Kvasaarit ovat äärimmäisen kirkkaita galakseja, joiden valo syntyy, kun sen keskustassa oleva supermassiivinen musta aukko syö sitä ympäröivää kosmista kaasua ja pölyä. Aiemman teorian mukaan kvasaari ja sen valolähteenä toimiva musta aukko syntyy galaksien törmätessä toisiinsa, mutta Turun yliopistossa tarkastettava väitöstutkimus osoittaa, että kvasaari voi syntyä myös ilman galaksien välistä vuorovaikutusta.
Tähän asti on oletettu, että kvasaarit ja niiden keskellä olevat supermassiiviset mustat aukot ovat syntyneet galaksien välisissä rajuissa törmäyksissä. Viimeaikaiset havainnot kvasaarien naapurigalakseista muutaman miljardin valovuoden päässä Maasta ovat paljastaneet kuvan, joka on ristiriidassa aiempien numeeristen simulaatioiden sulautumisennusteiden kanssa.
Nämä uudet havainnot paljastavat, että kvasaarin ei tarvitse olla vuorovaikutuksessa toisen massiivisen galaksin kanssa, vaan aktiivinen supermassiivinen musta aukko voi syntyä ilman galaksien törmäystä.
Mikä synnyttää supermassiivisen mustan aukon?
Maa sijaitsee Linnunradassa, galaksissa, joka näyttää jättimäiseltä spiraalilta. Noin sata vuotta sitten kuuluisan tähtitieteilijän Edwin Hubblen havainnot antoivat todisteita siitä, että maailmankaikkeudessa on monia muitakin galakseja - jotkut niistä näyttävät Linnunradan kaltaisilta, mutta toiset elliptisiltä, kääpiömäisiltä tai epäsäännöllisiltä. Kaikki galaksit loistavat kirkkaasti ihmissilmän havaitsemilla aallonpituuksilla, mikä johtuu niiden muodostavien tähtien valosta.
Pieni osa galakseista säteilee poikkeuksellisen kirkasta valoa, joka ei ole peräisin tähdistä vaan syntyy galaksin keskustassa. Tämä valo voi häikäistä galaksin tähtien valon kokonaan. Tällaisia galakseja kutsutaan aktiivisiksi galakseiksi eli kvasaareiksi. Niiden uskotaan saavan voimansa niiden keskellä olevista kolossaalisen kokoisista mustista aukoista, jotka ovat yli sata miljoonaa kertaa Auringon massaa suurempia.
Vielä ei varmasti tiedetä, mikä on kvasaarien rooli galaksien kosmisessa kehityksessä ja miten niiden supermassiivisten mustien aukkojen toiminta käynnistyy, mutta synnyn on oletettu vaativan kahden galaksin välistä törmäystä.
Uudessa väitöstutkimuksessa selvitettiin, miten aktiiviset galaksit vaikuttavat ympäristöönsä ja päinvastoin, miten ympäristö vaikuttaa niihin.
– Olen aina ollut kiinnostunut galaksin ympäristön vaikutuksesta sen kehitykseen. Aiemmin on tehty kosmisia simulaatioita kahden massiivisen spiraaligalaksin törmäyksistä. Ne osoittivat, että kvasaarien aktivoituminen galaksien sulautumisen vuoksi oli teoreettisesti mahdollista. On kuitenkin tärkeää tarkistaa teoreettisia malleja todellisilla havainnoilla, väitöskirjatutkija Maria Stone sanoo.
Kvasaareita on kuitenkin vaikea havainnoida suoraan. Sen sijaan kvasaarien ympärillä olevien galaksien havainnointi saattaa tarjota vihjeitä kvasaarista itsestään. Tutkiakseen galaksien suhdetta ympäröivään kosmiseen ympäristöönsä Stone teki käytännön kaukohavaintoja teleskoopeilla ja analysoi laajojen tutkimusarkistojen tietoja.
Keskeinen havainto on, että useiden miljardien valovuosien etäisyydellä aktiivisten galaksien jättimäiset mustat aukot käynnistyvät niiden isäntägalaksinsa sisällä tapahtuvien prosessien vuoksi. Ne eivät tarvinneet ulkoista vaikutusta, kuten vuorovaikutusta tai sulautumista naapurigalaksin kanssa.
