Lehdistötiedote

Magnetarien muodostumisen mysteeri ratkaistu?

14. toukokuuta 2014

Magnetarit ovat omituisia ylitiheitä supernovaräjähdysten jäänteitä. Ne ovat maailmankaikkeuden voimakkaimpia tunnettuja magneetteja — miljoonia kertoja tehokkaampia kuin vahvimmat Maapallon magneetit. ESOn VLT-teleskooppia (Very Large Telescope) käyttänyt eurooppalainen tähtitieteilijäryhmä olettaa nyt ensimmäistä kertaa löytäneensä magnetarin kumppanitähden. Tämä löytö auttaa selittämään kuinka magnetarit muodostuvat — 35 vuoden taakse ulottuva arvoitus — ja miksi tämä nimenomainen tähti ei romahtanut mustaksi aukoksi, kuten tähtitietelijät olisivat olettaneet.

Kun massiivinen tähti räjähtää oman painovoimansa alla supernovaräjähdyksenä, se muodostaa joko neutronitähden tai mustan aukon. Magnetarit ovat epätavallinen ja hyvin eksoottinen neutronitähtien muoto. Kuten kaikki nämä oudot kohteet, ne ovat pikkuruisia ja tavattoman tiheitä — teelusikallinen neutronitähden materiaa painaa jokseenkin miljardi tonnia — mutta niillä on myös äärimmäisen voimakas magneettikenttä. Magnetarien pinnalta vapautuu valtavia määriä gammasäteitä niiden kokiessa äkillisiä tähdenjäristyksiksi kutsuttuja mukautumisia, jotka ovat seurausta niiden peitteessä vallitsevista valtavista jännitteistä.

Tähtijoukossa Westerlund 1 [1], 16 000 valovuoden etäisyydellä eteläisen taivaan Alttarin tähdistössä (Ara), on yksi kahdesta tusinasta Linnunradassa tunnetusta magnetarista. Sen nimi on CXOU J164710.2-455216 ja se on suuresti hämmentänyt tähtitieteilijöitä.

"Aikaisemmissa tutkimuksissamme (eso1034) osoitimme, että tähtijoukossa Westerlund 1 olevan magnetarin (eso0510) on täytynyt syntyä Aurinkoa 40 kertaa massiivisemman tähden räjähtäessä. Tämä kuitenkin on ongelmallista, sillä näin massiivisten tähtien oletetaan romahtavan mustiksi aukoiksi kuolemansa jälkeen, ei muodostavan neutronitähteä. Me emme ymmärtäneet kuinka siitä saattoi tulla magnetar," sanoo Simon Clark, näitä tuloksia raportoivan tutkimusjulkaisun pääkirjoittaja.

Tähtitieteilijät esittivät ratkaisun tähän arvoitukseen. He esittivät, että magnetar muodostui kahden hyvin massiivisen, toisiaan kiertävän tähden vuorovaikutuksissa. Ne muodostivat niin tiiviin kaksoisjärjestelmän, että se olisi mahtunut Maan kiertoradan sisäpuolelle. Tähän mennessä ei kumppanitähteä ole kuitenkaan havaittu magnetarin sijaintipaikalla tähtijoukossa Westerlund 1, joten tähtitieteilijät käyttivät VLT-teleskooppia etsiäkseen sitä tähtijoukon muista osista. He etsivät tähtikarkulaisia — kohteita, jotka pakenevat tähtijoukosta suurilla nopeuksilla — jotka magnetarin muodostanut supernovaräjähdys olisi saattanut potkaista ulos radoiltaan. Nimellä Westerlund 1-5 [2] tunnetun tähden havaittiin toimivan juuri näin.

"Tällä tähdellä ei ole vain supernovan aiheuttaman potkaisun aikaansaaman kaltaista liikettä, vaan se on myös aivan liian kirkas ollakseen syntynyt yksittäisestä tähdestä. Lisäksi sillä on hyvin epätavallinen runsashiilinen koostumus, jota yksittäisen tähden on mahdoton tuottaa. Tämä on pitävä todiste, joka osoittaa, että sen on täytynyt alunperin muodostua kaksoistähden osana," lisää Ben Ritchie (Open University), yksi uuden tutkimusjulkaisun kirjoittajista.

Tämän löydön ansiosta tähtitieteilijät saattoivat rekonstruoida tähden elämäntarinan, jonka ansiosta magnetar saattoi muodostua oletetun mustan aukon sijaan [3]. Tämän prosessin ensimmäisessä vaiheessa kaksoistähden massiivisemman tähden polttoaine alkaa loppua ja se siirtää kaasukehänsä uloimmat kerrokset vähemmän massiiviselle kumppanilleen — jonka kohtalona on tulla magnetariksi — mikä saa sen pyörimään yhä nopeammin ja nopeammin. Tämä nopea pyöriminen näyttäisi olevan olennainen tekijä magnetarin äärimmäisen voimakkaan magneettikentän muodostumisessa.

Toisessa vaiheessa, tämän materiasiirron seurauksena, kumppanista itsestään tulee niin massiivinen, että se vuorostaan karistaa suuren osan hiljattain saamastaan materiasta. Suuri osa tästä materiasta menee hukkaan, mutta osa palaa takaisin alkuperäiselle tähdelle, jonka näemme yhä nykyään loistavan tähtenä Westerlund 1-5.

"Juurikin tämä materiasiirrosten prosessi on muodostanut ainutkertaisen kemiallisen tunnusmerkin tähdelle Westerlund 1-5 ja mahdollistanut sen kumppanin massan pienetä niin alhaiselle tasolle, että mustan aukon sijaan muodostui magnetar. Tämä on kosmisten seuraamusten paketinsiirtopeli tähtien välillä!" päättää tutkimusryhmän jäsen Francisco Najarro (Centro de Astrobiología, Espanja).

