uniVersI/O


Category Archive

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

Tiedekatsaus 1/12

Hyvää uutta vuotta! Viime vuoden loppu puolella tiedeviikko ei pysynyt enää viikkoaikataulussa, joten uuden vuoden kunniaksi tiedeviikko muutetaan tiedekatsaukseksi. Uusi vuosi alkaa tähtitieteen parissa ja ensimmäinen katsaus käsittelee tammikuussa järjestetyn Amerikan tähtitieteellisen seuran talvikokouksen antia. Luvassa on uusia tutkimuksia tämän vuoden varmaksi hittituotteeksi muodostuvista eksoplaneetoista ja pimeästä aineesta gammasäteitä unohtamatta. Ja eikun menoksi…

Pimeän aineen verkko

Credit: Van Waerbeke, Heymans & CFHTLens collaboration
Credit: Van Waerbeke, Heymans & CFHTLens collaboration

Emme voi nähdä sitä, emme voi tuntea sitä, emmekä voi reagoida sen kanssa, mutta pimeä aine on yksi maailmankaikkeutemme peruspilareista. Ensimmäiset vihjeet meille näkymättömän aineen olemassaolosta saatiin 1970-luvulla spiraaligalaksihavainnoista, joiden pyörimisprofiilin selittämiseksi pimeää ainetta ensimmäisenä ehdotettiin. Sittemmin tutkijat ovat osoittaneet, että pimeä aine hallitsee maailmankaikkeuden aineen määrää viisinkertaisella osuudellaan verrattuna näkyvään, atomeista koostuvaan aineeseen. Simulaatiot ovat osoittaneet, että maailmankaikkeus on järjestäytynyt verkkomaiseksi rakenteeksi, jossa pimeän aineen solmukohtiin on kerääntynyt näkyvän aineen keskittymiä, galaksijoukkoja, mutta toistaiseksi tutkijat eivät ole pystyneet osoittamaan tätä havaintojen pohjalta. Nyt kansainvälinen tutkimusryhmä käyttäen Canada-France-Hawaii -teleskooppia on onnistunut havaitsemaan pimeän aineen laajan mittakaavan verkkomaisen rakenteen. Mutta miten se on mahdollista, kun pimeää ainetta on mahdoton nähdä? Ratkaisu on käyttää itse pimeää ainetta havaintovälineenä. Tutkijat selvittivät miten etualalla sijaitsevat galaksijoukot kaareuttavat avaruutta, ja samalla vääristävät joukon takana olevien galaksien valoa, toimien ns. gravitaatiolinssinä. Tutkijat havaitsivat taustalla sijaitsevien galaksien näennäistä kaareutumista ja laskivat kuinka massiivinen etualan galaksijoukon täytyy olla, jotta havaittu kaareutuvuus pystyttiin toistamaan tietokonemallia apuna käyttäen. Näin pystytään arvioimaan galaksijoukon todellinen massa pimeä aine mukaanlukien. Vastaavasti pimeän aineen määrä saadaan vähentämällä kokonaismassasta näkyvän aineen eli tähtien ja galaksien massa, joka taas voidaan arvioida galaksijoukon kirkkauden perusteella. Tulokset pohjautuvat viiden vuoden aikana tehtyihin havaintoihin kymmenestä miljoonasta galaksista, joiden avulla yo. pimeän aineen kartta pystyttiin muodostamaan. Kartta vahvistaa edelleen käsitystä siitä, että maailmankaikkeuden rakenne koostuu tiheistä solmukohdista, massiivisista galaksijoukoista, joita yhdistää ohuet säikeet, jotka ympäröivät tyhjiä alueita.

Lehdistötiedote

Planeetat ovat ennemmin sääntö kuin poikkeus

Credit: ESO/Z. Bardon/ProjectSoft

Gravitaatiolinssien avulla voidaan tutkia myös muutakin kuin pimeää ainetta, nimittäin planeettoja. Samaan tapaan kuin galaksijoukot vääristävät joukon takana olevien galaksien valoa, niin yksittäinen tähti (ja sitä kiertävät planeetat) Linnunradassa voi vääristää sen takana sijaitsevan tähden valoa. Kaksi tähteä täytyy sijaita täsmälleen samassa linjassa Maasta katsottuna, jotta etualan tähden ja planeetan aihettama kirkkauden muutos on havaittavissa. Todennäköisyys sille, että kaksi tähteä sattuu sijaitsemaan näin on siis erittäin pieni. Onneksi Linnunradassa ei ole pulaa tähdistä, joten ratkaisu on havaita hyvin montaa eri tähteä ja toivoa parasta. Niinpä tähtitieteilijät ovat havainneet useampaa miljoonaa tähteä joka yö kuuden vuoden ajan. Kaiken kaikkiaan planeetan aiheuttamia gravitaatiolinssi-ilmiöitä havaittiin kokonaiset kolme kappaletta. Määrä ei ehkä kuulosta paljolta, mutta itseasiassa se on yllättävänkin paljon ottaen huomioon kuinka harvinainen kyseinen ilmiö on. Gravitaatiolinssimenetelmä on kohtuullisen herkkä metodi planeetan massan ja sen kiertoradan määrityksessä. Sitä voidaan käyttää havaitsemaan eksoplaneettoja joiden massa vaihtelee viidestä Maan massasta aina kymmeneen Jupiterin massaan saakka, ja jotka sijaitsevat 0.5-10 AU:n (1 AU = Maan keskimääräinen etäisyys Auringosta) etäisyydellä emotähdestään. Aiempien tutkimusten mukaan eksoplaneettojen massat tähtien ympärillä jakautuvat potenssilain mukaisesti vähentyen mitä raskaammiksi planeetat tulevat. Toisin sanoen keveiden, Maan massaisten, planeettojen määrä galaksissamme on suurempi kuin raskaiden Jupiterin kaltaisten planeettojen. Käyttäen hyväksi tätä tietoa, tutkijat pystyivät arvioimaan eri massaisten planeettojen määrää Linnunradassa pohjautuen uusiin gravitaatiolinssihavaintoihin eksoplaneetoista. Meillä ei tietenkään ole mitään syytä epäillä, että kyseiset havainnot olisivat jotenkin erityislaatuisia, vaan kyseessä on satunnainen otos Linnunradan tähdistä, joten havaintojen pohjalta tehty planeettojen määrän yleistys on sangen pätevä. Mikä tuo tulos sitten tarkkaan ottaen on? Tutkijat arvioivat, että keskimäärin jokaisen tähden ympärillä on 1.6 (+0.72/-0.89) planeettaa. Tämä ei siis merkitse sitä, että jokaisen tähden ympärillä olisi planeetta. Onhan Aurinkokunnassakin jo kahdeksan planeettaa. Mutta alkaa näyttää siltä, että sadan miljardin tähden lisäksi Linnunradasta löytyy myös sata miljardia planeettaa. Täytyy myös muistaa, että havainnot jättävät ulkopuolelle vielä planeetat, jotka ovat kevyempiä kuin viisi Maan massaa (Aurinkokunnassa tämä vastaa 50% planeetoista) ja jotka ovat lähempänä tai kauempana emotähdestä kuin 0.5-10 AU:ta (Aurinkokunnassa tämä koskee Merkuriusta, joka sijaitsee 0.4 AU:n etäisyydellä Auringosta, sekä Uranusta ja Neptunusta, jotka sijaitsevat 19.6 AU:n ja 30 AU:n etäisyydellä Auringosta). Eli mikäli joku toinen sivilisaatio Linnunradassa havaitsisi samalla tavalla Aurinkoa, se toteasi Aurinkoa kiertävän kaksi planeettaa: Jupiterin ja Saturnuksen. Näin ollen tuo 1.6 planeettaa per tähti on todennäköisesti vähemmän kuin todellinen planeettojen määrä Linnunradassa. Tämän tuloksen lisäksi tutkijat arvioivat, että jokaisella tähdellä on 17% todennäköisyys Jupiterin massaiseen planeettaan ja 52% todennäköisyys Neptunuksen massaiseen planeettaan. Olettaen, että planeettojen massan potenssilakijakauma pätee myös viittä Maan massaa kevyempiin planeettoihin, voidaan tuloksesta ekstrapoloida 67% todennäköisyys Maan massaiseen planeettaan kiertämässä kutakin Linnunradan tähteä.

ESO:n lehdistötiedote

Tieteellinen artikkeli

Saturnuksen kaksoisolento?

Credit: Michael Osadciw/University of Rochester

Havaitsemalla eksoplaneetan siluettia sen kulkiessa emotähdensä editse noin 420 valovuoden päässä Maasta tutkijat ovat löytäneet mahdollisesti Saturnuksen kaksoisolennon. Sco-Cen tähden (oikea nimi 1SWASP J140747.93-394542.6 tai ASAS J140748-3945.7) ympäriltä on löydetty eksoplaneetta, jolla todennäköisesti on ympärillään valtava rengasjärjestelmä. Yksi käytetyimmistä tavoista havaita eksoplaneettoja on nk. transit-metodi (kts. kuva alla), jossa eksoplaneetta kulkee emotähtensä editse ja näin ollen himmentää hieman tähden valoa. Pallomainen planeetta himmentää tähden valoa säännöllisesti, mutta Sco-Cen tähden valo havaittiin himmenevän erittäin epäsäännöllisesti. Jos Sco-Cen tähteä kiertävä kappale ei voi olla pallomainen planeetta, niin mikä se sitten on? Kappaleen havaittiin himmentävän maksimissaan jopa 95% tähden valosta, kun normaalisti eksoplaneetan havaitaan himmentävän emotähtensä valoa vain pari prosenttia. Ensiksi tutkijat yrittivät selittää tähden epätavallisen himmenisen johtuvan toisen tähden tai Sco-Cen tähden ympärillä olevan kaasu- ja pölykiekon avulla, mutta tulokset eivät vastanneet havaintoja. Parhaiten tähden himmenemisen selitti malli, jossa eksoplaneetta tai kevyt tähti, jolla on valtava kaasu- ja pölykiekko tai toisin sanoen rengasjärjestelmä, ohitti emotähden. Tässä tapauksessa kaasu- ja pölykiekon läpimitaksi saatiin huikeat 0.2-0.8 AU:ta. Verrattuna Saturnuksen renkaitten läpimittaan tämä kiekko on 200-800 kertaa suurempi. Tutkijat pystyivät myös päättelemään himmenemismallista, että renkaita on kolme kappaletta, joita erottaa samantyyppiset aukot kuin Saturnuksen renkaissa. Saturnuksen aukot ovat syntyneet sen kuiden vetovoiman aiheuttamista ratahäiriöistä, joten mikäli tämä sama efekti toimii Sco-Cen tähden ympärillä kiertävällä eksoplaneetalla, voisi se olla ensimmäinen epäsuora havainto eksokuista! Tähän mennessä tähden himmeneminen on havaittu vain kerran, joten Sco-Cen tähden kumppanin kiertoaikaa emotähden ympäri ei vielä tunneta. Todennäköisin vaihtoehto selittämään outo havainto on kuitenkin kaksoistähtijärjestelmä, jossa kaksi tähteä ovat eri evolutiivisessa vaiheessa. Näistä keveämmällä ja nuoremmalla tähdellä on vielä pöly- ja kaasukiekko ympärillään ja se kiertää vanhempaa tähteä, joka on puhaltanut jo oman kiekkonsa tähtienväliseen avaruuteen. Vastaavanlainen tähtijärjestelmä, jossa toista tähteä kiertää kaasu- ja pölykiekon omaava kappale on esimerkiksi ε Aurigae.

