Gammasädepurkaus saisi meret kiehumaan

Aika ajoin avaruudessa rytisee kunnolla. Uusien mittausten mukaan kosmiset gammasäde­purkaukset ovat luultuakin rajumpia. Ainakin kerran ne ovat käristäneet kaiken elollisen Maan päältä.

Aika ajoin avaruudessa rytisee kunnolla. Uusien mittausten mukaan kosmiset gammasäde­purkaukset ovat luultuakin rajumpia. Ainakin kerran ne ovat käristäneet kaiken elollisen Maan päältä.

Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Tammikuun 14. päivänä 2019 Nasa sai viestin Swift-avaruusteleskoopilta. Teleskooppi oli havainnut valtavan energiapurkauksen kaukana avaruudessa.

64 sekunnissa teleskooppi kääntyi kohti purkauksen lähdettä. Seuraavien tuntien ja päivien aikana se seurasi historiallista purkausta, joka sai tunnuksen GRB 190114C.

Kirjaimet GRB kertovat, että kyseessä on gammapurkaus eli poikkeuksellisen voimakas lyhytaaltoisen sähkömagneettisen säteilyn purkaus, joka etenee kahtena säteilykeilana.

Gammapurkauksessa vapautuu lyhyessä ajassa jopa kymmenen kertaa niin paljon energiaa kuin Auringossa koko sen elinaikana.

© Nasa

Gammapurkausten alkuperä on ollut pitkään hämärän peitossa. Yksi asia on kuitenkin vähitellen kirkastunut: jos gammapurkaus tapahtuisi muutaman tuhannen valovuoden säteellä Maasta, planeettamme olisi pahassa pulassa.

Jopa 3 000 valovuoden päässä tapahtunut gammapurkaus säteilisi tänne niin paljon energiaa, että kaikki Maan vesistöt kiehuisivat. Ainakin kerran gammapurkaus on jo tuonut joukkotuhon.

Tähden kuolema laukaisee jättiräjähdyksen

Gammapurkausten olemassaolo havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1967. Silloin ne havaitsi Yhdysvaltojen Vela-ohjelmaan kuuluva satelliitti. Vela-satelliitit oli alun perin tarkoitettu valvomaan Neuvostoliiton salaisia ydinkokeita avaruudessa.

Havainnon jälkeisinä vuosikymmeninä esitettiin iso joukko erilaisia teorioita gammasäteilyn lähteistä.

Tutkijoiden keskuudessa syntyi erimielisyyksiä etenkin siitä, miten kaukaa avaruudesta gammapurkausten arveltiin tulevan.

Toiset olivat sitä mieltä, että purkaukset olivat peräisin Linnunrataa ympäröivästä pallomaisesta tähtijoukosta.

Toiset taas pitivät todennäköisempänä, että purkaukset tulivat kaukaisista galakseista.

Jälkimmäisen selityksen heikkoutena pidettiin sitä, että jos säteily olisi kulkenut niin pitkän matkan, sen synnyttäneen räjähdyksen energiamäärän olisi täytynyt olla todella suuri.

Kiista ratkesi vuonna 1997, kun gammapurkaus GRB 970508 havaittiin. Se vahvisti, että purkaukset tulevat kaukaisista galakseista. Sen alkuperä määritettiin niin sanotun punasiirtymän avulla.

Punasiirtymällä tarkoitetaan ilmiötä, jossa kaukaisesta kohteesta, kuten tähdestä tai galaksista, tuleva valo muuttuu punaisemmaksi, koska valon aallonpituus muuttuu kohteen ja havaitsijan välillä.

Valon aallonpituus siirtyy kohti spektrin punaista päätä, kun kohde liikkuu poispäin Maasta. Näin käy, koska galaksit loittonevat toisistaan. Mitä kauempana Maasta kohde on, sitä punaisempaa sen valo on.

Punasiirtymän asteesta voidaan määrittää kohteen etäisyys. Näin selvisi, että GRB 970508 oli lähtöisin kuuden miljardin valovuoden päästä. Kotigalaksimme Linnunradan halkaisija on korkeintaan 200 000 valovuotta.

