistä tutkimusta johtivat Yalen yliopiston tähtitieteen professori Héctor G. Arce, ALMA-observatorion tutkija John Carpenter ja Caltechin tähtitieteen professori Anneila Sargent.

Francisco Müller-Sánchezin johdolla tutkitun galaksin keskustassa on normaalin yhden sijasta kaksi supermassiivista mustaa aukkoa. Ja ne ovat törmäämässä pikapuoliin toisiinsa.

Vinhaa vauhtia toisiaan kiertävät mustat aukot sinkoavat avaruuteen kaasua, joka on yhdessä tähdistä puhaltavan tuulen kanssa ajamassa alas galaksin tähtitehdasta: uusia tähtiä ei kohta enää synny.

"Kyseessä on ensimmäinen galaksi, jossa pystymme tarkastelemaan samaan aikaan kahden supermassiivisen mustan aukon aikaansaamaa tuulta ja tähtien synnystä seuraavaa heikosti ionisoituneen kaasun virtausta", Müller-Sánchez sanoo.

NGC 6240 edustaa melko harvinaista galaksien tyyppiä, sillä se on parhaillaan muotoutumassa kahdesta yhteensulautuneesta galaksista. Ilmiössä ei sinänsä ole mitään erikoista, sillä myös Linnunradan arvellaan aikoinaan syntyneen samalla tavalla.

Nyt tutkitun galaksin tekee merkittäväksi se, että prosessi on vielä kesken. Siten se tarjoaa oivan näkymän galaksien kehityksen tärkeään vaiheeseen.

Havainnot COSMOS J100054 -galaksista tehtiin Karl G. Jansky -radioteleskoopilla eli VLA:lla (Very Large Array). Jokin aika sitten mittavasti uudistetulla teleskoopilla voidaan tehdä havaintoja, jotka eivät aiemmin olleet mahdollisia.

"Havainnon myötä pystymme hahmottamaan, miten galaksit keräävät kaasua, muodostavat siitä tähtiä, ja menettävät sitä kehityksensä myötä", toteaa Ximena Fernandez Rutgersin yliopistosta. 

Hubble-avaruusteleskoopilla otettuun näkyvän valon kuvaan on yhdistetty radiohavaintojen perusteella määritetty atomaarisen vedyn jakauma (oranssinpunainen alue).

Galaksien kehitys on kuitenkin hyvin hidasta, joten sen tutkimiseksi on tarkasteltava eri-ikäisiä galakseja, jotka ovat kehityksensä eri vaiheissa. "Kun katsomme kauemmas, katsomme myös kauemmas ajassa taaksepäin, joten uusien havaintojen avulla saamme uutta tietoa galaksien kehityksestä", Fernandez lisää.

Samasta galaksista tehtiin havaintoja myös LMT-teleskoopilla (Large Millimetre Telescope) ja niiden perusteella siinä on hiilimonoksidia. Havainto on tärkeä, sillä tähtien synnyn kannalta molekyylimuodossa olevan kaasun esiintyminen on keskeistä.

COSMOS J100054 on havaintojen mukaan massiivinen sauvaspiraaligalaksi, joka on mahdollisesti vuorovaikutuksessa pienemmän naapurigalaksinsa kanssa. Radiohavaintojen perusteella siinä on vetyä lähes 100 miljardin Auringon massan verran. 

Tutkijat arvioivat, että galaksissa syntyy hieman alle sata tähteä vuodessa. Linnunradassa syntytahti on huomattavasti pienempi, vain noin kolme tähteä vuodessa.

"Pystyimme ensimmäisen kerran tekemään havaintoja sekä atomaarisen vedyn että hiilimonoksidin säteilystä näin kaukaisesta maailmankaikkeudesta", Hansung Gim Massachusettsin yliopistosta kertoo. "Nyt kun se on mahdollista, pystymme vähitellen täyttämään eri-ikäisten galaksien ominaisuuksia koskevan tietämyksemme aukkoja."

Tutkimuksesta kerrottiin NRAO:n uutissivuilla ja se julkaistaan Astrophysical Journal Letters -tiedelehdessä.

Kuva: Fernandez et al./Bill Saxton/NRAO/AUI/NSF/Koekemoer et al./Massey et al./NASA

Yhdeksän miljardia vuotta sitten tähtiä syntyi paljon tiuhempaan kuin nykyisin. Aiemmin oltiin siinä käsityksessä, että tähtien syntytahti riippuu suoraan galaksin massasta: mitä isompi galaksi, sitä vilkkaammin siinä syttyy uusia tähtiä.

Joissakin galakseissa tahti saattaa kuitenkin äkillisesti kiihtyä. Syynä voi olla galaksien törmäys, joka saa aikaa "tähtiryöpyn": kosmisessa aikaskaalassa kaasupilvistä tiivistyy kirkkaasti loistavia tähtiä moninkertaisella nopeudella normaaliin verrattuna.

