Ahtaassa paikassa tapahtuu väistämättä törmäyksiä, niin myös varhaisessa maailmankaikkeudessa. Galaksien kolaroinnin jäljet näemme nyt yötaivaalla kummajaisina ja kaunottarina.
 

Teksti: Anne Liljeström

Ahtaassa paikassa tapahtuu väistämättä törmäyksiä, niin myös varhaisessa maailmankaikkeudessa. Galaksien kolaroinnin jäljet näemme nyt yötaivaalla kummajaisina ja kaunottarina.

Julkaistu Tiede- lehdessä 6/2010.Alkuräjähdyksen jälkeen, noin 13,7 miljardia vuotta sitten aine rakentui pikkuhiljaa kvarkkien muodostamasta puurosta. Pian syntymisensä jälkeen universumi laajeni hurjasti: sekunnin murto-osan aikana se venähti noin 10 potenssiin 26 eli sata miljoonaa miljardia miljardia -kertaiseksi. Kun universumi myöhemmin viileni noin 2 900 kelviniin eli 2 600 celsiusasteeseen, elektronit alkoivat kiertää protoneista ja neutroneista muodostuneita ytimiä. Universumi muuttui läpinäkyväksi, ja säteily pääsi karkaamaan irti aineesta. Tämän jälkeen maailmankaikkeuteen alkoi muodostua rakenteita.Muistomerkkinä aineen ja säteilyn irtautumisesta meitä ympäröi kaikkialta niin sanottu kosminen taustasäteily. Se on koko maailmankaikkeuden täyttävää säteilyä, joka karkasi aineesta universumin ollessa noin 380 000 vuotta vanha.

Aineeseen jäi galaksinsiemeniäKoska maailmankaikkeus on myöhemmin laajentunut, kosmisen taustasäteilyn aallonpituus on venynyt noin tuhatkertaiseksi. Samalla säteily on jäähtynyt. Nyt se on mikroaaltoalueella näkyvää 2,73 kelvinin lämpösäteilyä. Usein puhutaan myös kolmen kelvinin taustasäteilystä.Cobe- ja Wmap-satelliitit ovat mitanneet taustasäteilyn lämpötilaa erittäin tarkasti. Mittausten mukaan säteilyssä on pienen pieniä, 0,0005 prosentin suuruisia epätasaisuuksia. Se tarkoittaa, että aineen ja säteilyn irtautuessa toisistaan kaikki aine ei jakautunut täysin tasaisesti. Pienet tiheyserot mahdollistivat aineen hitaan tiivistymisen, kun hiukan tiheämmät alueet houkuttivat gravitaation avulla kaasua ja pimeää ainetta ympäristöstään. Kaasusta tiivistyi massiivisia tähtiä, joista muodostuivat ensimmäiset galaksit varsin nopeasti. Nämä tähdet myös kuolivat varhain ja synnyttivät raskaita mustia aukkoja. Nykyään arvellaan, että alkuräjähdyksen jälkeinen laajeneneminen eli inflaatio on tiheyserojen takana. Nasan ja Esan Planck-luotain tekee taustasäteilystä parhaillaan entistä tarkempia havaintoja.

Vanhoja kummajaisia yhä elossa– Ensimmäiset galaksit olivat todennäköisesti hyvin pieniä ja epäsäännöllisen muotoisia, kertoo Jari Kotilainen, Tuorlan observatorion tutkija ja Suomen Eso-keskuksen johtaja. Nuori maailmankaikkeus oli kooltaan murto-osa nykyisestä, ja galaksit olivat hyvin lähellä toisiaan.Epäsäännölliset pikkugalaksit törmäilivät muodostaen suurempia galakseja, mutta osa on säästynyt törmäyksiltä meidän päiviimme saakka. Näistä kääpiögalakseista onkin löytynyt tähtiä, jotka ovat syntyneet hyvin varhaisessa universumissa. Pienet galaksit myös kehittyvät hitaammin kuin suuret, ja tähtien synty jatkuu niissä pidempään.– Ne ovat säilyneet ehkä juuri pienuutensa ansiosta, Kotilainen tuumii. – Ne antavat hyvän kuvan siitä, millaisia galaksit olivat kauan sitten.– Ensimmäisten tähtien uskotaan olleen paljon nykyisiä tähtiä suurempia, noin sadan Auringon massan luokkaa tai ylikin. Ne muodostuivat varsin pian aineen ja säteilyn erottua toisistaan, Kotilainen tähdentää.

