uniVersI/O


Category Archive

The following is a list of all entries from the Antimateria category.

Poimintoja, osa I

Suomen kesä on lyhyt ja ytimekäs, mutta paljon mielenkiintoista ehti kuitenkin tapahtua tieteen saralla. Tässä muutamia poimintoja mielenkiintoisimmista tiedeuutisista. Jatkoa seuraa…

Antimateriavyöhyke Maan ympärillä

Credit: NASA

Antimateriaa on erittäin hankalaa valmistaa laboratoriossa, sillä päästessään kosketuksiin materian kanssa se tuhoutuu ja muuttuu välittömästi säteilyksi. Ainoa keino sen säilytykseen on pitää antimateriaa kasassa magneettikentän avulla irti sen säilytysastian seinistä. Maailmanennätys antimaterian, tarkemmin antivedyn, säilömisessä onkin vain 15 minuuttia. Tämän lisäksi antimateriaa täytyy synnyttää törmäyttämällä lähes valonnopeudella kulkevia protoneja kohtioon, jolloin törmäystuotteeksi syntyy fantastinen määrä eri hiukkasia, muunmuassa antiprotoneja. Antimateriatutkijan elämä ei siis ole helppoa, koska elämme keskellä erittäin materiapainotteista maailmaa. Maan pinnalta poistuessa materiatiheys putoaa kuitenkin huomattavasti, minkä lisäksi antimateriaa eristäviä magneettikenttiä risteilee avaruudessa siellä sun täällä. Käyttäen PAMELA -instrumenttia tutkijat ovat löytäneet antiprotoneita avaruudesta, joita Maan magneettikenttä pitää otteessaan. Antiprotonit löytyivät tarkemmin ottaen Van Allenin säteilyvyöhykkeen alueesta nimeltä Etelä-Atlantin anomalia, jossa säteilyvyöhyke tulee lähimmäksi Maan pintaa (noin 350-600 kilometriä Maan pinnan yläpuolella). Antiprotonit muodostuvat Maan ympärille osittain samaan tapaan kuin Maan pinnalla laboratoriossakin, kun kosmiset säteet, jotka ovat lähes valonnopeudella kulkevia hiukkasia (mm. alfaytimiä ja protoneita), törmäävät Maan ilmakehän ulko-osiin synnyttäen protoneita ja antiprotoneita. Antiprotonit jäävät kiertämään Maata vangittuina Maan magneettikenttään, kunnes ne tuhoutuvat törmätessään tavalliseen aineeseen, tyypillisesti kuljettuaan keskimäärin kymmenisen tuhatta kilometriä säteilyvyöhykkeessä. Havaittuaan 850 päivää säteilyvyöhykettä, PAMELA rekisteröi kaiken kaikkiaan 28 antiprotonia. Havaittujen antiprotonien määrä ei ehkä kuulosta kovin suurelta, mutta ottaen huomioon, että PAMELA havaitsi luotettavasti vain muutaman antiprotonin, havainnot voidaan ekstrapoloida kattamaan koko havaintoaikana säteilyvyöhykkeessä olevien antiprotonien määrä, joka on kolme kertaluokkaa suurempi kuin tähtienvälisessä avaruudessa. Näin ollen Etelä-Atlannin anomalia on rikkain antiprotonien lähde lähiavaruudessa. Vielä on epäselvää voitaisiinko antiprotoneita käyttää jotenkin hyödyksi, mutta ehkäpä tulevaisuudessa antiainetta voitaisiin kerätä luotaimien polttoaineeksi. Esimerkiksi sadan tonnin hyötykuorman lähettäminen vuoden mittaiselle matkalle Jupiteriin ja takaisin vaatisi ainoastaan alle 10 mikrogrammaa antiainetta.

Tieteellinen artikkeli

Raportti antiaineen keräämisestä ja käytöstä 

Oliko Maalla joskus kaksi kuuta?

