Mustan aukon hiukkassuihkujen mysteeri ratkesi – paineaalto vaikuttaa hiukkasten kiihtymiseen

Blasaarit ovat galakseja, joiden keskustassa piilevä supermassiivinen musta aukko kerää galaksin keskustan materiasta ympärilleen kertymäkiekon ja syöksee navoiltaan voimakkaat hiukkas- ja plasmasuihkut vastakkaisiin suuntiin. Toinen näistä suihkuista osoittaa suoraan maata kohti, joten nämä kohteet loistavat meille erityisen kirkkaina.

Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa tähtitieteilijät havaitsivat, että blasaarien korkeaenergiset hiukkaset selittyvät parhaiten hiukkassuihkussa kulkevalla paineaallolla. Havainto tehtiin NASA:n röntgenalueen polarisaation kuvantamiseen tarkoitetulla satelliitti IXPE:lla (Imaging X-ray Polarimetry Explorer). Tutkimuksen on mahdollistanut laaja kansainvälinen yhteistyö, jossa on mukana useita Suomen ESO-keskuksen ja Turun yliopiston tutkijoita.

– Olemme ratkaisseet 40 vuotta vanhan mysteerin. IXPE:n avulla löysimme vihdoin palapelin puuttuvan palan, joka kirkasti kokonaiskuvan näistä kohteista, sanoo Yannis Liodakis, tutkimuksen pääkirjoittaja sekä Suomen ESO-keskuksen tutkijatohtori.

Vuonna 2021 avaruuteen laukaistu Maata kiertävä NASA:n sekä Italian avaruusjärjestön IXPE-satelliitti havaitsee tähtitaivasta aivan uudella tavalla. IXPE:n avulla on mahdollista havaita polarisoitunutta röntgensäteilyä – toisin sanoen IXPE havaitsee röntgensäteiden sähkökentän keskimääräisen suunnan ja voimakkuuden. Röntgenalueen polarisaatiota ei voida havaita maanpinnalta käsin, sillä kaikki avaruuden röntgensäteily imeytyy ilmakehään.

Tuoreessa tutkimuksessa IXPE havaitsi Herkuleen tähdistössä, suuren elliptisen galaksin keskellä sijaitsevaa blasaaria nimeltä Markarian 501.

Kuvassa IXPE-avaruusobservatorio on oikealla ja vasemmalla puolella on blasaari Markarian 501. Blasaari on kaasu- ja pölykiekon ympäröimä musta aukko, jossa on Maahan osoittava kirkas korkeaenergisten hiukkasten suihku. Upotettu kuva näyttää suihkun suurienergiset hiukkaset (näkyvät kuvassa sinisinä). Kun hiukkaset osuvat paineaaltoon, joka on kuvattu valkoisena palkkina, hiukkasten energia kasvaa ja ne säteilevät röntgenalueella kiihtyessään. Siirtyessään pois paineaallosta ne lähettävät matalaenergistä säteilyä: ensin näkyvää valoa, sitten infrapuna- ja radioaaltoja. Kauempana paineaallosta magneettikentän viivat ovat kaoottisempia ja aiheuttavat enemmän turbulenssia hiukkasvirrassa. (Kuva: Pablo Garcia (NASA/MSFC)

Paineaallon liike-energia vaikuttaa blasaarien hiukkassuihkun hiukkasiin

Tutkijat saivat selville, että blasaarien hiukkasuihkusta havaittavan röntgensäteilyn polarisaatioaste on korkeampi kuin näkyvällä valolla, joka puolestaan on korkeampi kuin radioaalloilla. Polarisoituneen valon suunta näillä kaikilla aallonpituuksilla oli kuitenkin sama ja myös hiukkassuihkun suuntainen.

Verrattuaan uutta IXPE:llä kerättyä tietoa teoreettisiin malleihin tähtitieteilijät huomasivat, että parhaiten havaintoja vastaava malli oli hiukkasia kiihdyttävä paineaalto. Paineaalto syntyy, kun jokin liikkuu ympäröivän aineen äänennopeutta kovempaa, kuten vaikkapa yliäänikoneen aiheuttama paineaalto Maan ilmakehässä.

