maailmankaikkeus

Elämälle tärkeää happea oli jo 500 miljoonan vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa

Ke, 05/16/2018 - 18:46 Markus Hotakainen

Happi on tuntemamme elämän kannalta keskeinen alkuaine. Se on syntynyt tähtien sisuksissa jylläävissä fuusioreaktioissa – uuden tutkimuksen mukaan jo maailmankaikkeuden vauvaiästä alkaen.

Vetyä, heliumia ja litiumia lukuun ottamatta kaikki universumin alkuaineet – myös elämän kannalta keskeiset hiili, happi ja typpi – ovat tulosta tähtien ydinfuusiosta. Ikääntyvien tähtien räjähtäessä alkuaineet leviävät avaruuteen ja niiden määrä kasvaa tähtisukupolvesta toiseen.

ALMA-teleskoopilla (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) tehtyjen havaintojen perusteella happea on esiintynyt maailmankaikkeudessa jo 13,28 miljardia vuotta sitten eli vain 500 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Universumin ikä oli tuolloin ainoastaan neljä prosenttia nykyisestä.

Jotta nuoreen galaksiin, joka tunnetaan luettelotunnuksella MACS1149-JD1, olisi ennättänyt kertyä havaittava määrä happea, sen tähtien on täytynyt syttyä loistamaan jo paljon aikaisemmin, vain 250 miljoonan vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa.

"Oli jännittävää nähdä kaikkein kaukaisimman hapen signaali", kertoo tutkimusta johtanut Takuya Hashimoto Osaka Sangyo -yliopistosta.

"Äärimmäisen kaukainen ja äärimmäisen nuori galaksi osoittaa hämmästyttävää kemiallista kypsyyttä", ihmettelee puolestaan Wei Zheng, jonka johdolla määritettiin galaksin etäisyys Hubble-avaruusteleskoopin avulla.

Supernovaräjähdysten seurauksena tähtienväliseen avaruuteen levinnyt happi kuumeni ja ionisoitui massiivisten tähtien voimakkaassa säteilyssä, ja alkoi hohtaa infrapunasäteilyn aallonpituuksilla.

Yli 13 miljardissa vuodessa maailmankaikkeuden laajeneminen on venyttänyt hapen lähettämän säteilyn aallonpituutta niin paljon, että nykyisin se on havaittavissa ALMA-teleskoopin rekisteröimällä millimetrialueella.

Itse asiassa hapen ja sitä sisältävän nuoren galaksin etäisyys määritettiin nimenomaan aallonpituudessa tapahtuneen muutoksen perusteella. Havainto varmistettiin Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopilla ja lisätietoa galaksista saatiin infrapuna-alueella toimivalla Spitzer-avaruusteleskoopilla.

Sen lisäksi, että happea ei ole koskaan aiemmin havaittu näin etäältä, MACS1149-JD1 on myös kaukaisin galaksi, jonka etäisyys on onnistuttu määrittämään tarkasti.

Tutkijat arvelevat, että galaksin tähdet syntyivät 250 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Niiden voimakas säteily ja tähtituuli puhalsivat ylijääneen kaasun galaksista ulos, jolloin uusia tähtiä ei syntynyt pitkiin aikoihin.

Vasta noin 250 miljoonaa vuotta myöhemmin galaksiin oli kertynyt riittävästi kaasua uutta tähtisukupolvea varten. Uusien tähtien säteily puolestaan ionisoi edellisen sukupolven tuottaman hapen.

"Nyt tehdyn löydön ansiosta olemme päässeet tarkastelemaan tähtien kehityshistorian varhaisinta vaihetta", Hashimoto toteaa.

Tutkimuksesta kerrottiin NRAOn (National Radio Astronomy Observatory) uutissivulla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuvat: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / NASA/ESA Hubble Space Telescope / W. Zheng (JHU) / M. Postman (STScI) / the CLASH Team / Hashimoto et al. [otsikkokuva]; NRAO/AUI/NSF / S. Dagnello [taiteilijan näkemys]

Galaksien syntyä simuloitiin virtuaaliuniversumissa yhteensä lähes 4 000 vuoden ajan

Ke, 03/21/2018 - 11:51 Markus Hotakainen

Galaksien ja galaksijoukkojen synty on oleellinen koko maailmankaikkeuden kehityksen kannalta. Se on kuitenkin prosessina niin hidas, että suorien havaintojen tekeminen on turhauttavaa. Apu löytyy simulaatioista.

Galaksien varhaisvaiheiden simulointikaan ei ole yksinkertaista, sillä yhdessä ainoassa galaksissa voi olla satoja miljardeja tähtiä, kaasusta ja pölystä puhumattakaan. Ja mitä suurempaa avaruuden aluetta mallinnetaan, sitä enemmän siinä on yksittäisiä galakseja.

