galaksien synty

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

Supermassiiviset mustat aukot ovat oudossa ojennuksessa

Ma, 04/11/2016 - 21:14 Markus Hotakainen
ELAIS-N1

Eteläafrikkalaiset tutkijat ovat todenneet, että kaukaisten galaksien supermassiiviset mustat aukot ovat suunnanneet ainesuihkunsa omituisen säännöllisesti – samaan suuntaan.

Kolme vuotta kestänyt havaintoprojekti toteutettiin GMRT-teleskoopilla (Giant Metrewave Radio Telescope) ja sen kohteena oli tunnuksella ELAIS-N1 tunnettu avaruuden alue. Vasemmanpuoleiseen kuvaan on ympyröity galakseja, joiden mustat aukot suihkuavat samaan suuntaan.

Suihkujen samansuuntaisuus kertoo myös siitä, että havaittujen galaksien supermassiiviset mustat aukot pyörivät samaan suuntaan. Tällainen tuplasattuma ei voi olla sattumaa, vaan sen taustalla täytyy olla jokin yhteinen tekijä, joka on saanut suuntauksen aikaan. 

"Koska kyseiset mustat aukot eivät tiedä toisistaan mitään eivätkä pysty vaihtamaan keskenään informaatiota tai vaikuttamaan suoraan toisiinsa valtavien etäisyyksien päästä, niiden pyörimissuuntien on täytynyt asettua samansuuntaisiksi jo galaksien syntyessä maailmankaikkeuden nuoruudessa", tutkimusta johtanut Andrew Russ Taylor toteaa.

Havainnot viittaavat siihen, että näin suurella avaruuden alueella esiintyvä samansuuntainen pyörimisliike on perua alkuperäisistä tiheysvaihteluista, jotka olivat maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenteiden lähtökohtana.

Tutkimuksen tulos oli yllätys. Tarkoituksena oli vain tutkia maailmankaikkeuden heikoimpia radiolähteitä. Samankaltaisia suuntausilmiöitä on havaittu aiemminkin, mutta paljon pienemmässä mittakaavassa. Nyt saatiin ensimmäisen kerran todisteita yli 300 miljoonan valovuoden läpimittaisella alueella esiintyvästä ilmiöstä. 

Sen lisäksi, että löytö oli odottamaton, tällaiselle laajamittaiselle yhdensuuntaisuudelle ei toistaiseksi ole kunnollista teoriaa. Mahdollisia ehdokkaita suuntauksen aiheuttajiksi ovat muiden muassa kosmiset magneettikentät, eksoottisiin hiukkasiin liittyvät kentät sekä kosmiset jänteet.

Olipa taustalla mikä tahansa tekijä, sen on täytynyt vaikuttaa paljon galaksijoukkoja laajemmilla alueilla siinä vaiheessa, kun galaksit alkoivat muotoutua. 

"Alamme ymmärtää, miten maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenne on syntynyt: alkuräjähdyksestä lähtien varhaisen maailmankaikkeuden häiriöt kasvoivat nykyisiin mittoihin", kertoo Taylor. "Se auttaa meitä myös selvittämään, millainen on tulevaisuuden maailmankaikkeus."

Tutkimuksesta kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivuilla ja se on julkaistu Seuran Monthly Notices -tiedelehdessä.

Kuva: Andrew Russ Taylor

Jättimäiset vauvagalaksit ovat kietoutuneet pimeään aineeseen

Ma, 12/07/2015 - 20:39 Markus Hotakainen
Galaksijoukko ja pimeän aineen verkosto

ALMA-radioteleskoopilla (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) on löytynyt 11,5 miljardin valovuoden etäisyydeltä joukko hyvin nuoria galakseja, jotka asustavat suunnattomien pimeän aineen säikeiden risteyskohdassa.

Yli kymmenen miljardia vuotta sitten galakseissa syntyi tähtiä satoja tai tuhansia kertoja tiuhempaan tahtiin kuin Linnunradassa. Nykyisin tällaisia galakseja ei enää ole, mutta niiden uskotaan kehittyneen jättimäisiksi ellipsigalakseiksi, joita havaitaan maailmankaikkeudessa edelleen olevan. 

Galaksien syntyä koskevien teorioiden mukaan varhaiset galaksit muotoutuivat pimeään aineen tihentymissä. Aiemmin on kuitenkin ollut vaikea tehdä riittävän tarkkoja havaintoja tähtiä kiivaaseen tahtiin synnyttävistä galakseista ja niiden sijainneista, jotta teorioita voitaisiin testata.

Yhtenä ongelmana on, että muinaiset galaksit olivat usein pölypilvien kätköissä, jolloin niitä on hankala havaita näkyvän valon alueella. Ne säteilevät voimakkaasti alimillimetrialueella, mutta radioteleskooppien tarkkuus ei ole riittänyt yksittäisten galaksien erottamiseen.

Japanilainen tutkijaryhmä onnistui tekemään Chilessä sijaitsevalla ALMA-radioteleskoopilla Vesimiehen tähdistössä sijaitsevasta SSA22-kohteesta havaintoja, jotka paljastivat yhdeksän vauvagalaksin rykelmän.

Aiemmin ASTE-teleskoopilla (Atacama Submillimeter Telescope Experiment) tehdyissä havainnoissa erottui vain yksi kookas radiosäteilyn lähde (vasemmanpuoleinen ruutu), mutta ALMAn kymmenkertaisella herkkyydellä ja 60-kertaisella erotuskyvyllä se hajosi erillisiksi galakseiksi (keskimmäinen ruutu). Oikeanpuoleisessa ruudussa on 8,2-metrisellä Subaru-teleskoopilla näkyvän valon alueella otettu kuva.

Kun havainnot galakseista ja niiden sijainneista toistensa suhteen yhdistettiin, saatiin muodostettua kuva paitsi galaksijoukon rakenteesta, myös sen ympärillä olevasta laajasta pimeän aineen verkostosta. 

Nuoret jättigalaksit näyttävät olevan täsmälleen pimeän aineen säikeiden risteyskohdassa. Siten havainto tukisi käsitystä, että suuret galaksit todellakin syntyvät pimeän aineen tihentymien kohdalla. Ja koska nykyiset jättiläisellipsit ovat samanlaisia galakseja, mutta vain ikääntyneinä, niidenkin on täytynyt syntyä vastaavanlaisten rakenteiden solmukohdissa. 

Yksi tunnetuimmista suuren mittakaavan rakenteista on "Suuri muuri", jättimäinen galaksijoukkojen ketju, jolla on mittaa yli 500 miljoonaa vuotta. SSA22-alueella havaittu rakenne saattaa olla samanlaisen "muurin" esiaste. 

Tutkimuksesta kerrottiin ALMAn uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal Letters -tiedelehdessä.

Kuvat: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) [otsikkokuva], ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ, H. Umehata (The University of Tokyo) [kuvasarja]