Planck- ja Herschel- satelliitteja käytetään Linnunradassa olevien kylmien pilviytimien paikallistamiseen ja niiden ominaisuuksien tutkimiseen. Mika Juvela koordinoi tähän liittyvää Planck-hanketta Cold Cores sekä Herschel satelliitin avoimen ajan avainohjelmaa Galactic Cold Cores.
Mitä kylmät ytimet ovat?
Tähtitieteelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että tähdet muodostuvat tähtienvälisistä kaasupilvistä tiivistymällä. Aluksi kaasupilviin syntyy paikallisia tihentymiä, joko kaasun normaalin pyörteisen virtauksen seurauksena taikka vaikkapa läheisten supernovaräjähdyksien aikaansaamina. Osa tihentymistä on riittävän massiivisia, jotta kaasun oma painovoima voi pitää ne koossa pysyvinä pilviytiminä. Tiheässä kaasussa kaasumolekyylien lähettämä säteily voimistuu. Kun säteily kuljettaa energiaa ulos ytimestä, kaasun lämpötila laskee ja pilviydin alkaa luhistua painovoiman vaikutuksesta. Jos pilviytimen massa on riittävä, luhistumisen loppuvaiheessa lämpötilan nousu käynnistää ydinreaktiot - ja uusi tähti on syntynyt.
Kylmät pilviytimet edustavat siten tähtien syntyprosessin varhaisinta vaihetta. Painovoima pitää ydintä koossa mutta ytimen luhistuminen on vasta aivan alkuvaiheessaan.
Miten pilviytimet paikallistetaan?
Tähtien syntyprosessin alkuvaiheiden ja erityisesti pilviytimien tutkiminen on osoittautunut vaikeaksi. Tavallisesti tähtienvälistä ainetta tutkitaan mittaamalla joko kaasumolekyylien säteilyn spektriviivoja tai kaasun seassa olevien pölyhiukkasten lämpösäteilyä. Ennen luhistumisen alkua pilviytimet ovat kuitenkin erittäin kylmiä. Lämpötila on niissä vain kymmenisen astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Näissä olosuhteissa useimmat molekyylit jäätyvät pölyhiukkasten pinnoille, eikä niiden spektriviivoja voida enää havaita radioteleskoopeilla. Pölyhiukkaset ovat puolestaan niin kylmiä, että niiden säteily tulee näkyviin vain hyvin pitkillä aallonpituuksilla. Tämän vuoksi pilviytimet näkyvät heikosti vaikkapa aiempien infrapunasatelliittien tekemissä kartoituksissa. Kylmien pilviytimien säteilyn maksimi osuu kaukoinfrapunaan, satojen mikrometrien aallonpituuksille. Valitettavasti maapallon ilmakehä vaikeuttaa tämän säteilyn mittaamista maan päältä käsin.
Planck- ja Herschel-satelliitit tulevat mullistamaan tähtien synnyn alkuvaiheiden tutkimuksen, sillä niiden avulla voidaan tehdä huomattavasti aiempaa tarkempia mittauksia Linnunradan kylmästä pölystä. Planck kartoittaa koko taivaan, joten sen mittausten avulla voidaan luoda ensimmäinen kattava luettelo Linnunradan kylmistä pilviytimistä. Luettelo kertoo, missä seuraavat tähtisukupolvet syntyvät. Planckin erotuskyky ei riitä pilviytimien rakenteen koviin tarkkaan tutkimiseen. Sen sijaan herkät, usealla aallonpituudella tehdyt havainnot mahdollistavat ytimien lämpötilan määrittämisen ja ytimissä olevan pölyn ominaisuuksien tutkimuksen.
Mitä tutkimukset kertovat?
Planck-satelliitin tuottama kylmien ytimien luettelo on ensimmäinen kattava kartoitus siitä, missä uudet tähtisukupolvet tulevat syntymään. Luettelo tulee kattamaan tuhansia kohteita, joten sen avulla voidaan tehdä johtopäätöksiä ei vain kohteiden jakaumasta Linnunradassa vaan myös niiden syntymekanismeista ja ytimien eri kehitysvaiheiden kestoista.
Tähtien syntymekanismien tarkempi selvittäminen kuitenkin edellyttää, että pilviytimien ominaisuuksia ja rakennetta tutkitaan vieläkin yksityiskohtaisemmin. Planckin avulla paikallistettujen pilviytimien jatkotutkimuksiin tullaan käyttämään Herschel-satelliittia. Herschelin etuna on sen suuri erotuskyky, jonka tekee mahdolliseksi pilviytimien sisäisten tiheys- ja lämpötilajakaumien määrittämisen. Yhdessä tietokonemallien kanssa mittaukset auttavat ymmärtämään, miten pilviytimet muodostuvat ja kehittyvät - ja miten tähdet syntyvät.
Seuraava kuva esittää simuloituja havaintoja tähtienvälisestä pilvestä. Vasemmalla on pilven todellinen tiheysrakenne, keskellä se, miltä pilvi näyttää Planck-satelliitin mittauksissa. Oikealla on kaksi Herschel-satelliitin instrumenttien antamaa yksityiskohtaisempaa kuvaa yhdestä pilven tihentymästä. Planckin avulla voidaan tehokkaasti paikallistaa pilviytimiä, mutta niiden rakenne tulee näkyviin vasta Herschelin suuremman erotuskyvyn kuvissa.
Herschelillä tehtävissä jatkotutkimuksissa on erityisen mielenkiintoista nähdä se, kuinka moni Planckin paikallistamista pilviytimistä on hajonnut useaksi erilliseksi tihentymäksi. Synnyttäkö pilvi yksittäisiä tähtiä vai kokonaisia tähtiryhmiä?
Alla oleva simulaatio osoittaa jälleen, että vaikka kylmä ydin ei välttämättä näy aiempien infrapunasatelliittien kuvissa (esimerkkinä IRAS-satelliitti), ne ovat Planckille kirkkaita lähteitä. Todellinen rakenne paljastuu kuitenkin vasta Herschel-satelliitin kartoista.
Ensimmäisiä tuloksia
Alla olevat kuvat esittävät Herschel-satelliittin havaintoja kahdesta tähtien syntyalueesta. Ensimmäinen kuva on yhdistetty 250µm, 350µm ja 500µm aallonpituuksilla otetuista kuvista niin että kylmä pöly näkyy punaisena ja kuumemmat alueet sinisinä. Kuvan keskellä on noin kymmenen Auringon massainen pöly ja kaasupilvi josta erottuu useampi kuumempi pistemäinen säteilylähde. Nämä ovat pilvessä syntyneitä nuoria tähtiä jotka ovat edelleen pilven sisällä lämmittäen pölyä lähiympäristössään. Alue on nuoren, massiivisia tähtiä sisältävät tähtijoukon (kuvan yläosassa ja sen ulkopuolella) ja suuremman tähtienvälisen molekyylipilven (kuva alaosassa ja suurimmaksi osaksi sen ulkopuolella) välissä.
Alla on 250µm aallonpituudella otettu kuva aktiivisemmasta tähtien syntyalueesta. Kuvan alaosassa oleva kirkas alue on tunnettu suurimassaisten tähtien syntyalue S140. Planck satelliitti paikallisti tämän pohjoispuolelta useita kylmiä alueita, joiden arveltiin olevan varhaisemmassa kehitysvaiheessa olevia, kylmiä pilviytimiä. Kuvassa näkyy tähtienvälisen aineen monimutkainen rakenne. Alueessa on useassa paikassa syntymässä uusia tähtiä, mutta näiden alueiden välissä on myös kylmiä pilviytimiä jotka ilmeisesti ovat vasta tähtien syntyyn johtavan kaasupilven romahduksen alkuvaiheessa.
