Radiohavainnot paljastivat mustien aukkojen tanssin

Suomen ainoassa tähtitieteellisessä radio-observatoriossa Metsähovissa ja Caltechin Owens Valleyn radio-observatoriossa Kaliforniassa tehdyt radiohavainnot ovat paljastaneet, että kaukaisen PKS 2131-021 -kvasaarin säteilyssä ilmenee jaksottunutta vaihtelua.

Kvasaarit ovat kaukaisia aktiivisia galakseja, jotka säteilevät kirkkaasti, koska niiden keskustassa oleva supermassiivinen musta aukko auttaa niitä tuottamaan energiaa. Säteilyä voidaan havaita useilla eri aallonpituusalueilla, myös radioaalloilla.

Radiosäteily tulee mustan aukon lähellä syntyvästä hiukkassuihkusta, jossa aine kulkee lähes valonnopeudella.Mikäli kvasaarin keskustassa onkin kaksi toisiaan kiertävää supermassiivista mustaa aukkoa, se voidaan todentaa säteilyn jaksoittaisena vaihteluna.

Siksi nyt havaittu jaksollisuus on vahva todiste siitä, että PKS 2131-021 -kvasaarissa on kyse kahden toisiaan kiertävän supermassiivisen mustan aukon järjestelmästä.

Monikansalliseen tutkimusryhmään kuuluivat Suomesta dosentti Merja Tornikoski ja professori Anne Lähteenmäki Aalto-yliopistosta sekä akatemiatutkija Talvikki Hovatta ja tutkijatohtori Yannis Liodakis Suomen ESO-keskuksesta, joka on Turun yliopiston koordinoima erillislaitos.

Tutkimuksessa käytettiin Caltechin (California Institute of Technology) OVRO-radioteleskoopin ja Aalto-yliopiston Metsähovin radio-observatorion havainto-ohjelmien dataa sekä eräiden muiden teleskooppien arkistodataa.

OVRO-observatoriossakin työskennellyt Hovatta kertoo, että OVRO on tehnyt havaintoja vuodesta 2008, mutta aikasarjoja täydennettiin arkistodatalla myös observatorioilta, jotka ovat aiemmin tehneet havaintoja samalla radioaallonpituudella.

”Tällaisia tapahtumia ei pidetä mitenkään mahdottomina, mutta niiden olemassaolon todistaminen on erittäin haastavaa. Kvasaarit sijaitsevat miljardien valovuosien päässä ja tuollaisten jaksollisuuksien löytäminen vaatii laadukasta dataa kymmenien vuosien ajalta.”

”Aalto-yliopiston Metsähovin radio-observatorion ainutlaatuiset pitkäaikaiset havaintotulokset vahvistivat saman jaksollisuuden korkeammalla radiotaajuudella. Metsähovissa tehty tutkimus on erittäin arvokasta, koska olemme tehneet joistakin kvasaareista muuttuvuushavaintoja jopa neljänkymmenen vuoden ajan. Pitkät aikasarjat ovat välttämättömiä kvasaarien käyttäytymisen ymmärtämiseksi”, kertoo Metsähovin havainto-ohjelmasta vastaava Tornikoski.

”Monien kvasaarien radiosäteily vaihtelee paljonkin, mutta on erittäin harvinaista, että niissä olisi tällaista silmiinpistävää sinikäyrän muotoista jaksollisuutta. Ymmärsimme nopeasti, että kyseessä on varsin erikoislaatuinen kohde”, Hovatta jatkaa.

Mustien aukkojen hyvin pieni etäisyys yllätti tutkijat

Tuloksissa tutkijoita hämmensi eniten se, että jaksollinen muuttuvuus keskeytyy 20 vuodeksi ja alkaa sitten uudestaan täsmälleen samanlaisena kuin aikaisemmin.

Tutkijatohtori Yannis Liodakis Turun yliopistosta paneutui erityisesti jaksollisuuden tutkimiseen matemaattisilla menetelmillä.

”Luonto aina välillä huijaa meitä. Siksi ryhmän tutkijat tarkastelivat tuloksia toisistaan riippumatta ja erilaisilla menetelmillä. Kun kaikki saivat saman tuloksen, tiesimme jaksollisuuden olevan todellista”, Liodakis kertoo.

Aiemmin jaksollisuutta on löydetty erään toisen kvasaarin, OJ287, pitkästä optisesta aikasarjasta, jota erityisesti Turun yliopiston tähtitieteilijät ovat tutkineet jo vuosikymmeniä. OJ287:n havaittu jakso on noin 12 vuotta ja sen löytyminen vaati arkistodataa sadan vuoden ajalta.

Nyt tutkittu PKS 2131-021 kuitenkin sijaitsee vielä paljon kauempana, mutta sen keskustan supermassiiviset mustat aukot kiertävät toisiaan hyvin lähekkäin, jolloin havaittu jakso on lyhyempi, noin viisi vuotta.

”Niiden välinen etäisyys on vain noin 50 kertaa aurinkokuntamme koko, mikä siis galaksin keskustan mittakaavassa on hyvin pieni etäisyys. Todennäköisesti ne sulautuvat toisiinsa noin 10 000 vuoden sisällä”, Tornikoski kertoo.

”Erittäin kiinnostavaa on sekin, että näin lähellä toisiaan kiertävät supermassiiviset mustat aukot lähettävät gravitaatioaaltoja. Lähitulevaisuudessa pystymme toivottavasti havaitsemaan niitä nyt suunnitteilla olevilla havaintolaitteilla”, Liodakis täydentää.

Tutkimusryhmää johti emeritusprofessori Anthony Readhead California Institute of Technology, Caltech. Tulokset on julkaistu tähtitiedejulkaisussa The Astrophysical Journal Letters. Open Access -artikkeli on luettavissa tästä linkistä https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac504b

Animaatio ladattavissa 4k-versiona osoitteessa: 
https://caltech.app.box.com/s/bdxyhc14k9v00tfyrnkwfabolfopfxj1/file/922390860035

HD-versiona osoitteessa: 
https://caltech.app.box.com/s/bdxyhc14k9v00tfyrnkwfabolfopfxj1/file/922393251726

Selitys animaatioon: Miljardien valovuosien päässä olevat jättimäiset kaksi mustaa aukkoa ovat lukittuneet kiertämään toisiaan. Toisen mustan aukon lähellä syntyy hiukkassuihku, jossa aine kulkee lähes valonnopeudella ja säteilee kirkkaasti radioalueella. Tasainen kiertoliike aiheuttaa säteilyyn jaksollisuutta. Mustien aukkojen pari synnyttää myös gravitaatioaaltoja. Animaatio: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Tiedote California Institute of Technology, Caltech:
https://www.caltech.edu/about/news/colossal-black-holes-locked-in-dance-at-heart-of-galaxy