Herschel paljastaa tähtien synnyn salaisuuksia

Herschel on Euroopan avaruusjärjestön infapuna-alueella maailmankaikkeutta havaitseva avaruusteleskooppi, jonka esimmäisiä tuloksia esiteltiin tänään ESAn suuressa Herschel-symposiumissa. Osa esitellyistä löydöistä haastaa vanhanaikaiset käsitykset tähtien syntymalleista ja avaavat ovia tulevaisuuden tutkimukselle.

"Ensimmäiset kuvat ovat olleet todella vaikuttavia", kertoo Mika Juvela Helsingin yliopistosta. "Tämä johtuu toisaalta suuresta erotuskyvystä, jolla on pystytty tekemään suuria kartoituksia. Toisaalta samanaikaiset havainnot usealla aallonpituudella ovat mahdollistaneet esimerkiksi tähtienvälisissä pilvissä olevien lämpötilavaihteluiden näyttävän visualisoinnin."

Tästä alkaen Herschel yhdistyy osaksi tiedemaailmaa ja sillä tulee olemaan tärkeä rooli tähtitieteen kaikissa niissä osa-alueissa, missä ei tutkita kuumia kohteita.

Juvela johtaa yhtä Herschelin avoimen ajan avainohjelmista tutkimuskohteenaan Linnunradan kylmät pilviytimet, 'Galactic cold cores'. Projekti tutkii tähtienvälisten pilvien tiheitä ytimiä, joissa voi syntyä tulevaisuudessa uusia tähtiä.

"Herschel kattaa meidän kannaltamme oleelliset aallonpituudet eli alimillimetrialueen", selittää Juvela. "Mikään aiempi havaintolaite ei ole pystynyt tekemään havaintoja näillä aallonpituuksilla aivan vastaavalla erotuskyvyllä. Tulemme kartoittamaan toistasataa tulevaa tähtien syntyaluetta Herschelin PACS ja SPIRE -instrumenteilla."

Tutkimusryhmä keskittyy parhaillaan kohteiden valintaan niin ikään vuosi sitten laukaistun Planck-observatorion datasta. Herschel suunnataan näihin valittuihin kohtiin myöhemmin tämän ja ensi vuoden aikana. Ensimmäiset tutkimukseen liittyvät koehavainnot tehtiin sillä jo viime vuoden lopussa tehdyssä demonstraatiovaiheen havaintokampanjassa.

Teleskooppi on erinomaisessa kunnossa

"Tunnelma on todella intensiivinen", kuvailee Herschelin tieteellinen johtaja, ruotsalainen Göran Pilbratt Chalmersin teknillisestä korkeakoulusta. "Vuosi Herschelin laukaisun jälkeen on kulunut kaiken järjestelyyn. Saavutukset ovat fantastisia."

"Tästä alkaen Herschel yhdistyy osaksi tiedemaailmaa ja sillä tulee olemaan tärkeä rooli tähtitieteen kaikissa niissä osa-alueissa, missä ei tutkita kuumia kohteita", hehkuttaa Pilbratt. "Useimmissa asioissa laatu on sitä mitä toivoimme ja voin sanoa, että toiveemme olivat korkealla. Joissakin tapauksissa laatu on arvioitua parempi, joissakin taas ei aivan odotetun kaltainen. Olemme kuitenkin hyvin ylpeitä ja havaintoja käyttävät tutkijat ovat innostuneita."

Herschelin tuottaman datan parissa työskentelee noin 800 tutkijaa. Heistä parikymmentä on Pohjoismaista. Vaikka ensimmäiset julkaisut ilmestyvät pian, riittää jo tähän mennessä tehdyistä havainnoista analysoitavaa vuosiksi.

"Herschelin sydämenä oleva teleskooppi on toiminut erinomaisesti", arvioi Pilbratt. "Niin myös pohjoismaalaiset komponentit, jotka vaatimattomasti sanottuna muodostavat Herschelin keskusosat. Infrapunavaloa havaitsevat ilmaisimet valmistettiin Chalmersissa Göteborgissa ja 3,5-metrinen peili hiottiin Suomessa."

Kooltaan Herschelin peili on siis olennaisesti suurempi kuin kuuluisan Hubblen avaruusteleskoopin 'vain' 2,5-metriä halkaisijaltaan oleva peili.

Piikarbidipeili hiottiin timanttijauheella

Herschel on suurin tähtitieteellinen teleskooppi, joka on koskaan viety avaruuteen. Sen pääpeilin halkaisija on nelinkertainen sitä edeltäneisiin avaruuden infrapunateleskooppeihin. Tuorlassa sijaitseva Opteon-yritys suoritti pääpeilin vaativan hionnan vuosina 2004-2005.

"Tavanomaisista peileistä Herschelin peili eroaa äärimmäisen lyhyen polttovälinsä, ohuen rakenteensa ja kovan materiaalinsa vuoksi", luettelee Opteonin toimitusjohtaja Tapio Korhonen. "Paraboloidipeilin aukkosuhde on f/0,5, eli polttoväli on vain puolet halkaisijasta. Sen asfäärisyys eli poikkeama pallopinnasta on vähintään kymmenen kertaa suurempi kuin millään muulla teleskoopin peilillä, mikä vaikeutti kiillottamista."

Suomalaisryhmä onnistui loistavasti. Vain 2,5 millimetrin paksuinen piikarbidiin hiottu peilipinta mahdollisti peilin massan jäämiseen 250 kiloon. "Samankokoisilla maanpäällisten kaukoputkien peileillä massaa on tyypillisesti 4-5 tonnia", Korhonen arvioi. "Kovan materiaalin vuoksi sen hiominen ja kiillottaminen oli mahdollista vain timanttijauhetta käyttäen."

