Miten Linnunrata muodostui?
Teksti ilmestyi Ursan Facebook-sivulla 24.9.2017 osana Bongaa Linnunrata –kampanjaa 8.9.–8.11.2017.
Usein ajatellaan, että galaksit ovat tähdistä muodostuvia pilviä. Mutta kummat syntyivät ensin, tähdet vai galaksit? Entä mitä roolia pimeä aine tässä kaikessa näyttelee?Maailmankaikkeus oli vastasyntyneenä hyvin pieni ja kuuma. Pian kosmisena inflaationa tunnettu tapahtuma venäytti universumin huikean paljon suuremmaksi. Aine pääsi syntymään, kun laajenemista ajanut energia hajosi ensin jakamattomiksi alkeishiukkasiksi (kuten kvarkeiksi) joista pienen jäähdyttelyn jälkeen muodostui kaikkein yksinkertaisimpia atomiytimiä (lähes pelkästään vetyä ja heliumia). Samaan aikaan muodostuivat myös suosituimmat kandidaatit pimeän aineen hiukkasiksi.
Kosminen mikroaaltotaustasäteily on säteilyä, joka vapautui, kun universumi oli noin 380 000 vuotta vanha ja jäähtynyt riittävästi, jotta säteily pääsi liikkumaan vapaasti atomien välissä. Siinä näkyvät edelleen erikokoisina laikkuina kosmisen inflaation kasvattama kuva pienistä kvanttitason heilahteluista. Ne ovat hiukan eri lämpöisiä, ja kuumemmat (punaiset) alueet ovat tiheämpiä kuin kylmemmät (siniset). Punaiset alueet houkuttivat ainetta itseensä ja toimivat näin galaksien siemeninä.
Kuva ESA ja the Planck Collaboration
Laajenemista edeltävässä universumissa oli tapahtunut pienenpientä satunnaista energian vaihtelua, kutsukaamme sitä yksinkertaisuuden nimissä vaikkapa kvanttipörinäksi. Inflaation seurauksena näiden piskuisten vaihteluiden kuva tavallaan jäätyi universumiin samalla kun niiden koko venähti äkkiä suuremmaksi. Kosmokseen jäi tämän seurauksena pieniä tiheys- ja lämpötilaeroja, jonka kaikkialla vellova aine tunsi nahoissaan. Se alkoi hitaasti kasaantua gravitaation houkuttamana tiheämpiin alueisiin, tehden niistä entistä tiheämpiä. (Venähtäneen kvanttipörinän jäljet muuten näkyvät edelleen kosmisessa mikroaaltotaustasäteilyssä sen eri kokoisina laikkuina. Ne ovat peräisin juuri niistä tiheys- ja lämpötilaeroista joista tässä puhutaan.)
Myös pimeässä aineessa oli tiheysvaihteluja. Koska pimeä aine ei jää jumittamaan tavallisen aineen kanssa vaan menee sen läpi miten lystää, sen tihentymät pääsivät kasvamaan hiukan nopeammin. Varhaiseen universumiin muodostuikin eräänlaisia pimeän aineen taskuja, joiden pohjalle alkoi gravitaation vetämänä kertyä vety- ja heliumkaasua kuin nenäliinanöyhtää konsanaan.
Pimeä aine siis auttoi tavallista ainetta – sitä, mistä tähdet ja lopulta planeetat, sinä, kumminkaimasi ja koirasi olette muodostuneet – klimppiintymään. Kaasussa olevat tihentymät pääsivät kasvamaan taskujen pohjalla niin suuriksi että ne luhistuivat tiiviiksi, kuumiksi palloiksi. Ensimmäiset tähdet syttyivät loistamaan. Aikaa alkuräjähdyksestä oli kulunut parisataa miljoonaa vuotta.
Tämä Linnunradan liepeillä seikkaileva kääpiögalaksi nimeltä Leo IV muistuttaa hiukan varhaisimpia galakseja. Sen tähtien yhteenlaskettu kirkkaus vastaa 15 000 Aurinkoa, mutta tähtien liikkeistä päätellen siinä on massaa yhteensä noin 1,5 miljoonan Auringon verran. Suuri osa massasta on siis pimeää ainetta. Valtaosa Leo IV:n tähdistä on yli 12 miljardia vuotta vanhoja. Leo IV:ssä ei kuitenkaan tällä hetkellä tapahdu uusien tähtien muodostumista. Se on saattanut menettää tähtien muodostamiseen tarvittavan kaasunsa muille galakseille. Se on niin himmeä, ettei se erotu taustataivaasta juuri lainkaan. Galaksin ulkoreunat on hahmoteltu kuvaan katkoviivoin. Kuva Nasa, ESA ja T. Brown (STScI)
Ensimmäiset galaksit olivatkin pimeän aineen kammitsoimia kaasupilviä, joiden sisällä syntyi ja räjähteli massiivisia, ensimmäisen sukupolven tähtiä. Ne muodostivat ydinreaktioissaan ja räjähtäessään raskaampia alkuaineita ja pintakerroksissaan pölyhiukkasia. Pimeän aineen taskut houkuttivat toisiaan puoleensa, sulautuivat yhteen ja toivat mukanaan oman kaasunsa ja tähtensä. Lisää ainetta tuli mukaan myllerrykseen, ja syntyi lisää tähtiä. Varsinaiset galaksit alkoivat kasvaa.
Myös Linnunrata on kehittynyt nykyiseen mittaansa syöpöttelemällä pienemmillä naapureillaan: noin puolet Linnunradan aineesta näyttää tulleen muista galakseista. Ryystämme tälläkin hetkellä kaasua kahdesta naapuristamme, Magellanin pilvistä. Meitä kiertää kaukaisilla radoilla erittäin vanhoja tähtiä, jotka ovat syntyneet aivan maailmankaikkeuden nuoruudessa. Ne näyttävät tulleen kaapatuiksi muinaisissa galaksitörmäyksissä. Ympärillämme pörrää myös noin 150 ikivanhaa pallomaista tähtijoukkoa, jotka liittyvät olennaisella tavalla Linnunradan ja muiden galaksien syntyyn, mutta käsitellään niitä erikseen ensi viikolla.
Kun katsomme kauas avaruuteen, katsomme myös ajassa taaksepäin, sillä vaikka valo on nopein asia mikä avaruudessa liikkuu, silläkin kestää. Meistä noin kahdeksan miljardin valovuoden etäisyydellä olevat galaksit näyttävät suht samanlaisilta: on ellipsejä ja spiraaleja sekä epäsäännöllisiä yksilöitä. Mutta mitä kauemmas katsotaan, sitä kummallisempia galakseja näkyy. Niissä syntyy villisti uusia tähtiä oudoissa rykelmissä, ja koska ne olivat lähempänä toisiaan, lähiohitukset väänsivät niiden muotoja usein. Linnunratakin lienee ollut nuoruudessaan yhtä hassun näköinen.
Linnunrata ei ole vielä valmis, vaan muodonmuutoksia on edelleen luvassa. Suuri naapurimme Andromeda ja me olemme nimittäin törmäyskurssilla, ja Andromeda lähestyy meitä noin 110 kilometrin sekuntinopeudella. Koska välimatkaa on mittavasti, galaksit kohtaavat vasta noin neljän miljardin vuoden kuluttua ja kieputtuaan aikansa toistensa ympäri ne muodostavat joko suuren elliptisen galaksin tai jättimäisen spiraaligalaksin.
Hubble-avaruusteleskoopin eXtreme Deep Field –kuva on otettu eteläisen Sulatusuunin tähdistön suunnalta, sellaiselta alueelta taivasta, jossa ei juuri näy tähtiä. Se on siis ikkuna galaksiavaruuteen. (Kuvassa erottuu itse asiassa kolme tähteä, ne erottaa galakseista siinä että niiden ympärillä näkyy sädemäinen kuvio – kaikki muut ovat galakseja). Kuvan alue on halkaisijaltaan vain noin kymmenesosa täysikuun leveydestä. Kuvaa on valotettu yhteensä 23 vuorokautta, ja siinä erottuu noin 5 500 galaksia. Niistä kaukaisimmat nähdään sellaisina, kuin ne olivat noin 13,2 miljardia vuotta sitten. Universumi on 13,8 miljardia vuotta vanha.
Kuva Nasa; ESA; G. Illingworth, D. Magee ja P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; ja the HUDF09 Team
Hei, haluan kysyä: kun me näemme valokuvia Lininraadasta (esim. suomenkielessä wikipediassa on valokuva Linnuraadasta), onko se Carina-Sagittarius haara, joka näkyy meille ja joka kuvataan? Tuskin se on Orionin haara joka näkyy meille ”pilvikiekkona”? Wikipedian mukaan: ”Kaikki Linnunradan paljain silmin näkyvät tähdet ovat 6 500 valovuoden etäisyydellä Auringosta” ja Orionin haara on vain 3500 valovuotta ”paksuinen”. Kiitos. Victoria
Linnunradan kierteishaarat eivät ole läpitunkemattoman paksuja, vaan läpikuultavia, ja yhden haaran takaa kuultavat läpi sen takana olevat Linnunradan osat. Taivaalla näkyvä Linnunradan vyö ei näin ole yksittäinen haara, vaan eri suuntiin katsomalla näemme Linnunradan haarojen osia eri suunnissa. Toki taivaalla näkyvät yksittäiset tähdet ovat varsin lähellä meitä, ja iso osa niistä kuuluu siihen osaan galaksiamme jota kutsumme Orionin haaraksi.
Taivaalla näkyvä Linnunrata näyttää kuitenkin pikemminkin valosumulta (jota raidoittavat tummemmat pölypilvet), joka koostuu miljardeista eri etäisyyksillä näkyvistä tähdistä. Eteläisen pallonpuoliskon taivaalta voi erottaa galaksimme keskusosia, ja siinä suunnassa olevia haaroja kutsutaan nykyään Jousimiehen ja Kilpi-Kentaurin haaroiksi. Tuossa suunnassa Linnunradan valohehkuun vaikuttavat myös galaksimme keskuspullistuman tiheä tähtipaljous sekä koko toinen puolikas galaksistamme, joka on keskustan takana. Taivaalla näkyvän Linnunradan vanan ohkaisimmat alueet ovat vastakkaisella puolella, ja siinä suunnassa näkyy enemmän Perseuksen haaran ja Ulomman haaran tähtien valoa.
Mahdoinko vastata selkeästi? Eli useimmat yksittäiset, paljaalla silmällä erottuvat tähdet ovat karkeasti sanottuna osa Orionin haaraa, mutta taivaalla näkyvään Linnunrataan vaikuttavat myös paljon kauempana, muissa haaroissa olevat miljardit tähdet, joita emme enää erota yksittäisiksi tähdiksi vaan näemme ne valosumuna.