Valon värähtely paljastaa kosmoksen ääriolojen muodon

Kuvittele ruokalusikallinen ainetta, joka painaa miljardeja tonneja. Niin tiheää ainetta esiintyy ainoastaan neutronitähdissä, jotka ovat romahtaneiden jättimäisten tähtien jäänteitä: puolisentoista kertaa Aurinkomme paino kutistettuna Turun kokoon. Ainoastaan mustat aukot ovat tunnetusti tätä tiiviimpiä. Niitä ei kuitenkaan voi suoraan nähdä, sillä niiden painovoima ei päästä valoakaan karkuun. Fysiikkaa näin erikoisissa ympäristöissä on mahdotonta tutkia maan kamaralla, mutta kohdistamalla katseemme näihin kummajaisiin voimme kartoittaa maailmankaikkeuden ääriolosuhteita.

Monet mustat aukot ja neutronitähdet ovat osana niin kutsuttuja röntgenkaksoistähtiä, jossa ne imevät kaasua tavalliselta tähdeltä. Kaasu tuottaa pudotessaan valtavan määrän energiaa kuin jokin kosminen vesivoimala, lämmittäen kaasun niin kuumaksi, että se hohkaa röntgensäteitä. Röntgenkaksoistähtien sisällä viuhuvalla kaasukurimuksella on suuri vaikutus niiden lähettämään säteilyyn, joten tutkimalla röntgenkaksoistähtien valoa voimme rakentaa lähikuvaa niiden tiheistä sydämistä. Jotta näin pienien ja etäisten kappaleiden loistosta saisi selkoa, on sovellettava kaikenlaisia havainnollisia lähestymistapoja sekä teoreettisia malleja.

Vuonna 2021 laukaistu IXPE-luotain on tarjonnut uuden tavan tutkia röntgenkaksoistähtien ympäristöjä, nimittäin mittaamalla röntgenvalon polarisaatiota, eli sen värähtelyn suuntaa. Valon heijastuessa tai sirotessa sen polarisaatio muuttuu, joten polarisaation avulla voidaan selvittää, mitä kautta valo on kulkenut. Arkimaailmassa tämä tulee vastaan esimerkiksi polarisoivissa aurinkolaseissa, jotka himmentävät heijastunutta valoa päästämällä vain tietyn suuntaiset värähtelyt läpi. Tarkkailemalla röntgenkaksoistähtiä tällä tavoin voimme saada lisää tietoa erityisesti niiden muodosta.

IXPE:n havainnot ovat vastanneet moneen kysymykseen, mutta myös luoneet monta arvoitusta. Havaittu polarisaatio on monesti osoittautunut oletettua heikommaksi tai voimakkaammaksi, jättäen tilaa uusille tulkinnoille. Oma tutkimukseni keskittyy juurikin uusien mallien kehittämiseen. Vaikka neutronitähdillä ja mustilla aukoilla on edelleen mysteerinsä, ymmärryksemme niistä laajenee nopeaa tahtia. Tähtitieteilijät ovat jo hyödyntäneet niitä varmistaakseen Einsteinin suhteellisuusteorian tarkkuutta, ja tulevaisuudessa neutronitähdet kenties paljastavat alkeishiukkasten saloja.

Varpu Ahlberg
Kirjoittaja on väitöskirjatutkija Turun yliopiston suurienergia-astrofysiikan ryhmässä. Hän tutkii voimakkaan painovoiman merkkejä röntgenkaksoistähtien havainnoissa.

Kuvalähde: NASA