1.6.2016

Tähdet syntyvät sattumalta

Yliopistonlehtori Mika Juvela näyttää kuvia avaruudesta – ja näytettävää riittää. Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella hänen tutkimusryhmänsa tavoite on selvittää tähtien syntyä. Kuva avaruudesta on kirjaimellisesti tullut tarkemmaksi viime vuosina.

Iso askel tutkimuksessa otettiin, kun Euroopan avaruusjärjestö ESA vei maata kiertämään kaksi satelliittia. Kuusi vuotta sitten laukaistu Planck-satelliitti mittasi kosmista mikroaaltotaustasäteilyä useilla radioaaltojen ja alimillimetriaaltojen aallonpituuksilla. Tehtävä oli kosmisen mikroaaltotaustan pienten kirkkausvaihteluiden mittaaminen.

Kun satelliitti mittasi maailmankaikkeuden rajoilta tulevaa säteilyä, piirtyi kuva myös siitä, mitä on maailmankaikkeuden rajojen ja maan välissä. Mittausten tuloksena kaksi vuotta sitten saatiin julkaistua koko meille näkyvän avaruuden käsittävä kosminen mikroaaltokartta.

Kartan synty tarvitsi Planckia, sillä se oli ihmiskunnan ensimmäinen väline, jolla oli työhön riittävä erotuskyky. Maan ilmakehän alta havaintojen tekeminen on hyvin hankalaa.

Planckin mukana aurinkoa kiertämään vietiin myös Herschel-satelliitti, infrapuna-aallonpituusalueen avaruusobservatorio. Herschelissä oli 3,5 metrin kokoinen peili, joten Herschel on edelleen suurin koskaan avaruuteen laukaistu infrapuna-alueen teleskooppi. Sen pääpeili oli hiottu Suomessa.

Yksityiskohtia lämpömittauksilla

Siinä missä Planck teki yleiskartan avaruudesta, Herschel kävi läpi tarkasti yksityiskohtia. Kun esimerkiksi Planckin korkean taajuuden kanavia seuraten selvisi, missä juuri oman galaksimme Linnunradan avaruuspöly leijailee, Herschel-teleskooppi suunnattiin sinne. Näin Linnunradan pöly- ja kaasupilvistä saatiin tehtyä tähän asti tarkin kartta.

Herschel keräsi tietoa kohteista kuvaamalla tähtien välisen kaasun seassa olevien pölyhiukkasten lämpösäteilyä. Infrapunahavainnoista selviää avaruudessa leijailevien kaasu- ja pölypilvien yleinen rakenne - ja niistä voidaan tunnistaa syntymässä olevia tähtiä.

Vaikka sateliittinen jäähdytysnesteenä käytetty heliumi loppui ja satelliitit piti hylätä, niiden keräämää dataa käsittelemällä tutkijat löytävät uutta tietoa vielä pitkään.

Kaasu ja pöly tihentyvät sattumalta

Juvelan mukaan tähdet saavat alkunsa sattumalta. Avaruuden lähes täydellisessä tyhjiössä aine pakenee edelleen pois keskipisteestä. Jossain päin maailmankaikkeutta tähtien välinen kaasu ja pöly kuitenkin vain sattuu tihentymään, kuten Linnunradan spiraalihaaroissa. Siellä turbulenssi muodostaa pölystä ja kaasusta pilviä ja niihin muodostuu säikeitä, filamentteja. Filamentteihin tiivistyy klumppeja, joissa on yksi tai useampia pilviytimiä. Tämä prosessi, kylmien tihentymien muodostuminen, on Juvelan tutkimuskohde.

Lopulta syntyy tähti

Tutkijoita kiinnostaa tihentyminen. Kun kaasun oma vetovoima alkaa pitää pilviydintä koossa, pölystä ja kaasusta syntyy tähtien synnyn esivaihe. Se ei tapahdu helposti, sillä samalla kun vetovoima voi pyrkiä keräämään molekyylejä yhteen, kaasun oma paine ajaa molekyylejä kauemmas toisistaan.

Kun vetovoima alkaa pitää kylmää tihentymää koossa, siitä kehittyy ajan kuluessa uusia, syntyvien tähtien esivaiheita, ytimiä. Ydin saattaa painovoiman vaikutuksesta romahtaa, jolloin siitä kehittyy edelleen yksi tai jopa tuhansia prototähtiä, joiden keskelle on jo muodostunyt tähden aihio. Tähden aihio säteilee jo voimakkaasti mutta ei vielä tuota valtavaa määrää lämpösäteilyä kuten aurinko. Ajan kuluessa prototähti tiivistyy kuitenkin edelleen niin paljon, että ydin romahtaa ja siinä käynnistyy vedyn fuusio. Silloin se on muuttunut tähdeksi, joka valaisee ja kuumentää ympärillään olevaa avaruutta.

Mikä määrää tähtien omaisuudet?

Avaruudessa leijuvan kaasun turbulenssi selittää hyvin paljon tähtien synnyn kulkua. Kaasun perusfysiikasta – miten kaasu virtaa ja tuottaa tihentymiä - johtuu se, kuinka paljon ja missä suhteessa toisiinsa erimassaisia tähtiä syntyy. Siitä huolimatta jokainen kylmä tihentymä, jossa kaasua syntyy, on yksilöllinen.

Juvelan tutkimusryhmän työn tulokset auttavat ymmärtämään, miten tähtien synty ja tähtien ominaisuudet määräytyvät tähtienvälisen pilven ominaisuuksista ja miten prosessi vaihtelee Linnunradan eri osissa. Syntyä sanelevat muun muassa edelliset tähtisukupolvet ja supernovat.  Tähtienväliset magneettikentät taas vaikuttavat erityisesti avaruuspölysäikeiden, filamenttien, syntyyn.

Kylmää työtä

Ennen tähden syttymistä ollaan tekemisissä äärimmäisen kylmyyden kanssa. Pilviytimien kaasua ja pölyä kutsutaan kylmiksi ytimiksi. Ne ovat hyvin kylmää ainetta kylmentyen entisestään ennen tähden syttymistä. Kun kaasun ja pölyn molekyylit törmäävät toisiinsa, molekyylit virittyvät ja ne alkavat säteillä. Säteilyenergian pakeneminen jäähdyttää kaasua entisestään.

Tämän takia avaruudessa olevien tutkimusvälineiden jäähdytyskin oli ehdottoman tärkeää. Kamerat kuvasivat kohteita, joiden lämpötila oli absoluuttisen nollalämpötilan tuntumassa, noin 10 kelviniä. Sateliittien vähäinenkin lämpeneminen olisi tehdyt laitteille mahdottomaksi havaita niin kylmiä kohteita.

Teksti ja video: Visa Noronen

Viimeksi muokattu 1.6.2016

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, joka kertoo yleistajuisesti Akatemian rahoittamasta tutkimuksesta sekä tieteestä ja tutkimuksesta yleensä. Sivuille kootaan muun muassa tutkijahaastatteluita, tieteen yleisötapahtumia, tiedeuutisia ja tutkimuksesta kertovia taustajuttuja.

Seuraa meitä:

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
terhi.loukiainen@aka.fi

Lisätietoja Suomen Akatemiasta www.aka.fi