Tutkimusmatkalla vuodesta 1994
Tutkimusmatkalla vuodesta 1994
Hae

Maailmankaikkeuden majakat tietokoneen ruudulla

Tähtitiede on perinteisesti vaatinut paljon matkustelua, sillä observatoriot sijaitsevat eri puolilla maailmaa. Kun pandemian myötä siirryttiin etäyhteyksien varaan, Turun yliopiston tutkimusryhmä otti käyttöön taivaankappaleiden havainnointiin uudenlaisia järjestelyjä.

Turun yliopiston kansainvälinen tutkimusryhmä tutkii astrofysikaalisia transientteja, kuten supernovia, jotka kirkastuvat nopeasti ja ovat havaittavissa joitakin kuukausia, kunnes himmenevät näkymättömiin. Maaliskuussa tutkijat valvoivat yhteensä kymmenen yötä tietokoneidensa ääressä tehden etähavaintoja Chilessä sijaitsevalla Euroopan eteläisen observation ESO:n NTT-teleskoopilla.

– Reilun vuoden välein ryhmämme on vastuussa tästä tehtävästä. Tänä vuonna koronatilanteen takia havainnot tehtiin etäyhteyksin. Havaintojen teko alkoi aina noin yhdeltä yöllä Suomen aikaa ja loppui seuraavana päivänä keskipäivällä, Suomen ESO-keskuksen tutkijatohtori Claudia Gutiérrez kertoo.

Maaliskuinen havaintojakso oli osa kansainvälistä ePESSTO+-ohjelmaa. Kun havaintoyö Chilessä on lopussa ja Suomessa on keskipäivä, suoritetaan juuri havaitun datan nopea prosessointi ja havaittujen kohteiden, kuten supernovien, luokittelu. Iltapäivällä ilmestyy luokittelun pohjalta lyhyt julkaisu, ja tiedot havaituista kohteista ovat kaikkien alan tutkijoiden käytettävissä ympäri maailmaa.

Supernovat kertovat tähtien ja galaksien kehityksestä

– Supernovia tutkitaan, koska halutaan ymmärtää paremmin tähtien kehitystä. Ne ovat kirkkaita maailmankaikkeuden majakoita, joiden avulla tutkitaan myös maailmankaikkeuden laajenemista ja galaksien kehitystä, kertoo tutkimusryhmän johtaja, tähtitieteen professori Seppo Mattila.

Supernovilla on tärkeä rooli galaksien kehityksessä: ne saavat aikaan uusien tähtien muodostumista ja rikastavat tähtienvälistä ainetta raskaammilla alkuaineilla. Ne ovat myös tärkeitä välineitä galaksien välisten etäisyyksien mittaamisessa ja niiden avulla on selvinnyt, että universumi laajenee kiihtyvällä nopeudella niin sanotun pimeän energian vaikutuksesta.

Claudia Gutiérrez koordinoi tutkimuskohteiden havaitsemista ja pidemmän aikavälin seurantaa sekä analysoi ja tulkitsee kerättyä dataa.

–  Uusia supernovia löytyy, kun tähän suunnitellut havainto-ohjelmat vertailevat eri ajanhetkinä havaittuja kuvia ja etsivät niiden väliltä eroavaisuuksia. Supernovat ja muut transientit ovat kohteita, joiden kirkkaus kasvaa lyhyessä ajassa voimakkaasti. Monet seurantateleskoopit havaitsevat taivasta systemaattisesti joka yö ja vertaavat kuvia löytääkseen uusia transientteja, Gutiérrez kuvailee.

Tähtitiedettä tietokoneen ruudulla
Reaaliaikainen supernovatutkimus vaatii toimivia yhteyksiä.

Fysiikan ja tähtitieteen laitoksen kollegiumtutkija Erkki Kankare tutkii supernovien esiintymistä kirkkaissa infrapunagalakseissa ja supernovien vuorovaikutusta ympäröivän kaasun kanssa. Linnunrataan verrattuna näissä galakseissa syntyy paljon runsaammin uusia tähtiä ja niissä tiedetään räjähtävän useammin supernovia. Tätä supernovapopulaatiota ei ole vielä tutkittu kovin laajalti, koska optiset havainto-ohjelmat eivät ole onnistuneet löytämään niitä merkittäviä määriä.

– Näistä galakseista on hankala löytää supernovia, koska galaksit ovat hyvin kirkkaita ja niissä on paljon tähtienvälistä pölyä eli pieniä grafiitti- ja silikaattihiukkasia, jotka saavat supernovat näyttämään paljon himmeämmiltä kuin ne todellisuudessa ovat, Kankare kertoo.

Yhtenä pitkän tähtäimen tavoitteena on pystyä arvioimaan, miten paljon etsintäohjelmilta todella jää löytämättä supernovia näissä galakseissa. Mikäli tämä pystytään ymmärtämään tarkasti, voidaan supernovia käyttää itsenäisenä työkaluna luotaamaan maailmankaikkeuden tähtiensyntyhistoriaa.

Supernovien tutkimiseen käytetään spektroskopiaa, jonka avulla havaitaan kohteesta vastaanotetun valon jakauma eri aallonpituuksilla. Läheisiä supernovia voidaan tutkia spektroskooppisesti vielä kun ne ovat noin 100 kertaa himmeämpiä verrattuna niiden maksimikirkkauteen. Akatemiatutkija Hanindyo Kuncarayaktin tutkimus keskittyy supernovien myöhäisten vaiheiden spektroskopiaan ja supernovien ympäristöjen tutkimiseen niiden emogalakseissa.

– Supernovaräjähdyksen vaikutuksesta laajenevat tähden ulko-osat muuttuvat yhä ohuemmiksi, ja lopulta voimme nähdä jokseenkin läpinäkyvän materian läpi ja tutkia räjähtävän tähden sisimpiä osia. Tämä on hyvin kiinnostavaa, koska normaalisti tähden ydintä on mahdotonta nähdä. Tällä tekniikalla voimme tutkia esimerkiksi ytimen kemiallista koostumusta ja rakennetta, Kuncarayakti kertoo.

– Yhdistämällä tähän supernovien ympäristöistä saatua tietoa voimme selvittää tilastollisesti supernovana räjähtävien tähtien ominaisuuksia suurillekin otoksille, Kuncarayakti jatkaa.

Tähtitieteellisten havaintolaitteiden rakentamisesta vastuussa oleva Kuncarayakti johtaa SOXS-havaintolaitteen kalibrointiyksikön rakentamista Turun yliopistossa. SOXS on optimoitu astrofysikaalisten transienttien ja muiden muuttuvien kohteiden havaitsemiseen ja se aloittaa toimintansa NTT-teleskoopilla Chilessä vuoden 2022 lopulla.

supernovia tietokoneen ruudulla
Uusia supernovia löydetään vertaamalla eri ajanhetkinä otettuja kuvia toisiinsa.

Tähtitiedettä reaaliajassa

Supernovana räjähtänyt suurimassainen tähti jättää jälkeensä joko äärimmäisen tiheästä aineesta koostuvan neutronitähden tai mustan aukon.

– Eräissä tapauksissa kaksoistähtijärjestelmän molempien tähtien räjähdettyä supernovana voi jäljelle jäädä kaksi neutronitähteä tai mustaa aukkoa. Kun nämä kiertyvät radoillaan lähemmäksi toisiaan ja lopulta sulautuvat yhteen vapautuu suunnaton määrä energiaa gravitaatioaaltojen muodossa. Jos ainakin toinen yhteensulautuvista kohteista on neutronitähti saattaa syntyä myös kirkas valoilmiö, kilonova, ryhmän jäsen Rubina Kotak kertoo.

Gravitaatioaaltoja voidaan havaita äärimmäisen tarkoilla Yhdysvalloissa, Italiassa ja Japanissa sijaitsevilla laitteistoilla. Turun yliopiston tutkimusryhmä pyrkiikin suuntaamaan teleskooppinsa tällaisten kohteiden näkyvän valon vastineiden löytämiseksi mahdollisimman pian gravitaatioaaltojen havaitsemisen jälkeen. Kyse on siis reaaliaikaisesta tähtitieteestä.

– Voimme nyt ensimmäistä kertaa tutkia samoja kohteita sekä gravitaatioaaltojen että sähkömagneettisen säteilyn, kuten näkyvä valon, avulla, Seppo Mattila toteaa.

Astrofysikaalisia transientteja tutkitaan eri puolilta maailmaa. Chilestä käsin havainnot tehdään ESO:n teleskoopeilla. Pohjoisen taivaan kohteita ryhmä havaitsee pääasiassa Kanariansaarten La Palman observatorioalueen teleskoopeilla kuten Turun yliopiston omistamalla NOT-teleskoopilla sekä GOTO-laitteistolla, jossa Turun yliopisto on mukana.

NOT-teleskooppia käytetään monenlaisiin tutkimusprojekteihin. Erkki Kankare johtaa supernovatutkimukseen keskittyvää havainto-ohjelmaa yhdessä Tukholman ja Aarhusin yliopistojen tutkijoiden kanssa. Havainto-ohjelmaan osallistuu yhteensä yli 30 tutkijaa viidestä eri instituutista.

NOT-teleskoopin henkilökunnan jäsen suorittaa havainnot tutkijoiden valmistelemien yksityiskohtaisten ohjeiden perusteella. Havaintodata tulee tutkijoiden saataville käytännössä reaaliajassa. NOT-teleskoopin tapauksessa näin toimittiin jo ennen koronapandemiaa.

Vaikka etäyhteyksiä on käytetty tutkimukseen ja laitteistojen kehittämiseen aiemminkin, poikkeuksellinen aika on opettanut uusia tapoja tähän. Claudia Gutiérrez muistuttaa, että erityisesti öisin suoritettavien havaintojaksojen aikana tehokas kommunikointi on ensisijaisen tärkeää.

– Teleskoopin ohjaaminen itse paikan päällä ja kauniin taivaan katsominen on kuitenkin toistaiseksi poissa. Tällainen kokemus on myös tärkeää, varsinkin uran alkuvaiheessa, kun haluaa tuntea olevansa oikea tähtitieteilijä. Mutta tällä hetkellä teemme sen, mitä voimme, Gutiérrez summaa.

 


 

Etusivun nostokuva: Jens Jessen-Hansen, Thomas Amby Ottosen / Nordic Optical Telescope Scientific Association