Galaksimme massasta kiistellään yhä. Mistä punnitus kiikastaa, kun tähtitieteilijät saavat kovin erilaisia tuloksia?



Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2009

Sisältö jatkuu mainoksen alla


Toukokuussa 2008 lehdet hehkuttavat, että Linnunrata on menettänyt puolet massastaan. Kyse on valtavasta painon pudotuksesta - onko galaksimme sairas?

Elokuussa lehdissä lukee, että Linnunradan massa onkin kaksi kertaa oletettua suurempi. Toivoa ei sittenkään ole menetetty.

Tämän vuoden tammikuussa galaksimme ilmoitetaan pulskistuneen jälleen 50 prosentilla (ks. Tiede 2/2009, s. 6). Jokohan nyt pitäisi alkaa huolestua ylikiloista?

Miten galaksin massa voi heilahdella näin rajusti? Vastaus on yksinkertainen: kyse ei ole painon vaihtelusta vaan punnituksen epätarkkuudesta. Yllä mainittujen uusien tutkimustulosten jälkeenkin Linnunrata voi yhtä hyvin olla laiheliini tai pullukka. Miksi sen massan määrittäminen on niin vaikeaa?


Summataan galaksin tähdet

Linnunrata on karkeasti ottaen noin sadasta miljardista erikokoisesta tähdestä sekä kaasusta koostuva kiekko. Kiekon aine kiertää sen keskustaa. Aurinko taittaa matkaansa suunnilleen kiekon puolivälissä.

Mitataan siis kiekon tähtien massat ja kaasun määrä ja lasketaan tulokset yhteen - siinä se, galaksimme massa. Periaatteessa tutkijat punnitsevatkin tähtikiekon näin yksinkertaisesti, vaikkeivät kaikki tähdet tietenkään näy edes parhaissa kaukoputkissa.

Auringon naapuruston tähdet ja kaasu sentään erottuvat hyvin, ja spektrihavainnoilla selviävät tähtien tyypit, jotka riippuvat massasta. Kaasun tietty spektriviiva taas kertoo suoraan, kuinka paljon pilvissä on ainetta.
Kyseisen, 21 senttimetrin aallonpituutta vastaavan viivan säteilee vety, ja pilvet ovat lähes kokonaan sitä.

Näin saadaan selville, mihin tahtiin aine tihenee kiekon keskustan suuntaan ja kuinka nopeasti se harvenee kiekon laitoja kohti. Kun lisäksi oletetaan, että joka puolella galaksin kiekkoa on samanlainen sekoitus tähtiä ja kaasua kuin lähellämme, saadaan tähtikiekon massa.

- On hämmästyttävää, ettei massa-arvioon vaikuta juuri lainkaan se, kuinka suureksi Linnunradan kiekko arvioidaan, dosentti Chris Flynn toteaa. Hyvä näin, sillä emme tiedä kovin tarkasti galaksimme kokoakaan.

Turun yliopiston Tuorlan observatoriossa työskentelevä Flynn kumppaneineen laski kiekon massan 2006. - Näkyvää ainetta on kaikkiaan yhtä paljon kuin 30-50 miljardissa Auringossa, hän sanoo.


Ynnätään painoon pimeä aine

Tähtitieteilijöille 25 prosenttia sinne tai tänne on arkipäivää, joten Flynnin ja hänen työtovereidensa tuloksen epätarkkuudessa ei ole vielä mitään päiviteltävää. Punnitsijat uppoavat kuitenkin epävarmuuden suohon, sillä Linnunradan massasta noin 90 prosenttia on jotain muuta kuin kirkkaina loistavia tähtiä. Siksi kiekon kokonaismassa ei selviä tähtiä ja kaasua ynnäämällä.

Se jokin muu on pimeää ainetta, jonka luonnetta ei toistaiseksi tunneta. Tähdet ja kaasupilvet kiertävät kuitenkin pimeän aineen vetovoiman takia kiekon keskustaa nopeammin kuin kiertäisivät ilman sitä, koska tähden reitin sisään jäävä massa määrää tähden nopeuden.

Mittaamalla kiekon laitimmaisen tähden nopeus saadaan periaatteessa selville galaksin massa - niin pimeä kuin näkyväkin. Mutta tämäkään ei riitä punnitsijalle. Pi¬meää ainetta ei nimittäin ole vain tähtikiekossa. Sitä on myös joka puolella kiekon ympärillä, ja Linnunrataan kuuluva pimeä aine ulottuu kauas kiekon ulkopuolelle.

Jotta galaksin kokonaismassa selviäisi, punnitsijoiden olisi pystyttävä mittaamaan kaukana kiekon ulkopuolella kiertävien tähtien tai esimerkiksi Linnunradan seuralaisgalaksien menoa. Kaukaisia kohteita on kuitenkin niukasti: kiekon ulkopuolella on vain noin prosentti Linnunradan tähdistä, ja galaksiseuralaisiakin tunnetaan vain muutama.

Myöskään nopeusmittaukset eivät kerro koko totuutta. Tutkijat pystyvät tätä nykyä mittaamaan varsin tarkasti joko tähden nopeuden meitä kohti tai meistä poispäin, mutta tähti saattaa liikkua myös muihin suuntiin.


Valitaan pyöreä biljoona

Kaikkiin punnitustuloksiin liittyy yhä suuri epätarkkuus. Uusimpien tutkimusten jälkeenkin voit valita Linnunradan massan haarukasta, joka on noin puolesta muutamaan biljoonaan Auringon massaan. Mittaustulosten virheet ovat siis edelleen vähintään kahdensadan prosentin luokkaa.

Eikö tällainen suurpiirteisyys huolestuta jo tähtitieteilijöitäkin?

Suurin osa tähtitieteilijöistä ei koskaan tarvitse galaksimme massaa tutkimuksissaan. Se olisi kuitenkin käypä tieto aina, kun Linnunrataa verrataan muihin galakseihin. Niiden massat tosin tunnetaan lähes yhtä huonosti kuin oman galaksimme. Massa tarvittaisiin myös, kun selvitellään galaksien syntyä ja kehitystä ja kun tutkitaan Linnunradan lähigalaksien liikkeitä.

Toiveita nykyistä tarkemmasta tuloksesta on. Euroopan avaruusjärjestön Gaia-luotain aikoo mitatata miljoonien tähtien todelliset nopeudet. Se lähetetään avaruuteen ehkä jo 2011.

Tiedustelen Tuorlan observatorion kahvihuoneessa, millaisia kiloja kahvinjuojat käyttävät töissään ennen Gaian havaintoja. Massan epätarkkuuden takia kysymykseni herättää yleistä hilpeyttä, mutta saan lopulta pari vastausta.

- Minä käytän yhtä biljoonaa Auringon massaa, toteaa galaksisimulaatioita tekevä tutkija Pasi Nurmi.

Samaa lukua suosii tutkija Pekka Heinämäki: - Se on niin kätevän pyöreä numero, ja se on helppo muistaa, koska Yhdysvaltojen ulkomaanvelka on samaa kertalukua.


Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Linnunrata jojottaa


























Punnituksen aika Linnunradan massa (biljoonaa Auringon massaa) Ehdottaja Mittaustapa
2006  0,2-0,8  Tuorlan observatorion tutkija Chris Flynn ja kumppanit Perustuu näkyvän tähtikiekon massaan ja arvioon pimeän aineen prosenttiosuudesta.
Toukokuu 2008 1 Kiinalainen Xiangxiang Xue työtovereineen Käytti 2 400 kaukana kiekosta kiertävää tähteä. Aikaisemmissa samantyyppisissä tutkimuksissa 500 tähteä. Mitä enemmän tähtiä, sitä pienempi virhe nopeuteen jää.
Elokuu 2008

2


(+ 100 % toukokuun tulokseen)

 Harvard-Smithsonian-instituutin tutkijat Genevieve Shattow ja Abraham Loeb Mittasivat kiekon tähtien nopeuksia Auringon lähellä ja päättelivät niiden oletettua nopeammasta liikkeestä galaksimme entistä massiivisemmaksi
Tammikuu 2009 

3


(+ 50 % elokuun 2008 tulokseen)

Harvard-Smithsonian-instituutin tutkija Mark Reid ja kumppanit  Havainnoivat kaukana kiekon laidalla näkyviä nuoria ja vanhoja tähtiä, jotka säteilevät erityisen intensiivisesti radioalueella. Tutkimuksessa selvisi myös mitattujen tähtien nopeuksien sivuttaisliike.
Sisältö jatkuu mainoksen alla