Lehdistötiedote

ESO:n teleskoopit havaitsivat ensivalon gravitaatioaaltolähteestä

Yhteensulautuvat neutronitähdet sirottavat kultaa ja platinaa avaruuteen

16. lokakuuta 2017

ESO:n teleskooppilaivasto Chilessä on havainnut ensimmäisen näkyvän vastineen gravitaatioaaltolähteelle. Nämä historialliset havainnot antavat ymmärtää, että tämä ainutkertainen kohde on kahden yhteensulautuvan neutronitähden tulos. Tällaisen yhteensulatumisen mullistavat seuraukset, kilonoviksi kutsutut pitkään ennustetut tapahtumat, levittävät kullan ja platinan kaltaisia raskaita alkuaineita ympäriinsä maailmankaikkeutta. Tämä useassa tutkimusjulkaisussa Nature- ja muissa julkaisusarjoissa julkaistu havainto tarjoaa myös vahvimman tähänastisen todisteen siitä, että lyhytkestoiset gammapurkaukset ovat seurausta neutronitähtien yhteensulautumisesta.

Kautta aikojen ensimmäistä kertaa tähtitieteilijät ovat havainneet sekä gravitaatioaaltoja [1] että valoa (sähkömagneettista säteilyä) samasta tapahtumasta, kiitos maailmanlaajuisen yhteistyön ja ESO:n sekä muualla maailmalla sijaitsevien tutkimuslaitteistojen nopean reagoinnin.

Yhdysvalloissa sijaitseva NSF:n LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) havaitsi yhdessä Italiassa sijaitsevan Virgo-ingerferometrin kanssa Maapallon ohittavia gravitaatioaaltoja. Tämä tapahtuma, viides milloinkaan havaittu, sai nimen GW170817. Noin kaksi sekuntia myöhemmin kaksi avaruusobservatoriota, NASA:n Fermi-gammasädeavaruusteleskooppi ja ESA:n INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory), havaitsivat lyhyen gammapurkauksen samalta taivaan alueelta.

LIGO-Virgo observatorioverkosto sijoitti kohteen suurelle, usean sadan täydenkuun kokoiselle ja useita miljoonia tähtiä käsittäneelle alueelle eteläisen pallonpuoliskon taivasta [2]. Yön laskeutuessa Chilen ylle useat teleskoopit kurkkivat tätä taivaan aluetta, etsien uusia kohteita. Nämä käsittivät ESO:n Paranalin observatoriolla sijaitsevan VISTA-teleskoopin (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) ja VST-teleskoopin (VLT Survey Telescope), ESO:n La Sillan observatoriolla sijaitsevan italialaisen REM-teleskoopin (Rapid Eye Mount), Las Cumbres -observatorion LCO 0.4-metrin teleskoopin ja Cerro Tololo Inter-American -observatoriolla sijaitsevan amerikkalaisen DECam:in. Ensimmäisenä uuden valonlähteen ilmoitti Swope 1-metrin teleskooppi. Se näyttäytyi hyvin lähellä Vesikäärmeen tähdistössä sijaitsevaa linssimäistä galaksia NGC 4993 ja VISTA-havainnot tarkentuivat tähän kohteeseen infrapuna-aallonpituuksilla lähes samaan aikaan. Yön edetessä länteen Maapallon pinnalla, Havaijin teleskoopit Pan-STARRS ja Subaru huomaisivat sen myös ja seurasivat sen nopeaa kehittymistä.

"Tiedemiehen elämssä on harvoja mahdollisuuksia todistaa uuden aikakauden alkua," sanoi Elena Pian, italialaisen INAF:in tähtitieteilijä ja yhden Nature-tutkimusjulkaisun pääkirjoittaja. "Tämä on sellainen hetki!"

ESO käynnisti yhden kaikkien aikojen suurimmista "target of opportunity" (mahdollisuuksien kohde) -havaintokampanjoista ja useat ESO:n ja ESO-yhteistyökumppaneiden teleskoopit havaitsivat kohdetta sen löytymistä seuranneiden viikkojen ajan [3]. ESO:n VLT-teleskooppi (Very Large Telescope), NTT-teleskooppi (New Technology Telescope), VST, MPG/ESO 2.2-metrin teleskooppi ja ALMA-teleskooppi (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array) [4] kaikki havaitsivat kohdetta ja sen jälki-ilmiöitä laajalla aallonpituusalueella. Noin 70 observatoriota eri puolilla maailmaa havaitsivat myös tapahtumaa, mukaanlukien NASA:n ja ESA:n Hubble-avaruusteleskooppi.

Sekä gravitaatioaaltohavaintoaineiston että muiden havaintojen etäisyysarviot yhtenevät siinä, että GW170817 on samalla etäisyydellä kuin NGC 4993 eli noin 130 miljoonan valovuoden etäisyydellä Maasta. Tämä tarkoittaa sitä, että kohde on lähin milloinkaan havaittu gravitaatioaaltotapahtuma ja myös yksi lähimmistä milloinkaan nähdyistä gammapurkauskohteista [5].

Gravitaatioaaltoina tunnetut aika-avaruuden väreet muodostuvat massojen liikkuessa, mutta vain hyvin massiivisten kohteiden nopeiden nopeudenmuutosten aikaansaamat, kaikkein voimakkaimmat voidaan nykyisellään havaita. Yksi tällainen tapahtuma on neutronitähtien yhteensulautuminen. Neutronitähdet ovat äärimmäisen tiheitä, suurimassaisten tähtien supernovien jälkeensä jättämiä kokoon romahtaneita ytimiä [6]. Nämä yhteensulautumiset ovat tähän mennessä olleet johtava hypoteesi lyhyiden gammapurkausten selittämiseksi. Tuhat kertaa tyypillistä novaa kirkkaaman, kilonovana tunnetun räjähtävän tapahtuman odotetaan seuraavan tällaista tapahtumaa.

Lähes samanaikaiset sekä gravitaatioaaltojen että gammapurkauksen havaitseminen kohteesta GW170817 herättää toivoa siitä, että tämä kohde oli todellakin paljon etsitty kilonova ja ESO:n tutkimuslaitteiden havainnot ovat paljastaneet hätkähdyttävän lähellä teoreettisia ennusteita olevia ominaisuuksia. Kilonovien olemassaolo ehdotettiin yli 30 vuotta sitten, mutta tämä on ensimmäinen vahvistettu havainto.

Kahden neutronitähden yhteensulautumisen jälkeen kilonovasta lähti nopeasti laajeneva radioaktiivisten raskaiden alkuaineiden purkaus, joka liikkuu viidesosalla valon nopeudesta. Kilonovan väri vaihtui hyvin sinisestä hyvin punaiseen seuraavien jokusen päivän aikana, mikä on nopeampi muutos kuin on nähdään muissa tähtien räjähdyksissä.

"Kun spektri ilmestyi ruuduillemme, ymmärsin, että tämä oli mitä epätavallisin milloinkaan näkemäni ohimenevä ilmiö," huomautti Stephen Smartt, joka johti havaintojen tekoa ESO:n NTT-teleskoopilla osana laajaa ePESSTO (extended Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects) -havainto-ohjelmaa. "En ollut milloinkaan nähnyt mitään sen kaltaista. Havaintoaineistomme, samoin kuin muiden tutkimusryhmien aineisto, todisti kaikille, että tämä ei ollut supernova tai etualan muuttuva tähti, vaan jotakin perin huomattavaa."

Spektrit ePESSTO:lta ja VLT:n X-shooter -havaintolaitteelta antavat ymmärtää, että yhteensulautuvista neutronitähdistä sinkoaa ulos cesiumia ja telluuria. Nämä ja muut yhteensulautuvien neutronitähtien tuottamat raskaat alkuaineet sinkoavat avaruuteen seuraavaksi tapahtuvan kilonovan johdosta. Nämä havainnot paikantavat rautaa raskaampien alkuaineiden muodostumisen suuren tiheyden tähtimäisten kohteiden ydinreaktioihin, mikä tunnetaan r-prosessin nukleosynteesinä. Tästä oli aikaisemmin vain teorisoitu.

"Tähän mennessä saamamme havaintoaineisto vastaa hämmästyttävän hyvin teoriaa. Se on riemuvoitto teoreetikoille, vahvistus sille, että LIGO-VIRGO -tapahtumat ovat varmasti oikeita ja saavutus ESO:lle, joka on kerännyt niin ällistyttävän havaintoaineiston kilonovasta," lisää Stefano Covino, yhden Nature Astronomy -julkaisusarjan tutkimusjulkaisun pääkirjoittaja.

"ESO:n suuri vahvuus on siinä, että sillä on suuri valikoima teleskooppeja ja havaintolaitteita käymään käsiksi suuriin ja monimutkaisiin tähtitieteellisiin projekteihin, ja peräti lyhyellä varoitusajalla. Me olemme astuneet monen sanansaattajan tähtitieteen uuteen aikakauteen!" päättää Andrew Levan, yhden tutkimusjulkaisun pääkirjoittaja.

Lisähuomiot

[1] Suhteellisuusteorian gravitaatioaaltoja ei pidä sekoittaa hydrodynamiikassa esiintyviin painovoima-aaltoihin.

[2] LIGO-Virgo -havainto kohdensi kohteen noin 35 neliöasteen kokoiselle alueelle taivasta.

[3] Galaksi oli havaittavissa vain illalla elokuussa ja syyskuuhun mennessä se oli taivaalla liian lähellä Aurinkoa, jotta sitä olisi voitu havaita.

[4] VLT-teleskoopilla havaintoja tehtiin: Yksikköteleskooppi 2:n (UT2) X-shooter -spektrograafilla, Yksikköteleskooppi 1:n (UT1) FORS2:lla (FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2) ja NACO:lla (NAOS (Nasmyth Adaptive Optics System) – CONICA (Near-Infrared Imager and Spectrograph)), Yksikköteleskooppi 3:n (UT3) VIMOS:lla (VIsible Multi-Object Spectrograph) ja VISIR:llä (VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared), Yksikköteleskooppi 4:n (UT4) MUSE:lla (Multi Unit Spectroscopic Explorer) ja HAWK-I:llä (High Acuity Wide-field K-band Imager). VST havaitsi käyttäen OmegaCAM:ia ja VISTA käyttäen VIRCAM:ia (VISTA InfraRed CAMera). NTT havaitsi ePESSTO-ohjelman kautta näkyvän valon spektrejä EFOSC2-spektrograafilla (ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2) ja infrapunavalon spektrejä SOFI-spektrograafilla (Son of ISAAC). MPG/ESO 2.2-metrin teleskooppi havaitsi käyttäen GROND-havaintolaitetta (Gamma-Ray burst Optical/Near-infrared Detector).

[5] Maan ja yhteensulautuvien neutronitähtien suhteellisen lyhyt välimatka, 130 miljoonaa valovuotta, sai havaintojen teon mahdolliseksi, sillä yhteensulautuvat neutronitähdet muodostavat heikompia gravitaatioaaltoja kuin yhteensulautuvat mustat aukot, jotka olivat todennäköisesti neljän ensimmäisen gravitaatioaaltohavainnon takana.

[6] Kun neutronitähdet kiertävät toisiaan kaksoisjärjestelmässä, ne menettävät energiaa säteilemällä gravitaatioaaltoja. Ne lähestyvät toisiaan kunnes, niiden vihdoin kohdatessa, osa tähtien jäänteiden massasta muuttuu energiaksi rajussa gravitaatioaaltojen purkauksessa, Einsteinin kuuluisan kaavan E=mc² mukaan.

Lisätietoa

Tätä tutkimusta on esitelty sarjassa tutkimusjulkaisuja, jotka ilmestyvät julkaisusarjoissa  Nature, Nature Astronomy ja Astrophysical Journal Letters.

Laaja lista tutkimusryhmän jäsenistä on saatavilla tällä PDF-tiedostolla.

ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 16 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Puola, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin vartavasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi. ESO on yksi maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, ALMA-teleskoopin pääyhteistyökumppaneista. Lähellä Paranalia sijaitsevalla Cerro Armazonesilla ESO rakentaa 39-metrin kokoista ELT -teleskooppia (Extremely Large Telescope), josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

LIGO:n ovat rahoittaneet NSF ja sitä hallinnoivat Caltech ja MIT, jotka ideoivat LIGO:n ja johtivat LIGO-projekteja Initial ja Advanced. LIGO-projektin Advanced taloudellinen tuki tuli NSF:ltä Saksan (Max Planck -yhdistys), Iso-Britannian (Science and Technology Facilities Council) ja Australian (Australian Research Council) osallistuessa merkittävästi projektin rahoitukseen. Yli 1200 tiedemiestä kautta koko maailman osallistuu tutkimuslaitoksen toimintaan yhteistyöalustanaan LIGO Scientific Collaboration, johon sisältyy GEO Collaboration. Lisää yhteistyökumppaneita on listattu osoitteessa http://ligo.org/partners.php.

Virgo-yhteistyö käsittää yli 280 fyysikkoa ja insinööriä 20 eri tutkimusryhmästä Euroopassa: kuusi Ranskasta - Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), kahdeksan Italiasta - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), kaksi Alankomaista - mukaanlukien Nikhef, MTA Wigner RCP Unkarista, POLGRAW-ryhmä Puolasta, Valencian yliopisto Espanjasta sekä lähellä Italian Pisaa sijaitsevan Virgo-tutkimuslaitteen kotipaikkana toimiva laboratorio European Gravitational Observatory, EGO. Sitä rahoittavat CNRS, INFN ja Nikhef.

Linkit

• LIGO:n lehdistötiedote
• Usein kysyttyjä kysymyksiä

Yhteystiedot

Stephen Smartt
Queen’s University Belfast
Belfast, United Kingdom
Puh.: +44 7876 014103
Sähköposti: s.smartt@qub.ac.uk

Elena Pian
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Bologna, Italy
Puh.: +39 051 6398701
Sähköposti: elena.pian@inaf.it

Andrew Levan
University of Warwick
Coventry, United Kingdom
Puh.: +44 7714 250373
Sähköposti: A.J.Levan@warwick.ac.uk

Nial Tanvir
University of Leicester
Leicester, United Kingdom
Puh.: +44 7980 136499
Sähköposti: nrt3@leicester.ac.uk

Stefano Covino
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Merate, Italy
Puh.: +39 02 72320475
Matkapuhelin: +39 331 6748534
Sähköposti: stefano.covino@brera.inaf.it

Marina Rejkuba
ESO Head of User Support Department
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6453
Sähköposti: mrejkuba@eso.org

Samaya Nissanke
Radboud University
Nijmegen, The Netherlands
Sähköposti: samaya@astro.ru.nl

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6655
Matkapuhelin: +49 151 1537 3591
Sähköposti: rhook@eso.org

Pasi Nurmi (press contact Suomi)
ESO Science Outreach Network and University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Email: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media