Ylhäällä: transit-metodin havainnekuva. Alhaalla vasemmalla: Sco-Cen:stä havaittu valokäyrä (mustat pisteet) ja siihen sovitettu eksoplaneetta ja rengasjärjestelmämalli (katkoviiva). Alhaalla oikealla: Nk. normaali eksoplaneetan aiheuttama emotähden himmenemisprofiili (Kepler 6b)

Lehdistötiedote

Tieteellinen artikkeli

Kolme vuotta maailmankaikkeutta Fermin silmin

 Jos näkisit näkyvän valon sijaan yli 1 GeV:n (miljardi elektronivolttia, eli noin miljardi kertaa näkyvän valon aallonpituutta pienempää) säteilyä ja katsoisit taivaalle, näkisit kutakuinkin seuraavanlaisen maiseman:

Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Yo. kuva näyttää gammasädesatelliitti Fermin havaitsevan koko taivaan kartan. Kirkkaampi väri vastaa kirkkaampia gammasädekohteita. Kuvasta näkyy kuinka diffuusi gammasädehehku täyttää taivaan ja on kaikista kirkkain Linnunradan tasossa (keskellä kuvaa). Tämä hehku syntyy kun kosmiset säteet törmäävät tähtienvälisen aineen kanssa ja kattaa noin 75% Linnunradan gammasäteilystä. Pistemäisistä kohteista (noin 500 kappaletta, kts. kuva alla) noin 10% on Linnunradassa sijaitsevia pulsareita ja supernovajäänteitä, yli puolet on  kaukaisia kvasaareja ja loput ovat toistaiseksi tuntemattomia kohteita.

Maailmankaikkeus tietokoneessa (ja tietokone maailmankaikkeudessa)

Mainokset

Tiedeviikko 45/10

Linnunradan gammasädehalo

Credit: NASA-Goddard

 

Tähtitieteilijät ovat löytäneet Linnunradan keskustasta kaksi laajenevaa 25000 valovuoden läpimittaista kuplaa, jotka säteilevät röntgen- ja gammasäteilyä. Kuplien olemassaolosta on saatu viitteitä aikaisemmista koko taivaan röntgenkartoituksista ja kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn kartoista, mutta vasta nyt NASA:n gammasädesatelliitti Fermi on vahvistanut niiden olemassaolon. Mikään aikaisempi Fermin havaitsema kohde ei vastaa juuri löydettyjä valtavia gammasädekuplia, joten tutkijat ajattelevatkin niiden olevan täysin uudentyyppinen kohde. Koska sijatsemme itse Linnunradassa, kuplat kattavat taivaasta yli puolet, Neitsyen tähdistöstä aina Kurjen tähdistöön saakka. Kuplien energia vastaa noin 100000 supernovan energiaa, ja tutkijat ovat ehdottaneet kahta vaihtoehtoa näin valtavan energisen ilmiön selitykseksi. Joko kyseessä on Linnunradan keskustassa tapahtunut räjähdysmäinen raskaiden tähtien syntyprosessi, jossa tähtien voimakkaat tähtituulet ovat lingonneet korkeaenergisiä hiukkasia avaruuteen, tai sitten kyseessä on Linnunradan keskustan supermassiivisen mustan aukon aktiivivaiheen jäänne. Ensiksimainitun ongelma on kuitenkin se, että kuplissa olevan energian syöttämiseen menisi tähtituulilta huomattavasti aikaa, joten toinen vaihtoehto vaikuttaa hieman todennäköisemmältä. Tähtitieteilijät ovatkin havainneet useammista aktiivisista galakseista hyvin energeettisiä hiukkassuihkuja niiden supermassiivisten mustien aukkojen läheisyydestä, suihkujen ulottuessa aina satoihin tuhansiin valovuosiin asti. Tähän mennessä oma musta aukkomme on kuitenkin pysytellyt hiljaisena ja havaintoja hiukkassuihkuista ei ole. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, ettei niitä olisi aikaisemmin ollut olemassa. Linnunradan keskustan musta aukko on noin 400 miljoonaa kertaa massiivisempi kuin Aurinko, ja se ei ole voinut kasvaa niin suureksi vain istuskellessaan hiljaa paikallaan. Todennäköisesti sillä on ollut erittäin aktiivisia jaksoja, jolloin paljon materiaa on pudonnut aukkoon. Osa mustaan aukkoon kertyvästä materiasta linkoutuu kuitenkin voimakkaiden magneettikenttien avustuksella poispäin aukosta muodostaen hiukkassuihkut. Supermassiivisen mustan aukon hiukkassuihkut pystyisivät selittämään kuplien energiamäärän noin 10000-100000 vuoden aktiivijaksolla, joka on vain silmänräpäys galaksin elämässä.

Tieteellinen artikkeli

Tarkin pimeän aineen kartta

Credit: NASA, ESA, D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory/California Institute of Technology, and Space Telescope Science Institute), N. Benitez (Institute of Astrophysics of Andalusia, Spain), T. Broadhurst (University of the Basque Country, Spain), and H. Ford (Johns Hopkins University)

 

Käyttäen Hubble -avaruusteleskoopin kuvia hyväkseen tutkijat ovat pystyneet kartoittamaan pimeän aineen jakauman 2.2 miljardin valovuoden etäisyydellä sijaitsevasta Abell 1689 galaksijoukosta. Säteilemättömän ja vuorovaikuttamattoman (paitsi painovoimansa kautta) aineen havaitseminen on äärimmäisen hankalaa, mutta tähtitietelijät ovat yrittäneet tehdä sitä jo yli kymmenen vuotta. Abell 1689 toimii gravitaatiolinssinä taustalla sijaitseville galakseille, joiden valo voimistuu ja vääristyy galaksijoukon painovoimakentän mukaisesti. Mittaamalla kaikkien taustagalaksien valon vääristymän, tutkijat pystyivät rakentamaan ensimmäistä kertaa painovoimakartan galaksijoukosta, joka pystyy selittämään kerralla kaikki gravitaatiolinssi-ilmiöt Hubblen kuvista. Vertaamalla mallista saatua aineen jakaumaa galaksijoukosta havaittavaan säteilevään aineeseen, saadaan tulokseksi kartta aineesta joka ei säteile, vaan vaikuttaa ainoastaan painovoimansa kautta, eli pimeästä aineesta. Pelkästään näkyvän aineen aiheuttama painovoima ei pystyisi vääristämään takana olevien galaksien valoa yhtä paljon kuin Hubblen kuvista näkyy. Tutkimus antaa vihjeitä myös vielä pimeää ainettakin oudommasta universumin komponentista, pimeästä energiasta, ja sen roolista maailmankaikkeuden historiassa. Nykyisten kosmologisten teorioiden mukaan pimeä energia on tyhjiön energiaa, joka venyttää avaruutta laajentaen sitä kiihtyvällä tahdilla. Jotta niinkin suuria rakenteita kuin galaksijoukkoja pystyisi muodostumaan, täytyy niiden pystyä vastustamaan painovoimallaan pimeän energian luotaantyöntävää voimaa. Tutkimus vahvistaa Abell 1689 galaksijoukosta tehdyt aikaisemmat pimeän aineen tulokset, joiden mukaan galaksijoukon keskustassa on huomattava määrä pimeää ainetta, enemmän kuin olisi odotettavissa Abell 1689:n kokoiselta galaksijoukolta. Niinpä tutkijat päättelivät, että galaksijoukkojen on täytynyt muodostua hyvin varhaisessa vaiheessa maailmankaikkeuden alkutaipaleella, jolloin universumi oli tiheämmin pakattu ja pimeää ainetta oli vielä runsaasti tarjolla.

Tieteellinen artikkeli

Higgs?

Yksi suurista LHC -hiukkaskiihdyttimen tavoitteista on havaita Higgsin hiukkanen – osa mekanismista, jonka fyysikot ajattelevat antavan aineelle massan. LHC:n CMS -ilmaisin ilmoitti, että se on tehnyt ensimmäisen havainnon Z-bosoniparista. Z-bosonit ovat heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia samaan tapaan kuin fotonit ovat sähkömagneettisen ja gluonit vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia. Mikäli Higgsin hiukkanen on raskas, se todennäköisesti hajoaa kahdeksi Z-bosoniksi. Z-bosonit vuorostaan hajoavat korkeaenergisiksi myoneiksi (vähän kuin raskaampi versio elektronista), jotka matkaavat suoraan halki CMS:n voimakkaan magneettikentän (kts. kuva ylhäällä). Niinpä CMS mahdollisesti havaitsi Higgsin hiukkasen hajoamisen. Tai sitten ei. On olemassa myös muita reaktioita, jotka voivat tuottaa Z-bosoneja, esimerkiksi ne voivat syntyä suoraan protoni-protoni törmäyksessä. Mutta kuten monessa muussakin asiassa korkeaenergiafysiikassa, tilastot ovat kaikki kaikessa. Tarvitaan ehkä noin sata vastaavanlaista tapahtumaa, jotta voidaan sanoa mistä Z-bosonit oikein tulevat. LHC on juuri ryhtynyt törmäyttämään lyijyatomeita, joten protonitörmäyksiä joudutaan odottelemaan ensi vuoteen. Mutta kenties saimme nähdä ensimmäisen pilkahduksen Higgsin hiukkasesta jo tänä vuonna. Lisää tietoa törmäyksestä täällä (englanniksi).


Tiedeviikko 35/10

Peregrinen solitoni

Tutkijat ovat viimein yli 25 vuoden päänraapimisen jälkeen onnistuneet demonstroimaan nk. Peregrinen solitonin laboratorio-olosuhteissa. Peregrinen solitoni on erikoistapaus solitonista, aallosta, joka etenee väliaineessa huomattavia etäisyyksiä vakionopeudella säilyttäen muotonsa. Peregrinen solitoni on hyvin suuri ja eristäytynyt ympäristöstään. Tutkijat arvelevat esimerkiksi valtavien hyökyaaltojen, jotka näyttävät ilmestyvän tyhjästä (tosin myrskyn aikaan, kts. Deadliest Catch -video alla) ja keikauttavat risteilyaluksien kokoisia laivoja kumoon, olevan malliesimerkki Peregrinen solitonista valtamerissä. Tähän mennessä ilmiö on pystytty selittämään teoreettisesti, jonka mukaan suuri aalto muodostuu useammista pienemmistä aalloista, mutta kokeellisesti sitä ei olla pystytty vielä todistamaan. Tehdäkseen keinotekoisen Peregrinen solitonin tutkijat lähettivät valokuitua pitkin epälineaarisia, sykkiviä valoaaltopaketteja, nk. hengittäjiä (breathers). Ajoittamalla hengittäjien koon ja etäisyyden toisistaan juuri oikein, tutkijat pystyivät yhdistämään ne yhdeksi suureksi aalloksi, Peregrinen solitoniksi. Tutkijat toivovat, että meteorologit pystyvät käyttämään tutkimuksen informaatiota hyväkseen ja ennustamaan tulevaisuudessa yllätyksellisiä hyökyaaltoja. Peregrinen solitonin ratkaisu ulottuu myös epälineaariseen matematiikkaan ja erityisesti se voi asettaa rajoituksia joukolle ratkaisuja kvanttimekaniikan epälineaarisessa Schrödingerin yhtälössä.

Tieteellinen artikkeli

Säieteoria sittenkin testattavissa?

Credits: XKCD

Säieteoria on 1960-luvulta lähtien toitotettu olevan ns. kaiken teoria, joka pystyisi selittämään kaiken olemassa olevan, mutta erityisesti sen meriitti on mikromaailmaa kuvaavan kvanttimekaniikan ja makromaailmaa kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian yhdistäminen yhden teorian alle. Säieteoriassa pistemäiset hiukkaset on korvattu yksiulotteisilla suljetuilla tai avonaisilla säikeillä, jotka liikkuvat ja sykkivät eri tavoin antaen hiukkasille niiden havaitun massan, varauksen, spinin ja maun. Teoria on kuitenkin saanut kovaa kritiikkiä siitä, että se ei ole kokeellisesti tai havainnollisesti testattavissa. Tutkijat ovat nyt kuitenkin löytäneet tavan, jolla säieteorian toimivuutta voidaan testata. Tutkimusryhmä Lontoon Imperial Collegesta yllätyksekseen huomasi, että eräs säieteorian mustia aukkoja kuvaava ratkaisu vastasi myös kolmen kubitin välisen kvanttimekaanisen lomittumisen matemaattista kuvausta. Käyttäen hyväkseen kahta maailmankaikkeuden erikoisimmista ilmiöistä, mustia aukkoja ja kvanttilomittumista, tutkijat pystyivät laatimaan ennustuksen mitä tapahtuu, kun neljä kubittia ovat kvanttilomittuneita toistensa kanssa. Vaikka se onkin teknisesti erittäin vaikeaa, neljän kubitin kvanttilomittumisen mittaus on mahdollista suorittaa laboratoriossa ja näin ollen testata ennustuksen (ja säieteorian) paikkansapitävyyttä. Positiivinen tulos ei kuitenkaan vielä merkitse, että säieteoria olisi ”kaiken teoria”, mutta se olisi todiste, että säieteoria toimii ainakin jossain eikä se jäisi yli neljänkymmenen vuoden tutkimisen jälkeen matemaattiseksi kuriositeetiksi. Tutkijat eivät kuitenkaan pystyneet osoittamaan, että tutkimuksessa löydettyyn yhteyteen säieteorian ja kvanttilomittumisen välillä olisi joku järkevä syy. Se voi kertoa maailmankaikkeudesta jotain syvällistä tai sitten se voi olla vain sattuman kauppaa. Jää nähtäväksi.

Viikon video: Supernova 1987A

Hubble -avaruusteleskoopin ottama kuva-aikasarja 12 vuoden ajalta (1994-2006), jossa massiivisen tähden puhaltama kaasupilvi kirkastuu helminauhamaiseksi renkaaksi shokkiaallon, joka on syntynyt tähden myöhemmin räjähdettyä supernovana, kohdatessa pilven.


Tiedeviikko 32+33/10

Työkiireiden vuoksi kaksi edellistä viikkoa on tällä kertaa niputettu yhteen.

Rubiikin kuution ratkaisu

Googlen lahjoittaman 35 CPU-vuoden (1.1 miljardia sekuntia Intel Nehalem, four-core, 2.8GHz prosessorilla tai vastaavalla) laskuajan avulla tutkijat ovat ratkaisseet rubiikin kuution kaikilla mahdollisilla alkutilanteilla ja todenneet, että ne ovat ratkaistavissa 20:llä tai vähemmällä määrällä siirtoja. Kaikkien mahdollisten alkutilanteiden määrä on 43252003274489856000, jotka tutkijat jakoivat 2217093120 ryhmään sopivalla tavalla, joissa jokaisessa on 19508428800 alkutilannetta. Symmetrian avulla (esim. yksi alkutilanne saadaan toisesta kääntämällä kuutio ylösalaisin) ryhmien määrä pystyttiin rajaamaan 55882296 kappaleeseen. Koska vaikeimman tunnetun alkutilanteen ratkaisemiseen vaaditaan 20 siirtoa, tutkijoiden tekemä algoritmi suunniteltiin ratkaisemaan kuutio 20:llä tai vähemmällä määrällä siirtoja, ei optimaalisimmalla määrällä. Algoritmi vaati yhden alkutilanteen ratkaisemiseksi noin 20 sekuntia. Rubiikin kuutio keksittiin reilu kolmekymmentä vuotta sitten, viisitoista vuotta sitten keksittiin ensimmäinen 20 siirtoa vaativa alkutilanne ja nyt viisitoista vuotta myöhemmin on todistettu, että mikä tahansa Rubiikin kuution alkutilanne on ratkaistavissa 20:llä tai vähemmällä määrällä siirtoja.

Cube20 -sivusto

Einstein@Home löysi epätavallisen pulsarin

Credit: NAIC/Arecibo Observatory/NSF

Einstein@Home on yksi BOINC-ohjelmistoa käyttävistä projekteista, joka käyttää kotitietokoneiden prosessoreiden ylijäämäaikaa näyttösäästäjän muodossa suorittaakseen hajautetusti vaativia laskuja. Enimmäkseen Einstein@Home -projekti on tarkoitettu gravitaatioaaltojen etsimiseen maailmankaikkeudesta, mutta siinä sivussa se on käyttänyt kotitietokoneita käymään läpi dataa radioteleskoopilta ja löytänyt erikoisen pulsarin. Pulsarit ovat nopeasti pyöriviä neutronitähtiä, jotka ovat muodostuneet tähden räjähtäessä supernovana. Niiden nopea pyöriminen aiheuttaa neutronitähden navoilta syntyvän säteilyn pyyhkiytymisen majakan lailla Maan yli luoden jaksottaisia välähdyksiä. Pulsareiden alkuvaiheessa niiden pyöriminen on hyvin nopeaa ja säteily energeettistä röntgensäteilyä, mutta ajan kuluessa pyörimisnopeus hidastuu ja säteily siirtyy loppujen lopuksi radiotaajuuksille. Vuodesta 2009 alkaen Einstein@Home alkoi etsiä radiotaajuuspulsareita käyttäen radiodataa Arecibo -teleskoopilta (tuttu James Bondista). Kotikäyttäjät saavat dataa noin viiden minuutin verran, josta tietokone etsii jaksollisia signaaleja pulsareista. Heinäkuussa yksi käyttäjistä löysi jaksollisen signaalin, joka myöhemmin vahvistettiin lukuisilla teleskoopeilla olevan pulsari PSR J2007+2722. Tutkijat huomasivat kuitenkin pulsarista jotain epätavallista. PSR J2007+2722:lta puuttui pulsareita normaalisti ympäröivä kaasupilvi ja intensiivistä röntgensäteilyä ei röntgensatelliittihavainnoilla löydetty. Tutkijat arvelevatkin kyseessä olevan ns. häiriintynyt ja kierrätetty pulsari, jolla alunperin on ollut seuralaistähti, mutta jokin häiriö tässä kaksoistähtijärjestelmässä on aiheuttanut sen hajoamisen, antaen samalla pulsarille lisää pyörimisvauhtia.

Science-lehden artikkeli

Lisää valoa pimeään

Credits: NASA, ESA, Jullo (JPL), Natarajan (Yale), Kneib (LAM)

Viitisenkymmentä vuotta sitten tähtitieteilijät vielä tutkivat taivaan kohteita, jotka lähettivät tai heijastivat säteilyä, joka oli havaittavissa sopivalla teleskoopilla ja instrumentilla. Nykyään tähtitieteessä on kuitenkin siirrytty enemmässä määrin havaitsemaan kohteita, jotka eivät säteile (tosin havaitsemalla näkymättömien kohteiden vaikutuksia säteileviin kohteisiin). Viime aikoina erityistä huomiota ovat saaneet pimeä aine ja pimeä energia, jotka kaikkien yllätykseksi osoittautuivat kattamaan 96% maailmankaikkeuden massasta (tai energiasta muistaen, että E=mc²). Näistä kahdesta pimeän energian osuus on noin 72% ja se on vastuussa maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisesta. Laajeneminen on siis avainsana pimeän energian tutkimisessa ja ensimmäisenä maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen huomattiin vuonna 1998 tutkimalla kaukaisia tyypin Ia supernovia, jotka toimivat tähtitieteessä ns. standardikynttilöinä. Sen jälkeen vahvistuksia laajenemiselle on tipahdellut taisaiseen tahtiin, mm. tutkimalla mikroaaltotaustasäteilyä, galaksijoukkojen määrää maailmankaikkeudessa tai baryonisia akustisia värähtelyjä, jotka kaikki suosivat pimeän energian määräksi maailmankaikkeudessa noin 72%, tosin suhteellisen suurilla virherajoilla. Jos virherajat ovat suuret ja huomattavaa parannusta tuloksiin ei ole tiedossa lähitulevaisuudessa, on tärkeää tutkia samaa kohdetta toisistaan riippumattomilla menetelmillä, jolloin yhdistämällä eri menetelmien virheet saadaan tuloksesta yleensä huomattavasti tarkempi. Science-lehdessä juuri julkaistu tutkimus esitteleekin uuden menetelmän, jolla pimeää energiaa voidaan havaita, ja yhdistämällä uudet tulokset vanhojen kanssa pimeän energian parametrien tarkkuutta on huomattavasti parannettu. Tutkijat havaitsivat Hubble-avaruusteleskoopilla sekä maanpäällisillä Keck ja VLT -teleskoopeilla galaksijoukkoa Abell 1689, joka toimii gravitaatiolinssinä 34:lle kaukaisemmalle galaksille. Mallintamalla kuinka paljon ja millä tavalla kaukaisten galaksien säteily vääristyy matkalla maailmankaikkeudessa galakseista Maahan, tutkijat pystyivät arvioimaan maailmankaikkeuden rakennetta olettaen, että Abell 1689 galaksijoukon aiheuttaman painovoiman vaikutus fotonien ratoihin on tunnettu. Tämä tietysti edellyttää (tavallisen ja pimeän) aineen jakauman tarkkaa tuntemista galaksijoukossa, jonka virhe tutkimuksessa on merkittävä. Myöskään fotoneiden ratoihin vaikuttavaa muuta painovoimalähdettä matkalla galakseista Maahan ei voida sulkea pois, mikä aiheuttaa lisää virhettä tuloksiin. Kaikesta virheista huolimatta, yhdistämällä uudet tulokset vanhojen supernovista ja kosmisesta taustasäteilystä saatujen tulosten kanssa, virherajoja saatiin pudotettua 30%. Uusien yhdistetyjen tulosten mukaan maailmankaikkeuden materiatiheys on 0.23 ja 0.33 välillä ja pimeän aineen tilanyhtälön parametri w, eli paineen ja energiatiheyden suhde on -1.12 ja -0.82 välillä 99% luottamustasolla. w:n negatiivinen arvo tulee pimeän energian negatiivisestä paineesta, joka on vastuussa maailmankaikkeuden laajenemisesta. Nk. ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter) -maailmankaikkeuden mallissa w:n arvo -1 pimeälle energialle vastaa yleisen suhteellisuusteorian kosmologista vakiota. Tutkijoille on kuitenkin vielä epäselvää, mitä pimeä energia oikeastaan on.

Kosminen tulivuori

Credits: X-ray (NASA/CXC/KIPAC/N. Werner, E. Million et al); Radio (NRAO/AUI/NSF/F. Owen)

Fysiikan yksi kauneus piilee siinä, että sama ilmiö voidaan rinnastaa hyvin eri kokoluokan kohteille. Nyt tutkijat ovat löytäneet samankaltaisuuksia tulivuori Eyjafjallajökullin purkauksesta ja supermassiivisen mustan aukon purkauksesta M87 galaksin keskustassa. M87 sijaitsee noin 55 miljoonan valovuoden päässä keskellä suhteellisen läheistä Neitsyen galaksijoukkoa ja sen keskustan musta aukko painaa hulppeat 4 miljardia auringonmassaa (vrt. Linnunradan keskustan musta aukko painaa 4 miljoonaa auringonmassaa). Yhdistämällä Chandra -röntgensatelliitin (sininen väri yo. kuvassa) ja VLA -radioteleskoopin (puna-oranssi) kuvat M87:stä, tutkijat arvelevat supermassiivisen mustan aukon linkoamien hiukkassuihkujen toimivan kosmisena ehkäisymenetelmänä galaksin tähtiensynnylle. Galaksijoukossa galaksien välissä esiintyy erittäin kuumaa kaasua, joka säteilemällä röntgensäteilyä jäähtyy ja putoaa kohti galaksien keskustoja, joissa se jäähtyy vielä enemmän ja muodostaa uusia tähtiä. M87:n tapauksessa supermassiivisen mustan aukon hiukkassuihkut kuitenkin häiritsevät tätä prosessia. Ne kuljettavat mukanaan keskustan kylmää kaasua ja muodostavat shokkiaaltoja galaksissa liikkuessaan yliäänennopeudella (kts. kuva alla).

Credits: X-ray (NASA/CXC/KIPAC/N. Werner, E. Million et al); Radio (NRAO/AUI/NSF/F. Owen)

Samantapainen ilmiö havaittiin Eyjafjallajökullin purkauksissa, jossa kuuman kaasun taskuja purkautui laavakerroksen läpi aiheuttaen shokkiaaltoja, jotka voitiin havaita kulkevan tulivuoresta nousevan savun läpi. Kuuma kaasu kohoaa sitten nopeasti ilmakehään vetäen mukaansa tummanharmaata tuhkaa (kts. video).

Chandra X-ray Center:in lehdistötiedote


Tiedeviikko 29/10

Uusi tähtien kokoluokka

R 136 tähtijoukon sijainti Suuressa Magellanin pilvessä lähtien Tarantellasumusta (vasen, näkyvän valon kuva) ja päätyen R 136 tähtijoukkoon (oikea). Credit: ESO/P. Crowther/C.J. Evans

Tähtitieteilijät ovat löytäneet maailmankaikkeudesta tähän mennessä kirkkaimmat ja massiivisimmat tähdet. Suurin niistä on jopa 265 kertaa massiivisempi ja kymmenen miljoonaa kertaa kirkkaampi kuin Aurinko. Wow! Erityisen merkittäväksi löydön tekee se, että kukaan ei uskonut maailmankaikkeudesta löytyvän yli 150 auringonmassaisia tähtiä perustuen tähtien massan jakaumaan tähtijoukoissa sekä teorioihin tähtien rakenteesta. Tähden pitää koossa sen keskustan ydinfuusioiden säteilypaineen sekä tähden vetovoiman välinen tasapaino. Yli 150 massaisten tähtien on arveltu omaavan liian suuren säteilypaineen, jota tähden gravitaatio ei pysty enää kompensoimaan. Tutkijat löysivät jättiläistähdet ESO:n VLT -teleskoopilla havaitessaan kahta tähtijoukkoa NGC 3603 ja RMC 136a. RMC 136a sijaitsee 165 000 valovuoden päässä Suuressa Magellanin Pilvessä, ja tutkijat löysivät sen noin 100 000 tähden joukosta neljä yli 150 auringonmassaista tähteä. Yksi niistä, nimeltään R136a1, on juuri yllä mainittu kaikista massiivisin ja kirkkain tähän mennessä havaituista tähdistä. Koska massiiviset tähdet syntyvät raskaina ja elämänkaarensa aikana menettävät huomattavia määriä ainetta tähtituulien avulla, on R136a1 ollut syntyessään vieläkin raskaampi, tutkijoiden mukaan noin 320 auringonmassainen jättiläinen. Kuinka se on päätynyt niinkin suureksi on vielä tutkijoille suuri mysteeri. Yli 150 auringonmassaiset tähdet tuovat myös uuden päätöspisteen tähtien evoluutiolle: ei mitään. Yleensä kulutettuaan polttoaineensa loppuun tähti päätyy joko valkoiseksi kääpiöksi, neutronitähdeksi tai mustaksi aukoksi. Mutta nk. pair-instability supernova -teorian mukaan yli 150 auringonmassaisten, elämänsä loppuvaiheessa olevien tähtien säteily on niiden keskustassa niin intensiivistä, että fotonit muuttuvat spontaanisti elektroni-positroni pareiksi aiheuttaen supernovan, josta ei jää jäljelle yhtään mitään.

Tähtien kokoluokat pienimmästä (punaiset kääpiöt) suurinpaan (R136a1). Credit: ESO/M. Kornmesser

ESO:n lehdistötiedote

Kvanttimekaniikka selvisi kolmoisrakokeesta

Yksi kuuluisimpia kvanttimekaniikan outouksia esittelevistä kokeista on kaksoisrakokoe. Siinä läpinäkymätöntä kappaletta sisältäen kaksi pientä rakoa valaistaan, jonka seurauksena valon fotonit interferoivat keskenään kulkiessaan rakojen läpi luoden aaltomaisen kuvion kappaleen toisella puolella koostuen kirkkaammista huipuista ja himmeämmistä laaksoista vastaten kohtia, joissa fotonien aallonpituudet interferoivat konstruktiivisesti tai destruktiivisesti. Okei, sama ilmiö esiintyy esimerkiksi vedellä, no big deal, mutta entäs jos sama koe toistetaan siten, että lähetetään fotoneita yksi kerrallaan kohti kaksoisrakoa? Tulokseksi saamme täsmälleen saman interferenssikuvion. Kulkiessaan kaksoisraon läpi, fotoni itseasiassa kulkee sen läpi todennäköisyysaaltona, ja nämä todennäköisyydet, eli missä fotoni todennäköisesti sijaitsee, interferoivat keskenään rakojen toisella puolen. Nyt alkaa kuulostaa kvanttimekaniikalta. Sama koe voidaan toistaa myös aineella, esimerkiksi elektroneilla, joka intuitiivisesti on ”kiinteää” ainetta, mutta kohdatessaan kaksoisraon sekin käyttäytyy todennäköisyysaaltona. Mitä sitten tapahtuu jos rakoja onkin enemmän kuin kaksi? Uuden tutkimuksen mukaan, jossa testattiin miten fotonit käyttäytyvät kohdatessaan kahden raon sijasta kolme, vastaus on jokseensakin tylsä: ei mitään. Kokeessa tuloksena syntynyt interferenssikuvio pystyttiin selittämään sekoituksena monesta eri kaksoisrakointerferenssistä. Tutkimus on kuitenkin merkittävä siinä suhteessa, että se vahvistaa nk. Bornin lain (1% virhemarginaalilla) eli yhden kvanttimekaniikan aksiooman, jonka mukaan kvanttimekaanista interferenssiä voi tapahtua vain kahden todennäköisyyden välillä. Teoreettisten fysiikkojen graalin malja on yhdistää kvanttimekaniikka sekä yleinen suhteellisuusteoria, ja lähtökohtana yhdistymiselle on haettu jommankumman teorian yleistystä niin, että se sisältäisi molemmat teoriat. Kvanttimekaniikan yleistys vaatisi Bornin lain rikkomista ja kokeellisesti se ei näyttäisi olevan mahdollista.

Science-lehdessä julkaistu tieteellinen artikkeli

Kvasaari gravitaatiolinssinä

Credit: Courbin, Meylan, Djorgovski, et al., EPFL/Caltech/WMKO

Gravitaatiolinssi on suhteellisuusteorian ennustama ilmiö, joka toimii tähtitieteilijöiden iloksi maailman suurimpana teleskooppina. Siinä taustalla olevan kohteen valo taipuu edustalla sijaitsevan massiivisen kohteen gravitaation ansiosta muodostaen useamman suurentuneen kuvan taustakohteesta. Gravitaatiolinssi on erityisesti kätevä kun tutkitaan erittäin kaukaisia kvasaareja, joiden valo taipuu läheisempien galaksien painovoiman avustuksella. Tutkijat ovat kuitenkin löytäneet nyt ensimmäisen kvasaarin, joka toimii gravitaatiolinssinä kaukaisemmalle galaksille. Kvasaari SDSS J0013+1523 sijaitsee 1.6 miljardin valovuoden päässä ja sen ympäriltä havaittiin kaksi vääristynyttä kuvaa galaksista, joka sijaitsee 5.9 miljardin valovuoden päässä kvasaarin takana. Koska kvasaarin keskustan supermassiivinen musta aukko voi kirkkaudellaan peittää koko sen kotigalaksin kaikkien tähtien yhteenlasketun valon on itse kotigalaksin tutkiminen erittäin vaikeaa. Kyseessä olevan tutkimuksen ansiosta kvasaarin kotigalaksin massa kuitenkin pystyttiin laskemaan hyvinkin tarkasti perustuen juuri gravitaatiolinssi-ilmiöön.

Tieteellinen artikkeli (arXiv)

Viikon video: Kaikki räjäytetyt atomipommit 1945-1998

2053. Ei järjen hiventäkään.

[blip.tv ?posts_id=1671472&dest=-1]


Newton ja Omena

Tarinoilla on ollut aina erityisasema kulttuurissamme. Ihmisen kyky samaistua tarinoihin auttaa meitä muistamaan tapahtumien kulun, syyt ja seuraukset. Tarinoiden voimin pystymme siirtämään tarpeellista tietoa selviytymisestä, kulttuureista ja uskomuksista. Ne ovat myös osa tieteellisen tiedon välittämistä, analogioita, joilla pyritään välittämään joku tieteellinen prosessi helposti nieltävässä annoksessa. Välillä analogiat vievät meitä harhaan, poispäin todellisesta efektistä, ja välillä ne voivat yhdessä tarinassa välittää olennaisesti koko tieteellisen prosessin. Näitä jälkimmäisiä kutsutaan yleensä älynväläyksiksi tai nykypäivän elämysyhteiskunnassa ahaa-elämyksiksi. Yksi tieteen historian kuuluisimpia älynväläyksiä on tarina Arkhimedeen laista. Siinä älynväläys on puettu kylpyreissun päätteeksi tapahtuvaan ajatustoimintaan ja lisäpontta sen merkittävyyteen tuodaan peseytymisen jälkeisellä exhibitionismillä ja historiaan jääneellä huudahduksella: heureka! Se on sivuseikka tapahtuiko itseasiassa näin vai ei, ja yleensä tarinat ovatkin suurimmalta osaltaan vain väritettyjä versioita todellisuudesta.

Äskettäin saatiin lisää valoa toisen kuuluisan analogian syntyperään. Kyseessä on Sir Isaac Newtonin painovoimateoriaan johtanut älynväläys, johon oletettavasti liittyi puusta putoava omena. Tarinan versiosta riippuen Newtonin päähän tippui omena, tai hän seurasi kun omena tippui puusta, mikä johti painovoiman olemassaolon tajuamiseen. Nyt Royal Society on julkaissut digitaalisen version William Stukeleyn Newton-elämänkerrasta, joka julkaistiin 25 vuotta Newtonin kuoleman jälkeen vuonna 1752. Siinä Stukeley kertoo eräästä päivällisestä Newtonin seurassa ja sen jälkeisestä teehetkestä puutarhassa omenapuiden katveessa, kun he huomasivat omenan tippuvan puusta. Silloin Newton oli tokaissut, että juuri samanlaisella hetkellä oli painovoimateoria juolahtanut hänen mieleensä. Hän oli istuskellut mietteissään ja huomattuaan omenan tipahtavan puusta ryhtynyt pohtimaan miksi se putoaa aina kohtisuoraan maata vasten. Joko Newtonille oli oikeasti käynyt näin tai sitten hän käytti kuvaillessaan teoriaansa helposti nielaistavaa analogiaa: omenaa. Joka tapauksessa se jätti lähtemättömän vaikutuksen tuleville sukupolville.