Lehdistötiedote

Ensimmäinen havainto neutronitähden törmäyksessä syntyneestä raskaasta alkuaineesta

Äskettäin syntynyt ilotulitteissakin käytetty strontium alkuaine on havaittu avaruudessa ensimmäistä kertaa ESO:n teleskooppihavaintojen avulla

23. lokakuuta 2019

Kahden neutronitähden yhdistymisen seurauksena muodostunutta raskasta strontium alkuainetta on havaittu avaruudessa ensimmäistä kertaa. Havainto tehtiin ESO:n "X-shooter"-spektrografilla VLT-teleskoopilla ja se julkaistiin tänään Nature-julkaisussa. Havainto varmisti sen, että Universumin raskaita alkuaineita voi muodostua neutronitähtien yhdistymisissä ja siten havainto selventää kemiallisten alkuaineiden muodostumisen palapelissä tarvittavia osia.

Vuonna 2017 heti sen jälkeen, kun gravitaatioaaltojen oli havaittu kulkevan Maan ohi ESO käänsi Chilessä kaukoputket VLT mukaanlukien kohdetta kohti, mikä oli neutronitähtien yhdistyminen nimeltään GW170817. Tähtitieteilijät epäilivät, jos neutronitähtien törmäyksessä muodostuu raskaita alkuaineita, niin näistä voisi nähdä viitteitä kilonovassa, mikä on näiden yhdistymisien räjähdysmäinen jälkitila. Juuri tämän eurooppalainen tutkijatiimi on havainnut ESO:n VLT-kaukoputken X-shooter instrumentilla.

GW170817 yhdistymisen jälkijunassa ESO:n teleskooppien laivue aloitti muodostuvan kilonova-räjähdyksen monitoroinnin laajalla aallonpituusalueella. X-shooter otti spektrien sarjan ultravioletista lähi-infrapunaan. Tämän spektrin alustava analyysi viittasi raskaiden alkuaineiden olemassaoloon, mutta vasta nyt tähtitieteilijät pystyivät osoittamaan yksittäisten alkuaineiden olemassaolon.

“Uudelleenanalysoimalla vuoden 2017 yhdistymisdataa olemme nyt tunnistaneet yhden raskaan alkuaineen strontiumin merkit tässä tulipallossa, mikä todistaa sen, että neutronitähtien törmäyksissä muodostuu tätä alkuainetta”, tämän tutkimuksen johtava tutkija Darach Watson Kööpenhaminan yliopistosta Tanskasta sanoi. Maasta strontiumia löytyy luonnollisesti maaperästä ja se on keskittynyt tiettyihin mineraaleihin. Sen suoloja käytetään ilotulitteissa tuottamaan värikkäitä punaisia värejä. 

Tähtitieteilijät ovat tunteneet alkuaineita tuottavat fysikaaliset prosessit jo vuodesta 1950 lähtien. Seuraavien vuosikymmenien aikana tähtitieteilijät ovat paljastaneet näiden kosmisten pajojen paikat yhtä lukuunottamatta. “Tämä on vuosikymmeniä kestäneen etsinnän viimeinen vaihe alkuaineiden alkuperän selvittämisessä”, Watson sanoi. “Tiedämme nyt, että alkuaineita luovat prosessit tapahtuvat pääasiassa tavallisissa tähdissä, supernovaräjähdyksissä tai vanhojen tähtien ulkokerroksissa. Tähän asti emme kuitenkaan tienneet viimeisen piilossa pysyneen prosessin paikkaa, mikä tunnetaan nopeana neutronisieppauksena ja muodostaa jaksollisen järjestelmän raskaimmat alkuaineet”.

Nopea neutronisieppaus on prosessi, missä atomiydin nappaa neutroneja riittävän nopeasti, jolloin hyvin raskaita alkuaineita voi muodostua. Vaikka tähtien ytimissä monia eri alkuaineita muodostuukin, niin rautaa raskaampien alkuaineiden kuten strontiumin muodostuminen vaatii vielä kuumemman ympäristön, missä on paljon vapaita neutroneita. Nopea neutronisieppaus tapahtuu luonnollisesti äärimmäisissä ympäristöissä, missä atomeja pommitetaan lukemattomilla neutroneilla.

“Tämä on ensimmäinen kerta, kun pystymme yhdistämään neutronisieppauksessa syntyneen materian neutronitähden yhdistymiseen, mikä varmistaa sen, että neutronitähdet koostuvat neutroneista ja liittävät pitkään keskustellut neutronikaappausprosessit tällaisiin yhdistymisiin”, yksi tutkimuksen päätekijöistä Camilla Juul Hansen Max Planck tähtitieteen instituutista Heidelbergistä sanoi.

