tiistai 24. kesäkuuta 2014

Uutta tietoa Kuusta



Kuun kaksi eri puolta ovat
aivan erilaisia. Uusi tutkimus
kertoo miksi näin on.
Kuva NASA / Arizona State Univ.
Maapallon seuralainen, Kuu, on ollut jatkuvan tutkimuksen kohteena ainakin Galileon päivistä alkaen. Merkittävä harppaus tutkimuksissa saatiin, kun ensimmäiset miehitetyt lennot toivat mukanaan merkittävän määrän näytteitä kuunpinnalta. Kuusta on myös muitakin näytteitä olemassa, sillä maapallolle on tippunut sieltä peräisin olevia meteoriitteja. Ne ovat sinkoutuneet avaruuteen pienten tai hieman suurempien asteroidien törmäysten vaikutuksesta.

Kuu siis tunnetaan suhteellisen hyvin, mutta vielä on joitakin ja aivan perustavaa laatua olevia arvoituksia olemassa. Kesäkuun alkupuolella julkaistiin kolme uutta tutkimusta, joissa ainakin kahta arvoitusta on pystytty valottamaan jonkin verran: ensimmäinen näistä käsittelee Kuun syntyä ja toinen sitä, miksi Kuun meille näkyvä puoli poikkeaa tavattoman paljon toisesta puolesta.

Kuun on ajateltu syntyneen pian aurinkokunnan syntymisen jälkeen kahden suuren kappaleen törmätessä toisiinsa. Maa oli tietysti toisena osapuolena ja törmäävänä kappaleena oli nykyisen Marsin kokoinen Theia. Törmäävän kappaleen on ajateltu syntyneen protoplanetaarisessa kiekossa lähellä maapalloa. Syntypaikoilla on kuitenkin ollut pieni ero, sillä Theian isotooppikoostumus on poikennut jonkin verran maapallon koostumuksesta.

Daniel Herwartz’in (George August yliopisto, Göttingen, Saksa) johtama tutkimusryhmä julkaisi kesäkuun 6. päivänä Science-tiedejulkaisussa artikkelin tutkimuksistaan, jossa he olivat määrittäneet kuunäytteiden hapen isotooppipitoisuudet (16O, 17O ja 18O -isotoopit). Alkuun määritykset tehtiin maahan pudonneista meteoriiteista, mutta ne osoittautuivat liiaksi ”saastuneiksi” maassa olevan hapen isotooppien vaikutuksesta. Tutkimustyönkannalta onneksi he saivat näytteitä Apollo-lennoilta tuotetuista kivistä.

Aikaisemmin on tehty vastaavia määrityksiä, mutta niiden tuottamat tulokset eivät ole tuoneet esille alkuperäisten isotooppien suhteita riittävän tarkasti. Nyt Herwartzin tutkimusryhmä onnistui määrittämään eron, joka oli 12±3 ppm 17O:16O -suhteelle. Ero osoittaa kiistatta, että törmäys oli tapahtunut ja Theian kemiallista koostumusta pystyttiin jonkin verran selvittämään muun tutkimuksen ohella vaikka kappaleen kokoa tai tarkkaa syntymispaikkaa ei tiedetäkään.

Tutkimuksen valossa näyttäisi siltä, että jos ja kun maapallo on synnyttyään pyörinyt itsensä ympäri suhteellisen nopeasti, törmäävän kappaleen ei ole tarvinnut olla kovinkaan suuri. Näyttäisi siltä, että Kuun massasta noin 10 % on Theiasta peräisin.
___

Goldschmidt Geochemistry konfrensissa kesäkuussa esiteltiin tutkimus, jossa oli pyritty selvittelemään Maan ja Theian törmäyksen ajankohtaa. Tähän asti arviot ajankohdasta ovat olleet suhteellisen varovaisia ja jotkin laskelmat ovat antaneet aurinkokunnalle noin 100 miljoonan vuoden iän törmäyksen aikaan (4,47 miljardia vuotta sitten). Ranskalaiset tutkijat Guillaume Avice ja Bernard Marty (Lorraine yliopisto, Ranska) esittivät tutkimuksessaan, että törmäys olisi tapahtunut 60 miljoona vuotta aikaisemmin, siis noin 4,53 miljardia vuota sitten.

