Kun neutronitähdet törmäävät, ne tuottavat voimakkaan räjähdyksen. Ensimmäinen tähtitieteilijöiden hyvin havaitsema törmäys on osoittanut, että vastoin odotuksia räjähdys oli täydellisen pallon muotoinen. Pallomaisen muodon syntyminen on tutkijoille vielä mysteeri, mutta löytö voi avata uusia ovia perusfysiikassa ja maailmankaikkeuden iän määrittämisessä. Turun yliopiston tutkijat olivat mukana Kööpenhaminan yliopiston astrofyysikkojen johtamassa kansainvälisessä yhteistyössä, jonka tuloksena löytö tehtiin. Tutkimus on juuri julkaistu Nature-lehdessä.
Kilonovat ovat jättimäisiä räjähdyksiä, jotka tapahtuvat, kun kaksi toisiaan kiertävää neutronitähteä lopulta törmäävät. Kilonovat ovat vastuussa sekä suurten, että pienten asioiden luomisesta maailmankaikkeudessa; mustista aukoista kultasormuksen atomeihin ja kehoissamme olevaan jodiin. Ne synnyttävät maailmankaikkeutemme äärimmäisimpiä fysikaalisia olosuhteita, ja juuri näissä olosuhteissa maailmankaikkeus luo jaksollisen järjestelmän raskaimmat aineet, kuten kullan, platinan ja uraanin.
Tässä äärimmäisen voimakkaassa ilmiössä on kuitenkin vielä paljon tuntematonta. Vuonna 2017 löydetyn kilonovan havaitseminen 140 miljoonan valovuoden etäisyydellä oli ensimmäinen kerta, kun tutkijat pystyivät keräämään tietoa kilonovista maa- ja avaruusteleskooppien avulla. Tutkijat ympäri maailmaa tulkitsevat edelleen tietoja tästä valtavasta räjähdyksestä.
– On kaksi superkompaktia tähteä, jotka kiertävät toisiaan 100 kertaa sekunnissa ennen kuin ne luhistuvat. Intuitiomme ja kaikki aiemmat mallimme kertovat, että törmäyksen synnyttämän räjähdyspilven on oltava muodoltaan litistynyt ja melko epäsymmetrinen, sanoo tutkimusta johtanut Kööpenhaminan Niels Bohr -instituutissa väitöskirjatutkijana toimiva Albert Sneppen.
Edellä mainitusta syystä Sneppen ja hänen tutkijakollegansa yllättyivät huomatessaan, ettei näin ollut vuoden 2017 kilonovan tapauksessa. Räjähdys oli täysin symmetrinen ja muodoltaan lähes täydellinen pallo.
– On ällistyttävää ja täysin intuitionvastaista havaita tämänkaltainen räjähdys, joka on pyöreä kuin pallo. Laskelmamme kuitenkin osoittavat selkeästi, että se on, sanoo yliopistotutkija Rubina Kotak Turun yliopistosta.
Pallomainen muoto on arvoitus
Kilonovan pyöreys askarruttaa tutkijoita. Räjähdyksessä vaikuttaa tutkijoiden mukaan odottamatonta fysiikkaa.
– Pyöreä räjähdys syntyy todennäköisesti siten, että räjähdyksen keskustasta puhkeaa valtava määrä energiaa tasoittaen muuten epäsymmetristä muotoa. Pallomainen muoto on siis merkki siitä, että törmäyksen ytimessä on todennäköisesti paljon odotettua enemmän energiaa, sanoo Albert Sneppen.
Neutronitähtien törmätessä ne yhdistyvät yhdeksi hypermassiiviseksi neutornitähdeksi, joka luhistuu mustaksi aukoksi. Tutkijat pohtivat, onko pallomaisen muodon salaisuus juurikin tässä romahduksessa.
– Kenties eräänlainen “magneettinen pommi” syntyy sillä hetkellä, kun energiaa vapautuu hypermassiivisen neutronitähden valtavasta magneettikentästä, kun tähti romahtaa mustaksi aukoksi. Magneettisen energian vapautuminen voisi aiheuttaa räjähdysmaterian jakautumisen enemmän pallomaisesti. Siinä tapauksessa mustan aukon syntymä voi olla hyvin energinen, sanoo apulaisprofessori Darach Watson Niels Bohr -instituutista.
