Kvasaarien valoshow löi kaikki ennätykset

Monta miljoonaa vuotta sitten kaukaisen galaksin ytimessä supermassiivinen musta aukko alkoi imeä itseensä kaasua ympäristöstään. Kaasu virtasi siihen pyörteenä, jossa sen nopeus oli niin suuri, että lämpötila nousi miljooniin asteisiin.

Juuri ennen kuin hehkuvan kuuma kaasu syöksyi mustaan aukkoon, siitä lähti äärimmäisen kirkasta valoa, joka levisi kaikkialle galaksiin. Samaan aikaan mustan aukon magneettikenttä synnytti kaksi suihkuvirtausta, joissa suihkusi kaasua lähes valon nopeudella. Kvasaari oli syttynyt.

Tämän kvasaarin avaruusteleskooppi Hubble havaitsi huhtikuussa 2020. Toistaiseksi kirkkain havaittu kvasaari sai kuivan asiallisen nimen SDSS J135246.37+423923.5.

Hubblen mittaukset osoittivat myös, että kvasaarit luovat rajuja kosmisia kaasumyrskyjä, jotka puhaltavat valtavaa vauhtia läpi koko galaksin. Kvasaarit ja niiden luomat myrskyt voivat antaa vastauksen kysymyksiin, jotka ovat jo pitkään tuottaneet tähtitieteilijöille päänvaivaa.

Kvasaari todisti mustat aukot

Ensimmäisenä kvasaarin bongasi Alankomaista Yhdysvaltoihin muuttanut tähtitieteilijä Maarten Schmidt vuonna 1963. Löytö vahvisti myös sen, että mustat aukot ovat todellinen ilmiö eivätkä vain kuviteltu kummajainen, joka on johdettu Einsteinin suhteellisuusteoriasta.

1960-luvun alussa oli havaittu avaruudessa selittämättömiä radiosäteilyn lähteitä, joita alettiin kutsua kvasistellaarisiksi eli tähden kaltaisiksi kohteiksi, koska niiden säteilyn aallonpituus oli erilainen kuin tavallisten tähtien. Sittemmin nimi lyheni kvasaariksi.

Katso 3D-animaatio mahdottoman kvasaarin kaiken ylittävästä kuolonkorinasta:

Kun Schmidt tutki tällaista säteilylähdettä teleskoopilla, hän huomasi, että se ei ollut tähti vaan outo kohde, joka lähetti lyhytaaltoista radiosäteilyä ja suurienergiaisista vetykaasuista peräisin olevaa näkyvää valoa.

Näkyvää valoa ei vain ollut havaittu, koska 2,4 miljardia vuotta kestäneellä matkallaan kvasaarin valon aallonpituus oli maailmankaikkeuden laajenemisen seurauksena pidentynyt niin, että siitä oli tullut pitkäaaltoista radiosäteilyä.

Vaikka itse kvasaari oli vain Aurinkokunnan kokoinen, sen valo oli kirkkaampi kuin sadan galaksin yhteensä.

Schmidtin mukaan niin kirkas valo voi olla peräisin vain vetykaasusta, joka kuumeni hehkuvaksi pyörteillessään supermassiivisen mustan aukon ympärillä. Sittemmin avaruudesta on löydetty yli miljoona kvasaaria.

Valon paine luo kaasumyrskyn

Kvasaarin valo on niin kirkas, että sen paine työntää kvasaarin vetykaasua edellään. Äkkiseltään voi tuntua oudolta, että valolla voi olla paine, joka liikuttaa satoja kertoja Aurinkoa raskaampaa kaasupilveä.

Kun valo on kyllin voimakasta, valohiukkaset eli fotonit vaikuttavat ympäristönsä atomeihin. Näin tapahtuu muun muassa Auringossa.

Auringon ytimen fuusioreaktiossa syntyvä valopaine estää Aurinkoa luhistumasta oman massansa painosta.

Kvasaarin valo on voimakkaampi kuin satojen miljoonien Aurinkojen yhteensä. Valoshow’n lisäksi se tuottaakin kosmisen myrskyn, kun sen valopaineen työntämä vetykaasurintama rynnii läpi galaksin.

Hubble mittasi myrskyn nopeuden

Myrskyrintaman etulinjassa kaasu kuumenee yli miljardiin asteeseen. Kuumasta kaasusta lähtee ensin runsaasti suurienergiaista röntgensäteilyä ja sitten näkyvää valoa ja infrapunasäteilyä.

Hubble on tarkkaillut kymmentä kvasaaria, jotka ovat 4–9 miljardin valovuoden päässä Maasta. Niin pitkällä matkalla avaruuden läpi säteilyn aallonpituus kasvaa, koska maailmankaikkeus laajenee.

Näiden kvasaarien röntgensäteily onkin ennen Maahan etäisyydelle saapumistaan muuttunut pitkäaaltoiseksi ultraviolettisäteilyksi.

Ultraviolettisäteily ei normaalisti pääse ilmakehän läpi. Siksi näitä kvasaareja ei voida nähdä Maan pinnalta. Hubble näkee ne, koska se kiertää ilmakehän ulkopuolella.

Hubblen COS-spektrometri (Cosmic Origins Spectrograph) mittasi kvasaarin työntämän kaasun lähettämän säteilyn aallonpituudet. Niiden perusteella taas saatiin määritettyä kaasurintaman nopeus.

Spektrometrillä voidaan havaita ero Hubblea kohti tulevan ja siitä loittonevan säteilyn aallonpituudessa. Loittonevasta kaasusta tulevan säteilyn aallonpituus on hieman suurempi kuin lähestyvän.

Määrittämällä aallonpituuksien eron Hubble on laskenut, että kvasaareista tulevat kaasumyrskyt etenevät 4 900–21 050 kilometrin sekuntinopeudella. Nopeimmin liikkui myrsky, joka oli lähtöisin Leijonan tähdistön kvasaarista SDSS J1042+1646.4.

Hubblen havainnot jäivät pian vauhdikkaampien uutisten varjoon, kun Havaijilla toimiva Gemini North -teleskooppi näki kvasaarimyrskyn, joka viiletti avaruudessa 39 000 kilometriä sekunnissa. Se on 13 prosenttia valon nopeudesta.

Ennätysripeä myrsky on peräisin kvasaarista SDSS J135246.37+423923.5, jonka on synnyttänyt 8,6 miljardia kertaa Aurinkoa raskaampi supermassiivinen musta aukko.

Vertailun vuoksi mainittakoon, että Linnunradan ytimessä piilevä musta aukko vastaa massaltaan vain 4,1:tä miljoonaa Aurinkoa.

Kvasaari syttyi ennen aikojaan

Vielä muutama vuosi sitten tutkijat olivat varmoja siitä, että galaksien ydinten mustat aukot olivat kasvaneet vasta aikaisintaan miljardi vuotta alkuräjähdyksen jälkeen niin suuriksi, että kvasaareja saattoi syntyä.

Vuonna löydetty kvasaari ULAS J1342+0928 pakotti kuitenkin tarkistamaan käsitystä. Sen mustan aukon massa vastaa 800:aa miljoonaa Aurinkoa, ja silti se on syttynyt jo 690 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

Löytö on saanut tähtitieteilijät ymmälleen. Yleisesti hyväksytty malli supermassiivisten mustien aukkojen synnystä ei pysty selittämään sitä, miten niin massiivinen musta aukko on voinut syntyä jo niin varhaisessa vaiheessa maailmankaikkeuden lapsuudessa.

Vakiintuneen teorian mukaan ensimmäisen sukupolven jättiläistähdet päättivät päivänsä supernovaräjähdyksissä, joista jäi jäljelle korkeintaan sataa Auringon massaa vastaavia mustia aukkoja. Kun ne alkoivat törmäillä toisiinsa, syntyivät ensimmäisten superraskaiden mustien aukkojen aihiot.

Aihioista saattoi syntyä J1342+0928:n kaltaisia supermassiivisia aukkoja vasta, kun maailmankaikkeus oli noin miljardin vuoden ikäinen. Sitä nopeammin mustat aukot eivät teorian mukaan voi kasvaa, vaikka niihin virtaisi kuinka paljon kaasua tahansa. J1342+0928 on kuitenkin yllyttänyt etsimään toisia selitysmalleja.

Lupaavimman uuden selityksen mukaan noin 270 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen valtavat kaasupilvet luhistuivat suoraan mustiksi aukoiksi, joiden massa oli miljoonia Auringon massoja.

Näin isosta aihiosta alkunsa saanut musta aukko olisi voinut kasvaa riittävän massiiviseksi sytyttämään kvasaarin ennen kuin maailmankaikkeus ehti täyttää 700 miljoonaa vuotta. Selitykselle ei ole vielä löydetty todisteita.

Kvasaarien suuruuden aika

Eniten kvasaareja loisti 10–12 miljardia vuotta sitten. Tuolloin maailmankaikkeudessa oli yllin kyllin galakseja, joissa tiheät kaasupilvet ruokkivat galaksien ytimissä olevia supermassiivisia mustia aukkoja.