Vaikuttaa siltä, että kaksoistähden komponenttina oleminen saattaa siten olla olennainen ainesosa magnetarin muodostumisen reseptissä. Kahden tähden välisen materiasiirron aikaansaama nopea pyöriminen vaikuttaa välttämättömältä muodostamaan äärimmäisen voimakkaan magneettikentän ja sitten toisen materiasiirtovaiheen ansiosta tuloillaan oleva magnetar kevenee riittävästi, jotta se ei romahda mustaksi aukoksi kuolemansa hetkellä.

Lisähuomiot

[1] Ruotsalainen tähtitieteilijä Bengt Westerlund löysi avoimen tähtijoukon Westerlund 1 Australiassa vuonna 1961. Myöhemmin hän muutti sieltä ja hänestä tuli ESOn Chilen johtaja (1970-1974). Tämä tähtijoukko on valtavan tähtienvälisen kaasu- ja tomupilven takana, joka peittää näkyvistä suurimman osan sen näkyvästä valosta. Pimennyskerroin on yli 100 000 ja tästä syystä on kestänyt näin pitkään todeta tämän erityisen tähtijoukon todellinen luonne.

Westerlund 1 on ainutkertainen luonnollinen laboratorio tähtien äärimmäisen fysiikan tutkimiseksi ja auttaa tähtitieteilijöitä selvittämään kuinka Linnunradan massiivisimmat tähdet elävät ja kuolevat. Tähtitieteilijät päättelivät havainnoistaan, että tämän äärimmäisen tähtijoukon massa on mitä luultavimmin vähintään 100 000 kertaa Auringon massa ja kaikki sen tähdet sijaitsevat alueella, joka on halkaisijaltaan alle 6 valovuotta. Westerlund 1 vaikuttaa siten kaikkein massiivisimmalta tiheältä, nuorelta tähtijoukolta, joka on tähän mennessä tunnistettu Linnunradassa.

Kaikkien tähän mennessä tähtijoukossa Westerlund 1 analysoitujen tähtien massa on vähintään 30-40 kertaa Auringon massa. Koska sellaiset tähdet ovat suhteellisen lyhytikäisiä — tähtitieteellisesti puhuen — Westerlund 1 on varmastikin hyvin nuori. Tähtitieteilijät määrittävät sen iän jonnekin 3.5 ja 5 miljardin vuoden väliin. Niinpä Westerlund 1 on selvästi galaksimme vastasyntyneitä tähtijoukkoja.

[2] Tämän tähden koko nimi on Cl* Westerlund 1 W 5.

[3] Tähtien ikääntyessä niiden ydinreaktiot muuttavat niiden kemiallista koostumusta eli reaktioita ylläpitävät alkuaineet käyvät vähiin ja reaktioiden tuotokset lisääntyvät. Tämä tähtien kemiallinen sormenjälki on ensin runsas vedystä ja typestä, mutta vähähiilinen, ja vasta hyvin myöhään tähtien elämän aikana hiilen määrä kasvaa, mihin mennessä vety ja typpi ovat kovasti vähentyneet. Yleisesti ajatellaan, että yksittäisellä tähdellä ei voi samanaikaisesti olla paljon vetyä, typpeä ja hiiltä, kuten tähdellä Wd1-5 on.

Lisätietoa

Tässä ESOn lehdistötiedotteessa esitetty tutkimus ilmestyy pian julkaisusarjassa Astronomy and Astrophysics (“A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: IV.Wd1-5 binary product and a pre-supernova companion for the magnetar CXOU J1647-45”, jonka kirjoittivat J. S. Clark et al.). Sama tutkimusryhmä julkaisi ensimmäisen tutkimuksen tästä kohteesta vuonna 2006 (“A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1”, jonka kirjoittivat M. P. Muno et al., Astrophysical Journal, 636, L41).

Tämä tutkimus esitettiin tutkimusjulkaisussa “Fast spin of a young extrasolar planet”, jonka kirjoittivat I. Snellen et al. Julkaisu ilmestyy julkaisusarjassa Nature 1. toukokuuta 2014.

Tutkimusryhmään kuuluvat Simon Clark ja Ben Ritchie (The Open University, Iso-Britannia), F. Najarro (Centro de Astrobiología, Espanja), Norbert Langer (Universität Bonn, Saksa, ja Universiteit Utrecht, Alankomaat) sekä Ignacio Negueruela (Universidad de Alicante, Espanja).

Tähtitieteilijät käyttivät Chilessä sijaitsevan Paranalin observatorion ESOn VLT-teleskoopin FLAMES-havaintolaitetta tutkiessaan tähtiä tähtijoukossa Westerlund 1.

ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 15 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin vartavasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi. ESO on maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, vallankumouksellisen ALMA-teleskoopin eurooppalainen yhteistyökumppani. Parhaillaan ESO suunnittelee 39-metrin kokoista optisen/lähi-infrapuna-alueen European Extremely Large -teleskooppia (E-ELT) josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Tutkimusjulkaisu
• Valokuvia VLT-teleskoopista

Yhteystiedot

Simon Clark
The Open University
Milton Keynes, United Kingdom
Puh.: +44 207 679 4372
Sähköposti: jsc@star.ucl.ac.uk

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal and E-ELT Press Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6655
Matkapuhelin: +49 151 1537 3591
Sähköposti: rhook@eso.org

Pasi Nurmi (Lehdistön yhteyshenkilö Suomi)
ESO Science Outreach Network ja University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Sähköposti: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media