Alkuräjähdyksen jäljiltä maailmankaikkeus oli niin kuuma ja tiheä, että kaikki aine oli ionisoitunutta – toisin sanoen elektronit olivat ytimien ympäriltä karkuteillä. 

Kuitenkin jo 380 000 vuoden kuluttua lämpötila oli laskenut niin paljon, että atomien ytimet ja elektronit löivät hynttyyt yhteen. Alati laajeneva maailmankaikkeus muuttui läpinäkyväksi, säteily pääsi kulkemaan esteettä ja aine saattoi kasautua vety- ja heliumpilviksi.

Valtavista kaasupilvistä muodostuivat ensimmäiset ja tähdet ja galaksit – kunnes noin miljardi vuotta myöhemmin maailmankaikkeus kuumeni uudelleen.

Ylivoimaisesti yleisin alkuaine vety ionisoitui uudelleen, mutta tähän saakka syytä siihen ei ole tiedetty. Tai ainakin siitä on käyty kovaa kiistaa.

Nyt näyttäisi siltä, että syypäitä tähän kuumentumiseen olivat nuoret kääpiögalaksit. 

Galaksit ovat olleet aiemminkin epäiltyjen listalla, mutta kansainvälinen tutkijaryhmä on tehnyt Hubble-avaruusteleskoopilla ultraviolettihavaintoja, jotka vahvistavat arvelun. 

Tutkimuksen kohteena oli suhteellisen läheinen, hyvin tiivis kääpiögalaksi. Sen todettiin lähettävän voimakkaasti ionisoivaa säteilyä, juuri sellaista, joka voisi olla vastuussa maailmankaikkeuden alkuaikojen ionisaatiosta.

"Galaksi vaikuttaa erinomaiselta paikalliselta vastineelta lukuisille kääpiögalakseille, joiden on arveltu aiheuttaneen varhaisen maailmankaikkeuden ionisoitumisen uudelleen", toteaa tutkijaryhmää johtanut Trinh Thuan Virginian yliopistosta.

Teorian ongelmana on ollut se, että galaksien lähettämän ionisoivan säteilyn pitää päästä etenemään galaksienväliseen avaruuteen: yleensä sen matka päättyy jo galaksien omiin kaasu- ja pölypilviin. Aiemmin ei ole onnistuttu havaitsemaan galaksia, joka lähettäisi riittävästi ultraviolettisäteilyä riittävän kauas avaruuteen.

Tuoreen tutkimuksen kohteiksi valittiin "vihreiksi herneiksi" kutsuttuja pienikokoisia, pyöreitä, hyvin tiiviitä ja näkyvän valon alueella vihreinä näkyviä galakseja. Niissä tapahtuu voimakkaita supernovaräjähdyksiä, joissa vapautuvat ionisoivat fotonit pääsevät galaksienväliseen avaruuteen saakka. Tai näin oletettu. Ja ihan syystä.

Sloan Digital Sky Survey -kartoituksen tietokannasta löytyi peräti 5 000 galaksia, jotka ovat hyvin tiiviitä ja säteilevät hyvin voimakkaasti ultraviolettialueella. Niistä viisi valittiin Hubble-avaruusteleskoopilla tehtävien havaintojen kohteiksi.

Yksi niistä, kuvassa näkyvä J0925+1403, on noin kolmen miljardin valovuoden etäisyydellä. Vain noin 6 000 valovuoden läpimittaisen galaksin todettiin lähettävän ionisoivia fotoneita voimakkaammin kuin koskaan aiemmin on havaittu.

"Hubblella tehtävien lisähavaintojen avulla odotamme ymmärtävämme paremmin, miten fotonit sinkoutuvat tällaisista galakseista, ja millaiset galaksit saivat aikaan kosmisen ionisoitumisen", sanoo Trinh.

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert-uutissivustolla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA

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)

Lähes kahdentuhannen tunnetun eksoplaneetan joukossa on liuta "kuumia jupitereita". Ne ovat jättimäisiä kaasuplaneettoja, jotka kiertävät tähteään niin lähellä, että niiden pintalämpötila on vähintään satoja asteita.

Pieni etäisyys tähdestä tekee näistä eksoista hankalasti havaittavia, joten vain muutamaa on pystytty tutkimaan tarkemmin. Yhteistä monille maailmoille on, että niiden kaasukehässä näyttää olevan vettä paljon vähemmän kuin teoreettisten mallien perusteella voisi olettaa.

Hubble- ja Spitzer-avaruusteleskoopeilla on nyt tehty kymmenestä Jupiterin kokoluokkaa olevasta eksoplaneetasta havaintoja, jotka kertovat, mihin vesi on kadonnut: ei mihinkään.

Kaikki tutkitut eksot vaeltavat tähtensä editse, jolloin ylikulun aikana osa tähden valosta kulkee planeetan kaasukehän läpi. 

"Kaasukehä jättää ainutlaatuisen sormenjäljen tähden valoon, joka saapuu havaintolaitteisiimme", toteaa Hannah Wakeford NASAn Goddardin avaruuslentokeskuksesta.

Yhdistämällä Hubblella ja Spitzerillä tehdyt havainnot tutkijat pystyivät kokoamaan kustakin planeetasta spektrin, joka ulottuu näkyvästä valosta infrapuna-alueelle. Kun eri aallonpituusalueilla mitattuja planeetan läpimitan arvoja verrattiin toisiinsa, saatiin selville, onko kaasukehä pilvinen vai pilvetön.

Pilvien peittämä planeetta näyttää optisella alueella suuremmalta kuin infrapuna-aallonpituuksilla, jotka pääsevät syvemmälle kaasukehään. Näin saatiin määritettyä pilvisen tai utuisen kaasukehän ja vähäisen veden mahdollinen yhteys.

"On todella jännittävää saada lopultakin tietoa näin laajasta planeettojen joukosta, sillä nyt meillä on riittävästi havaintoja eri aallonpituusalueilla, jotta voimme vertailla planeettojen erilaisia ominaisuuksia toisiinsa", sanoo David Sing Exeterin yliopistosta.

"Tulostemme mukaan vesi yksinkertaisesti piileskelee pilvien alla, joten kuivia ja kuumia jupitereita ei olekaan", selittää Jonathan Fortney Kalifornian yliopistosta Santa Cruzista.

"Vaihtoehtoinen selitys on, että planeetat muodostuvat vähävetisissä ympäristöissä, mutta se edellyttäisi kokonaan uusia teorioita planeettojen synnystä."

Tutkimuksesta kerrottiin Hubblen uutissivuilla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/ESA (taiteilijan näkemys tutkituista maailmoista)

Saksalais-amerikkalainen tähtitieteilijä Rudolph Minkowski löysi vuonna 1947 Käärmeenkantajan tähdistöstä planetaarisen sumun, joka sai luettelonimekseen PN M2-9. Tylsän tunnuksen lisäksi sitä kutsutaan Tuplasuihkusumuksi, jonka alkuperä on kuvasta katsottuna ilmeinen. Etäisyyttä sumulla on noin 4 000 valovuotta.

Planetaarisen sumun keskellä on yleensä elämänsä päätepisteessä oleva tähti, joka on viimeisenä voimanponnistuksenaan sylkäissyt uloimmat kerroksensa avaruuteen laajenevaksi kaasukuoreksi. 

Tuplasuihkusumu on niin sanottu bipolaarinen eli kaksinapainen sumu. Sen sijaan, että planetaarinen sumu leviäisi joka suuntaan, kaasu muodostaa tässä tapauksessa kaksi vastakkaisiin suuntiin puhaltuvaa suihkua, joiden ympärillä on kaasukuplat. Suihkujen virtausnopeus on yli miljoona kilometriä tunnissa.

Sumua ei tee erikoiseksi pelkästään sen poikkeuksellinen muoto. Lisäksi sen keskellä on yhden sijasta kaksi tähteä. Ne ovat massaltaan samaa luokkaa kuin Aurinko, toinen hieman pienempi ja toinen aavistuksen suurempi. Tähdet kiertävät toisensa kerran sadassa vuodessa. 

Toinen tähdistä on vastikään puhaltanut ulkokerroksensa taivaan tuuliin, toinen on ehtinyt muuttua jo valkoiseksi kääpiöksi, suunnilleen auringonmassaisen tähden elinkaaren päätepisteeksi. Tähtien ympärille on kertynyt ainekiekko, jonka läpimitta on noin 30 kertaa suurempi kuin Pluton kiertoradan halkaisija Aurinkokunnassa. Kiekkoa ei kuitenkaan erotu edes Hubblen huipputarkassa kuvassa.

