sunnuntai 28. helmikuuta 2016

Karkausvuosi – karkauspäivä

Maapallon kiertoaika on noin 6 tuntia pitempi kuin
kalenterivuoden normaali pituus. Ero joudutaan
korjaamaan lisäämällä karkauspäivä helmikuuhun
joka neljäs vuosi. Myös maapallon prekessiolla on
oma vaikutuksensa kalenteriin ja se täytyy ottaa
huomioon, jotta vuoden ajat pysyisivät
synkroonissa kalenterin kanssa. Piirros
Kari A. Kuure.
Tänä vuonna helmikuussa on 29 päivää. Ylimääräistä päivää sanotaan karkauspäiväksi, syystä jonka harva tietää tai oivaltaa. Karkauspäivällä on vuosituhantiset perinteet, mutta perimmäinen syy on maapallon kierrossa Auringon ympäri ja siinä tapahtuvat muutokset.

Planeettadynamiikkaa

Maapallon vuoden voidaan ajatella alkavan kevätpäiväntasauksesta. Silloin Aurinko näennäisellä radallaan ylittää taivaanekvaattorin ja ”siirtyy” pohjoiselle tähtitaivaalle. Tässä tietysti on kysymys siitä, että maapallon pyörimisakseli ei ole kohtisuorassa maapallon ratatasoon nähden, vaan poikkeaa siitä noin 23,4°. Pyörimisakselin suunta pysyttelee suunnilleen tähtien suhteen samassa suunnassa ja kaltevuuden suunta on kevätpäiväntasauksen aikaan maapallon radan tangentin suuntainen.

Aikaa kevätpäiväntasauksesta seuraavaan kevätpäiväntasaukseen kuluu 365,24219 vuorokautta ja sitä kutsutaan trooppiseksi vuodeksi. Trooppisen vuoden pituuteen vaikuttaa kaksi asiaa: maapallon pyöriminen tähtien suhteen eli sideerinen vuosi (365,2563 vrk) ja maapallon pyörimisakselin suunnan muuttuminen eli prekessio (yksi kierros noin 26 000 vuodessa). Nämä kaksi asiaa kun yhdistyvät, tuloksena on trooppinen vuosi.

Tarkastellaan ensin sideeristä vuotta. Sen 365,2563 vuorokautta on epäsopiva käyttämäämme kalenteriin, jossa eräänlainen perusyksikkö on vuorokausi. Desimaaliosa 0,2563 vastaa karkeasti ottaen 6 tuntia, josta syntyy noin yksi vuorokausi neljässä vuodessa. Näin kalenterimme ilman mitään korjauksia edistäisi maapallon kierrosta Auringon ympäri noin vuorokauden neljässä vuodessa. Ilmiö tunnettiin jo Etelä- ja Väli-Amerikassa eläneiden olmeekkien (1600 eaa – 900 jaa) ja mayojen (noin 2000 eaa – 1500 jaa) eri kulttuureissa.

Juliaaninen kalenteri – askel oikeaan suuntaan

Trooppisen vuoden desimaaliosa 0,29219 vuorokautta antaa neljässä vuodessa 0,96876 vuorokautta. Rooman keisari Julius Caesar kyllästyi sekavaan ja lähes mielivaltaisesti noudatettuun roomalaiseen kalenteriin. Uuden kalenterin laatiminen tuli kreikkalaisen tähtitieteilijän Sosigenes Aleksandrialaisen tehtäväksi. Hän tunsi egyptiläisen ajanlaskun ja vuoden 365,25 vuorokauden pituuden, joten tehtävä oli suhteellisen yksinkertainen. Sosigenesin ehdotuksesta vuoden pituudeksi tuli 365 vuorokautta ja kuukausien pituuksiksi 30 ja 31 vuorokautta. Helmikuu, joka oli siis vuoden viimeisin kuukausi, sai pituudekseen 28 vuorokautta.

Caesarin määräys oli selvä parannus kalenteriin, mutta ei ollut täysin virheetön. Yhden vuorokauden lisääminen joka neljäs vuosi johti pieneen, noin 0,03124 vuorokauden ylikorjaamiseen trooppisen vuoden suhteen. Juliaanisen kalenterin lisäys sääntö johti noin 10 minuutin edistämiseen vuodessa. Kaiken lisäksi korjaussääntöä noudatettiin aluksi virheellisesti siten, että karkauspäiviä lisättiin todellisuudessa joka kolmas vuosi.

Greogoriaanine kalenteri – melkein tarkka

Kymmenminuuttisista kertyi kymmenen vuorokautta 1500-luvulle tultaessa. Tämä ei vielä tunnu kovinkaan paljolta, mutta se johti etenkin pääsiäisen ajankohdan väärään määrittämiseen. Vuonna 1582 paavi Gregorius XIII antoi tehtäväksi tähtitieteilijä Christopher Claviukselle laatia korjattu kalenteri. Uusittu kalenteri, jota nyt kutsutaan gregoriaaniseksi kalenteriksi, otettiin käyttöön syksyllä 1582; silloin lokakuun 4. päivän jälkeen tuli lokakuun 15. päivä.

Gregoriaanisen kalenterin mukaan karkauspäiviä edelleen lisätään helmikuuhun joka neljäs vuosi, mutta joinakin poikkeusvuosina näin ei menetellä. Poikkeukset olivat täysiä satoja vuosia, elleivät ne ole jaollisia luvulla 400. Näin ollen vuodet 1800, 1900 ja 2100 eivät ole karkausvuosia mutta 2000 ja 2400 puolestaan ovat karkausvuosia.

Kaavio vuodenaikojen vaihtelusta kalenterin suhteen. Koska
täydet 100 vuodet eivät ole karkausvuosia muutamaa
poikkeusta lukuun ottamatta, aikaero kalenterin
ja maanradan tasauksien  ja seisauksien välillä
(=vuodenajat) säilyy alle vuorokauden mittaisena.
Kuva Wiki Commons.
Gregoriaanisen kalenteri otettiin käyttöön kaikissa roomalaiskatolisissa maissa samana tai seuraavana vuotena (1582 tai 1583). Sen sijaan protestanttiset maat päätyivät kalenterin noudattamiseen enemmänkin pakon sanelemina ja täysin omaan tahtiin. Ruotsissa kalenteri otettiin käyttöön kahdesti vuonna 1823 ja 1844 kuninkaallisella julistuksella, Suomessa se tuli käyttöön 1869 ja Neuvostoliitossa vasta 1918 tai 1921 (käyttöönotosta on olemassa kahta tietoa, sillä ortodoksisella kirkolla oli ja on edelleen omat käytäntönsä).

Gregoriaanisen kalenterin tarkkuus on hyvä. Eroa syntyy 0,3 vuorokautta tuhannessa vuodessa, sillä vuoden pituus trooppiseen vuoteen nähden on vain 0,00031 vuorokautta liian pitkä. Näin ollen joskus vuoden 4500 tietämillä ero on kasvanut yhdeksi vuorokaudeksi ja silloin viimeistään täytyy jättää joku karkauspäivä pois, jotta synkronisuus vuodenaikojen kanssa säilyisi. Korjaus toki voitaisiin tehdä aikaisemminkin, joskus vuoden 3000 tietämillä, jolloin ero on kasvanut 12 tunniksi.


Miksi karkauspäivä on helmikuussa eikä vuoden lopussa?

Karkauspäivä ja itse asiassa myös karkauskuukausi juontaa juurensa Roomaan ennen Julius Caesarin aikaa. Tällöin käytössä oli jonkinlainen kuukalenteri, jossa vuoden pituus oli vain 355 vuorokautta. Jotta se saatiin pysymään jonkinlaisessa oikeassa rytmissä vuodenaikojen suhteen, kalenteriin lisättiin karkauskuukausi joka toinen vuosi ja helmikuu katkaistiin 23 vuorokauden mittaiseksi. Karkauskuukausi liitettiin kalenteriin helmikuun jälkeen. Uusi vuosi alkoi karkauskuukauden jälkeen maalikuussa.

Rooman paikallishallinto ei kuitenkaan ollut kovinkaan välkkyä porukkaa ja niinpä hallinnon johtavat virkamiehet päättivät lisäillä karkauskuukausia milloin mitenkin (oman etunsa mukaisesti) ja lopputulos oli selvä: kalenteri meni aivan sekaisin. Tässä vaiheessa Julius Caesar puuttui peliin ja uudisti roomalaisen kalenterin.

Julius Caesar määräsi karkauspäivän paikaksi helmikuun 23. päivän jälkeiseksi päiväksi eli saman päivän, jolloin aikaisemmassa roomalaisessa kalenterissa oli lisätty karkauskuukausi. 

Mielenkiintoista asiassa on, että tämä sama karkauspäivä oli käytössä aina 1900-luvun loppuun asti. Suomessa karkauspäivä siirrettiin helmikuun 29. päiväksi vasta vuonna 1998. Ero muihin vuosiin ei ollut suuren suuri, sillä vaikka karkauspäivä oli 24. helmikuuta, loput helmikuun päivistä numeroitiin siitä eteenpäin aivan normaalisti 29. päivään asti. Ainoastaan nimipäivät siirtyivät päivällä eteenpäin.

Tähtitieteelliset vuodenajat

Jotta uusi juliaaninen kalenteri olisi sopinut vuoden kiertoon ja vuodenaikoihin, Caesar joutui lisäilemään vuoteen 46 eaa jopa kolme karkauspäivää: yksi helmikuuhun ja kaksi marraskuun ja joulukuun väliin. Lisäksi vuoden alkamisen hän määräsi tapahtuvan tammikuun alussa. Näillä säädöillä mukaiset vuodenaikojen alut sopivat yhteen kalenterin vuosineljännesten kanssa (maaliskuun 25. , kesäkuun 24. , syyskuun 24. ja joulukuun 25. päivät).

Nykyisin tähtitieteellinen kevät alkaa kevätpäiväntasauksena 20.3., kesä 21.6. (kesäpäivänseisaus), syksy 22.9.(syyspäiväntasaus) ja talvi 21.12. (talvipäivänseisaus). Ero roomalaisten käyttämiin vuodenaikojen alkuihin johtuu jo mainitusta maapallon prekessiosta, joka siirsi tasaus- ja seisauspäiviä aikaisemmaksi ennen gregoniaanisen kalenterin käyttöön ottoa.

Tästä vuodesta (2016) eteenpäin kevätpäiväntasaus on joka vuosi maaliskuun 20. päivä aina vuoteen 2052 asti, jolloin se on 19.3. ja sen jälkeen vaihdellen 19. ja 20. päivien välillä. Näin mennään aina vuoteen 2100 asti, jolloin ei ole karkausvuosi ja kevätpäiväntasaus siirtyy takaisin 20.3. ja 21.3. päiviksi. Kaikki annetut päivämäärät ovat laskettu Suomen aikavyöhykkeellä noudatetun kalenterin mukaisina. Muilla aikavyöhykkeillä päivämäärät voivat vaihdella.


tiistai 23. helmikuuta 2016

Kuuhuijaus uppoaa herkkäuskoisiin


Neil Armstrong Kuun pinnalla Apollo 11 lennolla ensimmäisenä ihmisenä. 
"Tämä on pieni askel ihmiselle mutta valtava harppaus ihmiskunnalle" 
olivat Armstrongin ensimmäiset sanat juuri "valloitetussa" maailmassa. 
1960-lopun tv-tekniikka teki kuvasta hieman pehmeän ja sävyiltään jyrkän. 
Kuva NASA.
Kuuhuijaus-salaliittoteoria pihisee henkitoreissaan mutta ei suostu kuolemaan. Jostakin syystä aina vain uusi sukupolvi herkkäuskoisia tarttuu teoriaan ja levittää sitä totena, vaikka sen kaikki väittämät on jo aikoja sitten osoitettu vääriksi tai pätemättömiksi.

Kirjoitin aiheesta ensimmäisen kerran vuonna 2003 Avaruusmakasiinissa (ei enää saatavissa internetissä), joten on ehkä syytä julkaista artikkeli uudestaan hieman päivitettynä.

 ---

"Huijauksen osoittavina todisteina" ensimmäisenä tavallisesti esitetään väite, että sadoissa tai tuhansissa valokuvissa ja filmeissä ei näy tähtiä. Salaliittoteorian kannattajien mukaan ilmattomassa Kuussa tähtiä pitäisi näkyä taivaalla tuhansia.

Huomio on aivan oikea - kuvissa ei todellakaan näy tähtiä ja siihen on aivan selkeä syy. Apollo ohjelman kameroissa käytettiin erittäin hidasta filmiä. Värifilminä oli Kodakin Ektachrome 64 (64 ASA) ja mustavalkoisen oli Kodakin Panatomic X (50 ASA). Filmien valintaan oli yksi syy, ne ovat erittäin hienorakeisia ja erotuskykyisiä filmejä. Ne ovat kuitenkin epäherkkiä ja niitä joudutaan valottamaan suhteellisen pitkään normaalissakin valaistuksessa.

Kuussa valaistusolosuhteet ovat erittäin vaikeat kirkkaan auringonpaisteen valaistessa maisemaa. Maiseman valossa olevat kohdat ovat erittäin kirkkaita ja hitaallakin filmillä päästään normaaleihin valotusaikoihin, jotka ovat sekunnin kymmenes- tai sadasosia. Näin lyhyillä valotusajoilla tähdet, jotka ovat kymmenen miljardisosaa Auringon kirkkaudesta, eivät piirry filmille. Niiden valottamiseksi tarvittaisiin useiden sekuntien tai kymmenien sekuntien valotusajat. Apollo lennoilla otettiin myös tähtikuvia mutta silloin käytettiin paljon herkempiä filmejä ja pitempiä valotusaikoja.

Salaliittoteoreetikkojen yleisin väite on, että kuukuvissa ei näy tähtiä. Tähdet
ovat liian himmeitä näkyäkseen lyhyellä valotusajalla ja hitaalla
filmillä otetuissa kuvissa. Jos tähdet näkyisivät, maisema ja astronautit olisivat
hyvin pahasti ylivalottuneet. Kuva Nasa.
 Toinen salaliittoteorian kannattajien mieliväite on se, että Kuussa filmatut elokuvat ovat erittäin selkeitä ja värikkäitä. Nämä seikat tukevat heidän mielestään väitettä, että filmit onkin tehty Maassa.

Kuten edellä kerrottiin, filmejä valittaessa pyrittiin juuri selkeyteen ja yksityiskohtaisuuteen, joten käytettiin aivan tiettyjä filmilaatuja, jotta haluttu lopputulos saavutettaisiin. Myös käytetyt kamerat olivat tähän tarkoitukseen tehtyjä ja ominaisuuksiltaan sen aikaisien standardikameroiden ominaisuuksia parempia.