Tähän saakka massiivisin simulaatio tehtiin vuonna 2015. Nyt tuota "Illustris"-mallia on laajennettu ja uuden sukupolven simulaatiolle on annettu nimeksi "Illustris, The Next Generation".

Sekä tarkkuutta että tilavuutta on kasvatettu siten, että kolmesta uudesta mallista laajimmassa on laskentapisteitä 30 miljardia ja tarkasteltava avaruuden alue on yhdeltä kantiltaan melkein miljardi valovuotta.

Simuloidussa kuvassa kaasun lämpötilaa on kuvattu eri väreillä ja painetta kirkkauden vaihteluilla. Punainen väri suurten galaksijoukkojen keskusalueilla tarkoittaa 10 miljoonaa kelviniä. Kirkkaimmat rakenteet puolestaan kuvaavat galaksienvälistä kaasua, joka puristuu kasaan kosmisten onkaloiden ja säikeiden raja-alueilla.

Hankkeessa on ollut mukana useita yliopistoja ja tutkimuslaitoksia, ja varsinainen laskenta on tehty Stuttgartissa yhdessä Gauss-superlaskentakeskuksen kolmesta laitoksesta. Tutkijaryhmällä oli käytössä kaikkiaan 24 000 laskentaydintä, joilla tietokoneaikaa kertyi yhteensä 35 miljoonaa tuntia. Nyt julkaistun simulaation pyörittäminen aloitettiin jo kaksi vuotta sitten maaliskuussa 2016.

Galaksien synnyn simulointi ei ole pelkkää teoreettista numeroiden murskaamista, vaan se perustuu myös havaintoihin. Tietokoneeseen on syötettävä alkuehdot ja -arvot sekä esimerkiksi tähtien syntyä ja supermassiivisten mustien aukkojen kasvua kuvaavat algoritmit.

Simulaation mutkikkuutta lisää se, että siinä on otettu huomioon entistä tarkemmin myös galaktisten magneettikenttien vaikutus. Hanketta johtaneen Volker Springelin mukaan magneettikentät ovat mukana syntyprosessissa monella tavalla.

"Kosmiseen kaasuun kohdistuva magneettinen paine voi toisinaan olla yhtä suuri kuin lämpötilan aiheuttama terminen paine. Jos sen jättää huomiotta, siitä aiheutuvat ilmiöt jäävät pimentoon eivätkä tulokset ole luotettavia."

Uuden simulaation avulla saatiin tietoa myös mustien aukkojen fysiikasta. Havaintojen perusteella supermassiiviset mustat aukot sinkoavat kuumaa kaasua suurella nopeudella ympäröivään avaruuteen ja ulos galakseista.

Ilmiön on arveltu voivan "sammuttaa" tähtien synnyn kokonaan, jolloin suurimmat galaksit eivät voi kehittyä tiettyä rajaa kookkaammiksi.

Jo aiemman Illustris-simulaation perusteella näytti siltä, että mustien aukkojen ainesuihkut eivät pysty lopettamaan uusien tähtien syntyprosessia kokonaan. Kun laajennettua mallia muutettiin siltä osin hieman, saatiin teoria ja havainnot vastaamaan paremmin toisiaan.

Ennätyksellisestä simulaatiosta kerrottiin Gauss-superlaskentakeskuksen uutissivuilla ja tutkimus on ilmestynyt Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedejulkaisussa.

Kuvat: Illustris Team

"Jokainen kaava puolittaa myynnin" – Maailmankaikkeus ja herra Hawking

Ke, 03/14/2018 - 11:57 Markus Hotakainen

Millainen maailmankaikkeus olisi ilman Stephen Hawkingia? Vähitellen joudumme tottumaan ajatukseen, sillä tieteen megajulkkis on poissa. Suru-uutinen levisi maailmaan keskiviikkoaamuna.

Liekö kosmista huumorintajua, että Stephen Hawking oli syntynyt tasan 300 vuotta sen jälkeen kun Galileo Galilei kuoli, ja hän kuoli päivälleen 139 vuotta sen jälkeen kun Albert Einstein syntyi.

Maailmankaikkeus ei ole Hawkingin poismenosta moksiskaan, mutta meidän tietämyksemme maailmankaikkeudesta olisi valtaisasti nykyistä vajavaisempi, ellei Hawking olisi pohtinut sitä kymmeniä vuosia parantumattoman sairauden runtelemaan kehoon kahlitussa mielessään.

