galaksijoukko

Niin sanotuissa "markettikaukoputkissa" lupaillaan jopa 1000-kertaisia suurennuksia, mutta käytännössä moisista lukemista ei ole mitään iloa. Näkökenttä menee tuhruksi jo paljon pienemmilläkin kertoimilla.

Suurennus ei edes ole kaukoputken keskeisin ominaisuus, vaan kyky kerätä mahdollisimman paljon valoa. Esimerkiksi Euroopan eteläinen observatorio ei parhaillaan rakenna Andeille Extremely Large Telescope -jättiläiskaukoputkea, jotta tähtitieteilijät saisivat käyttöönsä entistä isompia suurennuksia.

Syynä on se, että 39-metrinen mosaiikkipeili kerää valoa yli 250 kertaa enemmän kuin esimerkiksi Hubble-avaruusteleskoopin 2,4-metrinen pääpeili.

Höveliäisyydessään luonto on järjestänyt tutkijoille myös ”luomuteleskooppeja”, joilla pystytään tekemään havaintoja maailmankaikkeuden kaukaisimmista kohteista.

Suurten galaksijoukkojen vetovoima taivuttaa kauempana olevien kohteiden valoa, ja sopivissa olosuhteissa etäiset galaksit ja kvasaarit näkyvät monin verroin todellista suurempina ja kirkkaampina.

Albert Einsteinin ennustama ilmiö onnistuttiin näkemään ensimmäisen kerran 99 vuotta sitten, kun täydellisen auringonpimennyksen aikana otetuissa kuvissa Auringon lähellä erottuvat tähdet näyttivät hieman siirtyneen.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Refsdalista kerrottiin Hubblen uutissivuilla. 

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

Sata vuotta sitten Albert Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteoriansa, joka on kiistatta yksi 1900-luvun merkittävimmistä tieteellisistä saavutuksista.

Yksi teorian lukuisista ennusteista oli, että massiivinen kappale vääristää aika-avaruutta ja saa läheltä kulkevan valonsäteen muuttamaan hieman suuntaansa. 

Toukokuussa 1919 sattuneen täydellisen auringonpimennyksen aikana otettuja kuvia verrattiin samasta kohdasta otettuihin tähtikuviin ja kas: tähtien paikat näyttivät tosiaan siirtyneen Einsteinin ennustamalla tavalla.

Ilmiö on sitä voimakkaampi, mitä suurempi massa on kyseessä. Galaksit ja kokonaiset galaksijoukot saavat niiden lähettyviltä kulkevat valonsäteet taipumaan niin, että kauempana olevat kohteet vääristyvät kummallisiksi kuvajaisiksi.

Yksi hassuimmista on SDSS J103842.59+484917.7 noin 4,6 miljardin valovuoden etäisyydellä Ison karhun tähdistössä. Kun yhdistetään Hubble-avaruusteleskoopilla tehdyt näkyvän valon ja Chandra-avaruusteleskoopin röntgenalueen havainnot, saadaan näkyviin ilmiselvä Irvikissa, Liisan seikkailut ihmemaassa -klassikon ajoittain katoavainen kissa, josta toisinaan näkyy vain leveä hymy.

Kirja ilmestymisestä on kulunut nyt 150 vuotta, joten se kytkeytyy kosmisen kissahahmon kautta osuvasti Einsteinin juhlavuoteen. Liisan seikkailuista kirjoitti Lewis Carroll, joka oli oikealta nimeltään Charles Dodgson ja sattumoisin matemaatikko.

Galaksijoukon kaksi jättiläisgalaksia muodostavat kissan silmät ja kolmas galaksi kirsun. Galaksien ympärillä oleva tavallinen ja pimeä aine saavat aikaan gravitaatiolinssin, joka vääristää neljä etäämpänä olevaa galaksia sopivasti sijoittuneiksi kaariksi. 

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