Pallomaiset tähtijoukot, galaksinmuodostuksen fossiilit
Teksti ilmestyi Ursan Facebook-sivulla 1.10.2017 osana Bongaa Linnunrata –kampanjaa 8.9.–8.11.2017.
M80 on yksi Linnunradan tiheimmistä pallomaisista tähtijoukoista ja sijaitsee Skorpionin tähdistön suunnalla. Sen sadat tuhannet tähdet ovat pakkautuneet halkaisijaltaan 95 valovuotta olevan pallon sisään. Sen tähdet ovat noin 12,5 miljardia vuotta vanhoja.
Kuva Nasa, The Hubble Heritage Team, STScI, AURA
Pallomaiset tähtijoukot ovat ensisilmäyksellä juuri sitä, mitä päällä lukee. Ne ovat pallomaisia, ytimestään tiheitä ja ulospäin harvenevia tähtiryppäitä, joiden muoto on varsin säännöllinen. Niissä on tyypillisesti noin sata tuhatta tähteä, mutta tähtiä voi olla miljoonakin. Ne kiertävät galaksien keskustoja satunnaisen muotoisilla radoilla itsenäisinä, gravitaation koossapitäminä yksiköinä. Tyypillisesti on niin, että mitä suuremmasta galaksista on kyse, sitä useampia pallomaisia joukkoja sen ympäriltä löytyy. Pallomaisia tähtijoukkoja löytyy kaikkien paitsi aivan pienimpien kääpiögalaksien ympäriltä.
Useimpien pallomaisten tähtijoukkojen tähdet ovat erittäin vanhoja. Itse asiassa niiden tähdet ovat usein kaikkein vanhimmasta päästä tähtiä, mitä on ylipäätään löydetty. Lisäksi yhden joukon tähdet näyttävät olevan suunnilleen saman ikäisiä. Ne siis ovat mitä ilmeisimmin muodostuneet samaan aikaan. Miten ihmeessä? (Joistain joukoista on löydetty näennäisen eri-ikäisiä tähtipopulaatioita, mutta ne selittyvät tavalla joka ei muuta samaan aikaan muodostumisen periaatetta. Asiasta kirjoitettiin pitkästi Tähdet ja avaruus –lehden numerossa 1/2015.)
Vielä 1990-luvulla pallomaiset tähtijoukot olivat hyvin kiusallinen mysteeri: niiden tähdet näyttivät olevan vanhempia kuin maailmankaikkeus itse. Vasta kun universumin havaittiin laajenevan kiihtyvällä nopeudella, pallomaiset joukot mahtuivat sen aikaskaalaan. Ne ovat kuitenkin edelleen universumin kaikkein muinaisimpia rakenteita. Vanhimmat niistä ovat peräisin ajalta ennen galakseja, joskin kaikki näyttävät muodostuneen kaasusta joka oli jo kiertänyt muutamien tähtisukupolvien läpi. Ne eivät siis ole varsinaisesti ensimmäisiä tähtiä.
Tähdet syntyvät, kun tähtienvälisessä avaruudessa olevat tiheät kaasu- ja pölypilvet pääsevät luhistumaan oman painonsa alla jonkin ulkoisen häiriön johdosta. Jättiläismäisen kaasupilven luhistuessa tähtiä syntyy kerralla jopa satoja tuhansia. Eri massaisia tähtiä syntyy tietyssä suhteessa: pieniä ja pitkäikäisiä tähtiä syntyy aina tietty määrä enemmän kuin raskaita, lyhytikäisiä jättejä.
Sama pätee myös pallomaisiin tähtijoukkoihin. Koska ne ovat erittäin vanhoja, kaikkein raskaimmat tähdet ovat ennättäneet räjähtää supernovina jo kauan sitten. Koska tähden massa sanelee sen odotettavissa olevan eliniän hyvin tiukasti, pallomaisen tähtijoukon ikä selviää tutkimalla missä kehityksen vaiheessa sen raskaimmat tähdet ovat.
ω Centauria on pidetty pitkään Linnunradan suurimpana pallomaisena tähtijoukkona, mutta sen 10 miljoonassa tähdessä näyttää olevan paljon eri ikäisiä yksilöitä. Ne eivät siis ole kaikki syntyneet samaan aikaan kuten pallomaisissa tähtijoukoissa. Se saattaakin todellisuudessa olla muinoin kaapatun kääpiögalaksin entinen ydin, jonka ulko-osat ovat tulleet rohmutuiksi osaksi Linnunrataa. Jonkin aikaa näytti siltä, että sen ytimessä on kookas musta aukko, mutta sen olemassaolosta kiistellään.
Kuva ESO / INAF-VST / OmegaCAM ja A. Grado / INAF-Capodimonte Observatory
Nykyään tiedetään, että lähes kaikki tuntemamme pallomaiset tähtijoukot muodostuivat universumin kahden ensimmäisen miljardin vuoden aikana. Linnunradan vanhimmat tunnetut pallomaiset tähtijoukot ovat yli 13 miljardia vuotta vanhoja.
Kerroimme viime viikolla ensimmäisistä tähtistä ja galakseista ja siitä, miten ne syntyivät pimeän aineen taskuissa universumin ollessa vielä nuori. Nämä taskut, eli pimeän aineen tihentymät, houkuttivat gravitaation avulla itseensä sitä enemmän kaasua, mitä massiivisempia ne olivat. Kaikkein massiivisimmissa pimeän aineen pilvissä syntyivät ensimmäiset pallomaiset tähtijoukot yhdessä rykäisyssä, kun kaasua oli saatavilla tarpeeksi.
Galaksit kasvoivat suuremmiksi kun taskut sulautuivat yhteen, ja pallomaiset tähtijoukot seurasivat mukana. Myöhemminkin galaksit ovat noudattaneet samaa reseptiä eli kavereiden popsimista kokonsa kasvattamiseen, ja niitä aina ympäröivä pimeä aine ja pallomaiset tähtijoukot ovat seuranneet mukana. Juuri tästä syystä suurimmiksi kasvaneilla galakseilla on eniten pallomaisia tähtijoukkoja.
Linnunradalta pallomaisia tähtijoukkoja on löydetty reilut 150 kappaletta, ja muutamia on ehkä edelleen löytämättä. Onko se paljon vai vähän? Naapurillamme, hiukan suuremmalla spiraaligalaksilla Andromedalla niitä näyttää olevan 460 kappaletta. Galaksijoukkojen keskustoissa röhnöttävät jättiläismäiset ellipsigalaksit ovat galaksimaailman superkannibaaleja. Neitsyen galaksijoukon jättiellipsin M87 ympärillä on arvioitu pörräävän peräti 12 000 pallomaista joukkoa.
Pallomaisia tähtijoukkoja saattaa syntyä harvakseltaan edelleen, mikäli olosuhteet ovat oikeat: hulppeasti kaasua synnyttämässä samanaikaisesti lähekkäin suuria määriä tähtiä, jotka jäävät kimppaan painovoiman ansiosta. Valtavien galaksitörmäysten yhteydessä törmäävissä kaasupilvissä onkin nähty syntyvän runsaasti massiivisia tähtiryppäitä, jotka näyttävät aivan nuorilta pallomaisilta joukoilta.
Eräs tutkijayhteisöä edelleen askarruttava asia on rajanveto pallomaisten tähtijoukkojen ja pienten galaksien välillä. Raja on hämärtynyt entisestään viime vuosina: on nimittäin löydetty äärimmäisen tiiviitä tähtiryppäitä, jotka voivat olla joko suuria pallomaisia joukkoja tai pieniä galakseja. Hyvä esimerkki tällaisesta kohteesta on Linnunradan suurin pallomainen tähtijoukko, ω Centauri, joka sisältää jopa 10 miljoonaa tähteä. Se saattaa hyvinkin olla alun perin kääpiögalaksin ydin, joka tuli kaapatuksi Linnunrataan.
On hauskaa kuvitella seisovansa pallomaisen tähtijoukon ytimessä olevalla planeetalla. Sen pinnalla ei ole koskaan yö. Taivasta täplittää joka hetki lukemattomia huikean kirkkaita tähtiä, ja taivas olisi jopa sata kertaa kirkkaampi kuin maapallolla päiväsaikaan. Yhtään planeettaa niistä ei kuitenkaan ole vielä löydetty, mutta etsinnät jatkuvat. Voi olla, että pallomaiset tähtijoukot synnyttäneessä varhaiskaasussa ei ollut vielä riittävästi raskaampia alkuaineita planeettojen muodostamiseen.
Tässä ESOn videossa zoomataan Skorpionin tähdistön suunnalla olevaan pallomaiseen tähtijoukkoon M4. Sen tähdet ovat noin 12,2 miljardia vuotta vanhoja. Joukon läpimitta on 35 valovuotta, ja se levittäytyy taivaalla suunnilleen täysikuun kokoiselle alueelle. Sen pallomaista tähtijoukkoisuutta ei kuitenkaan voi erottaa paljaalla silmällä, vaikka sen kirkkain ydinosa onkin kunnolla pimeässä paikassa juuri ja juuri erotettavissa. Videon alussa näkyvä galaksi on todella oma Linnunratamme ja se näyttää hiukan siltä, kuin sitä katsottaisiin ulkopuolelta. Kuvaan on levitetty Linnunrata sellaisena kuin se näkyy ympäri taivasta, jolloin se näyttää tällaiselta.
ESAn Gaia-avaruusteleskooppi on huippuhyvä mittaamaan tähtien sijainteja ja etäisyyksiä. Se laukaistiin vuonna 2013 ja sen ensimmäisen vuoden havaintoihin perustuvaan kuvaan on merkitty Linnunradan ympärille valkoisella sen havaitsemat pallomaiset tähtijoukot, joskaan kuvasta eivät löydy kaikki 150+ pallojengiä. Kuvaan on merkitty myös muutamia nuorten tähtien muodostamia avoimia tähtijoukkoja sekä lähistön galakseja, kuten Magellanin pilvet, Andromeda ja Kolmion galaksi (M33) sekä pari Linnunradan pientä hännystelijää, kuten pallomaiset kääpiögalaksit (dSph) Draco ja Ursa Minor. Kuva suurenee klikatessa.
Kuva ESA / Gaia / DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO
Mitä suuruusluokkaa ovat pallomaisten tähtijoukkojen erillisten tähtien välimatkat lähellä keskustaa? Voisiko nykyjärjestelmillä päästä mahdolliselta planeettajärjestelmältä toiselle ihmisiän aikaskaalassa? Jos ei niin pystyisikö moderneilla kaukoputkilla näkemään viereiseltä planeettajärjestelmältä toiselle toisin kuin meillä täällä?
Pallomaisen tähtijoukon ytimessä voi olla peräti tuhat tähteä kuutiossa, jonka sivu on 3,26 valovuotta (eli yksi parsek). Vertailun vuoksi, Aurinkoa lähin tähti Proksima Kentauri on 4,2 valovuoden päässä. Tällöin tähtien väliset etäisyydet ovat verrattavissa aurinkokunnan planeettoja sisältävän ydinalueen kokoon, eli matkustaminen nykymenetelmin olisi siellä ihmisiässä mahdollista. Pallomaiset tähtijoukot eivät kuitenkaan liene suotuisia vakaiden planeettajärjestelmien muodostumiselle toistuvien tähtiohitusten vuoksi.