Jos tarkastellaan filmejä yksityiskohtaisesti, niin havaitaan niissä muutamia mielenkiintoisia seikkoja, jotka osoittavat filmit Kuussa kuvatuiksi. Filmeissä nähdään monissa kohdissa, että astronautti tai kuuajoneuvo pölläyttää Kuun pintapölyä. Pöly ja pienet kivet käyttäytyvät kuin ammukset, ne lähtevät potkusta parabolisella radalle ja aikansa lennettyään putoavat kuunpinnalle. Kiihtyvyys kuunpinnalla on noin 1/6 maapallon pinnalla vallitsevasta kiihtyvyydestä ja siellä ei ole ilmaa. Pöly ja kivet käyttäytyvät kuten tällaisissa olosuhteissakin pitääkin: ne putoavat kuunpinnalle.

Jos filmit olisi kuvattu Maassa, kivien lentorata olisi toisenlainen ja kevyt pöly jäisi leijumaan ilmaan useiksi minuuteiksi. Apollo lentojen aikaan ei ollut tietokonegrafiikkaa, eikä lavastustekniikka ollut kovinkaan kehittynyttä. Samoihin aikoihin tehty Stanley Kubrickin ohjaama elokuva 2001 Avaruusseikkailu sai lavastuksestaan Oscar -palkinnon ja se ei yltänyt läheskään aitoon vaikutelmaan.

Kuva Kuunpinnalla pölyää helposti mutta pöly ei jää leijumaan ilmaan, vaan putoaa
kuunpinnalle välittömästi. Ilmakehässä se jäisi leijumaan pitkäksi aikaa ja leviäisi
ilmavirtausten mukana laajalle alalle. 
Tämä ilmiö on näkyvissä helposti Kuussa 
kuvatussa filmissä Apollo 16 lennolta
https://www.youtube.com/watch?v=5cKpzp358F4

Kuvakaappaus Apollo 16 lennolta.
Usein kuuhuijauksen todisteeksi esitetään Yhdysvaltain lipusta kuvattua filmiä. Filmissä lippu näyttää liehuvan tuulessa. Jos filmi olisi kuvattu ilmattomassa Kuussa, niin liehumista ei tapahtuisi. Tähänkin vastaus on hyvin yksinkertainen.

Jotta lippu saataisiin "liehumaan" siihen on rakenteellisena osana kiinnitetty ohuita teräslankoja ja nylonvahvisteita, jotka levittävät lipun ikään kuin se liehuisi tuulessa. Muutoin ilmattomassa Kuussa lippu roikkuisi tangostaan kuin märkä sukka. Tästä rakenteellisesta syystä lippu on myös erittäin herkkä heiluri (heilurikerroin > 200), pienikin häiriö saa sen "lepattamaan". Pelkästään kuunkamaran pieni värähtely, esimerkiksi kuuastronauttien tyypillisen liikkumistavan "kenguruhyppelyn" synnyttämänä sai pinnan värähtelemään riittävästi ja lippu lepattaa näkyvästi.



Kuva Edwinn Aldrin Kuussa Apollo 11
lennolla. Vasemmalla laskeutumisalus
"Eagle" (Kotka) ja Yhdysvaltain lippu.
Kuva Nasa.


Astronauttien "kenguruhyppely" osoittaa myös ne Kuussa kuvatuiksi. Kyseinen liikkumismuoto on Kuussa energiataloudellisesti edullinen mutta ei maanpinnalla. Jo mainitussa Avaruuseikkailu 2001 elokuvassakin kuunpinnalla liikkuvat astronautit kävelevät tavalliseen tapaan.

Periaatteessa jokainen voisi myös itse todeta amerikkalaisten vierailleen Kuussa. Jokaisella kuudella laskeutuneella kuulennolla sinne vietiin laserheijastin, joita tutkijat ovat myöhemminkin käyttäneet ja käyttävät edelleen Kuun etäisyyden määrittämiseen.

Tarvitaan siis riittävän voimakas laser ja kaukoputki, jolla heijastimesta palautuva lasersäde havaitaan. Käytännössä asia ei ole aivan näin yksinkertainen kuin mitä teoriassa voisi kuvitella. Palaava lasersäde sisältää vain muutaman fotonin kerrallaan. Niiden havaitsemiseksi tarvitaan valomonistin.

Kuusta tuotiin myös näytteitä, yhteensä noin 350 kg. Tuhannet tutkijat ympäri maapallon ovat tutkineet niitä (mm. suomalainen kemisti, tohtori Biger Wiik) ja yksikään heistä ei ole epäillyt tai väittänyt kivien olevan peräisin maapallolta. Tämä johtuu siitä, että Kuusta peräisin olevien kivien fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet poikkeavat niin Maan kivistä kuin meteoriiteistakin. Kuusta peräisin olevien kivien raudan, magnesiumin ja hapen isotooppien suhteet ovat erilaisia kuin Maasta peräisin olevissa kivissä. Poikkeamat Maan kivistä eivät ole suuria mutta kuitenkin selkeästi tunnistettavissa.

Kivet ovat lojuneet kuunpinnalla nelisen miljardia vuotta. Tänä aikana niiden pintaan on iskeytynyt huomattava määrä mikrometeoriitteja ja aurinkotuulen hiukkasia. Näytteenä tuoduissa kivissä nämä jäljet ovat näkyvissä. Jos tutkijoille olisi annettu meteoriitteja tutkittavaksi, niin jäljet olisivat tuhoutuneet meteoriittien ulkopinnan kuumentuessa, sulaessa ja höyrystyessä maapallon ilmakehässä. Maanpinnalla olevissa kivistä ei mikrometeoriitteja ja aurinkotuulen hiukkasia löydy.

Kuva Kuukivet poikkeavat maapallolta peräisin olevista alkuaineittensa
isotooppijakauman suhteen. Kuukivet ovat erittäin vanhoja
 ja niiden pinnalla on jälkiä mikrometeoriiteista ja aurinkotuulesta. Maasta peräisin
olevissa kivissa ei ole mikrometeoriitteja. Kuva Nasa.
Kuukivistä puuttuu myös vesi, sitä ei ole edes kidevetenä. Maapallolta peräisin olevista kivistä löytyy aina vettä ja se on myös tunnistettavissa Maasta peräisin olevaksi atomien isotooppijakauman perusteella. Kuulentojen aikaan, ja sen jälkeenkään tutkijoilla ei ole käytettävissään mitään menetelmää isotooppijakauman muuttamiseksi.

Kaikkein uusimmat analyysit ovat paljastaneet, että näytteissä on kuin onkin vettä vaikka hyvin vähän. Isotooppitutkimus on kuitenkin vahvistanut aikaisemman tuloksen: Kuun vesi on hieman erilaista kuin Maassa oleva vesi.

Tässä olivat salaliittoteorioiden kannattajien pääväittämät. Monia muitakin väitteitä on esitetty, mutta niitä kannattaa tarkastella yhtä kriittisesti ja etsiä ilmiöitä, jotka ovat vain Kuussa mahdollisia.

Salaliittoteorioiden esittäjien motiiveja kannattaa myös tarkastella, jos se vain on mahdollista. Luultavasti taustalta löytyy pyrkimys tehdä rahaa myymällä "todisteista" kertovia kirjoja, lehtiä tai filmejä! Väitteitä kohdatessaan kannattaakin tarkastella esitettyjä todisteita käyttäen NASAn alkuperäiskuvia ja tutkimustuloksia. Kaikki kuvat on saatavilla Internetistä osoitteessa
http://www.apolloarchive.com/apollo_gallery.html


sunnuntai 14. helmikuuta 2016

Gravitaatiotähtitieteen synty?

C. Henze/NASA Ames Research Center
Olemme todistamassa uuden tieteenlajin syntyä, jos tuoreimmat uutiset gravitaatioaaltojen havaitsemisesta osoittautuvat hiemankaan enemmäksi kuin pelkästään onnen kantamoiseksi. Gravitaatioaallot tuovat mukanaan tietoa kaikkialta maailmankaikkeudesta kaiken alusta alkaen. Ne voivat tuoda mukanaan myös tietoa siitä, kuinka kaikki tulee päättymään.
Satavuotinen historia

Kaikki alkoi Albert Einsteinista, jonka vuonna 1915[1] ilmestyneen yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatiokentässä kiihtyvässä liikkeessä olevat kappaleet menettävät energiaansa gravitaatioaaltoina. Tällaisia järjestelmiä ovat toisiaan kiertävät massiiviset kappaleet, mutta myös tähteään kiertävät planeetat. Aiheen tutkiminen kuitenkin oli mahdotonta, koska käytössä ei ollut mitään menetelmää millä gravitaatioaaltoja olisi voitua havaita.



Vielä 1950-luvulla tutkijat pitivät mahdottomana ajatusta gravitaatioaaltojen havaitsemisesta. Kuitenkin vuonna 1957 North Carolinassa pidetyssä konferenssissa Felix Pirani[4] osoitti, että gravitaatioaaltojen havaitseminen oli kuin olikin ainakin teoriassa mahdollista.

Weber ja hänen alumiinisylinterinsä.
Kuva AIP Emilio Segrè Visual Archives
.
Vasta vuonna 1968 Marylandin yliopistossa työskennellyt Joseph Weber yritti tosissaan havaita gravitaatioaaltoja. Hän käytti havaintovälineenä 2 metriä pitkää ja halkaisijaltaan 1 metrin alumiinisylinteriä (resonanssitaajuus 1660 Hz). Weberin ajatuksen mukaan alumiinisylinteri alkaisi värähdellä, jos siihen osuisi gravitaatioaaltoja. 

Weber havaitsikin jotain värähtelyjä ja oli hyvin vakuuttunut gravitaatioaaltojen havainnoistaan, mutta tiedeyhteisö ei aiheesta innostunut. Vielä niinkin myöhään kuin vuonna 1987 Weber ilmoitti havainneensa gravitaatioaaltoja joiden alkuperä oli Suuressa Magellanin pilvessä räjähtänyt supernova SN1987A. Hänen tuloksen kuitenkin tyrmättiin virheellisinä.

Weber sai seuraajikseen joitakin tutkijoita, jotka pyrkivät rakentamaan ja havaitsemaan gravitaatioaaltoja samanlaisella resonaattoritekniikalla. Esimerkiksi Italiassa rakennettiin Explorer, Nautillus ja Auriga resonaattorit ja niiden lisäksi Allegro Yhdysvalloissa. Oma lajinsa resonaattoreista olivat muodoltaan pallomaiset. Niillä pyrittiin välttämään ennen kaikkea suuntaongelmat jotka vaivasivat sylinterin muotoisia resonaattoreita. Pallomaisia resonaattoreita olivat TIGA Yhdysvalloissa, MiniGRAIL Alankomaissa ja Mario Schenberg Brisiliassa.


Neutronitähdet kehiin

Russel A. Hulse
Joseph H. Taylor

Vuonna 1974 gravitaatioaaltojen etsintään paneutui tutkijapari Russell Alan Hulse ja Joseph Hooton Taylor. Heidän lähestymistapansa oli täysin toinen, sillä he pyrkivät havaitsemaan hyvin suppealla radalla toisiaan kiertävää neutronitähtiä. He onnistuivatkin havaitsemaan pulsaria PSR B1913+16, jonka kaksosparina on toinen neutronitähti. Tähdet tunnetaan myös Hulse–Taylorin kaksosena.

Kummankin neutronitähden massa on noin 1,4 × M ja parin etäisyys on 21 000 valovuotta. Kaksoispulsari sijaitsee Kotkan tähdistössä. Hyvin tarkoilla mittauksilla tutkijoille selvisi, että pulsari pyörähtää itsensä ympäri 17 kertaa sekunnissa eli pulssit seuraavat toisiaan noin 59 ms välein.  Pulssien välissä oli systemaattista ja jaksoittain toistuvaa vaihtelua, jonka pituus oli 7,75 tuntia. Havainnon valossa oli selvää, että pulsarilla oli kumppani, jonka mahdollisesti lähettämä radiopulssi ei kuitenkaan ollut havaittavissa maapallolla.

Lisähavainnot paljastivat, että neutronitähdet kiertävät toisiaan noin 3 valosekunnin etäisyydellä. Molemmat pulsarit olivat suunnilleen yhtä massiivisia (1,4 Auringon massaa) ja minimi etäisyys toisistaan (periastron) on 1,1 Auringon sädettä. Radan etäisin piste (apoastro) on puolestaan 4,8 Auringon säteen etäisyydellä. Rata on noin 45° kulmassa näkösäteeseemme nähden ja relativistinen periastronin prekessio on 4,2° per kierros.

Tarkkojen mittausten perusteella he päätyivät tulokseen, että kierrosaika lyhenee 76,5 µs vuodessa ja se vastaa laskelmien mukaan 7,35×1024 W häviötehoa[7]. Komponenttien yhteentörmäys tapahtuu noin 300 miljoonan vuoden kuluttua.

Hulselle ja Taylorille oli selvää näiden tietojen valossa, että järjestelmästä katoaisi suhteellisuusteorian mukaan energiaa gravitaatioaaltoina. Heidät palkittiinkin vuonna 1993 fysiikan Nobel-palkinnolla.

Neutronitähtiä tunnetaan yli 1 400. Kaksoisneutronitähdet ovat kuitenkin harvinaisia ja kaksoispulsarit ovat todella harvinaisia, sillä niitä tunnetaan vain yksi. Kaksospulsari PSR J0737-3039A löydettiin vuonna 2003 australialaisessa Parkes radio-observatoriossa. Tähden A komponentin massa on 1,337 × M[5]ja B komponentin massa 1,25 × M, kiertoaika on 2,4 tuntia. Komponentin B radiopulssit ovat havaittavissa noin 20 minuutin ajan joka kierroksella. Gravitaatioaaltojen mukanaan vievän energian vaikutuksesta tähtien ratasäde pienenee noin 7 mm/vrk ja yhteen törmäys tapahtuu noin 85 miljoona vuoden kuluttua.

Pulsariparin periastron kiertyy 17° vuodessa ja tällä tähtiparilla on havaittu myös toinen suhteellisuusteorian mukainen ilmiö. Kun tähdet lähenevät toisiaan, niiden lähettämät pulssit hidastuvat 0,38 ms voimistuneesta gravitaatiokentästä johtuen. Lisäksi, kun pulsarin signaali kulkee toisen pulsarin gravitaatiokentän läpi, se aiheuttaa 90 µs viiveen pulssiin. Vastaavaa hidastumista on havaittu aikaisemmin mutta ei koskaan järjestelmälle, jonka näemme 88° suunnasta (lähes reunan suunta).

Laser-interferometri

LIGO observatorion ja muiden laser-interferometriaan perustuvien
gravitaatioaaltojen havaitsemisen periaate. Toiminta on kuvattu
tarkemmin tekstissä. Kuva LIGO.
Toisiaan kiertävien neutronitähtien havaitseminen oli vaikeaa ja ne ovat erittäin harvinaisia. Kaiken lisäksi niiden tuottamat tulokset olivat lähinnä epäsuoria todisteita gravitaatioaaltojen olemassa olosta, joten tämänkaltainen tutkiminen ei olisi ollut vastaus gravitaatioaaltojen suoralle havaitsemiselle.

Seuraavaksi päätettiin etsiä menetelmä maanpäällisten havaintolaitteiden rakentamiseen. Ratkaisu löytyi fysiikan tutkimuksen historiasta. Vuonna 1881 Michelson ja Morley olivat rakentaneet monkromaattisella valolla toimivan L-muotoisen koejärjestelyn, jonka avulla pystyivät osoittamaan ajatuksen maailmankaikkeuden täyttävästä eetteristä pätemättömäksi. 

Koejärjestely oli periaatteessa hyvinkin helppo ja niinpä jo vuonna 1978 Robert Forward (Hughes Research -laboratorio) rakensi laser-interferometrin, jonka L-siipien pituus oli 2 metriä. Myöhemmin, vuonna 1983 hän rakensi interferometrin, jonka sivujen pituus oli 40 metriä.

Japanilaiset tutkijat rakensivat laser-interferometrin, joka käynnistyi vuonna 1995.  Projekti tunnettiin nimellä TAMA 300, jossa luku 300 viittasi käytettyyn sivun pituuteen (300 m).

LIGOn kaksi observatoriota Livingstonissa ja Hanfordissa. Kuva LIGO.

Vuonna 1984 Kip Thorne (Galtech), Ronald Drever (Galtech) ja Rainier Weiss (MIT) käynnistivät lasersäteen interferenssiin perustuvan LIGO- hankkeen.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) käynnistyi kansainvälisen rahoituksen turvin vuonna 2002. Observatorio koostui kahdesta havaintolaiteesta: LIGO Livingstone Observatory (Livingston, Luisiana) ja LIGO Hanford Observatory (Richland, Washingonton). Observatorioiden välinen etäisyys on 3 002 km, joka merkitsee aikaerona maksimissaan noin 10 ms.

LIGOn toimintaperiaate on se, että neljän kilometrin mittaisissa tyhjiöputkissa laser-säde tekee 75 edestakaista matkaa ennen ilmaisimeen johtamista. Tyhjiöputkia on kaksi kappaletta, 90° toisiinsa nähden. Jos ja kun gravitaatioaallot osuvat putkiin, niiden vaikutus on erilainen kummassakin putkessa, riippuen aallon tulosuunnasta. Putkien päissä olevien massojen (ja niissä olevien peilien) etäisyydet vaihtelevat ilmaisimesta sen mukaan miten gravitaatioaallot taivuttelevat aika-avaruutta.

Ilmaisimessa lasersäteiden saapuessa samanaikaisesti, ne sammuttavat toisensa. Käytännössä kohina kuitenkin saa aikaan satunnaisesti näkyviä piikkejä. Gravitaatioaallon muuttaessa peilien etäisyyksia, peili värähtelevät aalllon taajuuden mukaan ja ilmaisimessa näkyy selkeää aaltoilua. Jos gravitaatioaallot aiheutti mustien aukkojen yhdistyminen, ilmaisimessa näkyvän aaltoilun taajuus ja amplitudi kasvavat gravitaatioaallon mukana.

Alla olevassa videossa peilien keskinäistä etäisyyttä ja niiden muutoksia kuvataan ympyrällä, joka on täydellinen laitteiston ollessa perustilassa. Gravitaatioaallot saavat ympyrän värähtelemään. Tällä tavalla rakennetussa ilmaisimessa ympyrässä tapahtuvat muutokset ovat äärimmäisen pieniä, mutta tarkalla analyysillä havaittavissa.

Animaatio APS/Alan Stonebraker

Jos animaatio ei näyt, niin voit katsella sen tästä osoitteesta:

Tutkijat olettivat, että putkien välinen pituusero gravitaatioaallon vaikutuksesta muuttuisi 10-18 m, joka vastaa vain 1/1000 protonin halkaisijasta. Näin ollen laitteistolla pitäisi pystyä havaitsemaan Auringonmassaisten neutronitähtien aiheuttamat gravitaatioaallot paikallisesta galaksiryhmästä (säde 26 miljoona valovuotta). 

Vuonna 2005 gravitaatioaaltojen etsintään liittyi GEO 600[2] (saksalais-englantilainen laser-interferometri-ilmaisin) ja vuonna 2007 mukaan tuli Virgo[3] (ranskalais-italialainen laser-interferometri-ilmaisin).  Vuoteen 2010 mennessä ei ainoatakaan varmistettua havaintoa gravitaatioaalloista pystytty tekemään, johtuen hyvin monista häiriötekijöistä (mm. seismisistä värähtelyistä ja peilien lämpövärähtelystä) ja laitteiston epäherkkyydestä.


Tekninen läpimurto

Mustien aukkojen yhdistyminen näkyy LIGO observatoriossa
gravitaatioaaltojen taajuuden ja voimakkuuden kasvuna
kunnes itse yhdistyminen tapahtuu. Silloin amplitudi ja taajuus
katoavat. Alakuvassa yhdistyvien mustien aukkojen nopeudet
valonnopeuksina ja keskinäiset etäisyydet säteinä. Kuva LIGO.
LIGO-observatorioihin tehtiin perustavaa laatua oleva ilmaisinparannuksia asentamalla edistyneemmät LIGO ilmaisimet (Advanced LIGO detectors). Näiden herkkyys oli kymmenkertainen aikaisempiin nähden. Tutkimus uusilla laitteilla alkoi syyskuussa 2015.

Uuden tutkimusohjelman käynnistymisen jälkeen tiedeyhteisössä alkoi kulkea huhuja gravitaatioaaltojen löytymisestä. Helmikuun 11. tänä vuonna (2016) LIGO ja Virgo kumppanuusohjelma ilmoitti (LIGOn johtaja David Reitze yhdessä Gabriela González’in, Rainier Weiss’n ja Kip Thornen kanssa) gravitaatioaaltojen löytämisestä. 

Itse havainto oli tehty 14. syyskuuta 2015 kello 09.50.45 UTC. Gravitaatioaallot olivat ilmeisesti lähteneet toisiaan kiertävästä musta aukko parista, jotka olivat sulautuneet yhteen.  Havainto sai tunnukseksi GW150914. Gravitaatioaallot saavuttivat ensiksi Livingstone observatorion ja 6,9 ms myöhemmin ne havaittiin Hanfordissa.

Todelliset havainnot (ylärivi) verrattuna teoreettisiin (alarivi) molemmissa
observatorioissa. Kuvista jo maallikkokin voi päätellä, että
todelliset havainnot ovat kuin graviaaztiotähtitieteen oppikirjasta (jos
sellainen olisi olemassa). Kuva LIGO.
Kahdella observatoriolla tehdyt havainnot eivät mahdollistaneet gravitaatioaaltojen paikallistamista kovinkaan tarkasti. Observatorioiden sijainnin perusteella voitiin määrittää kaksi kaarta, jotka sijaitsevat suurimmaksi osaksi eteläisellä tähtitaivaalla. Muilla havaintovälineillä tehdyt havainnot eivät tuoneet lähteen sijaintia yhtään paremmin selville, sillä mustien aukkojen yhdistymistä ei ole kovinkaan helppo tehtävä sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla.

Havainto tehtiin 35–350 Hz taajuudella. Signaali kesti 0,2 sekuntia ja havaittiin molemmissa observatorioissa. Signaali-kohina suhteeksi määriteltiin 24, joten väärän havainnon mahdollisuus on vain 1/203 000, tutkimustuloksen merkittävyys oli parempi kuin 5,1s.

Ennen yhdistymistään mustat aukot olivat 36 M ja 29 Mja yhdistynyt musta aukko 62 M. Näin ollen, järjestelmästä poistui energiaa gravitaatioaaltoina 3 Mvastaava määrä. Musta aukko sijaitsee noin 1,3 miljardin valovuoden etäisyydellä.  

Gravitaatiotähtitiede?

Käynnistävätkö massiivisten mustien aukkojen yhdistymisessä maailmankaikkeuteen levinneet gravitaatioaallot uuden tutkimusalan, gravitaatiotähtitieteen? Tämä on täysin mahdollista, jos gravitaatioaaltojen havaitseminen tulee edes jossakin muodossa ja taajuusalueella tavanomaiseksi. Luonnollisesti tutkijat pyrkivät edelleen kehittää käytettäviä menetelmiä ja työntää niiden rajoitukset kauemmaksi ja laajemmalle. 

Missisippi yliopistossa työskentelevä professori Emanuele Berti arvioi artikkelissaan[6] , että LIGO-observatorio on saattanut havaita syyskuisen havainnon jälkeen jo toisen mustien aukkojen yhdistymisestä aiheutuneita gravitaatioaaltoja. Jos arvio osoittautuu oikeaksi, LIGO observatoriot voivat osoittautua uuden tieteen alan airuiksi.

Tulevaisuudessa tultaneen aivan rutiininomaisesti havaitsemaan yhdistyviä mustia aukkoja, mutta näiden lisäksi kevyempien kohteiden, kuten neutronitähtien yhdistymisiä. Etenkin näiden viimeksi mainittujen kohteiden tutkiminen myös gravitaatioaaltojen avulla tarjoaa mielenkiintoisen tutkimuskentän, sillä äärimmäisen voimakkaat ja lyhyet gamma- ja röntgenpurkaukset on ajateltu syntyvän juuri neutronitähtien yhdistymisessä.

Voisi tietysti heitellä villejä arvauksia mihin kaikkiin tähtitieteen osa-alueisiin ja tutkimuskohteisiin gravitaatiotähtitiede vaikuttaisi, mutta uskoakseni se vaikuttaa kaikkeen mahdolliseen tähtitieteeseen.

Huomautukset

[1] Albert Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteoriansa vuonna 1915, mutta täydensi sitä seuraavana vuonna. Tästä syystä usein yleisen suhteellisuusteorian julkaisuajankohdaksi ilmoitetaan vuosi 1916.

[2] GEO 600 rakennettiin Saksaan Hannoveriin ja siihen tuli 600 metrin sivun pituus Tutkimustoiminta käynnistyi vuonna 2002).

[3] Rakennettiin Pisaan Italiassa. Sivunpituus oli 3 km ja ne oli rakennettu putkeen, josta pumpattiin ilma pois. Lasersäde kulki apupeilinen välillä useamman kerran, jolloin kuljettu matka lisääntyi 120 km:iin. Testimittaukset aloitettiin vuonna 2003 ja varsinainen tutkimus vuonna 2007.

[4] