Lehdistötiedote

Tähden outo käyttäytyminen paljastaa yksinäisen mustan aukon piilottelemassa jättimäisessä tähtijoukossa

17. tammikuuta 2018

Chilessä sijaitsevaa ESO:n VLT-teleskoopin MUSE-havaintolaitetta käyttäneet tähtitieteilijät ovat löytäneet tähtijoukosta NGC 3201 tähden, joka käyttäytyy hyvin omituisesti. Se näyttää kiertävän näkymätöntä mustaa aukkoa, jonka massa on noin neljä Auringon massaa. Tämä on ensimmäinen tällainen passiivinen tähdenmassainen musta aukko, joka on löydetty pallomaisesta tähtijoukosta ja ensimmäinen, joka on löydetty suoraan havaitsemalla sen vetovoimavaikutuksia. Tämä tärkeä havainto vaikuttaa ymmärtämykseemme näiden tähtijoukkojen ja mustien aukkojen muodostumisesta sekä gravitaatioaaltotapahtumien alkuperästä.

Pallomaiset tähtijoukot ovat valtavia kymmenien tuhansien tähtien palloja, jotka kiertävät useimpia galakseja. Ne lukeutuvat maailmankaikkeuden vanhimpiin tunnettuihin tähtijärjestelmiin ja ajoittuvat galaksien kasvun ja kehityksen alkuaikoihin. Linnunradalla tiedetään nykyisin olevan yli 150 tällaista joukkoa.

Yhtä tiettyä, NGC 3201 -nimistä tähtijoukkoa eteläisen taivaan Purjeen tähdistössä (Vela) on nyt tutkittu ESO:n, Chilessä sijaitsevan VLT-teleskoopin MUSE-havaintolaitteella. Kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä on havainnut, että yksi joukon NGC 3201 tähdistä [1] käyttäytyy hyvin omituisesti. Se heittelehtii edestakaisin useiden satojen tuhansien kilometrien nopeudella tunnissa, 167 vuorokauden jaksolla [2].

Pääkirjoittaja Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Saksa) kiinnostui tähden käytöksestä: "Se kiersi jotakin täysin näkymätöntä, jonka massa oli yli neljä kertaa Auringon massa. Tämä saattoi olla vain musta aukko! Ensimmäinen pallomaisesta tähtijoukosta suoraan sen vetovoimavaikutuksia havaitsemalla löydetty."

Mustien aukkojen ja pallomaisten tähtijoukkojen suhde on tärkeä, mutta arvoituksellinen. Koska pallomaiset tähtijoukot ovat massiivisia ja vanhoja, niiden on ajateltu tuottaneen suuria määriä tähdenmassaisia mustia aukkoja, jotka ovat muodostuneet massiivisten tähtien räjähtäessä ja romahtaessa tähtijoukon pitkän elämän aikana [3][4].

ESO:n MUSE-havaintolaite tarjoaa tähtitieteilijöille ainutkertaisen kyvyn mitata tuhansien etäisten tähtien liikkeitä samanaikaisesti. Tämän uuden havainnon myötä tutkimusryhmä on ensimmäistä kertaa kyennyt havaitsemaan passiivisen mustan aukon pallomaisen tähtijoukon ytimessä — sellaisen, joka ei tällä hetkellä niele materiaa eikä ole hohtavan kaasukiekon ympäröimä. He saattoivat arvioida mustan aukon massan sen suunnattoman vetovoiman vangiksi jääneen tähden liikkeistä [5].

Sen havaituista ominaisuuksista tähden pääteltiin olevan noin 0.8 kertaa Aurinkomme massainen ja sen arvoituksellisen vastineen laskettiin olevan noin 4.36 kertaa Auringon massainen, mikä lähes varmasti tarkoittaa, että se on musta aukko [6].

Hiljattain tehdyt havainnot radio- ja röntgenkohteista pallomaisissa tähtijoukoissa sekä vuoden 2016 havainto kahden tähdenmassaisen mustan aukon yhteensulautumisen tuottamista gravitaatioaaltosignaaleista antavat ymmärtää, että nämä suheellisen pienet mustat aukot saattavat olla pallomaisissa tähtijoukoissa paljon yleisempiä kuin on aikaisemmin ajateltu.

Giesers päättää: "Viime aikoihin asti oli oletettu, että lähes kaikki mustat aukot katoaisivat pallomaisista tähtijoukoista lyhyen ajan kuluessa ja että tämänkaltaisten järjestelmien ei pitäisi edes olla olemassa! Mutta selvästi näin ei ole. Meidän havaintomme on ensimmäinen suora havainto tähdenmassaisen mustan aukon aiheuttamista painovoimailmiöistä pallomaisessa tähtijoukossa. Tämä löytö auttaa ymmärtämään pallomaisten tähtijoukkojen muodostumista ja sekä mustien aukkojen että kaksoisjärjestelmien evoluutiota, mikä on välttämätöntä gravitaatioaaltolähteiden ymmärtämisen suhteen."

Lisähuomiot

[1] Löydetty tähti on pääsarjan käännekohdassa eli sen elämä pääsarjassa on päättymässä. Käytettyään loppuun vetyvarastonsa se on nyt muuttumassa punaiseksi jättiläiseksi.

[2] Suuri 25:n Linnunrataa ympäröivän pallomaisen tähtijoukon kartoitus on par'aikaa meneillään käyttäen ESO:n MUSE-havaintolaitetta MUSE-konsortion tuella. Se tulee tarjoamaan tähtitieteilijöille spektrit 600 — 27 000 tähdestä kussakin joukossa. Tutkimus käsittää analyysin yksittäisten tähtien "radiaalinopeuksista" eli nopeuksista, joilla ne liikkuvat näkösäteen suunnassa kohti Maata tai pois siitä. Radiaalinopeusmittausten avulla tähtien radat voidaan määrittää aivan kuten ominaisuudet massiivisille kappaleille, joita ne mahdollisesti kiertävät.

[3] Jatkuvan tähtienmuodostuksen puuttuessa, kuten on kyse pallomaisissa tähtijoukoissa, tähtienmassaiset mustat aukot tulevat pian kaikkein massiivisimmiksi kohteiksi. Yleisesti tähtienmassaiset mustat aukot pallomaisissa tähtijoukoissa ovat noin neljä kertaa niin massiivisia kuin ympäröivät matalamassaiset tähdet. Tuoreet teoriat ovat päätelleet, että mustat aukot muodostavat tiiviin ytimen joukkojen sisälle, joka sitten irtaantuu muusta joukon materiasta. Tähtijoukkojen keskustojen liikkeiden ajatellaan sitten sinkoavan suurimman osan mustista aukoista ulos, mikä tarkoittaa, että vain jokunen selviää miljardin vuoden yli.

[4] Tähtienmassaiset mustat aukot muodostuvat, kun massiiviset tähdet kuolevat, romahtaen oman painovoimansa alla ja räjähtäen voimakkaina hypernovina. Jälkeen jää musta aukko, jolla on suurin osa aiemman tähden massasta, joka voi vaihdella jokusesta Aurinkomme massasta useita kymmeniä kertoja massiivisempiin.

[5] Koska valo ei kykene karkaamaan mustista aukoista niiden valtavan painovoiman johdosta, pääasiallinen keino havaita niitä on havaita niitä ympäröivästä materiasta tulevaa radio- tai röntgensäteilyä. Kun musta aukko ei kuitenkaan vuorovaikuta kuuman materian kanssa eikä siten kerrytä massaa tai säteile, kuten tässä tapauksessa, musta aukko on passiivinen ja näkymätön, ja siten tarvitaan jokin muu menetelmä havaita se.

[6] Koska valoa säteilemätöntä kohdetta tässä kaksoisjärjestelmässä ei voida suoraan havaita, on vahtoehtoisia, joskin vähemmän vakuuttavia selityksiä siitä mitä ne voisivat olla. Ehkä kyseessä on kolmoistähtijärjestelmä, joka koostuu kahdesta hyvin lähellä toisiaan olevasta neutronitähdestä, joita havaittu tähti kiertää. Tämä skenaario edellyttäisi kummankin neutronitähden olevavn vähintään kaksi kertaa Aurinkomme massaisia, mikä tarkoittaa sellaista kaksoistähtijärjestelmää, jota ei ole milloinkaan havaittu.

Lisätietoa

Tätä tutkimusta on esitelty tutkimusjulkaisussa "A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201", jonka kirjoittivat B. Giesers et al. Julkaisu ilmestyy julkaisusarjasa Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Tutkimusryhmään kuuluvat Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Saksa), Stefan Dreizler (Georg-August-Universität Göttingen, Saksa), Tim-Oliver Husser (Georg-August-Universität Göttingen, Saksa), Sebastian Kamann (Georg-August-Universität Göttingen, Saksa; Liverpool John Moores University, Liverpool, Iso-Britannia), Guillem Anglada Escudé (Queen Mary University of Lontoo, Iso-Britannia), Jarle Brinchmann (Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden, Leiden, Alankomaat; Universidade do Porto, CAUP, Porto, Portugali), C. Marcella Carollo (Eidgenössische Technische Hochschule, ETH, Zürich, Sveitsi) Martin M. Roth (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Saksa), Peter M. Weilbacher (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Saksa) ja Lutz Wisotzki (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Saksa).

ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 16 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Puola, 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 yksi maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, ALMA-teleskoopin pääyhteistyökumppaneista. Lähellä Paranalia sijaitsevalla Cerro Armazonesilla ESO rakentaa 39-metrin kokoista ELT -teleskooppia (Extremely Large Telescope), josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Tutkimusjulkaisu
• Tietoja VLT:n MUSE-havaintolaitteesta
• Valokuvia VLT-teleskoopista

Yhteystiedot

Benjamin Giesers
Georg-August-Universität Göttingen
Göttigen, Germany
Sähköposti: giesers@astro.physik.uni-goettingen.de

Stefan Dreizler
Georg-August-Universität Göttingen
Göttigen, Germany
Sähköposti: dreizler@astro.physik.uni-goettingen.de

Richard Hook
ESO Public Information 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