Turun yliopiston johtama kansainvälinen ryhmä tähtitieteilijöitä löysi ensimmäiset signaalit molemmista massiivisista mustista aukoista, jotka kiertävät toisiaan galaksin OJ 287 keskustassa.
Aktiivisten galaksien keskustoissa sijaitsee supermassiivisia mustia aukkoja, jotka painavat miljardeja kertoja Auringon massan verran. Tähtitieteilijät havaitsevat niitä kirkkaina galaksien keskustoina, joissa supermassiivinen musta aukko imee ainetta sitä ympäröivästä voimakkaasta pyörteestä, jota kutsutaan kertymäkiekoksi. Osa tästä aineesta puristuu ja purkautuu voimakkaana hiukkassuihkuna. Tämä tapahtumaketju saa galaksin keskustan loistamaan kirkkaana koko sähkömagneettisella spektrillä.
Tuoreessa tutkimuksessa tähtitieteilijät löysivät todisteita kahdesta toisiaan kiertävästä supermassiivisesta mustasta aukosta, perustuen niiden molempien kertymäkiekkojen aiheuttamien hiukkassuihkujen lähettämiin signaaleihin. Ne sijaitsevat galaksissa OJ 287, mikä on perusteellisimmin tutkittu ja parhaiten ymmärretty kaikista mustien aukkojen kaksoisjärjestelmistä. Taivaalla mustat aukot ovat niin lähellä toisiaan, että ne sulautuvat yhdeksi pisteeksi. Se, että piste todellisuudessa koostuu kahdesta mustasta aukosta paljastuu, kun todistetaan, että siitä tulee kahdenlaisia signaaleja.
Galaksi OJ 287 sijaitsee Kravun tähdistössä noin 5 miljardin valovuoden päässä, ja tähtitieteilijät ovat havainneet sitä vuodesta 1888 alkaen. Jo yli 40 vuotta sitten Turun yliopiston tähtitieteilijä Aimo Sillanpää ja hänen kollegansa havaitsivat galaksin säteilyssä silmiinpistävän säännöllisyyden, jossa he havaitsivat kaksi jaksoa. Niistä toinen jakso kestää noin 12 vuotta ja pidempi noin 55 vuotta. Tutkijat ehdottivat, että nämä kaksi jaksoa johtuvat kahden toisiaan kiertävän mustan aukon liikkeestä. Lyhyempi jakso liittyy kiertoradan pituuteen ja pidempi jakso liittyy kiertoradan suunnan muuttumiseen.
Kiertoliikettä seurataan purkauksien avulla, jotka aiheutuvat siitä, että kiertoradalla kiertävä pienempi musta aukko syöksyy säännöllisesti suurempaa mustaa aukkoa ympäröivän kertymäkiekon läpi vain hieman valon nopeutta hitaammin. Tämän seurauksena kuumaa kaasua vapautuu laajentuvina kuplina. Kuuma kaasu näkyy purkauksena, joka kestää noin kaksi viikkoa ja on kirkkaampi kuin biljoona tähteä.
Taiteilijan näkemys OJ287 -galaksin mustien aukkojen kaksoisjärjestelmästä. Pienempi musta aukko painaa 150 miljoonan auringon verran ja se kiertää suurempaa mustaa aukkoa, jonka massa on 18 miljardia auringon massaa. Suurempaa mustaa aukkoa kiertää kaasukiekko. Pienempi musta aukko törmää kaasukiekkoon kahdesti 12 vuoden kierron aikana. Törmäys aiheuttaa sinisen välähdyksen, joka havaittiin helmikuussa 2022. Lisäksi törmäys käynnistää pienemmän mustan aukon säteilypurkaukset useita viikkoja aikaisemmin, ja myös nämä säteilypurkaukset on pystytty havaitsemaan suorina signaaleina pienemmästä mustasta aukosta. Kuva: AAS 2018
Tähtitieteilijät ovat vuosikymmenien ajan pyrkineet arvioimaan milloin kiertävä musta aukko syöksyy kertymäkiekon läpi. Professori Mauri Valtosen johdolla Turun yliopiston tähtitieteilijät, yhdessä Intian TATA Fundamental Research -instituutin Achamveedu Gopakumarin sekä muiden kollegoiden avulla, pystyivät lopulta mallintamaan kiertoradan ja ennustamaan purkausten tarkat ajankohdat.
Onnistuneet havaintokampanjat vuosina 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 and 2019 antoivat tutkijoille mahdollisuuden havaita etukäteen ennustetut purkaukset ja vahvistaa supermassiivisten mustien aukkojen parin olemassaolon galaksissa OJ 287.
– Tähän mennessä on ennustettu 26 purkausta, joista lähes kaikki on havaittu. Suurempi kahdesta mustasta aukosta painaa lähes 18 miljardia kertaa Auringon massa, kun pienempi musta aukko on noin sata kertaa kevyempi. Niiden kiertorata ei ole ympyrän muotoinen, vaan pitkulainen, kertoo professori Achamveedu Gopakumar.
Havaintokampanjoista huolimatta tähtitieteilijät eivät olleet pystyneet aikaisemmin havaitsemaan suoraa signaalia pienemmästä mustasta aukosta. Ennen vuotta 2021 sen olemassaolo pystyttiin epäsuoraan päättelemään purkauksista sekä siitä, miten se saa suuremman mustan aukon hiukkassuihkun huojumaan.
Tutkijat saivat ensimmäiset suorat havainnot pienemmästä mustasta aukosta
Jännittävää on se, että vuosina 2021 ja2022 OJ 287:n havainnointikampanjat, joissa käytettiin lukuisia erityyppisiä teleskooppeja, antoivat tutkijoille mahdollisuuden saada havaintoja sekä mustan aukon syöksystä kertymäkiekon läpi että pienemmän mustan aukon suorista signaaleista.
– Jaksolla 2021–2022 on erityinen merkitys galaksin OJ287 tutkimiselle. Aiemmin oli ennustettu, että tämän jakson aikana pienempi musta aukko syöksyy isomman mustan aukon kertymäkiekon läpi aiheuttaen erittäin sinisen välähdyksen heti törmäyksen jälkeen. Välähdys todella havaittiin vain päiviä ennustetun ajankohdan jälkeen. Havainnon teki Martin Jelinek kumppaneineen Tšekin teknillisestä yliopistosta ja Tšekin tähtitieteellisestä instituutista, professori Valtonen kertoo.
Tutkijat havaitsivat kuitenkin kaksi huomattavaa yllätystä, uudenlaiset purkaukset, jollaisia ei ole ennen havaittu. Niistä ensimmäisen havaitsi yksityiskohtaisessa havaintokampanjassa Staszek Zola Krakovan Jagiellonian yliopistosta. Zola ja hänen ryhmänsä tarkkailivat suurta purkausta, joka kesti vain yhden päivän ja tuotti 100 kertaa enemmän valoa kuin koko galaksi.
– Arvioiden mukaan purkaus tapahtui pian sen jälkeen, kun pienempi musta aukko oli saanut syöksyn aikana massiivisen annoksen uutta kaasua nieltäväksi. Tämä johti OJ287:n yhtäkkiseen kirkastumiseen . On oletettu, että tämä tapahtumaketju voimisti hiukkassuihkua, joka purkautuu pienemmästä mustasta aukosta. Tällaisen tapahtuman ennusti Pauli Pihajoki Turun yliopistossa jo kymmenen vuotta sitten, mutta se pystyttiin vahvistamaan vasta nyt, Valtonen selittää.
Toinen odottamaton signaali havaittiin gammasäteilystä NASA:n Fermi-teleskoopilla. OJ287:n suurin gammapurkaus kuuteen vuoteen tapahtui juuri kun pienempi musta aukko syöksyi isomman mustan aukon kaasulevyn läpi. Pienemmän aukon hiukkassuihku on vuorovaikutuksessa kertymäkiekon kaasun kanssa, mikä tuottaa gammasäteilyä. Vahvistaakseen tämän teorian tutkijat todensivat, että vastaava gammapurkaus oli tapahtunut 2013, kun pienempi musta aukko edellisen kerran kulki kaasukiekon läpi samasta suunnasta nähtynä.
– Entä miksi emme ole aiemmin havainneet yhden päivän kestänyttä purkausta? OJ287 galaksia on kuvattu vuodesta 1888 alkaen ja intensiivisesti seurattu 1970-luvulta alkaen. Ilmeisesti meillä on ollut vain epäonnea. Kukaan ei ole aiemmin havainnoinut galaksia juuri niinä öinä, jolloin se on tehnyt yhden yön temppunsa. Ja ilman Zolan ryhmän intensiivistä monitorointia tämäkin kerta olisi mennyt meiltä ohi, Valtonen toteaa.
Nämä löydökset tekevät OJ 287:stä parhaan ehdokkaan supermassiivisten mustien aukkojen pariksi, joka lähettää gravitaatioaaltoja nano-hertz-taajuudella. OJ 287 -galaksia seurataan rutiininomaisesti sekä Event Horizon Telescope (EHT) että Global mm-VLBI Array (GMVA) -konsortiossa saadaksemme vielä lisää todisteita supermassiivisten mustien aukkojen parista sen keskustassa, ja etenkin saadaksemme radiokuvan pienemmän mustan aukon hiukkassuihkusta.
Turun yliopistosta tutkimukseen ovat osallistuneet lisäksi Andrei Berdyugin, Harry Lehto ja Kari Nilsson, sekä Aalto-yliopistosta Anne Lähteenmäki ja Merja Tornikoski. Havaintojokampanjaan osallistui Turun yliopiston La Palmalla sijaitsevalla NOT-teleskoopilla mm. Tapio Pursimo. Lisäksi havaintoja tehtiin Kanarian La Palman toisella, Liverpoolin yliopiston teleskoopilla, sekä puolalaisilla, japanilaisilla, amerikkalaisilla ja saksalaisilla teleskoopeilla, sekä Chilen kaukoputkilla aiemmin mainittujen lisäksi. Aalto-yliopiston radioteleskooppi oli myös käytössä. Avaruudesta käsin havaintoinstrumentteina oli NASA kaksi kaukoputkea nimeltään Fermi ja Swift.
Tulokset on julkaistu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -lehdessä:
