Toissayönä monissa tähtitieteellisissä observatorioissa heitettiin ennakkoon tehdyt havaintosuunnitelmat sivuun ja kaukoputket sekä antennit suunnattiin Orionin tähtikuvion suuntaan. Punainen jättiläistähti Betelgeuze vetelee viimeisiään … ja nyt samalta suunnalta havaittiin juuri omituinen signaali.

Betelgeuzen kirkkaus on himmentynyt olennaisesti viime kuukausina. Jo pitkään on tiedetty, että tähti tulee räjähtämään piakkoin (tähtitieteessä tämä tarkoittaa 100 000 vuoden aikaskaalaa), joten sitä kohtaan on kovasti kiinnostusta. Erityisesti jännitystä lisää vastikään havaittu painovoima-aalto, joka on peräisin juuri Betelgeuzen tienoilta taivaalla. Olisiko se merkki tulevasta pamahduksesta?

Näitä painovoima- eli gravitaatioaaltoja syntyy erittäin suurienergisissä tapahtumissa, kuten esimerkiksi mustien aukkojen törmätessä toisiinsa. Signaaleja on havaittu tätä ennen viitisenkymmentä, ja nämä havainnot ovat olleet hyvin samanlaisia kuin on ennustettu olleen. Tähtitieteilijät ovat simuloineet paljon erilaisia tapahtumia – myös sellaisia, joista ei ole vielä saatu merkkejä, mutta nyt tehty havainto ei vastaa mitään niistä.

Se on mysteeri.

On hyvin todennäköistä, että nyt havaitulla gravitaatioaallolla ja Betelgeuzen himmenemisellä ei ole mitään yhteyttä toisiinsa, mutta tässä kaikelta varalta hieman taustatietoa kummastakin.

Orionin tähdistö taivaalla. Kuvaan on lisätty viivat, jotka auttavat hahmottamaan kuviota. Betelgeuze on ylävasemmalla kulmassa oleva tähti. Orionin tähtikuvio. Kuva: Jari Mäkinen

Betelgeuze, kuoleva tähti

Betelgeuze on selvästi punertava tähti Orionin tähtikuvion ylävasemmassa kulmassa. Orion puolestaan on eräs tähtitaivaan tunnetuimmista ja helpoiten erotettavista tähtikuvioista: siinä on seitsemän selvästi kirkkaampaa tähteä, joista kolme on keskellä lähekkäin ja neljä muuta muodostaa ikään kuin laatikon niiden ympärille.

Täällä pohjoisella pallonpuolella Orion on hyvin näkyvissä talvisella yötaivaalla. Tänäkin iltana, jos taivas on selkeä, se näkyy Auringon laskettua jotakuinkin etelässä.

Betelgeuze on noin 20 kertaa massiivisempi ja halkaisijaltaan noin 900 kertaa suurempi kuin oma Aurinkomme. Se on niin sanottu punainen jättiläinen eli suurikokoinen tähti, joka on elämänsä ehtoopuolella. Se on paisunut valtavan suureksi, kun sen sisällä myllertävä, energiaa tuottava fuusioreaktio koettaa löytää epätoivoisesti polttoainetta.

Tyypillisesti tähti toimii muuttamalla fuusioreaktiossa vetyä heliumiksi, mutta kun vety alkaa loppua, siirtyy se käyttämään heliumia. Heliumin jälkeen tähti koittaa fuusioida raskaampia alkuaineita, mutta lopulta se ei onnistu: seuraa valtava kuolinkouristus, supernovaräjähdys.

Räjähdys tapahtuu itse asiassa kahteen suuntaan. Tähden ulko-osat (noin 90 % sen massasta) sinkoutuvat ulospäin, ja sen sisusta romahtaa alaspäin, jolloin tuloksena on erittäin tiivis, pienikokoinen kappale. Se voi olla neutronitähti, mutta Betelgeuzen kokoisella tähdellä se on todennäköisemmin musta aukko.

Piirros siitä, miltä räjähtävä Betelgeuze voisi näyttää. Piirros räjähtävästä tähdestä. Kuva: ESO

Räjähdys synnyttää paitsi kirkkaan valovälähdyksen, myös valtavasti kaikenlaisia muita sähkömagneettisia säteitä gamma-aalloista pitkäaallonpituuksisiin radioaaltoihin. Supernovassa muodostuu myös paljon erilaisia hiukkasia, kuten neutriinoita. Samoin se järisyttää avaruuden geometriaa eli synnyttää painovoima-aaltoja.

Betelgeuze on meistä noin 640 valovuoden etäisyydellä, joten räjähdyksestä ei ole meille vaaraa. Mutta todennäköisesti tuloksena on kirkkain taivaanilmiö, mitä ihmiskunta on koskaan nähnyt.

Vastaavaa ei ole havaittu aikaisemmin, joten ennustaminen on vaikeaa, mutta arvioiden mukaan Betelgeuze kirkastuisi muutaman päivän ajan räjähdyksen jälkeen ja olisi lopulta täysikuutakin kirkkaampi. Sen jälkeen se pysyttelisi kirkkaana noin kolmen vuoden ajan, minkä jälkeen se alkaisi hiipua hitaasti, kunnes noin kuuden vuoden päästä sitä ei näkisi enää paljain silmin.

Orion ei olisi enää entisensä: kaikelta varalta sitä kannattaakin ihailla nyt, kun se on vielä sellainen kuin on totuttu.

Sadantuhannen vuoden kysymys

Betelgeuze on vain eräs elämänsä ehtoopuolella oleva tähti tässä lähitienoilla, sillä esimerkiksi Antares ja pari muutakin tähteä voivat myös räjähtää ihan lähiaikoina. Siis tulevien satojen tuhansien vuosien aikana – tähden iässä miljoonakin vuotta on vain hetki.

Oma Aurinkomme on samassa tilassa noin viiden miljardin vuoden kuluttua, mutta sen kokoinen pienehkö tähti ei räjähdä supernovana. Aurinko ”vain” paisuu, sen pinta noussee jonnekin Marsin kiertoradan tietämille. Sen jälkeen se kutistuu valkoiseksi kääpiöksi, joka vähitellen vain hiipuu.

Maapallon on käynyt huonosti jo ennen paisutusta, koska viimeiset miljoonat vuotensa Aurinko on todennäköisesti kovin äkkipikainen. Sen kirkkaudessa tapahtuu voimakkaita muutoksia.

Betelgeuzessa tämä epävakaisuus on parhaillaan menossa. Sen kirkkaudessa on tapahtunut tätä himmenemistä aikaisemminkin vaihtelua, kun sen pinnalla on jättiläisiä pilkkuja. Lämmön kuljetuksesta pinnan ja sisäosien välillä sekä magneettikentän muutoksista johtuvia pilkkuja on Auringollakin, mutta Betelgeuzella ne ovat niin suuria, että ne voidaan erottaa jopa täältä maapallolta.

Betelgeuze on Auringon lisäksi ainoa tähti, jonka pinnasta saadaan hyviä kuvia. Tässä yksi niistä, ALMA-radioteleskoopilla otettu. Kuva Betelgeuzen pinnasta. Kuva: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/E. O’Gorman/P. Kervella

Koska Betelgeuze on suuri tähti, on vetovoima sen pinnalla sen verran pieni, että siitä irtoaa todennäköisesti tähden lähelle suuria kaasupilviä. Ne peittävät osaltaan valoa hohtavaa pintaa.

Kaikki nämä yhdessä tähden pyörimisen kanssa saavat aikaan sen, että Betelgeuzen kirkkaus vaihtelee. Nyt tosin himmentyminen on ennätyksellistä: kun normaalisti Betelgeuze on taivaan 12. kirkkain tähti, on se nyt vain 21.

Räjähtää Betelgeuze tai ei, sen muutosten seuraaminen on nyt erittäin kiinnostavaa. Se opettaa meille paljon tähden elämän viime vaiheista.

Supernovan painovoima-aalto

Supernovia havaitaan hyvinkin usein, mutta toisissa galakseissa. Omassa Linnunradassamme, siis maailmankaikkeuden mittakaavassa tässä kotipihalla, ei sellaisia nähty sitten vuoden 1604. Kaikkiaan kirjoitettu historia tuntee vain kahdeksan paljain silmin näkynyttä supernovaa.

Suuri Magellanin pilvi ilman supernovaa ja SN1987A:n ollessa kirkkaimmillaan. Supernova näkyi paljainkin silmin, mutta oli sen verran huomaamaton, että kuvasta sitä ei erottaisi ilman nuolta. Suuri Magellanin pilvi ja SN1987A siellä. Kuva: ESO

Kaikkein jännin viime aikojen supernova havaittiin helmikuussa 1987, kun Linnunrataa kiertävässä Suuressa Magellanin pilvessä tapahtui supernova. Tai tarkalleen ottaen se tapahtui 168 000 vuotta aikaisemmin, koska räjähdyksestä lähtenyt valo saavutti Maan vasta 23. helmikuuta 1987.

Aivan tarkalleen ottaen ennen valoa tuli parvi supernovassa syntyneitä neutriinoita. Kyseessä oli ensimmäinen merkittävä havainto, joka tehtiin avaruudesta tulevia neutriinoita havaitsemalla. Se, että neutriinopyrskeet tulivat pari tuntia ennen valoväläystä, oli todella kiinnostava tieto.

Sisäkuva Super-Kamiokande -tutkimuslaitteesta, jossa havaittiin SN1987A:sta tulleita neutriinoja. Laite sijaitsee luolassa kilometrin syvyydessä ja siinä on 50 000 tonnia erittäin puhdasta vettä. Neutriinot törmäävät vesimolekyyleihin ja tuottavat valonväläyksiä, joita havaitaan 13 000 valoherkällä ilmaisimella. Sisäkuva Super-Kamiokande -havaintolaitteesta Kuva: ICRR/Kamioka Observatory

Marylandin yliopiston fyysikko Joseph Weber väitti myös havainneensa tämän SN1987A-nimen saaneen supernovan uudella tavalla: gravitaatioaaltoja mittaamalla. Weber oli rakentanut 1960-luvulta alkaen suuria alumiinisylintereitä, joiden hän oletti resonoivan gravitaatioaaltojen vaikutuksesta.

Suurin osa Weberin tekemistä havainnoista paljastui häiriöiksi tai kohinaksi, eikä häneen uskottu, kun hän ilmoitti havainneensa signaalin juuri samaan aikaan, kun SN1987A:n lähettämä painovoima-aalto olisi laskelmien mukaan kulkenut Maan ohitse.

Vaikka havaintoa ei voi enää varmentaa, se vaikuttaa nyt todennäköiseltä, koska ensimmäiset gravitaatioaallot on todistetusti havaittu. Monimutkainen LIGO-laitteisto havaitsi syyskuun 14. päivänä 2015 klo 12.51 Suomen aikaa painovoima-aallon, joka oli syntynyt 1,3 miljardia vuotta aikaisemmin kahden mustan aukon törmätessä toisiinsa. Toisessa galaksissa tapahtunut jysäys tärisytti aika-avaruutta siinä määrin, että se havaittiin täällä maapallollakin. Lähellä tapahtunut supernova olisi näkynyt LIGO:n mittauksissa varmasti.

Gravitaatioaaltojen periaate on oikeastaan hyvin yksinkertainen: liikkuva massa ja suuret energiat saavat aikaan värähtelyä avaruuden geometriassa samaan tapaan kuin veteen heitetty tiiliskivi saa aikaan aaltoja veden pinnalla. Jos otat käsiisi kaksi klönttiä taikinaa ja paiskaat ne yhteen, syntyy tapauksesta painovoima-aalto, tosin äärettömän pieni sellainen. Kun kävelet, jätät jälkeesi gravitaatioaaltoja. Ja kun maapallo kiertää Aurinkoa, syntyy siitäkin gravitaatioaaltoja.

Näitä pieniä aaltoja emme pysty havaitsemaan edes hurjimmissa kuvitelmissamme, mutta erittäin voimakkaat kosmiset kolarit ja muut suurienergiset tapahtumat synnyttävät sen verran voimakkaita gravitaatioaaltoja, että niiden havaitseminen on mahdollista – tosin hyvin vaikeaa.

Teoreettisen pohjan gravitaatioaalloille antoi itse Albert Einstein sata vuotta sitten.

Hanfordin LIGO-asema ilmasta kuvattuna. L-kirjaimen luotoinen LIGO ilmasta kuvattuna. Kuva: LIGO

Ällistyttävän tarkkaa mittaamista

LIGO (eli Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) havaitsee gravitaatioaaltoja pituutta mittaamalla. Laite on L-kirjaimen muotoon laitettu neljä kilometriä pitkä tunneli, jonka sisällä on tarkasti pituutta mittaava laserinterferometri.

Kun painovoima-aalto menee ohitse ja heiluttaa tunnelia, sen pituus muuttuu sen verran, että muutos saadaan juuri ja juuri selville. Kyse on todella pienestä muutoksesta, sillä LIGO:n tarkkuus on alle protonin halkaisijan kymmenestuhannesosa.

Jotta lähellä oleva kuorma-auto tai joku muu vastaava ei pääsisi sotkemaan havaintoja, on laitteita kaksi samanlaista. Yksi sijaitsee Hanfordissa, Washingtonin osavaltiossa, Yhdysvalloissa, ja toinen Louisianassa, Livingstonissa.

Ne otettiin käyttöön vuonna 2002, mutta kahdeksan ensimmäisen vuoden aikana ei havaittu mitään. Tutkijat eivät antaneet periksi, vaan keksivät kikkoja, joilla havaintotarkkuutta parannettiin. Ja sitten, lähes välittömästi syyskuussa 2015 tehtiin ensimmäinen havainto.

Pitkän ja uuvuttavan tarkistustyön jälkeen havainto julkistettiin helmikuussa 2016. Kaikkiaan painovoima-aaltoja on havaittu tähän mennessä yli 50.

LIGO mittaa pieniä etäisyyden muutoksia laserien avulla. Tältä näyttävät siis painovoima-aaltoastronomit. LIGO:n optiikkaa Kuva: LIGO Laboratory

LIGOn lisäksi gravitaatioaaltoja havaitaan Italiassa, Pisan luona olevalla VIRGO-laitteistolla. Kaikki kolme havaintopaikkaa toimivat luonnollisesti läheisessä yhteistyössä, jotta havainnot voidaan varmistaa ja paikantaa taivaalla mahdollisimman hyvin.

Tämä tuore Orionin suunnalta tullut havainto tehtiin näillä kolmella havaintolaitteella, joten se on varsin varma. Havaintoja ei ole vielä julkistettu virallisesti, joten mysteeri leijuu vielä ilmassa. Voihan olla, että kyseessä on virhe. Todellisten gravitaatioaaltojen seulominen havaintokohinasta on työlästä ja tarkkaa puuhaa.

Signaali ei kuitenkaan ollut merkki siitä, että Betelgeuze olisi räjähtänyt nyt: taivaalla ei ole nähty mitään uutta, supernovasta olisi havaittu myös neutriinoja ja todennäköisesti supernovan gravitaatioaalto olisi ollut hieman pitempi. Todennäköisyys sille, että gravitaatioaalto ja Betelgeuzen himmeneminen ovat kaksi sattumalta samalla seudulla olevaa jännittävää asiaa, on aika suuri.

Mutta kun Betelgeuze pamahtaa, siitä tulee upea show: jokainen maapallon ihminen huomaa sen taivaalta. Täysikuutakin kirkkaampi hohtava piste kun näkyy päivälläkin, ja kun se on horisontin päällä yöaikaan, on yökin valoisa.