Tähtienvälistä pölyä ja vuosittaisia supernovaräjähdyksiä

FT Erkki Kankare
Kollegiumtutkija (TCSMT)
Fysiikan ja tähtitieteen laitos

Suurimman osan ajasta tähdet ovat tasapainossa tähden omaan energiantuotantoon perustuvan paineen ulospäin työntämän voiman ja tähden oman massan sisäänpäin vetävän painovoiman välillä. Tähtien energiantuotannon lähde on ydinfuusio, jossa kevyemmät alkuaineet muuttuvat raskaammiksi, kuten vety heliumiksi, vapauttaen energiaa tähden ytimessä. Massiivisimmissa tähdissä prosessi voi edetä aina rautaan asti. Kaikkein massiivisimpien, noin kahdeksan Auringon massaisten ja tätä suurempien tähtien elinkaaret päättyvät pääsääntöisesti niin sanottuun luhistumissupernovaräjähdykseen.

Luhistumissupernovaräjähdykset ovat hyvin kirkkaita, erityisesti ensimmäisten muutamien kuukausien ajan, ja täten niitä voidaan havaita ja tutkia toisista galakseista aina kosmologisille etäisyyksille asti. Vertailun vuoksi, Auringon kaltaisen tähden elinkaaren pituus on noin kymmenen miljardia vuotta. Massiivisten, luhistumissupernovana räjähtävien tähtien elinkaaret ovat puolestaan vain miljoonien tai kymmenien miljoonien vuosien luokkaa. Täten luhistumissupernovien esiintymisrunsaus myös seuraa aktiivista tähtienmuodostumista. Mitä enemmän galaksissa syntyy uusia tähtiä, sitä runsaammin siinä myös räjähtää luhistumissupernovia. Omassa Linnunradassamme on arvioitu eri menetelmillä räjähtävän supernova keskimäärin pari kertaa vuosisadassa. Linnunradassa ei ole kuitenkaan havaittu itse supernovaräjähdystä sitten vuoden 1604 Keplerin supernovana tunnetun paljain silmin nähdyn kohteen jälkeen. Tärkeä syy tähän on tähtienvälinen pöly, jolla viitataan pieniin mikrometrin luokkaa ja sitä pienempiin grafiiteista tai silikaateista muodostuviin kiinteisiin hiukkasiin, jotka himmentävät näkyvää valoa. Pari pölyn himmentämää supernovajäännettä viimeaikaisemmista supernovaräjähdyksistä onkin modernina aikana löydetty eri menetelmin.

Galaksit ovat gravitaation koossa pitämiä muodostumia tähtiä, kaasua ja pölyä sekä pimeää ainetta. Linnunratamme on kierteisgalaksi, joiden tyypillisiin osiin kuuluu ydin sekä kiekkomainen rakenne spiraalihaaroinen. Johtuen sijainnistamme galaksimme kiekossa, on myös todennäköistä, että Linnunradan tasossa oleva pöly himmentää siinä räjähtävien supernovien havaittavaa kirkkautta. Havaitessa luhistumissupernovia toisista normaaleista spiraaligalakseista, tähtienvälinen pöly ei suurimmassa osassa tapauksista aiheuta kovin merkittävää kohteiden himmenemistä, ellei galaksin kiekkoa satuta näkemään sivusuunnasta. Tilanne on kuitenkin toinen niin sanottujen kirkkaiden infrapunagalaksien kohdalla. Näissä galakseissa tähtiensynty voi olla hyvin runsasta ja tällöin kirkkaissa infrapunagalakseissa voi räjähtää luhistumissupernova kerran vuodessa tai jopa useamminkin. Näissä galakseissa on myös huomattavasti tähtienvälistä pölyä. Merkittävä osa supernovista näissä galakseissa jääkin löytymättä normaaleilta optisilta supernovien etsintäohjelmilta. Vaikka nämä galaksit ovat verrattain harvinaisia paikallisessa avaruudessa ne dominoivat tähtien syntyä korkeilla punasiirtymillä, jolloin tähtien synty oli myös kaikkein runsainta maailmankaikkeudessa. Täten näiden galaksien supernovapopulaation ymmärtäminen on tärkeää koko maailmankaikkeuden tähtien synnyn tutkimuksen kannalta. Tarkasti kalibroiduilla luhistumissupernovien esiintymisrunsauksilla pystyttäisiin määrittämään itsenäisenä menetelmänä maailmankaikkeuden kosminen tähtien syntyhistoria.

Itse olen omassa tutkimuksessani kiinnostunut kirkkaiden infrapunagalaksien supernovapopulaatiosta ja siitä miten suuri osuus supernovista tarkalleen ottaen jää löytymättä. Olen työskennellyt useissa tutkimuksissa, joissa supernovia on löydetty käyttäen niin sanottua adaptiivista optiikkaa, jota eräät instrumentit kaikkein suurimmilla teleskoopeilla käyttävät. Kyseessä on menetelmä, jossa optiikka korjaa reaaliajassa, jopa satoja kertoja sekunnissa, ilmakehän turbulenttia vaikutusta terävöittäen havaittuja kuvia. Adaptiivinen optiikka käyttää kalibrointiin havaittavan kohteen suuntaa lähellä olevaa yhtä tai useampaa tähteä ja/tai instrumentin laserilla ilmakehään luotua yhtä tai useampaa keinotekoista tähteä. Havainnot suoritetaan lisäksi lähi-infrapuna-alueella, jossa tähtienvälisen pölyn himmentävä vaikutus on noin kymmenen kertaa pienempi verrattuna optisen alueen havaintoihin. Lähi-infrapuna-alueen ja korkean resoluution avulla kirkkaista infrapunagalakseista voidaan havaita supernovia, jotka muuten jäisivät löytymättä.

Tänä vuonna ilmestyneessä kirkkaiden infrapunagalaksien supernovapopulaatiotutkimuksessamme (Kankare et al. 2021, A&A, 649, A134) käytimme mm. adaptiivista optiikkaa hyödyntävää HAWK-I/GRAAL instrumenttia Euroopan eteläisen observatorion (ESO:n) kahdeksan metrin VLT teleskoopilla. Havaintoja tehtiin myös tavanomaisemmin menetelmin käyttäen mm. NOT teleskooppia (Nordic Optical Telescope), sekä ESO:n NTT teleskooppia. Lisäksi tutkimuksessamme mallinsimme tähtiensyntyominaisuuksia kirkkaille infrapunagalakseille, joista on löydetty luhistumissupernovia. Jokaiselle galaksille johdettiin arvio tähtisyntyvaiheen keskimääräisestä iästä ja havaittiin, että galakseissa joissa tähtiensynty oli nuorinta on löydetty pääasiassa vetyköyhiä luhistumissupernovia ja galakseissa joissa tähtiensyntyvaiheen ikä on vanhempi luhistumissupernovat ovat pääasiassa vetyrikkaita. Tulos on yhteensopiva massiivisten tähtien evoluutiomallien kanssa. Vetyköyhät luhistumissupernovat ovat lähtöisin kaikkein massiivisimmista tähdistä, joiden elinikä on kaikkein lyhin ja vetyrikkaat tähdet verrattain pienempimassaisimmista tähdistä, joiden elinkaari on verrattain pidempi. Kiinnostava tulos viittaa siis siihen, että näissä galakseissa on täten pääasiassa yksittäisiä dominoivia tähtiensyntyvaiheita, jotka keskimääräisen ikänsä perusteella johtavat tietyntyyppisiin luhistumissupernoviin.

ESO:n VLT teleskoopin adaptiivista optiikkaa hyödyntävän HAWK-I/GRAAL instrumentin kuva supernovasta 2018ec.