Vuonna 1997 paras tieteellinen selitys poikkeuksellisen suurienergiaisten gammapurkausten alkuperäksi olivat jättiläistähtien räjähdykset.

Jo seuraavana vuonna uusi gammapurkaus GRB 980425 vahvisti teorian. GRB 980425 havaittiin vain päivä jättiläismäisen supernovan jälkeen.

Supernova on räjähdys, joka syntyy, kun kuoleva raskas tähti luhistuu oman painonsa alle.

Tästä pääteltiin, että gammapurkaukset syntyvät jättiläistähtien kuolinkouristuksista.

Kahdenlaisia gammapurkauksia

Sittemmin gammapurkauksista on koottu laaja tietokanta. Näyttää siltä, että gammapurkauksia on kahdenlaisia. Toiset ovat lyhyitä – keskimäärin alle sekunnin kestoisia – ja toiset kestävät jopa kymmeniä sekunteja.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Romahdus ja kolari laukaisevat purkauksen

Gammapurkauksissa vapautuu valtavan voimakasta sähkömagneettista säteilyä. Satelliittimittauksissa on havaittu, että purkauksia on kahdenlaisia: lyhyitä ja pitkiä.

Kolarista tulee lyhyt purkaus

Lyhyet gammapurkaukset kestävät keskimäärin 0,3 sekuntia. Ne syntyvät luultavasti neutronitähtien tai neutronitähden ja mustan aukon törmätessä.

Romahduksesta tulee pitkä purkaus

Pitkät gammapurkaukset kestävät 30 sekuntia. Ne syntyvät todennäköisesti, kun avaruuden suurimmat tähdet romahtavat oman painonsa alla.

Myös gammapurkausten syntytapoja on todennäköisesti kaksi. Pitkäkestoisten purkausten arvellaan syntyvän, kun jättiläistähti kuolee ja luhistuu mustaksi aukoksi.

Lyhyet gammapurkaukset puolestaan näyttävät olevan neutronitähtien yhteentörmäysten tulosta. Ennen kuin neutronitähdet törmäävät, ne kiertävät toisiaan kuin tanssien.

Lopulta ne sulautuvat yhteen kappaleeksi, joka on niin raskas, että se romahtaa oman massansa alle. Viime hetkillään kappale synnyttää gammapurkauksen ja muuttuu mustaksi aukoksi.

Lyhyitäkin gammapurkauksia on kahta tyyppiä. Osaa seuraa noin sata sekuntia kestävä heikon gammasäteilyn jakso.

Kiinassa Nanjingin yliopistossa tehty tutkimus viittaa siihen, että tällaiset purkaukset syntyvät kahden neutronitähden törmäyksessä. Lyhyet gammapurkaukset, joilla ei ole jälkisäteilyä, taas ovat peräisin neutronitähden ja mustan aukon törmäyksestä.

Toistaiseksi ei ole havaittu gammapurkauksia, jotka olisivat peräisin Linnunradasta. Se on hyvä uutinen.

Gammapurkauksen energiamäärä on niin suuri, että se tekee pahaa jälkeä kaikille planeetoille ainakin parin tuhannen valovuoden säteellä.

Tosin totaalinen tuho kohtaa vain kaikkein huono-onnisimpia planeettoja, jotka sijaitsevat samalla linjalla kuin kuolevan tähden pyörimisakseli.

Pahin säteilyryöppy leviää 12 asteen keiloina kuolevan tähden molemmilta navoilta.

Fotoni saa jättiläisenergian

Gammasäteily on sähkömagneettisen säteilyn suurienergiaisin muoto. Se on ionisoivaa, eli se voi muuttaa atomeja ioneiksi riistämällä niiltä elektroneja. Jos näin käy elävissä soluissa, seurauksena voi olla syöpä.

Gammasäteet ovat kaikkein runsasenergiaisinta sähkömagneettista säteilyä. Lyhytaaltoista ja suuritaajuista gammasäteilyä käytetään mm. PET-kuvannuksessa.