Varhaisen maailmankaikkeuden tähtiryöppygalaksien kohdalla on ollut epäselvää, onko niissä tavallista enemmän jättimäisiä molekyylipilviä, joista tähtiä voi tiivistyä, vai pystyvätkö ne syystä tai toisesta muuntamaan kaasua tähdiksi tavallista tehokkaammin.

Tutkijat ovat nyt tehneet ALMA-radioteleskoopilla (Atacama Large Millimeter Array) havaintoja seitsemästä tähtiryöppygalaksista, jotka ovat lähes yhdeksän miljardin valovuoden etäisyydellä. Tutkimuksen kohteena oli galaksien hiilimonoksidi- eli häkäpilvien runsaus. Häkää esiintyy molekyylipilvissä, joista tiivistyy uusia tähtiä.

Massiivisten galaksijoukkojen keskellä on yleensä isokokoinen tähtijärjestelmä tai galaksikaksikko, joka hallitsee vetovoimallaan joukon muita jäseniä. Keskusgalaksien tähdet ovat useimmiten vanhoja punaisia jättiläisiä, koska niissä ei ole enää kaasua uusien tähtien rakennusmateriaaliksi.

Kansainvälinen tutkijaryhmä on löytänyt galaksijoukon SpARCS1049+56 sisuksista jättimäisen galaksin, jossa syntyy uusia tähtiä huimalla vauhdilla. Tarvittavan kaasun se on ryövännyt naapurigalaksiltaan.

"Uskomme joukon keskuksessa olevassa jättigalaksissa syntyvän kiivaaseen tahtiin uusia tähtiä, koska siihen sulautui pienempi galaksi", kertoo ryhmää johtanut Tracy Webb McGill-yliopistosta.

Galaksi löydettiin Spitzer-avaruusteleskoopin ja Havaijilla sijaitsevan CFH-kaukoputken (Canada-France-Hawaii Telescope) avulla, ja sitä on tutkittu myös Keck-teleskoopilla. Tuoreet havainnot Hubble-avaruusteleskoopilla tekivät mahdolliseksi galaksin aktiivisuuden tutkimisen.

SpARCS1049+56-galaksijoukko on noin 9,8 miljardin valovuoden etäisyydellä, joten nyt näkemämme säteily on lähtenyt matkaan, kun Auringon ja sitä kiertävien planeettojen syntyyn oli aikaa vielä melkein viisi miljardia vuotta. 

Joukkoon kuuluu ainakin 27 galaksia ja sen kokonaismassa on 400 triljoonaa kertaa suurempi kuin Auringon massa. Erikoiseksi joukon tekee sen kirkas keskusgalaksi, jossa syntyy vuosittain 800 uutta tähteä. Linnunradassa arvioidaan syttyvän ainoastaan kaksi uutta tähteä vuodessa. 

Galaksien törmäykset ja yhteensulautumiset eivät ole mitenkään poikkeuksellisia ilmiöitä galaksijoukoissa, päinvastoin. Tässä tapauksessa harvinaista on sulautumisen luonne. 

Niin sanotussa "kuivassa sulautumisessa" kahden galaksin tähdet sekoittuvat, mutta kaasua on niin vähän tai ei ollenkaan, että uusia tähtiä ei synny. Märässä sulautumisessa sen sijaan kaasupilvet törmäilevät toisiinsa ja alkavat tiivistyä, jolloin tuloksena on suuri määrä uusia tähtiä.

Tutkitun galaksijoukon keskuksessa on tapahtunut "märkä sulautuminen", mitä ei ole aiemmin havaittu kuin hyvin harvakseltaan ja silloinkin paljon läheisemmissä joukoissa. Näin kaukaisessa galaksijoukossa ei vastaavaa ole aiemmin nähty.  

Seuraavaksi tutkijoiden tavoitteena on selvittää, kuinka yleisiä tällaiset sulautumiset ylipäätään ovat, ja olivatko ne nuoressa maailmankaikkeudessa poikkeus vai sääntö.

Tutkimuksesta kerrottiin Hubble-avaruusteleskoopin uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/STScI/ESA/JPL-Caltech/McGill

Quentin Parkerin ja Albert Zijlstran johtama tähtitieteilijäryhmä on löytänyt lähimmän galaktisen kolaripaikan. Ainoastaan 30 miljoonan valovuoden etäisyydellä kaksi samankokoista ja -massaista galaksia on törmäämässä suoraan toisiinsa. Seuraavaksi lähin vastaava spektaakkeli on havaittu yli 200 miljoonan valovuoden etäisyydellä.

