uniVersI/O



Lectio

Noin kuukausi sitten puolustin väitöskirjaani (luettavana täällä) Aalto Yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulussa ja kuten tapoihin kuuluu pidin tilaisuuden alussa suomenkielisen, yleistajuisen pohjustuksen (ns. lectio præcursoria) väitöskirjani aihepiiristä. Liitän alle kokonaisuudessaan esitelmän kalvot sekä muistiinpanot (tavoistani poiketen päädyin kirjoittamaan muistiin koko esitelmän, koska se sattui olemaan ensimmäinen suomenkielellä pitämäni tieteellinen esitelmä yliopistourani aikana).

Koljonen_lectio.001

Arvoisa valvoja, arvoisa vastaväittäjä, arvoisat kuulijat.

Koljonen_lectio.002

Katsellessamme yötaivaalle voimme ihailla avaruuden tähtien, planeettojen ja Linnunradan kauneutta. Samalla voimme erehtyä luulemaan että mikään ei muutu tässä seesteisessä, rauhallisessa ja muuttumattomassa ilmakehän ylisessä avaruudessa aivan kuten ihmiskunta on sen ajatellut olevan ennen modernia tähtitiedettä. Mutta todellisuus osoittautuikin täysin vastakkaiseksi.

Koljonen_lectio.003

Avaruus on täynnä suunnattoman tiheitä ja raskaita kohteita, jotka voivat päästää valloilleen valtavan määrän energiaa hyvin lyhyessä ajassa. Nämä kohteet ovat yksi kiehtovimmista tutkimusaiheista modernissa tähtitieteessä ja niihin törmää usein myös populaarikulttuurissa. Kyse on tietenkin mustista aukoista. Mustat aukot ovat päätepiste raskaiden tähtien elämässä. Polttoaineen loputtua tähden keskustasta, tähti ei enää kykene pitämään itseään kasassa vaan luhistuu kokoon painovoimansa alla yhä pienemmäksi, kunnes jäljelle jää vain musta aukko. Mikäli musta aukko syntyy kaksoistähtijärjestelmässä, se voi alkaa haalia ainetta sen kumppanitähdeltä, kuten kuvaan on piirretty. Koska musta aukko on kirjaimellisesti musta, josta valokaan ei pääse karkuun, emme voi nähdä mustaa aukkoa suoraan. Mutta kaksoistähtijärjestelmän tapauksessa voimme nähdä aineen joka on putoamaisillaan mustaan aukkoon. Niinpä nämä järjestelmät toimivat uniikkeina laboratorioina — laboratorioina, jotka olisi mahdotonta rakentaa Maan päälle — joissa voimme tutkia aineen käyttäytymistä mustan aukon läheisyydessä, eli erittäin voimakkaassa painovoimakentässä.

Koljonen_lectio.004

Aine mustan aukon läheisyydessä kuumenee kitkavoimien ansiosta miljooniin asteisiin, jolloin se säteilee röntgensäteilyä. Tästä syystä näitä kohteita kutsutaan yleisimmin röntgenkaksoistähdiksi. Röntgensäteily on elektromagneettista säteilyä, aivan kuten näkyvä valo, mutta vain pienempi aallonpituuksista ja suurempi taajuuksista. Röntgensäteet eivät kuitenkaan läpäise ilmakehää (mikä on elämän kannalta hyvä juttu), joten havaitakseen röntgenkaksoistähtiä tutkijoiden täytyi lähettää röntgenilmaisimia ilmakehän yläpuolelle.

Koljonen_lectio.005

1960-luvulla Geiger-ilmaisimet luotainrakettien mukana mittasivat avaruudesta säteilyä ensimmäisistä röntgenkaksoistähdistä. Näille epätavallisille röntgenkohteille Linnunradassa annettiin nimet niiden tähdistöjen mukaan, joista ne löydettiin, ja numero löytämisjärjestyksen mukaan: esim. Scorpius (skorpioni) X-1, Cygnus (joutsen) X-1, Cygnus X-2 ja Cygnus X-3. 1970-luvulta alkaen kymmeniä röntgensatelliitteja on laukaistu avaruuteen ja havaittujen röntgenkaksoistähtien määrä on noussut jo kolmeen sataan.

flicker

Avaruus on kirjaimellisesti valtava, melkein tyhjä paikka, jossa on harvakseltaan siellä täällä aineen keskittymiä joita kutsumme galakseiksi. Jopa suhteellisen tiheässä ja aktiivisessa keskuksessa, kuten omassa galaksissamme Linnunradassa, tähtienväliset etäisyydet mitataan valovuosissa. Tästä syystä suurin osa aurinkokunnan ulkopuolisista yksittäisistä kohteista näyttää pistemäisiltä, kirkkaudeltaan vaihtelevilta kohteilta, jopa tarkastellessa niitä tähtitieteellisten observatorioiden suuremmalla resoluutiolla.

lightcurves

Mutta tähtitieteilijälle pelkkä pistemäinen kohde sisältää paljon tietoa kun sitä tarkastellaan koko elektromagneettisen spektrin läpi. Sopivilla instrumenteilla tarkasteltuna Maan päältä ja avaruudesta tämä valopiste paljastuu eri energia-alueille ulottuvaksi spektriksi joka muuttuu ajan mukana.

spectra

Röntgenkaksoistähtien tapauksessa tätä spektriä voidaan kuvitella palapeliksi, jossa yksittäiset palat ovat säteilyprosessien malleja, jotka kuvaavat aineen käyttäytymistä voimakkaassa painovoimakentässä. Jotta palapeli saadaan ratkaistuksi täytyy palojen sopia koko spektriin ja toisiinsa johdonmukaisesti. Näin ollen pelkkä piste muuttuu mielessämme todelliseksi fysikaaliseksi kohteeksi avaruudessa, jonka perusteella voimme tarkastella ja testata maailmankaikkeuden perusperiaatteita tavalla joka ei olisi mahdollista Maan päällä.

Koljonen_lectio.009

Cygnus X-3, eli kolmas röntgenkohde Joutsenen tähdistöstä, havaittiin ensimmäistä kertaa vuonna 1966 luotainraketilla. Se on yksi kirkkaimmista röntgen- ja radiokohteista Linnunradassa. Cygnus X-3 luokitellaan mikrokvasaariksi, joka on röntgenkaksoistähti, jossa mustaan aukkoon putoava aine voi satunnaisesti kanavoitua mustan aukon läheisyydestä lähes valonnopeudella liikkuviin hiukkassuihkuihin, jotka säteilevät radiosäteilyä. Cygnus X-3 sijaitsee noin 9 kiloparsekin tai 30000 valovuoden päässä Maasta galaksin tasossa.

Koljonen_lectio.010

Cygnus X-3:n ajatellaan koostuvan mustasta aukosta ja raskaasta, voimakkaan tähtituulen omaavasta Wolf-Rayet tähdestä, eikä toista vastaavaa röntgenkaksoistähteä tunneta galaksissamme. Cygnus X-3 on myös ensimmäinen ja toistaiseksi ainoa mikrokvasaari, josta on selkeästi havaittu gammasäteilyä.

Koljonen_lectio.011

Cygnus X-3 on hyvin vaihteleva kohde sekä radio- että röntgentaajuuksilla. Cygnus X-3:sta havaitaankin useampia röntgen- ja radiotiloja. Kuvaajassa esitetään havainnot Cygnus X-3:n radiovuontiheydestä noin vuoden ajalta, josta eri radiotilat voidaan tunnistaa. Suurimman osan ajasta se viettää ns. quiescent tai hiljaisessa radiotilassa (punainen), jossa radiosäteily on tasaisen voimakasta, radiovuontiheydeltään n. 100 mJy. Ajoittain Cygnus X-3:ssa esiintyy pieniä radiopurkauksia (flaring-tila, vihreä), tai purkaukset esiintyvät suurten radiopurkausten välissä tai niiden jälkeen. Flaring-tilassa radiosäteilyn määrä kasvaa radiovuontiheydelle 300-1000 mJy. Noin kerran vuodessa Cygnus X-3:sta havaitaan suuria radiopurkauksia (major flaring tila, violetti) jolloin radiovuontiheys voi yltää jopa 20 Jy (tällöin Cygnus X-3 on kirkkain radiokohde Linnunradassa). Major flaring tilaa edeltää aina radiohiljainen tila (quenched-tila, sininen), jolloin radiovuontiheys on alle 20 mJy.

Koljonen_lectio.012

Samaan tapaan Cygnus X-3:sta havaitut röntgenspektrit, jotka on piirretty oikeanpuoleiseen kuvaajaan, voidaan jaotella eri röntgenspektritiloihin riippuen siitä mikä niiden voimakkuus on kovan röntgensäteilyn alueella (punainen alue) verrattuna siihen mikä se on pehmeän röntgensäteilyn alueella (sininen alue). Vasemmanpuoleinen kuvaaja esittää yllä olevassa paneelissa näiltä alueilta mitatun röntgensäteilyn määrän. Alla olevassa paneelissa on vastaavasti samanaikaisesti mitattu radiovuontiheys. Hiljaisessa tai quiescent radiotilassa Cygnus X-3:n röntgenspektri on ”kova” eli kirkkaampi suurenergisemmällä röntgenalueella. Ajoittain röntgenspektri muuttuu ”pehmeäksi”, jolloin suurenergisen röntgensäteilyn määrä ja radiovuontiheys tippuu huomattavasti ja matalampienergisen röntgensäteilyn määrä kasvaa. Kovan ja pehmeän röntgentilan välissä röntgenspektri on näiden kahden ”päätilan” sekoitus.

Koljonen_lectio.013

Aikaisemman viiden röntgentilan lisäksi väitöskirjassa lisätään jaotteluun yksi, ns. ”hyperpehmeä” röntgentila, joka pystytään erottamaan spektrien joukosta ottamalla huomioon samanaikaisesti Cygnus X-3:sta havaitut radiotilat. Kuvaajassa on esitetty 10 vuoden ajalta mitattu röntgenkirkkaus röntgenkovuuden funktiona, eli vasemmalla olevat datapisteet ovat röntgenspektriltään pehmeämpiä ja vastaavasti oikealla olevat ovat kovempia. Keskimääräinen röntgenspektri on kuvaajassa näytetty ylhäällä. Datapisteet on myös väritetty sen mukaan kuinka kirkas Cygnus X-3 on samanaikaisesti radioalueella: vähäinen radiosäteily tummanruskealla ja voimakas radiosäteily keltaisella. Hyperpehmeä röntgentila erottuu selkeästi radiohavaintojen joukosta. Hyperpehmeässä röntgentilassa radiosäteily ja kova röntgensäteily on erittäin vähäistä ellei olematonta.

Koljonen_lectio.014

Vaihdokset pehmeän ja kovan röntgentilan välillä kuvaavat muutosta aineen geometriassa mustan aukon lähellä. Pehmeässä röntgentilassa havaitsemme säteilyä mustan aukon ympärille muodostuvasta kertymäkiekosta, kun taas kovassa röntgentilassa kertymäkiekon röntgensäteily saa lisäenergiaa energeettisiltä elektroneilta, joita esiintyy mustan aukon lähettyvillä. Yleisesti mikrokvasaareilla voimakkaat radiopurkaukset ja hiukkassuihkut esiintyvät siirryttäessä kovasta röntgentilassa pehmeään röntgentilaan. Cygnus X-3 käyttäytyy kuitenkin päinvastaisesti: sen siirtyessä pehmeään tai hyperpehmeään röntgentilaan voimakkaita radiopurkauksia ei esiinny, vaan ainoastaan kun Cygnus X-3 vaihtaa takaisin pehmeästä kovaan röntgentilaan. Toistaiseksi syytä tähän päinvastaiseen käytökseen ei tiedetä.

Cygnus X-3:sta havaittu gammasädesäteily esiintyy lähes ainoastaan kohteen laskeutuessa ja/tai noustessa hyperpehmeästä tilasta. Gammasäteily todennäköisesti syntyy relativististen hiukkassuihkujen vaikutuksesta ja näin ollen gammasäteily viestittää hiukkassuihkujen olemassaolosta myös Cygnus X-3:ssa sen siirtyessä hyperpehmeään röntgentilaan. Se miksi radiosäteilyä ei tällöin havaita on vielä epäselvää.

Koljonen_lectio.015

Cygnus X-3:n voimakkaisiin radiopurkauksiin liittyy myös muita mielenkiintoisia havaintoja. Joissain tapauksissa radiopurkausten jälkeen esiintyy nopeaa, näennäisjaksollista, eli lähes jaksollista, röntgensäteiden kirkkausvaihtelua. Ensimmäisen kerran nopea kirkkauden vaihtelu havaittiin EXOSAT röntgensatelliitin mittaamassa datassa, mutta sen jälkeen lisää havaintoja jaksollisuudesta ei olla löydetty. Väitöskirjassa haravoitiin 14 vuoden ajalta RXTE röntgensatelliitin mittaamaa dataa, ja etsintä tuotti kaksi havaintoa jolloin näennäisjaksollisia värähtelyjä oli näkyvissä (kalvolla näkyy näistä toinen tapaus). Molemmat havainnot oli tehty heti tai melkein heti voimakaan radiopurkauksen jälkeen. Vaikka näennäisjaksollisten värähtelyjen synty on vielä epäselvää, on todennäköistä että ne liittyvät suoraan tai epäsuorasti radiopurkauksiin ja hiukkassuihkuihin.

Koljonen_lectio.016

Väitöskirjassa tutkittiin myös voimakkaiden radiopurkausten aikana esiintyviä röntgenspektrejä. Röntgenspektrit ja niiden muuttuminen röntgentilasta toiseen purkauksen aikana pystyttiin parhaiten mallintamaan kolmella komponentilla: jarrutussäteilyllä (vihreä), Compton-sironnalla (sininen) ja viivaemissiolla (oranssi). Jarrutussäteily oletettavasti syntyy mustan aukon ja kumppanitähden voimakkaan tähtituulen vaikutuksesta keskenään. Compton-sironta vastaavasti kertymäkiekon fotonien saadessa energiaa törmäämällä hiukkassuihkujen energeettisiin elektroneihin ja viivaemissio edellä mainittujen säteilykomponenttien ionisoidessa ainetta kaksoistähden ympärillä. Jarrutussäteilykomponentti voimistuu röntgenspektrin pehmetessä (vasemmassa kuvaajassa paneelista a paneeliin b), mikä voi viitata tähtituulen voimistumiseen. Jarrutussäteily ajoittuu myös voimakkaammin kahteen vastakkaiseen vaiheeseen mustan aukon kiertoradalla, mikä voi viitata tähtituulen kiekkomaiseen olemukseen.

Koljonen_lectio.017

Kokonaisuudessaan tärkein havainto väitöskirjassa on hiukkassuihkujen merkittävä vaikutus Cygnus X-3:sta havaittuun säteilyyn. Kova röntgensäteily näyttäisi olevan vahvasti kytköksissä radiosäteilyyn radiopurkausten aikana. Sopiva malli purkausten aikana kovalle röntgensäteilylle on Compton-sironta, jossa kertymäkiekon hiukkaset siroavat ja saavat energiaa hiukkassuihkujen relativistisilta elektroneilta. Cygnus X-3 on ensimmäinen mikrokvasaari, josta on selkeästi havaittu gammasäteilyä. Gammasäteily rajoittuu enimmäkseen hyperpehmeän röntgentilan reunamille, mahdollisesti merkiten hiukkassuihkujen alkamista.

Koljonen_lectio.018

Näennäisjaksollisia, nopeita röntgensäteilyn kirkkauden muutoksia havaitaan satunnaisesti Cygnus X-3:sta voimakkaiden radiopurkausten jälkeen. Näin ollen hiukkassuihkujen suora tai epäsuora vaikutus näennäisjaksollisien värähtelyjen syntyyn on todennäköistä. Hiukkassuihkujen aikaan havaitut röntgenspektrit voidaan sovittaa kolmen säteilykomponentin mallilla, jotka osoittavat hiukkassuihkujen lisäksi myös kumppanitähden voimakkaan tähtituulen merkityksen, erityisesti pehmeän röntgensäteilyn mallintamisessa.

I call upon you distinguished Doctor, as the opponent appointed by Aalto University School of Electrical Engineering, to present such comments on my dissertation as you deem appropriate.

Ja hyvinhän se meni…

 

Advertisements

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: