Auringon isovanhemmat esittäytyvät
Ensimmäiset alkuräjähdyksen jälkeen syttyneet tähdet ovat hävinneet jo kauan sitten, mutta niistä on säilynyt jotain. Kerromme, kuinka hyvin tutkijoiden löytämä vanha tähti sopii Auringon sukupuuhun.
Tähtiä syntyi jo silloin, kun maailmankaikkeus oli ollut olemassa vasta satoja miljoonia vuosia. Näin on ainakin oletettu, vaikka tutkijat eivät ole onnistuneet löytämään niitä tähtiä, jotka sytyttivät valot pimeyteen.
Tiedetään, että 13,8 miljardia vuotta vanhan universumin olemassaolon aikana on täytynyt syntyä kolme tähtisukupolvea. Ensimmäisestä sukupolvesta ei ole kuitenkaan nähty vilaustakaan, vaikka siihen kuuluvia tähtiä etsitty vuosikymmeniä taivaalta teleskoopeilla.
Kansainvälinen tutkimusryhmä alkoi soveltaa toista menetelmää etsiessään Auringon edeltäjiä ja löysi kvasaariksi kutsutulta kaukaista mustaa aukkoa ympäröivältä erittäin kirkkaalta alueelta ensimmäisen tähtisukupolven kemiallisen sormenjäljen.
Löytö paljastaa, että Auringon ”isoäiti” oli hyvin iso. Vaikka jättiläistähti räjähti supernovana yli 13 miljardia vuotta sitten, sen sisuksissaan takomat alkuaineet ovat säilyneet Auringossa ja muissa tähdissä.
Tutkijat pystyvätkin nyt kirjoittamaan tähtien koko historian maailmankaikkeuden alusta tähän päivään asti.
Tähdet palavat biljoonia vuosia
Kotiplaneettamme koostuu sellaisista alkuaineista kuin happi, pii, alumiini ja rauta. Niitä ei ollut olemassa silloin, kun maailmankaikkeus alkoi kehittyä.
Alkuräjähdyksessä syntyi vain paljon vetyä, jonkin verran heliumia ja vähän litiumia – eli kolmea kevyintä alkuainetta. Muut tunnetut alkuaineet ovatkin enimmäkseen tähtien tuottamaa.
Tähdessä yhtyvistä kevyistä polttoaineista syntyy raskaampia aineita. Tähden valo ja lämpö ovat peräisin fuusioreaktioista.
Tähtien hehkuvissa sisuksissa kevyet alkuaineet yhtyvät raskaammiksi aineiksi. Kevyiden atomiytimien sulautuminen yhteen eli fuusioituminen tuottaa energiaa. Valo ja lämpö juontuvat nimenomaan niistä ydinreaktioista, joiden tuloksena syntyy raskaampia alkuaineita.
Nykyään muodostuvat tähdet koostuvat enimmäkseen vedystä ja heliumista, mutta ne sisältävät myös monia muita alkuaineita, jotka ovat peräisin muinaisista tähdistä.
On perusteltua olettaa, että ensimmäinen tähtisukupolvi syntyi kauan sitten vedystä, heliumista ja litiumista. Sitä edustavista tähdistä käytetään – helposti väärin ymmärrettävää – nimitystä populaatio III. Syynä on se, että tähtitieteilijät tutustuivat tähän vanhimpien tähtien ryhmään viimeisenä.
Tähdet jaetaan nykyään kolmeen sukupolveen. Jokaisella populaatiolla on oma tunnusmerkillinen alkuainekoostumuksensa.
Ensimmäinen sukupolvi syntyi, kun alkuräjähdyksestä oli kulunut vain satoja miljoonia vuosia. Toisen sukupolven tähdet muodostuivat edeltäjiensä jäännöksistä. Ja noin 2,8 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen alkoi ilmestyä kolmannen sukupolven tähtiä, ja niitä tulee jatkuvasti lisää.
Kaikkien aikojen tähdet jaetaan kolmeen sukupolveen
Ensimmäiset tähdet muodostuivat alkuräjähdyksessa 13,8 miljardia vuotta sitten syntyneistä vedystä ja heliumista. Ne paloivat loppuun, ja niiden jäännöksistä kehittyi uusia tähtiä. Eri aikojen tähdet edustavat kolmea populaatiota.
1. Jättiläistähdet toivat valoa pimeyteen
Tähtiä alkoi syntyä satoja miljoonia vuosia alkuräjähdyksen jälkeen, kun suuret vety- ja heliumpilvet luhistuivat. Ensimmäiset tähdet olivat yli 100 kertaa niin painavia kuin Aurinko, mutta ne paloivat nopeasti loppuun. Siksi niitä ole koskaan löydetty.
2. Tähteet poikivat uusia tähtiä
Seuraava tähtisukupolvi syntyi edeltäneen sukupolven jäännöksistä. Sen kaikkein pitkäikäisimpiä edustajia ovat punaiset kääpiöt, joita on yhä Linnunradan keskustassa ja kotigalaksiamme kiertävissä tähtijoukoissa. Ne ovat yleensä 11–13 miljardia vuotta vanhoja.
3. Tähtitehtaat toimivat yhä
Linnunradan tähdet ovat nykyään enimmäkseen melko nuoria. Hyvä esimerkki on Aurinko, jolla on ikää alle viisi miljardia vuotta. Etenkin galaksin kierteishaaroissa syntyy jatkuvasti uusia tähtiä aiemmista tähtisukupolvista peräisin olevista kaasusta ja pölystä.
Tähdet voivat olla hyvin pitkäikäisiä, sillä polttoaine saattaa riittää jopa biljooniksi vuosiksi. Maailmankaikkeus on ollut olemassa paljon lyhyemmän ajan: 13,8 miljardia vuotta. Periaatteessa olisi siis mahdollista, että osa kaikkein varhaisimmista tähdistä olisi säilynyt näihiin päiviin asti.
Tähtien elinkaari riippuu kuitenkin niiden koosta, eikä kaikilla tähdillä ole ollut edellytyksiä säilyä hyvin kauan.
Suurimmissa tähdissä vallitsee niin kova paine ja korkea lämpötila, että ne käyttävät kaiken polttoaineensa jo miljoonien vuosien kuluessa.
280 kertaa Aurinko oli massaltaan tähtitieteilijöiden löytämä varhainen jättiläistähti.
Auringon kaltainen keskikokoinen tähti voi palaa noin kymmenen miljardia vuotta. Aika on lyhyempi kuin maailmankaikkeuden ikä, mutta jos ensimmäisen sukupolven tähti olisi Aurinkoa pienempi punainen kääpiö, se saattaisi yhä olla olemassa.
Tähtitieteilijät ovat etsineet jo 40 vuotta turhaan punaista kääpiötä, jonka koostumus paljastaisi populaatio III:n edustajaksi. Se ei siis saisi sisältää raskaampia alkuaineita.
Punaiset kääpiöt ovat pienimpiä tähtiä. Esimerkiksi Trappist-1 on vain hieman suurempi kuin Jupiter. Silti se palaa biljoonia vuosia.
Epäonnistuminen on oikeastaan helppo selittää. Useimmat tutkijat uskovat nimittäin, että ensimmäisen sukupolven tähtiä ei ole löydetty, koska ne olivat valtavia ja paloivat loppuun jo muutamassa miljoonassa vuodessa.
Mallintamalla tähtien muodostumista nuoressa maailmankaikkeudessa on saatu selville, että alkuräjähdyksessä syntyneet vety ja helium kertyivät ilmeisesti suuriksi, tiheiksi pilviksi. Niistä syntyi luhistumalla jättiläistähtiä, joiden massa oli yli sata kertaa Auringon massa.
Sisäosien fuusioreaktioissa syntyneet alkuaineet levisivät avaruuteen, kun varhaiset tähdet räjähtivät supernovina. Näin maailmankaikkeuteen ilmestyneet raskaammat alkuaineet päätyivät toisen sukupolven tähtiin.
Supernovajäänteissä on räjähtäneissä tähdissä syntyneitä raskaampia alkuaineita. Ne päätyvät uusiin tähtiin.
Maailmankaikkeuden olemassaolon aikana vedystä on syntynyt jatkuvasti raskaampia alkuaineita. Ensimmäisen sukupolven tähdet muodostuivat pelkästään kolmesta kevyimmästä alkuaineesta eli vedystä, heliumista ja litiumista. Toisen sukupolven tähdissä raskaampien alkuaineiden osuus on enintään 0,1 prosenttia. Tällaisia tähtiä on olemassa vielä muun muassa Linnunradan keskustassa.
Auringon syntyessä maailmankaikkeus oli jo vähän yli yhdeksän miljardia vuotta vanha. Siten Aurinko edustaa kolmatta tähtisukupolvea. Siinä raskaampien alkuaineiden osuus on noin 1,8 prosenttia. Nykyään muodostuvissa tähdissä määrä voi olla neljä sadasosaa.
10 miljardia vuotta loistaa Aurinko, mutta pienemmät tähdet voivat palaa maailmankaikkeuden ikää kauemmin.
Kun Maasta katsotaan kauas avaruuteen, nähdään menneisyyteen, sillä valo on viipynyt matkalla kaukaisimmista tähdistä miljardeja vuosia.
Periaatteessa pitäisi olla mahdollista nähdä myös ensimmäiset tähdet, vaikka ne sammuivat jo aikoja sitten. Koostaan ja kirkkaudestaan huolimatta ne ovat äärimmäisen hankalia havainnointikohteita suuren etäisyyden takia.
Siksi kansainvälinen tutkimusryhmä, jossa oli jäseniä Japanista, Yhdysvalloista ja Australiasta, käytti uutta – epäsuoraa – etsintämenetelmää.
Musta aukko paljastaa varhaisen tähden
Kun ensimmäisen sukupolven tähtiä etsitään suoraan, yritetään havaita niiden valoa. Epäsuora etsintä perustuu sen sijaan supernovaräjähdysten jäännöksiin. Niiden löytämisessä auttaa valtava musta aukko.
Itse musta aukko ei lähetä valoa, mutta siihen imeytyvän kaasun lämpötila nousee miljooniin asteisiin. Kuuma kaasu säteilee voimakkaasti juuri ennen lopullista häviämistään.
Mustan aukon lähiympäristö näyttää siksi tähteä muistuttavalta pistemäiseltä kosmiselta kappaleelta, kvasaarilta.
Kvasaarit eroavat tähdistä kuitenkin sekä kooltaan että kirkkaudeltaan. Siksi miljardien valovuosien päässä sijaitsevat kvasaarit voidaan nähdä selvästi.
Kvasaari J1342+0928 liittyy mustaan aukkoon, jonka massa on 800 miljoonaa Auringon massaa. Sen säteilyn ansiosta tähtitieteilijät onnistuivat löytämään alkuperäisen tähden jäännökset.
Kvasaarin valo oli ollut matkalla 13,1 miljardia vuotta, kun Havaijin saaressa toimiva Gemini-observatorio otti sen vastaan.
Gemini-observatorion vastaanottama kaukaisen galaksin valo sisälsi varhaisen jättiläistähden kemiallisen profiilin.
Kun valo jaettiin eri aallonpituuksiin ja sen spektriä analysoitiin, kävi ilmi, että mustaa aukkoa ympäröivässä kaasussa oli epätavallisen paljon rautaa ja verrattain vähän magnesiumia.
Tietokosimulaatioiden mukaan suuret ensimmäisen sukupolven tähdet, joiden massa oli 280 kertaa Auringon massa, räjähtivät niin sanottuina PISN-supernovina (pair-instability supernova) ja jättivät jälkeensä kaasusumun, joka sisälsi runsaasti rautaa ja niukasti magnesiumia.
Mustan aukon reunus paljasti vanhan tähden
1. Varhainen tähti painoi 280 Auringon verran
Vety- ja heliumpilvi luhistui 13,1 miljardia vuotta sitten omasta painostaan ja sai aikaan tähden, jonka massa oli 280 Auringon massaa. Jättiläinen loisti kymmenen miljoonaa kertaa niin kirkkaasti kuin Aurinko, kunnes se paloi loppuun parissa miljoonassa vuodessa.
2. Räjähdys levitti raskaampia alkuaineita
Kuolinkouristuksissaan jättiläistähti räjähti supernovana. Tähden sisällä tapahtuneissa fuusioreaktioissa oli syntynyt kevyistä aineista runsaasti raskaampia alkuaineita. Nämä sinkoutuivat ympäröivään avaruuteen.
3. Kaasussa piili tähden profiili
Jättiläisen jäännökset sisältyvät kvasaariksi kutsuttuun tähteä muistuttavaan pisteeseen, jossa kaasu säteilee voimakkaasti ennen häviämistään mustaan aukkoon. Kvasaarin valo kätkee sisäänsä alkuperäisen tähden kemialliset tuntomerkit.
Kyseistä alkuainejakaumaa on vaikea selittää muuten. Siksi voidaan olla suhteellisen varmoja siitä, että yksi maailmankaikkeuden varhaisimmista tähdistä päätti päivänsä mustan aukon liepeillä.
Punainen piste on Auringon isovanhempia
Havainto antaa tukea oletukselle, että ainakin osa ensimmäisistä tähdistä oli jättiläisiä, jotka paloivat nopeasti loppuun ja räjähtivät supernovina.
Tutkijat eivät ole kuitenkaan vielä luopuneet toivosta nähdä kaikkein varhaisimpia tähtiä loistamassa.
Mahdollisuuksia parantaa Nasan uusi James Webb -avaruusteleskooppi, sillä se on suunniteltu nimenomaan nuoren maailmankaikkeuden tutkimiseen.
Webb-teleskoopillakin on vaikea löytää niitä yksittäisiä tähtiä, jotka muodostuivat jo ennen kuin alkuräjähdyksestä oli kulunut miljardi vuotta. Mutta täysin mahdottomana tehtävää ei pidetä. Itse asiassa tavoitteeksi on asetettu hyvin kaukana sijaitseva kohde: WHL0137-LS, joka tunnetaan myös nimellä Earendel. Tämä muinaisenglannin sana tarkoittaa aamutähteä.
Avaruusteleskoopin ottamassa kuvassa pienenä punaisena pisteenä erottuva kaukainen kohde on Earandel. Se saattaa olla vanhin löydetty tähti.
Ensimmäiset kuvat Earendelista vihjaavat, että se on joko tähti tai tähtijärjestelmä, joka on syntynyt 12,9 miljardia vuotta sitten.
Pienenä punaisena pisteenä näkyvää kohdetta pitää kuitenkin tutkia lisää, ennen kuin voidaan sanoa varmasti sen olevan yksi maailmankaikkauden ensimmäistä tähdistä, joista myös Aurinko polveutuu.