Kosmos: Outojen signaalien lukeminen
Universumi ei ole hiljainen: se on täynnä ohimeneviä sähkömagneettisia pulsseja, vääristyneitä gravitaatioaaltoja ja valoa, jonka kosminen laajeneminen on venyttänyt kolmentoista miljardin vuoden ajan.
Kenttäinsinöörit tarkastamassa kryogeenisia vastaanotinastioita korkealla sijaitsevassa millimetriantennikentässä. Todellinen tähtitiede etenee radiotaajuuden herkkyydellä ja matalakohinaisilla esivahvistimilla.
Nopeat radiopurkaukset (FRB): yhteys magnetaareihin
Duncan Lorimer tunnisti ensimmäisen kerran arkistodatasta vuonna 2007 nopeat radiopurkaukset (Fast Radio Bursts). Ne ovat millisekuntien kestoisia koherentin radioaallon välähdyksiä, jotka tulevat kosmologisilta etäisyyksiltä. Dispersiomitta (DM), eli viive, jolla matalammat radiotaajuudet saapuvat myöhemmin kuin korkeammat taajuudet intergalaktisen väliaineen elektronien vuoksi, osoittaa, että nämä tapahtumat syntyvät kaukana Linnunradastamme.
Huhtikuussa 2020 teleskoopit havaitsivat voimakkaan radiopurkauksen, jonka energiaprofiili vastasi FRB-purkauksia. Purkaus tuli SGR 1935+2154:stä, aktiivisesta magnetaarista Linnunradan sisältä. Magnetaarien magneettikentät ylittävät $10^{14}$–$10^{15}$ gaussia, mikä on riittävästi venyttämään elektronien radat ohuiksi neulamaisiksi. Neutronitähden kiinteän kuoren äkillinen ”tähtijäristys” katkaisee magneettivuon viivat, mikä synnyttää relativistisia plasmashokkeja ja vapauttaa energisiä purkauksia.
Kosmiset ilmiöt aktiivisen havaintotarkastuksen alla
| Ilmiö | Havaintolaite | Fyysinen mekanismi | Teoreettinen ratkaisu |
|---|---|---|---|
| Toistuvat nopeat radiopurkaukset | CHIME-radiotaulukko (Kanada), FAST (Kiina) | Magnetaarin kuoren uudelleenkytkeytyminen tai kaksoispulsarien vuorovaikutukset | Nuorten, nopeasti pyörivien magnetaarimoottorien suuri tilastollinen todennäköisyys |
| Gravitaatioaaltojen ringdown-vaiheet | LIGO / Virgo / KAGRA -laserinterferometrit | Mustien aukkojen ja neutronitähtien kaksoisjärjestelmien kiertyminen ja yhdistyminen | Vahvistaa yleisen suhteellisuusteorian Kerr-metriikan vahvojen kenttien alueilla |
| Liian massiiviset varhaiset galaksit | JWST NIRCam / NIRSpec -infrapunaspektrometrit | Suuri tähtimassan kertyminen 400 miljoonan vuoden kuluessa alkuräjähdyksestä | Ratkaisematon; pakottaa tarkistamaan varhaisen pimeän aineen halojen kaasun jäähtymismallit |
Gravitaatioaaltoastronomia: aaltoilujen havaitseminen avaruusajassa
Vuoteen 2015 asti kaikki astronomiset tiedot perustuivat sähkömagneettiseen säteilyyn (fotoneihin). Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) havaitsi GW150914:n ja avasi fotonista riippumattoman tiedonvälityskanavan. Kun kaksi mustaa aukkoa kiertyy toisiinsa, ne säteilevät valonnopeudella puhdasta avaruusajan kaarevuuden aaltoilua.
LIGOn 4 kilometrin mittaisissa kohtisuorissa tyhjiöputkissa kulkevat lasersäteet mittaavat etäisyysmuutoksia, jotka ovat pienempiä kuin yksi kymmenentuhannesosa protonin halkaisijasta. Analysoimalla aallon taajuuden nousua (chirp) ja amplitudin vaimenemista (ringdown) astrofyysikot laskevat suoraan lopullisen mustan aukon massan ja pyörimisen sekä gravitaatiosäteilyksi muuntuneen kokonaisenergian.
Varhaisen kosmisen rakenteen arvoitus
James Webb -avaruusteleskoopin syvät infrapunahavainnot ovat paljastaneet galakseja punasiirtymillä $z > 10$. Niissä on kertaluokkia enemmän tähtimassaa kuin standardimalleissa $\Lambda\text{CDM}$ ennustetaan. Klassisen galaksien muodostumisteorian mukaan 350 miljoonan vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa ei olisi pitänyt olla aikaa tiivistää kaasua sellaisiksi tiheiksi tähtien purkausmoottoreiksi.
Astrofysiikot arvioivat, syntyivätkö supermassiivisten mustien aukkojen siemenet suoraan massiivisista kaasupilvistä ilman edeltävää tähtisukupolvea (suoraan romahtaneet mustat aukot), vai olivatko varhaiset populaatio III -tähdet huomattavasti massiivisempia ja tehokkaampia tähtien muodostajia kuin nykyiset tähdet.