Tuplasuihkusumun muoto johtuu siitä, että valkoinen kääpiö sinkoaa vetovoimallaan kumppanistaan puhaltuneen kaasun kahteen vastakkaiseen suuntaan. Kaasun nopeudesta on voitu päätellä, että sumu on syntynyt vain noin 1 200 vuotta sitten. Vaikka selitys pätee tähän kohteeseen, tutkijat eivät ole varmoja, onko kaikkien bipolaaristen sumujen keskellä kaksoistähtijärjestelmä.

Kuva on julkaistu Hubblen uutissivuilla.

Kuva: ESA/Hubble & NASA/Judy Schmidt

Galaksien kehitykseen vaikuttavat sekä sisäiset että ulkoiset tekijät. Tähtien syntytahti riippuu kaasun ja pölyn määrästä, galaksin rakenne puolestaan usein vuorovaikutuksesta naapurigalaksien kanssa. Galaksin kehitys voi kuitenkin pysähtyä – ainakin uusien tähtien synnyn osalta – käytännössä kokonaan, jos kosminen puhuri vie kaasun ja pölyn mennessään.

Prosessi on tutkijoille jo ennestään tuttu, mutta nyt Hubble-avaruusteleskoopilla on saatu tarkka kuva siitä, miten kosminen tuuli vaikuttaa tähtienväliseen aineeseen. Yksityiskohtainen otos 300 miljoonan valovuoden etäisyydellä sijaitsevan Coman galaksijoukon spiraaligalaksista NGC 4921 paljastaa, mitä tähtienvälisessä avaruudessa tapahtuu.

Jos tarkkoja ollaan, kyseessä ei ole tuuli siinä mielessä kuin sen arkikielessä ymmärrämme, vaan ”törmäyspaineesta”, joka syntyy galaksin liikkuessa galaksienvälisessä kaasussa. Vaikutus on kuitenkin samanlainen kuin tilanteessa, jossa voimakas tuuli puhaltaa suoraan menosuunnasta.

"Galaksin 'etureunassa' kaasu ja pöly ovat kasautuneet pitkäksi harjanteeksi, eräänlaiseksi pölyrintamaksi. Siinä erottuu kuitenkin myös pienen mittakaavan rakennetta", Jeffrey Kenney Yalen yliopistosta selittää. "Pölyrintamasta pistää esiin kielekkeitä, joiden arvelemme syntyneen, kun tiheät kaasupilvet ovat erottuneet harvemmasta aineesta."

Kosminen tuuli riepottelee harvaa kaasua mielensä mukaan, mutta tiheiden pilvien kohdalla tilanne on toinen. Kaasun tihentymät alkavat erottua, kun tuuli vie harvan aineen mennessään. Erottuminen ei kuitenkaan ole täydellistä, sillä magneettikentät pitävät tiheän ja harvan kaasun osittain sidoksissa toisiinsa.

"Siksi pölykielekkeet muistuttavat Hubble-avaruusteleskoopin kuvissa venyvää toffeeta. Pääsemme näkemään pilvien erottumisprosessin ensimmäistä kertaa yksityiskohtaisesti", Kenney toteaa.

Kuten Linnunradan käsikirja liftareille toteaa, avaruus on iso, tosi iso. Ja ilmeisesti myös tyhjempi kuin tähän asti on luultu. Galakseja saattaa olla vain sadasosa aiemmin arvioidusta.

Hubble-avaruusteleskoopin "syvien" eli hyvin kaukaiseen maailmankaikkeuteen yltävien otosten perusteella on laskeskeltu kaukaisten galaksien lukumääriä, mutta tulokset saattavat olla pahasti pielessä. 

"Tutkimuksemme viittaa siihen, että himmeitä galakseja on selvästi vähemmän kuin olemme uskoneet", toteaa Brian O’Shea, Michiganin valtionyliopiston fysiikan ja tähtitieteen professori.