Galaksien tiedetään kasvattavan kokoaan törmäilemällä toisiinsa ja sulautumalla yhteen. Tutkijat antoivat muodostumassa olevalle uudelle galaksille nimeksi "Kathryn's Wheel", sillä se muistuttaa ilotulituksissa käytettyä tulipyörää – ja Ziljstran vaimo on nimeltään Kathryn.

Vasemmanpuoleisessa kuvassa on yhdistetty vedyn tietyllä aallonpituudella (H-alfa) lähettämä säteily sekä punaisessa ja sinisessä valossa otetut kuvat. Oikeanpuoleisessa kuvassa H-alfasta on vähennetty punaisen valon aallonpituudet, jolloin tähtien syntyalueet korostuvat.

Rengasmainen rakenne on syntynyt, kun galaksien törmäyksessä muodostunut paineaalto on puristanut tähtienvälistä kaasua kasaan ja käynnistänyt kiivaan tähtien syntyprosessin. Taivaalta on löytynyt lukuisia esimerkkejä kosmisista kolareista, mutta näin suora törmäys on harvinainen. Vastaavia tapauksia tunnetaan alle 20.

Vaikka kolaroiva kaksikko sijaitsee melko lähellä, sitä ei ole aiemmin löydetty, sillä se piileksii Alttarin tähdistössä Linnunradan tiheiden tähtipilvien takana. Lisäksi samassa suunnassa on kirkas tähti, jonka loiste on peittänyt sen taakseen.

Törmäyksessä syntyneen renkaan massa on yllättävän pieni, vain joitakin miljardeja kertoja Aurinkoa suurempi eli prosentin luokkaa Linnunradan massasta. Se viittaa renkaiden syntyyn paljon pienempien galaksien törmäyksissä kuin aiemmin on arveltu.

Koska pienet galaksit ovat paljon runsaslukuisampia kuin suuret, rengasmuodostelmat saattavat olla kymmenen kertaa oletettua yleisempiä. Uuden löydön tehneet tähtitieteilijät aikovatkin tehdä lisähavaintoja suurilla teleskoopeilla, jotta törmäyksen ja sen seurausten yksityiskohdista saadaan tarkempaa tietoa.

Kolarista kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä. 

Kuvat: Ivan Bojicic / the scientific team

Vuonna 2000 käynnistynyt Sloan Digital Sky Survey (SDSS) on tutkimusprojekti, jossa kartoitetaan tarkasti taivaankohteita ja niiden ominaisuuksia. Tuoreimmat tulokset paljastavat yllättävän ilmiön.

Tutkijat mittasivat Apache Point -observatorion APOGEE-spektrografilla (Apache Point Observatory Galactic Evolution Explorer) tähtien spektrejä. He tekivät neljän vuoden aikana havaintoja 100 000 tähdestä. Se on vain pieni osa koko Linnunradan noin 200 miljardista tähdestä, mutta silti riittävän kattava otos johtopäätösten tekemiseksi.

Tähtien spektrin avulla pystytään selvittämään niiden kemiallinen koostumus. Se puolestaan kertoo, missä päin Linnunrataa ne ovat vuosimiljoonia tai -miljardeja sitten syntyneet.

Fuusioreaktioissa, jotka tuottavat tähtien sisuksissa niiden säteilemän energian, syntyy vedystä ja heliumista raskaampia aineita. Tähtien kuollessa aineet leviävät avaruuteen seuraavan tähtisukupolven rakennusmateriaaliksi.

Eri osissa Linnunrataa tähtien syntytahti vaihtelee, joten myös raskaita alkuaineita rikastuu tähtienväliseen aineeseen eri tahtiin. Tutkimalla tähtien alkuainekoostumusta voidaan siten päätellä niiden synnyinseudut. 

Michael Hayden tarkasteli kollegoineen 15 eri alkuaineen, esimerkiksi hiilen, piin ja raudan, runsauksia eri puolilla Linnunrataa olevissa tähdissä. Heidän yllätyksekseen merkittävä osa, liki kolmannes, tähdistä osoittautui olevan nykyisin aivan muualla kuin synnyinseuduillaan. 

"Nykyään monet ihmiset muuttavat kauas synnyinseuduiltaan, toisinaan toiselle puolelle maapalloa", toteaa tutkijaryhmää johtanut Hayden. "Nyt näyttää siltä, että sama pätee myös Linnunradan tähtiin: noin 30 prosenttia kotigalaksimme tähdistä on vaeltanut kauas kiertoradalta, jolla ne aikoinaan syntyivät."

"Linnunradan laitamilla tähdissä on keskimäärin vähemmän raskaita alkuaineita, mutta osalla niistä runsaudet vastaavat galaksin sisäosien tähtiä", lisää tutkijaryhmään kuulunut Jo Bovy.

