Törmäsikö meteoroidi Antarktikselle?

Kuvakaappaus Christian Müllerin julkaisemasta
YouTube-videosta, jossa näkyy epäilty törmäyskraatterin
jäännökset. 

Syyskuun 3. päivänä vuonna 2004 havaittiin Antarktiksella noin 30 km korkeudella valtava tiivistymisvana, jonka tutkijat arvelivat isohkon meteoroidin syöksymisestä ilmakehään. Itse törmäystä ei kuitenkaan havaittu.

Vuonna 2007 julkaistiin tutkimus^[1], jonka mukaan samana päivänä havaittiin infraääniä^[2] havaitsevilla valvonta-asemilla^[3] ja Etelämantereelle paikannettu voimakas äänijälki. Äänijäljen analyysissä saatiin tulos, että kyseisen ilmiön oli aiheuttanut avaruudesta ilmakehään syöksynyt kappale^[4].

Tämän jälkeen kului aikaa aina viimevuoden joulukuun 20. päivään, jolloin geofyysikko Christian Müller (Alfred Wegener Institute) johtama työryhmä havaitsi lentokoneesta noin 2 km laajuisen renkaan Antarktiksen jäätiköllä. Kuusi vuorokautta myöhemmin he palasivat alueelle valokuvaten ja skannaten aluetta kahdelta eri korkeudelta. Tutkimusryhmän mielestä kyseinen jälki oli syntynyt vuonna 2004 ja se on mitä ilmeisimmin meteorikraatteri. Heidän näkemystään tukee havaittu tiivistymis-savuvana ja äänihavainnot.

Infraäänien kuunteluasema Gröönlannissa.
Kuva Wikimedia Commons.

Jos jälki todella osoittautuu törmäyskraatteriksi, sen aiheuttanut kappale on ollut kooltaan noin 100 metrinen. Lopulliseen kokomääritykseen vaikuttaa törmäävän kappaleen materiaali, massa ja nopeus, joten pelkän kraatterin koon perusteella ei kovinkaan tarkkaa arviota törmäävästä kappaleesta voida saavuttaa. Jääkairaukset (oletetulla) törmäyspaikalla voi tuoda esiin jäänteitä asteroidista ja sen materiaalista tai antaa jonkun muun selityksen havaitulle ympyrälle.

Huomautukset

[1] Earth, Moon and Planets, 10.1007/s11038-007-9205-z. Date: 13 Dec 2007 Stephen J. Arrowsmith, Doug ReVelle, Wayne Edwards, Peter Brown: Global Detection of Infrasonic Signals from Three Large Bolides.

[2] Infraäänet ovat ääniaaltoja joiden taajuus on ihmisen kuulokynnyksen alapuolella. Yleisesti kuulokynnyksenä pidetään noin 20 Hz taajuutta. Infraääniin lasketaan vielä niinkin matalata taajuudet kuin 0,001 Hz.

[3] International Monitoring System (IMS), jonka tehtävänä on valvoa ydinsulkusopimuksennoudattamista. Sen mittausasemat muodosta koko maapallon kattavat verkostot, joihin kuuluu 50 seismistä asemaa ja 120 ulkopuolista, mutta verkostoon liitettyä asemaa; 11 hydroakustista kuunteluasemaa 0,02 – 4 Hz taajuudella; 60 infraäänen kuunteluasemaa; 80 ilmakehässä kulkeutuvien radioaktiivisten aineiden ja laskeuman tarkkailupistettä sekä 16 radioaktiivisten aineiden analyysiin keskittynyttä laboratoriota.

[4] Samassa julkaisussa julkaistiin kahden muun ilmakehään syöksyneen kappaleen äänijälkien analyysit: lokakuun 7. 2004 Intian Valtameren yllä ja joulukuu 9. 2006 Pohjois-Afrikan yllä havaitut ilmiöt. 

Ensimmäiset tutkimustulokset Rosetasta julkaistu!

Komeetan P67 P :n alueet on nimetty egyptiläisten jumalien
mukaan. Alueiden nimet ja niiden merkitys on selostettu
tekstissä. Kuva ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Rosetta-luotaimen tekemät mittaukset ja kartoitukset komeetta 67P / Churyumov-Gerasimenkosta (67P) on nyt tutkittu ja julkaistu. Tieteellisten julkaisujen määrä kasvaa lähikuukausina merkittävästi, mutta jo nyt julkaistut tulokset ovat merkittävästi yksityiskohtaisempia kuin mitä milloinkaan komeetoista on voitu julkaista.

