Kuva kvasaarin suihkusta yllätti tähtitieteilijät

Vuosi sitten paljastettiin ensimmäinen kuva M87-galaksin keskustan mustasta aukosta. Nyt tähtitieteilijät ovat saaneet ainutlaatuisen tarkan kuvan sata kertaa M87:tä kauempana sijaitsevan kvasaari 3C 279:n suihkusta.

Kvasaarit ovat galaksien nuoruuden kehitysvaiheita. Kvasaarin keskusta on hyvin aktiivinen: mustaan aukkoon putoaa runsaasti materiaa, mikä saa kvasaarin ytimen loistamaan kirkkaammin kuin galaksin kaikki muut tähdet yhteensä.

Kuva M87:n mustasta aukosta näytti juuri siltä, mitä tähtitieteilijät olivat odottaneet, mutta kvasaarin kuva yllätti tutkijat.

”Kvasaari on niin kaukana, että emme erota kuvassa itse mustaa aukkoa, vaan mustan aukon   laukaiseman plasmasuihkun. Oletimme suihkun olevan suora, mutta kuvassa näkyykin mutkitteleva rakenne. Miksi näin on, sitä emme vielä tiedä”, kertoo dosentti Tuomas Savolainen. Hän on kuvan ottaneen Event Horizon Telescopen (EHT) -yhteistyöhankkeen ainoa suomalaisjäsen ja työskentelee Aalto-yliopiston Metsähovin radiotutkimusasemalla.

Kuva 5 miljardin valovuoden päästä

Kuva on yllättävän tarkka, vaikka kvasaari on hyvin kaukana – noin viiden miljardin valovuoden päässä. Tutkijat ovat pystyneet erottamaan kuvassa jopa alle valovuoden kokoisia rakenteita, mikä on viisinkertainen parannus aiempiin havaintoihin.

”Olemme aikaisemminkin havainneet suihkujen kaarteita ja mutkia, mutta emme koskaan tässä mittakaavassa ja näin lähellä suihkun alkupäätä. Tämä alue on kiinnostava paitsi suihkun muodostumisen kannalta, myös siksi, että kvasaarin lähettämä voimakas gamma-säteily mahdollisesti syntyy kuvassa näkyvissä rakenteissa”, Savolainen sanoo.

Havaintoja tehtiin keväällä 2017 neljän päivän ajan pitkäkantainterferometria (very long baseline interferometry VLBI) -nimisen tekniikan avulla. Siinä ympäri maailmaa sijaitsevia teleskooppeja käytetään yhdessä koko maapallon kokoisena virtuaalisena teleskooppina.

”Tekniikan avulla saavutettava erotuskyky vastaa sitä, että pariisilaisesta kahvilasta pystyttäisiin lukemaan New Yorkissa olevaa sanomalehteä. Tällä erotuskyvyllä pystyimme jo muutamien päivien aikana näkemään muutoksia suihkun rakenteessa. Se tarkoittaa, että suihkun plasma liikkuu nopeudella, joka yli 99.5 prosenttia valonnopeudesta. Näemme liikettä kohteessa, josta säteilevä valo on peräisin ajalta ennen maapallon syntyä”, Tuomas Savolainen selittää.

Event Horizon Telescopen eli EHT:n tutkijat havainnoivat kvasaaria kahdesta syystä. Ensinnäkin kohdetta havainnoitiin kalibrointitarkoituksessa, koska kvasaari sijaitsee lähellä M87-galaksia, jonka keskustan mustasta aukosta otettiin kuva. Kvasaari sopii kalibrointikohteeksi myös siksi, että se on hyvin kirkas lähde eli tutkittavaa signaalia on paljon. Havaintojen kalibroinnilla varmistetaan se, että laite mittaa oikeaa asiaa. Toiseksi kvasaari on kiinnostava kohde myös itsessään. Niiden fysiikkaa ja esimerkiksi suihkujen syntymistä ei vieläkään täysin ymmärretä.

Varmaa selitystä sille, miksi kvasaarin suihku ei ole suora, ei ole. Yksi mahdollinen selitys mutkaiselle rakenteelle voisi tutkijoiden mukaan olla pyörivässä suihkussa liikkuvat shokkiaallot. Selityksen vahvistaminen vaatii lisähavaintoja.

”Tiesimme, että joka kerta kun maailmankaikkeuteen avaa uuden ikkunan, voi löytää jotain uutta. Odotimme näkevämme suihkun syntyalueen, mutta löysimmekin eräänlaisen poikittaisen rakenteen, mitä emme osanneet etukäteen ennustaa”, sanoo Jae-Young Kim Max Planck -instituutista.

EHT-yhteistyöverkostoon kuuluu yli 200 tutkijaa Afrikasta, Aasiasta, Euroopasta, Pohjois- ja Etelä-Amerikasta. EHT yhdistää olemassa olevia teleskooppeja ja siten muodostaa täysin uuden havaintolaitteen, jonka erotuskyky on suurempi kuin millään muulla laitteella. Teleskoopit sijaitsevat hyvin korkeilla paikoilla: Havaijin ja Meksikon tulivuorilla, Arizonan ja Espanjan Sierra Nevadan vuoristoissa, Chilen Atacaman autiomaassa ja Etelämantereella.

Havainnot julkaistiin Astronomy & Astrophysics -lehdessä 7.4.2020.

J.Y. Kim, T.P. Krichbaum, A.E. Broderick, et al.: Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution, in: Astronomy & Astrophysics, April 2020

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202037493

Lisätietoja:

Senior Scientist, dosentti
Tuomas Savolainen
Metsähovin radiotutkimusasema
[email protected]
puh. 050 3083696

Animaatio näyttää kvasaarin 3C279 suihkun kolmella eri VLBI-antennistolla kuvattuna: Very Long Baseline Array (aallonpituus 7mm), Global mm-VLBI Array (3.5mm) ja EHT (1.3mm).  Animaatio näyttää, kuinka "zoomaamme" kohti pienempiä yksityiskohtia siirtyessämme lyhyemmille aallonpituuksille. VLBA:n ja GMVA:n kuvissa suihku on suhteellisen suora, mutta EHT:n kuva paljastaa toisenlaisen rakenteen. Animaatiossa vertaillaan EHT:n eri päivinä 3C279:stä ottamia kuvia ja näytetään, miten suihkun rakenne muuttuu päivien aikana.