Category Archive
The following is a list of all entries from the Tiedeviikko category.
Nobel-viikko
Fysiikan Nobel
- Credit: NASA/WMAP Science Team
Fysiikan Nobel meni tällä kertaa kolmelle tähtitieteilijälle: Saul Perlmutterille, Adam Riessille ja Brian Schmidtille, jotka supernovahavaintojen pohjalta osoittivat, että maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä nopeudella. Maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen havaitseminen tuli tutkijoille täydellisenä yllätyksenä, mutta sitä pohjustamassa ovat monet havainnot, mm. tyypin Ia supernovista (kts. lyhyt johdatus supernoviin), ns. maailmankaikkeuden standardikynttilöistä, joiden järjestelmällisestä havaitsemisesta tuoreet nobelistit pokkasivat palkintonsa. Aiemmin tutkijat ajattelivat, että alun perin Edwin Hubblen havaitsema maailmankaikkeuden laajeneminen ennen pitkää pysähtyy galaksien välisen painovoiman vastustaessa laajenemista ja hiljalleen maaailmankaikkeus alkaisi pienentyä ja luhistua kasaan. Supernovahavainnot kuitenkin selvästi osoittavat, että maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä nopeudella, eli havaitsemme kauempana olevien galaksien etääntyvän meistä nopeammin kuin lähempänä olevat galaksit. Itseasiassa tämä on juuri Perlmutterin, Riessin ja Schmidtin tutkimusryhmien tulos. He havaitsivat eri etäisyyksillä sijaitsevissa galakseissa räjähtäviä tyypin Ia supernovia, joiden kirkkaus on standardisoitavissa, ja näin ollen niiden avulla pystytään määrittämään galaksien etäisyys. Havaintojen mukaan tyypin Ia supernovien kirkkaus vaihtelee hieman supernovasta toiseen, mutta räjähdyksien keston ja kirkkauden välillä havaittiin yhteys vuonna 1990, jonka avulla eri etäisyyksillä tapahtuvien supernovien kirkkaudet pystyttiin standardisoimaan. Supernovat ovat erittäin harvinaisia, keskimäärin niitä tapahtuu kerran sadassa vuodessa per galaksi. Onneksi maailmankaikkeudessa on kuitenkin runsaasti galakseja tarjolla ja näin ollen supernovia pystytään havaitsemaan hieman inhimillisemmällä aikataululla. Perlmutter, Riess ja Schmidt havaitsivat mahdollisimman suurta osaa taivaasta kolmen viikon välein, ja vertasivat havaintoja aikaisempiin saadakseen selville mikäli uusia supernovia oli ilmestynyt taivaalle. Jos supernovakandidaatteja löytyi, niitä havaittiin tehokkaammilla teleskoopeilla, jotta niiden supernovatyyppi saatiin määritettyä. Mikäli supernova havaittiin tyypin Ia supernovaksi, sitä havaittiin aina siihen asti kunnes räjähdys oli himmentynyt olemattomiin, josta purkauksen kesto ja näin ollen sen absoluuttinen kirkkaus pystyttiin laskemaan. Kaiken kaikkiaan Perlmutter, Riess ja Schmidt havaitsivat 52 supernovan kirkkauden ja huomasivat kauempana olevien supernovien olevan himmeämpiä kuin odotettiin, eli toisin sanoen sijaitsevan kauempana kuin odottettiin. Näytti myös siltä, että himmeneminen ei johtunut galaksin tai galaksienvälisen avaruuden välisestä kaasusta ja pölystä, koska supernovista ei havaittu merkittävää ”punastumista”. Kaasu ja pölypilvet sirottavat enemmän sinistä kuin punaista valoa tehden kohteista, joiden valo kulkee pilvien läpi punaisempia.
Kosmologeilla ei kestänyt kauan kaivaa pöytälaatikoistaan vastaus maailmankaikkeuden kiihtyvälle laajenemiselle, ja suhteellisen pian nk. pimeä energia nostettiin vastuuseen kiihtyvästä laajenemisesta. Itseasiassa Einsteinin kehittämä ja hylkäämä kosmologinen vakio, Λ, yleisessä suhteellisuusteoriassa pystyi selittämään pimeän energian ja maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen. Tämän lisäksi pimeä energia ratkaisi kertaheitolla myös muita siihen aikaan kosmologien pähkäilemiä ongelmia, kuten miksi maailmankaikkeus vaikutti nuoremmalta kuin sen vanhimmat tähdet, miksi maailmankaikkeudessa ei näyttänyt olevan tarpeeksi ainetta, ja miksi suuren mittakaavan rakenteet olivat tasaisia. Sittemmin pimeän energian olemassaololle on tullut vahvistuksia muista havainnoista, kuten mikroaaltotaustasäteilyn, joka mittaa maailmankaikkeuden sisältämää energiaa (sisältäen myös aineen), ja galaksien sekä galaksijoukkojen sisältämän aineen välisestä erosta. Laskettaessa yhteen aineen määrä maailmankaikkeudessa (mukaan lukien pimeä aine) saadaan vain 27% kaikesta energiasta, joka on mitattu mikroaaltotaustasäteilystä. Näin ollen 73% energiasta jää käyttämättä johonkin näkymättömään asiaan, joka ei ole ainetta: eli pimeään energiaan. Tämä pimeän energian määrä on myös juuri oikea selittämään havaittu maailmankaikkeuden laajeneminen. Pimeää energiaa tukevat myös havainnot nk. baryonisista akustisista oskillaatioista ja maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenteen evoluutiosta. Koska pimeän aineen osuus maailmankaikkeudessa on 23%, niin kertaheitolla kaikki materia, josta ajattelimme maailmankaikkeuden koostuvan – galaksit, tähdet, kaasu, pöly, planeetat ja planeettojen asukkaat – kattavatkin vain 4% koko maailmankaikkeuden energiasta. Toisin sanoen meillä ei ole tarkkaa käsitystä siitä mitä 96% meidän maailmankaikkeudesta on.
No mitä ajattelemme pimeän energian sitten olevan? Pimeällä energialla on kolme tärkeää ominaisuutta. Ensiksi, se on pimeää: emme voi nähdä sitä, ja havaintojen (sillä tarkkuudella kuin se on teknisesti mahdollista) perusteella se ei reagoi aineen kanssa ollenkaan. Toiseksi, se on tasaisesti jakautunutta kaikkialle avaruuteen: se ei putoa galakseihin tai galaksijoukkoihin tai muuten se olisi jo huomattu tutkittaessa näiden kohteiden dynamiikkaa. Kolmanneksi, siitä ei pääse eroon millään: pimeän energian tiheys pysyy vakiona vaikka maailmankaikkeus laajeneekin. Tällä hetkellä suosituin kandidaatti pimeälle energialle on yllä mainittu kosmologinen vakio, joka vastaa käytännössä tyhjiön energiaa. Mikäli avaruuden jokaisessa kohdassa on energiaa 10-9 Joulea/m³, riittää se kattamaan pimeän energian osuuden maailmankaikkeudessa. Määrä kuulostaa pieneltä, ja sitä se onkin, mutta yhteenlaskettuna pimeä energia kattaa juuri 73% maailmankaikkeuden energiasta ottaen huomioon maailmankaikkeuden valtavan koon.
Mistä tyhjiöön sitten tulee energiaa? Klassisen mekaniikan mukaan tyhjiö on totaalisen tyhjä, mutta kvanttimekaniikka on muuttanut tutkijoiden käsitystä tyhjiön tyhjyydestä. Kvanttitasolla tyhjiökään ei ole tyhjä vaan kuhisee virtuaalisia hiukkasia, jotka pulpahtavan esiin hetkiseksi vain tuhoutuakseen pian uudelleen. Mikäli tyhjiön energia on peräisin näistä kvanttitason heilahteluista, voidaan niiden energia laskea yhteen ja verrata pimeän energian arvoon. Valitettavasti tyhjiön energia tässä tapauksessa on 10¹²º kertaa suurempi kuin pimeän energian havaittu määrä, joten selvästikin jotain on pielessä. Mutta asiat ovat vieläkin huonommin. Meillä ei ole minkäänlaista käsitystä siitä, miksi kosmologinen vakio on niin pieni kuin se on. Selittääkseen kosmologisen vakion arvon teoreetikot ovat keksineet toinen toistaan nerokkaampia ja ”hullumpia” teorioita. Esimerkiksi yksi mahdollinen teoria, joka selittää kosmologisen vakion arvon on multiversumi, jonka mukaan maailmankaikkeus on vain yksi monista maailmankaikkeuksista, joissa kaikissa on eri kosmologisen vakion arvo, mutta juuri meidän maailmankaikkeudessa se on sellainen, joka mahdollistaa elämän synnyn. Itse asiassa voidaan laskea minkä suuruinen kosmologinen vakio täytyisi olla, jotta maailmankaikkeus ei laajenisi liian nopeasti, jolloin tähdet, galaksit ja elämä ehtivät muodostua, mutta ei myöskään liian hitaasti, jolloin maailmankaikkeus tähtineen ja galakseineen luhistuisi heti kasaan. Yllätys, yllätys, näin laskettu arvo vastaa täsmälleen havaittua kosmologisen vakion arvoa. Vaihtoehtoiset teoriat, jotka pyrkivät selittämään kosmologisen vakion arvoa käyttävät hyväkseen teorioita mm. kvanttigravitaatiosta, ylimääräisistä ulottuvuuksista, madonrei’istä ja supersymmetriasta.
Onko sitten mahdollista, että pimeä energia on jotain muuta kuin tyhjiön energiaa? Toki – ainoat kriteerit pimeälle energialle mainittiin yllä, mutta on hyvin hankalaa keksiä jotain, joka on hyvin tasaisesti levittäytynyt avaruuteen ja joka ei avaruuden laajenemisesta huolimatta harvene ollenkaan. Yksi vaihtoehto kosmologiselle vakiolle on nk. kvintessenssi, joka on avaruuden täyttävä skalaarikenttä, joka muuttuu hyvin hitaasti ajan kuluessa. Toinen mahdollisuus on, että kosmologista vakiota ei ole olemassakaan, vaan sen korvaa jollain lailla mukautettu suhteellisuusteoria (esim f(R) painovoima tai DGP-painovoima). Mikään näistä teorioista ei kuitenkaan ole ongelmaton, ja kaiken kaikkiaan pimeä energia on suurimmilta osin vielä täysi mysteeri. Todennäköisesti tarvitsemme paljon lisää Nobelin arvoisia havaintoja maailmankaikkeudesta, jotta pääsemme perille pimeän energian luonteesta, maailmankaikkeuden synnystä ja todennäköisesti myös siitä miten suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka saadaan sulautettua yhden teorian alle. Ja tämä sisältääkin tieteen tekemisen mielenkiintoisimman puolen: vastaukset eivät löydy kirjan viimeiseltä sivulta, vaan meidän on selvitettävä ne itse.
Ig Nobelit
Tuttuun tapaan myös vuoden 2011 Ig® Nobelit on jaettu ja palkinnot menivät seuraavasti:
- Fysiologian Ig Nobel meni kansainväliselle tutkimusryhmälle, joka ei löytänyt näyttöä siitä, että haukotus tarttuisi punajalkakilpikonnilla (Geochelone carbonari). Tulos: todennäköisesti haukotuksen tarttuvuus liittyy lajien kykyyn tuntea empatiaa.