Hawkingilla todettiin liikehermoja rappeuttava amyotrofinen lateraaliskleroosi eli ALS-tauti hänen ollessaan 21-vuotias. Elinaikaa hänelle luvattiin korkeintaan kaksi vuotta.

Yli viisikymmentä vuotta jatkuneella laina-ajalla Hawking selvitti useita kosmoksen arvoituksia, mutta keksi myös uusia ominaisuuksia ja omituisuuksia, joita kukaan muu ei ollut tullut ajatelleeksikaan.

"Mustat aukot eivät säteile."

Näin uskottiin, kunnes Hawking meni mullistamaan käsitykset laskemalla, että ne voivat säteillä itsensä olemattomiin virtuaalihiukkasten karanneina osapuolina. Tätä "Hawkingin säteilyä" on vain äärimmäisen vaikea havaita ja siksi Nobel jäi Hawkingilta saamatta. Hyvistäkään teorioista palkintoa ei jaeta.

Kirjaimellisesti tähtitieteellisen suuret luvut, liki-ikuisuudet ja käsittämättömät kvantti-ilmiöt eivät Hawkingia pelottaneet. Välillä tuntui, että hän ilkikurisuuttaan valikoi tutkimusaiheensa sen mukaan, kuinka paljon hänen kollegansa joutuisivat vaivaamaan päätään päästäkseen kärryille, mistä kulloinkin on kyse.

Omien ja läheistensä sanojen mukaan Hawkingilla oli poikkeuksellinen kyky ”nähdä” tarvittavat mielettömän mutkikkaat laskelmat mielessään. Yhtälöiden piirustelu paperille tai liitutaululle oli mahdotonta, edes kirjojen tai lehtien sivujen kääntely ei sairauden edetessä onnistunut.

Kaikki oli tehtävä päässä.

Kaukaisella 80-luvulla joku kirjaili Kaivopuiston tähtitornin havaintopäiväkirjaan syvällisen mietelmän: "Maailmankaikkeus on oma pää." Hawking tiesi henkilökohtaisesti, mitä se tarkoittaa.

Itselläni on ollut ilo ja kunnia suomentaa useita Hawkingin teoksia. Tutkija ei koskaan uskotellut kirjoittavansa jonkin ylevän kansanvalistuksellisen aatteen innoittamana – vaikka ei tietenkään pitänyt ollenkaan huonona asiana, että ihmiset oppisivat uusia asioita kiehtovasta maailmankaikkeudesta.

Hawking myönsi auliisti kirjoittaneensa kirjansa milloin rahoittaakseen lastensa opintoja, milloin päivittääkseen elämisensä kannalta oleellisia apuvälineitä. Otsikon totuuden hän sai kuulla Ajan lyhyen historian kustantajalta.

Kirjaan päätyi yksi kaava ja sitä on silti myyty yli 10 000 000 kappaletta. Teosta voikin luonnehtia alan myydyimmäksi, mutta vähiten luetuksi tietokirjaksi, sillä se ei ole mikään suupala, ellei lukijalla ole vähintään perustietoja fysiikasta ja tähtitieteestä.

Aikaa myöten Hawkingin kirjat ohenivat ohenemistaan, mikä ei ole ihme. Kun jokaisen sanan jokaisen kirjaimen joutuu valitsemaan tietokoneen näytöltä poskilihasta liikauttamalla, vuolassanaisuus karsiutuu nopeasti.

Sama päti tietysti kanssakäymiseen muiden ihmisten kanssa. Jos sai sovittua tapaamisen Hawkingin kanssa, perusneuvo oli, ettei kannata lörpötellä joutavia. Toisinaan vieras saattoi unohtaa perustellun ohjeen ja kysäistä "mitä kuuluu?". Sen jälkeen joutui seuraamaan nolona ja naama punoittaen, kuinka Hawking ponnisteli vastatakseen "Kiitos hyvää, entä itsellenne?"

Hawking tunnettiin ja tunnistettiin kaikkialla maailmassa. Itseironisesti hän totesi yhdeksi syyksi sen, että hänen on mahdoton naamioitua. Sähköpyörätuolillaan hän huristeli hurjaa vauhtia – kollegoidensa kauhuksi – niin San Franciscon jyrkillä kaduilla kuin liian lähelle tunkevien varpaillakin.

Yhtenä Hawkingin harrastuksena oli vedonlyönti, mutta vain kollegoidensa kanssa ja tieteellisistä asioista. Yleensä hän asetti panoksensa sellaisen väitteen puolesta, jonka tiesi vääräksi. Häviö ei tuntunut niin pahalta, jos oli kuitenkin oikeassa.

