uniVersI/O



Lyhyt johdatus supernoviin (ja pienimuotoinen vuodatus Betelgeusesta)

Uusi Suomi -lehti pääsi juuri mustalle listalleni tällä uutisella: Suuri räjähdys tulossa taivaalle? – ”Yö muuttuu päiväksi”. Kyseinen uutinen toistaa kelvottoman ja sensaatiohakuisen uutisen australialaisen uutistoimiston news.com.au sivuilta. Lyhykäisyydessään uutisen mukaan Orionin tähtikuvion vasemman ylänurkan jättiläistähti Betelgeuse voi räjähtää supernovana jo tämän vuoden aikana (tai vuonna 2012, uuu… maailmanlopun ennustajat hierovat jo käsiä yhteen), ja räjähdys näyttäisi Maasta katsottuna yhtä kirkkaalta kuin Aurinko. On totta, että Betelgeuse on juuri räjähtämäisillään oleva massiivinen tähti, mutta tähtitieteessä pelataan aina suurilla numeroilla. Tutkijat arvioivat, että Betelgeuse räjähtää supernovana seuraavan miljoonan vuoden kuluttua. Räjähdyksen todennäköisyys tälle vuodelle on äärimmäisen pieni, varsinkin kun ennustukseen vaikuttavilla parametreillä, massa ja etäisyys, on tähtitieteelliset virherajat. Betelgeusen massaksi arvioidaan noin 18-19 Auringon massaa ja sen etäisyydeksi 643±143 valovuotta. Ja vaikka Betelgeuse räjähtäisikin (arvioitu kirkkaus vastaisi noin miljardin Auringon säteilyn määrää), se näkyisi Maahan muutaman viikon ajan suurinpiirtein yhtä kirkkaana kuin Kuun sirppi, koska se sijaitsee niin kaukana meistä. Säteilyn määrä, tai teknisemmin sen intensiteetti, vähenee etäisyyden neliönä, joten 643 valovuoden takaa säteily himmenee noin kertoimella 10^35. Uusi Suomi osoitti siis uutisellaan lähdekritiikin puutetta (todennäköisesti 10 minuutin googlaus olisi selvittänyt uutisen erheellisyyden, alkuun pääsee esimerkiksi täältä tai täältä) sekä välinpitämättömyyttä tiedettä kohtaan, koska minkäänlaista korjausta ei uutiseen ole tullut, vaikka news.com.au sellaisen julkaisikin. Eniten tässä kuitenkin ärsyttää se, että näiden uutistoimistojen mielestä tiedettä täytyy höystää fiktiolla, jotta siitä tulisi suurelle yleisölle mielenkiintoista. Mutta veikkaan, että pienellä lukemisella ja paneutumisella tulisi hyvin nopeasti selville, että maailmankaikkeudessa on paljon asioita, joita emme pystyisi edes kuvittelemaan. Otetaanpa nyt esimerkiksi vaikka supernovat.

Lyhyt johdatus supernoviin

Supernovat ovat lyhyitä, mutta äärimmäisen kirkkaita räjähdyksiä, jotka päättävät tarpeeksi massiivisten tähtien elinkaaren. Supernova voi loistaa kirkkaampana kuin sen emogalaksin satojen miljardien tähtien yhteenlaskettu valo. Eikä siinä vielä kaikki. Supernovien ansiosta Maapallolla on elämää ja meillä on tietokoneita sekä (ydin-)sähköä lukea tätä artikkelia niistä. Viime kädessä supernovat ovat auttaneet meitä ymmärtämään maailmankaikkeuden pohjimmaista rakennetta.

Kokoelma supernovajäänteitä. Vasemmalta oikealle, ylhäältä alas SN 1572, SN 1006, Cassiopeia A ja N 49.

