|
Bumerangisumu kuvattuna
Hubble-avaruuskaukoputkella
vuonna
1998. Kuva paljastaa,
että sumun nimeksi olisi paremmin
sopinut Rusettisumu
(Bow Nebula).
Kuva NASA/ESA Hubble Space Telescope. |
Oletko koskaan miettinyt sitä, että mikähän mahtaa olla
maailmankaikkeudessa kylmin luonnollinen paikka? Tutkijat pystyvät saavuttamaan
termodynaamisia lämpötiloja, jotka ovat joko hyvin lähellä absoluuttista nollapistettä
[1] tai energiatilaltaan absoluuttisella lämpötila-asteikolla jopa
miinusmerkkisiä lämpötiloja. Nämä lämpötilat ovat kuitenkin keinotekoisia ja
nyt niitä ei oteta huomioon.
Miettipä hetki kysymystä! Onko kylmin paikka a) Kuussa, b)
Plutossa, c) tähtien välisessä avaruudessa tai d) galaksien välisessä
avaruudessa? Ja mikähän mahtaisi olla siellä vallitseva lämpötila?
Tarkastellaan hieman mitä lämpötilalla ymmärretään. Fysiikka
antaa siihen vastauksen joka on, että lämpötila on kappaleen tai kaasun
molekyylien liikettä. Mitä nopeampaa liike on sitä kuumempi lämpötila. Tästä
seuraa, että jos jarrutamme molekyylien liikettä, lämpötila laskee [2]!
Avaruudessa leijuvan kappaleen lämpötila määräytyy siihen
imeytyvän säteilyn ja sen emittoivan säteilyn suhteesta. Kappaleen
emissiosäteily tapahtuu aina suuremmalla aallonpituudella kuin imeytyminen,
joten aineen ominaisuudet määräävät sen missä lämpötilassa absorboidun ja
emittoidun säteilyn energiamäärät ovat tasapainossa [3].
Lämpötilan säätelystä on kysymys silloin, kun satelliittien
ulkopinta on osittain mustaa ja osittain valkoista, tai herkimmät laitteet on
peitetty kultapinnoitetulla alumiinifoliolla päällystetyllä lämpöeristeellä.
Mustavalkoinen väritys ei siis suinkaan ole sen vuoksi, että satelliitti olisi
”jännemmän” näköinen.
Avaruudessa leijuva fysiikan käsitteen ”musta kappale”
mukaisen kappaleen [4] lämpötilan olettaisi olevan sitä kylmempi mitä kauempana
se on tähdistä. Näin todellakin on. Tässä vaiheessa päättelytehtävämme oikea
vastaus näyttäisi olevan joko c- tai d-vaihtoehto. Tarkastellaan vielä hieman
tarkemmin kysymystä josko pääsisimme vielä lähemmäksi oikeaa vastausta!
Kuten tunnettua, maailmankaikkeuden täyttää kosminen
mikroaaltotaustasäteily, jonka alkuperä on alkuräjähdyksen jälkeen noin
380 000 vuotta vanhassa maailmankaikkeudessa. Silloin maailmankaikkeuden
lämpötila oli noin 3 000 K. Sen jälkeen maailmankaikkeus on laajentunut ja
taustasäteilyn lämpötila on pudonnut noin 2,7 K lämpötilaan. Tämä merkitsee
sitä, että kaikkialta maailmankaikkeudesta kohdistuu mihin tahansa kappaleeseen
vähintään 2,7 K lämpöinen lämpösäteily [5].
Voisiko luonnossa olla 2,7 K lämpötilaa kylmempiä
luonnollisia kohteita? Tähtitieteilijämme onneksi pystyvät vastaamaan
kysymykseen – ja vastaus on: Kyllä! Luonnossa esiintyy kosmista
mikroaaltotaustasäteilyä kylmempiä alueita.
Noin 5 000 valovuoden etäisyydellä Kentaurin
tähdistössä sijaitsee planetaarinensumu, jota kutsutaan Bumerangisumuksi.
Vuonna 1995 Ruotsalais–ESO alimillimetrikaukoputkella (Swedish-ESO
Submillimetre Telescope, SEST) tehdyt havainnot osoittivat pilven lämpötilan
olevan noin 1 K.