Stephen Hawkingin viimeisessä tieteellisessä artikkelissa – tai ainakin se on tuorein hänen nettisivuillaan olevassa listauksessa – hän pohtii Thomas Hertogin kanssa ikuista inflaatiota. Johdanto päättyy toteamukseen, että "ikuisen inflaation hylkääminen ei tuota ääretöntä fraktaalimaista multiversumia, vaan äärellisen ja suhteellisen laakean maailmankaikkeuden".

Ajatus on lohdullinen.

Näin syntyivät supermassiiviset mustat aukot vauvaikäisessä maailmankaikkeudessa

Ke, 03/15/2017 - 12:47 Toimitus
Protogalaksin lähelle syntyvä musta aukko (J. Wise (Georgia Tech) & J. Regan (Dublin City))

Supertietokoneilla lasketut simulaatiot osoittavat, että läheisten galaksien säteily voi edesauttaa mustien aukkojen syntyä viereisissä kaasupilvissä.

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen astrofysiikan apulaisprofessori Peter Johansson on kehittänyt yhteistyössä irlantilaisten ja amerikkalaisten tutkijoiden kanssa simulaatiomallin, jonka avulla voidaan kuvata supermassiivisten mustien aukkojen muodostumista varhaisessa maailmankaikkeudessa entistä tarkemmin.

Tutkimus julkistettiin tuoreessa Nature Astronomy -lehdessä.

Sen mukaan supermassiivisia mustia aukkoja oli olemassa jo hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa, silloin, kun sen ikä oli alle 800 miljoonaa vuotta. Tämän ovat aiemmat havainnot osoittaneet.

Mustien aukkojen kasvu oli kituliasta

Johanssonin mukaan galaksien keskustoista löytyvien supermassiivisten mustien aukkojen massat voivat olla miljoonia tai jopa useita miljardeja kertoja aurinkoa suurempia, kun tyypillisesti massiivisten tähtien jälkeen jättämien mustien aukkojen massat ovat 5-20 kertaa Auringon massaa suurempia.

"Nämä havainnot ovat jossain määrin yllättäviä, koska mustien aukkojen massojen kasvattaminen kymmenistä auringon massoista miljardeihin auringon massoihin lyhyessä ajassa on hankalaa", sanoo Johansson.

Mustan aukon massan kasvattaminen onnistuu parhaiten kaasua syömällä, mutta samalla kun kaasu syöksyy kohti mustaa aukkoa, se kuumenee hyvin voimakkaasti johtuen kitkavoimista ja suuresta painovoimakentästä. Tämä kuuma kaasu säteilee voimakkaasti, ja osa säteilystä kytkeytyy takana tulevaan kaasuun aiheuttaen säteilypainetta, joka estää kaasun putoamisen mustaan aukkoon.

"Mustia aukkoja ei ikään kuin voi pakkosyöttää, koska liian suuri putoava kaasun määrä aiheuttaa voimakkaan säteilyryöpyn, joka puskee kaasua takaisin."

Galaksien taistelua

Viimeisten vuosien aikana on kehitetty myös vaihtoehtoinen malli selittämään supermassiivisten mustien aukkojen syntymistä varhaisessa maailmankaikkeudessa.

Tässä niin sanotussa ”suorassa romahdusmallissa” isot kaasupilvet, joiden massat vastaavat 10 000 - 100 000 Auringon massaa, romahtavat suoraan verrattain massiivisiksi mustiksi aukoiksi.

Tällainen suora romahtaminen edellyttää, että kaasun jäähtyminen varhaisessa maailmakaikkeudessa on ollut tehotonta, koska muuten kaasupilvi fragmentoituisi ja seurauksena syntyisi tähtiä.

Varhaisessa maailmankaikkeudessa ainut tapa jäähdyttää kaasua matalilla lämpötiloilla on molekulaarinen vety.

Nyt Nature Astronomy -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa osoitetaan ensimmäistä kertaa, että jos kaksi galaksia syntyy lähes samanaikaisesti, ensimmäisen galaksin tähtien säteily voi tuhota molekulaarisen vedyn toiseksi syntyvästä galaksista.

Näin toiseen muodostuvaan galaksiin voi syntyä suuri musta aukko kaasupilven suorassa romahduksessa, josta kasvaa varsin nopeasti miljardin auringon massainen musta aukko. Tämän havainnot osoittavat.  

Tutkimusartikkeli Rapid formation of massive black holes in close proximity to embryonic protogalaxies on julkaistu Nature Astronomyn lisäksi kaikille avoimessa ArXiv:ssa.

Otsikkokuvassa on hahmotelma siitä, miltä protogalaksin lähelle syntyvä supermassiivinen musta aukko voisi näyttää. Sen massa vastaa kymmeniä tuhansia Auringon massoja ja sitä ympäröi kiertymäkiekko, mistä siitä lähtee symmetrisiä materiasuihkuja. Nuoressa protogalaksissa (oikealla) loistaa kirkkaana suuri joukko nuoria massiivisia tähtiä. Kuva vastaa simulaation tilannetta punasiirtymällä z=24, noin 140 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Kuvaoikeudet: J. Wise (Georgia Tech) & J. Regan (Dublin City).

Artikkeli on Helsingin yliopiston tiedote hieman editoituna.

Video: Kuinka suuri on oikeasti suuri?

Avaruus, kuten tiedetään, on aika iso paikka.

Ja siellä on varsin suuria kappaleita, joihin verrattuna sinänsä suurelta vaikuttava maapallo on ällistyttävän pieni. 

Mutta kuinka pieni? Tai siis kuinka suuria ovat avaruudessa olevat muut taivaankappaleet ja kohteet? Tämä ESOn animaation näyttää.

Video alkaa maapallosta, jonka läpimitta on jotakuinkin 12,6 miljoonaa metriä, ja päättyy tähteen nimeltä VY Canis Majoris. Se on yksi suurimmista tunnetuista tähdistä: sen halkaisija on noin 1420 kertaa suurempi kuin oman Aurinkomme – joka sinällään on maapalloon verrattuna valtava. 

Tämä video on osa ESOn uuteen yleisökeskukseen, Supernovaan tulevista visualisoinneista. Näitä pääsee katsomaan Münchenin luona Garschingissa olevassa keskuksessa ensi vuoden lopulta alkaen.

Video: ESO / M. Kornmesser / L. Calçada

Video: Linnunradan läpilento tähtimatkaajan silmin

Jos joskus tuntuu siltä, että olet vain pienenpieni palanen tässä suuressa maailmassa, niin se pitää täsmälleen paikkansa.

Etenkin tämän videon katsomisen jälkeen avaruuden mittakaava asettuu paikalleen, sillä videolla kiidetään Auringon luota Linnunradan läpi ylös- ja ulospäin siten, että lopulta näkyvissä on pelkkää galaksivaahtoa.

Kuulostaa oudolta?

Ei ihme, sillä se onkin varsin ihmeellistä.

Euroopan eteläisen observatorion julkaisema video on tehty todellisten havaintojen perusteella, joiden avulla on muodostettu virtuaalinen malli maailmankaikkeudesta. Tietokoneen avulla voimme laskea millainen maisema olisi tietystä kohdasta katsottuna – ja tällä videolla kuvakulma osoittaa "alas" kohti Aurinkoa samalla kun etäännymme siitä valtavalla nopeudella.

Ensin näkyvissä on siis Aurinko, eli maapallo ja me sen pinnalla eivät edes ole kuvassa. Maa olisi vain pieni piste Auringon pinnalla. Etääntymisen aluksi ohi vilahtaa mitä lähinnä oleva Linnunradan kierteishaara, jonka kaasupilvet välillä sumentavat näkymää, välillä loistavat kauniina hattaroina. Ohitse vilahtaa myös tähtiä.

Linnunrata on galaksi, kaasusta ja tähdistä muodostunut järjestelmä, jonka aine on jakautunut spiraalimaisesti haaroihin. Ne pyörivät hitaasti galaksin tiheämmän keskiosan ympärillä, ja Aurinko sekä Maa sijaitsevat yhden kierteishaaran laidalla. Se on meille turvallinen ja suojaisa paikka.

Kunhan koko Linnunrata koko loistossaan on tullut näkyviin ja etääntyminen jatkuu, nähdään pian myös Magellanin pilvet, eli kaksi pienempää Linnunradan seuralaisgalaksia. Ja sitten mukaan liittyy Andromedan galaksi, meitä lähin toinen kunnollisen kokoinen tähtijärjestelmä.

Sitten näkyviin tulee lisää galakseja, joka liittyvät ensin ns. paikalliseen galaksiryhmään, eli noin 60 galaksista koostuvaan ryppääseen, joka on kotinurkkauksemme maailmankaikkeuden mittakaavassa. 

Paikallinen ryhmä on puolestaan osa Neitsyen superjoukkoa, johon kuuluu useita tällaisia galaksijoukkoja. Superjoukon nimi tulee siitä, että taivaan kaasusumuja 1800-luvun puolivälissä ensi kerran kartoittaneet William ja John Herschel havaitsivat, että Neitsyen tähtikuvion tienoilla oli tavanomaista enemmän sumuja. Myöhemmin ne paljastuivat galakseiksi, jotka liittyvät juuri tähän superjoukkoon. Nyt tiedämme myös, että joukkoja on satakunta.