Törmäyksen ajankohdan määrittely perustui kvartsikiteiden sulkeutumien jalokaasupitoisuuksiin (Xe, Kr ja Ar). Kvartsinäytteet olivat peräisin Etelä-Afrikasta ja Australiasta ja tuloksia verrattiin meteoriiteista saatuihin näytteisiin. Meteorit ovat parhaassa tapauksessa säilyneet täysin muuttumattomina aurinkokunnan syntyajoilta asti ja antavat viitteitä siitä, millainen ensimmäinen ilmakehä maapallolla on ollut juuri törmäyksen ajankohtana.
___

Kolmas uusi tutkimus kertoo sen miksi Kuun meille kääntynyt puoli on erilainen kuin meistä pois kääntynyt puoli. Tämäkin juontaa juurensa Kuun syntyyn. Theian törmäyksen jälkeen avaruuteen singonnut aine kerääntyi hiljalleen yhteen muodostaen Kuun. Etäisyys ei kuitenkaan ollut nykyinen, vaan ainoastaan 5–10 % nykyisestä etäisyydestä, eli noin 20 000 – 40 000 km. Tältä etäisyydeltä molempiin kappaleisiin syntyneet vuorovesivoimat olivat hyvin suuret nykyiseen verrattuna, joten Kuun pyörimisliike lukkiutui hyvin nopeasti kiertoaikaan jo siinä vaiheessa kun Kuu oli kauttaaltaan vielä sulassa tilassa.

Kuun ja Maan kokoero on valtava. Lisäksi Kuun keskitiheys on maapallon keksitiheyttä pienempi, joten sillä oli hyvät edellytykset jäähtyä hyvin nopeasti. Jäähtyminen ei kuitenkaan tapahtunut samalla tavalla eri puolilla Kuuta, vaan Maasta poispäin oleva osa jäähtyi nopeammin. Maapalloon päin olevan osan jäähtymistä hidasti lämpösäteilyllään itse maapallo, jonka pintalämpötila oli vielä tässä vaiheessa noin 2 500 °C tietämillä. Vaikka se ei tunnu kovin korkealta lämpötilalta, Maan ja Kuun välinen lyhyt etäisyys tehosti Kuun pinnan hidasta jäähtymistä. Kuusta katsoen maapallo oli suunnilleen suhteessa yhtä suuri kuin mitä Jupiter näyttää nykyisin Ion radalta katsottuna. 

Kuun vastakkaisen puolen kuori on muodostunut keveistä alkuaineista kuten alumiinista ja sitä on siellä selvästi paksummasti kuin meille kääntyneellä puolella. Suuren asteroidipommituksen aikaan (noin 4,3–3,8 miljardia vuotta sitten) Kuuhun törmänneet isokokoiset asteroidit saivat aikaan satojen kilometrien kokoisia kraattereita, jotka maapallon puolella hiljalleen täyttyivät vielä sulassa tilassa olevasta kiviaineksesta. Kraattereihin tihkuva laava oli metallipitoista ja tummaa basalttia ja tästä syystä nykyisin ”merinä” tunnetut mare-alueet ovat selvästi erottuvia Kuun pinnalta. Vastaavaa laavan tihkumista Kuun vastakkaisella puolella ei esiintynyt.

Tämän tutkimuksen tekivät Arpita Roy, Jason Wright, ja Steinn Sigurdsson, kaikki Pen State yliopistosta ja artikkeli julkaistiin kesäkuun 9. päivänä Astrophysical Journal Letters -tiedejulkaisussa.

sunnuntai 22. kesäkuuta 2014

B-moodi ehkä Linnunradan pölyn aiheuttama


B-moodi saattaa näkyä
polarisaatiotason kiertymisena.
Kuva BICEP2-työryhmä.

Viime maaliskuussa kerrottiin tiedotusvälineissä [1] BICEP2-työryhmän havainneen kosmisessa mikroaaltotaustasäteilyssä spiraalin muotoista polarisaatiota. Tutkimusryhmän mukaan kyse oli maailmankaikkeuden alun aikaisen inflaatiovaiheen aikaansaamia gravitaatioaaltojen vaikutus noin 380 000 vuoden ikäisen maailmankaikkeuden säteilemään sähkömagneettiseen säteilyyn. 

Nyttemmin tutkimusryhmä on hieman muuttanut tulkintaansa ja epäilevät, että ehkä kyse on sittenkin jostakin muusta. Muuttuneista käsityksistä kertoi BICEP2-työryhmän päätutkija professori Clem Pryke (Minnesotan yliopisto) Physical Review Letters -tiedejulkaisussa.

Syy tutkimustuloksen johtopäätösten muuttumiseen on myöhemmin tänä vuonna julkaistavissa Planck-observatorion tekemissä havainnoissa. Planck teki havaintojaan osaksi samasta taivaan alueesta, josta BICEP2-työryhmän havainnot tehtiin. Varsinaisesti kyse ei ole itse tulkinnasta, vaan Linnunradan sisältämän pölyn vaikutuksen suuremmasta osuudesta havaittuun polarisaation kiertymiseen. Se näyttäisi olevan voimakkaampi kuin alkuperäisessä tutkimuksessa oli arvioitu.