Kuinka 2,7 K lämpötilaisessa maailmankaikkeudessa voi olla
kaasua, jonka lämpötila on vain 1 K? Vastaus tähän saadaan toisen fysiikan ja
nimenomaan termodynamiikan piirissä olevasta ilmiöstä. Kyse on kaasupilven
adiabaattisesta [6] laajenemisesta. Bumerangisumu on laajentunut ainakin
viimeiset 1500 vuotta nopeudella 140 km/s.
Laajeneminen on jäädyttänyt kaasun
maailmankaikkeuden lämpötilaa kylmemmäksi. Tuloksena on maailmankaikkeuden
kylmin tunnettu luonnollinen paikka. Vastaavia sumupilviä maailmankaikkeudessa
on varmasti monia, ja vain tähtitieteilijöiden rajalliset
havaintomahdollisuudet ovat estäneet useamman alijäähtyneen sumun löytymistä.
Oikea vastaus on siis vaihtoehto c eli tähtienvälisen
avaruuden kaasupilvissä.
Huomautukset
[1] Absoluuttinen nollapiste on –273,15 °C, joka on Kelvin
asteikon nollapiste (0 K). Teorian mukaan termodynaamisin keinoin absoluuttista
nollapistettä ei pystytä saavuttamaan ja tutkijoiden täytyy käyttää erilaisia
sähkömagneettisia menetelmiä kohteen (yleensä Bosen–Einsteinin kondensaatti,
BEC) lämpötilan edelleen laskemiseksi. Nykyinen kylmyysennätys on 450±80 pK ja
se saavutettiin natriumista valmistetusta BEC kohteessa Massachusettsin
teknisessä korkeakoulussa (MIT) vuonna 2003.
[2] Molekyylien (lämpö)liike voidaan ymmärtää myös
ainemäärän energiasisältönä. Näin ollen poistamalla aineesta lämpöenergiaa,
tulemme jäädyttäneeksi sitä.
[3] Tästä pohjimmiltaan on kysymys myös maapallon
keskilämpötilasta ja sen muutoksesta hiilidioksidin ja muiden ns.
kasvihuonoilmiötä aiheuttavien kaasujen suhteellisen osuuden kasvaessa
ilmakehässä. Hiilidioksidin lisääntyminen muuttaa ilmakehän ominaisuuksia
siten, että säteilytasapaino saavutetaan aikaisempaa korkeammassa lämpötilassa.
[4] Ideaalinen kappale, joka absorboi kaiken siihen
kohdistuvan säteilyn. Mustasta kappaleesta ei tapahdu valon heijastumista.
Musta kappale asettuu säteilytasapainon edellyttämään lämpötilaan, sillä se
myös emittoi jatkuvasti yhtä paljon energiaa kuin mitä se vastaanottaa. Mustan
kappaleen spektrin muoto on aivan tietyn muotoinen ja muoto selittyy
kvanttimekaniikalla. Auringon säteilyominaisuudet ovat hyvin lähellä mustan
kappaleen säteilyominaisuuksia.
[5] Edellä esitetty merkitsee sitä, että oltiinpa kuinka
kaukana tahansa kappaletta mahdollisesti lämmittävästä tähdestä, kappaleen
lämpötila ei laske 2,7 K lämpötilan alle. Tästä syystä esimerkiksi ISON
-avaruuskaukoputken havaintoinstrumentit jäähdytettiin nestemäisellä heliumilla
vielä alhaisempaan lämpötilaan, jotta instrumenttien oma lämpökohina ei olisi
häirinnyt havaintoja.
[6] Adiabaattinen laajeneminen on hyvin yleinen ilmiö.
Avatessamme virvoitusjuomapuollon, sen sisällä oleva paineinen kaasu vapautuu
ja laajenee niin nopeasti, että siihen ei järjestelmän ulkopuolelta pääse tai
ehdi siirtymään energiaa. Lämpötila laskee jopa –50 °C lämpötilaan ja kaasussa
oleva vesihöyry tiivistyy mikroskooppisiksi (alijäähtyneiksi)pisaroiksi. Tästä syytä näemme hetken aikaan pullonsuussa
sumua.