AB Aurigae areng VLT teleskoobis

Autor: Üllar Kivila Euroopa Lõunaobservatooriumile kuuluv praeguse seisuga maailma võimekaim teleskoobikompleks VLT on nelja aasta jooksul (2019–2023) jäädvustanud umbes 500 valgusaasta kaugusel Veomehe tähtkujus asuva noore tähesüsteemi AB Aurigae arengut.

Videol on näha noore tähe ümber tiirlev protoplanetaarne ketas, milles leiduvad klombid ja ebaühtlane struktuur viitavad tõenäolisele planeeditekkele. Arvatavasti on seal parasjagu moodustumas üsna mitu suurt Jupiteri-taolist gaasiplaneeti ning võib-olla ka väiksemaid Maa-taolisi planeete. Parempoolne video on töödeldud kontrasti suurendamise eesmärgil, et ketta ainetiheduse ebaühtluseid paremini eristada.

Süsteemi keskel asuv täht on kaamera eest varjatud, sest vastasel juhul varjaks selle ere valgus tolmukettalt peegeldunud palju nõrgema valguse täielikult. Sellise varjutamise saavutamine SPHERE-nimelise instrumendiga vääriks isegi omaette artiklit, kuid lühidalt kasutatakse selleks mitme meetodi kombinatsiooni. Põhitöö teeb ära koroonagraaf – füüsiline varjuk, mis otsese tähevalguse varjab, kuid valguse laineomaduste tõttu levib osa valgust paratamatult sellest varjukist mööda. Ülejäänud valgusreostuse eemaldamiseks kasutatakse diferentsiaalset polarimeetriat – kui tähevalgusel puudub domineeriv polarisatsioon, siis kord tolmukettalt peegeldunud valgusel on see olemas. Selle erinevuse järgi valgust filtreerides ongi võimalik vaadelda väga heleda tähe vahetus läheduses asuvaid tunduvalt tuhmimaid objekte.

Supernoova plahvatus ei olegi alguses ümmargune

Eelmise aasta aprillis avastati meist 22 miljoni valgusaasta kaugusel asuvas galaktikas tähisega NGC 3621 supernoova SN 2024ggi. Supernoovad on massiivsete tähtede plahvatused, mis on niivõrd energeetilised ja heledad, et mõneks ajaks võivad need särada tugevamini kui terve galaktika. Tänu kiirele tegutsemisele õnnestus supernoovat vaadelda ühe maailma võimsama teleskoobi ja selle spetsiaalse instrumendiga, mis lubab isegi nii kaugelt kindlaks teha supernoova esialgse kuju. Nüüd on selle vaatluse põhjal avaldatud teadustöö.

Avaldatud teadustöö: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx2925

Meist 22 miljoni valgusaasta kaugusel asub spiraalgalaktika NGC 3621 ja ringiga selles süttinud supernoova. Foto allikas: VLT/ESO/Y. Yang

Kõnealune supernoova avastati esmakordselt 2024. aasta 10. aprilli ööl. Samal ajal lennukiga San Franciscosse saabunud Pekingi Tsinghua ülikooli professor Yi Yang teadis, et nüüd tuleb kiiresti tegutseda. 22 miljonit valgusaastat võib tunduda tohutu vahemaana (ja inimlikus perspektiivis see seda ongi), kuid kosmilises ja supernoovade mõttes tähendab see kiviviskekaugust. Yang pani loetud tundidega kokku vaatlusettepaneku ja saatis selle Euroopa Lõunaobservatooriumile kinnitamiseks. Peale väga kiirest menetlusprotsessi suunati Tšiilis asuv Väga Suur Teleskoop (VLT) supernoova suunas ning selle valgust mõõdeti FORS2 nimelise instrumendiga.

Selle instrumendi nimi pikemalt ja inglise keeles on "FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2" ning väga lihtsustatult püüab ja mõõdab see objektilt pärineva valguse polarisatsiooni. Nimelt kui valgust kiirgav objekt on ümmargune, peaks selle valguse kogupolarisatioon olema null. Kui instrument suudab aga tuvastada siiski mingit polariseeritud valguse hulka, saab eeldada, et objekt ei ole täiesti ümmargune. Pikemalt saab FORS2e kohta lugeda siit: https://www.eso.org/.../instruments/fors/overview.html

Igatahes tänu vaatlusele, mis toimusid kõigest 26 tundi peale supernoova esimest tuvastamist, suudeti supernoovat näha väga varajases etapis. Nüüdseks on hinnatud, et supernoova tekitas punane hiidtäht massiga umbes 13-15 Päikest ning erinevalt seniarvatule oli plahvatuse esiagne kuju mitte täiesti sfääriline vaid meenutas pigem oliivi. All näeb kogutud andmete põhjal kunstniku poolt kokku pandud animatsiooni supernoova esimestest hetkedest.

Kuigi supernoovade peamine mehhanism on nüüdseks võrdlemisi selge, leidub selle kohta siiski palju erinevaid täpsemaid mudeleid. Ühe või teise mudeli paikapiduvast või õigemini nende eksimust saab testida vaid otseste vaatlusega. Antud vaatluse põhjal on tänaseks juba mõnedest sellistest mudelitest loobutud, viies meie arusaama supernoovade kohta üha lähemale tegelikkusele.

NGC 3621 galaktika leiab Hüdra tähtkujust, mida näeme väga madalal lõunataevas pigem kevadisel ajal.

2009. aastast pärit Hubble kosmoseteleskoobi foto NGC 3621 galaktika ühest osast. Kuna see asub meile suhteliselt lähedal, ei mahu see kosmoseteleskoobi vaatevälja korraga ära.

Pahupidi galaktika NGC 1313

Mitte kõik galaktikad ei ole kaunid spiraalid või ühtlased elliptilised tähtede pallid. Tegelikult on arvuliselt lausa enamus galaktikatest ebakorrapärased tähtede kogumid. Enamasti on sellised aga suhteliselt pisikesed ning liiguvad suuremate galaktikate orbiitidel. Üheks erandiks on antud galaktika tähisega NGC 1313, mis asub meist umbes 15 miljoni valgusaasta kaugusel Võrgu tähtkuju taustal. Inglise keeles kannab see Topsy Turvy galaktika hüüdnime (umbkaudses tõlkes "pahupidi") ning läbimõõdult on see kusagil 50 tuhat valgusaastat ehk umbes pool Linnuteest. Avastati see juba 1826. aastal šoti astronoom James Dunlopi poolt.

NGC 1313 teeb ebatavaliseks, et erinevalt enamikest galaktikatest, mis kuuluvad väiksematesse või suurematesse gruppidesse, paikneb see uhkes üksinduses teistest eraldi. Kui tavaliselt seletatakse taoliste suurte ebakorrapäraste galaktikate struktuuri võimalusega, et neist on minevikus möödunud mõni teine galaktika, siis antud juhul seda teha ei saa. Ometigi ilmutab NGC 1313 oma ülikiire tähetekke ja kujuga märke sellisest sündmusest. Potentsiaalseks seletuseks on, et Pahupidi galaktika on pahupidi pööranud minevikus aset leidnud ühinemine mõne teise galaktikaga, kuid kindlaid märke sellisest sündmusest pole suudetud leida. Näiteks näib, et tähteke galaktikasisesest gaasist ja tolmust on käivitunud eelkõige selle välimistes hõredamates osades, mitte selle tihedas keskmes. Lisaks on leitud, et galaktika pöörlemiskese ei lähe kokku galaktika kõige tihedamaga keskmega.

NGC 1313 on veel koduks kahele huvitavale objektile või nähtusele, mida kutsutakse astronoomias lühendiga ULX ehk ultra-luminous X-ray sources ehk ultra-heledad röntgenallikad. Pakutakse, et need objektid võivad olla paarisaja Päikese massiga mustad augud, mis on tekkinud kaksiktähesüsteemides. Ainus probleem on, et hetkel ei ole head teoreetilist mudelit, et kuidas need seal ikkagi tekkida saaksid.

Foto galaktikast on tehtud Tšiilis Cerro Paranali mäe tipus asuva 8,2 meetrise VLT (Very Large Telescope) teleskoobiga.

Parim foto Skulptori galaktikast (NGC 253)

Maailma suurim optiline teleskoop Tšiilis on seni parimas lahutuses pildistanud meist umbes 11 miljoni valgusaasta kaugusel asuvat Skulptori hiidspiraalgalaktikat (kataloogitähisega NGC 253) samanimelises tähtkujus. Foto tegemiseks säritas neljast 8,2 meetrisest teleskoobist koosnev VLT (Very Large Telescope ehk Väga suur teleskoop) galaktikat kokku 50 tundi. Lõppkujutis on kokku õmmeldud rohkem kui sajast paneelist. Sellise õmblemise põhjuseks on antud teleskoobi suur suurendus, tänu millele näeb see korraga vaid ainult väga väikest osa meie jaoks võrdlemisi lähedasest ja seega taevas laiast galaktikast. Tahtes näha seda servast-serva tuleb pildid üksteise kõrvale laduda. Mosaiikfoto ulatub Skulptori kaugusel umbes 65 000 valgusaastat ehk kusagil pool Linnuteest.

Skulptori galaktika kuulub niinimetatud tähepurske galaktikate hulka. Sellistes galaktikates on tavaliselt kosmilises mõttes hiljutine möödumine mõnest suuremast naabrist häirinud selles muidu tasakaalus olnud gaasi ja tolmu. Selle tulemusena näeme fotol kõikjal punased piirkondi ehk hiiglaslikke udukogusid, millest gravitatsioon pressib kokku uusi tähti. Meie enda galaktikast teame selliste lähematena näiteks Orioni, Elevandilondi, Roseti ning Südame ja Hinge udukogusid.

Linnutee tähetekke määraks on arvutatud umbes 1,6-2,4 uut tähte aastas. Skulptoris on see tõenäoliselt sadu kordi kiirem. Aja jooksul täheteke vaibub, udukogud hääbuvad ja hajuvad, nendes sündinud kuumad ja massiivsed tähed surevad (supernoovadena), kuid arvukad väiksemad ja jahedamad neist säravad edasi miljardeid ja sadu miljardeid aastaid. Sama juhtus umbes 5 miljardit aastat tagasi meie keskmises mõõdus Päikesega, kelle kuumad õed ja vennad on tänaseks plahvatanud, kuid kelle samas ja pisemas kaaluklassis kaaslased on kusagile Linnutee kettase eksinult endiselt olemas.

Lisaks udukogudele on antud fotol tuvastatud üle 500 planetaarudu. Veidi eksitava nimega nähtuste taga on mõni valgusaastat laiad gaasimullid, mille on tekitanud umbes Päikese massiga tähed oma viimases värvilises surmatõmbluses. Nagu umbes 5 miljardi aasta pärast juhtub meie Päikesega, paisuvad osad tähed peale vesiniku lõppemist punasteks hiidudeks, mille välimine osa puhutakse mahakäinud, kuid endiselt ülikuuma tähetuuma - valge kääbuse - poolt eemale. Valge kääbuse kiirgus paneb taanduva gaasi helendama tuhandeteks aastateks.

Zoomitavana näeb sama fotot siit: https://www.eso.org/public/images/eso2510a/zoomable/

Kuidas teleskoobid atmosfäärist läbi vaatavad?

Sajandeid nende leiutamisest peale on (maapinnal asuvate) teleskoopide lahutusvõimet piiranud meie planeeti ümbritseva atmosfääri turbulentsus - see mis paneb näiteks tähed öötaevas vilkuma. Seda põhjustab meie peade kohal asuvate õhukihtide erinev temperatuur ja seeläbi nende tihedus, millest omakorda sõltub nende murdumisnäitaja. Võib ette kujutada, et meie peade kohal ujub terve rida erineva kujuga läätsi, mille kuju ja ulatuse pidev muutumine muudab neid läbiva valguse muidu sirgjoonelist teekonda. Midagi sarnast võib tunnistada lõkke või päikese poolt tuliseks köetud tee kohal tekkiva virvenduse näol. Selle tulemusel näib kauge objekt meie optilistes ehk nähtavas valguses töötavates teleskoopides pidevalt kuju muutvat ja suvaliselt ringi "tantsivat" ning pikkade säriaegadega pildistamisel saab muidu teravapiirilisest objektist ebamäärane suur plärakas. Astronoomilises kõnepruugis kutsutakse atmosfääri turbulentsusest olenevaid vaatlustingimusi võõrapäraselt "seeing" või siis eesti keeles "nägemine". Ehk siis kui atmosfäär on eriti turbulentne, on ka "nägemine" halb ja vastupidi.

Selle vapustava lähivõtte Kiilu (Carina) udukogu sisealadest tehti Tšiilis paikneva 8,1 meetrise Gemini South teleskoobiga. Alumine foto näitab kuidas sama foto näeks välja ilma adaptiivse optikata. Fotol nähtavast tähetekke piirkonnast rääkisime lähemalt siin: https://www.astromaania.ee/.../kiilu-udukogu-taheteke...

Just see kehv nägemine on peamine põhjus miks näiteks kõrgel atmosfääri kohal tiirlev Hubble suudab võrreldes maapealsete teleskoopidega teha kümneid kordi teravamaid fotosid. Mis sest, et Hubble 2,4 meetrise läbimõõduga peegel on suurimate 10 meetriste teleskoopidega võrreldes kümneid kordi väiksema pindalaga.

Selle asemel, et tunnistada kaotust ja saata orbiidile rida hirmkalleid kosmoseteleskoope, kasutavad astronoomid kavalaid meetodeid, kuidas mugaval maapinnal asudes jäädvustada fotosid, mis võiksid juba nüüdseks üle 20 aastase Hubblega võistelda või sellest teatud juhtudel isegi mööduda.

Neist esimene üldlevinum on niinimetatud "lucky imaging" ehk siis kohmakas tõlkes "õnnelikud jäädvustused", kus objekti vaadeldakse pika aja jooksul ning valitakse välja harvad hetked, mil nägemine on juhuslikult eriti hea. Neid kaadreid liites ja kujutisi üksteise suhtes nihutades on mõnel juhul isegi saavutatud lahutusvõimeid, mis liginevad teleskoopide teoreetilisele maksimumile. Taoline tehnika on professionaalide kõrval saadaval ka amatööridele ja leiab laialdast kasutust näiteks Kuu, Päikese ja planeetide pildistamisel.

Siiani suurima lahutusega maapealne infrapuna-foto Jupiterist, milleks kasutati Hawaiil asuvat Gemini 8,1 meetrist teleskoopi ja "lucky imaging" tehnikat, kus sadadest üliväikse säriajaga tehtud lähifotodest valiti välja kõige teravamad ning kleebiti hiljem suuremaks kokku. Soojuskiirguses tehtud fotod lubavad astronoomidel näha sügavamale hiidplaneeti täies ülatuses katva pilvkatte alla, kust kumab läbi planeedi sisemusest kiirguv soojus.

Suuremalt: https://apod.nasa.gov/.../2005/JupiterIR_Gemini_1400.jpg

Teine viimastel kümnenditel professionaalsel tasemel üha sagedamini kasutatav tehnika kannab adaptiivse (kohanduva) optika nime. Selleks suunatakse vaadeldava objekti lähistele laser või laserid, mille lainepikkused on timmitud ergastama atmosfääri ülemistes kihtides sisalduvat naatriumit, mis on sinna sattunud meteooridega. Tänu sellele tekib teleskoobi vaatevälja kunsttäht või -tähed, mille teoreetiline suurus, kuju ja asukoht on väga hästi teada. Võrreldes teooriat näiva tegelikkusega, on võimalik väga täpselt kindlaks teha atmosfääri hetkeseis ning teleskoobi painduvat peegli kuju sadu või isegi tuhandeid kordi sekundis muutes neid reaalajas tühistada.

Üks Tšiili mägedes asuva Väga Suure Teleskoobi (VLT) neljast 8,2 meetrisest teleskoobist, mis kasutab vaatlemisel nelja laserit/kunsttähte. Teleskoobi taustal paistavad Väike ja Suur Magalhaesi Pilv - Linnuteest paarisaja tuhande valgusaasta kaugusel tiirlevad kääbusgalaktikad. Foto: Juan Carlos Muñoz / ESO

Kunsttähtede asemel võib võimalusel kasutada ka paraja heledusega tavalisi tähti ja/või kombineeritakse seda õnneliku jäädvustuse meetodiga. Tänu adaptiivsele optikale on astronoomidel õnnestunud otseselt jäädvustada isegi teiste tähtede ümber tiirlevaid planeete - vägitükk, mida on võrreldud sääse pildistamisega tuhandete kilomeetrite kaugusel asuva lambipirni ümber ja mis oli alles paarkümmend aastat tagasi mõeldamatu.

Meist 63 valgusaasta kaugusel asuva väga noore Beeta Pictorise tähe ümber tiirlev hiidplaneet (valge laik keskel asuva tähe lähistel), mis asub tähest veidi kaugemal kui Saturn Päikesest. Pilt koosneb kahest fotost. Välimine, mis kujutab noort tähte ümbritsevat rusuketast on tehtud ESO 3,6 meetrise teleskoobiga. Sisemise osa pildistamiseks kasutati VLT 8,2 meetrist teleskoopi. Mõlemad teleskoobid kasutavad adaptiivset optikat.

Nagu oletada võib vajavad need ja nende sarnased meetodid väga täpset mehhaanikat ja ülisuurt arvutusvõimsust. See seletab ühtlasi miks maailma suurimatest maja-mõõtu teleskoopidest pärinevad andmed läbivad oma teel ümbritsevast universumist meie ekraanidele maja-mõõtu superarvuteid. Me elame vaatleva astronoomia mõttes huvitaval ajal ja üha huvitavamaks läheb. Näiteks selle aasta oktoobris plaanitakse viimaks üles saata James Webbi nime kandev kosmoseteleskoop, mis uhkeldab 6,5 meetrise peegliga ning Tšiilis on hetkel ehitamisel Extremely Large Telescope (ELT), mille peapeegli läbimõõduks peaks tulema uskumatud 39,4 meetrit. 2025. aastaks valmival gigandil peaks tänu adaptiivsele optikale olema Hubblest 16 korda parem lahutusvõime.

Siin on näha kolm erinevat versiooni planeet Neptuunist, mis asub Päikesest 30 korda kaugemal kui Maa. Esimene foto näitab, milline näeb kauge planeet välja maapealses teleskoobis ilma adaptiivse optikata. Teine foto pärineb Hubblelt ja kolmas Väga Suurelt Teleskoobilt (VLT), mis kasutab adaptiivset optikat. Nagu võib enda silmaga veenduda, ületab kolmas foto isegi Hubble võimekuse.