"Olen tietysti erittäin tyytyväinen, että peili ja koko observatorio toimivat suunnitellulla tavalla, ja että myös observatorion lähettäminen avaruuteen sujui ongelmitta", Korhonen kertoo. "Toivon myös että sillä saatavat tieteelliset tulokset tulevat olemaan mullistavia, toimiihan se aallonpituudella jolla maan päältä ei juurikaan voida havainnoida."

Herschel löysi 'mahdottoman' tähden syntyvaiheessaan

Herschelin havainnot tähtiä synnyttävästä pilvestä RCW 120 ovat paljastaneet alkiovaiheessa olevan tähden, jonka uskotaan kehittyvän yhdeksi galaksimme suurimmista ja kirkkaimmista tähdistä seuraavien satojentuhansien vuosien kuluessa. Se sisältää jo nyt kahdeksasta kymmeneen kertaa Auringon massan verran ainetta ja sen ympärillä on yhä 2000 auringonmassan verran kaasua ja pölyä, joista se voi kasvaa entistä massiivisemmaksi.

"Tämä tähti voi ainoastaan kasvaa suuremmaksi", sanoo Annie Zavagno Marseillessa sijaitsevasta astrofysiikan laboratoriosta. Tähden löytäminen sen muodostumisen aikana tarjoaa upean tilaisuuden selvittää kauan vastausta odottanut tähtitieteellinen paradoksi. "Nyky-ymmärtämyksen mukaan yli kahdeksan auringonmassan kokoisia tähtiä ei pitäisi pystyä muodostumaan", Zavagno selittää.

Tämä johtuu siitä, että niin suurten tähtien säteilyn pitäisi puhaltaa syntypilvensä hajalleen ennen kuin enemmän massaa ehtii kertyä niihin. Kuitenkin jotenkin tällaisiakin tähtiä syntyy. Monia 'mahdottomia' tähtiä tunnetaan ja jotkin niistä ovat massaltaan jopa 150-kertaisia Aurinkoon verrattuna. Nyt yhden sellaisen tarkastelu sen elämän alkuvaiheessa voi auttaa tutkijoita ymmärtämään, miten se pystyy uhmaamaan teorioita.

Kurkistus tähtitarhoihin lähellä ja kaukana

Tähtien muodostumisen alussa niitä ympäröivä pöly ja kaasu lämpenevät muutamia kymmeniä asteita absoluuttisen nollapisteen ylläpuolelle ja alkavat säteillä kaukoinfrapunan aallonpituuksilla. Ilmakehämme tukkii suurimman osan näistä aallonpituuksista ja siksi tarvitaan avaruudesta suoritettavia havaintoja.

Ennennäkemättömän tarkkuutensa ja herkkyytensä avulla Herschel suorittaa galaksimme tähtiä tuottavien alueiden laskentaa. "Ennen Herscheliä ei ollut selvää, miten Linnunradan aine kerääntyi tarpeeksi tiheäksi ja tarpeeksi kylmiin lämpötiloihin tähtien muodostumiselle", sanoo Sergio Molinari Interplanetaarisen avaruusfysiikan instituutista Roomasta.

Tänään julkaistu Herschelin uusi kuva näyttää kymmeniä nuorten tähtien 'tarhoja' Linnunradassa. Tähtialkiot syntyvät galaksiamme verhoavien hehkuvan pölyn ja kaasun rihmojen sisällä. Ne muodostavat kymmeniä valovuosia pitkiä tähtitarhojen ketjuja, jotka kietovat galaksimme syntyvien tähtien verkostoon.

Herschel on tutkinut myös syvää avaruutta Linnunradan ulkopuolella ja mitannut tuhansien galaksien infrapunavaloa miljardien valovuosien etäisyyksiltä. Yksittäiset galaksit näkyvät vain neulanpiston kokoisina, mutta niistä mitattujen kirkkauksien avulla voidaan arvioida tähtien niiden syntytahtia. Karkeasti katsoen galaksit ovat sitä kirkkaampia, mitä enemmän tähtiä niissä muodostuu.

Tälläkin saralla Herschel on haastanut aiemman ymmärtämyksen paljastamalla, että galaksit kehittyvät kosmisessa aikaskaalassa paljon nopeammin kuin aiemmin luultiin. Tutkijat uskoivat, että galakseissa on muodostunut uusia tähtiä suunnilleen samalla nopeudella viimeisen kolmen miljardin vuoden ajan. Herschel on osoittanut, ettei tämä pidä paikkaansa.

Herschel on ensiluokkainen työväline avaruuden molekyylien tutkimiseen. Sen avulla löydettiin ensimmäistä kertaa avaruudesta veden uuden 'olomuodon'. Sähköisesti varautunut vesi eroaa paljon meille tutuista maanpinnalla esiintyvistä jäästä, nestemäisestä vedestä ja vesihöyrystä. Nuoria tähtiä ympäröivässä syntypilvessä sen läpi kulkeva ultraviolettivalo voi irrottaa elektronin vesimolekyylistä ja jättää sille sähköisen varauksen.

"Ionisoituneen vesihöyryn havainto tuli yllätyksenä", kertoo Arnold Benz Zürichin ETH-korkeakoulusta. "Se kertoo meille tähtien varhaisten vaiheiden väkivaltaisista ilmiöistä, jotka johtavat suurienergisen säteilyn leviämiseen koko pilveen."