Tammikuun 14. päivä 2019 havaittiin avaruudessa gammapurkaus, joka oli voimakkain tutkijoiden koskaan rekisteröimä räjähdys. Se oli todennäköisesti supernovaräjähdys eli suuren tähden kuolema. Jos purkaus olisi tapahtunut Linnunradassa, emme olisi enää lukemassa tätä artikkelia.

Tähtitieteilijät havaitsevat toisinaan kummallisia, erittäin voimakkaita gammasäteiden aallonpituusalueella olevia säteilypurkauksia. Ne kestävät yleensä vain sekunteja, mutta toisinaan myös tuntien verran. Hankaluutena näiden gammapurkausten alkuperän selvittämisessä onkin se, että niitä on vaikea havaita hyvin lyhyellä varoitusajalla, ja lisäksi ilmakehä ei – onneksi – päästä lävitseen gamma-aaltoja.

Kummalliset gammapurkaukset tunnetaan nimellä GRB, eli Gamma Ray Burst, siis suoraan suomennettuna gammasädepurkaus. Ne ovat maailmankaikkeuden äreimpiä räjähdyksiä, jos mukaan ei lasketa räjähdyksistä suurinta, alkuräjähdystä.

Ensimmäiset gammapurkaukset havaittiin vuoden 1967 lopulla, kun avaruuteen lähetettiin ensimmäisiä satelliitteja havaitsemaan maanpäällisiä ydinräjäytyksiä. Vela-nimisten ydinasevalvontasatelliittien salaiset havainnot julkistettiin vuonna 1973, kun oli saatu varmuudella selville, että näiden gammaröyhtäisyiden alkuperä oli hieman kotiplaneettaamme kauempana.

Tosin vasta 1990-luvulla ymmärrettiin, että purkaukset tulevat Linnunratamme ulkopuolelta. Sen jälkeen niiden alkuperästäkin saatiin vähitellen vihiä, kun purkauksia päästiin havaitsemaan gammasädeilmaisimien lisäksi muilla havaintolaitteilla.

GRB 190114C Hubble-avaruusteleskoopin kuvaamana. Avaruutta ja piiirroksia Kuva: Nasa, ESA, and V. Acciari et al. 2019

Viime viikolla ilmestyneessä Nature-lehdessä julkaistiin tutkimus gammapurkauksesta , joka havaittiin 14. tammikuuta 2019. Se oli voimakkain koskaan havaittu tällainen purkaus, ja siten se on voimakkain tiedossamme oleva räjähdys sitten maailmankaikkeuden alun.

Tapaus sai nimen GRB 190114C, ja se tuli eteläiseltä tähtitaivaalta Sulatusuunin tähdistöstä. Todennäköisesti kyseessä oli supernovaräjähdys, suuren tähden kuolema, jolloin tähden ydin romahtaa mustaksi aukoksi. Romahduksessa syntyy suuria, lähes valon nopeudella kiitäviä kaasusuihkuja, jotka törmäävät tähden yläkerroksiin ja synnyttävät valtavasti voimakasta sähkömagneettista säteilyä – kuten juuri gammasäteilyä.

Hahmotelma gammapulssin synnystä: mustan aukon syntymä saa aikaan lähes valon nopeudella kiitävän kaasusuihkun, joka iskeytyy supernovana kuolevan tähden ulko-osien kaasuun ja saa aikaan siellä suurenergistä säteilyä. Sitä seuraa muillakin aallonpituuksilla näkyvä jälkikajo. grafiikkaa avaruuden gammasäteilystä Kuva: Nasa Goddard Space Flight Center

Teoria sanoo näin, sillä tietoa on saatu vain ripoittain. Tiedonmurusten perusteella tutkijat ovat hahmotelleet erilaisia mahdollisuuksia tällaisen voimakkaan gammapulssin syntymiseen. Se kuitenkin tiedetään, että muutaman sekunnin aikana tapauksessa vapautui enemmän energiaa kuin oma Aurinkomme synnyttää koko noin kymmenen miljardia vuotta kestävän elämänsä aikana.

Vaikka itse romahdus tapahtui sekunneissa, jatkui kaasusuihkun ja tähden ylempänä olleiden rippeiden välinen kahnaus kuukausien ajan. Tätä mustan aukon syntymän jälkikajoa pystyttiin tällä kertaa havaitsemaan erittäin hyvin monilla erilaisilla teleskoopeilla.

Kun ensitieto gammapurkauksesta saatiin avaruudessa olevilta satelliiteilta, hälytettiin Nasan suurenergistä säteilyä havaitsevat avaruusteleskoopit Swift ja Fermi tekemään havaintoja. Niitä seurasi Kanarialla La Palman saarella oleva MAGIC-teleskooppikaksikko, ja lopulta myös muun muassa avaruusteleskooppi Hubble.



Hahmotelma gammapurkauksesta sekä sitä havaitsevista Fermi- ja Swift-avaruusteleskoopeista ja MAGIC-teleskoopista. Fermi on vasemmalla ja Swift oikealla. hahmotelma gammapurkauksesta Kuva: Nasa/Fermi/Aurore Simonnet, Sonoma State University

Supernopeasti ilmasuihkuja kuvaamaan

Hubblen havaintojen mukaan purkaus tapahtui viiden miljardin valovuoden päässä olevan galaksin keskustassa, missä on nähtävästi varsin paljon tähtiä lähellä toisiaan. Tällä varsin tiukalla tähtitiheydellä saattaa olla jotain tekoa purkauksen epätavallisen suuren voimakkuuden kanssa.

Tähtitieteilijät ovat kehittäneet pikatiedotusjärjestelmiä, joiden avulla tieto avaruudessa olevien gammateleskooppien havaitsemista gammapurkauksista saataisiin mahdollisimman nopeasti esimerkiksi Kanarialla olevalle MAGIC-teleskoopille. Sen avulla pystyttäisiin saamaan kiinnostavia lisätietoja näistä erittäin nopeasti syntyvistä ja hiipuvista ilmiöistä.

Nyt tosin tutkijoilla oli myös onni myötä, sillä MAGIC sai GRB 190114C -purkauksen kuvaansa vain 57 sekuntia ensimmäisen havainnon jälkeen. Seuraavan 20 minuutin aikana tutkijat saivat jo valtavasti uutta tietoa siitä.

MAGICin tapauksessa tieto on fotoneita, jotka gammasäteet synnyttävät ilmakehään iskeytyessään. Gammasäteitä ei pysty havaitsemaan Maan pinnalla, eikä edes 2 200 metrin korkeudessa MAGICin sijaintipaikalla, koska ilmakehä suodattaa niitä. Suodattaminen tarkoittaa sitä, että gammasäteet osuvat ilman molekyyleihin ja muuttuvat toisenlaiseksi, vähemmän energeettiseksi säteilyksi.

Ilmakehään osuva gamma-aalto synnyttää itse asiassa ketjureaktion, jossa suuri määrä hiukkasia kiitää eteenpäin ilmassa samaan suuntaan, johon gammasäde oli menossa. Tätä kutsutaan ilmasuihkuksi. Se synnyttää taivaalla noin 20–10 kilometrin korkeudessa hyvin heikosti sinisen ja ultravioletin alueella näkyvän tuikahduksen.



MAGIC-teleskooppikaksikko La Palman saarella 2,2 kilometrin korkeudessa. MAGIC-teleskooppikaksikko La Palman saarella 2,2 kilometrin korkeudessa. Kuva: Jari Mäkinen

MAGIC-teleskooppiin kuuluu kaksi suurta peilimäistä havaintolaitetta. Niissä olevat valovahvistimet voivat havaita näitä tuikahduksia. Koska teleskooppeja on kaksi, ne näkevät stereona, ja siksi ilmasuihkun tulosuuntakin saadaan selville. Valon taajuutta arvioimalla voidaan määritellä alkuperäisen gammasäteilyn energia.

GRB 190114C:n tapauksessa se osoittautui huimaksi: säteet olivat 200 -1 000 miljardia elektronivolttia. Nämä olivat voimakkaimpia koskaan gammapurkauksissa havaittuja gammasäteitä.

Toivottavasti ei tapahdu lähempänä

Nykyisin gammapurkauksia havaitaan noin kerran päivässä, mutta suurin osa on hyvin heikkoja. Ne kestävät tyypillisesti noin kymmenestä sekunnin tuhannesosasta useampaan tuntiin, ja toisinaan niiden jälkikajoa voidaan havaita myös muilla aallonpituuksilla.