Maaliskuun julkistuksen jälkeen tutkijat ovat kohdanneet voimakasta epäilyä muiden tutkijoiden taholta. Tämä kuuluu tieteen tekemisen luonteeseen ja tutkimustulokset saavat yleisen hyväksynnän vasta sitten kun muut tutkimusryhmät vahvistavat tuloksen. Toistaiseksi B-moodi ei tällaista vahvistusta ole saanut. B-moodin "keksijä", professori Marc Kamionkowski (Johns Hopkins yliopisto) kertoi lisä- ja riippumattomien tutkimusten tarpeesta, sillä tiede toimii vain tällä tavalla.

Tutkijat yllättyivät maallikkojen ja tiedotusvälineiden suuresta huomiosta tutkimustulosta kohtaan. Professori Pryke kertoi BBC Newsille antamassaan haastattelussa olleensa ”myrskyn silmässä” tutkimuksen julkistamisen jälkeen tiedotusvälineiden pyytäessä haastatteluja ja esiintymisiä. Ilmeisesti taustalla on se, että vahvistuessaan gravitaatioaaltojen aikaansaama B-moodi olisi vähintään Nobel-palkinnon arvoinen löytö.

Jos Planckin havainnot osoittavat havaitun polarisaatiotason kiertymisen olevan Linnunradan pölyn aiheuttamaa, tutkijat joutuvat keksimään menetelmän, jolla sen vaikutus voidaan eliminoida. Jos siihen ei pystytä tai B-moodi jää havaitsematta jostakin muusta syystä, se ei kuitenkaan ole tieteelle mikään katastrofi. Hyvin usein lupaava tutkimushaara päätyy umpikujaan ja antaa tilaa uusille suunnille.

Huomautukset

[1] myös tällä blogipalstalla:

lauantai 21. kesäkuuta 2014

Kesäpäivänseisaus tänään



Kesä on edennyt jo pitkälle. Tänään on kesäpäivänseisaus, tarkkaan ottaen kello 13.51. Tämä merkitsee sitä, että Aurinko näennäisellä vuotuisella radallaan on saavuttanut pohjoisimman pisteensä tähtitaivaalla. Sanomattakin on selvää, että kyse on näennäisestä radasta ja se johtuu maapallon todellisesta radasta ja ennen kaikkea maapallon pyörimisakselin kallistumisesta ratatason kohtisuorasta (noin 23,5°).  Kesäpäivänseisauksen aikaan pyörimisakselin pohjoisnapa on kallistunut mainitun kulman verran kohti Aurinkoa.

Maapallon pyörimisakselin suunta ei juuri muutu tähtien suhteen, joten akselin kallistuminen johtuu maapallon sijainnista radallaan niin, että kallistuminen on kohti Aurinkoa. Talvella, talvipäivänseisauksen aikaan kallistumissuunta on poispäin Auringosta. Tällöin Aurinko näyttää edenneen näennäisellä radallaan eteläiselle tähtitaivaalle ja meillä Suomessa se merkitsee kaamosta sanan laajemmassa merkityksessä. Tarkkaan ottaen ”kaamos” vallitsee vain napapiirin pohjoispuolella, jossa Aurinko ei nouse horisontin yläpuolelle keskipäivälläkään.

Kesäpäivänseisauksen aikaan eteläisen Suomen yöt ovat valoisia, onhan Aurinko vain muutaman asteen horisontin alapuolella keskiyönaikaa. Tässä keskiyöllä tarkoitan hetkeä, jolloin Aurinko on pohjoismeridiaanin kohdalla. Napapiirin pohjoispuolella Aurinko näkyy kuitenkin horisontin yläpuolella ja siellä vallitsee ”yötön yö”. 

Viime vuonna kirjoitin tässä blogissani maapallon vuodesta [1]. Siinä käsittelin suhteellisen perusteellisesti maapallon vuoden tapahtumia. Kerroin vuoden 2013 kesäpäiväseisauksen tapahtuneen kello 8.03. Tänä vuonna (2014) se tapahtuu kello 13.51, ensivuonna kello 10.37 ja vuonna 2016 kello 1.33 jne. Kesäpäivänseisaus on kuitenkin aina 21. kesäkuuta.

Kesäpäivänseisauksen ajankohdan hyppinen saattaa tuntuu hieman ihmeelliseltä! Miksi se ei voisi olla esimerkiksi kello 12 UT aikaa? Syy hyppimiseen on maapallon vuoden pituudessa, joka ei ole tasan 365 vuorokautta, vaan hieman pidempi. Tarkkaan ottaen maapallon sideerisen vuoden pituus on 365,2564 vuorokautta, siis lähes 6 tuntia pidempi. Tämä merkitsee sitä, että kesäpäivänseisaus on ensivuonna noin 6 tuntia myöhemmin kuin tänä vuonna jne. Jos tätä tietoa vertaa edellä esitettyjen kesäpäivänseisauksen kellonaikoihin, niin aika nopeasti tulee päätelleeksi, että vuoden 2016 seisaushetki pitäisi olla 22. kesäkuuta eikä 21. päivä?

Jälleen syy on jo mainittu kuusituntinen. Jos sitä ei otettaisi huomioon, ensin pienet asiat kuten nyt esimerkiksi tämä kesäpäivänseisaus siirtyisi kalenterissa pois paikaltaan. Mitä pidempään se jätettäisiin huomiotta, sitä suurempi kalenterin ja esimerkiksi vuoden aikojen välille syntyisi. Näinhän on ihmiskunnan ajanlaskussa tapahtunut monta kertaa, ja niinpä Rooman keisari Julius Caesar määräsi käyttöön karkauspäivän helmikuun 24 päiväksi joka neljäs vuosi vuodesta 46 eaa alkaen. Käytäntöä on noudatettu siitä lähtien pienin korjauksin ja karkauspäivä (helmikuun 29. 2016) siirtää eteenpäin siirtyvän ja vuorokautta vaihtavan kesäpäivänseisauksen takaisin 21. päivälle.

Ihmiskunnan kalenterin ja ajanhistoria ei suinkaan ole aivan näin yksinkertainen. Jos olet kiinnostunut aiheesta, niin etsipä käsiisi Heikki Ojan kirjoittama ”Aikakirja”. Se löytynee edelleen ainakin suurimmista kirjastoista, sillä kirja on painettu vuonna 1999 ja on jo ”ajat sitten” myyty loppuun. Kirja valottaa hyvin perusteellisesti kaikkea sitä mikä liittyy aikaan ja kalentereihin.

Huomautukset

[1] Maapallon vuosi

perjantai 13. kesäkuuta 2014

Nasa valmistautuu miehitettyihin avaruuslentoihin pitkän tauon jälkeen



Orion-miehistömoduuli. Kuva Nasa.  
Yhdysvaltain ja etenkin Nasan valmius miehitettyihin avaruuslentoihin ollaan palauttamassa. Ensimmäistä uuden ajan miehitettyä lentoa ei vielä varsinaisesti valmistella, mutta Orion-alus on viimeistelyä vaille valmis. Sen miehittämätön ensilento [1] on suunniteltu tämän vuoden lopulle. Tämän jälkeen seuraa useita miehittämättömiä testilentoja.

Testilento on täydellinen laukaisu kaikkine osatekijöineen, vain miehistö puuttuu.  Kantorakettina on Delta IV Heavy kantoraketti ja laukaisun suorittaa United Launch Alliancen. Delta kantoraketti on toistaiseksi suorituskyvyltään Yhdysvaltain voimakkain, mutta se voi viedä Orion-aluksen vain matalalle Maata kiertävälle radalle (LEO). Niinpä Nasa on suunnittelemassa tehokkaampaa Space Launch System (SLS) -kantorakettia, jolla Orion voi aloittaa matkansa kohti asteroideja tai jopa Marsiin.

Ensimmäisellä testilennolla Orion-alus kiertää maapallon kaksi kertaa ja palaa ilmakehään kuten miehitetyn aluksen kuuluukin. Paluun aikana ilmakehän vastustava voima kuumentaa aluksen ulkopinnan, etenkin sen lämpökilven, noin 2000 °C lämpötilaan. Lämpökilpi toimii aplaatio-periaatteella, eli se kirjaimellisesti haihtuu sitoen riittävästi lämpöä, jotta itse alus ja sen miehistö säilyvät vahingoittumattomina.

Testilento laskeutuu Tyyneen mereen laskuvarjoilla kuten aikaisemmat Apollo-lennotkin. Orion on kuitenkin suunniteltu niin, että se voi tarvittaessa tehdä laskeutumisen myös kuvalle maalle. Tosin todellisuudessa näin tuskin tapahtuu muuta kuin korkeintaan seuraavien testilentojen aikana. Yhdysvalloilla on sen verran rantaviivaa käytettävissään, että mereen laskeutuminen ei ole mikään ongelma.

Avaruustutkimuksen historiaa tuntevat voivat tunnistaa Orion aluksessa kaikuja menneisyydestä. Miehistömoduulin muoto on tuttu jo Apollo-lentojen miehistömoduulista. Eroja tietysti on ja yksi merkittävimmistä on miehistön määrä. Orioniin voi pakkautua neljän astronautin miehistö ja lentoaika voi olla jopa 210 vuorokautta.

Testilentojen tultua tehdyksi kolmen vuoden kuluttua, onkin vuorossa ensimmäinen miehitetty lento (Exploration Mission-1), joka tapahtunee vuoden 2017 aikana. Tällöin kantorakettina pitäisi olla upouusi SLS.

Huomautukset

[1] Exploration Flight Test-1 lyhyemmin EFT-1.