- Biologian Ig Nobel meni australialaiselle tutkimusryhmälle, joka havaitsi, että tietyn tyyppinen kovakuoriaiskoiras (Julodimorpha bakervelli) parittelee tietyn tyyppisen olutpullon kanssa. Tulos: kovakuoriaskoiras luulee otetta parantavia kohoumia pullon alaosassa naaraaksi.
- Psykologian Ig Nobel meni Karl Halvor Teigenille tutkimuksesta miksi ihmiset huokailevat. Tulos: ihmiset ajattelevat huokailevan ihmisen olevan surullinen, kun itseasiassa hän on omasta mielestään vain luovuttanut jonkin asian tekemisen/ajattelemisen.
- Lääketieteen Ig Nobel meni kahdelle tutkimusryhmälle, jotka selvittivät, että ihmiset tekevät toisaalta parempia päätöksiä ja toisaalta huonompia päätöksiä kun heillä on vahva virtsaamisen tunne. Tulos: On parempi siis totella kun luonto kutsuu.
- Kemian Ig Nobel meni japanilaiselle tutkimusryhmälle, joka kehitti wasabi-palohälyttimen. Tulos: kun palohälytin laukeaa, se ruiskuttaa ympäristöön kaasumaista wasabia, joka varmasti herättää kaikki huoneessa sikeääkin unta nukkuvat asukkaat ilman, että heidän toimintakykynsä lamautuu.
- Fysiikan Ig Nobel meni hollantilainen tutkimusryhmälle, joka selvitti miksi kiekonheittäjät kärsivät pään huimaamisesta, mutta moukarinheittäjät eivät. Tulos: se on monimutkaista, sisältäen mm. Coriolis-kiihtyvyyden aiheuttaman vaikutuksen.
- Kirjallisuuden Ig Nobel meni John Perrylle rakenteellisen viivyttelyn teoriasta. Tulos: ollakseen tehokas täytyy tehdä jotain tärkeää, välttääkseen tekemästä jotain vielä tärkeämpää.
- Matematiikan Ig Nobel jaettiin kuuden henkilön kesken. Palkinnon sai Dorothy Martin (joka ennusti maailmanlopun koittavan 1954), Pat Robertson (joka ennusti maailmanlopun koittavan 1982), Elisabeth Clare Prophet (joka ennusti maailmanlopun koittavan 1990), Lee Jang Rim (joka ennusti maailmanlopun koittavan 1992), Credonia Mwerinde (joka ennusti maailmanlopun koittavan 1999) ja Harold Camping (joka ennusti maailmanlopun koittavan 6.9.1994, ja myöhemmin 21.10.2011). Tulos: on syytä olla huolellinen tehdessään matemaattisia oletuksia ja laskelmia.
- Rauhan Ig-Nobel meni Vilnan kaupunginjohtajalle luksusautojen parkkeeraamisen estämisestä luvattomille paikoille. Tulos: tehokkain tapa estää luvaton parkkeeraaminen tulevaisuudessa on murskata autot ajamalla niiden päältä tankilla.
- Turvallisuus: John Senders tutki uraauurtavasti jo 1960-luvulla paljon ennen kännyköitä, kuinka häiriötekijät ajaessa vaikuttavat ajamiseen. Tulos: häiriötekijät vaikeuttavat oman auton ja toisten autojen sijainnin määrittämistä.
Viikon kuva (”I come in peace”):
Jälleen kerran myös Nikon Small World -valokuvakilpailu on pidetty ja henkilökohtainen suosikkini on tässä:
Credit: Nikon Small World Competition
Tiedeviikko 14+15/11
Supermassiivisen mustan aukon lounas
- Credit: NASA/CXC/M.Weiss
28. päivä maaliskuuta Swift -röntgensatelliitin Burst Alert Telescope -ilmaisin havaitsi voimakkaan röntgenpurkauksen, mikä alkuun näytti aivan tavalliselta gammasädepurkauksen jälkihehkulta, ja sille annettiinkin nimi GRB 110328A. Gammasädepurkaus syntyy, kun hyvin massiivinen tähti luhistuu mustaksi aukoksi, tai kun kaksi toisiaan kiertävää neutronitähteä törmää toisiinsa muodostaen mustan aukon. Tähden nopea luhistuminen tai neutronitähtien törmäys aiheuttaa äärimmäisen energeettisen räjähdyksen, joka lähettää gammasäteitä kahdessa toisiaan vastakkaisessa hiukkassuihkussa. Gammasädepurkauksen kesto on hyvin lyhyt, vaihdellen muutamista sekunneista minuutteihin, mutta purkauksen energia vastaa Auringon koko elinkaarensa aikana syntyvän säteilyn energian määrää. Hiukkassuihkujen törmätessä tähtienväliseen aineeseen, ne hidastuvat ja säteilevät yhä pidemmillä aallonpituuksilla röntgensäteistä radioaaltoihin asti. Tämä jälkihehku kestää yleensä päiviä, jopa viikkoja gammasädepurkauksen jälkeen. GRB 110328A osoittautui kuitenkin nopeasti aivan erilaiseksi gammasädepurkaukseksi, sillä vielä viikon jälkeen Swift havaitsi kohteesta vuorotelleen kirkastuvaa ja himmenevää säteilyä (kts. kuva alla).
- Credit: NASA/Swift/Penn State/J. Kennea
Tähtitieteilijät eivät olleet koskaan havainneet yhtä kirkasta ja pitkään säteilevää kohdetta. Lisähavainnot Hubble -avaruusteleskoopilla ja Chandra -röntgenteleskoopilla osoittivat, että GRB 110328A sijaitsee 3.8 miljardin valovuoden päässä olevan galaksin keskellä. Niinpä on hyvin todennäköistä, että gammasädepurkaus on kytköksissä galaksin keskustassa sijaitsevaan supermassiiviseen mustaan aukkoon. Supermassiiviset mustat aukot ovat miljoonien tai miljardien Auringon massan painoisia mustia aukkoja, joiden ajatellaan sijaitsevan jokaisen massiivisen galaksin (kuten Linnunradan) keskustassa. Tutkijat ajattelevatkin, että kyseinen gammasädepurkaus johtui yhden galaksin tähden ajautumisesta liian lähelle mustaa aukkoa, jolloin supermassiivisen mustan aukon aiheuttamat vuorovesivoimat repivät tähden kappaleiksi (kts. kuva yllä). Irtonainen tähtiaines kerääntyi supermassiivisen mustan aukon ympärille muodostaen ns. kertymäkiekon, josta materia lähellä mustaa aukkoa linkoutuu ulospäin voimakkaan magneettikentän avustuksella mustan aukon navoilta kahdessa toisiaan vastakkain olevissa hiukkassuihkuissa, samaan tapaan kuin varsinaisissa gammasädepurkauksissa. Kertymäkiekossa sijaitseva materia ei kuitenkaan kerralla putoa mustaan aukkoon tai linkoudu hiukkassuihkuihin, vaan se ruokkii mustaa aukkoa ja hiukkassuihkuja pikku hiljaa, aiheuttaen havaitunlaisen pitkäikäisen ja kirkkaudeltaan vaihtelevan purkauksen. GRB 110328A on kuitenkin niin kirkas, että yllä mainittu skenaario pätee ainoastaan mikäli Maa sijaitsee suoraan kohti yhtä hiukkassuihkua, jolloin suhteellisuusteorian mukaan säteily näennäisesti voimistuu. Maa sijaitsee kuitenkin niin kaukana tästä kohteesta, joten hiukkassuihkujen säteily ei aiheuta meille minkäänlaista vaaraa. Päinvastoin meillä on mahdollisuus ihastella yhtä maailmankaikkeuden ihmettä aitiopaikalla.
Pioneer-anomalia
- Credit: NASA
Käsi pystyyn kuka muistaa vielä Pioneer-anomalian? Kyseessä on yksi viime vuosikymmenen suurimmista ratkaisemattomista kysymyksistä astrofysiikassa. Ongelma on siis seuraavanlainen. Pioneer 10 ja 11 luotaimet laukaistiin 1970-luvun alkupuolella kohti Jupiteria ja Saturnusta. Saavutettuaan kohteensa luotaimet jatkoivat matkaansa pois Aurinkokunnasta, niiden nopeuden kuitenkin hidastuen pikku hiljaa Auringon vetovoiman vaikutuksesta. Mutta tarkat mittaukset osoittivat, että luotaimet hidastuivat enemmän kuin niiden olisi pitänyt, aivan kuin joku näkymätön voima vetäisi niitä kohti Aurinkoa. Vähennettyään Auringon ja planeettojen painovoimakentistä aiheutuvat häiriöt, hidastuvuudeksi jäi vielä jäljelle minimaalinen (8.74±1.33)*10^-10 m/s². Kyseessä on kuitenkin todellinen, mitattava vaikutus, joten kysymys kuuluukin mistä se on peräisin. Tutkijat ajattelivat ensimmäiseksi, että avaruusaluksen lämpösäteily aiheuttaisi ylimääräisen hidastuvuuden, mutta loppujen lopuksi päätyivät selittämään vain 67% hidastuvuudesta. Selittämätön voima räjäytti fysiikan uusien lakien teorioiden pankin ja hidastuvuutta on selitetty mm. Auringon painovoiman olevan voimakkaampi suurilla etäisyyksillä (nk. modifioitu newtonilainen dynamiikka). Nyt tutkijat ovat toistaneet alkuperäisen luotaimen lämpösäteilylaskun. Alkuperäinen tutkimus vain arvioi karkeasti vaikutuksen luotaimen lämpösäteilyn heijastumisesta sen rakenteista, mutta uudessa tutkimuksessa tutkijat mallinsivat tietokoneella, kuinka luotaimen lämpösäteily tarkkaan ottaen heijastuu ja mihin suuntaan se jatkaa matkaansa. Mallinnus perustui 1970-luvulla, eli osuvasti Pioneer-luotaimien aikakautena kehitettyyn tekniikkaan nimeltään Phong-varjostus, jota nykyään käytetään yleisesti renderointiohjelmissa mallintamaan heijastuksia kolmiulotteisista kappaleista. Tutkimuksessa saatiin selville, että lämpösäteily päätarvikesäiliön takaseinästä osuu luotaimen antenniin ja kimpoaa siitä takaisin. Koska antenni osoittaa kohti Maata ja näin ollen myös kohti Aurinkoa, heijastuksien aiheuttama säteily lisää luotaimen hidastuvuutta juuri tarvittavan määrän, jotta anomalia häviää. Näyttäisi vahvasti siltä, että uusia fysiikan lakeja ei tarvittaisikaan tämän ilmiön selittämiseksi.
Uusi hiukkanen, uusi voima?
Tieteen eturintamalla signaalin erottaminen kohinasta on erittäin vaikeaa, kuten käy ilmi tästäkin tuloksesta, jonka juuri lopettamaisillaan oleva hiukkaskiihdytin Tevatron on löytänyt. Toisin kuin LHC:ssä, joka törmäyttää vastakkain kahta protonisuihkua, Tevatronissa on protoni ja antiprotonisuihkut. Nyt Tevatronin aineistosta on löytynyt viitteitä täysin uudesta hiukkasesta törmäyksissä, jotka tuottavat W- ja Z-bosoneita, eli heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia. WZ-pareja syntyy törmäyksissä satunnaisesti ja ne eivät ole kovinkaan pitkäikäisiä, vaan hajoavat nopeasti stabiileimmiksi hiukkasiksi, jotka selviävät hiukkaskiihdyttimen ilmaisimille asti. Havaitsemalla törmäyksen hajoamistuotteita, pystytään niiden alkuperä jäljittämään. Summaamalla hajoamistuotteiden energiat yhteen saadaan selville, minkä hiukkasen hajoamisesta ne ovat peräisin ja kuinka paljon tuo kyseinen hiukkanen painaa. Valitsemalla havainnot sopivia kriteerejä käyttäen tutkijat pystyivät poimimaan sellaiset reaktiot, joissa W/Z-bosoneita oletettavasti syntyy, laskea niiden energian ja verrata sitä tunnettuun W/Z-bosonin energiaan. Tutkijoiden täytyi ottaa myös huomioon muita prosesseja, joiden hajoamistuotteet näyttävät samanlaisilta, esimerkiksi huippu-kvarkin hajoaminen. Loppujen lopuksi tutkijat päätyivät tähän:
- Credit: Fermilab
Vasen kuvaaja näyttää, kuinka havaitut hajoamisreaktiot jakautuvat eri hiukkasille. Väritetyt alueet vastaavat kunkin hajoamistuotteen teoreettisesti laskettua mallia. Kuitenkin näyttäisi siltä, että malli ei aivan sopisi havaintoihin 120-160 GeV/c² (hieman hassu massan yksikkö, mutta käytännöllinen hiukkasten parissa työskenteleville, 1 GeV/c² ≈ 1.78*10^-27 kg) alueella. Tämä ylijäämä erottuu paremmin kun aineistosta vähennetään kaikki muu paitsi W/W- ja W/Z-bosoniparien aiheuttama piikki noin 80 GeV/c² kohdalla, eli juuri siellä missä sen teorian mukaan pitäisikin olla. Samanlainen piikki on kuitenkin havaittavissa 144 GeV/c² ympärillä, missä nykyteorian mukaan ei pitäisi sijaita mitään hiukkasta. Sen ei myöskään pitäisi olla Higgsin hiukkanen, vaan kyseessä olisi täysin tieteelle uusi hiukkanen. Mutta kuinka merkittävä tämä tulos on? Tiukkojen testien jälkeen, tutkijat päätyivät tulokseen, että todennäköisyys havaita mittauskohinasta samanlainen piikki on 0.00076, vastaten 3.2 sigman (keskihajonnan) merkitsevyyttä. Kun signaali ylittää tieteessä kolme sigmaa, tutkijat alkavat innostua asiasta, mutta se ei vielä tarkoita, että kyseessä olisi todellinen signaali. Niinpä lisäaineisto olisi tässäkin tapauksessa paikallaan, jota varmasti saadaan piakkoin LHC:n syövereistä.
Viikon video
50-vuotta sitten ihmiskunta muuttui avaruusmatkailevaksi sivilisaatioksi.
Tiedeviikko 12+13/11
Kuten olette varmaan huomanneet, blogia on viime aikoina päivitetty harvakseltaan. Tämä johtuu siitä, että minulla on tällä hetkellä kädet täynnä töitä väitöskirjan parissa, ja todennäköisesti tämä trendi jatkuu vielä tulevaisuudessakin. Toivon mukaan tiedeuutiset maistuvat vielä, vaikka niitä tuleekin tänne hieman hitaammalla tahdilla.
Asteroidien louhinta ja Maan ulkopuolinen älyllinen elämä
Maan ulkopuolisen älyllisen elämän etsiminen on yksi tieteen mielenkiintoisimmista kysymyksistä, mutta menetelmät sen toteuttamiseen ovat toistaiseksi lähes olemattomat. Tähän mennessä ainoa keino on ollut etsiä keinotekoisia radiosignaaleja lähimmistä tähtijärjestelmistä, mutta 50 vuoden ahkeran havaitsemisen jälkeen olemme vieläkin tyhjin käsin. Uusien eksoplaneettahavaintojen myötä Maan ulkopuolisen elämän etsiminen on kuitenkin saanut lisää potkua, erityisesti eksoplaneettojen kaasukehien havaitsemisen ansiosta. Mikäli havaitsemme planeetan kaasukehän koostumuksen olevan erilainen kuin pelkkä planetaarinen kemia antaisi olettaa, sisältäen etenkin runsaasti jotain biogeenistä kaasua, esim. happea, elämän esiintyminen planeetan pinnalla on tällöin todennäköistä (kts. lisää täältä). Tutkijat ovat ehdottaneet myös muita tapoja, joilla vieraan sivilisaation olemassaolo saataisiin selville, esimerkiksi hieman villimpi idea on havaita teknologisesti meitä kehittyneempien sivilisaatioiden tähtien kutittamista. Nyt tutkijat ovat ehdottaneet, että älykkään sivilisaation laajamittainen asteroidien louhinta olisi havaittavissa sivilisaation asuttaman tähtijärjestelmän pölykiekossa. Tähtien ympärillä olevat pölykiekot koostuvat nimensä mukaisesti pölystä sekä suuremmista kappaleista läpimitaltaan aina satoihin kilometreihin saakka. Pölykiekkoa hallitsee tähden painovoiman ja säteilypaineen välinen tasapaino. Siinä missä säteilypaine puhaltaa pienimmät hiukkaset pois tähtijärjestelmästä, suurempien kappaleiden törmäykset synnyttävät niitä lisää. Tasapainotilassa hiukkasten kokojakauma pölykiekossa seuraa potenssilakia. Miksi asteroidien louhinta sitten kiinnostaisi avaruusmatkailevaa sivilisaatiota? Jos kyseessä on teknologisesti meitä edellä oleva sivilisaatio, on todennäköistä, että se on elänyt meitä pidempään kotiplaneetallaan ja käyttänyt loppuun planeetan saatavilla olevat mineraalit. Tutkijat arvelevat myös ihmiskunnan siirtyvän ennen pitkää asteroidien louhintaan mineraalien huvetessa olemattomiin Maassa, kunhan se on ensin ekonomisesti järkevää. Laajamittainen asteroidien louhinta vaikuttaisi pölykiekkoon kolmella eri tavalla. Ensimmäiseksi pölykiekon kemiallinen koostumus muuttuisi, koska louhinta poistaisi suuria määriä louhittavia aineita pölykiekosta. Verrattaessa pölykiekon kemiallista koostumusta tähden kemialliseen koostumukseen (joiden pitäisi olla suurin piirtein samat, koska tähti sekä sitä ympäröivä pölykiekko ovat muodostuneet samasta kaasu- ja pölypilvestä) voidaan havaita mahdollisesta louhinnasta aiheutuvat erot näiden välillä. Toiseksi pölykiekon kappaleiden kokojakauma ei noudattaisi enää tähden painovoiman ja säteilypaineen tasapainon aiheuttamaa potenssilakia louhinnan vähentäessä suurten kappaleiden ja lisätessä pienten kappaleiden määrää pölykiekossa. Kolmanneksi louhinta muuttaisi pölykiekon lämpöjakaumaa, koska asteroidien poraaminen ja kaivaminen synnyttäisi kuumaa pölyä, joka kuitenkin nopeasti jäähtyisi avaruudessa minuuttien aikaskaalassa. Niinpä tietyllä aallonpituudella voisi havaita säteilyvaihteluita, jotka olisivat verrattavissa kuuman porauspölyn jäähtymisen aikaskaalaan. Olisiko asteroidien louhimista siis mahdollista havaita nykyteknologialla? Tutkijat päätyvät artikkelissaan tulokseen, että ainoastaan jos louhinta on mittakaavaltaan teollisuusluokkaa, se voisi aiheuttaa havaittavia muutoksia tähden pölykiekkoon. Mikäli epäilyttävän näköisiä pölykiekkoja havaittaisiin, yllämainitut kohdat eivät vielä kuitenkaan yksin riittäisi vieraan sivilisaation olemassaolon todistamiseen, mutta ne antaisivat astrobiologeille mahdollisia tähtijärjestelmäkandidaatteja lisätutkimuksia varten.
Universumin pimeä virtaus
Credit: universe-review.ca
Universumin pimeä virtaus on teoria, jonka mukaan näkyvään maailmankaikkeuteemme vaikuttaa jokin voima sen ulkopuolelta, jota emme voi itse suoraan havaita, mutta jonka toissijaisia vaikutuksia näemme galaksijoukkojen poikkeavana liikkeenä. Yleensä ottaen galaksit loittonevat toisistaan maailmankaikkeuden laajetessa, mutta galakseilla on myös nk. ominaisliike, joka syntyy niiden painovoiman vuorovaikutuksesta lähiympäristön galaksien kanssa. Esimerkiksi Linnunrata ja Andromeda ovat törmäyskurssilla toistensa kanssa, vaikka maailmankaikkeus niiden välissä kokoajan laajeneekin. Niinpä mikäli haluat tutkia maailmankaikkeuden liikettä suuressa mittakaavassa, on parempi keskittyä havaitsemaan suuria määriä kohteita kerralla, joilloin galaksien ominaisliikkeet keskiarvoistuvat pois jättäen jäljelle kaikkien galaksien ja galaksijoukkojen yhtenäisen liikkeen johonkin suuntaan. Mikäli maailmankaikkeuden laajeneminen galaksien ominaisliikkeen lisäksi on ainut galakseihin vaikuttava voima, pitäisi niiden liikkua silloin yhtäläisesti joka suuntaan. Vuonna 2008 tutkijat kuitenkin havaitsivat galaksijoukkojen liikkuvan tiettyyn suuntaan kohti 20 asteen laajuista taustataivaan aluetta Kentaurin ja Purjeen tähdistössä, mikä ei ole selitettävissä pelkästään galaksijoukkojen ominaisliikkeellä. Samaan tapaan kuin pimeän aineen ja pimeän energian nimeämisessä, tuntemattomista tekijöistä johtuva galaksijoukkojen liike sai nimekseen pimeä virtaus. Tutkijat arvelivat, että pimeä virtaus saattaa johtua valtavasta massakeskittymästä näkyvän maailmankaikkeuden ulkopuolella, joka vetäisi galaksijoukkoja puoleensa. Tämä voisi olla mahdollista, jos maailmankaikkeus sisälsi massakeskittymiä jo ennen inflaatiota. Tämä teoria kuitenkin sotii nykyistä maailmankaikkeuden evoluutioteoriaa (nimeltään ΛCDM) vastaan. Vuoden 2008 tutkimuksessa käytettiin hyväksi Sunyaevin-Zel’dovitchin vaikutusta, jossa galaksijoukkojen kuumat elektronit sirottavat mikroaaltotaustasäteilyn fotoneja luoden havaittuun taustasäteilykarttaan epätasaisuuksia. Havaitsemalla näitä epätasaisuuksia voidaan galaksijoukkojen liike määrittää. Nyt uusi tutkimus haastaa nämä havainnot tutkimalla suuria määriä yksittäisiä kohteita, tyypin 1a supernovia, ja kuinka niiden ominaisliike sopisi maailmankaikkeuteen, joka sisältää pimeän virtauksen. Tutkimuksen mukaan vuoden 2008 tulos pystyttiin toistamaan, mutta ainoastaan pienillä punasiirtymän arvoilla. Tämän lisäksi vuoden 2008 tutkimuksen mukaan pimeän virtauksen nopeus olisi 600 km/s, kun taas uuden tutkimuksen mukaan supernovista saadut havainnot sopivat malliin, jossa pimeän virtauksen nopeus olisi 180 km/s, mikä taas on lähellä maailmankaikkeuden laajenemisesta saatua nopeutta 170 km/s. Niin tai näin, on aina hyvä muistaa tieteen nyrkkisääntö numero yksi: extraordinary claims require extraordinary evidence. Tässäkin tapauksessa lisäaineisto olisi paikallaan.
Tähti teekupissa
Tähtitieteilijät ovat löytäneet kylmimmän koskaan havaitun tähden, jonka lämpötila on noin sata astetta (370 Kelviniä), vastaten kiehuvan veden lämpötilaa. Löytö hämärtää rajan kylmien ja pienten tähtien sekä kuumien ja suurten planeettojen välillä. Kyseinen tähti, CFBDSIR 1458+10B, sijaitsee kaksoistähtijärjestelmässä noin 75 valovuoden päässä Maasta. Kaksoistähden molemmat komponentit ovat ruskeita kääpiöitä, jotka ovat ns. epäonnistuneita tähtiä, joilla ei ole tarpeeksi massaa, jotta ydinreaktiot tähden keskustassa käynnistyisivät. Vaikka ruskeiden kääpiöiden olemassaolo ennustettiin jo monta vuosikymmentä sitten, ensimmäinen ruskea kääpiö havaittiin vasta vuonna 1995. Samana vuonna havaittiin myös ensimmäinen eksoplaneetta, joka oli kaasujättiläinen tai ns. kuuma jupiter kiertämässä emotähteään. Himmeimmät ruskeat kääpiöt, nimeltään T-kääpiöt, joiden lämpötila keikkuu 600-1400 Kelvinin välillä, toimivat laboratoriona myös massiivisten eksoplaneettojen tutkimiselle. Toisin kuin eksoplaneetatoilla, ruskeiden kääpiöiden lähistöllä ei usein sijaitse kirkasta tähteä, joka lähes tukahduttaa himmeämmästä kohteesta tulevan säteilyn omalla kirkkaalla säteilyllään. Vaikka ruskeilla kääpiöillä hädin tuskin lämmittäisi pitsan, tutkijat ovat ennustaneet niiden kaasukehissä tapahtuvan mielenkiintoisia sääilmiöitä (tai mielenkiintoisia ainakin tähdistä puhuttaessa), nimittäin vedestä koostuvia pilviä; niitä samoja haituvia, joita tämänkin planeetan ilmakehässä leijailee.
Viikon kuva (1): Avaruusameeba vai Tycho supernovajäänne?
Chandra röntgenteleskoopin ottama kuva Tycho supernovajäänteestä (punainen väri vastaa matalaenergisempiä röntgenfotoneita kuin sininen väri). Supernovajäänteen oikealla alareunassa on näkyvillä sinisiä, eli hyvin korkeaenergisiä röntgenfotoneja säteileviä raitoja, joita ei olla tähän mennessä koskaan vielä havaittu supernovajäänteistä. Nämä ”röntgenraidat” auttavat tutkijoita selvittämään kuinka kosmiset säteet syntyvät supernovajäänteissä.
Credit: NASA/CXC/Rutgers/K.Eriksen et al.
Viikon kuva (2): Syzygy
NASAn SDO-luotaimen ottama kuva auringonpimennyksestä, jossa luotaimen ja Auringon välissä on Maa. Rosoinen pinta alareunassa johtuu Maan ilmakehästä, jonka tiheydenvaihtelut päästävät Auringon säteilyn paikoittain läpi.
Credit: NASA/SDO
Tiedeviikko-special: Japanin maanjäristys
Parin viikon ajan uutiset ovat täyttyneet Japanin maanjäristyksestä ja siitä seuranneesta tsunamista sekä Fukushiman ydinvoimalaonnettomuudesta. Itsekin keskityin lukemaan näitä uutisia ja niihin liittyviä blogikirjoituksia, joten normaalit tiedeuutiset jäivät vähemmälle huomiolle. Niinpä tämänkertaisessa tiedeviikossa ajattelin kirjoittaa hieman Japanin maanjäristyksestä ja siitä seuranneista ilmiöistä pohjautuen artikkeleihin Mountain Beltway, Georneys, Space.com, Highly Allochthonous ja Structuralgeology.org blogeista. Myös wikipediassa kerrotaan tiivistetysti hyvin Sendain/Tohokun maanjäristyksestä (suomeksi, englanniksi).
Miksi Japanissa on ylipäätään maanjäristyksiä?
Koska ainakin minulla maantiedon oppitunneista on vuosia aikaa, on hyvä aloittaa perusteista ja kerrata miksi Japanissa esiintyy maanjäristyksiä. Vaikka Sendain maanjäristys olikin suurin Japanissa koskaan mitattu maanjäristys (9.0 magnitudia), kuuluu Japani alueeseen, jossa suuria ja pieniä maanjäristyksiä voidaan odottaa esiintyvän tiheästi. Alla olevissa kuvissa näkyy Japanissa mitatut maanjäristykset (magnitudi ja sijainti): vasemmalla yli 7 magnitudin maanjäristykset vuodesta 1900 lähtien ja oikealla kaikki maanjäristykset viimeisen 20 vuoden ajalta. Sendain maanjäristys on merkitty oranssilla tähdellä.
- Credit: USGS
Japanin saaret ovat osa tuliperäistä saarijonoa, joka on muodostunut Tyynenmeren, Euraasian ja Filippiinien mannerlaattojen subduktiovyöhykkeen päälle. Subduktiovyöhykkeessä siis yksi mannerlaatta tunkeutuu toisen mannerlaatan alle. Japanin tapauksessa Tyynenmeren mannerlaatta tunkeutuu sekä Euraasian että Filippiinien mannerlaatan alle ao. kuvan mukaisesti luoden seismologisesti erittäin epävakaat olosuhteet.
Missä tahansa mannerlaattojen liittymäkohdassa esiintyy maanjäristyksiä, mutta subduktiovyöhykkeessä ne voivat tapahtua myös syvällä Maan vaipassa. Vaikka mannerlaatat liikkuvat tasaisesti ja pehmeästi ilman suuria nopeuden vaihteluita, syntyy kahden laatan välille kitkaa mannerlaattojen liittymäkohdissa. Tämä johtaa siihen, että tasainen voima joka työntää laattoja toisiaan vasten muuttuu nykiväksi. Ensin laatat tarraavat toisiinsa kiinni eivätkä liiku toistensa suhteen. Tasainen voima, joka painaa mannerlaattoja toisiinsa lisää koko ajan kuitenkin jännitettä laattojen välille. Jossain vaiheessa jännite kasvaa tarpeeksi suureksi ylittäen mannerlaattojen välisen kitkan ja purkautuu aiheuttaen äkkinäisen liikkeen, jossa mannerlaatat liikkuvat toistensa suhteen. Jännitteen purkautuminen vapauttaa energiaa, joka liikkuu Maan sisässä seismisinä aaltoina, jotka me tunnemme maanjäristyksinä. Mitä äkkinäisempi ja pidempi liike laattojen välillä tapahtuu sitä voimakkaampi maanjäristys on. Alla video maanjäristyskoneesta, joka demonstroi kuinka tasainen voima ja kitka kahden kappaleen välillä synnyttää nykivää liikettä.
Viime vuosina on vaikuttanut siltä, että maanjäristyksiä on tapahtunut useammin kuin aikaisemmin, mutta pitääkö se paikkansa? Ei. Kuten ao. statistiikasta huomaa, yli 7 magnitudin maanjäristysten määrä on pysynyt tasaisena 30 vuoden ajan. Alle 7 magnitudin maanjäristysten määrä näyttäisi olevan kasvussa, mutta se johtuu todennäköisesti siitä, että maanjäristyksiä rekisteröiviä mittausasemia on perustettu koko ajan enemmän alueille, joissa niitä ei ole aikaisemmin ollut. Kuvaajista näkyy myös, että lähivuosina maanjäristykset ovat osuneet asutetuille alueille, mikä on lisännyt huomattavasti maanjäristyksissä menehtyneiden ihmisten määrää sekä vastaavasti uutisointia ympäri maailmaa.
- Credit: USGS
Kuinka maanjäristys siirsi Japania?
Maanjäristyksen seurauksena GPS-asemien mittaustulokset näyttävät asemien siirtyneen Honsun itäosissa maksimissaan 4.4 metriä itään päin ja vajonneen 75 senttimetriä alaspäin. Ao. animaatio näyttää Japanin GPS-asemaverkoston liikkeen Sendain maanjäristyksen ja jälkijäristyksien aikana. Animaatiossa näkyy sekä itärannikon siirtyminen että seismisten aaltojen kulkeminen Japanin läpi (huomaa vektorien skaalaus).
Mutta miksi maanjäristys siirsi maata alaspäin Honsun itärannikolla? Kun subduktiovyöhykkeellä mannerlaatat lukittautuvat toisiinsa, yläpuolella oleva laatta muodostaa liitoskohdan ylle kohouman jännityksen lisääntyessä mannerlaattojen välillä (kts. kuva alla). Maanpinta kohoaa siihen asti, kunnes jännitys purkautuu laattojen välillä maanjäristyksenä ja kohouma vajoaa. Sopiva analogia voisi olla kahden maton työntäminen vastakkain, jolloin toisen maton reuna pullistuu ja muodostaa rypyn mattoon. Kun mattojen välinen kitka ei pysty enää vastustamaan työntövoimaa, maton reuna liukuu toisen maton päälle suoristaen rypyn.
- Credit: Hyndman, Scientific American
Kuinka maanjäristys lyhensi päivän pituutta?
Tuoreimpien analyysien mukaan Sendain maanjäristys lyhensi Maan päivän pituutta 1.8 mikrosekuntia (mikrosekunti on siis miljoonasosa sekuntia, joten suurista muutoksista ei todellakaan ole kyse), tosin jälkijäristykset voivat muuttaa vielä tätä arviota. Subduktiovyöhykkeiden maanjäristyksissä päivän pituus lyhenee aina, koska massaa siirtyy lähemmäs Maan keskustaa ja pyörimismäärän säilymisen mukaan kappaleen kulmanopeus suurenee mitä lähempänä se on pyörimisakseliaan. Samaan tapaan taitoluistelijan kulmanopeus kasvaa piruetissa, kun kädet vedetään lähelle vartaloa. Maanjäristys siirsi myös Maan massa-akselia noin 17 senttimetriä. Maan massa-akseli on siis akseli, jonka ympärille Maan massa jakautuu tasaisesti ja se eroaa hieman Maan pyörimisakselista. Maan pyörimisakseli pysyy kuitenkin muuttumattomana ja siihen pystyvät vaikuttamaan vain ulkoiset voimat, kuten Auringon, Kuun tai planeettojen painovoima. Epätasaisuudet Maan massan jakaumassa aiheuttavat Maan vaappumisen pyörimisakselin ympäri. Vaappuminen muuttuu aina massajakauman järjestäytyessä uudelleen vaikuttaen Maan pyörimisnopeuteen. Samankaltaista vaappumista tapahtuu esimerkiksi pesukoneen pyöriessä täydellä lastilla, tässä tapauksessa pesukoneen rummun pyörimisakselin vastatessa Maapallon pyörimisakselia. Pyykit eivät kuitenkaan ole ihan tasaisesti jakautuneena rummun reunoille, jolloin rumpu alkaa vaappua hieman pyörimisakselin ympäri. Vaappuminen voimistuu mitä epätasaisemmin pyykit ovat rummun reunoilla, esimerkiksi suuren pyyhkeen sijaitessa vain yhdellä laidalla, ja vastaavasti vaimenee mitä tasaisemmin pyykit ovat rummussa. Maanjäristykset eivät kuitenkaan ole suurin vaikuttaja Maan massan jakautumisessa, vaan ilmakehän kausittaisten suihkuvirtausten liike muuttaa Maan massajakaumaa huomattavasti enemmän aiheuttaen millisekunnin (1000 mikrosekuntia) vaihtelun Maan pyörimisnopeuteen vuosittain.
Tsunami
Maanjäristykset itsessään aiheuttavat harvoin kuolonuhreja, mutta maanjäristyksestä aiheutuvat seuraukset voivat olla huomattavasti vakavempia, kuten massiivinen hyökyaalto Sendain tapauksessa. Sendain 9.0 magnitudin maanjäristys aiheutti merenpohjaan äkillisen pullistuman, joka liikutti vesimassaa ylöspäin ja siirsi energiaa mereen. Kun vesimassa painovoiman ansiosta putosi takaisin alas, lähetti se useampia hyökyaaltoja joka suuntaan pitkin Tyyntä valtamerta, samaan tapaan kuin veteen heitetty kivi aiheuttaa usemman aallon, jotka loittonevat kohdasta johon kivi upposi. Alla olevat animaatiot näyttävät kuinka aallot etenivät Japanin itärannikolla (ylempi) ja koko Tyynellä valtamerellä (alempi). Hyökyaaltojen nopeus oli noin 400 km/h ja merellä niiden korkeus oli suhteellisen pieni, noin metrin luokkaa. Kun hyökyaalto lähestyy rannikkoa allon etureuna hidastuu ensin, jolloin takana tuleva aalto saavuttaa sen, mikä johtaa aallon korkeuden kasvuun. Maksimissaan aallon korkeus oli Japanin rannikolla 10 metriä ja toisaalta myös Tyynen Valtameren toisella puolella Chilessä mitattiin parin metrin kokoisia aaltoja. Ao. animaatiosta näkyy, että tsunami saavutti Sendain, joka sijaitsee ison lahden alueella, paljon myöhemmin (noin tunti maanjäristyksen jälkeen) kuin sitä pohjoisempana olevat kylät (noin 20 minuuttia maanjäristyksen jälkeen). Riippumatta varoitusajasta tsunami ylitti voimakkuudellaan kaiken sen mitä Japani on aiemmin kokenut mittaushistoriansa aikana, mm. erään ydinvoimalan turvajärjestelyt.
- Credit: Tohoku-oki Event Supersite
Jälkijäristyksiä
Sendain 9.0 magnitudin maanjäristys ei suinkaan ollut ainoa maanjäristys alueella, vaan sitä seurasi suuri määrä jälkijäristyksiä. Näistä vajaa parikymmentä on ollut yli 6.3 magnitudin luokkaa tai voimakkaampia, joka oli esimerkiksi Christchurchin maanjäristyksen voimakkuus Uudessa-Seelannissa noin kuukausi sitten.
Tiedeviikko 8+9/11
Supranestettä neutronitähdessä
Tutkijat ovat löytäneet ensimmäistä kertaa todisteita supranesteestä, eli kitkattomasta aineesta, neutronitähden ytimessä käyttäen Chandra -röntgensatelliittia. Kyseinen neutronitähti sijaitsee supernovajäänne Cassiopeia A:n (kts. kuva yllä) keskellä, joka sijaitsee noin 11000 valovuoden päässä Maasta. Massiivisen tähden supernovaräjähdys tapahtui noin 330 vuotta sitten (Maasta katsottuna), ja jätti jäljelle neutronitähden sekä tähtienväliseen avaruuteen leviävän ainepilven. Neutronitähdet ovat tiheimpiä kappaleita maailmankaikkeudessa, jotka ovat vielä suoraan havaittavissa. Neutronitähden aiheuttama painovoimakenttä synnyttää tähden keskustaan valtavan paineen, joka pusertaa suurimman osan varatuista hiukkasista, elektroneista ja protoneista, toisiinsa muodostaen neutroneita. Tutkijat vertasivat Chandran havaintoja Cassiopeia A:sta kymmenen vuoden ajalta ja havaitsivat neutronitähden jäähtyneen noin neljä prosenttia tuona ajanjaksona. Neljä prosenttia ei ehkä kuulosta kovin paljolta, mutta neutronitähden tapauksessa pudotus on suuri, sillä nykyiset mallit neutronitähdistä eivät pysty selittämään näin nopeaa jäähtymistä. Tutkimuksen mukaan äkillisen jäähtymisen selittäisi se, jos neutronitähden ytimen neutronit muodostaisivat supranesteen. Supranesteissä normaalisti toisiaan hylkivät nukleonit (protonit, elektronit tai neutronit) muodostavat pareja, mikä muuttaa aineen kvanttimekaanisia ominaisuuksia (nukleonit ovat yksittäin fermioneja, kun taas nukleoniparit ovat bosoneja). Laboratoriossa aineen muuttamiseen supranesteeksi tarvitaan erittäin matalia lämpötiloja, mutta neutronitähden valtavan paineen ansiosta ytimen neutronit voivat muodostaa supranesteen, vaikka niiden lämpötila on noin miljardi astetta. Neutronitähden ytimessä jatkuvasti muodostuvat ja hajoavat neutroniparit synnyttävät neutriinosäteilyä, joka pääsee karkaamaan pois neutronitähdestä jäähdyttäen sitä tarpeeksi selittäen havainnot. Jäähtyminen neutriinosäteilyn avulla on tehokasta juuri nk. kriittisen lämpötilan alapuolella, joka uuden tutkimuksen mukaan on noin puoli miljardia astetta. Neutriinosäteily tehostaa neutronitähden säteilyä muutaman vuosikymmenen ajan. Tulokset auttavat tutkijoita ymmärtämään paremmin kuinka nukleonien välinen vahva vuorovaikutus käyttäytyy hyvin suurissa tiheyksissä, ja miten se vaikuttaa muihin neutronitähdistä havaittuihin ilmiöihin, esimerkiksi neutronitähtien prekessioon, sykkimiseen tai magneettikentän evoluutioon.
Kosmisten säteiden arvoitus
- Credit: Adriani et al.
Kosmiset säteet ovat korkeaenergisiä hiukkasia, jotka pommittavat Maapalloa jatkuvasti joka suunnalta. Niiden ajatellaan syntyvän supernovajäänteiden shokkiaalloissa, joissa hiukkaset kiihtyvät asteittain hyppimällä edestakaisin shokkirintaman yli. Shokkiaallot kuljettavat mukanaan magneettikenttää, jossa tyypillisesti on epätasaisuuksia shokkiaallon molemmin puolin. Kun shokkiaalto pyyhältää varattujen hiukkasten yli, osa hiukkasista törmää näihin epätasaisuuksiin shokkiaallon takana, saa niistä energiaa ja heijastuu takaisin shokkiaallon eteen, joista osa törmää jälleen epätasaisuuksiin shokkiaallon takana ja heijastuu shokkiaallon eteen jne. Aina vain pienempi osa varatuista hiukkasista saa enemmän ja enemmän energiaa, kunnes lopulta ne saavuttavat tarpeeksi suuren energian paetakseen tähtienväliseen avaruuteen. Kyseinen prosessi, jossa vähemmän ja vähemmän hiukkasista saa enemmän ja enemmän energiaa muodostaa hiukkasten energiaspektriksi potenssilain. Kuitenkin uudet havainnot kyseenalaistavat nykyisen käsityksen kosmisten hiukkasten syntymisestä. Käyttäen PAMELA -kosmisen säteilyn ilmaisinta tutkijat ovat havainneet yllätyksekseen nopeuseron kosmisen säteilyn protoneilla ja helium-ytimillä. Eli protonien ja helium-ytimien energiaspektri on erilainen, eivätkä ne vastaa potenssilakia, mikä seuraisi jos hiukkaset kiihtyisivät pelkästään supernovajäänteissä. Vaikka ero on erittäin pieni, niin hiukkasten nopeuden pitäisi olla täsmälleen sama, jos niiden kiihdyttäminen on tapahtunut samassa prosessissa. Niinpä tutkijat ajattelevat kosmisten säteiden syntyvän supernovajäänteiden lisäksi toistaiseksi tuntemattomissa galaktisissa lähteissä, mahdollisesti pulsareissa tai pimeän aineen aiheuttamissa prosessissa.
LHC ja supersymmetria
Credit: FERMILAB
Supersymmetria on hiukkasfysiikan teoria, joka yrittää pelastaa hiukkasfysiikan standardimallin ns. hienosäätö-ongelmalta, jonka mukaan vielä löytämättä olevalla Higgsin hiukkasella täytyisi olla erittäin tarkasti rajattu massa. Standardimallissa Higgsin hiukkanen antaa muille hiukkasille niiden massat. Teorian mukaan maailmankaikkeuden täyttää kvanttimekaaninen Higgsin kenttä, joka reagoi hiukkasten kanssa Higgsin hiukkasen välityksellä. Mitä suurempi tämä vuorovaikutus sitä massiivisempi hiukkanen on. Toisiin hiukkasiin vuorovaikutusta ei ole ollenkaan, jolloin nämä hiukkaset ovat massattomia, esimerkiksi fotonit. Myös Higgsin hiukkasella on massa, mutta sen arvo vaihtelee villisti eri teorioiden välillä. Standardimallissa hiukkasten kvanttiheilahtelut vaikuttavat myös Higgsin hiukkasen ennustettuun massaan, joka voi nousta niin korkeaksi, että se vuorostaan nostaa hiukkasten massaa liikaa ja romauttaa koko teorian (standardimallilla on myös muitakin ongelmia, kts. esimerkiksi Tiedeviikko 23/10: Neutriinot vaihtavat makua). Standardimalli toimii ainoastaan mikäli Higgsin hiukkasella on tarkasti rajattu massa, joka eliminoi muiden hiukkasten aiheuttamat kvanttiheilahtelut. Yleensä ottaen teoreetikot eivät pidä teorioista, joita täytyy hienosäätää erittäin tarkasti toimiakseen, joten supersymmetria kehitettiin väistämään tämä ongelma tuomalla esiin läjä uusia hiukkasia. Supersymmetriassa jokaisella hiukkasella on oma super-partneri, massiivinen hiukkanen, joka on usein epästabiili ja reagoi heikosti muun aineen kanssa. Jokaisen supersymmetrisen hiukkasen kvanttiheilahtelut kuitenkin eliminoivat hiukkasparinsa kvanttiheilahtelut, joten Higgsin hiukkasen massa palautuu takaisin teoreetikkoja miellyttäviin lukemiin. Supersymmetriaa on myös ehdotettu ratkaisemaan muitakin ongelmia, esimerkiksi pimeä aine voisi koostua kevyemmistä supersymmetrisistä hiukkasista, tai supersymmetria pystyy yhdistämään kaikki hiukkasten väliset vuorovaikutukset, paitsi painovoiman, yhdeksi ainoaksi vuorovaikutukseksi korkeilla energioilla, mikä on askel kohti kaiken teoriaa. Nyt Large Hadron Collider -hiukkaskiihdyttimellä saatu aineisto ajaa kuitenkin supersymmetrian ahtaalle. Tähän mennessä LHC ei ole havainnut ainuttakaan supersymmetristä kvarkkia (skvarkki), joka asettaa alarajan skvarkkien massalle. Kun supersymmetristen hiukkasten massat nousevat ne eivät enää kumoakaan täysin tavallisten hiukkasten kvanttiheilahteluja, ellei niiden massoja hienosäädetä tarkasti. Ja tämähän oli juuri se asia, jonka välttämiseen supersymmetria alunperin kehitettiin. Vuoden loppuun mennessä dataa pitäisi olla jo tarpeeksi hylkäämään suurin osa supersymmetrisistä teorioista, mutta nähtäväksi vielä jää, löytyykö LHC:n uumenista skvarkkeja vai ei.
P.S. Myöskään Higgsin hiukkasta ei olla LHC:n vuoden 2010 aineistosta löydetty, mutta toistaiseksi aineisto ei vielä riitä tutkimaan energia-aluetta, jossa sen ajatellaan sijaitsevan. Siitä huolimatta joitakin villeimpiä teorioita voidaan sulkea jo pois, joissa Higgsin hiukkanen on huomattavan raskas.
Viikon video 1: Keplerin telluurio
Kyseinen video näyttää kaikki Kepler -satelliitin havaitsemat useamman planeetan sisältävät planeettakunnat koko sen tähänastisen 3.5 vuoden havaintojakson ajalta. Planeettojen värit heijastavat planeettojen kokoa, punaisen ollessa suurempi ja sinisen pienempi verrattuna planeettakunnan muihin planeettoihin.
Viikon video 2: Valtava Auringon protuberanssi
Tiedeviikko 6+7/11
Mustat aukot vastuussa reionisaatiosta?
Jos mustat aukot tuntuvat mielestäsi vihamielisiltä maailmankaikkeuden ainetta ja elämää kohtaan, imien sisuksiinsa ja tuhoten kaiken mikä erehtyy kulkemaan liian läheltä, niin et voisi olla enempää väärässä. Itseasiassa nykyiset maailmankaikkeuden mallit osoittavat, että varhaisen maailmankaikkeuden mustat aukot ovat todennäköisesti siemeniä, joiden ympärille galaksit muodostuivat. Uuden tutkimuksen mukaan näyttäisi myös siltä, että mustat aukot olisivat vastuussa ainakin osittain myös vielä varhaisemman maailmankaikkeuden ”faasimuutoksesta”, ns. reionisaatiosta. Reionisaatio on vaihe maailmankaikkeuden historiassa, joka alkoi kun ensimmäiset tähdet alkoivat muodostua neutraalin kaasun tihentymiin ja päättyi maailmankaikkeuden ollessa noin miljardin vuoden ikäinen. Ensimmäiset tähdet olivat todennäköisesti todella suuria, koska neutraalit vety- ja heliumatomit helposti kasautuivat ja kerääntyivät yhteen. Intensiivinen säteily tähdistä lämmitti ja ionisoi nopeasti tähtienvälisen kaasun atomit synnyttäen harvaa ja kuumaa plasmaa. Todennäköisesti reionisaatio rajoitti muodostuvien tähtien kokoa, sekä uusien galaksien kasvua, koska kuumat, ionisoituneet atomit eivät kasaannu yhteen niin helposti kuin neutraalit atomit. Reionisaatio mahdollisesti vaikutti myös maailmankaikkeuden aineen jakaumaan, tehden siitä rypäsmäisemmän, eli koostuen yksittäisistä tähtirykelmistä, galakseista, eikä tasaisesta jakaumasta yksittäisiä tähtiä. Aikaisemmin tutkijat ovat ajatelleet, että ensimmäisten tähtien ionisoiva säteily aiheutti pääasiassa maailmankaikkeuden kaasun reionisaation, mutta uuden tutkimuksen mukaan mustilla aukoilla, tarkemmin ottaen mustilla aukoilla röntgenkaksoistähtijärjestelmissä, voi olla merkittävä osuus reionisaatiossa. Tietokonesimulaatioiden mukaan varhaisen maailmankaikkeuden jättiläistähdet luhistuivat enimmäkseen mustiksi aukoiksi ja vähemmän neutronitähdiksi tai valkoisiksi kääpiöiksi. Massiiviset tähdet myös muodostavat kevyempiä tähtiä helpommin useamman tähden järjestelmiä, joten mustat aukot sijaitsivat todennäköisesti useimmin jonkun tähden kumppanina kuin yksittäisinä mustina aukkoina. Tällaisissa kaksoistähtijärjestelmissä musta aukko alkaa nopeasti imeä materiaa kumppanitähden pinnalta. Materia kerääntyy mustan aukon ympärille nk. kertymäkiekoksi ja kuumenee kymmeniin miljooniin asteisiin säteillen energiaansa röntgensäteilynä. Röntgensäteily vastaavasti on erittäin ionisoivaa säteilyä, ja röntgenfotonit pystyvät ionisoimaan useampia atomeja verrattuna tähtien ultraviolettisäteilyyn, joiden fotonit pystyvät ionisoimaan yhden tai kaksi atomia kerrallaan. Näin ollen iso osa reionisaation aiheuttavasta säteilystä voi olla peräisin mustista aukoista, ja mustat aukot ovat olleet osana rakentamassa maailmankaikkeutta sellaiseksi kuin sen tänä päivänä näemme.
Maailman prosessointikapasiteetti
Kuinka paljon informaatiota maailmassa lähetetään, prosessoidaan ja varastoidaan? Saadakseen jonkinlaisen arvion tutkijat ovat seuranneet 60 eri analogista ja digitaalista teknologiaa, sanomalehdistä kännyköihin, yli 20 vuoden ajan alkaen vuodesta 1986. Tulokset olivat osaltaan odotettavissa, esimerkiksi internet on syrjäyttänyt tiedonsiirrossa lähes kokonaan anologiset sekä digitaaliset puhelimet, ja osaltaan yllättäviä, kuten pelaamiseen tarkoitetuilla laitteilla on ollut aina enemmän laskentatehoa kuin kaikilla maailman supertietokoneilla yhteensä. Tutkimuksessa otettiin huomioon lähes kaikki mahdollinen tallennustila, esimerkiksi paperit, filmit ja vinyylit, kuin myös Blu-ray dvd:t ja muistikortit. Jotta eri medioita voidaan verrata keskenään, tutkijat käyttivät informaatioteoriaa muuttaen kaiken tallennustilan optimaalisesti pakatuiksi biteiksi. Näin ollen esimerkiksi kuuden neliösentin sanomalehtikuva vastaa tuhatta sanaa. 20 vuoden aikana tallennustilan määrä on kasvanut 23% joka vuosi, ollen parhaimmillaan lähes 300 eksabittiä, joka vastaa tallennustilana 61 CD:tä jokaiselle ihmiselle maailmassa. Vuonna 1986 yli puolet tallennustilasta oli analogisissa videoissa, ja neljäsosa vinyyleissä sekä kaseteissa. Vuoteen 1993 mennessä 86% kaikesta tallennustilasta oli videoissa. Vuonna 2000 CD:t ja erilaiset digitaaliset tallennusmediat alkoivat haastaa analogisen videon tallennuskapasiteettia, mutta silti vielä noin 70% tallennustilasta oli analogisissa videoissa. Vuoteen 2007 mennessä analoginen video oli pudonnut kuuten prosenttiin ja maailman tallennustilan oli ottanut haltuun digitaalinen tallennusmedia, kuten kovalevyt, DVD:t ja Blu-Ray:t. Kahdenvälisessä tiedonsiirrossa liikkui vuonna 2007 65 eksabittiä, kun taas televisiolähetyksissä liikkui hulppeat kaksi zetabittiä dataa. Vaikka televisiolähetykset ovat lisääntyneet lineaarisesti, niin internet on lisännyt lähetettyjen bittien määrää 29-kertaisesti seitsemän vuoden aikana kahdenvälisessä tiedonsiirrossa. Sen sijaan 40% maailman prosessointitehosta oli vuonna 1986 taskulaskimissa hakaten kotitietokoneet (33%) ja serverit (17%). Vuoteen 2000 mennessä taskulaskimet putosivat kokonaan listalta ja kotitietokoneet kohosivat maksimiinsa (86%). Vuonna 2007 mobiililaitteet nousivat kuuteen prosenttiin, kotitietokoneet laskivat kahteen kolmasosaan ja pelilaitteet kohosivat neljäsosaan prosessointitehosta. Tutkimuksessa tarkasteltiin myös pelkästään komponenttiavaruutta, jossa grafiikkaprosessorit hallitsivat ylivoimaisesti (97%) prosessointitehoa haukaten suurimman osan maailman prosessointitehosta, joka on 6.4 miljoonaa miljardia toimintoa sekunnissa. Jotta emme vallan tuudittautuisi tietokoneiden ylivaltaan, yllä mainittu maailman prosessointiteho, eli 6.4 miljoonaa miljardia toimintoa sekunnissa, vastaa suurinpiirtein ihmisaivojen neuroimpulssien määrää sekunnissa. Maailman tallennuskapasiteetti, noin 290 miljoonaa miljardia bittiä, vastaa sitä vastoin aikuisen ihmisen DNA:n tallennuskapasiteettia. Maailmassa on useita miljardeja ihmisiä. Mietipä sitä.
Kilogramma
- Credit: BIPM
Kuinka paljon painaa kilogramma? Kysymys voi tuntua hieman oudolta, mutta tällä hetkellä se on kuuma puheenaihe oikeissa piireissä. Kilogramma, siis se oikea kilogramma, sijaitsee holvissa lukemattomien lasikupujen alla Sèvresissä Ranskassa. Se on viimeinen SI-yksikkö, joka määritellään vielä fyysisen kappaleen mukaan, tässä tapauksessa kilogramman painoinen platinasta ja iridiumista valmistettu pallo. Esimerkiksi metri määritellään matkaksi, jonka valo kulkee tyhjiössä 1/299792458 sekunnissa, tai sekunti ajaksi, jossa cesium-133-atomi värähtelee 9192631770 kertaa. Nyt myös kilogramma haluttaisiin määritellä maailmankaikkeuden perussuureiden pohjalta. Kansainvälinen yhteistyöprojekti Project Avogadro on ottanut tehtäväkseen yrittää määrittää kilogrammaa Avogadron lukuun perustuen. Avogadron luku on siis atomien määrä yhdessä moolissa ainetta, eli noin 6.022 x 10²³ kappaletta. Ongelmana kuitenkin on, että emme tunne Avogadron lukua vielä tarpeeksi tarkasti, jotta se kelpaisi kilogramman määrittämiseen. Vaadittu tarkkuus edellyttää Avogadron luvun tuntemista 20 miljardisosan tarkkuudella. Jotta kyseinen tarkkuus pystytään saavuttamaan, Project Avogadro on valmistanut kaksi yksikiteistä palloa pii-28:sta, jotka painavat tarkalleen kilogramman ja ovat lähinnä täydellisintä palloa Maan päällä (täydellisin ihmisen valmistama pallo löytyy avaruudesta Gravity Probe B:n kyydistä). Mikäli yksi näistä palloista suurennettaisiin Maapallon kokoiseksi, olisi sen korkeimmalla ja matalimmalla kohdalla eroa vain 2.4 metriä. Selvittämällä pii-28:n moolitilavuuden ja pallon yhden kidehilan tilavuuden tutkijat määrittivät Avogadron luvuksi 6.02214078(18) x 10²³ atomia moolissa 30 miljardisosan tarkkuudella. Tämä ei kuitenkaan riitä vielä ihan kilogrammalle, mutta tutkijat uskovat, että ymmärtämällä paremmin pallojen hionnasta jääneitä epäpuhtauksia ja käyttämällä mittauksissa parempia interferometrejä vaadittu tarkkuus saavutetaan muutaman vuoden kuluessa. Sèvresin holvin vartijoiden täytyy siis vielä odotella, ennen kuin he pääsevät pelaamaan petankkia kilogrammalla.
Viikon kuva: Mustien aukkojen ympyrä
Viikon kuvassa spiraaligalaksi (oikealla) on törmännyt elliptiseen galaksiin (vasemmalla), mikä on aiheuttanut massiivisen tähtiensyntyaallon spiraaligalaksissa muodostaen rengasmaisen kuvion (sininen väri vastaa ultraviolettisäteilyä). Osa tähdistä on räjähtänyt jo supernovana ja muodostanut mustia aukkoja, joista osa sijaitsee röntgenkaksoistähtijärjestelmissä ja säteileivät näin ollen voimakkaasti röntgenalueella (pinkit läntit renkaan sisällä).
- Credit: NASA/STScI/CXC/MIT/S.Rappaport et al
Tiedeviikko 3+4/11
Tiedeviikko laahaa pahasti aikaansa jäljessä, joten on aika korjata tilanne. Tässä ensimmäiseksi viikot kolme ja neljä:
Kaukaisin galaksi
Vuoden ensimmäinen superlatiivi on kaukaisin galaksi. Tutkijat ovat löytäneet galaksin UDFj-39546284 (etukirjaimet tarkoittavat Hubble -avaruusteleskoopin pitkän valotusajan kuvia: Ultra Deep Field), joka on meistä 13.2 miljardin valovuoden päässä. Eli sen valo lähti liikkeelle, kun maailmankaikkeus oli vain 480 miljoonan vuoden ikäinen. Tutkijat arvelevat ensimmäisten galaksien muodostuneen maailmankaikkeuteen, kun se oli 200-300 miljoonan vuoden ikäinen, joten juuri havaittu galaksi ulottuu melkein ensimmäisten galaksien joukkoon. UDFj-39546284 on pieni galaksi, noin sata kertaa pienempi kuin Linnunrata, sisältäen pääosin sinisiä eli nuoria ja kuumia tähtiä. Galaksin etäisyys määriteltiin ns. poissulkumenetelmällä, jossa galaksin kuumien tähtien säteilemän ultraviolettisäteilyn absorptio meidän ja galaksin välisessä vetypilvessä siirtyy maailmankaikkeuden laajenemisen johdosta pidemmille aallonpituuksille. Ultraviolettisäteily on tarpeeksi energeettistä säteilyä, jotta se voi ionisoida vetyä eli potkaista elektronin pois vetyatomin kuorelta. Törmätessään vetypilveen ultraviolettisäteily jää meiltä kokonaan havaitsematta sen jäädessä ionisoimaan vetypilven vetyä. Toisaalta galaksista säteilevä optinen säteily ei kykene ionisoimaan vetyä ja pääsee kulkemaan esteettä Maahan saakka. Maailmankaikkeuden laajenemisen johdosta säteilyn aallonpituus pitenee eli punasiirtyy, joten myös UDFj-39546284:n säteily, mukanaan ultraviolettisäteilyn absorptioalue, punasiirtyy. Havaitsemalla millä aallonpituuskaistalla galaksi ei näy saadaan karkea arvio galaksin punasiirtymästä, josta voidaan vastaavasti laskea galaksin etäisyys. Tutkimusryhmän tekemissä aikaisemmissa tutkimuksessa löydettiin 47 galaksia hieman lähempää, noin 13 miljardin valovuoden päästä. Juuri löydetyn galaksin ja aikaisemmin havaittujen galaksin välinen aikaero on kuitenkin maailmankaikkeuden mittapuulla mitattuna pieni, muutama sata miljoonaa vuotta, joten galaksien kehityksessä tapahtui tänä aikajaksona suuri harppaus. Ensimmäisen 170 miljoonan vuoden aikana tähtisyntynopeus kymmenkertaistui ja sitä seuraavan 130 miljoonan vuoden aikana se kymmenkertaistui uudellen. Tulos vahvistaa tutkijoiden käsitystä galaksien muodostumisesta maailmankaikkeudessa, missä galaksit kasvavat ja törmäilevät toisiinsa pimeän aineen vaikutuksen alaisena.
Kosminen röntgentaustasäteily
Credit: NASA/Goddard Space Flight Center
Kun on puhe kosmisesta taustasäteilystä, mieleen juolahtaa ensimmäisenä mikroaaltotaustasäteily, mutta maailmankaikkeus hehkuu myös muilla aallonpituusalueilla, esimerkiksi röntgenalueella. Suurin osa kosmisesta röntgentaustasäteilystä ajatellaan syntyvän aktiivisten galaksien keskustoissa majailevien supermassiivisten mustien aukkojen ympäriltä. Ongelmana on kuitenkin ollut, että aktiivisia galakseja ei ole tähän mennessä havaittu tarpeeksi, jotta koko röntgentaustasäteily pystyttäisiin selittämään. Uuden tutkimuksen mukaan meiltä onkin jäänyt laskematta viidesosa kaikista aktiivisista galakseista. Käyttäen NASA:n Swift -röntgesatelliittia tutkijat ovat löytäneet uuden aktiivisten galaksien joukon, joiden säteily on erittäin himmeää. Aktiivisissa galakseissa materiaa putoaa hiljalleen supermassiiviseen mustaan aukkoon, josta osa linkoutuu magneettikenttien vaikutuksesta pois mustan aukon navoilta muodostaen erittäin energeettiset hiukkassuihkut samaan tapaan kuin mikrokvasaareissa (kts. mustien aukkojen olemisen sietämätön keveys). Mikäli katsomme enemmän tai vähemmän suoraan hiukkassuihkua päin, kutsumme kohdetta kvasaariksi tai blasaariksi, jotka ovat maailmankaikkeuden kirkkaimpia kohteita. Sitä vastoin jos katsomme galaksia sivusta, peittää galaksin kiekko keskustan supermassiivisen mustan aukon ja säteily himmenee matkalla galaksin reunalle huomattavasti. Ultravioletti-, optinen ja ns. pehmeä röntgensäteily (noin 1 keV tai 500 kertaa näkyvää valoa energisempi) absorboituu kokonaan galaksin aineeseen. Infrapunasäteily pääsee kulkemaan galaksin läpi, mutta se saattaa sekoittua galaksin tähtiensyntyalueista säteilevään infrapunasäteilyyn. Niinpä ainoa galaksin läpäisevä supermassiivisen mustan aukon säteily on ns. kova röntgensäteily (noin 20 keV tai 10000 kertaa näkyvää valoa energisempi). Swiftin koko taivaan röntgenkartasta tutkijat valitsivat 199 aktiivista galaksia, jotka eivät sijainneet liian lähellä Linnunradan tasoa, ja joilla ei ollut hiukkassuihkuja näkyvillä. Näistä galakseista tutkijat päätyivät yhdeksään galaksiin, jotka kuuluvat uuteen aktiivisten galaksien joukkoon. Jopa Swiftillä oli ongelmia havaita näitä yhdeksää galaksia, joten todennäköisesti siltä jää suurinosa galakseista tästä erittäin himmästä aktiivisten galaksien ryhmästä havaitsematta. Ottaen satelliitin havaitsemisherkkyyden huomioon, tutkijat arviovat uuden galaksiryhmän sisältävän 20-30 prosenttia kaikista aktiivisista galakseista. Ensimmäistä kertaa tutkijat pystyivät myös mittaamaan näiden galaksien röntgenspektrin, jonka perusteella galaksit näyttäisivät muodostavan kosmisen röntgentaustasäteilyn huipun (kts. kuva yllä). Uusi löytö tukee teoriaa röntgentaustasäteilyn synnystä, jonka mukaan se on peräisin himmeistä, galaksin suojissa piileskelevistä supermassiivisista mustista aukoista, kun maailmankaikkeus oli noin seitsemän miljardin vuoden ikäinen.
Askel kohti kvanttitietokoneita: 10 miljardin hiukkasparin kvanttilomittuminen
Tutkijat ovat onnistuneet kvanttilomittamaan 10 miljardia hiukkasta kerralla menetelmällä, joka käyttää fosfori-rikastettua piitä, mikro- ja radioaaltopulssia. Tutkijat onnistuivat kvanttilomittamaan 98% kaikista mahdollisista hiukkaspareista, ja vaikka lomittuneiden hiukkasten hallitseminen on vielä hyvin rajallista, on hiukkasten massalomittuminen askel kohti kvanttitietokoneita. Koejärjestely sisälsi piikuution rikastettuna fosfori-ioneilla, jossa fosforiatomin ydin ja yksi sen elektroneista (joka muodostaa sidoksen piiatomin kanssa) muodosti kvanttilomitettavan hiukkasparin. Puolijohteeseen, kuten piihin, sekoitettuna fosforiytimen ja elektronin kvanttilomittuminen saadaan kestämään sekunteja kerrallaan verrattuna muihin materiaaleihin, joissa kvanttilomittuminen hajoaa sekunnin tuhannesosassa tai lyhyemmässä ajassa. Tutkijat tarvitsivatkin ylimääräistä aikaa saadakseen kaikki hiukkaset käyttäytymään samalla tavalla. Mikroaaltopulssilla hiukkasten kvanttimekaaninen aaltofunktio saadaan sopivaan tilaan, jotta sitä seuraava radioaaltopulssi pystyy kvanttilomittamaan hiukkaset. Jotta kvanttilomittuneita hiukkasia voitaisiin käyttää kvanttitietokoneiden kubitteina, täytyisi niitä pystyä vielä lukemaan ja kirjoittamaan. 10 miljardia hiukkasta tarjoaisi kuitenkin jo mukavat 2.5 gigabittiä muistia, joten tutkimus on ehdottomasti askel eteenpäin kohti kvanttitietokoneita.
Viikon kuva
Tieteellisen yhteistyön maailman kartta (hieman suurempi kuva täällä).
Credit: O. Beauchesne
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.
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.
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.
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
Tiedeviikko 47+48/10
Tällä kertaa tiedeviikko tulee taas kaksinkertaisena painoksena:
Syklinen universumi?
Credit: Gurzadyan & Penrose
Vaikka maailmankaikkeuden synty alkuräjähdyksestä (eli kun maailmankaikkeus oli erittäin tiheä ja kuuma) yhdistettynä inflaatioon (maailmankaikkeuden nopea laajeneminen) onkin vallalla oleva kosmologinen teoria, se ei tarkoita sitä, ettei muita vaihtoehtoja universumin synnylle mahtuisi joukkoon. Maailmankaikkeuden synnyn teoreettisen pohdiskelun taustalla on havainto kosmisesta taustasäteilystä, universumin alkuhetkien reliikistä, joka syntyi kun koko maailmankaikkeuden täyttänyt hiukkaspuuro muuttui sähkövaraukseltaan neutraaliksi elektronien yhtyessä atomien ytimiin antaen fotoneille tilaa levitä vapaasti avaruuteen. Tänä päivänä havaitsemme tuon reliikin koko avaruuden kattavana mikroaaltotaustasäteilynä. Koska taustasäteily on kauttaaltaan erittäin tasalämpöinen sisältäen vain miljoonasosien lämpötilaeroja eri alueiden välillä, on se vahva todiste alkuräjähdykselle ja inflaatiolle. Teorian mukaan inflaatio on tasoittanut maailmankaikkeuden rakenteen alkuhetkien epätasaisuuksista sellaiseksi kuin se havaitaan mikroaaltotaustasäteilykartassa. Pienet lämpötilaerot heijastavatkin sitä, kuinka massa oli jakautunut maailmankaikkeuden alkuhetkillä ja antavat siten viitteitä universumin rakenteesta, iästä ja historiasta. Inflaatio takaa myös sen, että mikäli jonkinlaista informaatiota olisi säilynyt tapahtumista ennen alkuräjähdystä (mitä ikinä se sitten olisikaan), olisi tieto siitä pyyhkiytynyt pois nopean laajenemisen seurauksena. Nyt fyysikot Vahe Gurzadyan ja Roger Penrose kuitenkin ehdottavat, että mikroaaltotaustasäteily sisältää rakenteita, jotka kielisivät tapahtumista ennen alkuräjähdystä. Heidän mukaansa taustasäteily sisältää ympyrämäisiä väreitä (kts. kuva yllä), joiden keskimääräinen lämpötila on hitusen alempi niitä ympäröiviä alueita. Tässä vaiheessa on kuitenkin hyvä muistaa kuinka varsinaiseen mikroaaltotaustasäteilykarttaan päästään käsiksi. Maailmankaikkeudessa on toki muitakin komponentteja, jotka säteilevät mikroaaltoalueella, esimerkiksi tähtienvälinen pöly, galaksit ja galaksijoukot. Kaikki nämä kohteet sijaitsevat taustasäteilyn ja meidän välissä, joten niiden tuottama signaali täytyy ensin poistaa, jotta allaolevaan taustasäteilyyn päästään käsiksi. Tämä ei todellakaan ole yksinkertainen ongelma, etenkään kun etualan kohteiden fysiikka ei kokonaisuudessaan ole tutkijoille selvää. Tietokonealgoritmit, joiden pohjalta lopullinen mikroaaltotaustasäteilykartta saadaan ulos, voivat luoda karttaan keinotekoisia signaaleja. Esimerkiksi, nk. suuri tyhjiö tai kylmä kohta taustasäteilyssä, jonka povattiin olevan merkki rinnakkaisulottuvuuksista, osoittautui tietyn analyysimenetelmän aiheuttamaksi harhaksi. Niinpä erityisesti suuriin tai säännöllisiin poikkeamiin mikroaaltotaustasäteilykartassa, nk. anomalioihin, kannattaa suhtautua tietyllä varauksella. Mutta palaten takaisin varsinaiseen tutkimukseen, Gurzadyan ja Penrose ajattelevat väreiden olevan merkki syklisestä universumista, teoriasta, jossa yhden alkuräjähdyksen sijaan onkin useampia alkuräjähdyksiä, joiden välissä universumi laajenee ja supistuu kosmisen makkarapötkön tavoin. Fyysikkoparin mukaan edellisten universumien supermassiivisten mustien aukkojen törmäysten aiheuttamat gravitaatioaallot muuttuisivat energiaksi seuraavan universumin räjähtäessä eloon. Ylimääräinen energiapotku vaikuttaisi pimeän aineen jakaumaan uudessa universumissa synnyttäen säännöllisiä ja ympyrämäisiä kuvioita siihen, jotka näyttäytyisivät uuden universumin fyysikoille ja tähtitieteilijöille kutakuinkin yllä olevan kuvan muodossa. On sanomattakin selvää, että taustasäteilyn väreet voidaan tulkita monella muullakin tapaa, mutta hulluilla teorioilla on oma jalansijansa tieteen tekemisessä (mieleen tulee Fritz Zwicky ja neutronitähdet, pimeä aine sekä gravitaatiolinssit), jos ei muuten niin ainakin ne aiheuttavat keskustelua.
Tieteellinen artikkeli (pre-print)
LHC:n mini-alkuräjähdykset ja maailmankaikkeuden nestemäinen olotila
Credit: CERN/ALICE
Marraskuussa LHC-hiukkaskiihdytin lopetti toistaiseksi fyysikoilta kadoksissa olevan Higgsin hiukkasen etsimiseen tarkoitetut kokeet protoneilla, ja siirtyi törmäyttämään lyijy-ioneja. Lyijy-ydin on huomattavasti raskaapi kuin protoni, joten sillä on myös huomattavasti enemmän energiaa kiitäessään hiukkaskiihdyttimessä. Lähes valonnopeudella liikkuvien lyijy-ionien törmäys tuottaa fantastisen määrän hiukkasia ja energiaa törmäystuotteina. Sekunnin murto-osan ajan lämpötila törmäyksen jälkeen on noin 10 miljoonaa miljardia astetta, saman verran kuin maailmankaikkeudella noin 0.000001 sekunnin ikäisenä. Niinpä LHC:n lyijytörmäytyksiä voidaankin hyvällä syyllä sanoa mini-alkuräjähdyksiksi. Käyttäen LHC:n ALICE-ilmaisinta tutkijat ovat päässeet kurkistamaan miltä maailmankaikkeus on näyttänyt heti alkuräjähdyksen jälkeen. Siihen aikaan universumi oli niin kuuma, että nykyisin atomien sisään kahlitut kvarkit poukkoilivat vapaina nk. kvarkki-gluoniplasmassa. Sama aineen tila on myös havaittavissa LHC:n lyijytörmäyksissä, ja tutkijat havaitsivat, että lyijytörmäyksissä syntynyt kvarkki-gluoniplasma käyttäytyi kuin matalan viskositeetin omaava neste. Samanlaisiin tuloksiin oltiin päädytty myös aikaisemmissa kokeissa RHIC-kiihdyttimellä, mutta tutkijoille oli yllätys, että kvarkki-gluoniplasma käyttäytyi nestemäisesti myös LHC:n huomattavasti korkeammilla energioilla. LHC jatkaa vielä lyijy-ionien törmäytyksiä, joten luultavasti paljon uusia tuloksia tullaan näkemään kun alkuräjähdyksen historiaa kuoritaan kerros kerrokselta mikrosekunti kerrallaan.
Missä ovat pienet mustat aukot?
Mustien aukkojen havaitseminen on nimensä mukaisesti hankalaa. Käytännössä Auringon massaisten mustien aukkojen havaitseminen vaatii aina mustan aukon sijaitsemisen kaksoistähtijärjestelmässä. Tällöin materiaa virtaa kumppanitähdestä mustaan aukkoon säteillen matkallaan kiivaasti röntgensäteilyä ja näin ollen paljastaen tähtitieteilijöille mustan aukon olemassaolon. Mustan aukon massan arvioiminen tarkasti riippuu kaksoistähtijärjestelmän parametreistä, olennaisesti tähden ja mustan aukon kiertoajasta toistensa ympäri, niiden massasuhteesta, kiertoradan kaltevuudesta ja kumppanitähden Doppler-nopeudesta, joiden mittaaminen ei aina ole mahdollista tai hyvin hankalaa. Niinpä tiedämme Linnunradasta noin viitisenkymmentä kaksoistähtijärjestelmää, joissa toinen tähti on todennäköisesti musta aukko. Näistä noin parinkymmenen massa on enemmän tai vähemmän tarkalleen mitattu. Nyt tutkijat ovat valinneet 16 tarkimmin mitattua mustan aukon sisältävää kaksoistähtijärjestelmää, analysoineet todennäköisyysjakaumat mustien aukkojen massoille ja havainneet massojen keskittyvän 6-10 Auringon massan välille. Erityistä tässä ei ole mihin massajakauma keskittyy, vaan mihin se ei keskity. Tutkimuksessa havaittiin selvä mustien aukkojen ”massa-aukko” 2-5 Auringon massan välillä, joten Linnunradassa näyttäisi olevan pienet mustat aukot kadoksissa. Tietenkään 16 mustan aukon otos ei voi olla kovin kattava Linnunradan kokoisen galaksin mustien aukkojen jakaumassa, mutta tutkimus pohtii miksi pieniä mustia aukkoja ei pitäisikään olla tarjolla. Mustien aukkojen elämä alkaa yli kahdeksan Auringon massaisen tähden räjähtäessä supernovana ja tähden ytimen luhistuessa kasaan hyvin nopeasti. Jos ytimen massa ylittää kriittisen massan, eli noin kolme Auringon massaa, pitäisi se nykyteorioiden mukaan johtaa mustan aukon muodostumiseen. Mikäli ytimen massa ei ylitä kriittistä massaa, supernovaräjähdyksen jälkeen jäljelle jää neutronitähti. Toisaalta neutronitähteen johtava supernovaräjähdyksen energia on suurempi kuin mustan aukon tuottava räjähdys, joten tutkijat ehdottavatkin, että pienten mustien aukkojen puuttuminen johtuu supernovaräjähdyksien eroavaisuuksista. Raskaamman tähden aiheuttaman supernovaräjähdyksen energia on kevyempää heikompi, joten se puhaltaa vähemmän materiaa kaksoitähtijärjestelmästä ulos, jolloin enemmän materiaa jää mustan aukon naposteltavaksi lihottaen sen nopeasti yli viiden Auringon massan painoiseksi. Näin ollen keveimmät mahdolliset mustat aukot ovat erittäin harvinaisia tai lyhytikäisiä muodostaen eron keveimmän mustan aukon ja raskaimman neutronitähden välille.
(kts. myös Tiedeviikko 42+43/10: Neutronitähden ja mustan aukon häilyvä massaraja sekä aineen äärimmäinen olomuoto sekä Tiedeviikko 46/10: Nuorin musta aukko)
Viikon video: Liitokäärme
Joulunodotusta
Boston Globe:n Hubble-joulukalenteri
Royal Society:n artikkelisarja Science sees further
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.
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.
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.
uniVersI/O 