Neitsyen superjoukko on taas vain yksi ns. Kalojen-Valaskalan superjoukkoryhmästä. Sen nimi tulee myös tähtikuvioista, joiden suunnalla suurin osa galakseista näyttää olevan.

Superjoukkoja on miljoonia, ja kuten video näyttää, kauempaa katsottuna muodostavat vaahtomaisen rakenteen.

Mitä sen jälkeen tulee?

Tunnetun maailmankaikkeuden reuna, ja sen ulkopuolisesta menosta ei voi sanoa mitään – ainakaan tieteen keinoin.

Video: ESO / M. Kornmesser ja L. Calçada

Maailmankaikkeuden etäisyysennätys meni jälleen uusiksi

Pe, 03/04/2016 - 12:02 Markus Hotakainen
Galaksi GN-z11

Vajaa vuosi sitten onnistuttiin tekemään havaintoja galaksista, joka sijaitsee 13,1 miljardin valovuoden etäisyydellä. Nyt tuo ennätys on historiaa.

Kaukaisin tunnettu galaksi on peräti 13,4 miljardin valovuoden etäisyydellä. Maailmankaikkeudella oli tuolloin ikää alle 400 miljoonaa vuotta.

Hubble-avaruusteleskoopilla kuvattu galaksi GN-z11 on Ison karhun tähdistön suunnassa. Galaksi on tutkijoiden mukaan "yllättävän kirkas".

"Olemme ottaneet merkittävän askeleen ajassa taaksepäin, kauemmas kuin oletimme olevan mahdollista Hubblen avulla. Näemme galaksin ajanhetkenä, jolloin maailmankaikkeuden ikä oli ainoastaan kolme prosenttia nykyisestä eli hyvin lähellä niin sanotun Pimeän ajan päättymistä", toteaa tutkimusta johtanut Pascal Oesch Yalen yliopistosta.

Aiemmin GN-z11:n etäisyys oli arvioitu sen värin perusteella. Nyt onnistuttiin kuitenkin määrittämään kohteen spektrin avulla sen tarkka etäisyys. Laajenevassa maailmankaikkeudessa spektriviivojen siirtymän määrä kohti punaista kertoo, kuinka kaukana kohde on. 

"Suureksi yllätykseksemme Hubble antoi punasiirtymäksi 11,1, joka on paljon suurempi kuin edellinen ennätys 8,7. Suoritus on melkoinen, sillä avaruusteleskooppi onnistui päihittämään paljon suuremmat maanpäälliset kaukoputket, jotka pitivät aiempia ennätyksiä hallussaan", sanoo Pieter van Dokkum niin ikään Yalen yliopistosta.

Hänen mukaansa uusi etäisyysennätys pitänee pintansa siihen saakka, että James Webb -avaruusteleskooppi saadaan käyttöön vuonna 2018.

GN-z11 on havaintojen mukaan kooltaan ainoastaan 1/25 Linnunradasta ja sen tähtien massa on vain prosentin luokkaa kotigalaksimme tähtien massasta. Vastikään muodostunut galaksi kasvattaa kokoaan kuitenkin nopeasti, sillä siinä syntyy uusia tähtiä noin 20 kertaa nopeammin kuin Linnunradassa nykyisin. Siksi GN-z11 on niin kirkas, että siitä pystyttiin tekemään havaintoja Hubblella.

"On hämmästyttävää, että niin massiivinen galaksi saattoi olla olemassa vain 200–300 miljoonaa vuotta sen jälkeen kun ihkaensimmäiset tähdet alkoivat muodostua", aprikoi Garth Illingworth Kalifornian yliopistosta Santa Cruzista.

"Vaatii todella vauhdikasta kasvua ja tähtien syntyä huimaan tahtiin, jotta miljardin Auringon massainen galaksi on voinut muotoutua niin pian."

Tutkimuksesta kerrottiin Yalen yliopiston uutissivulla ja se julkaistaan Astrophysical Journal -tiedelehdessä. 

Kuva: NASA/ESA/P. Oesch (Yale University)

 

Vihreä herne - galaksi, joka kuumensi kosmoksen

To, 01/14/2016 - 23:09 Markus Hotakainen
Vihreä herne -galaksi

Alkuräjähdyksen jäljiltä maailmankaikkeus oli niin kuuma ja tiheä, että kaikki aine oli ionisoitunutta – toisin sanoen elektronit olivat ytimien ympäriltä karkuteillä. 

Kuitenkin jo 380 000 vuoden kuluttua lämpötila oli laskenut niin paljon, että atomien ytimet ja elektronit löivät hynttyyt yhteen. Alati laajeneva maailmankaikkeus muuttui läpinäkyväksi, säteily pääsi kulkemaan esteettä ja aine saattoi kasautua vety- ja heliumpilviksi.

