Jäljet johtavat tähtitehtaalle
Pienempi NGC 5195 (oikealla) on lipumassa hitaasti Pyörregalaksin M51 ohi takakautta. Seuralaisen painovoimavaikutus näyttää selkiyttäneen Pyörregalaksin spiraalirakennetta ja käynnistäneen tähtien syntyä sen kierteissä.
Kuva Nasa / ESA / S. Beckwith (STScI) / The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Teksti ilmestyi Ursan Facebook-sivulla 22.10.2017 osana Bongaa Linnunrata –kampanjaa 8.9.–8.11.2017.
Galaksit ovat, kuten jo aiemmin kuvattu, pimeän aineen pilvien sisäänsä houkuttamia kokoelmia kaasua, pölyä ja tähtiä, siis eräänlaisia kosmisia kökkäreitä. Galakseja pitävät koossa pimeän aineen sekä näkyvän aineen massa ja painovoima. Voisi sanoa, että galaksien sisältämä tavara pöristelee ympäri avaruuteen painamaansa kuoppaa.
Elliptisistä galakseista on puhuttu näissä Linnunrata-sarjan teksteissä niin paljon, että otetaan tähän kuva yhdestä sellaisesta. NGC 1132 on valtava köriläs joka sijaitsee noin 320 miljoonan valovuoden päässä. Se löllii valtavassa pimeän aineen pilvessä, josta riittäisi kymmenille tai sadoille tavanomaisille galakseille. Galaksia kiertää tuhansia pallomaisia tähtijoukkoja ja kääpiögalakseja, jotka näyttävät olevan jämiä muinaisista syömingeistä. Sen takana avaruudessa näkyy suuri määrä paljon kauempana olevia galakseja.
Kuva Nasa, ESA and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration. Acknowledgment: M. West (ESO, Chile)
Galaksit voivat kuitenkin olla hyvin eri näköisiä riippuen siitä, kuinka suuria ne ovat, millaisilla radoilla tähdet ja muu aines siellä liikkuu, ja paljonko galaksissa on kaasua käytettävissä tähtien muodostukseen. Paljon vaikuttaa myös se, miten kauas ajassa taaksepäin katsomme, kun katsomme kauas kosmoksen perukoille. Muinoin – siis kaukana – galaksit olivat epämääräisemmän muotoisia. Keskitymme tässä tekstissä puhumaan lähinnä moderneista galakseista, ja sielläkin niistä suurimmista, keskittyen toki Linnunrataan.
Modernit, suuret galaksit ovat joko elliptisiä, spiraaligalakseja tai niiden välimuotoja. Elliptiset galaksit ovat melko piirteettömiä, enemmän tai vähemmän pyöreitä tai sikarinmuotoisia palleroita ja pötkylöitä jotka muuttuvat hissukseen harvemmiksi ulko-osissaan. Elliptiset galaksit voivat olla melko pieniäkin, mutta kaikkein suurimmat galaksit ovat aina elliptisiä. Niissä on runsaasti vanhoja, köykäisiä tähtiä (ne ovat ainoita, jotka ovat enää jäljellä) erilaisilla radoilla keskustan ympäri, mutta ei sitten juuri muuta. Niissä on vain hyvin vähän kaasua jäljellä, joten niissä myös syntyy naftisti uusia tähtiä. Kaikki tavara on jumissa jo olemassaolevissa pitkäikäisissä tähdissä.
Meillä spiraaligalakseissa sen sijaan käy iloinen tähtienmuodostuksen rytke. On kaasua ja pölyä millä mällätä. Nykyään tunnetuista galakseista noin 35 prosenttia on spiraaligalakseja, ja reilulla puolella niistä on keskustassaan sauvamainen rakenne – näin myös Linnunradalla. Ehdottomasti valtaosa spiraaligalakseista pyörii siten, että haarat osoittavat tulosuuntaan. Joidenkin harvinaisempien vastarannankiiskien on kuitenkin havaittu pyörivän siten, että kierteiden kärjet osoittavatkin menosuuntaan.
Kierregalaksit voivat olla ällistyttävän monimuotoisia. Toisilla on kaksi tiukasti kiertynyttä, selkeää spiraalihaaraa, kun taas toisten rakenne on väljempi, haarakkaampi ja epämääräisen repaleinen. Hyvin massiiviseen kiekkoon näyttää syntyvän helpommin kaksihaarainen spiraalirakenne ja kevyempään monihaaraisempi rakenne. Myös galakseja ympäröivä pimeän aineen muodostama halo näyttää saavan aikaan sirpaleisemman spiraalirakenteen.
Kierregalakseissa valtaosa tähtien syntyalueista sijaitsee spiraalihaaroissa. Miksi? Mikä siellä painaa kaasupilviä kasaan ja sysää tähtitehtaan käyntiin?
NGC 4622 on yksi harvoista spiraaligalakseista, joiden on havaittu pyörivän siten, että spiraalihaarat aukeavat menosuuntaan. Galaksi pyörii meistä katsottuna myötäpäivään. Poikkeuksellisen pyörimisen uskotaan johtuvan siitä, että NGC 4622 on ohittanut menneisyydessä jonkin toisen galaksin, joka on kääntänyt sen pyörimissuunnan. Galaksilla nähdään itse asiassa kaksi spiraalirakennetta, jotka aukeavat eri suuntiin. Havaintojen perusteella materian kiertosuunta kiekossa on kuitenkin sama, joten toinen spiraalirakenteista on edistävä.
Kuva Nasa / The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Spiraalien tarkka syntymekanismi on kuitenkin askarruttanut tutkijoita tähän päivään saakka, eikä asiasta olla vieläkään yksimielisiä. Spiraalirakenne on hyvin yleinen ilmiö, joten mikä mekanismi ne sitten synnyttääkin, sen tulee esiintyä galaksissa hyvin pitkän aikaa. Voi jopa olla, että spiraalikuvio ei synny kaikkiin galakseihin samalla tavalla. Jotkut galaksit saattavat saada haaransa läheisen seuralaisgalaksin gravitaation aiheuttamana, mutta monilla näin ei selvästi ole.
Tutkijat ovat nykyään kohtuullisen yksimielisiä siitä, että spiraalirakenne liittyy jotenkin tiheyshäiriöihin galaksin kiekossa. Ratkaisematta on kuitenkin se, ovatko spiraalihaarat pysyviä rakenteita, vai ovatko ne väliaikaisia piirteitä joita syntyy ja katoaa jatkuvasti. Mutta mikä saa ne syntymään uudelleen?
Kiekkomaiset, ei-elliptiset galaksit pyörivät keskustansa ympäri siten, että sisempänä kiekossa sijaitsevat tähdet kiertävät keskustaa suunnilleen vakionopeudella, mutta ulompana kiertonopeus hidastuu. Mikäli spiraalihaarat muodostuisivat aina tismalleen samoista tähdistä, tällainen pyörimisliike kiertäisi kierteiskuvion tiukasti keskustan ympärille. Haarat katoaisivat kokonaan näkyvistä vain muutaman galaktisen täyskierroksen aikana.
Näyttää siltä, että spiraalirakenteen on joko jatkuvasti uusiuduttava tai synnyttävä aivan toisella tavalla. Tämä onnistuu, jos spiraalihaarat eivät muodostukaan aina samoista tähdistä, vaan galaksin kiekossa kiertää jonkinlainen tiheysaalto, joka pakkaa väliaikaisesti yhteen lähistölle sattuvia tähtiä ja kaasua.
Tiheysaaltoa voi verrata liikenneruuhkaan: itse ruuhka on ilmiö, joka pysyy pääasiassa paikallaan, mutta siihen osallistuvat autot vaihtuvat koko ajan. Galaktiseen liikenneruuhkaan ajautuvan tähden liike hidastuu ruuhkan kohdalla, ja se viipyy siinä jonkin aikaa ennen kuin jatkaa normaalia kiertoliikettään galaksin keskustan ympäri. Kun kaasupilvi ajautuu ruuhkaan, se rutistuu kasaan ja tähtien synty voi alkaa.
Tässä onkin jotain, millä voi pakokaasuisissa ruuhkissa keventää mieltään. Kasaan rutistumista suosittelemme silti välttämään.
NGC 5584 hehuttelee suuria määriä nuoria, kirkkaita sinisiä tähtiä repaleisissa spiraalihaaroissaan. Spiraalihaarojen välissä on enemmän vanhempia, keltaisia tähtiä. Repaleisia spiraaleja vaikuttaa syntyvän esimerkiksi silloin, kun galaksia ympäröivän pimeän aineen pilvi on hyvin massiivinen suhteessa galaksin kiekon (näkyvän aineen) massaan.
Kuva Nasa / ESA / A. Riess (STScI/JHU) / L. Macri (Texas A & M University) / The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Hyvä kirjoitus, mutta mikä osuus galaksien muodostumisessa on mustilla aukoilla? Luetaanko nuo mustat aukot mukaan pimeään aineeseen?
Suoraan sanoen en tiedä voidaanko sanoa, että mustat aukot eivät voisi vaikuttaa galaksien muodostumiseen, mutta koska supermassiivisia mustia aukkoja löydetään yleisimmin juuri kookkaista spiraali- ja ellipsigalakseista, olisin valmis uskomaan, että mustat aukot kasvavat galaksin mukana, eikä niitä tarvita galaksin muodostumiseen. Pienistä galakseista ei välttämättä löydy supermassiivista mustaa aukkoa. Aukkojen massa näyttää myös olevan sidoksissa galaksin massaan. Aukko kyllä vaikuttaa galaksin kehitykseen myöhemmin, mm. tähtien muodostukseen. Supermassiivisten mustien aukkojen kehityksen tutkimus käy kuumana, avoimia kysymyksiä on mm. se, miten jo noin miljardi vuotta vanhasta universumista löytyy supermassiivisia mustia aukkoja ja miten ne saattoivat kasvaa niin nopeasti. Oletan, että Antti Rantalan esitelmä ensi viikolla saattaa valottaa asiaa, kannattaa seurata lähetystä.
Mustia aukkoja ei lasketa osaksi pimeää ainetta.
Suurin osa spiraaligalakseista muistuttaa muodoltaan ja kuvioltaan vettä lavuaarissa, josta on nykäisty tulppa pois.
Onko galaksien rakenteiden välisiä etäisyyksiä mahdollista tutkia. Loittonevatko spiraalien haarat vai lähenevätkö ne galaksien keskustoja?
Mikäli pyörimisliike on riittävä ja vetovoima riittävän ”pieni”, niin onko mahdollista, että spiraalin haaran ulkoreuna karkaa spiraalista?
Elämme mielenkiintoisia aikoja… 😉
Hyviä kysymyksiä, Jani, enkä osaa vastata niihin ollenkaan riittävällä tarkkuudella. Spiraalihaarojen dynamiikan tutkimus sisältää myös runsaasti avoimia kysymyksiä. Galaksien rakenteiden välisiä etäisyyksiä on mahdollista tutkia, mutta kuten etäisyyden määritykset avaruudessa usein, ne ovat enemmän valistuneita arvioita kuin tarkkoja tuloksia. Yleensä tällaisia etäisyyksiä lasketaankin kulmamitoissa — kaarisekunteina ja -minuutteina.
Loittonevatko spiraalien haarat galaksien keskustoja vai loittonevatko? Kyse liittyy siihen mekanismiin, jolla spiraalihaarat ylipäätään muodostuvat, ja tätä mekanismia ei vielä varmuudella tunneta. Se voi myös olla erilainen eri galakseille. Jos haarat lähenisivät galaksin keskustaa pyörimisen myötä, se johtaisi pian kierteiden kiertymiseen tiiviisti galaksin ympäri. Tiheysaaltoteoriassa tätä ei ymmärtääkseni pitäisi tapahtua.
Tähdet eivät liiku kiekon ulkolaidoilla nopeammin kuin lähellä keskustaa, sillä galaksi ei pyöri kuten jäykkä kappale. Tästä syystä tähdet eivät sinkoile ulos ainakaan pylrimisliikkeen johdosta galaksin ulkolaidoilta. Sen sijaan lähiohitukset keskustan mustan aukon kanssa voivat aiheuttaa singahtelua, aiheesta lisää tänä sunnuntaina.