Mustien aukkojen syntymien lisäksi myös hieman miedommat supernovat synnyttävät todennäköisesti gammapurkauksia; näiden tapausten tuloksena ei ole musta aukko, vaan neutronitähti. Osa purkauksista saattaa olla peräisin neutronitähtien mäsähtämisestä yhteen. Joka tapauksessa tapaukset ovat erittäin suurienergisiä.

Kaikki tähän mennessä havaitut gammapurkaukset ovat olleet peräisin oman galaksimme ulkopuolelta. Läheisin oli GRB 980425 (purkauksille annetaan aina tällainen GRB-alkuinen numeronimi) vuonna 2014, ja se tapahtui 130 miljoonan valovuoden päässä olevassa kääpiögalaksissa.

Jos viime tammikuussa havaittu gammapurkaus olisi tapahtunut Linnunradassa, emme luultavasti olisi tässä tätä juttua lukemassa. Näin voimakas gammasädepommitus olisi todennäköisesti tappanut kaiken elollisen maapallolta; se olisi ollut nopea, raju kuolema kaikille sillä puolella maapalloa, joka oli säteilyn tulosuunnassa, ja hieman hitaampi loppu varjopuolella olleille.



Vuonna 2004 avaruuteen laukaistu Swift-teleskooppi (koko nimeltään Neil Gehrels Swift Observatory) on suunniteltu nimenomaan havaitsemaan gammapurkauksia ja muita nopeita suurenergisiä säteilypurskauksia avaruudesta. Tässä kuvassa sen havaitsemat tapaukset on laitettu kartalle Grafiikka säteilypurskauksista Kuva: Nasa/Swift

Jotkut arvioivat, että meidän kannaltamme vaarallisia gammapurkauksia tapahtuu noin kerran viidessä miljardissa vuodessa. Tämä tarkoittaa siis noin kahta Auringon eliniässä.

Noin 450 miljoonaa vuotta sitten tapahtunut elämän joukkotuho maapallolla on saattanut johtua gammapurkauksesta. Se on yksi viidestä suuresta joukkotuhosta maapallon historiassa, ja sen aikana oletetaan jopa 75 prosentin elämästä kuolleen. Tästä Ordoviki-Siluuri-kaudella tapahtuneesta joukkotuhosta tiedetään muun muassa se, että silloin pintavesissä eläneet trilobiitit kokivat varsin nopean kuoleman, kun taas syvemmällä olleet selvisivät pitempään. Tällaista ei ole tapahtunut muissa joukkotuhoissa.

Myös myöhemmin on maapallolta havaittu tapauksia, joissa avaruudesta tulleen säteilyn määrä on kasvanut olennaisesti. Syynä tosin voivat olla myös auringonpurkaukset.

Suomi mukana

Myös Suomi on mukana MAGIC-teleskooppia ylläpitävässä konsortiossa.Turun yliopiston tähtitieteilijä Elina Lindfors kertoo, että havaintoja MAGICilla tehdään kolmen ja puolen viikon havaintovuoroina, siten että paikalla Kanarialla on aina neljä tähtitieteilijää.

"Tammikuussa, kun nämä havainnot gammapurkauksesta tehtiin, ei paikallaollut suomalaisia", kertoo Lindfors. "Tapahtumat etenevät tällaisissa tapauksissa myös nykyisin täysin automaattisesti. Siitä on poistettu kaikki vaiheet, missä ihminen pääsisi edes painamaan ok, sillä tämä vain hidastaisi toimia ja kallisarvoisia sekunteja menetettäisiin."

Lindfors nauraakin, että näitä havaintoja ei tee kukaan, vaan laitteisto tekee ne itse.

"Tämä löytö on todella kiinnostava, sillä emme vain tehneet uusia ennätyksiä, vaan pääsimme havaitsemaan myös kokonaan uuden säteilykomponentin gammapurkauksen jälkihehkusta."

Muokkaus 26.11.2019: Korjattu tekstiä, gammapurkaus ei tapahtunut 14.1.2019 vaan havaittiin tuolloin.

Muokkaus 27.11.2019: Lisätty kappale Suomen osuudesta MAGIC-teleskooppia ylläpitävässä konsortiossa