kertymäkiekko

Mustan aukon pyöriminen säätelee ainesuihkujen syntyä

Pe, 01/12/2018 - 18:50 Markus Hotakainen

Galaksien keskuksissa lymyäviä supermassiivisia mustia aukkoja tunnetaan jo niin paljon, että niiden ominaisuuksia voidaan selvitellä tilastollisesti. Tällä tavoin on nyt saatu tietoa siitä, miten aukkojen pyörimisliike vaikuttaa niiden lähistöltä suurella nopeudella sinkoutuvien aihesuihkujen syntyyn.

Suihkujen lähettämää säteilyä havaitaan erityisesti kvasaareissa, jotka ovat maailmankaikkeuden kirkkaimpiin kuuluvia kohteita. Kvasaarien energia on peräisin miljoonia kertoja Aurinkoa massiivisempien mustien aukkojen kertymäkiekoista, joissa lähiympäristön aine kiertyy kohti kosmista imuria. Vain osa tästä energiasta säteilee radioalueella, sillä ainoastaan noin 10 prosenttia kvasaareista on "kirkkaita" radiosäteilyn aallonpituuksilla.  

Jo aiemmin on tiedetty, että radiosäteilyn voimakkuuteen vaikuttaa se, välttääkö osa kertymäkiekon aineesta karun kohtalon ja päätyy mustan aukon sijasta sen pyörimisakselin suuntaisiin ainesuihkuihin, jotka voivat sinkoutua miljoonien valovuosien etäisyydelle.

Tähän saakka ei kuitenkaan ole tiedetty, miksi joissakin kvasaareissa suihkuja esiintyy, joissakin taas ei.  

Andreas Schulzen johtama ryhmä Japanin kansallisessa tähtitieteen observatoriossa (National Astronomical Observatory of Japan) selvitti, vaikuttaako ainesuihkujen syntyyn supermassiivisen mustan aukon pyöriminen. 

Mustia aukkoja ei – ainakaan toistaiseksi – pystytä havaitsemaan suoraan, joten Schulze tarkasteli kollegoineen aukkoja ympäröivissä kertymäkiekoissa esiintyvän hapen ionin (O III) lähettämän säteilyn voimakkuutta. Se kertoo, kuinka paljon aukkoon syöksyvä aine vapauttaa energiaa. Siitä on puolestaan mahdollista määrittää aukon pyörimisliike ja -nopeus.

Analysoimalla lähes 8 000 Sloan Digital Sky Survey -aineistosta löytyvää kvasaaria Schulzen tutkijaryhmä huomasi, että hapen O III -emissio on radioalueella voimakkaasti säteilevissä kvasaareissa keskimäärin 1,5 kertaa suurempi kuin vaitonaisissa. Vinha pyörimisliike näyttää siis olevan merkittävä tekijä ainesuihkujen synnyn kannalta.

"Tutkimusmenetelmämme nojaa muiden vastaavien tavoin useisiin olettamuksiin. Tuloksemme eivät tietenkään tarkoita, että pyörimisliike olisi ilman muuta ainoa tekijä, joka erottaa radioalueella 'äänekkäät' ja 'hiljaiset' kvasaarit. Ne kuitenkin viittaavat siihen, että pyörimisliikettä ei pidä jättää huomiotta. Se saattaa määrittää näiden kaukaisten ainetta ahmivien hirviöiden melutason", Schulze pohtii.

Tutkimus julkaistiin alun perin Astrophysical Journal -lehdessä (maksullinen).

Kuva: NAOJ

Musta aukko jäi kiinni itse teosta

To, 11/26/2015 - 21:29 Markus Hotakainen
Supermassiivinen musta aukko nielaisee tähden

Vaikka mustien aukkojen kuvitellaan usein olevan kosmisia imureita, jotka säälittä ahmivat kaiken, on hyvin harvinaista, että päästäisiin seuraamaan edes yksittäisen tähden katoamista.

"Olemme nähneet ehkä vain parikymmentä tapausta", toteaa Gemma Anderson Curtin-yliopiston radioastronomian tutkimuskeskuksesta.

"Mustia aukkoja koskevan tietämyksemme perusteella meidän pitäisi havaita aihesuihku, kun tähti hajoaa, mutta toistaiseksi sellainen on nähty vain muutamassa kaikkein rajuimmassa tapahtumassa. Nyt olemme vihdoin löytäneet yhden melko tavallisessa kohteessa."

Ensimmäistä kertaa on onnistuttu tekemään havaintoja sekä mustaa aukkoa kohti syöksyvän aineen muodostamasta kertymäkiekosta että siitä lähtevästä suihkusta. Arvioiden mukaan suihkussa vapautuu energiaa saman verran kuin Aurinko säteilee kymmenessä miljoonassa vuodessa.

Todennäköisesti kaikista supermassiivista mustista aukoista sinkoaa ainesuihkuja, kun ne nielevät tähtiä, mutta aiemmin niitä on havaittu vain harvoin. Tällä kertaa havaitsemista auttoi kohteen suhteellisen pieni etäisyys, ainoastaan 300 miljoonaa valovuotta. Lisäksi sitä päästiin tutkimaan pian, vain kolme viikkoa, löytymisensä jälkeen. 

"Kyse oli siitä, että katsoimme sitä oikeaan aikaan ja riittävällä herkkyydellä", arvioi James Miller-Jones samaisesta tutkimuskeskuksesta. "Silloin on mahdollista havaita suihku täsmälleen siellä, missä sen pitäisikin olla."

Havaintolaitteiden herkkyyttä pyritään parantamaan entisestään, jotta supermassiivisia mustia aukkoja päästäisiin tutkimaan tarkemmin. Havaintojen avulla on mahdollista täsmentää käsityksiä aukkojen ominaisuuksista ja niihin liittyvistä ilmiöistä.

Tutkimuksesta kerrottiin ICRAR:n (International Centre for Radio Astronomy Research) uutissivuilla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/Goddard Space Flight Center/Swift

Liian iso kokoisekseen: gigalomaaninen musta aukko

La, 09/26/2015 - 13:48 Markus Hotakainen
Musta aukko kertymäkiekkoineen

Kuinka suuri voi supermassiivinen musta aukko olla? Ilmeisesti paljon suurempi kuin aiemmin pidettiin edes mahdollisena.

SAGE0536AGN-nimellä tunnetun galaksin keskustassa on musta aukko, joka uhkaa pistää uusiksi teoriat galaksien kehityksestä. 

Itse galaksi (alla olevassa kuvassa keskellä) löytyi infrapuna-alueella havaintoja tekevällä Spitzer-avaruusteleskoopilla. Yhdeksän miljardin valovuoden etäisyydellä sijaitsevalla tähtijärjestelmällä on aktiivinen ydin, jonka kirkkauden on arveltu olevan peräisin supermassiivista mustaa aukkoa ympäröivästä kertymäkiekosta.

 

 

Tutkijat ovat nyt saaneet varmistettua, että galaksin keskustassa todella lymyää musta aukko: sitä kiertävän kaasun nopeus on niin suuri, että se selittyy ainoastaan hyvin kompaktilla ja hyvin massiivisella kappaleella.

Etelä-Afrikassa sijaitsevalla kymmenmetrisellä SALT-teleskoopilla (Southern African Large Telescope) tehtyjen havaintojen perusteella galaksin spektrissä esiintyvä vedyn emissioviiva on leventynyt huomattavasti, mikä kertoo kaasun liikkuvan suurella nopeudella sekä meitä kohti että meistä poispäin: mustan aukon kertymäkiekko pyörii vinhasti.

Spektrihavaintojen perusteella tutkijat määrittivät mustan aukon massan ja yllättyivät. Aukko on 350 miljoonaa kertaa Aurinkoa massiivisempi. Siinä ei vielä ole mitään erityisen poikkeuksellista, mutta galaksin itsensä massa on ainoastaan 70 kertaa suurempi eli noin 25 miljardia kertaa Auringon massa. 

Vallitsevien käsitysten mukaan musta aukko on noin 30 kertaa massiivisempi kuin tämänkokoisen galaksin keskustassa voisi ylipäätään olla.

"Galaksit ovat massiivisia, samoin niiden keskustoissa olevat mustat aukot. Tämä yksilö on kuitenkin ihan liian iso kokoisekseen – sen ei pitäisi edes voida olla niin suuri", ihmettelee Jacco van Loon, joka johti tutkijaryhmää.

Yleensä galaksien mustat aukot kasvavat samaa tahtia galaksien kanssa, mutta tässä tapauksessa musta aukko on kasvanut paljon kiivaammin. Toinen vaihtoehto on, että galaksin kasvu on jostain syystä pysähtynyt.

SAGE0536AGN löytyi sattumalta, joten samanlaisia kohteita voi olla enemmänkin. Se ei siis välttämättä ole mikään kummajainen vaan ainoastaan uuden galaksiluokan ensimmäinen tunnettu edustaja.

Tutkimuksesta kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivuilla ja se on julkaistu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä.

Kuvat: NASA/Dana Berry/SkyWorks Digital [musta aukko], ESO [galaksi]

 

 

Neutronitähdet iskevät takaisin

To, 08/06/2015 - 13:02 Markus Hotakainen
Neutronitähden aihesuihkut

Mustat aukot eivät ole yksioikoisia kosmisia imureita, jotka ahmivat kitaansa kaiken eteensä osuvan. Niiden ympärillä on usein aukkoon putoavasta aineesta muodostunut kertymäkiekko – periaatteessa samanlainen pyörre kuin pesualtaan pohjasta pois valuvassa vedessä – ja sen pyörimisakselin myötäinen, kahteen suuntaan kiitävä hiukkassuihku.

Tähän saakka on arveltu, että voimallisten ilmiöiden aikaansaajana mustat aukot ovat ylivertaisia. Vaan eivätpä olekaan. Tuoreiden havaintojen mukaan neutronitähdet pystyvät loihtimaan jokseenkin yhtä energistä myllerrystä niitä ympäröivään avaruuteen.

"Se on yllättävää ja kertoo siitä, että joissakin neutronitähden ja tavallisen tähden muodostamissa järjestelmissä tapahtuu sellaista, mitä emme ole kuvitelleetkaan", toteaa Adam Deller ASTRONista, Alankomaiden radioastronomian instituutista (Netherlands Institute for Radio Astronomy).

Mustat aukot ovat maailmankaikkeuden tiheimpiä kohteita, mutta neutronitähdet tulevat hyvänä kakkosena. Kaksoistähtijärjestelmissä kumpikin voi vetää puoleensa kumppaninaan olevan tavallisen tähden ainetta. Osa aineesta saattaa sinkoutua kauas avaruuteen liki valon nopeudella etenevinä suihkuina.

Vähäinenkin mustaan aukkoon syöksyvä aine voi aiheuttaa suihkuja, jotka säteilevät voimakkaasti radioalueella. Neutronitähteen putoavan kaasun määrän pitää kuitenkin olla hyvin suuri, jotta seurauksena olisi havaittava ainesuihku – tai näin kuviteltiin.

Vastikään neutronitähdestä nimeltä PSR J1023+0038 tehdyt röntgen- ja radiohavainnot kertovat toista. Anne Archibaldin, toisen ASTRONin tutkijan, vuonna 2009 löytämä kohde on niin sanottu "muuttuva millisekuntipulsari". 

Neutronitähti saattaa olla vuosikausia rauhallisessa "lepotilassa", kunnes se taas alkaa kerätä ympärilleen ainetta. Vuosina 2013–14 sen havaittiin vetävän ainetta puoleensa hyvin vähäisiä määriä, joten mahdollisesti syntyvän suihkun arveltiin olevan heikko.

"Odottamatta VLA-radioteleskoopilla tehdyt havainnot kertoivat voimakkaasta säteilystä, joka viittasi lähes yhtä voimakkaaseen suihkuun kuin mustien aukkojen yhteydessä oletetaan syntyvän", Deller kertoo.

Sittemmin on löydetty kaksi muutakin "muuttuvaa" järjestelmää ja kummassakin esiintyy suihkuja, jotka ovat ominaisuuksiltaan mustien aukkojen luokkaa. Toistaiseksi ilmiölle ei ole löytynyt selitystä, mutta Dellerin johtaman ryhmän on tarkoitus tehdä tällaisista kaksoistähtijärjestelmistä lisähavaintoja ja etsiä myös ennestään tuntemattomia. Uusien havaintojen toivotaan antavan eväitä ilmiön teoreettiselle tarkastelulle ja paljastavan syyn neutronitähtien odottamattomalle energisyydelle.

Uusista löydöistä kerrottiin NRAO:n (National Radio Astronomy Observatoryuutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Muinainen monsteri – tutkijat löysivät ultramassiivisen mustan aukon

Ke, 02/25/2015 - 14:12 Markus Hotakainen
Kuva: ESO / M. Kornmesser

Pekingin yliopiston professorin Xue-Bing Wun johtama tutkijaryhmä on löytänyt kirkkaimman tunnetun kvasaarin, jonka voimanlähteenä on valtaisa musta aukko. SDSS J0100+2802 loistaa ennätykselliset 420 biljoonaa kertaa Aurinkoa suuremmalla säteilyteholla.

Tai loisti: kvasaarilla on etäisyyttä 12,8 miljardia valovuotta, joten sen säteily on lähtenyt matkaan, kun maailmankaikkeudella oli ikää vasta noin miljardi vuotta.Todennäköisesti kvasaarin loiste on hiipunut jo aikakausia sitten.

Vajaan miljardin vuoden ikäinen universumi oli muuttumassa radikaalisti, kun ensimmäisten galaksi- ja kvasaarisukupolvien säteily päätti "kosmisen pimeän kauden". Toistaiseksi onkin arvoitus, miten näin suuri musta aukko on voinut muodostua pian sen jälkeen, kun ensimmäiset tähdet ja galaksit vasta alkoivat loistaa.

Kvasaarit ovat nuorten galaksien kehitysvaiheita. Tähtijärjestelmän keskuksessa olevalla mustalla aukolla on runsaasti kaasua ahmittavanaan ja sen ympärille muodostuvan kertymäkiekon ilmiöt saavat aikaan kvasaarin suuren kirkkauden. Kun purtava loppuu, musta aukko rauhoittuu ja kvasaari sammuu – jos asian ilmaisee hyvin yksinkertaistetusti.

Vaikka suurin osa kvasaareista on etäällä meistä, näin kaukaiset ovat harvinaisuuksia. Vuodesta 1963 lähtien kosmisia majakoita on löydetty yli 200 000, mutta ainoastaan neljänkymmenen etäisyys on yli 12,7 miljardia valovuotta. Vaikka miljardin vuoden ikäinen maailmankaikkeus oli paljon nykyistä pienempi, kvasaareja oli silti harvassa. Niiden kukoistuskausi oli vasta alkamassa.

 

Monsterikvasaarin punasiirtymä on 6,3, kun "ennätys" on tällä hetkellä 7,085. Se ei siis ole etäisin kvasaari, mutta ero ei ole suuri: kaukaisin tunnettu kvasaari on 13 miljardin valovuoden etäisyydellä. SDSS J0100+2802 on seitsemän kertaa sitä kirkkaampi ja kaukaisin kvasaari, joka on löytynyt ainoastaan 2,4-metrisellä kaukoputkella.

Yllä vasemmalla olevaan kaavioon on sijoitettu kvasaareja niiden mustan aukon massan ja säteilytehon mukaisesti. Oikeanpuoleisessa kuvassa näkyvä SDSS J0100+2802 on kummankin suhteen omilla kymmenluvuillaan.

 
Myös Linnunradan keskuksessa on supermassiivinen musta aukko, joka on todennäköisesti tehnyt kauan sitten omasta kotigalaksistamme kvasaarin. Nyt löytynyt kohde on kuitenkin aivan toista luokkaa. Linnunradan mustan aukon massa on noin kolme miljoonaa Auringon massaa, mutta SDSS J0100+2802 -kvasaarin "moottori" on 4 000 kertaa massiivisempi.

 

Kuva: John Hill / LBTO

Vaikka SDSS J0100+2802 säteilee hyvin voimakkaasti, suuren etäisyyden takia se näkyy taivaalla vain himmeänä valopisteenä. Kvasaarin tutkimiseen käytettiinkin kovan luokan kalustoa eri puolilla maailmaa.

Havaintoja tehtiin 2,4 metrin Lijiang-teleskoopilla Yunnanissa Kiinassa, 6,5-metrisellä MMT:llä (Multiple Mirror Telescope) ja 8,4-metrisellä LBT:llä (Large Binocular Telescope; kuvassa yllä) Arizonassa Yhdysvalloissa, 6,5-metrisellä Magellan-teleskoopilla Las Campanasissa Chilessä ja 8,4-metrisellä pohjoisella Gemini-kaukoputkella Mauna Kealla Havaijilla.

Valovoimaisen kvasaarin jatkotutkimusten toivotaan antavan viitteitä galaksien muotoutumisesta ja kvasaarien kehitysvaiheista sekä supermassiivisten mustien aukkojen synnystä ja niitä ympäröivien galaksien vuorovaikutuksesta hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa.

Tutkimuksesta kerrottiin esimerkiksi LBT-observatorion sivuilla ja tulokset julkaistaan Nature-tiedelehdessä huomenna 26. helmikuuta.