Havainnoille löytyy selitys tähtien vaelluksesta. Aikaa myöten osa tähdistä siirtyy Linnunradan kiekossa ulommas tai sisemmäs. Jo aiemmin vastaava ilmiö on havaittu Auringon lähitähdillä, mutta nyt sama näyttää pätevän kaikkialla Linnunradassa. 

Syyksi tähän tähtien kansainvaellukseen arvellaan Linnunradan kiekon epäsäännöllisyyksiä, erityisesti spiraalihaaroja, jotka ovat kotigalaksillemme luonteenomainen piirre.

Tutkimuksesta kerrottiin SDSS:n uutissivuilla ja se julkaistiin The Astrophysical Journal -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Dana Berry/SkyWorks Digital, Inc./SDSS collaboration. Kuvassa on mittayksikkönä "KPC" eli kiloparsek. Yksi parsek on 3,2616 valovuotta, joten yksi kiloparsek on 3 261,6 valovuotta.

Aurinko on keskivertotähti, jonka pintalämpötila on noin 5 500 celsiusastetta. Siniset jättiläistähdet leimuavat yli 10 000 asteen lämpötilassa, mutta sekään ei ole vielä mitään verrattuna tiheiden tähtijoukkojen keskustoissa loistaviin kaasupalloihin.

Vaikka näillä oudoilla sinisillä tähdillä on massaa vain puolet Auringon massasta, ne ovat kymmenen kertaa kuumempia: pintalämpötila on siis liki 60 000 astetta.

Tähän saakka on ollut arvoitus, miten niin pienimassaiset tähdet voivat olla niin kuumia ja kirkkaita. Kansainvälinen tutkijaryhmä on nyt selvittänyt syyn kummaan käytökseen.

Tähdet ovat kehittyneet tavallisuudesta poikkeavalla tavalla nopean pyörimisen seurauksena. Vinha pyörimisliike puolestaan johtuu tähtien syntyvaiheiden mullistuksista.

Naapurigalaksissamme kuhisee. Kansainvälinen tutkijaryhmä on löytänyt NGC 5253 -luettelonimellä tunnetusta galaksista massiivisen kaasu- ja pölypilven, jonka uumenissa on muodostumassa yli miljoonan tähden joukko.

NGC 5253 on Kentaurin tähdistön suunnassa noin 11 miljoonan valovuoden etäisyydellä sijaitseva kääpiögalaksi. Nyt havaitussa ultranuoressa tähtijoukossa on noin 7 000 kaikkein kirkkaimpaan O-spektriluokkaan kuuluvaa tähteä, joista kukin on miljoona kertaa Aurinkoa valovoimaisempi. Silti niitä on miltei mahdoton nähdä. 

Joukon sisuksiinsa kätkevässä "D"-pilvessä on runsaasti pölyä, joka on peräisin nuorista, kuumista tähdistä. Pöly peittää tähdet näkyvistä, mutta tutkijat pääsivät kurkistamaan pilven sisään Chilessä sijaitsevalla ALMA-radioteleskoopilla (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), joka toimii alimillimetrialueella (pikkukuva). 

Tähtijoukkojen synnyssä ei ole mitään poikkeuksellista ja nyt tutkitussa galaksissakin on satoja eri-ikäisiä tähtiryppäitä. Erikoista on se, että tässä tapauksessa kyse on pallomaisesta tähtijoukosta. 

Esimerkiksi Linnunradassa sellaisia ei ole muodostunut kymmeneen miljardiin vuoteen, mutta NGC 5253:n joukolla on ikää vain noin kolme miljoonaa vuotta. Tutkijat arvioivat, että syntyprosessi on saanut alkunsa, kun galaksi ohitti lähietäisyydeltä kookkaamman M83-galaksin. 

Kääpiögalaksi NGC 5253 poikkeaa muutenkin Linnunradasta. Omassa kotigalaksissamme suurten kaasu- ja pölykasaumien massasta alle viisi prosenttia päätyy tähdiksi, mutta D-pilvessä prosenttiluku on vähintään 50. Yli puolet pilvestä tiivistyy massiivisiksi tähdiksi. 

Sen lisäksi pilvessä on hyvin paljon, noin 15 000 Auringon massan verran pölyä. Myös pimeän aineen määrä on suuri, arviolta yhdeksänkertainen tavallisen aineen määrään verrattuna. Linnunradassa pimeää ainetta on paljon vähemmän.

Kun nuoren joukon massiiviset tähdet alkavat räjähdellä supernovina vain joidenkin miljoonien tai kymmenien miljoonien vuosien sisällä, kaasu- ja pölypilvi hajoaa ja tähtien sisuksissa syntyneet raskaammat alkuaineet leviävät avaruuteen seuraavien tähtisukupolvien rakennusmateriaaliksi. 

Oudosta tähtijoukosta kerrottiin Tel Avivin yliopiston uutissivuilla ja sitä koskeva tutkimus on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/ESA/Hubble/J. L. Turner et al.