Juuri suuri energiamäärä teki Swift-teleskoopin havainnosta tammikuun 14. päivänä vuonna 2019 erityisen. Mittausten mukaan GRB 190114C oli suurin maailmankaikkeudessa koskaan tapahtunut räjähdys alkuräjähdyksen jälkeen.

Tähti, josta gammapurkaus lähti, sijaitsi 4,5 miljardin valovuoden päässä Maasta. Purkauksen valonnopeudella etenevä säteily oli siis lähtenyt matkaan 4,5 miljardia vuotta sitten eli samoihin aikoihin, kun maapallo syntyi.

Teleskooppi havaitsi voimakkaan gammapurkauksen

Gammapurkausta seurasi jälkihehku, jossa oli muun muassa radioaaltoja, näkyvää valoa ja röntgensäteilyä. Siitä tutkijat bongasivat fotonin eli valohiukkasen, jonka energiataso oli yksi teraelektronivoltti (TeV).

Se oli siis miljardi kertaa niin voimakas kuin tavallinen valo. Löytö antoi vinkin gammapurkausten alkuperästä.

Fotoni voi nimittäin saada sellaisia energiamääriä vain niin sanotussa käänteisessä Comptonin sironnassa, jossa valonnopeudella etenevät elektronit luovuttavat energiaa fotoneille.

Ilmiö esiintyy jättiläistähtien kuolinkamppailussa.

Gammapurkauksen jälkiä puissa

Äärimmäisen suurienergiaisen fotonin löytäminen viittaa siihen, että gammapurkaukset ovat todennäköisesti vielä rajumpia kuin on oletettu.

Jos gammapurkaus tapahtuisi Maan lähialueilla, seuraukset olisivat tuhoisat.

Näyttää siltä, että 1 250 vuotta sitten maapallolla saatiin esimakua siitä, millaista tuhoa kosmisen naapuriston gammapurkaus aiheuttaa.

© Fermi LAT Collaboration/DOE/NASA

Saksalaisen Jenan yliopiston astrofysiikan professori Ralph Neuhäuser on yhdessä kollegansa Valeri Hambaryanin kanssa löytänyt 1 250 vuoden takaisista puista hiiltä, joka voi olla kosmista alkuperää.

Tutkijoiden mukaan vuonna 774 japanilaisiin puihin syntyneissä vuosirenkaissa on 20 kertaa niin paljon hiili-14-isotooppia kuin normaalisti. Suuria hiili-14-pitoisuuksia on löydetty myös saksalaisista, amerikkalaisista ja uusiseelantilaisista puista.

Radioaktiivinen hiili-14 on yksi kolmesta hiilen isotoopista, joita syntyy, kun ilmakehään osuu avaruudesta tulevaa säteilyä. Äkillinen hiili-14:n yleistyminen on tutkijoiden mukaan merkki siitä, että Maahan on tullut yhtäkkiä tavallista enemmän kosmista säteilyä.

Puut sitovat kasvaessaan hiiltä solukkoonsa, ja mitä enemmän tiettyä hiilen isotooppia on ilmassa, sitä enemmän sitä kertyy puihin.

Kosminen säteily synnyttää ilmakehään myös beryllium-10-isotooppeja ja nitraatteja. Niitä Neuhäuser ja Hambaryan löysivät näytteistä, jotka oli kairattu Etelämantereen vanhoista jääkerroksista.

He päättelivät, että isotoopit oli synnyttänyt gammapurkaus, joka oli peräisin kahden neutronitähden yhteentörmäyksestä 12 000 valovuoden päässä Maasta.

Maa sai täysosuman

Vuoden 774 gammapurkauksen vaikutukset olivat ilmeisesti melko vähäiset. Tosin jos Maahan osuisi samanlainen säteilyryöppy nyt, se tekisi pahaa jälkeä tietoliikennesatelliiteissa ainakin väliaikaisesti.

Jos vastaavanlainen tai vaikkapa Swift-teleskoopin havaitsema jättiläispurkaus tulisi parin tuhannen valovuoden päästä, koko eliökunta olisi vaarassa. 444 miljoonaa vuotta sitten maailmanloppu oli lähellä.

85 prosenttia silloisista eliölajeista tuhoutui

444 miljoonaa vuotta sitten 85 prosenttia Maan eliölajeista hävisi. Syynä oli ilmeisesti gammapurkaus. Se muutti ilmakehää niin, että näkyvä valo ei päässyt Maahan mutta ultraviolettisäteily pääsi tekemään tuhojaan.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Gammapurkaus osui Maahan

Noin 10 000 valovuoden päässä Maasta olevasta tähdestä tuleva kova gammasäteily hajotti ilmakehän otsoni-, happi- ja typpimolekyylejä.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Saaste pimensi taivaan

Happi ja typpi muodostivat sakeaa ja myrkyllistä typpidioksidia. Saastekaasu pimensi ilmakehän niin, että auringonvalo ei päässyt Maan pinnalle.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Ultraviolettisäteily voimistui

Otsonikerros oheni niin, että yhä enemmän dna:ta vahingoittavaa ultraviolettisäteilyä pääsi Maan pinnalle. Suurin osa eliöistä altistui säteilylle.

© ken ikeda madsen & Shutterstock

Pinnan eläimistö tuhoutui

Pimeys ja voimakas ultraviolettisäteily olivat tuhoisia pintavesissä ja matalikoilla eläville lajeille. Seurauksena oli joukkotuho. Esimerkiksi trilobiiteista syvällä merissä eläneet lajit selvisivät pisimpään.

Joukkotuhon syystä on esitetty monia teorioita. Joidenkin mukaan hävityksen aiheuttivat merenpohjasta nousseet myrkylliset metallit. Toisten mukaan syynä oli kasvihuonekaasujen määrän romahtamisesta johtunut ilmaston kylmeneminen.

Vuonna 2003 yhdysvaltalainen tutkijaryhmä esitti syylliseksi 10 000 valovuoden päässä tapahtunutta gammapurkausta.

Tutkijoiden mukaan gammasäteily tuhosi ilmakehän otsonikerroksen, jolloin haitalliset ultraviolettisäteet pääsivät tekemään tuhoja eläinten elimistössä.

Lisäksi gammasäteily sai ilmakehän happi- ja typpimolekyylit yhdistymään typpidioksidikaasuksi, joka aiheutti happamia sateita ja pimensi taivaan niin, että Auringon lämpösäteily ei päässyt Maan pinnalle.

Säteily, kylmyys ja happamat sateet voivat hyvinkin selittää ordoviikkikauden lopun hävityksen.

Tutkijat ovat myös löytäneet viitteitä siitä, millaiset lajit selvisivät karuista oloista ja millaiset eivät. Noihin aikoihin yksi yleisimmistä eliöryhmistä olivat trilobiitit.

Ne olivat niveljalkaisia, joiden nykyisin eläviä sukulaisia ovat maasiirat ja molukkiravut.

Oletettavaa olisi, että laajimmalle levinneet lajit selviävät joukkotuhosta parhaiten, koska ne ovat paremmin sopeutuneet erilaisiin oloihin kuin lajit, joita esiintyy vain pienillä alueilla.

444 miljoonaa vuotta sitten hävitys oli silti pahin juuri matalikoilla ja pintavesissä elävien lajien keskuudessa. Sen sijaan syvällä meressä eläneet lajit selvisivät.

Trilobiitit muistuttivat isoja maasiiroja. Kun raju gammapurkaus osui Maahan 444 miljoonaa vuotta sitten, vain ne lajit selvisivät, jotka elivat syvällä merissä.

Altteimpana tuholle oli siis pinnan tuntumassa elänyt eliöstö. Se sopii hyvin yhteen gammapurkauksen seurauksien kanssa.

Teleskoopit sinisen kajon jäljillä

Vaikka teleskoopit havaitsevat gammapurkauksia keskimäärin kerran päivässä, galaksia kohti niitä tapahtuu vain aivan muutamia miljoonassa vuodessa.

Todennäköisyys, että gammapurkaus tuhoaisi Maan elämän lähitulevaisuudessa, on siis häviävän pieni.

Siihen pitää silti varautua. Siksi kosmista naapurustoamme tarkkaillaan koko ajan. Todennäköisimmän lähiympäristömme gammapurkauksen aiheuttajan löysi australialais-brittiläinen tutkijaryhmä vuonna 2018.

Se sijaitsee noin 8 000 valovuoden päässä Maasta kolmen tähden järjestelmässä 2XMM J160050.7-514245, joka tunnetaan myös nimellä Apep.

Apep on juuri sillä etäisyydellä, että sen navalta lähtevä säteilykeila tekisi pahaa jälkeä Maassa.

Apep koostuu kaksoistähdestä, jota kiertää kolmas tähti. Kaksoistähdet ovat niin sanottuja Wolfin–Rayetin tähtiä. Se on jättiläistähden viimeinen vaihe, joka kestää parisataatuhatta vuotta.

Kaksoistähden ympärillä on tähdistä paiskautuneesta aineesta syntynyt pöly-ja kaasupilvi, mikä viittaa siihen, että ainakin toinen kaksoistähdistä kieppuu äärimmäisen nopeasti.

Juuri tällaisia väkkäröitä pidetään todennäköisimpinä gammapurkauksen lähteinä.

Maan ilmakehä ei päästä lävitseen avaruudesta tulevaa gammasäteilyä. Sen sijaan gammasäteily muuttuu Tšerenkovin säteilyksi, jonka sininen kajo voidaan havaita Maassa olevilla teleskoopeilla.

© ken ikeda madsen & Pachango

Säteily osuu ilmakehään

Gammapurkauksen säteily osuu valonnopeudella ilmamolekyyleihin noin 20 kilometrin korkeudessa. Törmäyksessä syntyy lyhytikäistä Tšerenkovin säteilyä, joka näkyy sinertävänä valona.

© ken ikeda madsen & Pachango

Syntyy sininen valokeila

Sininen valo leviää muutamassa nanosekunnissa valokeilaksi, joka on nähtävissä Maan pinnalta teleskoopeilla. Teleskoopit on ryhmitelty niin, että valoa voidaan havainnoida eri kulmista.

© ken ikeda madsen & Pachango

Gammasäteiden lähde paljastuu

Kun valokeilaa eri kulmista kuvaavien teleskooppien tulokset yhdistetään, voidaan määrittää gammapurkauksen tulosuunta ja lähde ja tutkia sen jälkihehkua eli valoa ja röntgensäteitä.

Gammapurkausten ymmärtämiseksi tarvitaan lisää tietoa. Viime vuosikymmenet tietoa on saatu lähinnä avaruudessa kiertävistä Swift- ja Fermi-teleskoopeista. Nyt niiden rinnalle kaavaillaan teleskooppiverkostoa Maan päälle.

Kansainvälinen CTA- hanke eli Cherenkov Telescope Array tähtää niin sanottua Tšerenkovin säteilyä havainnoivien teleskooppien rakentamiseen Chileen ja Kanariansaarille.

Kun gammapurkauksesta tuleva säteily osuu ilmamolekyyleihin ilmakehän yläkerroksissa, molekyylit hajoavat ja vapautuu hyvin suurienergiaisia hiukkasia.

Niiden ympärille syntyy sinertävänä valokeilana näkyvää Tšerenkovin säteilyä, jonka perusteella voidaan päätellä gammapurkauksen lähteen suunta ja saadaan myös osviittaa sen voimakkuudesta.

CTA-verkostoon on määrä kuulua satoja teleskooppeja. Sillä saadaan jopa kymmenen kertaa niin tarkka kuva gammapurkauksista kuin tähänastisilla maanpäällisillä laitteilla.

Rakennustyöt La Palman saaressa Kanariansaarilla alkavat vuonna 2022, ja teleskooppien on määrä olla toimintavalmiina vuonna 2026.