uniVersI/O



Tiedeviikko 46/10

Nuorin musta aukko

Credits: Röntgen: NASA/CXC/SAO/D.Patnaude et al, Optinen: ESO/VLT, Infrapuna: NASA/JPL/Caltec

 

Palatkaamme vuoteen 1979, tarkemmin ottaen huhtikuuhun, jolloin M100 galaksissa räjähtäneen supernovan valo saapui Maahan 50 miljoonan vuoden matkaltaan. Supernovan havaitsi ensimmäisenä tähtiharrastaja Gus Johnson ja siitä lähtien tähtitieteilijät ovat seuranneet SN 1979C:tä tarkasti. SN 1979C kuluu nk. lineaarisiin tyypin II supernoviin, toisin sanoen supernoviin, joissa tähden ydin luhistuu kasaan muodostaen mustan aukon, jos ytimen massa on riittävän suuri. SN 1979C:n tapauksessa tähti painoi räjähtäessään noin 20 Auringon massaa ja sen ydin noin kolme Auringon massaa. SN 1979C:n ytimen massa olikin nykyteorioiden mukaan kiikun kaakun mustaan aukkoon vaadittava massa, joten tähtitieteilijät eivät olleet varmoja jäikö supernovasta jäljelle neutronitähti vai musta aukko. Perustuen kahdentoista vuoden röntgensatelliittihavaintoihin tutkijat ovat tulleet päätökseen, että kyseessä on todennäköisesti nuorin tuntemamme musta aukko. Tämä päätelmä perustuu siihen, että kohteesta mitatun röntgensäteilyn määrä on pysynyt hyvin tasaisena koko havaintojakson ajan, mikä viittaisi keskuskappaleen olevan musta aukko, joka imee tasaisesti supernovaräjähdyksestä aukon ympärille jäänyttä kaasua. Mikäli supernovajäänne on neutronitähti, olisi sen pitänyt jäähtyä kuluneen 31 vuoden aikana huomattavasti johtaen röntgensäteilyn himmenemiseen. Neutronitähteä ei voida kuitenkaan sulkea vielä kokonaan pois, sillä tasaista röntgensäteilyä havaitaan myös pulsareiden ympäriltä, jotka puhaltavat avaruuteen korkeaenergisiä hiukkasia voimakkaana tähtituulena muodostaen kohteen ympärille tasaisesti röntgensäteilyä säteilevän kaasusumun (esim. Rapusumu on tällainen kohde). Huolimatta siitä kumpi supernovajäänne on kyseessä, kohde on erityisen mielenkiintoinen siksi, että sen syntymäpäivä on tarkalleen tiedossa. Näin tutkijat pystyvät seuraamaan miten supernovajäänteiden ensiaskeleet etenevät sekä tarkentamaan teoreettisia malleja siitä, kuinka musta aukko tai vastaavasti neutronitähti syntyy supernovaräjähdyksessä.

Tieteellinen artikkeli

Eksoplaneetta-adoptio toisesta galaksista

Noin 6-9 miljardia vuotta sitten Linnunrata ja toinen pienempi galaksi löysivät itsensä suurinpiirtein samasta paikasta samaan aikaan. Linnunrata selvisi kohtaamisesta voittajana ja otti mukaansa sotasaalista: tähtiä, kaasua ja pölyä rusentuneesta galaksista, jotka eivät vielä tänä päivänäkään ole kokonaan sekoittuneet Linnunradan aineen joukkoon vaan muodostavat nk. Helmi-virran. Nyt tutkijat ovat havainneet, että noin 2000 valovuoden päässä Sulatusuunin tähtikuviossa yhtä tällaista kaapattua tähteä kiertää noin Jupiterin massainen planeetta, HIP 13044b. Kyseessä on ensimmäinen havainto planeetasta joka ei ole kotoisin Linnunradasta. Havinto antaa vihiä siitä, että myös muiden galaksien tähtien ympäriltä löytyy planeettoja. Sen lisäksi, että HIP 13044b selvisi galaksinvaihdosta, on sen emotähti pullistunut vetyä polttavasta keski-ikäisestä tähdestä heliumia polttavaksi punaiseksi jättiläiseksi. Emotähden pyörimisnopeuden perusteella, joka on nopeampi kuin sen pitäisi, tutkijat ajattelevat tähden jo nielaisseen muutaman planeetan sisuksiinsa. Kaiken lisäksi HIP 13044b:n olemassaolo kummastuttaa tutkijoita, sillä se on ensimmäinen planeetta, joka on löydetty metalliköyhän (tähtitieteilijöiden mielestä kaikki heliumia raskaammat atomit ovat metalleja) tähden ympäriltä. Tähän mennessä on ajateltu, että metalliköyhillä tähdillä ei olisi tarvittavia ainemääriä muodostamaan planeettoja. Tutkijat jatkavat edellen havaintoja HIP 13044 -tähdestä, mikäli planeettakuntaan löytyisi mahdollisesti lisäjäseniä HIP 13044b:n seuraksi.

ESO:n lehdistötiedote

Energiaa informaatiosta

Credit: G. Gamow

Ne ketkä tuntevat Maxwellin demonin tietävät kyseessä olevan pienen paholaisen, joka vartioi pientä porttia lämpötasapainossa olevan laatikon keskellä. James Clerk Maxwellin yli sata vuotta sitten kehittämä ajatusleikki menee seuraavasti: ajatellaan, että laatikossa on tasaisesti joka paikassa tietyssä lämpötilassa olevaa kaasua. Olettaen, että laatikko on tiivis ja kaasua ei pääse vuotamaan sieltä pois kyseessä on kaasun maksimientropiatila. Toisin sanoen, kaasulla on tietty määrä energiaa, mutta se ei ole erityisen hyödyllistä. Yksi tapa ajatella entropiaa onkin, että se on tietyn energiamäärän hyödyttömyyden mitta. Jos kyseessä on matalan entropian omaava tila, siitä on mahdollista saada energiaa, vaikka männän avulla. Esimerkiksi, jos kaikki kaasu laatikossa on pelkästään toisella puoliskolla, laatikon puoleen väliin asetettu mäntä siirtyy ajan kuluessa laatikon reunaan, kaasun atomien luovuttaessa liike-energiaansa törmäilemällä mäntään (kts. alla, ylempi kuva). Vastaavasti männän liike voidaan esimerkiksi muuntaa generaattorilla suoraan sähköksi. Mikäli kaasu täyttää tasaisesti koko laatikon, ollen korkean entropian tilassa, törmää laatikon keskellä sijaitsevaan mäntään sen vasemmalta ja oikealta puolen keskimäärin yhtä paljon atomeja, jolloin mäntä pysyy paikallaan (kts. alla, alempi kuva).

Niinpä Maxwell ajatteli, että jos laatikossa olisi olemassa pienen pieni demoni, joka männässä sijaitsevasta pienestä luukusta pystyisi tarkkailemaan mitä laatikon toisella puolella tapahtuu ja tarvittaessa päästämään läpi tarpeeksi vauhdikkaita kaasuatomeja (pienen luukun avaamiseen tarvittava energia olisi huomattavasti pienempi kuin ”kuuman” atomin liike-energia), se pystyisi tekemään lämpötilaeron laatikkoon ja liikuttamaan mäntää, eli synnyttämään energiaa. Mutta kuten yksi maailmankaikkeuden universaaleista laeista sanoo: ilmaista lounasta ei ole olemassa, joten jostain pienen demoninkin on murkinansa saatava, nimittäin informaatiosta. Demonin täytyy tietää mitkä atomit ovat ”kuumia” laatikon toisella puolella ennen kuin se pystyy päättämään koska portti pitäisi aukaista. Energian ja informaation välinen yhteys on todistettu teoreettisesti, mutta vasta nyt japanilainen tutkimusryhmä on tehnyt kokeen, joka testaa yhteyttä käytännössä. Tutkimusryhmän koejärjestely koostui hiukkaspallosta, joka oli kiinnitetty paikalleen lasilevylle, mutta se pystyi pyörimään vapaasti itsensä ympäri Brownin liikkeen mukaisesti. Levyn alapuolelle oli asetettu neljä elektrodia, jotka synnyttivät siniaallon muotoisen sähkökentän. Kun hiukkaspallo on sähkökentän potentiaaliaallon pohjassa, vastaa se pallon matalaenergisintä tilaa. Mikäli pallo seikkailee potentiaaliaallossa jossain muussa kohden, putoaa se väistämättä hetken kuluttua takaisin pohjalle. Tutkijat asettivat sähkökentäksi kaksi siniaaltoa, joilla oli tietyn suuruinen vaihe-ero, eli aallonharjat ja -pohjat sijaitsivat eri paikassa. Kun pallo Brownin liikkeen ansiosta liikkuu pois ensimmäisen siniaaltoisen sähkökentän pohjalta, se jossain vaiheessa saavuttaa pisteen, jossa toisen siniaaltoisen sähkökentän potentiaali tulee voimakkaammaksi ja pallo putoaakin toisen sähkökentän aallonpohjalle. Koejärjestely takasi, että toisen sähkökentän aallonpohjalla on suurempi potentiaali kuin ensimmäisellä, joten hiukkaspallo sai näin hieman lisää energiaa vaihtamalla sähkökenttää. Tarkastelemalla koska kyseinen siirtymä tapahtuu, tutkijat pystyivät siirtämään ensimmäisen kentän potentiaalia suuremmaksi siten, että hiukkaspallo ei pysty putoamaan enää toisen sähkökentän aallonpohjalta ensimmäisen kentän matalampaan energiatilaan. Nyt muokatun ensimmäisen sähkökentän potentiaali aallonpohjalla on suurempi kuin toisen, joten hiukkaspallo pystyy toistamaan askeleen ja siirtymään jälleen korkeampaan energiatilaan. Tutkijat kuvaavat artikkelissaan koejärjestelyä kierreporrasanalogiana (kts. kuva alla), jossa hiukkaspallo siirtyy askelmalta toiselle, askelten eron vastatessa pallon Brownin liikkeen keskimääräistä energiaa. Mikäli pallo sijaitsee keskellä portaikkoa ja on vapaa liikkumaan portaissa ylös ja alas, liikkuu se keskimääräisesti enemmän alaspäin päätyen lopulta portaikon pohjalle. Mutta jos Maxwellin demoni asettaa seinän pallon taakse aina kun se liikkuu askelen ylöspäin, päätyy pallo lopulta portaikon huipulle. Koejärjestelyssä demonin asemassa toimivat mittalaitteet, jotka tarkastelivat missä hiukkaspallo kulloinkin sijaitsee, ja seinänlaittoa vastasi sähkökentän potentiaalin siirtäminen ylöspäin. Jos energiahäviöt mittalaitteesta ja sitä käyttävästä jatko-opiskelijasta unohdetaan, tulokset vastasivat teoreettisia ennusteita hyvin, eli hiukkaspallon saama energia vastasi informaation määrää, joka tarvittiin asettamaan sähkökentän potentiaali oikealla hetkellä suuremmaksi.

Credit: Toyabe et al.

Tieteellinen artikkeli


Advertisements

Trackbacks & Pingbacks

  1. Tiedeviikko 47+48/10 « uniVersI/O pingbacked : 6 years, 5 months ago
  2. Lyhyt johdatus supernoviin (ja pienimuotoinen vuodatus Betelgeusesta) « uniVersI/O pingbacked : 6 years, 4 months ago

Kommentit



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: