Kylmyyttä riittää

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.