Tuore tutkimus antaa uutta tietoa mustan aukon vaikutuksesta tuhoutuvan tähden kirkkaasta säteilystä. Säteily ei välttämättä saa alkuaan mustan aukon läheisyydessä, vaan se voi muodostua iskuaalloissa, joita syntyy, kun mustaa aukkoa kiertävän tuhoutuneen tähden kaasu törmää itseensä.
Maailmankaikkeus on äärimmäisen väkivaltainen paikka, jossa tähdet voivat tuhoutua varsin yllättäen. Tähden elämä on uhattuna varsinkin silloin, jos se joutuu "huonoon naapurustoon”, eli lähelle supermassiivista mustaa aukkoa.
Galaksien keskustassa sijaitsevat supermassiiviset mustat aukot ovat nimensä mukaisesti miljoonia tai jopa miljardeja kertoja Aurinkoa raskaampia. Kun tähti lähestyy mustaa aukkoa, se kokee painovoimakentän aiheuttaman jatkuvasti voimistuvan vetovoiman, kunnes se ylittää tähteä koossapitävät sidosvoimat. Tämä johtaa tähden hajoamiseen tai tuhoutumiseen, joka tunnetaan tutkijoiden keskuudessa nimellä TDE-tapahtuma (Tidal Disruption Event).
– TDE-tapahtuman seurauksena hajonneen tähden kaasu muodostaa kertymäkiekon mustan aukon ympärille. Kertymäkiekosta syntyvää kirkasta säteilyä voidaan havaita lähes kaikilla aallonpituusalueilla, erityisesti näkyvää valoa havainnoivilla kaukoputkilla ja röntgensäteilyä havainnoivilla satelliiteilla, kertoo Turun yliopiston ja Suomen ESO-keskuksen tutkijatohtori Yannis Liodakis.
Vielä hiljattain tutkijoiden tiedossa oli vain muutamia TDE-tapahtumia, mutta uusien havainto-ohjelmien ansiosta niitä on pystytty havaitsemaan merkittävästi enemmän. Tämä on kuitenkin johtanut uusiin mysteereihin, joihin tutkijat pyrkivät nyt löytämään vastauksia.
– Viime vuosina koko taivaan kattavat havainto-ohjelmat ovat osoittaneet, että suurin osa TDE-tapahtumista ei tuota röntgensäteilyä, vaikka niiden näkyvän valon purkaukset ovat selkeästi havaittavissa. Tämä havainto on ristiriidassa nykyisen ymmärryksemme kanssa tuhoutuneen tähtiaineen kehityksestä TDE-tapahtumissa, Liodakis toteaa.
Suomessa sijaitsevan Euroopan eteläisen observatorion (ESO) kanssa yhteistyössä toimivan Suomen ESO-keskuksen kansainvälisten tähtitieteilijöiden ryhmä ehdottaa Science-lehdessä julkaisemassa tutkimuksessaan, että TDE-tapahtumista tuleva polarisoitunut valo saattaa ratkaista tämän mysteerin.
Sen sijaan, että mustan aukon ympärille muodostuisi röntgensäteilyä säteilevä kertymäkiekko, monissa TDE-tapahtumissa havaittu näkyvän valon säteilypurkaus voi olla seurausta tuhoutuneen tähden plasmassa syntyvistä iskuaalloista. Nämä iskuaallot muodostuvat kaukana mustasta aukosta, kun tuhotun tähden kaasu osuu itseensä sen kiertäessä mustan aukon ympäri. Röntgensäteilyä säteilevä kertymäkiekko syntyisi tässä tapahtumasarjassa vasta paljon myöhemmin.
– Valon polarisaation mittaus voi tarjota ainutlaatuisen näkymän astrofysikaalisiin järjestelmiin. Mittasimme TDE-tapahtumasta polarisoitunutta valoa, jonka ominaisuudet voitiin selittää vain, jos oletamme näiden iskuaaltojen syntymisen, sanoo Liodakis, joka on tutkimuksen pääkirjoittaja.