Credit: Jutzi & Asphaug

Vaikka Kuu onkin avaruuden kappaleista meille lähin ja tutuin, sekä ainoa johon ihminen on jalallaan astunut, tutkijat ovat kiistelleet sen syntyperästä yli sata vuotta. Pikkuhiljaa vallalle on asettunut teoria, jonka mukaan Kuu syntyi, kun hypoteettinen protoplaneetta Theia törmäsi Maahan noin 50 miljoonaa vuotta Aurinkokunnan muodostumisen jälkeen. Theian törmäyksen nostattama Maa-aines kasautui vähitellen suuremmiksi kappaleiksi Maan ympärille, jotka loppujen lopuksi muodostivat Kuun. Viitteitä teorian paikkansapitävyydelle on saatu Kuusta tuoduilla näytteillä, joista mitattu hapen isotooppisuhde on lähes identtinen Maasta otettujen näytteiden kanssa. Mutta Kuulla riittää vielä mysteereitä selvitettäviksi. Esimerkiksi Kuun kääntöpuoli, joka osoittaa aina Maasta poispäin on täysin eri näköinen kuin Maahan näkyvä puoli. Meille tutumpi puolisko on tasainen, matala ja merien peitossa, kun taas Kuun kääntöpuoli on vuoristoinen ja täynnä kraatereita. Aikaisemmin tutkijat ovat selittäneet rakenteellisen eron Kuun eri puolien välillä vuorovesivoimilla. Koska Kuu on vuorovesilukkiutunut Maan kanssa, se on voinut aiheuttaa epäsymmetristä vuorovesikuumentumista, konvektiivisiä prosesseja ja merien kristalloitumista kun Kuu oli mahdollisesti vielä sulaa kiveä. Nyt tutkijat ovat kuitenkin ehdottaneet vaihtoehtoista tapaa Kuun puoliskojen erilaisuudelle. Selittääkseen rakenteellisen eron Kuun eri puolien välillä tutkijat simuloivat tilanteen, jossa Theian törmäyksen jälkeen Maan ympärille muodostui hetkellisesti kaksi kuuta. Useamman kuun pitäminen Maata kiertävillä radoilla on kuitenkin hyvin epästabiili järjestelmä, ja ennen pitkää (noin kymmenen tuhannen vuoden aikaskaalalla) se hajoaa. Mikäli toinen kuu, joka simulaation mukaan olisi halkaisijaltaan noin kolmasosa Kuusta, törmäsi hitaasti Kuuhun (eli pikemmin tarttuisi kiinni Kuuhun, kuin mäjäyttäisi sitä tuhannen päreiksi, kts. kuva yllä), se olisi voinut muodostaa samanlaiset erot Kuun pinnanmuodoissa mitä tänä päivänä havaitsemme. Koska pienemmän kuun pinta olisi vanhempaa sen jähmettyessä nopeammin kuiden muodostumisen jälkeen, kyseinen malli ennustaa, että Kuusta pitäisi löytyä eri ikäisiä kivilajeja, joten tätä teoriaa voidaan tulevaisuudessa testata. Kuun syntyperään on odotettavissa lähiaikoina lisää tietoa, kun juuri laukaistu Kuun painovoimakenttää erittäin tarkasti mittaava GRAIL -luotain pääsee perille uudenvuoden aattona.

Tieteellinen artikkeli

Kylmin tähti

Credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA

Tavallisesti ajattelemme tähtien olevan valtavan kuumia energiapalloja, jotka fuusioimalla atomeja niiden ytimien miljoonien asteiden lämpötiloissa säteilevät energiaa ympäröivään avaruuteen. Mutta avaruus on myös täynnä tähtiä, jotka ovat ovat kylmempiä kuin keskiverto pitsauuni. Nämä nk. ruskeat kääpiöt ovat tähtiä, jotka ovat massiivisempia kuin suurimmat kaasuplaneetat, mutta eivät tarpeeksi massiivisia ollakseen täysivertoisia tähtiä. Jotta tähti pystyy fuusioimaan vetyä heliumiksi sen täytyy painaa vähintään noin 75 Jupiterin massan verran. Mikäli tähti painaa vähemmän, sen painovoima ei riitä luomaan tarpeeksi hikisiä olosuhteita tähden keskustaan, jotta vety-ytimien välinen vahva voima ylittyisi ja vedyn fuusioituminen heliumiksi pääsisi käyntiin. Fuusion sijasta tähden keskustaan syntyy painovoimaa vastustava kvanttimekaaninen paine elektronien välille. Tämä tasapainotila säilyy koko tähden loppu elämän, joten tähti hiljalleen himmenee ja jäähtyy kohti tausta-avaruuden lämpötilaa. Massiivisimmat ruskeat kääpiöt voivat syntyessään fuusioida deuteriumia ja litiumia ytimissään, mutta ne jäähtyvät suhteellisen nopeasti ja fuusio loppuu viimeistään miljardin vuoden kuluttua tähden syntymästä. Alle 13 Jupiterin massan ruskeat kääpiöt eivät ole tarpeeksi massiivisia edes fuusioimaan deuteriumia tai litiumia, ja yleisesti ottaen tätä rajaa pidetäänkin erottamaan ruskeat kääpiöt kaasuplaneetoista. Nyt tähtitieteilijät ovat löytäneet kylmimmän ruskean kääpiön (WISE 1541-2250), jonka pintalämpötila on vaivaiset 25 astetta. Tähti sijaitsee noin yhdeksän valovuoden päässä Maasta tehden siitä tähän mennessä seitsemänneksi lähimmän tähden. WISE 1541-2250 havaittiin nimensä mukaan NASA:n WISE -infrapunasatelliitilla, jonka herkät instrumentit pystyivät havaitsemaan tähdestä tulevan heikon infrapunasäteilyn (300 Kelvinin mustan kappaleen säteilyn maksimi osuu juuri infrapuna-alueelle). Varmistaakseen uuden löytönsä olevan ruskea kääpiö, tutkijat havaitsivat tähden spektriä Magellan -teleskoopilla, josta he löysivät veden ja metaanin absorptioviivoja — merkkejä ruskean kääpiön kaasukehästä. Uusi löytö osoittaa, että lähiavaruudessa voi majailla täysin uusi tähtipopulaatio, jota emme ole aikaisemmin vain huomanneet johtuen niiden kylmästä ja heikosta säteilystä. On hyvin mahdollista, että joku päivä havaitsemme tähden joka osoittautuu sijaitsevan lähempänä meitä kuin lähin tähti Proxima Centauri.

Kuvapoiminta I:

HiRISE -kameran ottama kuva maanalaisesta luolasta Marsin pinnalla. Luola on todennäköisesti laavatunneli − jäänne Marsin tuliperäisestä menneisyydestä. Jostain tuntemattomasta syystä Marsin pinta on romahtanut laavatunnelin päältä muodostaen noin 35 metriä leveän ja 20 metriä syvän aukon luolaan ja sen ympärille pienehkön kraaterin luoden vastustamattoman mysteerisen vaikutelman.

Credit: NASA/JPL/University of Arizona

Videopoiminta I:

Kiehtovaa magneettisen nesteen liikehdintää saippuakylvyssä.


Tiedeviikko 2/11

Uusi vuosi on lähtenyt hyvää vauhtia käyntiin ainakin tieteen osalta, ja jos sama tahti jatkuu niin luvassa on erityisen mielenkiintoinen tiedevuosi. Juuri Helsingissä loppuneet Tieteen Päivät painottuivat arkeen ja tämän kertaisessa tiedeviikossa selviää, että jokaisen arjessa on mukana eksotiikkaa ainakin tieteellisessä mielessä, nimittäin antimateriaa ja suhteellisuusteoriaa.

Ukkosmyrskyt sinkoavat antimateriaa avaruuteen

Credit: NASA

 

Tutkijat ovat havainneet käyttäen NASA:n gammasädesatelliitti Fermiä, jonka leipätyö on mm. havaita gammasäteitä kaukaisissa galakseissa tapahtuvien supermassiivisten tähtien räjähdyksistä, gammasäteitä huomattavasti läheisemmästä kohteesta, nimittäin Maasta. Eikä mitä tahansa gammasäteitä, vaan juuri tietyn energistä (511 keV) säteilyä, joka syntyy kun elektroni ja sen antihiukkanen, positroni, törmäävät ja tuhoavat toisensa. Kyseessä on ensimmäinen suora havainto ilmiöstä, jonka tutkijat ovat ajatelleet syntyvän ukkosmyrskyissä. Havaintojen perusteella näyttäisi siltä, että ukkosmyrskyt tuottavat jatkuvasti antimateriasuihkuja salamien sivutuotteena nk. maanpäällisissä gammasädevälähdyksissä. Sopivissa olosuihteissa voimakkaat sähkökentät lähellä ukkosmyrskyn huippua voivat laukaista ylöspäin suuntautuvan korkeaenergisen vyöryn elektroneja, jotka kohdatessaan ilmakehän molekyylejä muuttavat suuntaa lähettäen jarrutussäteilyä, jonka energia on gamma-alueella. Vastaavasti nämä gammasäteet törmäävät elektroneihin kiihdyttäen ne lähelle valonnopeutta, tai ne sattuvat kulkemaan läheltä atomin ydintä, jolloin gammasäde muuttuu elektroni-positronipariksi. Juuri syntyneet korkeaenergiset elektronit ja positronit pääsevät karkaamaan avaruuteen liikkuen pitkin Maan magneettikentän voimaviivoja, jossa ne voivat törmätä esimerkiksi gammasädesatelliittiin. Itseasiassa gammasädesatelliitin ei tarvitse edes nähdä koko ukkosmyrskyä vaan riittää, että se on magneettisesti kytköksissä siihen. Näin tapahtui 14. päivä viime joulukuussa, kun Fermi havaitsi positroniryöpyn Egyptin yllä, vaikka ukkosmyrsky ja gammasädevälähdys tapahtui 4500 kilometriä etelämpänä Sambian yläpuolella. Positroniryöppy jatkoi vielä matkaansa magneettikentän voimaviivaa pitkin magneettiseen pullonkaulaan, josta se heijastui ja osui matkallaan takaisin uudelleen satelliittiin (kts. kuva alla oikealla).

Credit: NASA

Kun positronit törmäävät satelliittien elektroneihin, ne tuhoutuvat välittömästi tuottaen yllämainittua 511 keV:n gammasäteilyä. Maapallolla on jokaisella ajanhetkellä käynnissä ukkosmyrskyjä noin pari tuhatta kappaletta ja gammasädevälähdyksiä arvioidaan tapahtuvan noin 500 päivässä, tosin useimmat näistä jäävät havaitsematta. Esimerkiksi Fermi on havainnut vasta 130 gammasädevälähdystä vuodesta 2008 lähtien. Mutta seuraavan kerran kun katselet ukkosmyrskyä ja komeaa salamatykitystä, voit hyvällä tuurilla samanaikaisesti ihailla luonnon omaa antimateriakonetta toiminnassa.

Credit: NASA

Einstein käynnistää autosi

Yleensä puhuttaessa suhteellisuusteoriasta mieleen tulee lähes valonnopeudella liikkuvat junanvaunut tai avaruusalukset, joissa aika hidastuu, pituudet muuttuvat ja samanaikaiset tapahtumat tapahtuvat eri aikaan. Näiden ajatusleikkien pohjalta on vaikea kuvitella suhteellisuusteorian vaikuttavan jokapäiväisessä elämässämme, mutta uuden tutkimuksen mukaan näin todellakin on asian laita. Physical Review Letterissä julkaistussa artikkelissa, jossa myös oli suomalaisia mukana Helsingin Yliopiston kemian laitokselta, väitettiin, että suhteellisuusteoriaa tarvitaan auton käynnistämisessä. Mistä siis on oikein kyse? Suhteellisuusteoria täytyy ottaa huomioon kun tarkastellaan elektronien liikettä raskaiden atomien ytimien ympärillä. Mitä raskaampi ydin sitä nopeammin sisimmät elektronit kiertävät ydintä. Kun nopeudet lähenevät valonnopeutta suhteellisuusteoreettiset vaikutukset tulevat mukaan kuviohin, ja raskaansarjan atomeilla, esimerkiksi lyijyllä, ulommaisten elektronien energiatasot muuttuvat tämän johdosta. Lyijyä sattuu löytymään paljon myös auton akuista, joka tuottaa sähköä reagoidessaan rikkihapon kanssa. Tutkijat mallinsivat sähkökemiallisia reaktioita ja totesivat suhteellisuusteorian olevan vastuussa 1.7-1.8:sta perusakun lyijyparin 2.11 voltista. Toisin sanoen ilman suhteellisuusteoriaa autosi ei käynnistyisi.

Tieteellinen artikkeli

Planckin ensimmäiset tulokset

Vuonna 2009 laukaistu Euroopan avaruusjärjestö ESA:n Planck-luotaimen ensimmäiset tiedeartikkelit ovat viimein julkaistu. Näistä mikään ei vielä käsittele luotaimen varsinaista tutkimuskohdetta, mikroaaltotaustasäteilyä, jonka tuloksia joudumme odottamaan vuoteen 2013 asti, vaan nk. etualan kohteita. Eli käytännössä kaikkea sitä, mitä on meidän ja taustasäteilyn välissä. Kaiken kaikkiaan Planck-tutkijat julkaisivat 25 artikkelia (jotka ovat luettavissa täällä), joista osa käsittelee Planckin instrumenttien toimintaa, datan prosessointia, datajulkaisua kompakteista kohteista ja loput sisältävät ensimmäisen analyysin etualan kohteista. Kohokohdat näistä ovat:

1) Tutkijoille on ollut jo pitkään selvää, että suurin osa maailmankaikkeuden tähdistä syntyy paikoissa, joita ympäröi paksu pölypilvi, joka estää näkyvän valon kulkeutumisen tähdistä meille saakka. Pölypilven sisällä sijaitsevat tähdet kuitenkin lämmittävät niitä ympäröivän pölyn huomattavasti kuumemmaksi kuin pöly, joka sijaitsee kaukana tähtiensyntyalueilta. Lämmin pöly säteilee Planckin kattamilla taajuusalueilla siirtyen punasiirtymän ansiosta matalemmille taajuuksille mitä kauempana galaksi meistä sijaitsee. Ensimmäistä kertaa Planck on havainnut tätä kosmista infrapunataustasäteilyä galaksien tähtiensyntyalueilta, jotka muodostuivat kun maailmankaikkeus oli noin kaksi miljardia vuotta vanha. Alla kuva kosmisesta infrapunataustasäteilystä kuudessa eri paikassa Planckin koko taivaan kartalla.

Credit: ESA / Planck Collaboration

2) Toinen mielenkiintoinen tulos koskee pölyä omassa galaksissamme. Nk. epätavallinen etualan mikroaaltosäteily (tai Foreground X), joka on diffuusia hehkua tiheistä ja pölyisistä alueista Linnunradassa, on askarruttanut tutkijoita jo vuosikymmeniä, mutta Planck näyttäisi tukevan teoriaa, jossa säteily tulisi nopeasti pyörivistä, pitkulaisista pölyhiukkasista. Alla kuva, jossa pyörivien pölyhiukkasten lähettämä säteily 30 GHz taajuusalueella vastaa pölyn lämpösäteilyn alueita 857 GHz taajuusalueella.

Credit: ESA / Planck Collaboration

3) Yo. tulosten lisäksi Planck on löytänyt uusia supergalaksijoukkoja niiden aiheuttaman nk. Sunyaev-Zel’dovitchin vaikutuksen kautta. Supergalaksijoukkojen Sunyaev-Zel’dovitchin vaikutus näyttäytyy Planckille kompakteina ja kylmempinä tai kuumempina (riippuen taajuudesta) kohteina mikroaaltotaustasäteilykartassa. Supergalaksijoukot ovat harvinaisia ja niiden määrä maailmankaikkeudessa kertoo meille universumimme koostumuksesta, kuinka nopeasti se laajenee, ja kuinka paljon materiaa se sisältää. Alla kuva juuri havaitusta, uudesta supergalaksijoukosta PLCK G214.6+37.0, joka on ensimmäinen Planckin havaitsema supergalaksijoukko. Vasemmalla Planckin havaitsema joukon Sunyaev-Zel’dovitchin vaikutus (punainen läiskä keskellä) ja oikealla ESA:n XMM-Newton -röntgensatelliitin kuva, joka paljastaa supergalaksijoukon koostuvan kolmesta galaksijoukosta.

Credit: ESA / Planck Collaboration

Lyhyesti:

Rapusumu

Rapusumun gammapurkausten arvoitus näyttäisi saavan jatkoa (kts. alustus Tiedeviikko 40/10:stä). NASA:n gammasädesatelliitti Fermin ja Italian avaruusjärjestö ASI:n gammasädesatelliitti AGILE:n tutkimusryhmät ovat julkaisseet artikkelin Science-lehdessä, joissa molemmissa päädytään samaan tulokseen: Rapusumun gammasädepurkausten syy on varattujen hiukkasten synkrotronisäteily. Synkrotronisäteilyä syntyy kun sähkömagneettiset kentät muuttavat varattujen hiukkasten ratoja, saaden ne säteilemään energialla, joka on verrannollinen hiukkasten nopeuteen. Fermin ja AGILEn mittaamat hiukkaset säteilevät kuitenkin PeV:n (siis Petaelektronivoltti) energialla, joten hiukkaset Rapusumussa liikkuvat todella, todella nopeasti (LHC on Rapusumun rinnalla lasten leikkiä). Itseasiassa niin nopeasti, että molempien tutkimusryhmien tutkijat ovat ymmällään, kuinka koko hiukkaskiihdytinprosessi Rapusumussa toimii.

Tieteellinen artikkeli 1 ja 2

Maa + 0.4

NASA:n Kepler -avaruusteleskooppi on löytänyt tähän mennessä pienimmän eksoplaneetan, jonka halkaisija on 1.4 kertaa Maan halkaisija. Eksoplaneetta Kepler-10b on kuitenkin huomattavasti massiivisempi (noin 4.6 Maan massaa) ja kuumempi, sillä se kiertää emotähteään lähempänä kuin Merkurius Aurinkoa. Kepler 10b ei missään nimessä ole elinkelpoinen millekään elämänmuodolle, mutta löytö osoittaa Keplerin olevan kunnossa metsästämään lisää Maan kokoisia planeettoja.

NASA:n lehdistöjulkaisu

Viikon kuva: Terapikselin kokoinen potretti universumista

Alhaalla koko taivas Sloan Digital Sky Survey III:n kuvaamana pohjoisella ja eteläisellä pallonpuoliskolla (universumin rakenne näkyvissä selvästi) ja ylhäällä zoom emissiosumu NGC 604:ään. Katso myös tämä video.


Viikon video: Osittainen Auringon pimennys radioteleskoopin (Metsähovi) silmin