Tutkijat eivät tarkastelleet tutkimuksessa paineaaltojen alkuperää, joka säilyy yhä mysteerinä. He kuitenkin arvelevat, että häiriö hiukkassuihkun virrassa voisi aiheuttaa ilmiön, jossa osa virrasta ylittää paikallisen äänennopeuden. Tämä voi olla seurausta korkeaenergisten hiukkasten törmäyksistä hiukkassuihkussa tai äkillisistä paineen muutoksista suihkun reuna-alueilla.

– Paineaallon ylittämällä alueella magneettikentän voimakkuus sekä hiukkasten sisältämä energia kasvavat. Energia tähän tulee paineaallon materian liike-energiasta, sanoo Alan Marscher, Bostonin yliopiston tähtitieteilijä, joka johtaa IXPE:llä tehtävää jättimäisten mustien aukkojen tutkimusta.

Kun hiukkaset kulkevat suihkussa ulospäin galaksin keskustasta, ne säteilevät ensin röntgenalueella, koska ne sisältävät valtavasti energiaa. Yhä kauemmas, paineaallon jälkeisen turbulentin alueen läpi liikkuessaan ne alkavat vähitellen menettää energiaa, jolloin ne säteilevät matalamman energian alueilla, kuten näkyvällä valolla ja lopulta radioaalloilla. Tätä voi verrata siihen, miten veden virtaus muuttuu pyörteiseksi vesiputouksen jälkeen, mutta tässä tapauksessa pyörteisyyden synnyttävät magneettikentät.

Turun yliopiston omistama NOT-teleskooppi keskeisessä roolissa tutkimuksessa

IXPE havainnoi Markarian 501 -blasaaria kolmen päivän ajan vuoden 2022 maaliskuun alkupuolella sekä uudelleen kaksi viikkoa myöhemmin. Samaan aikaan tähtitieteilijät tarkkailivat kyseistä blasaaria lukuisilla kaukoputkilla eri aallonpituusalueilta. Erityisessä roolissa tässä olivat Turun yliopiston omistamalla NOT-teleskoopilla (Nordic Optical Telescope) suoritetut näkyvän valon polarisaatiohavainnot, jotka mahdollistivat röntgenpolarisaatiohavaintojen asettamisen oikeaan perspektiiviin.

– NOT-teleskooppi on aina ollut blasaarien polarisaatiohavaintojen kulmakivi, sanoo Jenni Jormanainen, Suomen ESO-keskuksen ja Turun yliopiston väitöskirjatutkija, joka johti NOT-teleskoopilla tehtyjen havaintojen analyysia.

Lisäksi optisen polarisaation havaintoja tehtiin Turun yliopistossa rakennetulla Turusta käsin ohjattavalla DIPol-2 polarimetrillä, joka on asennettuna 60 cm kokoiseen Tohoku-kaukoputkeen Haleakalan observatoriolla Hawaijilla.

– Tällä instrumentilla olemme tehneet havaintoja useista tähtitieteellisistä kohteista, jotka kuuluvat erittäin tarkkojen polarisaatiomittausten tutkimusohjelmaamme, huomauttaa Vadim Kravtsov, DIPol-2 havainnoista vastannut Turun yliopiston väitöskirjatutkija.

Tutkijat jatkavat Markarian 501 -blasaarin havaintoja selvittääkseen, muuttuuko polarisaatio ajan myötä. IXPE:n kaksivuotisen lennon aikana sen tutkimusohjelmaan kuuluu lukuisia muita blasaareja, jotka voivat osaltaan raottaa pitkäaikaisten maailmankaikkeuden mysteerien verhoa.

– IXPE on osa ihmiskunnan edistystä luonnon ihmeiden ymmärtämisessä, Marscher sanoo.

Lisätietoja

Yannis Liodakis, p. +30 6974256347, yannis.liodakis@utu.fi