TDE-tapahtumassa tähti joutuu lähelle supermassiivista musta aukkoa, jonka painovoiman vaikutuksesta tähti vääntyy (kuva 1), kunnes se tuhoutuu. Hajonneen tähden kaasu muodostaa ellipsinmuotoisen kierteen mustan aukon ympärille (kuva 2). Kaasuvirta muodostaa iskuaaltoja sekä lähellä että kauempana mustaa aukkoa kohdassa, jossa kaasu törmää itseensä (kuva 3). Iskuaallot säteilevät kirkkaasti näkyvän valon ja ultraviolettivalon aallonpituuksilla ja niiden valo on polarisoitunutta. Ajan kuluessa hajonneen tähden kaasu muodostaa kertymäkiekon mustan aukon ympärille (kuva 4), josta se hiljalleen putoaa mustan aukon syövereihin. Piirroskuvan mittakaava ei ole oikea. (Kuva: Jenni Jormanainen)
Polarisoitunut valo auttoi tutkijoita ymmärtämään tähtien tuhoutumista
Tutkijaryhmä sai alkujaan hälytyksen Gaia-satelliitilta läheisen galaksin ytimessä tapahtuvasta purkauksesta, jota kutsuttiin nimellä AT 2020mot. Hälytyksen jälkeen tutkijaryhmä havaitsi kohdetta useammalla kaukoputkella, mukaan lukien Turun yliopiston omistama NOT-kaukoputki (Nordic Optical Telescope). NOT-kaukoputkella tehdyt näkyvän valon polarisaatio- ja spektrimittaukset olivat erityisen tärkeä osa tutkimusta. Polarisaatiohavaintoihin osallistuivat myös Avaruuspuisto Väisälässä pidettävän havaitsevan tähtitieteen kurssin lukiolaiset.
– NOT-kaukoputki ja käyttämämme polarimetri ovat olleet avainasemassa pyrkimyksissämme ymmärtää supermassiivisia mustia aukkoja ja niiden ympäristöjä, kertoo Turun yliopiston ja Suomen ESO-keskuksen väitöskirjatutkija Jenni Jormanainen, joka johti polarisaatiohavaintoja ja analyysiä NOT-kaukoputkella.
Tutkijat havaitsivat, että AT 2020mot:sta tuleva näkyvä valo oli voimakkaasti polarisoitunutta ja vaihteli ajan myötä. Useista yrityksistä huolimatta AT 2020mot:sta ei havaittu radio- tai röntgensäteilyä ennen purkausta, sen aikana tai kuukausia sen jälkeen, mikä olisi merkinnyt kertymäkiekon tai relativistisen hiukkassuihkun syntymistä mustan aukon ympärille.
– Kun näimme, kuinka polarisoituneita näkyvän valon havainnot olivat, ajattelimme heti niiden tulevan lähellä valonnopeutta liikkuvista hiukkassuihkuista, jotka sinkoutuvat mustasta aukosta samaan tapaan kuin usein havaitsemillamme aktiivisilla galaksien ytimillä. Tässä tapauksessa hiukkassuihkuja ei kuitenkaan löytynyt, toteaa Turun yliopiston ja Suomen ESO-keskuksen akatemiatutkija Elina Lindfors.
Sitä vastoin tutkijaryhmä huomasi, että havainnot vastasivat parhaiten tilannetta, jossa tuhoutuneen tähden kaasu törmää itseensä ja muodostaa iskuaaltoja. Iskuaallot voimistavat ja järjestävät plasman magneettikenttää, mikä johtaa säteilyn voimakkaaseen polarisoitumiseen. Näkyvän valon polarisaation aste oli liian korkea selitettäväksi useimmilla malleilla, ja se, että se muuttui ajan myötä, teki siitä vieläkin vaikeampaa.
– Ainoastaan iskuaallot saattoivat selittää havaintomme, sanoo Karri Koljonen, joka oli havaintohetkellä Suomen ESO-keskuksen tutkijatohtori, mutta toimii nykyisin tutkijana Norjan tiede- ja teknologiayliopistossa (NTNU).
Tutkimusryhmä jatkaa parhaillaan polarisoituneen valon havainnointia TDE-tapahtumista etsien lisää tietoa siitä, mitä tapahtuu, kun tähdet tuhoutuvat.
Kuva medialle
Median edustajat voivat vapaasti hyödyntää oheista kuvaa aiheeseen liittyvässä uutisoinnissaan.
Kuvateksti: TDE-tapahtumassa tähti joutuu lähelle supermassiivista musta aukkoa, jonka painovoiman vaikutuksesta tähti vääntyy (kuva 1), kunnes se tuhoutuu. Hajonneen tähden kaasu muodostaa ellipsinmuotoisen kierteen mustan aukon ympärille (kuva 2). Kaasuvirta muodostaa iskuaaltoja sekä lähellä että kauempana mustaa aukkoa kohdassa, jossa kaasu törmää itseensä (kuva 3). Iskuaallot säteilevät kirkkaasti näkyvän valon ja ultraviolettivalon aallonpituuksilla ja niiden valo on polarisoitunutta. Ajan kuluessa hajonneen tähden kaasu muodostaa kertymäkiekon mustan aukon ympärille (kuva 4), josta se hiljalleen putoaa mustan aukon syövereihin. Piirroskuvan mittakaava ei ole oikea. (Kuva: Jenni Jormanainen)
Lisätietoja
Yannis Liodakis, +306974256347, yannis.liodakis@utu.fi