Valtavista kaasupilvistä muodostuivat ensimmäiset ja tähdet ja galaksit – kunnes noin miljardi vuotta myöhemmin maailmankaikkeus kuumeni uudelleen.

Ylivoimaisesti yleisin alkuaine vety ionisoitui uudelleen, mutta tähän saakka syytä siihen ei ole tiedetty. Tai ainakin siitä on käyty kovaa kiistaa.

Nyt näyttäisi siltä, että syypäitä tähän kuumentumiseen olivat nuoret kääpiögalaksit. 

Galaksit ovat olleet aiemminkin epäiltyjen listalla, mutta kansainvälinen tutkijaryhmä on tehnyt Hubble-avaruusteleskoopilla ultraviolettihavaintoja, jotka vahvistavat arvelun. 

Tutkimuksen kohteena oli suhteellisen läheinen, hyvin tiivis kääpiögalaksi. Sen todettiin lähettävän voimakkaasti ionisoivaa säteilyä, juuri sellaista, joka voisi olla vastuussa maailmankaikkeuden alkuaikojen ionisaatiosta.

"Galaksi vaikuttaa erinomaiselta paikalliselta vastineelta lukuisille kääpiögalakseille, joiden on arveltu aiheuttaneen varhaisen maailmankaikkeuden ionisoitumisen uudelleen", toteaa tutkijaryhmää johtanut Trinh Thuan Virginian yliopistosta.

Teorian ongelmana on ollut se, että galaksien lähettämän ionisoivan säteilyn pitää päästä etenemään galaksienväliseen avaruuteen: yleensä sen matka päättyy jo galaksien omiin kaasu- ja pölypilviin. Aiemmin ei ole onnistuttu havaitsemaan galaksia, joka lähettäisi riittävästi ultraviolettisäteilyä riittävän kauas avaruuteen.

Tuoreen tutkimuksen kohteiksi valittiin "vihreiksi herneiksi" kutsuttuja pienikokoisia, pyöreitä, hyvin tiiviitä ja näkyvän valon alueella vihreinä näkyviä galakseja. Niissä tapahtuu voimakkaita supernovaräjähdyksiä, joissa vapautuvat ionisoivat fotonit pääsevät galaksienväliseen avaruuteen saakka. Tai näin oletettu. Ja ihan syystä.

Sloan Digital Sky Survey -kartoituksen tietokannasta löytyi peräti 5 000 galaksia, jotka ovat hyvin tiiviitä ja säteilevät hyvin voimakkaasti ultraviolettialueella. Niistä viisi valittiin Hubble-avaruusteleskoopilla tehtävien havaintojen kohteiksi.

Yksi niistä, kuvassa näkyvä J0925+1403, on noin kolmen miljardin valovuoden etäisyydellä. Vain noin 6 000 valovuoden läpimittaisen galaksin todettiin lähettävän ionisoivia fotoneita voimakkaammin kuin koskaan aiemmin on havaittu.

"Hubblella tehtävien lisähavaintojen avulla odotamme ymmärtävämme paremmin, miten fotonit sinkoutuvat tällaisista galakseista, ja millaiset galaksit saivat aikaan kosmisen ionisoitumisen", sanoo Trinh.

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert-uutissivustolla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA

Koko maailmankaikkeus yhdessä kuvassa

Ti, 01/05/2016 - 09:38 Jari Mäkinen
Maailmankaikkaus Pablo Carlos Budassin mukaan

Voisiko koko maailmankaikkeuden laittaa yhteen kuvaan? Mikä ettei, ajatteli taiteilija Pablo Carlos Budassi, ja koosti yhdessä Princetonin yliopiston tähtitieteilijöiden kanssa tämän kuvan, missä maapallo on keskellä ja koko universumi ympärillä logaritmisessa mittakaavassa.

Päivän kuvaKuvassa on koostettuna suuri määrä teleskoopeilla, luotaimilla ja jopa Mars-kulkijoilla otettuja kuvia, jotka tähtitieteilijät J. Richard Gott ja Mario Juric keräsivät taiteilijan pyynnöstä. Lisäksi kuvassa on spektrivärit yli kolmesta miljoonasta kohteesta, eli väritys kuvassa vastaa varsin lähelle luonnollista.

Maa on keskellä ja maailmankaikkeus sen ympärillä siten, että kohteet eivät ole suinkaan kooltaan oikeassa suhteessa toisiinsa, mutta kappaleiden ja kohteiden etäisyydet ovat jotakuinkin oikeassa suhteessa logaritmisen asteikon mukaan laskettuna.