Atomitehdas

Emme voisi elää ilman supernovia. Alkuräjähdyksen jälkeinen maailmankaikkeus koostui lähes yksinomaan vedystä ja heliumista, kahdesta kevyimmästä alkuaineesta. Sitä vastoin elämä pohjautuu monimutkaiselle järjestelmälle kemiallisia reaktioita raskaampien atomien, kuten hiilen ja hapen, välillä. Jonkinlainen atomitehtailu, nukleosynteesi, on siis täytynyt tapahtua alkuräjähdyksen ja elämän syntymisen välissä. Raskaampia atomeja voidaan fuusioida kevyemmistä atomeista, mutta vain tietyissä olosuhteissa. Koska atomien ytimet koostuvat sähkövarauksettomien neutroneiden lisäksi positiivisesti varatuista protoneista, kaksi ydintä hylkivät toisiaan. Jotta atomit pääsevät fuusioitumaan, täytyy niiden voittaa ytimien aiheuttama toisiaan hylkivä sähkömagneettinen voima, Coulombin voima. Tämä vaatii atomeilta liike-energian, joka on saavutettavissa vain erittäin kuumissa lämpötiloissa ja korkeassa paineessa, esimerkiksi tähden keskustassa. Tähtien koko olemassaolo perustuu niiden keskustan kevyempien atomien fuusioitumiseen raskaammiksi atoimeiksi. Fuusioprosessi tuottaa säteilyä tähden keskustassa, joka pyrkii laajentamaan tähteä säteilypaineen avulla suuremmaksi. Sitä vastoin tähden sisältämä materia pyrkii kutistamaan tähteä painovoimallaan. Nämä kaksi voimaa asettuvat ennen pitkää yhtä suuriksi tähden syntymisen jälkeen, ja näin tähti pysyy tasapainossa niin pitkään kuin fuusioitavia atomeja riittää, yleensä miljardeja vuosia. Atomien fuusioituminen etenee kohti raskaampia aineita kevyempien loppuessa. Kun kaikki vety on fuusioitu heliumiksi, helium alkaa fuusioitua hiileksi jne. Samalla vedyn loppuessa tähden keskustasta sen fuusiopalo siirtyy kohti kuorikerrosta. Edellämainitut kaksi asiaa johtavat tähden ns. sipulinkuorimalliin, jossa tähden eri kerroksissa on käynnissä eri aineiden fuusiopalo, fuusioitavien atomien käydessä raskaammiksi tähden keskustaan päin mentäessä. Atomien fysiikasta johtuen energiaa tuottava fuusio toimii vain rautaan saakka, josta eteenpäin fuusio muuttuu energiaa kuluttavaksi. Näin ollen fuusioprosessit lopulta muodostavat tähden keskustaan rautaytimen, eikä säteilyä enää synny vastustamaan ytimen painovoimaa. Rautaytimen saavuttaessa kriittisen massan ydin luhistuu salamannopeasti oman painovoimansa alla, jolloin tähti räjähtää supernovana sylkäisten uloimmat kuorikerroksensa, atomikoktailin vedystä raskaampiin atomeihin, tähtienväliseen avaruuteen monimutkaisessa ja osaltaan vielä epäselvässä prosessissa. Supernovaräjähdys tuottaa myös valtavan määrän neutroneita, jotka törmäämällä raskaisiin atomin ytimiin voivat kasvattaa ytimien kokoa huomattavasti ja beetahajoamisen kautta muodostaa rautaa raskaampia aineita aina uraaniin ja plutoniumiin saakka.

Elämän raaka-aineet ja kaasun kierto galakseissa

Ns. ydinluhistumissupernovat, tai tyypin II -supernovat, ovat yli kahdeksan Auringon massaisten tähtien kuolinkouristuksia ja pääasiallinen lähde elämän tarvitsemille aineille Maassa. Nämä supernovat ovat kaikista yleisimpiä maailmankaikkeudessa ja niitä alkaa räjähdellä heti kunhan tähtiensyntyprosessi galaksissa lähtee käyntiin. Näin massiivisten tähtien eliniät ovat paljon lyhyempiä kuin pääsarjan tähtien, esimerkiksi Auringon, joiden elinikä keikkuu kymmenen miljardin vuoden kieppeillä. Niinpä ydinluhistumissupernovat täyttivät galaksimme elämän tarvitsevilla raaka-aineilla paljon ennen Aurinkokunnan muodostumista. Galaksien historiaa voidaankin katsoa kaasukierron avulla, jossa supernovat ovat vahvasti osallisena. Koska supernovat rikastavat tähtienvälistä kaasua omalla alkuainekoktailillaan, ne muuttavat seuraavan sukupolven tähtien koostumusta ja ominaisuuksia. Supernovat voivat myös laukaista tai estää tähtiensyntyprosessin. Supernovaräjähdyksistä valtavalla nopeudella puhaltava kaasusuihku voi painaa tähtienvälistä kaasua kokoon aiheuttaen tihentymiä, joissa uusia tähtien syntyprosessi pääsee käynnistymään. Toisaalta ne voivat myös hajottaa tähtienvälisen kaasun tihentymiä, ja estää niissä muodostumassa olevien tähtien synnyn. Ao. simulaatio esittää muodostumassa olevaa kääpiögalaksia, jonka kaasujakaumaa supernovaräjähdykset jatkuvasti muokkaavat.

Tieteellisen vallankumouksen airut

Supernovat ovat muokanneet myös käsitystämme maailmankaikkeudesta. Ennen modernia tähtitieteen aikakautta vain muutama supernova on ollut niin kirkas, että se on pystytty havaitsemaan Maan päällä. Ensimmäinen rekisteröity supernova nähtiin todennäköisesti Kiinassa 185 jaa. Länsimaissa Tycho Brahen havaitsema supernova vuonna 1572 muutti ihmiskunnan käsityksen aristoteliläisestä pysyvän ja muuttumattoman taivaankannen mallista kohti nykyistä käsitystä maailmankaikkeudesta, ja se oli todennäköisesti yksi suurimmista tieteellisen vallankumoukseen johtaneista syistä.

Universumin kirkkaimmat kohteet vastuussa näkymättömän voiman havaitsemisesta

Supernovahavainnot ovat myös avainroolissa maailmankaikkeuden ominaisuuksien hahmottamisessa. Vuonna 1998 kaksi tutkimusryhmää tulivat tulokseen havaitessaan tyypin Ia -supernovia, että maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä nopeudella. Tyypin Ia -supernovia voidaan käyttää ns. standardikynttilöinä, koska niiden kirkkaus voidaan laskea supernovan himmenemisnopeudesta, ja näin ollen niiden etäisyys tunnetaan tarkasti. Tyypin Ia -supernovat ovat todennäköisesti valkoisia kääpiöitä, pieniä tähtien ytimiä, jotka jäävät jäljelle kun Auringon massainen tähti kuolee. Koska valkoiset kääpiöt eivät kuitenkaan luhistu oman painovoimansa alla, eivätkä koskaan itsenäisesti tuota supernovaräjähdystä, täytyy valkoisten kääpiöiden saada materiaa jostain, jotta kriittinen massaraja ylittyy. Tutkijat ajattelevat tyypin Ia -supernoviin johtavien valkoisten kääpiöiden sijaitsevan kaksoistähtijärjestelmissä, jolloin valkoinen kääpiö voi imeä kriittiseen massarajaan tarvittavan materian kumppanitähden pinnalta. Vaihtoehtoisesti ylimääräinen massa voidaan saada myös törmäyksestä toiseen valkoiseen kääpiöön. Koska supernovat ovat niin kirkkaita, niitä voidaan havaita suurien etäisyyksien päästä, jolloin maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen tulee paremmin esiin verrattuna Henrietta Swan Leavittin ja Edwin Hubblen tekemiin aikaisempiin havaintoihin maailmankaikkeuden laajenemisesta käyttäen kefeidejä, sykkiviä tähtiä. Maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyvällä tahdilla sen sijaan vihjaa, että jokin tuntematon voima työntää galakseja pois toisistaan voittaen galakseja yhteen vetävän painovoiman vaikutuksen. Tämä tuntematon voima tunnetaan nykyään nimellä pimeä energia.

Supernovien havaitseminen käytännössä

Vaikka supernovat ovat niinkin kirkkaita kuin ovat, niitä on silti vaikeaa havaita omasta galaksistamme. Tähtitieteilijät ovat löytäneet 274 supernovajäännettä Linnunradasta, mutta suurinosa uusista supernovista jää Linnunradan kiekossa sijaitsevan pölyn peittoon. Itseasiassa yhtäkään uutta supernovaa ei olla havaittu Linnunradassa sitten teleskoopin keksimisen jälkeen. Toisaalta esimerkiksi vuonna 1987 havaittu läheisessä galaksissa räjähtänyt supernova (SN 1987a) pystyttiin havaitsemaan paljain silmin, vaikka se sijaitseekin 168000 valovuoden päässä. SN 1987a onkin tärkeä tutkimuskohde, joka auttaa tutkijoita selvittämään miten supernovaräjähdys vaikuttaa sitä ympäröivään tähtienväliseen avaruuteen, ja mitkä seikat vaikuttavat siihen jääkö supernovasta jäljelle neutronitähti vai musta aukko (kts. Tiedeviikko 46/10: Nuorin musta aukko). Supernovien metsästys muista galakseista tuo tutkijoille mukanaan runsauden ongelman. Maailmankaikkeus on pullollaan potentiaalisia galakseja, joista supernovia on mahdollista havaita, joten valinta mitä galakseja havaitaan on vaikea. Valinta riippuu vahvasti myös siitä, kuinka isoa osaa taivaasta teleskoopilla on mahdollista havaita, ja kuinka pitkään kuvia voidaan valottaa, eli kuinka kaukaisia supernovia haluaisimme havaita. Tämän lisäksi supernovat himmenevät muutamassa viikossa näkymättömiin, joten valittuihin kohdegalakseihin täytyy palata aina uudelleen viikon tai kahden päästä. Kaikista kirkkaimpia galakseja monitoroidaan säännöllisesti, mutta jos meillä olisi mahdollista käyttää resursseja myös himmeämpien galaksien havaitsemiseen, löytäisimme todennäköisesti paljon uusia supernovia ja oppisimme kuinka supernovat käyttäytyvät paljon monipuolisimmissa galaktisissa ympäristöissä.

Nykyteknologia tuo mukanansa tutkijoille paljon kehittyneemmät mahdollisuudet havaita supernovia. Viime vuosikymmenellä tutkijat (ja pikkutytöt) ovat havainneet suurinpiirtein kaksi kertaa enemmän supernovia kuin kaikki aikaisemmin havaitut yhteensä, ja tahti on yhä kiihtymässä. Esimerkiksi Havaijille rakennettu Pan-STARRS -observatorio koostuu neljästä halkaisijaltaan 1.8 metrisestä teleskoopista, joissa jokaisessa on 1400-megapikselin kamera, ja ne pystyvät kuvaamaan koko Havaijilta nähdyn taivaan viikossa. Pan-STARRS:in odotetaan löytävän noin 5000 uutta tyypin Ia -supernovaa, joka on kaksi kertaa enemmän kuin niiden tunnettu määrä tänä päivänä.

Kuten tähtitieteilijät tuppaavat sanomaan: olemme tähtipölyä, lukemattomien supernovaräjähdysten tuotos. Mitä enemmän havaitsemme ydinluhistumissupernovia, sitä enemmän tiedämme kuinka kemialliset elementit syntyvät ja hajaantuvat galakseissa. Vastaavasti mitä enemmän havaitsemme tyypin Ia -supernovia, sitä enemmän tiedämme pimeän aineen luonteesta. Kuolevilla tähdillä on siis paljon sanottavaa Maapallon ja maailmankaikkeuden historiasta, ja lienee perusteltua tutkia kohteita, jotka ovat viime kädessä vastuussa meistä kaikista.

Mainokset

Trackbacks & Pingbacks

  1. Universumin koko « uniVersI/O pingbacked : 6 years, 7 months ago
  2. Tiedeviikko 12+13/11 « uniVersI/O pingbacked : 6 years, 5 months ago
  3. Nobel-viikko « uniVersI/O pingbacked : 5 years, 11 months ago

Kommentit

  1. * Jere says:

    Tämä oli mainio tiivistys olennaisesta.

    Päiväys: 6 years, 7 months ago


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: