Mustien aukkojen ”puuttuva rengas” on löydetty
Isojen galaksien keskustassa on supermassiivinen musta aukko, joka painaa miljoonia kertoja Aurinkoa enemmän. Jättiläisten syntymää ei ole osattu selittää, mutta tutkijat ovat saamassa haasteellisen palapelinsä valmiiksi.
Kauan sitten kääpiögalaksissa näyteltiin kosminen draama. Tähti tuli niin lähelle galaksissa piilevää mustaa aukkoa, että tämä alkoi imeä sitä sisäänsä valtavalla painavoimallaan.
Tähti ei voinut hangoitella vastaan. Se kiertyi jatkuvasti lähemmäksi ja hajosi lopulta.
Musta aukko nieli suuren osan tähdestä. Jäännökset levisivät valtavaksi kuumaksi ainekaareksi, joka välähdyksenomaisesti peitti kääpiögalaksin muiden tähtien valon.
Kesäkuussa 2020 eli 850 miljoonaa vuotta myöhemmin tähtitieteilijäryhmä suuntasi sattumalta teleskooppinsa kääpiögalaksiin. He etsivät supernovia eli räjähtäviä tähtiä ja näkivät yhtäkkiä kuolinkouristuksissaan olevan tähden loisteen.
Kahden vuoden perusteellisen tutkimuksen jälkeen ei ole enää epäilystäkään siitä, mistä tapahtumassa oli kysymys.
Musta aukko nieli tähden. Vielä tärkeämpänä tietona tutkijat pitävät kuitenkin sitä, että musta aukko edustaa hyvin harvinaiseksi todettua tyyppiä.
Laskelmien mukaan kyseinen musta aukko painaa 100 000–1 000 000 kertaa niin paljon kuin Aurinko ja kuuluu siten mustien aukkojen keskisarjaan.
Nimenomaan tämä painoluokka on kiinnostanut viime vuosikymmeninä tutkijoita, koska sen edustajat voivat vastata heitä askarruttavaan kysymykseen, kuinka galaksien keskustan raskaimmat mustat aukot ovat kasvaneet niin suuriksi. Vastauksesta riippuu myös se, millä tavalla kotigalaksimme Linnunrata on muodostunut.
Musta aukko ei näy
Mustat aukot ovat maailmankaikkeuden kummajaisia, jotka syntyvät, kun paljon massaa tiivistyy hyvin pienelle alueelle ja painovoima kasvaa äärettömän suureksi. Kaikki mustaan aukkoon putoava häviää pysyvästi näkymättömiin, sillä valokaan ei pysty vastustamaan painovoimaa.
Samasta syystä mustia aukkoja ei voida nähdä. Ne on mahdollista havaita vain tutkimalla painovoiman vaikutusta ympäristöön.
Mustat aukot jaetaan kolmeen painoluokkaan. Kevyimmät vastaavat massaltaan tähtien massaa. Raskaimmat eli supermassiiviset mustat aukot voivat sen sijaan painaa miljoonia kertoja enemmän.
Mustien aukkojen kolme painoluokkaa
Kevytsarjalaisia räjähtävistä tähdistä
Kevytsarja perustuu massaltaan ainakin kolmea Aurinkoa vastaaviin tähtiin, jotka palaessaan loppuun räjähtävät ja luhistuvat. Tällaiset mustat aukot painavat yleensä 3–5 kertaa niin paljon kuin Aurinko, mutta ylärajana on 100-kertainen massa.
Keskisarjalaiset piileskelevät
Mustista aukoista, joiden massa on sadasta miljoonaan kertaan Auringon massa, on toistaiseksi vain vähän varmoja todisteita. Niiden löytyminen olisi merkki siitä, että mustien aukkojen painoluokkiin kuuluu myös keskisarja.
Raskassarjalaiset hallitsevat keskustaa
Supermassiiviset mustat aukot sijaitsevat Linnunradan kaltaisten suurten galaksien keskellä ja painavat miljoonia tai jopa miljardeja kertoja Aurinkoa enemmän. Astrofyysikot eivät tiedä varmasti, millä tavalla supermassiiviset mustat aukot syntyvät.
On löydetty satoja kevyen- ja raskaansarjan mustia aukkoja. Keskisarjaan kuuluvia mustia aukkoja tunnetaan kuitenkin vain kourallinen, eikä kaikissa tapauksissa paljastavasta säteilystä voida edes olla täysin varmoja. Keskisarjalaisia pidetään siksi mustien aukkojen puuttuvana renkaana.
Jos keskisarjan mustia aukkoja löydetään lisää, voidaan olettaa, että ne edustavat kevyiden ja supermassiivisten mustien aukkojen välimuotoa. Niiden olemassaolo vahvistaisi teorian, jonka mukaan supermassiiviset mustat aukot syntyvät tuhansista pienemmistä mustista aukoista miljardeja vuosia kestävän sulautumisen tuloksena.
Valo paljasti puuttuvan renkaan
Jokin aika sitten löydettiin vahingossa kääpiögalaksista keskisarjan musta aukko. Kun kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä etsi Havaijilla supernovia kahdella optisella teleskoopilla, se havaitsi välähdyksen 850 miljoonan kilometrin päässä sijaitsevassa kääpiögalaksissa.
Valo kirkastui hyvin nopeasti, ja kehitystä tarkkailtiin seuraavien viikkojen aikana useilla eri teleskoopeilla, kuten avaruusteleskooppi Hubblella.
Hubble-avaruusteleskooppi näki välähdyksen, joka liittyi siihen, että keskisarjan musta aukko repi tähden kappaleiksi.
Säteilymäärä saavutti huippunsa 13 päivässä, ja sitten valo alkoi hitaasti himmetä.
Valokäyrä ei sopinut supernovaan. Tapahtuma muistutti enemmän tähtitieteilijöiden jo aiemmin todistamaa prosessia, jossa supermassiivinen musta aukko repii tähden kappaleiksi, tosin sillä erotuksella, että huippukohta tuli kaksi kertaa nopeammin. Teoreettiset mallit ennustavat kehityskulun juuri tällaiseksi, kun osallisena on keskisarjan musta aukko.
Mustan aukon osittain sinkoama tähti sai aikaan välähdyksen, joka oli kirkkaimmillaan 13 päivän jälkeen (käyrä). Kehityskulku sopii siihen, että keskisarjan musta aukko ahmi tähteä.
Mallien ja säteilykäyrän pohjalta voitiin päätellä, että mustan aukon massa sijoittui 100 000:n ja miljoonan Auringon massan haarukkaan. Tutkijat käyttivät ensimmäisen kerran mustan aukon massan määrittämiseen nopeutta, jolla säteilymäärä pieneni.
Keskisarjan mustan aukon löytyminen kääpiögalaksista on erityisen kiinnostavaa siksi, että löytö tukee teoriaa, jonka mukaan supermassiiviset mustat aukot syntyvät kääpiögalaksien yhtymisen tuloksena.
13 päivän kuluttua kirkkaimmillaan ollut galaksin valo kertoi tutkijoille mustan aukon kuuluvan keskisarjaan.
Jos jokainen kääpiogalaksi luovuttaa keskikokoisen mustan aukon, mustat aukot voivat sulautua yhteen ja muodostaa näin suuren mustan aukon. Kehitys johtaa nykyään isojen galaksien keskellä nähtäviin supermassiivisiin mustiin aukkoihin.
Tämän käsityksen kanssa kilpailee teoria, jonka mukaan isot galaksit ja niiden keskustan supermassiiviset mustat aukot ovat syntyneet yhdellä kertaa jättiläismäisestä kaasupilvestä.
Kaksi raskaimpien mustien aukkojen selitystä
TEORIA 1: Kaikki ovat syntyessään pieniä
Maailmankaikkeuden lapsuudessa kääpiogalaksien loppuun palaneet tähdet luhistuivat ja saivat aikaan pieniä mustia aukkoja. Niistä syntyi yhdistymällä keskikokoisia mustia aukkoja. Kun galaksit sulautuivat yhteen, myös mustat aukot yhtyivät.
- Vahvuus: Pienet mustat aukot voivat sulautua yhteen. Ensimmäinen tapaus paljastui vuonna 2015, kun mitattiin universumissa vyöryviä gravitaatioaaltoja, joita suurten massojen liike aiheuttaa.
- Heikkous: Teoria vaatii keskisarjan mustien aukkojen yhteensulautumista, eikä sitä ole havaittu.
TEORIA 2: Raskassarja on syntynyt suoraan
Isot galaksit ovat muodostuneet nuoren maailmankaikkeuden valtavista kaasupilvistä. Jokaisen ulko-osissa aineesta on syntynyt tähtiä, mutta keskustassa pilvi on luhistunut supermassiiviseksi mustaksi aukoksi.
- Vahvuus: Havaintojen mukaan supermassiivisia mustia aukkoja oli olemassa jo 10–12 miljardia vuotta sitten. Koska maailmankaikkeuden ikä on 13,8 miljardia vuotta, ensimmäisten mustien aukkojen on täytynyt syntyä nopeasti.
- Heikkous: Tietokonemallien mukaan kaasupilvi voi luhistua mustaksi aukoksi, mutta tällaisesta tapahtumasta ei ole löydetty merkkiäkään.
Supermassiivisia mustia aukkoja koskevat teoriat liittyvät siksi tiiviisti siihen, kuinka kotigalaksimme Linnunradan kaltaiset isot galaksit ovat kehittyneet.
Voidakseen vastata kysymykseen tähtitieteilijöiden pitää tuntea keskisarjan mustat aukot paremmin, ja tuore havainto antaa heille välineitä asioiden selvittämiseen.
Nykyään tiedetään vain se, että etsinnät pitää kohdistaa kääpiögalakseihin ja että niistä pitää yrittää löytää valoa, joka ilmentää tähden kohtalokasta kohtaamista keskikokoisen mustan aukon kanssa.
Kun uusi Vera C. Rubinin observatorio, jonka pääpeilin halkaisija on 8,4 metriä, valmistuu pian Chileen, himmeiden kääpiögalaksien valoa voidaan tutkia helpommin.
Chileen valmistuva Vera C. Rubinin observatorio voi ottaa vastaan välähdyksiä niistä tuhansista kääpiögalaksien tähdistä, jotka joutuvat keskikokoisten mustien aukkojen nielemiksi.
Kun uusi optinen teleskooppi otetaan käyttöön vuonna 2024, sillä voidaan tarkkailla entistä suurempaa osaa taivaankannesta ja nähdä kauemmas avaruuteen. Tutkijat odottavat, että observatorio havaitsee kymmenessä vuodessa jopa 80 000 välähdystä mustiin aukkoihin ajautuvista tähdistä.
Jos suuri osa mustista aukoista kuuluu keskisarjaan, tähtitieteilijöiden on helpompi selittää, kuinka mustat aukot kasvavat ja kotigalaksimme Linnunrata on muodostunut.