Mittakaava siis muuttuu nopeasti keskeltä ulospäin mentäessä – tässä tapauksessa kymmenkantaisesti, eli koko ajan kymmenen kertaa suuremmaksi muuttuen.

Näin kuvaan saadaan mukavasti mukaan planeettoja, Kuiperin vyöhyke, Oortin pilvi, Alfa Kentauri, Perseuksen haara Linnunradassa ja sen jälkeen muut osat kotigalaksistamme, sekä lopulta lähigalakseja, kauempia tähtijärjestelmiä ja niin sanottu galaksimuuri, ja aivan uloimpana big bangin jälkikaikuina oleva plasmaa. 

Itse asiassa Princetonin tähtitieteilijät ovat tuottaneet logaritmisia maailmankaikkeuskarttoja jo aikaisemminkin, mutta Pablo Carlos Budassi halusi tehdä niiden perusteella visuaalisesti miellyttävämmän kuvan.

Kuvan täysikokoinen versio on täällä.

Suomalaistutkijat selvittivät: Higgsin hiukkanen pelasti maailmankaikkeuden

Ke, 12/09/2015 - 17:00 Markus Hotakainen
Taiteilijan näkemys maailmankaikkeuden alkuhetkistä

Kun Higgsin hiukkanen, joka antaa muille hiukkasille massan, löydettiin CERNissä vuonna 2012, yksi hiukkasfysiikan niin sanotun standardimallin keskeisistä palasista loksahti paikalleen. Samalla heräsi visaisia kysymyksiä, joista yksi liittyy koko kosmokseen: miten maailmankaikkeus voi olla olemassa.

Higgsin hiukkaset syntyivät, kun maailmankaikkeus laajeni inflatorisesti. Teorioiden mukaan sen olisi pitänyt johtaa epävakauteen, josta olisi ollut seurauksena maailmankaikkeuden romahtaminen heti alkumetreillään. Niin ei käynyt, koska olemme täällä pohtimassa siihen syytä.

Lontoon Imperial Collegessa professorina toimiva Arttu Rajantie selvitti työryhmineen viime vuonna, että maailmankaikkeuden pelasti luhistumiselta Higgsin hiukkasen ja gravitaation välinen vuorovaikutus. Nyt työryhmä on saanut määritettyä tuon vuorovaikutuksen voimakkuuden paljon aiempaa tarkemmin.

Vuorovaikutuksen voimakkuus on standardimallin viimeinen tuntematon parametri. CERNin LHC-kiihdyttimellä (Large Hadron Collider) tehtyjen kokeiden perusteella sen arvo on saatu määritettyä hyvin epätarkasti miinus kvadriljoonan ja kvadriljoonan välille (-1015–1015).

Tutkimalla välittömästi inflaatiota seurannutta ajanjaksoa, jolloin maailmankaikkeuden laajeneminen hidastui ja tasaantui, työryhmä on onnistunut parantamaan tarkkuutta huimasti: arvo on tuoreen arvion mukaan nollan ja yhden välillä. Jos se olisi suurempi kuin yksi, maailmankaikkeus olisi luhistunut kasaan.

Maailmankaikkeuden varhaisia vaiheita kuvaavia inflaatioteorioita on useita ja monet niistä ovat sopusoinnussa uuden tuloksen kanssa. Jatkotutkimukset ja tulevat havainnot saattavat auttaa tutkijoita ratkaisemaan, mikä teorioista on oikea.

"Olemme määrittäneet Higgsin hiukkasen ja gravitaation väliselle voimakkuudelle paljon aiempaa rajatumman vaihteluvälin", toteaa Rajantie. "Tulevissa hiukkaskokeissa ja kosmologisissa havainto-ohjelmissa tiedämme nyt paremmin, mitä etsiä, jotta saisimme selville tarkan arvon. Kun se yhdistetään muihin tietoihin, voimme kenties ratkaista, mikä inflaatioteoria on se oikea."

Tulevaisuudessa on tarkoitus toteuttaa useitakin kosmologiaan ja hiukkasfysiikkaan liittyviä tutkimushankkeita, joilla vuorovaikutuksen voimakkuuden arvoa pystytään entisestään tarkentamaan. 

Esimerkiksi LHC-kiihdyttimen energia on kaksinkertaistettu sitten Higgsin hiukkasen löytymisen ja vastikään avaruuteen laukaistu LISA Pathfinder -luotain tähtää gravitaatioaaltojen havaitsemiseen – ja ne voivat kertoa osaltaan myös maailmankaikkeuden varhaisvaiheiden olosuhteista.

Tutkimuksesta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja se on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Imperial College London