Tutkijoille on vasta nyt alkanut selviämään, mitä neutronitähtien yhdistymisissä ja kilonovissa tapahtuu. Koska nämä uudet ilmiöt on ymmärretty puutteellisesti, sekä koska VLT:n X-shooterin ottamisssa räjähdyksenaikaisissa spektreissä on ollut tulkintavaikeuksia, tähtitieteilijät eivät ole pystyneet identifioimaan yksittäisiä alkuaineita tätä ennen.

“Itseasiassa ajatus strontiumin näkymisestä melko pian tapahtuman jälkeen tuli mieleen melko aikaisessa vaiheessa. Tämän näyttäminen todeksi osoittautui kuitenkin hyvin vaikeaksi. Tämä vaikeus johtui siitä, että meillä oli epätäydellinen kuva siitä, miten jaksollisen järjestelmän raskaat alkuaineet näkyvät spektreissä”,  tutkimuksen avainhenkilö Köpenhaminan yliopiston tutkija Jonatan Selsing sanoi. 

GW170817:n yhdistyminen oli viides gravitaatioaaltojen havainto, minkä NSF:n Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) USA:ssa ja Virgo-interferometri Italiassa havaitsivat. Yhdistyminen tapahtui NGC4993-galaksissa ja se oli ensimmäinen ja toistaiseksi ainoa gravitaatioaaltojen lähde, mille visuaalinen vastinpari on saatu havaittua maanpäällisillä teleskoopeilla.

LIGO:n, Virgo:n ja VLT:n yhteisestä ansiosta käsityksemme neutronitähtien sisäisestä maailmasta ja niiden räjähdysmäisistä yhdistymisistä on selkeytynyt.

Lisätietoa

Tämä tutkimus esiteltiin 24. lokakuuta 2019 ilmestyneessä Nature-julkaisussa.

Tuntikumsryhmään kuuluivat D. Watson (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Tanska), C. J. Hansen (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Saksa), J. Selsing (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Tanska), A. Koch (Center for Astronomy of Heidelberg University, Saksa), D. B. Malesani (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Tanska), A. C. Andersen (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Tanska), J. P. U. Fynbo (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Tanska), A. Arcones (Institute of Nuclear Physics, Technical University of Darmstadt, Saksa & GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Saksa), A. Bauswein (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Saksa & Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Saksa), S. Covino (Astronomical Observatory of Brera, INAF, Milan, Italia), A. Grado (Capodimonte Astronomical Observatory, INAF, Naples, Italia), K. E. Heintz (Centre for Astrophysics and Cosmology, Science Institute, University of Iceland, Reykjavík, Islanti & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Tanska), L. Hunt (Arcetri Astrophysical Observatory, INAF, Florence, Italia), C. Kouveliotou (George Washington University, Physics Department, Washington DC, USA & Astronomy, Physics and Statistics Institute of Sciences), G. Leloudas (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Tanska), A. Levan (Department of Physics, University of Warwick, UK), P. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, UK & Max Planck Institute for Astrophysics, Garching, Saksa), E. Pian (Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, INAF, Bologna, Italia).

ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja ylivoimaisesti maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 16 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Irlanti, Portugali, Puola, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta, joiden lisäksi Chile toimii laitteistojen sijoitusmaana ja Australia strategisena kumppanina. 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 VLT-teleskooppi (Very Large Telescope) ja siihen liittyvä, maailmanlaajuisesti johtava VLTI-interferometri, sekä kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja VST-teleskooppi näkyvän valon aallonpituuksilla. ESO on myös merkittävä kumppani kahdessa Chajnantorin laitteistossa, APEX-teleskoopissa ja ALMA-teleskoopissa, joka on maailman suurin tähtitieteellinen projekti. Lähellä Paranalia sijaitsevalla Cerro Armazonesilla ESO rakentaa 39-metrin kokoista ELT-teleskooppia (Extremely Large Telescope), josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Alkuperäinen tutkimusartikkeli 
• ESO:n teleskoopit havaitsevat ensimmäistä kertaa valoa gravitaatioaaltojen lähteestä
• VLT:n kuvia

Yhteystiedot

Darach Watson
Cosmic Dawn Center (DAWN), Niels Bohr Institute, University of Copenhagen
Copenhagen, Denmark
Matkapuhelin: +45 24 80 38 25
Sähköposti: darach@nbi.ku.dk

Camilla J. Hansen
Max Planck Institute for Astronomy
Heidelberg, Germany
Puh.: +49 6221 528-358
Sähköposti: hansen@mpia.de

Jonatan Selsing
Cosmic Dawn Center (DAWN), Niels Bohr Institute, University of Copenhagen
Copenhagen, Denmark
Matkapuhelin: +45 61 71 43 46
Sähköposti: jselsing@nbi.ku.dk

Bárbara Ferreira
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6670
Sähköposti: pio@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