"Aikaisempien arvioiden mukaan himmeiden galaksien lukumäärä varhaisessa maailmankaikkeudessa olisi ollut satoja tai tuhansia kertoja suurempi kuin Hubble-avaruusteleskoopilla havaittujen kirkkaiden galaksien määrä. Nyt näyttää siltä, että kerroin on vain luokkaa kymmenen."

O’Shean johtama tutkijaryhmä mallinsi galaksien syntyä nuoressa maailmankaikkeudessa Blue Waters -supertietokoneella. Simulaatiossa oli mukana tuhansia galakseja sekä niiden väliset gravitaatio- ja säteilyvuorovaikutukset.

Mallinnus tuotti kirkkaita galakseja jokseenkin havaitun määrän, mutta himmeämpien ja siksi havaitsemattomien tähtijärjestelmien kohdalla tulokset poikkesivat selkeästi aikaisemmista laskelmista. Niiden määrä ei kasvanutkaan eksponentiaalisesti kirkkauden pienentyessä vaan pysyi suunnilleen vakiona. 

Simulaatioita päästään vertaamaan havaintoihin muutaman vuoden kuluttua, kun Webb-avaruusteleskooppi saadaan avaruuteen vuonna 2018. Sillä voidaan tutkia paljon himmeämpiä kohteita kuin Hubblella.

Webbin näkökenttä on kuitenkin suhteellisen pieni, joten havaintoja tulkittaessa on otettava huomioon, että tilastollisesti galaksien määrä vaihtelee maailmankaikkeuden kolkasta toiseen. Se tekee O’Shean ryhmän tekemistä ja muista vastaavista mallinnuksista yhä tärkeämpiä.

"Tarvitsemme entistä syvällisempää teoreettista ymmärrystä, jotta voimme tulkita oikein näkemämme", O’Shea arvioi.

Uudesta tutkimuksesta kerrottiin Michiganin valtionyliopiston uutissivuilla ja se julkaistiin Astrophysical Journal Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/CXC/STSci/DSS/Magellan

Maailmankaikkeuden kirkkaimpia ja kaukaisimpia kohteita ovat kvasaarit. 1960-luvun alussa tunnistetut "tähdenkaltaiset kohteet" olivat aluksi arvoitus, mutta sittemmin on selvinnyt, että ne ovat varhaisissa kehitysvaiheissaan olevia galakseja.

Tähtijärjestelmän keskustassa lymyävään supermassiiviseen mustaan aukkoon syöksyvä aine kuumenee ja säteilee voimakkaasti eri aallonpituusalueilla. Usein syntyy myös mustan aukon pyörimisakselin suuntainen suihku, jossa ainetta sinkoutuu vastakkaisiin suuntiin lähes valon nopeudella.

Kvasaarien synnystä on kuitenkin ollut vain olettamuksia, mutta nyt tutkijat alkavat olla vankasti jäljillä. "Hubblen kuvat osoittavat, että maailmankaikkeuden kirkkaimmat kvasaarit ovat syntyneet galaksienvälisissä törmäyksissä. Niiden seurauksena mustat aukot kasvattavat kokoaan ja galaksien rakenne muuttuu", toteaa C. Megan Urry Yalen yliopistostoa.

Törmäyksissä mustat aukot saavat runsaasti lisää "syötävää" ja galaksien aktiivisuus voimistuu. Parhaimmillaan kvaraarin säteily voi kasvaa yhtä voimakkaaksi kuin satojen miljardien tähtien yhteenlaskettu kirkkaus. 

Avaruusteleskoopilla tarkasteltiin erityisesti infrapuna-alueella voimakkaasti säteileviä kvasaareja. Niitä ympäröivissä galakseissa on runsaasti pölyä, joka on kuitenkin puhaltumassa avaruuteen kvasaarien aktiivisuuden myötä.

"Hubblella tehtyjen havaintojen mukaan varhaisessa maailmankaikkeudessa kvasaarien kirkkaus oli seurausta galaksien sulautumisesta yhteen", vahvistaa Eilat Glikman Middlebury Collegesta. "Tarkastelemme kvasaareja niiden teini-iässä, jolloin ne kasvavat nopeasti ja ovat ihan sekaisin."

Havainnoista kerrottiin Yalen yliopiston uutissivuilla ja Astrophysical Journalissa julkaistu tutkimusartikkeli on luettavissa preprint-versiona.

Kuva: Michael S. Helfenbein