– Tällä hetkellä yksikään yksittäinen teoria ei pysty selittämään kaikkia havaintojen tuloksia. Odotamme innolla uusia havaintoja kilonovista ja niiden muotojen mittauksia tulevina vuosina. Projektit, kuten Gravitational-wave Optical Transient Observer (GOTO), jossa Turun yliopisto on kumppanina, ovat avainasemassa kilonovien ja niiden kaltaisten kohteiden havaitsemisessa, Rubina Kotak Turun yliopistosta sanoo.
Uusi kosminen viivain
Räjähdyksen muoto on kiinnostava myös kokonaan toisesta syystä.
– Astrofyysikkojen keskuudessa on paljon keskustelua maailmankaikkeuden laajentumisnopeudesta. Laajentumisnopeus kertoo muiden asioiden lisäksi, kuinka vanha maailmankaikkeus on. Kaksi olemassa olevaa metodia tämän mittaamiseen eroavat toisistaan noin miljardilla vuodella. Tässä meillä saattaa olla kolmas metodi, joka voi täydentää ja testata muita mittauksia, sanoo Albert Sneppen.
– Olemme käyttäneet eri typpisiä räjähdyksiä, supernovia, etäisyyksien mittaamiseen, mutta kilonovat voivat antaa puhtaamman ja tarkemman keinon, Rubina Kotak lisää.
– Tieto muodosta on ratkaiseva, sillä jos kohde ei ole pyöreä, se säteilee katselukulmasta riippuen eri tavalla, Darach Watson jatkaa.
Artikkeli on julkaistu Naturessa helmikuussa
Käännös: C. Vassallo
Yhteystiedot
Lisätietoja
- Neutronitähdet ovat erittäin kompakteja tähtiä, jotka koostuvat pääasiassa neutroneista. Ne ovat halkaisijaltaan tyypillisesti vain noin 20 kilometriä, mutta voivat painaa puolestatoista kahteen Auringon massaa. Teelusikallinen neutronitähden materiaa painaa suunnilleen saman verran kuin Mount Everest.
- Kahden neutronitähden törmatessä tapahtuu kilonova. Kilonovaksi kutsutaan tällaisen törmäyksen synnyttämää jättimäistä räjähdystä. Se on radioaktiivinen tulipallo, joka laajenee valtavalla nopeudella ja koostuu pääasiassa törmäyksestä ja sen jälkiseurauksessa syntyvistä raskaista alkuaineista, jotka sinkoavat avaruuteen.
- Ilmiö ennustettiin vuonna 1974 ja havaittiin ja tunnistettiin selkeästi ensimmäisen kerran vuonna 2013. Vuonna 2017 saatiin ensimmäistä kertaa yksityiskohtaista tietoa kilonovasta, kun havaintolaitteet LIGO (USA:ssa) ja Virgo (Euroopassa) onnistuivat ennennäkemättömästi mittaamaan gravitaatioaaltoja, jotka olivat peräisin kilonovasta AT2017gfo, 140 miljoonan valovuoden päässä olevasta galaksista.
- Supernovat syntyvät joko tähtien räjähdyksistä, jotka ovat massiivisempia kuin noin 8 kertaa Aurinkomme massa tai kahden tähden systeemistä, jossa ainakin toinen on valkoinen kääpiö. Valkoiset kääpiöt ovat kuin Auringon kaltaisien tähtien ytimiä, jotka syntyvät, kun tähdet eivät pysty enää ylläpitämään fuusioreaktioita.
- Tieteellinen artikkeli tutkimuksesta on julkaistu Nature-lehdessä helmikuussa
- Analyysit kilonovasta AT2017gfo perustuvat vuoden 2017 havaintoihin. Käyttämällä Euroopan eteläisen observatorion (ESO) Very Large Telescope -havaintolaitteessa olevan X-shooter-nimisen spektrografin tietoja tutkijat ovat analysoineet kilonovan lähettämää säteilyä ultravioletin, optisen ja infrapunan aallonpituuksilla. Lisäksi tutkimuksessa käytetään aiempia analyyseja gravitaatioaalloista, radioaalloista sekä Hubble-avaruusteleskoopin havaintodatasta.
- Seuraavat tutkijat osallistuivat työhön: Albert Sneppen ja Darach Watson, Cosmic Dawn Center/ Niels Bohr Institute, University of Copenhagen; Andreas Bauswein ja Oliver Just, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Germany; Rubina Kotak, University of Turku, Finland; Ehud Nakar ja Dovi Poznanski, Tel Aviv University, Israel; Stuart Sim, Queen's University Belfast, UK
- Lisätietoa GOTO projektista
