Tiedettä luppoajalla: XMM-Newtonin kartta röntgentaivaasta

Avaruusteleskooppien käyttöä suunnitellessa toisiaan seuraavat kohteet taivaalla pyritään valitsemaan siten, että aikaa teleskoopin kääntämiseen kohteesta toiseen ei kulu paljoa. Mutta silti aikaa kuluu, ja tuo kaikki aika on normaalisti poissa varsinaisesta havaintotoiminnasta.

Euroopan avaruusjärjestön XMM-Newton -röntgenteleskooppia käyttävät tutkijat keksivät kuitenkin käyttää hyödyksi myös tuon luppoajan. Kun teleskooppi kääntyy, pyyhkii sen kuvakenttä monien kiinnostavien kohteiden yli taivaalla. Ongelmana on kuitenkin se, että tähti tai galaksi on kuvassa vain kymmenisen sekuntia. XMM-Newtonin suuri peilipinta-ala ja siten sen suuri herkkyys tekee kuitenkin mahdolliseksi puristaa paljon kiinnostavaa tietoa irti muutamista sekunneistakin.

Lisäksi XMM-Netwon pystyy paikantamaan nopeasti heikkojakin röntgenkohteita, ja vaikka teleskooppi olisi liikkeessä, sen tarkkuus ylittää monet muut havaintolaitteet. Näin tutkijat voivat paikantaa monia vanhoja kohteita aiempaa tarkemmin ja löytää kokonaan uusia kohteita, vaikka niistä ei ennätettäisi tekemään yksityiskohtaisia havaintoja.

Keskiviikkona, toukokuun 3. päivänä julkistettu ensimmäinen osa XMM-Newtonin taivaskarttaa kattaa noin 15% taivaasta ja siinä on 2700 hyvin kirkasta röntgenkohdetta sekä lisäksi noin 2000 heikompaa röntgenalueella kirkasta kohdetta. Noin 55% kartastossa olevista kohteista on pystytty tunnistamaan aikaisemmissa kartoissa oleviksi tähdiksi, galakseiksi, kvasaareiksi ja galaksijoukoiksi.

Velan supernovajäänne ROSATin ja XMM-Newtonin ottamassa kuvissa: uudet havainnot ovat tarkempia, mutta eivät kata vielä koko sumua.

Kun XMM-Newtonin tuoretta karttaa röntgentaivaasta verrataan vuosikymmen sitten vastaavaa taivaankartoitusta tehneen kansainvälisen ROSAT-röntgensatelliitin karttaan, voivat tutkijat mitata noin kahden tuhannen röntgenlähteen kirkkaudessa tapahtuneita muutoksia.

Alustavien havaintojen mukaan osassa kohteista on tapahtunut hyvin suuria muutoksia; suurin osa kirkkausmuutoksista oli odotettuun tapaan muuttuvissa tähdissä, joiden luonteeseen muutokset kuuluvatkin, mutta yllättäen monet suuret galaksit olivat myös kirkastuneet tai himmenneet olennaisesti röntgensäteilyn allonpituusalueella. Muutokset johtuvat todennäköisesti siitä, että galaksien ytimissä olevat suuret mustat aukot viettävät suuren aikaa hiljaiseloa, mutta toisinaan niihin syöksyy suuri määrä ainetta ympäröivästä avaruudesta, jolloin ne heräävät loistamaan erittäin kirkkaasti.

Nämä aktiiviset galaksiytimet (tähtitieteilijöiden kielenkäytössä AGN:t, active galactic nuclei) tulevat erittäin hyvin esiin XMM-Newtonin tuoreessa taivaankartassa ja yleensä havainnoissa, joissa röntgenteleskooppi pyyhkii taivasta ja havainnot tehdään nopeasti. AGN:t sijaitsevat normaalisti kymmenien tuhansien miljoonien valovuosien päässä, mutta loistavat silti erittäin kirkkaasti.

Siinä missä suurin osa tähdistä ja galaksiytimistä näkyy kartassa pistemäisinä säteilylähteinä, voidaan osasta röntgenkohteista nähdä säteilyä laajemmalla alueella. Tällaisia kohteita on noin 15% kaikista ja ne ovat tyypillisesti kaukaisia galaksijoukkoja. Ne ovat suuria galaksikeskittymiä, joissa sadat tai tuhannetkin Linnunradan kaltaiset galaksit ovat lähellä toisiaan ja niissä oleva kaasu hohtaa selvästi myös röntgensäteilyä.

81 galaksijoukkoa oli aikaisemmin tunnettuja, mutta niiden lisäksi uudesta kartasta löytyi paljon uusia joukkoja. Tähtitieteilijät toivovat, että uusien tuttavuuksien joukosta paljastuisi tarkemmissa tutkimuksissa myös hyvin kaukana sijaitsevia galaksijoukkoja, jotka ovat usein hyvin kirkkaita röntgenalueella. Ne ovat erittäin kiinnostavia maailmankaikkeuden synnyn ja kehityksen selvittämisen kannalta. Galaksijoukkojen etäisyydet pitää määrittää tarkemmin suurilla maanpäälisillä optisilla teleskoopeilla, kuten Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopeilla.

Kun XMM-Newtonin tuoretta karttaa röntgentaivaasta verrataan vuosikymmen sitten vastaavaa taivaankartoitusta tehneen kansainvälisen ROSAT-röntgensatelliitin karttaan, voivat tutkijat mitata noin kahden tuhannen röntgenlähteen kirkkaudessa tapahtuneita muutoksia.

Alustavien havaintojen mukaan osassa kohteista on tapahtunut hyvin suuria muutoksia; suurin osa kirkkausmuutoksista oli odotettuun tapaan muuttuvissa tähdissä, joiden luonteeseen muutokset kuuluvatkin, mutta yllättäen monet suuret galaksit olivat myös kirkastuneet tai himmenneet olennaisesti röntgensäteilyn allonpituusalueella. Muutokset johtuvat todennäköisesti siitä, että galaksien ytimissä olevat suuret mustat aukot viettävät suuren aikaa hiljaiseloa, mutta toisinaan niihin syöksyy suuri määrä ainetta ympäröivästä avaruudesta, jolloin ne heräävät loistamaan erittäin kirkkaasti.

Nämä aktiiviset galaksiytimet (tähtitieteilijöiden kielenkäytössä AGN:t, active galactic nuclei) tulevat erittäin hyvin esiin XMM-Newtonin tuoreessa taivaankartassa ja yleensä havainnoissa, joissa röntgenteleskooppi pyyhkii taivasta ja havainnot tehdään nopeasti. AGN:t sijaitsevat normaalisti kymmenien tuhansien miljoonien valovuosien päässä, mutta loistavat silti erittäin kirkkaasti.

Siinä missä suurin osa tähdistä ja galaksiytimistä näkyy kartassa pistemäisinä säteilylähteinä, voidaan osasta röntgenkohteista nähdä säteilyä laajemmalla alueella. Tällaisia kohteita on noin 15% kaikista ja ne ovat tyypillisesti kaukaisia galaksijoukkoja. Ne ovat suuria galaksikeskittymiä, joissa sadat tai tuhannetkin Linnunradan kaltaiset galaksit ovat lähellä toisiaan ja niissä oleva kaasu hohtaa selvästi myös röntgensäteilyä.

81 galaksijoukkoa oli aikaisemmin tunnettuja, mutta niiden lisäksi uudesta kartasta löytyi paljon uusia joukkoja. Tähtitieteilijät toivovat, että uusien tuttavuuksien joukosta paljastuisi tarkemmissa tutkimuksissa myös hyvin kaukana sijaitsevia galaksijoukkoja, jotka ovat usein hyvin kirkkaita röntgenalueella. Ne ovat erittäin kiinnostavia maailmankaikkeuden synnyn ja kehityksen selvittämisen kannalta. Galaksijoukkojen etäisyydet pitää määrittää tarkemmin suurilla maanpäälisillä optisilla teleskoopeilla, kuten Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopeilla.

Perinteitä tapaa käyttäen laajojen taivaalla olevien kohteiden, kuten supernovajäänteiden, kuvaamiseen on käytetty paljon teleskooppiaikaa. Uusi pyyhkäisytekniikka on osoittautunut tehokkaaksi menetelmäksi myös näiden kohteiden kuvaamiseen; esimerkiksi 20 000 vuotta vanha Velan supernovajäänne on kooltaan taivaalla 150 kertaa täysikuuta laajempi ja sen kartoittaminen kohdennetuin havainnoin olisi vienyt paljon enemmän aikaa.

Epätavalliset kirkkaat, pienimassaiset röntgenkaksoistähdet (LMXB:t) ovat myös kiinnostavia kohteita XMM-Newtonin taivaskartassa. Teleskooppi on pystynyt saamaan selville niiden säteilyspektrin riittävällä tarkkuudella, jotta sen perusteella voidaan päätellä millaisesta tähtiparista on kyse ja kuinka tähdet vaikuttavat toisiinsa. Normaalisti pienimassaiset, kirkkaat röntgenkaksoistähdet loistavat epätavallisen kirkkaasti, koska tähtiparin toinen osapuoli on tiivis neutronitähti tai musta aukko, ja sen pinnalle virtaa kaasua toisesta tähdestä, mutta yksityiskohdista ei ole täyttä tietoa.

Vastaisuudessa XMM-Newtonin pyyhkäisymenetelmää kehitetään edelleen siten, että se pystyy havaitsemaan paremmin myös harvinaisia, nopeastikin muuttuvia hyvin suurienergisiä tapahtumia. Herkkä, laajakuvakulmainen XMM-Newton sopii periaatteessa erinomaisesti sellaisten havaitsemiseen.