– Kvasaarien läheisyydessä olevien galaksien tähtien muodostuminen ja muut ominaisuudet ovat samanlaisia kuin tavallisten, epäaktiivisten galaksien läheisyydessä olevien galaksien. Galaksin elämän kannalta ei siis ole merkitystä sillä, onko sen lähinaapuri aktiivinen vai ei. Nämä tulokset haastavat käsityksemme kvasaarien syntymisestä, ja ne ovat ristiriidassa aiempien mallien kanssa, jotka on saatu kahden malligalaksin simuloidusta törmäyksestä, Stone selittää.
Stonen mukaan uudet havainnot haastavat käsityksemme siitä, miten kvasaarit vaikuttavat niitä ympäröivien galaksien kehitykseen. On kehitettävä uusia malleja, joissa galaksin sisällä tapahtuvat prosessit mahdollistavat supermassiivisen mustan aukon käynnistymisen ja ruokkimisen. Esimerkiksi joissakin uudemmissa simulaatioissa on jo esitetty yhtenä mahdollisuutena galaksin spiraalihaarojen epävakaisuutta, joka johtavaa kaasun ohjautumiseen galaksin keskukseen ja sen muuttumiseen kvasaariksi ilman ulkopuolisten naapurien vaikutusta.
– Vaikka aiempi olettamuksemme kvasaarien syntymisestä galaksien sulautumisten kautta oli hyvin jännittävää, huomasimme, että tämä ei ole koko tarina. Meidän on korjattava käsitystämme vähän kuin silloin, kun planeettojen ymmärrettiin kiertävän Aurinkoa. Todellinen kuva siitä, miten maailmankaikkeus toimii, saattaa olla erilainen kuin mitä olemme tähän asti kuvitelleet, mutta se on vielä jännittävämpi, Stone sanoo.
Havainnot eri puolilla maailmaa sijaitsevilla teleskoopeilla paljastivat vihjeitä kvasaareista
Stone keräsi tietoa kvasaarien naapureina olevista galakseista spektroskopiaksi kutsutulla havainnointimenetelmällä.
Teleskoopeissa, kuten pohjoismaisessa optisessa teleskoopissa (NOT), on instrumentteja, jotka keräävät kvasaarien naapurigalaksien tähtien valon ja jakavat sen eri aallonpituusväleihin, samaan tapaan kuin valo jakautuu värikkääksi sateenkaareksi kulkiessaan vesipisaroiden läpi. Näin syntynyttä spektriä voidaan tutkia yksityiskohtaisesti, jotta voidaan selvittää kullakin aallonpituudella tuotettu energia. Tästä pystytään päättelemään tärkeitä tietoja, kuten etäisyytemme galaksiin sekä galaksin muoto, ikä, kuinka monta tähteä se tuottaa, sen elämänhistoria, sen kemiallinen koostumus ja niin edelleen.
– Tein havaintoja Kanariansaarilla sijaitsevalla Nordic Optical Telescope -teleskoopilla ja Chilessä sijaitsevalla New Technology Telescope -teleskoopilla. Molemmissa syrjäisissä observatorioissa on upea luonto ja tähtitaivas on upea. On hyvin kiehtovaa ajatella, miten fotonit, nämä valon sanansaattajat, matkasivat miljardeja vuosia ennen kuin päättivät matkansa teleskoopin keräyslaitteen pinnalle.
***
MSc Maria Babakhanyan Stone esittää väitöskirjansa ”Galaxy evolution through the lens of active galactic nuclei, their host galaxies, and environments: an observational study” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa tiistaina 11.06.2024 klo 12.00 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorio, Vesilinnantie 5, Turku).
Yleisön on mahdollista osallistua väitökseen myös etäyhteyden kautta: https://utu.zoom.us/j/69588162281
Vastaväittäjänä toimii tohtori Anna Wolter (National Institute for Astrophysics, Brera Astronomical Observatory, Italia) ja kustoksena emeritusprofessori Mauri Valtonen (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on tähtitiede.
Väitöskirja on julkaistu sähköisenä
