Tutkijoiden löytämä kosminen suurennuslasi paljastaa supermassiivisen mustan aukon syöksemässä ainetta avaruuteen

Se, että hiukkaset kulkevat aktiivisten galaksien keskustassa olevien supermassiivisten mustien aukkojen suihkuissa lähes valon nopeudella, on tiedetty jo kauan. Säteilyalueita on kuitenkin yleensä voitu havaita vasta kun ne ovat matkanneet useiden valovuosien etäisyydelle mustasta aukosta. Uudet havainnot antavat mahdollisuuden tutkia plasmasuihkujen rakennetta lähellä mustaa aukkoa ja entistä tarkemmin. Havainnoilla saavutettu aiempiin nähden ylivertainen tarkkuus, kaarisekunnin miljoonasosa, vastaa nuppineulan havaitsemista kuusta. Kosmisen linssin avulla saadut havainnot ovat tähän mennessä tarkimpia alueista, joissa plasmasuihkun hiukkaset kiihtyvät lähes valon nopeuteen matkalla ulos galaksien keskustasta. Monikansalliseen tutkimusryhmään kuuluivat Talvikki Hovatta Turun yliopistosta sekä Merja Tornikoski ja Anne Lähteenmäki Aalto-yliopistosta.

Tutkimuksessa käytettiin useita eri radioteleskooppeja, yhtenä niistä Aalto-yliopiston Metsähovin radiotutkimusaseman 14-metrinen teleskooppi. Teleskoopit olivat tahoillaan seuranneet aktiivisen galaksin PKS 1413+135 kirkkaudenmuutoksia. Vuonna 2010 Caltechin Owens Valley Radio Observatoryn 40-metrisen teleskoopin havainnoissa näkyi jotain outoa.

”Yleensä näemme aktiivisten galaksien radiosäteilyn kirkastuvan, kun musta aukko syöksee niistä lähteviin hiukkassuihkuihin lisää ainetta, mutta tällä kertaa plasmasuihku näytti kirkastuvan ja himmenevän hyvin symmetrisellä tavalla vuoden kuluessa. Se ei näyttänyt normaalilta kirkkaudenvaihtelulta. Kun sama ilmiö toistui 2015, oli selvää, että jotain erikoista oli tekeillä”, Turun yliopiston erikoistutkija Talvikki Hovatta kertoo.

Metsähovin 14-metrinen teleskooppi tärkeässä roolissa

Metsähovin radiotutkimusaseman havainnoilla oli suuri rooli ilmiön luonteen selvittämisessä.

”Huomasimme, että sama symmetrinen kirkkaudenmuutos näkyi myös Metsähovin havainnoissa, jotka on tehty eri radiotaajuudella kuin Owens Valleyn havainnot. Tämän perusteella on todennäköistä, että kirkkaudenmuutos syntyy, kun pienet säteilyalueet plasmasuihkussa kulkevat gravitaatiolinssin takaa”, Hovatta sanoo.

Metsähovin radiotutkimusaseman havainto-ohjelmasta vastaava dosentti Merja Tornikoski kertoo, että Metsähovin tulokset olivat tutkimuksen kannalta oleellisia kahdestakin eri syystä.

”Metsähovissa on kerätty aktiivisten galaksien muuttuvuusdataa jo yli 40 vuoden ajan, ja tuloksissamme näkyi sama ilmiö kuin Owens Valleyn havainnoissa. Kun nyt analysoimme tarkemmin tuloksiamme, löysimme samanlaisen symmetrisen kirkastuman myös jo vuosilta 1993 ja 2000”, Tornikoski sanoo.

Tornikosken mukaan ilmiön ymmärtämisen kannalta tärkeää oli sekin, että Metsähovin havaintojen korkeammilla radiotaajuuksilla tapahtuma on samanaikainen kuin Owens Valleyn matalammalla taajuudella. Sekä symmetrisyys että samanaikaisuus selittyvät parhaiten tällaisella gravitaatiolinssimallilla.

Tutkimuksen kannalta mielenkiintoista on myös itse gravitaatiolinssi, mikä on todennäköisesti tähtijoukko, joka sijaitsee aktiivisen galaksin ja Linnunradan välissä olevassa spiraaligalaksissa. Linssin massa on noin 1 000–10 000 auringon massaa, kun yleensä havaitut linssit ovat joko yksittäisten tähtien tai kokonaisten galaksien aiheuttamia.

”Radiohavaintojen avulla voidaan siis mahdollisesti myös tutkia tällaisia keskikokoisia gravitaatiolinssejä, joita on vaikea muuten havaita kaukaisesta maailmankaikkeudesta”, Tornikoski sanoo.

Tutkimuksen seuraavassa vaiheessa on tarkoitus tutkia aktiivista galaksia PKS 1413+135 pitkäkantainterferometrian avulla. Siten plasmasuihkusta voidaan muodostaa tarkka radiokuva yhdistämällä useita eri radioteleskooppeja yhdeksi suureksi teleskoopiksi.

”Näiden havaintojen avulla on mahdollista nähdä linssin aiheuttama radiosäteilyn vääristymä kaarena ja samalla vahvistaa, että havaittu ilmiö on gravitaatiolinssin aiheuttama”, Hovatta sanoo.

Myös Metsähovin radiotutkimusasema osallistuu näihin havaintoihin. Jos Owens Valleyn ja Metsähovin tulevissa havainnoissa nähdään uusi symmetrinen kirkkaudenmuutos, myös maailman tarkin millimetrialueen instrumentti ALMA alkaa seurata kohteen kirkkautta 345 GHz radiotaajuudella.

Tutkimusryhmää johti emeritusprofessori Anthony Readhead California Institute of Technology:stä (Caltech). Tulokset on julkaistu kahdessa artikkelissa: Harish Vedantham (Caltech) et al. "Symmetric Achromatic Variability in Active Galaxies: A Powerful New Gravitational Lensing Probe?" ja H. Vedantham et al. "The Peculiar Light Curve of J1415+1320: A Case Study in Extreme Scattering Events," the Astrophysical Journal -lehdessä.

Erikoistutkija Talvikki Hovatta
Turun yliopisto
p. 050 491 6007
[email protected]

Dosentti Merja Tornikoski
Aalto-yliopisto
[email protected]