sunnuntai 14. tammikuuta 2018

Maailmankaikkeuden kuumimmat ja kylmimmät paikat

Boomerang Nebula on toistaiseksi luonnossa kaikkein kylmin
paikka. Sen lämpötila on alempi kuin maailmankaikkeuden.
Kuva Wikimedia Commons.
Tähtitornilla usein kysytään avaruuden kuumimpia ja kylmimpiä paikkoja. Vastausta ei kuitenkaan ole kovinkaan helppoa antaa, sillä se riippuu hieman kysymyksen muotoilusta mitä kysyjä oikeasti haluaa tietää.

Usein kysytty lämpötila[1] on Auringon ytimessä vallitseva lämpötila. Vastaus on suhteellisen helppo, sillä erilaiset mallit Auringon toiminnasta ovat suunnilleen yhtä mieltä, että ytimen lämpötila on noin 15 miljoonaa Kelviniä[2]. Tosin, Aurinko ei ole ytimeltään kuumin tähti, ei edes lähellä sitä, sillä Aurinkoa suurempien ytimien lämpötila täytyy olla paljon enemmän. Ehkä kuumimpia tähtien ytimiä ovat supernovien lämpötilat, jotka kohoavat 3 miljardin Kelvin-asteeseen.

Jos otamme maailmankaikkeuden historian mukaan tarkasteluun, pääsemme helposti paljon korkeampiin lämpötiloihin. Esimerkiksi lämpötila oli noin 100 sekunnin ikäisessä maailmankaikkeudessa oli miljardi Kelviniä ja mentäessä ajassa edelleen taaksepäin 10-4 sekunnin ikäisessä maailmankaikkeudessa lämpötila oli biljoona Kelviniä (1012 K). Jatketaanpa ajassa taaksepäin ja tullaan aikaan, jolloin inflaatio päättyi. Silloin maailmankaikkeudella oli ikää 10-35 sekuntia ja lämpötila oli 1027 K eli 1000 kvadriljoonaa Kelvin astetta.

Ennen inflaatiota maailmankaikkeuden synnyttyä (ikä 0 sekuntia) lämpötilan lasketaan olleen 1,42×1033 K. Tätä lämpötilaa voitaneen pitää jonkinlaisena absoluuttisena kuumuutena ja siitä käytetään myös nimitystä Planckin lämpötila. Tätäkin korkeammat lämpötilat ovat saattaneet olla mahdollisia mutta fysiikan lakien säilymisestä näin äärimmäisissä oloissa ei ole olemassa tieteellistä näyttöä, joten korkeammista lämpötiloista emme voi tietää.

Palataanpa Aurinkoon ja edetään tarkastelemaan viileimpiä ja kylmempiä paikkoja maailmankaikkeudessa. Ytimen jälkeen seuraava askel kylmempään suuntaan on Auringon korona, jonka lämpötila on noin miljoonan Kelvinin luokkaa (riippuu hieman lähteestä mikä lämpötila sille ilmoitetaan).  Seuraavaksi pysytellään vielä aurinkokunnan alueella. Jupiterin ytimen lämpötilaksi ilmoitetaan kirjallisuudessa 24 000 K ja maapallon ytimen lämpötilaksi noin 6 000 K.

Tähtien pintalämpötilat ovat aina mielenkiintoisia, esimerkiksi Auringon pintalämpötila on noin 5 700 K. Monien muidenkin tähtien pintalämpötila on suunnilleen samoissa lukemissa, kuten Pohjantähdellä pintalämpötila on noin 6 890 K.

Monet aineet kiehuvat tai sulavat hyvin korkeissa lämpötiloissa. Hiilen kiehumispiste[3] on 4 300 K ja sulamispiste[4] 3 723 K. Rautakin kiehuu hieman viileämmässä, sillä sen kiehumispiste saavutetaan noin 3 100 K lämpötilassa. Tämän jälkeen viileämpään suuntaan mentäessä löytyisi valtava määrä meille tuttuja lämpötiloja, joten hypätään ne yli ja jatketaan ihmisen kannalta kylmäksi luokiteltavissa lämpötiloista.

Pakkasen paukkuessa nurkissa voi tapahtua niin, että elohopeamittari jämähtää paikoilleen. Elohopean sulamispiste kun on -39 °C. Vain spriitä sisältävät lämpömittarit (elektronisten mittareiden lisäksi) toimivat tätä kylmemmissä olosuhteissa[5].

Kuten varmasti jokainen meistä tietää, englanninkielisissä maissa käytetään edelleen hyvin yleisesti Fahrenheit -lämpötila-asteikkoa.  Kun kylmyyttä on -40 astetta, niin Celsius- kuin Fahrenheit- mitta-asteikoilla varustetut lämpömittari näyttävät samaa lukemaa.

Toistaiseksi aurinkokunnan kylmin paikka on Pluto,
sillä sen kaaukehässä leijuvat jääkiteen viilentävät
pintaa huomattavasti. Kuva Wikimedia Commons.
Mikään uutinen ei ole, että aurinkokunnan ulkolaidoilla olevat planeetat (ja muut kappaleet) ovat kylmiä. Uranuksen lämpötilaksi ilmoitetaan -216 °C. 

Muutkin planeetat ja kääpiöplaneetat ovat hyvin lähellä näitä lukemia. Pluton ilmakehässä esiintyvä typpijääkidesumu viilentää alempana olevia ilmakerroksia ja pintaa jopa -240 °C lämpötilaan ja keskilämpötilakin on -229 °C.  Pluton ilmakehä on voimakkaasti inversoitunut, eli lämpötila on korkeampi ylemmässä ilmakehässä.

Avaruudessa olevista tähtisumuista on mitattu vieläkin kylmempiä alueita. Kylmin koskaan mitattu sumun Boomerang Nebulan lämpötila on vain 1 K päässä absoluuttisesta nollapisteestä. Maailmankaikkeuden omaa lämpötilaa (noin 2,7 K) kylmempi sumun lämpötila johtuu sumun nopeasta laajenemisesta (adiabaattinen laajeneminen), jolloin maailmankaikkeuden lämpötila ei ehdi lämmittää laajenevaa sumua riittävästi ja lopputuloksena on maailmankaikkeutta kylmempi alue.

Kosmisen taustasäteilyn (CMB) lämpötila on siis noin 2,7 K. Tämä lämpötila on kuitenkin keskiarvo ja siinä on jonkin verran vaihtelua. CMBn kylmin alue on noin 70 µK viileämpi ja kaikkein kylmin kohta on 140 µK viileämpi kuin keskimääräinen lämpötila.

Ihmisen valmistamilla laitteilla päästään suhteellisen helposti vielä kylmempiin lämpötiloihin. Heliumin kiehumispiste on -269 °C ja sen haihtuessa esimerkiksi monien avaruuskaukoputkien havaintoinstrumenttien lämpötilat saadaan laskettua -270 °C alapuolelle. Laboratorioissa tutkijat ovat onnistuneet laskemaan lämpötiloja noin asteen miljardisosan (= 0,000 000 000 1 K = 100 pK) päähän absoluuttisesta nollapisteestä (-271,15 °C, 0 K). Kylmyys ennätys tehtiin vuonna 2000 Teknillisessä korkeakoulussa Espoossa.

Absoluuttinen nollapiste -273,15 °C matalin ikinä kuviteltavissa oleva lämpötila. Sitä ei pystytä saavuttamaan, vaikka hyvin lähelle sitä päästäänkin, sillä aineen lämpöliikettä ei voida millään käytettävissä olevin keinoin täysin poistaa. Tämä perustuu Heisenbergin epätarkkuusperiaatteeseen, jonka mukaan atomien liikemäärä ja paikka eivät voi olla määritetty samanaikaisesti. Millä tahansa kuviteltavissa olevalla koejärjestelyllä voidaan määrittää jompikumpi mutta ei molempia samanaikaisesti.

Fysiikan kummallisuuksiin kuitenkin kuuluu se, että absoluuttista nollapiste voidaan sivuuttaa tai hypätä yli eräillä koejärjestelyillä.  Jos ja kun kokeessa testiaineen kiderakenteen atomien magneettiset momentit saadaan suuntautumaan ulkoista magneettikenttää vastaan. Tällöin järjestelmän entropia[6] on hyvin matala (matalampi kuin jos magneettiset momentit ovat kentän suuntaisia). Tällaisen järjestelmän lämpötila on negatiivinen (pienempi kuin absoluuttinen nollapiste) mutta järjestelmä ei kuitenkaan ole absoluuttista nollapistettä kylmempi. Tällaisella järjestelyllä voidaan saavuttaa tiloja, joita voidaan yhtä hyvin pitää kuumempina kuin mikään positiivisen lämpötilan järjestelmää. Näin ollen järjestelmän lämpötila voi olla samaan aikaan sekä kuumin, että myös kylmin mahdollinen lämpötila. Sanomattakin lienee selvää, että mikään luonnossa esiintyvä järjestelmä ei itsekseen tällaista tilaa voi saavuttaa.

Hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa maailmankaikkeuden kosminen taustasäteilyn lämpötila laskee hyvin matalaksi laajenemisen seurauksena. Jos ja kun kaikki materia on hävinnyt eri prosesseissa, voidaan ajatella, että maailmankaikkeuden lämpötila[1] lähestyy asymptoottisesti absoluuttista nollapistettä. Maailmankaikkeuden kaukaista tulevaisuutta ei kuitenkaan voi ennustaa nykyfysiikan keinoin, joten edellä kuvattua lämpötilan absoluuttisen lämpötilan lähestymistä voidaan pitää vain yhtenä mallina muiden joukossa.

Huomautukset

[1] Lämpötilalla ymmärretään kappaleen atomien lämpöliikettä. Mitä korkeampi lämpötila sen kiivaampaa lämpöliike on! Voidaan hyvin kysyä, että onko lämpötilaa ilman ainetta ja ainetta ilman lämpötilaa!

[2] Lämpötilan mittaamisessa käytetään monia erilaisia asteikkoja. Fysiikassa lämpötila mitataan Kelvin-asteina, jonka asteikon nollapiste on absoluuttisessa nollapisteessä (-273,15 °C). Kelvin asteet ilmoitetaan Kelvineinä ja niiden tunnus on K-kirjain.

Muita lämpötilasteikkoja ovat Celsius ja Fahrenheit. Celsius-asteikko on meille tuttu, sillä sen nollapiste on veden sulamispisteessä (273,15 K) normiolosuhteissa. Celsius- ja Kelvin-asteikko ovat yhteneviä siinä mielessä, että niiden asteen muutos on yhtä suuri, siis jos lämpötila kohoaa tai laskee yhden asteen, niin muutos on yhtä suuri molemmilla asteikoilla mitattuna.

Englantia puhuvissa maissa käytetään edelleen Fahrenheit-asteikkoa, jonka nollapiste (0 °F) vastaa -17,8 °C lämpötilaa. Veden kiehumispisteen lämpötila on (normiolosuhteissa) 212 °F. Asteikon syntyhistoria on pitkä ja siihen voi tutustua mm. Wikipediassa!

Asteikkojen väliset muunnokset ovat suhteellisen helppoja, joskin muunnoskaavan muistaminen voi olla työlästä jos muuntamista tarvitsee harvoin.

[3] Kiehumispisteessä atomien ja molekyylien (hiukkaset) lämpöliike on niin nopeaa (suurienergistä), että hiukkaset irtoavat eli höyrystyvät kiehuvasta aineesta.

[4] Sulamispisteessä atomien ja molekyylien lämpöliike on niin voimakasta, että kiinteän aineen kiderakenne (jos sellainen on) rikkoontuu ja hiukkaset pääsevät vapaasti vaeltamaan. Esimerkiksi jään muuttuminen nestemäiseksi vedeksi tapahtuu sulamispisteessä. Lämpötila ei sulamisessa muutu, sillä nolla-asteisen jään sulaessa syntyy nolla-asteista vettä.

[5] Etyylialkoholin jäätymispiste on -114,1 °C. Seosaineet, kuten vesi, nostaa jäätymispistettä. Näin ollen 45 % vesi-alkoholiseos jäätyy -27 °C lämpötilassa.


[6] Termodynamiikassa entropia eli epäjärjestysen määrä kasvaa maailmankaikkeuden mittakaavassa vääjäämättä. Teknisillä ratkaisuilla voidaan suljetun järjestelmän entropiaa pienentää, mutta se tapahtuu muun maailmankaikkeuden entropian kasvattamisen kustannuksella.