ESAn Rosetta-luotain saavutti komeetta 67P viime elokuussa ja asettui sitä kiertävälle radalle. Rosetan mukana oli laskeutumisluotain Philae, joka onnistui laskeutumaan komeetalle marraskuun 12. päivänä, mutta onnettomuudekseen kiinnitysjärjestelmät epäonnistuivat kiinnittäessään luotainta komeetan pintaan, joka sinkoutui johonkin varjoisaan koloon. Tämän lisäksi luotain joutui noin 30° kaltevaan asentoon ja sen seurauksena MUPUS (Multipurpose Sensors for Surface AND Subsurface Science) koetin ei onnistunut tunkeutumaan pintaa syvemmälle ja mitä ilmeisimmin myös rikkoontui. Pinta oli odotettua kovempaa jäätä.

Hiilidioksidin ja veden suhde komeetta 67 P:n eri alueilla.
Kuva ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team
MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

Kolossaan Philae sai vain 1,5 h auringonvaloa aurinkokennoilleen komeetan 12,4 h pyörähdysajan aikana. Tämän seurauksena akut tyhjenivät muutaman kymmenen tunnin toiminnan jälkeen ja radioyhteys laskeutujaan katkesi 54 tunnin kuluttua laskeutumisesta. Laskeutujan kaikki kymmenen mittalaitetta ehtivät kuitenkin lähettää joitakin tietoja.  ESAn insinöörit uskovat Philaen selviävän äärimmäisestä kylmyydestä ja palaavan toimintakuntoon lähempänä komeetan periheliä ensi elokuussa, kun auringonvaloa on enemmän saatavilla.

Rosetta on jatkanut komeettaytimen havainnointia ja kartoitusta. Tutkijat ovat nimenneet ytimessä esiintyviä ja hieman erityyppisiä alueita muinaisten egyptiläisten jumalien mukaan. Alueita on kaikkiaan 19 erilaista, jotka jakaantuvat viiteen perustyyppiin; alueet ovat pölyisiä^[1], hauraasta materiaalista koostuvia alueita joissa on kuoppia ja pyöreitä alueita^[2], laajoja painumia^[3], laakeita alueita^[4] ja paljastuneita kovapintaisia alueita^[5]. ESA on julkaissut kartan johon nämä erityyppiset alueet on merkitty.

Komeetan haiduttamien kaasujen määrä ja pölyn erottuminen on
merkittävästi lisääntynyt viime kuukausina.
Kuva ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team
MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

Aikaisemmat komeettahavainnot ovat tuoneet meille näkemyksen, että komeetan ilmakehä^[6], koma, on hyvin homogeeninen sisältäen tasaisesti vesihöyryä ja muita haihtuvia kaasuja (CO ja CO2 yms.). 67P:n kodalla tämä ei näyttä näin ole, sillä näiden kaasujen keskinäiset määräsuhteet vaihtelevat komeetan pyöriessä ja Rosettan kiertäessä radallaan ydintä. Kaasujen määräsuhteiden vaihtelu oli havaittavissa jo 200 km etäisyydeltä komeetasta jo ennen kuin luotain oli edes asettunut ydintä kiertävälle radalle.

Mielenkiintoinen havainto on myös se, kuinka komeetta kehittää itselleen magneettikentän.  Komeetan lähestyessä Aurinkoa, sen ytimestä haihtuva vesihöyry ionisoituu ultraviolettivalon vaikutuksesta. Vasta syntyneet ionit kiihdyttävät vauhtiaan aurinkotuulen hiukkasten toimiessa kiihdyttimenä. 

Aurinkoa lähestyessää komeettaan kohdistuva aina vain voimakkaampi lämpö nostaa koman tiheyttä ja ionisaatioastetta, jolloin jossakin vaiheessa ilmakehästä tulee sähköä johtava. Tällöin syntyy koko komeetan kattava magneettikenttä, joka luonnollisesti pyrkii pitämään yllä omaa muotoaan. Sen vuorovaikuttaessa aurinkotuulen kanssa syntyy sokkiaalto, joka ohjaa merkittävän osan aurinkotuulen hiukkasista komeetan sivuitse ja hidastaa magneettikenttään päätyvien hiukkasten nopeutta. Näin komeetan magneettikenttä suojaa sen ilmakehää aurinkotuulen rapauttavalta vaikutukselta.

Komeetta 67P / Churyumov-Gerasimenko koostuu kahdesta suuremmasta lohkosta ja niiden välisestä kannaksesta. Pienempi lohko on kooltaan 2,6×2,3×1,8 km ja suurempi lohko 4,1×3,3×1,8 km. Komeetan kokonaistilavuus on 21,4 km³ ja sen kokonaismassa on noin 10 miljardia tonnia. Näin ollen keskitiheys on 470 kg/m³, mikä on tavattoman vähän koska jäästä ja pölystä koostuvan kappaleen keskitiheys pitäisi olla luokkaa 1500–2000 kg/m³. Ainoa oikea päätelmä tästä on se, että komeettaytimen täytyy olla erittäin huokoinen (70–80 %), sen pinnanalaisessa rakenteessa täytyy olla onkaloita jotka ovat jääneet keskenään heikosti toisiinsa liittyneiden kappaleiden väliin.

Huomautukset

[1] Ma’at, Ash ja Babi

[2] Seth

[3] Hatmehit, Nut ja Aten

[4] Hapi, Imhotep ja Anubis

[5] Maftet, Bastet, Serqet, Hathor, Anuket, Khepry, Aker, Atum ja  Apis

[6] Monissa suomenkielisissä teksteissä käytetään myös nimitystä kaasukehä. Aivan tarkkaan ottaen ilmakehän ja kaasukehän välillä on ero, sillä ilmakehä koostuu suurelta osaltaan neutraaleista atomeista ja molekyyleistä, kun taas kaasukehän merkittävin osa on ionisoituneet atomit ja mahdollisesti molekyylit. Sillä, että onko ilmakehässä happea tai ei, ei ole merkitystä! Näin ollen planeetoilla ja kuilla on yleensä ilmakehä ja tähdillä kaasukehä (jos ilmaisua välttämättä halautaan tai tarvitsee käyttää).

Englanninkielisissä teksteissä näiden kahden olotilan välistä eroa ei yleensä tehdä (vaan se selviää asiayhteydestä) ja silloin siellä käytetään sanaa ”atmosphere”.

Kirjauutuus: Onko siellä ketään

Markus Hotakainen

Onko siellä ketään  – Avaruuden älyä etsimässä

Kustannus Oy Minerva

ISBN 978-952-312-040-2

Nidottu 303 sivua

Avaruudessa esiintyvä mahdollinen elämä ja äly ovat kiehtoneet ihmismieliä jo satojen vuosien ajan. Uusien eksoplaneettalöytöjen myötä tämä kiinnostus elämän esiintymiseen on vain kasvanut. Innostuksen kasvu ei olekaan mikään ihme, sillä osa uusista eksoista ovat hyvinkin samankaltaisia Maan kanssa ja mikä voisi olla kiehtovampaa kuin toisen Maan löytäminen.

Toistaiseksi toista aivan tarkasti samanlaista kuin Maa etsinnöistä huolimatta ei ole löydetty, mutta nyt on jo havaittu planeettoja, jotka ovat hyvin lähellä omaamme, ainakin mitä tulee ulkoisiin olosuhteisiin. Planeettojen koko ja niiden tähdistään saama valo- ja lämpömäärä on hyvin lähellä sitä mitä maapallokin saa Auringosta, joten spekulaatiot myös elämän ja mahdollisesti älykkäästä sellaisesta saa aina vain enemmän todellisia perusteita.

Hotakainen aloitta kirjansa historiakatsauksella, jatkaa planeettajahdilla ja esittelee löytyneitä maailmoja hyvin monipuolisesti, kertaa astrokemiaa ja pyrkii korjaamaan joitakin virheellisiä tutkimustuloksia väitetyistä havainnoista. Lisäksi hän pohtii elämän edellytyksiä eri planeetoilla ja mitkä tekijät elämän esiintymiseen saattaisi vaikuttaa. Ja totta kai, ainoatakaan tämän aihepiirin kirjaa ei voi kirjoittaa käsittelemättä SETI-projekteja, jo aikaisemmin toteutuneita ja niitä, jotka jatkuvat edelleen.

Hotakainen jatkaa tutulla, jo aikaisemmin viitoitetulla linjalla esittelemällä Enrico Fermin kuuluisaksi tulee paradoksin: ”Missä kaikki ovat”. Paradoksi on niin puhutteleva, että siitä on kirjoitettu hyllymetreittäin kirjoja ja onpa jokunen niistä käännetty suomeksi. Yksi ansioituneimpia on Stephen Webbin kirja ”Missä kaikki ovat?” (Ursa ry 2005, suomentanut Hannu Karttunen), jonka pohjalta Hotakainenkin asiaa pohtii. Webbin kirja on myyt loppuun jo aikoja sitten, joten Hotakaisen aiheeseen palaaminen on aivan paikallaan.

Toinen Hotakaisen esille ottama aihe, itse asiassa hyvin paljon vanhempi, tulee myös käsitellyksi. Kyseinen teema on Draken yhtälönä tunnettu laskelma avaruusviestintään kykenevien sivilisaatioiden määrästä Linnunradassamme.  Kyseinen laskelma perustuu vahvalle spekulaatiolle, mutta nykyisin tietomme eksoplaneettojen esiintymisestä ja jonkin verran edenneestä astrobiologiasta antaa meille paremmat mahdollisuudet päästä oikeansuuntaiseen tulokseen kuin kaavan esittämisen aikaan puoli vuosisataa sitten. Tietysti sillä edellytyksellä, että elämää ja älykästä elämää on ylipäätään syntynyt maapallon ulkopuolella. Vaikka se tuntuu itsestään selvältä, että näin on, olemme edelleenkin siinä tilanteessa, että tunnemme vain oman tapauksemme elämästä.

Olemme jo päässeet kirjan loppupuolelle mutta Hotakainen muistaa vielä kertoa siitä mitä ihmiskunta on tehnyt yhteyden muukalaissivilisaatioon saadakseen. Tosin nämä yritykset ovat enempikin tahattomia kuin tarkoituksellisia ehkä paria kolmea lukuun ottamatta.

Pitempään eläneille Markus Hotakaisen kirja ei kovinkaan paljoa uutta tuo, mutta onhan se hyvä päivitys nykytilanteeseen kenelle vain. Kirja on myös sen verran perusteellinen, että nuoremmille lukijoille se on tuhti tietopaketti aihepiiristä, josta suomenkielisiä kirjoja julkaistaan harvakseltaan. Jos nuoret ylipäätään enää kirjoja lukevat, niin tämä kuuluu niihin luettavaksi suositeltavien joukkoon.

Beagle 2 löytyi osittain avautuneena

Beagle 2 olisi näyttänyt tällaiselta avauduttuaan Marsissa.
Kuva Beagle 2 työryhmä.

Eurooppalainen ensimmäinen Marsiin laskeutunut luotain on löytynyt. Vuonna 2003 Marsiin Mars Expressin mukana matkaan lähetetty ja saman vuoden joulukuun 25 päivänä laskeutumista yrittänyt Beagle 2 -luotain katosi. Luotain oli irrotettu Mars Expressistä kuusi vuorokautta aikaisemmin. Sen arveltiin tuhoutuneen laskeutumisen aikana, tai jopa epäiltiin sen sinkoutuneen Aurinkoa kiertävälle radalle.

Nyt, yli vuosikymmen myöhemmin Beagle 2 on paikannettu Mars Reconnaissance Orbiter -luotaimen huipputarkoista kuvista. Eurooppalaisluotain oli kuin olikin onnistunut laskeutumisessa ja aloittanut avautumistoimintansa. Kuvissa näkyy osittain (kaksi neljästä) aurinkopaneelinsa avannut luotain ja niiden lisäksi myös laskuvarjot  ja takimmainen suojakuori ovat kuvissa näkyvissä.

Tämä kuva osoittaa Beagle 2 -luotaimen
avautuneen vain osittain. Avautuminen
on jostakin syystä jäänyt kesken ja
näin radioyhteyttäkään ei saatu syntymään.
Kuva HiRISE/NASA/JPL/Parker/Leicester.

Beagle 2 -luotaimen osittain avautuminen selittää myös sen, miksi radioyhteyttä luotaimeen ei saatu: aurinkopaneelien olisi pitänyt avautua kokonaan ennen kuin radioantenni olisi voinut suuntautua oikein.

Luotaimen suunnittelua ja rakentamista johti Avoimessa yliopistossa työskennellyt professori Colin Pillinger.  Valitettavasti hän kuoli toukokuussa 2014. Sama kohtalo oli myös kahdella muulla Beagle 2 -luotaimen rakentamiseen osallistuneella tutkimusryhmän johtohahmoilla: professorit David Barnes (Aberystwyth yliopisto) ja George Fraser (Leicester yliopisto) kuolivat myös vuonna 2014.

Animaatio osoittaa Beagle 2 laskeutumisen aikana irroitettujen laskuvarjon
ja takakannen paikat suhteessa laskeutjaan. Kuva HIRISE/NASA/Leicester.

Onko Aurinkokunnassamme vielä tuntemattomia planeettoja?

Tuleeko tähän aurinkokuntamalliimme muutos muutaman
vuoden kuluessa? Näin käy, jos espanjalais-brittiläisen
tutkimusryhmän ajatus Neptunuksen radan ulkopuolisesta
planeetasta tai parista osoittautuu oikeaksi. Kuva Nasa.

Espanjalaisen Complutense yliopiston (Madrid) ja brittiläisen Cambridge yliopiston tutkijat ovat saaneet viitteitä kahdesta tuntemattomasta planeetasta Aurinkokuntamme ulko-osassa. Jos viitteelliset havainnot todentuvat, niin joitakin käsityksiä Aurinkokuntamme synnystä on hieman paikattava.

Tutkijaryhmän havaintojen mukaan kolmentoista Neptunuksen radan ulkopuolella havaittujen kappaleiden ratojen puoliakselit ovat 150–525 au ja inklinaatio lähes 20°. Teorian mukaan näin ei pitäisi olla vaan puoliakselien pitäisi olla noin 150 au tietämillä ja inklinaation lähellä 0°.

Tutkijoiden mukaan ratojen parametrit ovat odottamattomia ja jokin syy niille täytyy olla. Tutkijat pitävät mahdollisena, että syy on yksinkertaisesti se, että kaukana Neptunuksen radan ulkopuolella piileksii isokokoinen planeetta tai pari.  Ratoja muuttava vaikutusmekanismi on gravitaatiohäiriöt, jotka olisivat muuttaneet planeettojen sisäpuolisilla radoilla olevien pienkappaleidenratojen ominaisuuksia.

Ehdotus tuntemattomien planeettojen olemassa olosta on kuitenkin ristiriidassa olemassa olevan aurinkokuntamallin kanssa, jonka mukaan nykyisten planeettojen lisäksi muita planeettoja ei ole voinut syntyä Aurinkokuntaamme.

Aurinkokuntamalli ei ehkä kuitenkaan ole kovin tarkka, sillä esimerkiksi ALMA radioteleskooppijärjestelmällä tehdyt havainnot TL Tauri tähdestä kertovat tähteä kiertävän protoplanetaarisen kiekon ulottuvan kauemmaksi kuin 100 au etäisyyteen tähdestä. TL Tauri tähti on massiivisempi ja paljon nuorempi tähti kuin Aurinko joten siellä mahdollisesti muodostuneet planeetat voivat sijaita useiden satojen astronomisten yksiköiden etäisyydellä tähdestä.

Tutkijat hämmästyttävästä tuloksesta huolimatta varoittavat liiasta innostumisesta, sillä havaittujen kappaleiden kokonaismäärä on hyvin pieni ja että tulos voi johtua vain pelkästään sattumasta. Tulevat havainnot voivat siis joko vahvistaa tai heikentää esitettyä hypoteesia.  

Jos Aurinkokuntamme ulko-osasta löytyisi planeetta tai pari, niin ne luultavasti olisivat todennäköisemmin kiviplaneettoja kuin Jupiterin kaltaisia kaasuista ja nesteistä muodostuneita planeettoja. Suhteellisesti pienempien ja tummempien kiviplaneettojen havaitseminen useiden satojen astronomisten yksiköiden etäisyydeltä olisi merkittävästi vaikeampaa kuin kaasu- ja pilvipeitteisten isojen planeettojen havaitseminen.

Karkaussekunti kesäkuun loppuun

Lisätyt karkaussekunnit vuodesta 1972 lähtien. Piirros IERS.

Kansainvälinen Maan pyörimisen ja viitejärjestelmien palvelu (IERS) on päättänyt lisätä kesäkuun loppuun yhden ylimääräisen sekunnin. 

Lisäys tehdään koordinoituun yleisaikaan (UTC) seuraavasti:

30.6.2015   23 h 59 m 59 s

30.6.2015   23 h 59 m 60 s

17.1.2015     0 h   0 m   0 s

Kansainvälisen atomiajan (TAI)^[1] ja UTC^[2] aikojen välinen ero (UTC-TAI) on ollut (1.7.2012 alkaen) -35 s ja on heinäkuun alun jälkeen -36 sekuntia. Korjaussekunteja lisätään siten, että korjaamaton aikaero aikajärjestelmien välillä ei ole suurempi kuin 0,9 sekuntia.

Aikaero ja sen korjaustarve johtuu maapallon pyörimisen hidastumisesta. Nykyisellään hidastuminen on suunnilleen 1,7 ms vuosisadan aikana. Hidastumisvauhti ei tunnu äkkiseltään kovinkaan suurelta, mutta se kertyy keskimääräisesti jokaiselta vuorokaudelta sadan vuoden aikana, niin lopputulos on hieman yli puoliminuuttia.  Näin suurta eroa maapallon pyörimisen, koordinoidun yleisajan ja Kansainvälisen atomiajan kesken ei voida hyväksyä.

Maapallon vuorokauden pituuden vaihtelu
Kansainväliseen atomiaikaan verrattuna
1600-luvulta alkaen. Piirros IERS.

TAI ja UTC aikojen välinen korjaus otettiin käyttöön vuonna 1972, jonka jälkeen korjauksia on tehty kaikkiaan 25 kertaa, viimeksi siis vuoden 2012 kesäkuun lopussa.

Lisäämisajankohta määräytyy toteutuneen pyörimisnopeuden hidastumisen perusteella ja perustuu siis tarkkoihin havaintoihin. Hidastuminen (vuorokauden pituuden kasvu 1,72 ms sadassa vuodessa) on vain karkea keskiarvo ja todelliseen hidastumiseen ja pyörimisnopeuteen vaikuttavat monet tekijät; esimerkiksi vuodenaikainen vaihtelu siten, että maapallon pohjoiset mantereiden ja Jäämeri saavat lumi- ja jääpeitteen, nopeuttavat pyörimistä. Vastaavasti lumien ja jään sulaminen hidastavat pyörimistä ^[3].

Vuorokauden pituus vuoden 2014 aikana.
Piirros IERS.

Yksi pyörimisnopeuteen vaikuttava tekijä on laattatektooninen. Mannerlaattojen siirtyminen ja subduktioalueilla tapahtuvat massan siirtymät vaikuttavat kaikki suoraan maapallon pyörimisnopeuteen. Samoin vuoristojen kohoaminen ja rapautuminen aiheuttavat omat vaikutuksensa pyörimisnopeuteen.

Ilmakehässä tapahtuvat massansiirrot muuttavat maapallon vuorokauden pituutta jatkuvasti. Näitä tekijöitä ei voida luotettavasti ennakoida, joten korjaukset aikajärjestelmään on tehtävä vain havaintojen perusteella.

Huomautukset

[1] Kansainvälinen atomiaika joka otettiin käyttöön vuonna 1972 ja on sen jälkeen edennyt tasaisesti sekunnin määritelmän mukaisesti.

[2] Koordinoitu yleisaika UTC, joka on käytännössä myös sama kuin Greenwichin yleisaika GMT, on käytössä oleva kellonaika. Paikallinen yleisaika saadaan kun GMT aikaan lisätään (Suomessa) 2 h (normaaliaika) tai 3 h (kesäaika). 

[3] IERS määrittelee maapallon pyörimisaikaan vaikuttavat tekijät pyörimismomenttiin vaikuttavina tekijöinä, joita ovat: Maapallon ytimen ja manttelin (CAM), hydrologiset (HAM, valtameret (OAM), Ilmakehän (AAM) pyörimismomentit. Lisäksi otetaan huomioon moni muita tekijöitä. 

Tänä vuonna juhlitaan Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa

Albert Einsteinin kuvaaja oli Doris Ulman.
Kuva Wikimedia Commons.

Tänä vuona tulee kuluneeksi tasan sata vuotta Einstein yleisen suhteellisuusteorian julkaisemisesta. Yleinen suhteellisuusteoria on sen verran merkittävä tieteellinen saavutus, jonka julkaisua ja kehittäjää Albert Einsteinia (1879–1955) on syystäkin juhlia. 

Ironista kyllä, vaikka yleinen suhteellisuusteoria onkin yksi viime vuosisadan merkittävimmistä ja kausikantoisimmista tieteellisistä julkaisuista, Einsteinia ei milloinkaan palkittu tästä työstä Nobelilla^[1]. Nobelin hän sai vuonna 1921 ”ihmevuonna”^[2] 1905 julkaistusta pienestä tutkimuksesta, joka käsitti valosähköisen ilmiön selitystä.

Yleinen suhteellisuusteoria on gravitaatioteoria, jossa Einstein selittää gravitaationa tunnetun ilmiön alkuperäksi aika-avaruuden kaareutumisen. Teoria korvaa tai paremminkin täydentää aikaisemman, vuonna 1687 julkaistun Isaac Newtonin gravitaatioteorian. Newtonin gravitaatioteoria on toimiva arkielämässä, jossa massat ja nopeudet ovat ”ihmismittakaavaisia” mutta teoriaa ei voi käyttää silloin, kun kysymys on tähdistä, mustista aukoista ja valon nopeutta lähestyvistä nopeuksista. Silloin Einsteinin teoria on paljon tarkempi.

Parhaimmin tunnettu esimerkki Einsteinin teorian tarkkuudesta on Merkuriuksen radan perihelin kiertymisen selitys, johon Newtonin teoria ei pysty. Newtonin teoria ei myöskään selitä valon kulkureitin kaareutumista massiivisten kappaleiden läheisyydessä, vaikka Newton tutkikin valon ominaisuuksia hiukkasteorian keinoin.

Yleistä suhteellisuusteorian aika-avaruuden kaareutumista yleensä havainnollistetaan joustavalla kankaalla, joka edustaa kaikkia kolme tilaulottuvuutta. Sijoittamalla kankaan keskelle erimassaisia painoja edustamaan massiivisia tähtiä tai mustia aukkoja, saadaan kangas venymään ja kaareutumaan. Mallilla myös hyvin usein pyritään havainnollistamaan planeettojen liikeradat tähtien ympäri tai jopa valon reitin taipumisen massakeskittymän läheisyydessä.

Massat saavat aika-avaruuden kaareutumaan.
Kuva Wikimedia Commons.

Vaikka analogia on hyvin puutteellinen ja rajoittunut ilmentämään aika-avaruutta, meille useamman kuin kolmen ulottuvuuden hahmottaminen ei luonnistu. Näin ollen analogiamalli on yksi parhaimmista millä tieteellisiä ilmiöitä on voitu havainnollistaa maallikoille.

Suhteellisuusteorian ilmestymisen aikaan Einstein ajatteli maailmankaikkeuden olevan staattinen. Hänen kaavansa kuitenkin osoittivat, että maailmankaikkeuden täytyi joko laajeta tai luhistua, staattinen tila ei ollut mahdollista. Niinpä hän lisäsi kaavoihinsa kosmologisen vakion, jonka arvon sopivalla valinnalla staattinen tila mahdollistui.

Seuraavalla vuosikymmenellä (marraskuussa 1924) Edwin Hubble (1889–1953) kuitenkin pystyi osoittamaan maailmankaikkeuden laajenemisen, joten Einstein joutui muuttamaan käsitystään. Hän kertoi lisäämänsä kosmologisen vakion olleen elämänsä suurin virhe. Niinpä hän poisti kaavoistaan tämä tekijän, mutta se jouduttiin ottamaan takaisin vuonna 1998 julkaistusta tutkimuksesta johtuen, jonka mukaan maailmankaikkeus laajeni kiihtyvästi. Ilman kosmologista vakiota (ja sen edustamaa poistovoimaa) kiihtymistä ei voi tapahtua, vaan laajeneminen hidastuisi ehkäpä ikuisesti gravitaation vaikutuksesta.

Yleisen suhteellisuusteorian tultua ainakin osittain todistetuksi oikeaksi vuonna 1919 tapahtuneen auringonpimennyksen avulla, Einsteinin elämä muuttui varsin ”pyörteiseksi”. Hän muutti usein vaihtaen työpaikkojaan yliopistosta toiseen, matkusti maailmalla mm. useita kertoja Yhdysvaltoihin ja lopulta päätyi muuttamaan pysyvästi New Jerseyiin ja työskenteli Princetonin yliopistossa Euroopan poliittisen ilmapiirin kehityttyä juutalaisvastaiseksi Adolf Hitlerin noustua valtaan Saksassa 1930-luvulla.

Albert Einsteinin suppeamman suhteellisuusteoriaan sisältyvät sellaiset käsitteet kuten valonnopeuden vakioisuus tyhjiössä^[4], suhteellisuusperiaate^[5], aikadilaatio^[6] ja pituuskontraktio^[7].

Yleinen suhteellisuusteoria on suppeamman suhteellisuusteorian laajennus, jonka lisäyksiä oli mm. gravitaatio ja kosmologinen vakio. Einsteinin mukaan gravitaatio oli näennäisvoima (kts. edellä mainittu aika-avaruuden kaareutuminen), joka johtuu käytetystä koordinaatiosta. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan myös aika on paikallinen ilmiö ja se kuluu tai etenee erinopeuksilla riippuen havaitsijan liiketilasta ja tai sijaintipaikan gravitaatiokentän voimakkuudesta (jälleen aika-avaruuden kaareutumisesta).

Einsteinin myöhemmät työt liittyivät EPR-paradoksiin (jonka Niels Bohr onnistui kumoamaan), mustiin aukkoihin liittyvään Schwarzschildin ”madon reikiin” (virallisemmin Einsteinin- Rosenin siltaan) ja yrittipä hän kehittää kaiken teorian, jossa yhdistyisivät gravitaatio- ja kvanttiteoriat.

Albert Einsteiniä on luonnehdittu neroksi ja kieltämättä hän jonkin asteinen nero olikin omalla alallaan. Kaikesta päätelleen hän tunsi suurta intohimoa työtään kohtaan, joten onnistuminen monissa tutkimuksissaan oli suora seuraus tästä intohimosta. Vaikka Einstein koki elämässään ja työssään myös monia epäonnistumisia, niin niitä ei sinällään tarvitse muistella, epäonnistumisia kun tulee kaikille ja vain onnistumiset lasketaan.

Huomautukset

[1] Suhteellisuusteoria ei ollut ”keksintö” Nobel-säätiön palkintoehtojen (Alfred Nobelin testamentin) mukaisesti.

 [2] Einsteinin ”ihmevuosi” 1905 on merkittävä, sillä silloin hän julkaisi kolme merkittävää julkaisua jo mainitun valosähköisen ilmiön selityksen lisäksi. Vähintään yhtä merkittävä tutkimus oli Brownin liikkeen^[3] selitys, jolla Einstein onnistui osoittamaan myös atomien olemassa olon. Vuonna 1910 hän oli ehdokkaana Nobelin saajaksi juuri Brownin liikkeen selitysmallin keksimisestä.

Kaksi muuta merkittävää ”ihmevuoden” julkaisua oli Suppea tai erityinen (nimitys vaihtelee) suhteellisuusteoria (Annalen der Physik numero 17) sekä massan ja energian verrannollisuus(Annalen der Physik numero 18), jonka suuri yleisö tuntee kaavasta E=mc². Tutkimus on kuitenkin usein liitetty suppeaan suhteellisuusteoriaan, vaikka se oli selkeästi aivan itsenäinen vaikkakin suppeaa suhteellisuusteoriaa täydentävä teoreettinen tutkimus.

[3] Brownin liike on mikroskoopissa näkyvä hiukkasten satunnainen siksak-liike. Ilmiön pani ensimmäisenä merkille kasvitieteilijä Robert Brown vuonna 1827. Hän ei kuitenkaan löytänyt selitystä ilmiölle. Einsteinin mallin mukaan kyseisen liikkeen saa aikaan vesimolekyylien lämpöliike. Pienet hiukkaset heilahtavat paikaltaan molekyylin törmäyksen voimasta. Suurempiin hiukkasiin vastaavia törmäyksiä tapahtuu runsaammin, mutta kappaleiden joka puolelle, josta johtuen törmäysreaktiot kumoavat toisensa ja kappaleet näyttävät pysyvän paikoillaan.

[4] Valonnopeus tyhjiössä on vakio riippumatta valonlähteen ja tai havaitsijan liikenopeudesta. Väliaineessa (esimerkiksi ilma) valonnopeus ei ole vakio vaan vaihtelee väliaineen sähköisten ominaisuuksien mukaan.

[5] Suhteellisuusperiaatteen mukaan fysiikan lait ovat samat kaikissa tasaisessa liikkeessä liikkuvissa koordinaatistoissa.

[6] Aikadilaatiossa liikkuvan havaitsijan aika kulkee hitaammin kuin paikoillaan olevan havaitsijan. 

[7] Pituuskontraktiossa, josta myös käytetään nimitystä Lorentz-kontraktio, on liikesuunnassa tapahtuva kappaleiden pituuden lyheneminen, joka on suhteessa liikkuvan kappaleen nopeuden suhteesta valonnopeuteen. Valonnopeudella kappaleen pituus olisi nolla.