Ensin oli musta aukkoJoitakin vuosia sitten tähtitieteilijöitä vaivasi, että vanhimmat galaksit näyttivät olevan itse maailmankaikkeutta vanhempia. Sitten mittaukset antoivat kaikkeudelle ikälisää, ja ristiriita poistui.Astronomit ovat pitkään pähkäilleet myös sitä, kummat olivat ensin, tähdet vai galaksit. Tämän muna vai kana -ongelman näyttääkin nyt ratkaisevan musta hevonen tai pikemminkin musta aukko.Kaikkien suurten galaksien keskustassa näyttää olevan monien miljoonien tai jopa miljardien Aurinkojen massainen musta aukko. Mustat aukot syntyvät raskaiden tähtien räjähtäessä supernovina. Varhaisessa maailmankaikkeudessa aukkoja syntyi tiheään, ja ne sulautuivat pian yhteen muodostaen yhä raskaampia mustia aukkoja. Ei ole selvää, kummat muodostuivat ensin, galaksit vai niiden keskusalueiden mustat aukot. Kotilaisen mukaan tuoreimmat havainnot kuitenkin tukevat näkemystä, jonka mukaan mustat aukot olisivat syntyneet ensin ja galaksit muodostuneet sitten vähitellen niiden ympärille.Kvasaarit ovat aktiivisia galaksinytimiä. Meistä katsoen kaikkein kaukaisimman tunnetun kvasaarin keskellä on jo erittäin massiivinen musta aukko, mutta ympäröivän kaasun ja pölyn määrästä päätellen itse galaksi on vasta muodostumassa aukon ympärille.Nuoret galaksit kehittyivät kiivaasti. Niihin tiivistyvä kaasu vauhditti tähtien syntyä, jota edistivät myös taajaan toistuvat törmäykset muiden galaksien kanssa. Törmäykset ruokkivat mustia aukkoja, mikä sai ne säteilemään äärimmäisen voimakkaasti.

Törmäys toi lisää massaaKirkkaimmat kvasaarit päihittävät loisteellaan keskivertogalaksin – ne säteilevät kuin biljoona Aurinkoa. On päätelty, että mustaa aukkoa kohti pyörteilevä kaasu muodostaa ensin aukon ympärille niin sanotun kertymäkiekon, joka kuumenee voimakkaasti. Kiekko muuttaa kaasua energiaksi paljon tehokkaammin kuin tähdet. Liki kaikki kvasaarit on havaittu kaukaisessa eli vanhassa maailmankaikkeudessa, jossa rajuja törmäyksiä tapahtui usein. Törmäyk¬set kasvattivat sekä mustien aukkojen että ympäröivän galaksin massaa. – Niiden välillä on havaittu hyvin tiukka riippuvuus, mutta ei ole selvää, mikä tämän yhteyden aiheuttaa, Jari Kotilainen kertoo. – On mahdollista, että tarpeeksi raskas musta aukko saa kaasun virtaamaan ulos galaksista, mikä keskeyttää tähtien synnyn. Samalla myös mustan aukon kasvaminen lakkaa. Tällainen takaisinkytkentä saattaisi selittää, miksi galaksien ja mustien aukkojen koon välillä on niin selvä yhteys.Kiivasta kaasun ulosvirtausta havaittiin äskettäin galaksissa SMM J1237+6203, joka sijaitsee meistä kymmenen miljardin valovuoden päässä. Kaasu suihkusi galaksista 900 kilometrin sekuntivauhtia; näin suuren nopeuden ansiosta se voittaa galaksin painovoiman. Virtausta edelsi galaksissa kovien räjähdysten rumputuli. Tapahtumasarja pysäytti galaksin kehityksen.

Spiraaleissa syntyy tähtiäKääpiögalaksien törmäyksistä syntyivät meille tutummat suuret galaksit eli spiraaligalaksit ja elliptiset galaksit. Spiraaligalaksit muodostuivat, kun suuren, epäsäännöllisen galaksin ympärillä alkoi kiertää pienempiä galakseja, jotka painovoimallaan häiritsivät kookasta kumppaniaan. Spiraaligalakseille tyypillinen piirre on kirkkaista nuorista tähdistä ja niiden välisestä kaasusta ja pölystä muodostunut litteä kiekko. Se ympäröi vanhemmista tähdistä koostuvaa keskuspullistumaa, joskaan kaikissa spiraaligalakseissa ei ole tällaista selvää rakennetta. Kiekon tähdet kiertävät galaksin keskustaa suunnilleen ympyränmuotoisilla radoilla, kun taas pullistuman tähdillä on hyvin vaihtelevat radat. Galaksin keskellä on supermassiivinen musta aukko.Spiraaligalaksien upeissa haaroissa loistavat nuoret tähdet. Niiden syntymekanismia on vaikea selittää. Vaikuttaa siltä, että kiekossa kiertävä tiheysaalto aktivoi tähtien syntyä törmätessään kaasu- ja pölypilviin. Tähdet itsessään eivät siis ole osa tiheysaaltoa vaan ainoastaan osoittavat, missä se kulloinkin kulkee.

Sauvarakenne kuuluu aikuisilleUsein spiraaligalaksin haaroja on yhdistämässä sauvamainen rakenne. Nämä sauvaspiraaligalaksit näyttävät muodostavan noin kaksi kolmasosaa kaikista spiraaligalakseista. On epävarmaa, kuinka sauvarakenne syntyi, mutta spiraalihaarat aiheuttaneen tiheysaallon arvellaan olevan senkin taustalla.Sauvat kuljettavat kiekosta kaasua kohti galaksin keskustaa ja ruokkivat siellä näin tähtien muodostumista. – Eräiden sauvaspiraaligalaksien keskusosista on löydetty nuorista tähdistä muodostuneita renkaita, Kotilainen kertoo. Sauvarakenteen on havaittu yleistyneen spiraaligalakseissa sitten universumin nuoruuden, ja sitä pidetään nykyään eräänlaisena ”aikuistuneiden” galaksien merkkinä.Myös Linnunrata vahvistui sauvaspiraaligalaksiksi 2005, kun Spitzer-infrapunateles¬kooppi havainnoi galaksimme keskusalueen tähtiä.

Ketjukolarit tuottivat jättiläisiä– Spiraaligalaksien kiekkomainen rakenne on hyvin herkkä häiriöille, Jari Kotilainen to¬teaa.Varhain muodostuneet spiraaligalaksit olivat kaikkein alttiimpia törmäämään toistensa kanssa ja muodostamaan isompia galakseja. Näiden yhteentörmäyksissä taas syntyivät maailmankaikkeuden suurimmat galaksit, elliptiset galaksit.Elliptiset galaksit ovat varsin piirteettömiä, vanhojen tähtien muodostamia galakseja. Niiden muoto vaihtelee litteästä pyöreään. Ne muistuttavat spiraaligalaksien keskuspullistumia, ja tähdet kiertävät niissäkin satunnaisissa suunnissa.Elliptisissä galakseissa syntyy hyvin vähän uusia tähtiä, koska yhteentörmäykset eivät ole juuri jättäneet niihin kaasua. Galaksien uumenissa piilevät maailmankaikkeuden massiivisimmat mustat aukot.

Anne Liljeström on vapaa tiedetoimittaja.

Pimeä aine lihottaa

Kaikkia galakseja ympäröi harvasta kaasusta ja pimeästä aineesta muodostunut halo. Pimeä aine huomattiin alun perin jo 1930-luvulla, kun galaksijoukon havaittiin liikkuvan aivan kuin siinä olisi ollut jotain näkymätöntä massaa. Myöhemmin sama ilmiö tunnistettiin myös yksittäisissä galakseissa – ne pyörivät ikään kuin niiden ulko-osat olisivat raskaammat kuin niissä näkyvät tähdet ja kaasu antavat ymmärtää. Universumissa on pimeää ainetta liki viisinkertainen määrä näkyvään aineeseen verrattuna. Pimeän aineen tarkkaa luonnetta ei vielä ymmärretä, ja aine havaitaan ainoastaan gravitaatiovaikutuksensa vuoksi. Vallitsevan käsityksen mukaan varhaiset galaksit muodostuivat, kun tavallisen aineen kaasua kerääntyi pimeän aineen tihentymien ympärille.

Linnunratakin törmäyskurssilla

Varhaisessa maailmankaikkeudessa galaksit törmäilivät usein, sillä ne olivat hyvin lähellä toisiaan. Ne vetivät toisiaan puoleensa ja sulautuivat yhteen. Nykyään suuret törmäykset ovat hyvin harvinaisia, mutta pieniä sattuu edelleen, tutkija Jari Kotilainen kertoo.Galaksit ovat aikojen kuluessa ryhmittyneet jopa tuhansien galaksien joukoiksi. Joukkojen keskustan liepeiltä löytyy yleensä jättiläismäinen elliptinen galaksi, joka houkuttaa keveämpiä naapureitaan puoleensa. Normaalikokoisillakin galakseilla on lukuisia seuralaisgalakseja. Linnunrataa ja sen samankokoista naapurigalaksia Andromedaa kiertämästä on löydetty noin 15 kääpiögalaksia. Linnunrata on jo sulauttanut itseensä Omega Centauri -kääpiön, jonka ydin kiertää galaksimme keskustaa pallomaisena tähtijoukkona. Toinen seuralainen, Jousimiehen elliptinen kääpiögalaksi, on venynyt pitkulaiseksi Linnunradan imussa. Andromeda lähestyy Linnunrataa verkkaisella 120 kilometrin sekuntinopeudella. Tällä nopeudella galaksit kohtaavat noin 2,5 miljardin vuoden kuluttua, mutta Andromedan tarkka liikkumissuunta on vielä epävarma. Jos galaksit törmäävät, ne  muodostavat elliptisen galaksin. – Mustien aukkojen yhdistyminen saattaa silloin sytyttää meille kvasaarin, Kotilainen summaa.