Vieraskynä: Hiljainen kääpiögalaksi aikojen alusta
Laura Savikoski
Galaksit ovat valtavia pölyn, kaasun, tähtien ja pimeän aineen muodostamia dynaamisia systeemejä. Niissä syntyy tähtiä massiivisten, enimmäkseen neutraalista vedystä koostuvien, kylmien kaasupilvien tiivistyessä ja lopulta luhistuessa kokoon oman painovoimansa vaikutuksesta. Galaksien muoto ja koko, sikäli kuin ne ovat havaittavissa, antavat meille tietoa niiden erilaisista tähtisukupolvista. Esimerkiksi siniset spiraaligalaksien ilmeikkäät haarat ovat omanlaisiaan tähtitehtaita, joissa syntyy jatkuvasti uusia nuoria tähtijoukkoja, kun taas punaiset ellipsigalaksit koostuvat suurelta osin vanhoista tähtijoukoista.
Suurin osa havaittavan maailmankaikkeuden galakseista on kuitenkin ensisilmäyksellä vaatimattomammalta vaikuttavia kääpiögalakseja, eli galakseja, joiden kokoluokka alittaa miljardin Auringon massan. Vertailun vuoksi oman Linnunratamme massaan mahtuisi keskimäärin yli tuhat miljardia Aurinkoa. Nämä himmeät kohteet toimivat meille kurkistusikkunana varhaiseen maailmankaikkeuteen, jossa ensimmäiset galaksit lienevät olleet nimenomaan kääpiöitä, joiden kehitys ja myöhemmät vaiheet toimivat rakennuspalikoina suurempien galaksisysteemien synnylle.
Vastikään julkaistun tutkimuksen mukaan Cambridgen yliopiston johtama kansainvälinen tutkimusryhmä onkin löytänyt vanhimman ja kaukaisimman galaksin, jossa tähtiensynty on tutkitusti hiljentynyt. Kyseessä on Sulatusuunin tähdistön JADES-GS-z7-01-QU, 13 miljardia vuotta sitten muodostunut kääpiögalaksi. Se löydettiin osana James Webb -avaruusteleskoopin Advanced Deep Extragalactic Survey- eli JADES-tutkimusta, teleskoopin lähi-infrapuna-alueen kameraa käyttäen. Sen massaan mahtuisi keskimäärin 500 miljoonaa Aurinkoa ja näin ollen sen kokoluokka vastaisi Pientä Magellanin pilveä, yhtä Linnunradan lähimmistä seuralaisgalakseista. Pienestä Magellanin pilvestä poiketen tässä kääpiögalaksissa ei tosin enää muodostu tähtiä, vaan se hiljeni lyhytikäisenä tuotettuaan tähtiä nopeana ryöppynä muutamien kymmenien vuosimiljoonien ajan.
Tähtienmuodostumisnopeudet ja -vaiheet vaihtelevat galakseittain
Linnunrataa lähimpänä olevat galaksit, joita voidaan havaita pienemmällä punasiirtymän arvolla kuin 3 – eli jotka ovat muodostuneet noin 2 miljardia vuotta alkuräjähdyksestä – voidaan karkeasti jakaa kahteen luokkaan: on galakseja, joissa tapahtuu aktiivista tähtiensyntyä ja uusia tähtiä siis syntyy tasaisella tahdilla, ja passiivisempia, lepotilassa olevia galakseja, joissa uusia tähtiä ei enää synny miltei ollenkaan. Näiden välissä on liuta välimuotoja, joissa tähtien tuotanto hidastuu suhteellisen verkkaiseen tahtiin. Galaksia voidaan kutsua hiljentyneeksi tai tukahtuneeksi, kun siinä ei enää aktiivisesti synny uusia tähtiä ja tähtijoukkoja. Sen kaasuvarannot ovat tällöin ehtyneet joko ympäristön tai sisäisten prosessien aikaansaamana. Toisin kuin tähdillä, jotka saattavat kokoluokastaan riippuen käydä elinkaarensa päätteessä mullistavan muodonmuutoksen punaiseksi jättiläiseksi taikka näyttäväksi supernovaräjähdykseksi, galaksin ”kuolema” on vähemmän näyttävä, tähtientuotannon ehtymisen aiheuttama himmeneminen.
Hyvin kaukaisilla galakseilla, toisin sanoen hyvin vanhoilla, maailmankaikkeuden alkuaikoina muodostuneilla yksilöillä, tilanne näyttää tätä kaksijakoista mallia monimuotoisemmalta. Nyky-ymmärryksen mukaan muinaisilla pienimassaisilla galakseilla tähtien syntynopeus saattoi olla hyvinkin sattumanvaraista. On mahdollista, että galaksien kehityskaarissa oli jaksoja, jolloin tähtiä muodostui nopealla tahdilla ja toisaalta vaiheita, jolloin tähtiä ei syntynyt juuri laisinkaan. Kummallisuus tilanteeseen tulee siitä, että jaksojen välinen muutos saattoi tapahtua hyvin lyhyessä aikaskaalassa – niin lyhyessä, että pelkkä tähtiensyntyprosessin aiheuttama kaasun väheneminen ei enää selitä sitä.
Sammuneita galakseja on toki löydetty aiemminkin, mutta kooltaan ne ovat olleet vähintään yli sata kertaa tätä yksilöä massiivisempia, eivätkä yhtä kaukaisia. Niitä on havaittu punasiirtymällä, jonka arvo on korkeintaan 5, eli maailmankaikkeuden ollessa noin 1,2 miljardin vuoden ikäinen. Tämä tekee tutkimuksen galaksista tähän mennessä vanhimman todistetusti hiljentyneen galaksin.
Tutkimus osoittaakin, että kyseinen vanha kääpiögalaksi on käynyt läpi vaiheen, jossa siinä tapahtui aktiivista uusien tähtien muodostumista 30-90 miljoonan vuoden ajanjaksolla, kunnes 10-20 miljoonaa vuotta sitten tähtiensynty yhtäkkiä lakkasi. On vielä epäselvää, onko tähtiensynnyn tukahtuminen lopullista vaiko vain yksi vaihe muinaisen galaksin merkillistä elinkaarta – on mahdollista, että kyseessä on vain hiljaisempi vaihe, joka odottaa galaksin uudelleen heräämistä.
Näin sammutat galaksin: Pikaohje
Galaksien kaasuvarannot ovat jatkuvassa kierrätyksessä, kun molekyylipilvistä muodostuu tähtiä. Tällöin osa alkuaineista sitoutuu tähteen, jonka fuusioreaktiot synnyttävät ajan saatossa vetyä raskaampia alkuaineita, jotka tähden elämänkaaren lopussa pääsevät leviämään jälleen osaksi tähtienvälisen aineen kiertokulkua. Jos tähtiensyntytahti on paljon keskimääräistä nopeampi, on mahdollista, että kaasuvarannot kuluvat loppuun ennen kuin materiaa ehtii palata tähtien kuolemien kautta takaisin kiertoon, ja galaksi ikään kuin ”nääntyy”. Jos tutkimuksen kääpiögalaksin hiljeneminen olisi ollut seurausta pelkästään kaasuvarantojen kuluttamisesta, olisi vaihdos aktiivisesta tähtientuotannosta lepotilaan tapahtunut pidemmän ajanjakson kuluessa. Tämän galaksin tapauksessa kaasupilviin olisi ehtinyt hitaamman prosessin aikana kertyä supernovaräjähdyksien seurauksena vetyä raskaampia alkuaineita, jolloin systeemissä pitäisi olla havaittavissa metallipitoisempia tähtiä.
Toisinaan, jos pienempi galaksi on massiivisemman seuralaisgalaksi, voi suurempi naapuri imeä gravitaatiollaan materiaa pienemmästä kiertolaisesta. Tällöin kääpiögalaksi menettää tähtien muodostamiseen vaadittavat pöly- ja kaasupilvensä suuremmalle osalliselle ja näin ollen sen tähtientuotanto lakkaa ympäristön olosuhteiden pakottamana. Jos kääpiögalaksin massa on tarpeeksi pieni, tähtien synty voi tukahtua myös ympäristön ionisoivan ultraviolettisäteilyn seurauksesta. Numeeriset simulaatiot kuitenkin osoittavat, että tutkimuksen kääpiögalaksi on massaltaan tähän liian kookas. Sen ympäristössä ei myöskään ole muita massiivisia galakseja, jotka olisivat voineet aiheuttaa tukahtumisen.
Tämän hiljaisen kääpiön tapauksessa onkin todennäköisempää, että kaasun nopea hupeneminen oli seurausta voimakkaasta ulosvirtauksesta, jossa kiihkeän tähtiensynnyn luoma säteilypaine ajoi kylmää kaasua vauhdilla ulos galaksista. Vaihtoehtoisesti kaasua olisi voinut ajautua keskustan supermassiivisen mustan aukon ympärille ja syöksyä sen ajamana galaksienväliseen avaruuteen, jolloin galaksi olisi köyhtynyt tähtienvalmistusmateriaaleistaan. Tämän jälkeen sen elinkaaressa alkoi hiljainen vaihe, jossa tähtiensynty väheni olemattomiin.
Pienen galaksin suuri merkitys tulevaisuuden mallinnuksissa
Tietokonesimulaatioilla onkin ennustettu, että tähtien muodostumisen aiheuttaman säteilypaineen tai aktiivisten galaksiytimien johdosta varhaisen maailmankaikkeuden galakseissa on voinut tapahtua hetkittäisiä hiljaisia vaiheita periodisten tähtiensyntyryöpsähdysten lomassa. Hiljaiselon aikana galaksi pystyy jälleen kerryttämään tähtienvälisen aineen varastoaan kunnes materiaa on tarpeeksi, jotta tähtien tuotanto voisi jälleen alkaa ja galaksi herätä uudelleen eloon. Tämänpäiväiset mallinnukset eivät kuitenkaan vielä kerro kaikkea tutkimuksen hiljaisen kääpiön kokoluokan galaksien sammumismekanismeista. Nykymallit sille, miten tähdet muodostuvat galakseissa, perustuvat tuloksiin jotka on kerätty meitä paljon lähempänä sijaitsevista kohteista.
JADES-GS-z7-01-QU on kaiken kaikkiaan erittäin kaukainen ja pienikokoinen ja näin ollen hyvin himmeä kohde. Vuonna 2021 laukaistu James Webb -avaruusteleskooppi mahdollistaakin ennätyksellisen tarkkojen tutkimusten suorittamisen näinkin pienille ja kaukaisille kohteille. Tutkimuksesta saadut tiedot toimivat osanaan astinkivenä uudelle aikakaudelle. Nykyteknologian tarjoamilla tarkemmilla instrumenteilla voimme nähdä yhä syvemmälle maailmankaikkeuden historiaan ja tehdä suoria havaintoja muinaisesta universumistamme. Tarkemmat tutkimukset mahdollistavat edelleen uusien, varhaisen maailmankaikkeuden galakseja havainnollistavien teoreettisten mallien määrittämisen.
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.
Kiitos kiinnostavasta asiasta kirjoitetusta selkeästä aiheenkäsittelystä. Oma mielenkiinnon alueeni on kosmologia sen perinteisessä merkityksessä. ”Nykykosmolgia”, hiukkas- ja kvanttifysiikka, ovat tällaiselle tavisharrastajalle aivan liian vaikea alue. Niin kuin se näyttää olevan monille tutkijoillekin! Niinpä olisi kiva juttu, jos näitä makrotasoisia kosmologian asioita käsitteleviä kirjoituksia saisi lukea Ursan sivulta useamminkin.