Vieraskynä: Varhaisesta galaksista paljastui piilotettu kaasuvarasto
Anni Helminen
Kaukainen protogalaksijoukko SPT2349−56 osoittautui sisältävän aiemmin havaitsemattoman suuren määrän molekyylikaasua. Uusi tutkimus osoittaa, että nuoren galaksijoukon tähtien syntyä saattaa ruokkia laaja ja himmeä kaasupilvi, joka täyttää galaksienvälistä aluetta. Löydös voi muuttaa käsitystämme varhaisista galaksiryhmistä.
SPT2349-56 on niin kutsuttu protoklusteri, eli nuorista galakseista koostuva galaksijoukko. Se sisältää arviolta noin 30 galaksia jotka kaikki mahtuisivat alueelle, jonka koko on samaa luokkaa naapurigalaksimme Andromedan kanssa. Alue on siis tiiviisti pakattu galakseilla.
Joukko sijaitsee noin 12 miljardin valovuoden päässä meistä, eli havaittaessa kohdetta näemme tosiasiallisesti 12 miljardin vuoden takaista valoa. Tämä tarkoittaa sitä, että nuoren joukon avulla voimme nähdä varhaisen maailmankaikkeuden aikaa, jolloin ensimmäiset galaksijoukot ovat vasta syntymässä. Kyseinen kohde on erityinen myös sen sisältämien harvinaisten ultrakirkkaiden infrapunagalaksien, sekä tavallista nopeamman tähtienmuodostuksen takia.
Kanadan Brittiläisen Kolumbian yliopistossa toteutettu tutkimus keskittyi galaksijoukon sisältämään molekyylikaasuun, etenkin kylmän kaasun tutkimiseen. Chilessä sijaitsevien radioteleskooppien ja -interferometrien avulla tutkijaryhmä selvitti kohteen koostumusta laajalla kokoluokalla, jossa tutkittiin yksittäisten galaksien sijaan koko joukkoa.
Tutkimuksessa käytettiin pääasiassa Chilen Atacama -aavikolla sijaitsevaa Atacama Compact Arrayta (ACA), joka koostuu kahdestatoista 7 metrin antennista ja neljästä 12 metrin antennista. Näiden antennien havainnot voidaan yhdistää, jolloin tulokset ovat kuin yhdestä valtavasta teleskoopista. ACA on osa suurempaa radioteleskooppiryhmää, Atacama Large Millimeter Arrayta (ALMA), joka puolestaan koostuu 66:sta antennista. ACA kykenee havaitsemaan laajoja ja suuria kohteita taivaalta, kuten molekyylipilviä ja galaksijoukkoja. ALMA taas havaitsee kohteita tarkoin yksityiskohdin.
Tutkimuksessa ACAlla havaittiin galaksijoukkoa tutkien hiilimonoksidin osuutta galaksien- ja tähtienvälisessä kaasussa. Hiilimonoksidi on yleinen molekyyli tähtienvälisessä avaruudessa, ja sen havaintoja tehdäänkin, kun tutkimuksessa ollaan kiinnostuneita kylmästä kaasusta. Kyseinen kaasu liitetään vahvasti uusien tähtien muodostumiseen ja täten galaksien kehitykseen. Tämä voi kertoa tutkijoille miten suuret galaksijoukkojen tapaiset rakenteet alunperin kehittyvät.
Tutkimusryhmä vertasi ACAlla ja ALMAlla tehtyjä havaintoja vanhoihin Atacama Path Finder Experiment (APEX) -teleskoopilla tehtyihin havaintoihin. APEX koostuu yhdestä läpimitaltaan 12 metrin suuruisesta teleskoopista, jolla voidaan mitata heikkoja, pitkien aallonpituuksien signaaleja. ACAlla tehdyt havainnot toteutettiin harvinaisen pitkällä, yhteensä 30 tunnin havaintoajalla.
ALMA, ACA ja APEX eivät havainnoi avaruuden kohteita näkyvän valon aallonpituuksilla. Sen sijaan ne toimivat radioaallonpituuksilla, jotka ovat ihmisen silmälle näkymättömiä. Radioaaltojen havaitseminen on kuitenkin hyvin tärkeää, sillä monet avaruuden kohteet lähettävät radioaaltoja.
Tutkijat vertasivat ALMAlla, ACAlla ja APEXilla tehtyjä havaintoja keskenään ja huomasivat suuren määrän kylmää molekyylikaasua, joka oli ALMAn tarkoissa havainnoissa jäänyt täysin näkymättömäksi. ACAn tekemissä havainnoissa esiintyi noin 75 % enemmän hiilimonoksidia. Lisäksi APEXilla tehdyt havainnot ionisoituneen hiilen lähettämästä säteilystä vahvistivat ACAlla saadut tiedot. Ionisoituneita hiilimolekyylejä esiintyy erityisesti harvemmassa tähtienvälisessä kaasussa.
Tuloksia voidaan selittää ALMAn ja ACAn havaintotapojen eriäväisyydellä. Kun ALMA keskittyi galaksijoukon yksittäisten galaksien havaitsemiseen tarkoin yksityiskohdin, ACAn laaja näkökenttä antoi sen havaita myös galaksien välistä aluetta, johon suurin osa kylmästä kaasusta oli kätkeytynyt. Tutkimuksen havainnot viittaavat siis valtavaan kylmän kaasun “varastoon”, joka on levittäytynyt ympäri joukkoa. Tutkijoiden mukaan tämä voisi selittää galaksijoukon kykyä muodostaa tähtiä erityisen tiheään tahtiin.
Tulokset voisivat selittää myös joukon galaksienvälisen aineen muodostumista. Galaksienvälinen aine on kehittyneissä galaksijoukoissa esiintyvää kuumaa plasmaa, joka täyttää galaksienvälistä aluetta. Kaasun alkuperä voi olla lisäksi galaksien ympärillä olevaa ainetta, joka ylläpitää galakseissa tapahtuvaa tähtien muodostumista.
Tutkijat havaitsivat myös ultrakirkkaita infrapunagalakseja. Aiemmin on oletettu, että nämä poikkeuksellisen kirkkaat galaksit ovat kaikki aktiivisia samaan aikaan, mikä selittäisi galaksijoukon valtavan tähtienmuodostusnopeuden. Samanaikainen tähtien synty vaatisi valtavan määrän kaasua käytettäväksi lyhyessä ajassa. Molekyylikaasun varasto kuitenkin viittaa siihen, että ultrakirkkaiden infrapunagalaksien ei tarvitse toimia samanaikaisesti. Sen sijaan tähtien synty saattaa tapahtua galaksijoukossa jopa satojen miljoonien vuosien aikavälillä.
Galaksijoukot ovat yksiä tunnetun maailmankaikkeuden suurimpia rakenteita. Linnunrata on osa paikallista galaksiryhmää, ja paikallinen galaksiryhmä osa Neitsyen superjoukkoa, joka koostuu yli sadasta galaksijoukosta. Nuori galaksijoukko on tehdyissä havainnoissa vasta kehittymässä täysikasvuiseksi joukoksi, eli sen galaksit ovat ikään kuin putoamassa kohti joukon keskustaa. Tällainen kehitysvaihe on suhteellisen lyhyt ja yleisempi varhaisessa maailmankaikkeudessa. Tutkijoiden löytämä määrä kylmää kaasua on niin suuri, että se riittäisi ylläpitämään uusien tähtien syntyä galaksijoukossa jopa 400 miljoonan vuoden ajan.
Nuoren galaksijoukon tutkimus tarjoaa uuden näkökulman varhaisten galaksijoukkojen kehitykseen. Löydös kylmästä molekyylikaasusta viittaa siihen, että tähtienmuodostusta voidaan ylläpitää huomattavasti pidempään kuin aiemmin ajateltiin. Tämä haastaa ajatuksen samanaikaisesta ultrakirkkaiden infrapunagalaksien aktiivisuudesta ja viittaa tähtien monivaiheiseen kehityskulkuun. Tulokset korostavat lisäksi havaintomenetelmien valinnan merkitystä: tarkka mutta kapeakatseinen ALMA voi ohittaa kokonaisuuden, jonka laajempikenttäinen ACA tuo esiin. Tutkimus avaa siten oven sekä menneisyyteen että tulevaisuuteen, kirjaimellisesti valovuosien päähän.
Kirjoittaja on fysikaalisten tieteiden kandiohjelman opiskelija Helsingin yliopistossa.
Teksti on kirjoitettu osana Helsingin yliopiston opintojaksoa Kerro tähtitieteestä (Työelämätaidot II), jossa opiskeltiin tähtitieteen popularisointia ja yleistajuisten tekstien tuottamista. Ursa julkaisee kurssin harjoitustöiden parhaimmistoa.