Tähtitieteilijät loivat maapalloa suuremman teleskoopin – mustan aukon synnyttämien plasmasuihkujen rakenne kuvattiin huipputarkasti

Vasemmalla havainnekuva RadioAstron-satelliitista havaitsemassa yhdessä maanpinnalla sijaitsevan radioteleskoopin kanssa ja oikealla kuva galaksin NGC 1275 suihkusta. NGC 1275 on Perseuksen galaksijoukon massiivinen keskusgalaksi 230 miljoonan valovuoden päässä. Oikealla olevan suihkun pituus on vain noin kolme valovuotta, ja musta aukko sijaitsee kuvan yläosassa olevan kirkkaan pisteen sisällä. Kuvan yksityiskohdat ovat pienempiä kuin omaa aurinkokuntaamme ympäröivän Oortin komeettapilven koko. Kuva: Pier Raffaele Platania INAF/IRA (kompositio); Lebedev Instituutti (RadioAstron)

Kaukana avaruudessa, 230 miljoonan valovuoden päässä maapallosta, sijaitsee jättiläisgalaksi NGC1275. Galaksin keskustassa oleva miljardin auringon massainen musta aukko synnyttää lähes valonnopeudella virtaavia plasmasuihkuja, joiden syntyalueen rakenteesta on tähän mennessä tehty päätelmiä vain mallien ja tietokonesimulaatioiden avulla. Nyt tutkijat ovat pystyneet kuvaamaan plasmasuihkun rakenteen kymmenen kertaa lähempänä suihkun lähtöpistettä kuin aikaisemmin, vain parin sadan mustan aukon säteen päässä.

”Tutkimustulos yllätti meidät. Lähellä syntypaikkaansa suihku osoittautui leveämmäksi kuin suosituimmat mallit ennustavat. Tämä voi tarkoittaa, että ainakaan suihkun uloin kerros ei synny aivan mustan aukon välittömässä läheisyydessä, kuten tietokonesimulaatioiden pohjalta on ajateltu, vaan kauempana aukkoa ympäröivässä kertymäkiekossa. Tuloksemme ei vielä kumoa malleja mutta antaa niiden kehittelijöille tärkeää tietoa, kuinka viedä malleja oikeaan suuntaan”, kertoo kuvat ottanutta kansainvälistä havainto-ohjelmaa johtava akatemiatutkija Tuomas Savolainen.

Toinen mielenkiintoinen uusi havainto on, että suihkun rakenne on erilainen kuin Maata lähempänä olevassa M87-galaksissa. Se on ollut tähän mennessä ainoa kohde, jonka plasmasuihkun rakennetta on kuvattu näin lähellä mustaa aukkoa. Tässä vaiheessa tutkijoiden teoria on, että rakenteen erilaisuus johtuu suihkujen ikäerosta.

”Nyt havaitsemamme suihku on käynnistynyt uudelleen vain reilu vuosikymmen sitten, eikä se ole siksi saavuttanut tasapainotilaa ympäristönsä kanssa. Nyt meillä on ainutlaatuinen tilaisuus seurata, kuinka mustan aukon tuottama plasmasuihku syntyy ja kasvaa”, selittää professori Gabriele Giovannini Italian kansallisesta astrofysiikan tutkimusinstituutista.

Yksi teleskooppi avaruudessa, loput maassa

Merkittävä parannus kuvien tarkkuudessa oli mahdollinen maata kiertävän venäläisen RadioAstron-radioteleskoopin ja yli kahdenkymmenen maanpinnalla sijaitsevan radioteleskoopin yhdistelmän avulla. Radioaaltojen interferenssiä eli kahden aallon toisiaan vahvistavaa tai vaimentavaa yhteisvaikutusta hyödyntävässä havaintotekniikassa teleskooppien yhdistelmä on erotuskyvyltään kuin yksi jättimäinen teleskooppi, jonka koko vastaa kauimpana toisistaan olevien teleskooppien välimatkaa. RadioAstronin erotuskyky vastaa halkaisijaltaan 350 000 kilometrin – tai 27 maapallon – kokoista teleskooppia, sillä avaruudessa kiertävän radioteleskoopin rata yltää lähes Kuuhun asti.  Erotuskyvyltään se on tähtitieteen historian tarkin havaintolaite.

Plasmasuihkujen tutkiminen auttaa ymmärtämään mustien aukkojen fysiikkaa sekä galaksien keskustoissa sijaitsevien mustienaukkojen vaikutusta ympäröivään galaksiin ja sen evoluutioon, kuten vaikka uusien tähtien syntynopeuteen galaksissa.   

”Minua kiinnostaa erityisesti se, miten nämä rakenteet ylipäätään voivat syntyä; miten luonto pystyy tekemään stabiilin, lähes valonnopeudella liikkuvan plasmasuihkun tavalla, joka vaikuttaa niin helpolta, mutta jota ihminen ei ainakaan toistaiseksi pysty matkimaan”, Tuomas Savolainen toteaa.

Osa havaintojen tekoon maanpinnalta osallistuneiden radioteleskooppien verkostosta. Kuva: Paul Boven; satelliittikuva: Blue Marble Next Generation, NASA Visible Earth.

RadioAstron-satelliitin radiogalakseihin keskittyvää havainto-ohjelmaa johtava akatemiatutkija Tuomas Savolainen työskentelee Aalto-yliopistossa elektroniikan ja nanotekniikan laitoksella sekä Metsähovin radio-observatoriolla. Aalto-yliopiston ja Italian kansallisen astrofysiikan tutkimusinstituutin lisäksi tutkimusryhmässä olivat mukana muun muassa Venäjän tiedeakatemian Lebedev-instituutti, saksalainen radioastronomian Max-Planck-instituutti ja Academia Sinica Taiwanista. Venäjän avaruusjärjestön RadioAstron-satelliittiohjelmaa johtavat Lebedev-instituutti ja avaruusteknologiayhtiö Lavochkin. Ohjelma toimii yhteistyössä useiden kansainvälisten radioastronomisten observatorioiden ja tutkimusorganisaatioiden kanssa. Aalto-yliopiston Metsähovin radio-observatorio osallistuu RadioAstronin havaintotoimintaan osana maanpäällistä radioteleskooppien verkostoa.

Artikkelin tiedot:

Giovannini, Savolainen, Orienti et al.: ”A wide and collimated radio jet in 3C84 on the scale of a few hundred gravitational radii”, Nature Astronomy Advance Online Publication (2.4.2018). DOI:10.1038/s41550-018-0431-2.

Yhteystiedot: 

Akatemiatutkija Tuomas Savolainen
tuomas.k.savolainen@aalto.fi 
+358 29 4424855