Samaan aikaan galaksien laitamilla tiivistyvistä kaasupilvistä syntyi tähtiä kuin liukuhihnalta. Ennen pitkää kvasaarit sammuivat, kun niiden oma valo hajotti kaasupyörteen.

Tähtitieteilijöiden mukaan kvasaarin
valon paine hajottaa miljoonien vuosien kulues­sa mustaa aukkoa ympäröivän kaasukiekon ja levittää kaasun galaksiin.

Kvasaarissa on siis eräänlainen sisäinen kytkin, joka sammuttaa kvasaarin, kun mustalta aukolta loppuu kaasu. Kvasaari tosin voi syttyä uudestaan muutaman miljoonan vuoden kuluttua, jos mustan aukon ulottuville ilmestyy jälleen tarpeeksi paljon kaasua.

Hubblen ja Geminin havainnot ovat nyt ensimmäistä kertaa osoittaneet, että kvasaarin synnyttämä myrsky kulkee läpi koko galaksin. Samalla se ehkäisee tehokkaasti tähtien syntyä hajottamalla kaasupilviä.

Myrsky estää tähtiä syntymästä

Tutkijat ovat pitkään etsineet selitystä sille, miksi tähtien syntyminen hidastui kvasaarien suuruuden ajan jälkeen.

Hubblen ja Geminin mittaukset osoittavat, että kvasaarien nostattamat kosmiset myrskyt hajottavat ne vetykaasukasautumat, joista muuten olisi voinut syntyä tähtiä.

Tähtien syntyä ehkäisevät myös kvasaarin vastakkaisilta sivuilta lähtevät kaksi suihkuvirtausta, jotka levittävät kaasun avaruuteen niin harvaksi pilveksi, että siinä ei voi muodostua tähtiä.

Noin 40 prosenttia näkyvän maailmankaikkeuden massasta on galaksien välisessä avaruudessa ajelehtivaa kvasaarien levittämää äärimmäisen ohutta vetykaasua.

Kvasaarien kaasumyrskyt voivat selittää myös sen, miksi maailmankaikkeudessa on vähän todella isoja galakseja.

Levittämällä valtavia määriä vetykaasua galaksien väliseen avaruuteen kvasaarit asettavat rajat sille, miten paljon vetyä jää lopulta tähtien ja galaksien rakennusaineeksi.

Viimeksi kuluneiden miljardien vuosien aikana galaksit ovatkin kasvaneet kokoa enimmäkseen sulautumalla toisiinsa.

Toisaalta myös galaksien yhteentörmäys saattaa saada aikaan kvasaarin.

Törmäys sytyttää kvasaarin

Kun kaksi suurta galaksia törmää, vähitellen myös niiden ytimissä olevat mustat aukot sulautuvat. Näin syntyy uusi, entistäkin suurempi musta aukko, joka alkaa imeä kaasua molemmista galakseista ja uusi kvasaari saa alkunsa.

Galaksien kolarit ja yhteensulautumiset olivat yleisiä kvasaarien suuruuden aikana 10–12 miljardia vuotta sitten, kun maailmankaikkeus oli vain kolmasosa nykyisestä koostaan. Galaksit olivat silloin nykyistä lähempänä toisiaan ja sattuivat helpommin törmäyskurssille.

Galaksit kolaroivat yhä, ja joskus törmäyksen tuloksena syttyy jopa kaksi kvasaaria samaan aikaan. Näin tapahtuu etenkin silloin, kun galaksien ytimien mustat aukot ovat suunnilleen samankokoisia.

Silloin ne voivat ennen yhteensulautumistaan ehtiä imeä itseensä niin paljon kaasua, että kumpikin saa oman kvasaarin.

Vuonna 2018 Nasan Chandra-röntgenteleskooppi löysi useita tällaisia kaksoiskvasaareja. Se havaitsi myös, että kun yhdistyvät galaksit ovat erikokoisia, yleensä syntyy vain yksi kvasaari, koska silloin mustat aukot sulautuvat yhteen nopeammin.

Kotigalaksimme Linnunradan 200–400 miljardia tähtiä kiertävät mustaa aukkoa, jonka massa on 4,1 miljoonaa kertaa niin suuri kuin Auringon. Linnunrata on törmäyskurssilla naapurinsa Andromedan kanssa.

Siinä on tuhat miljardia tähteä, ja sen ytimen mustan aukon massa on 60 miljoonaa Auringon massaa.

Galaksien on laskettu törmäävän 4,5 miljardin vuoden päästä. Sen tuloksena syntyy uusi iso elliptinen galaksi. Samalla syttyy uusi kvasaari.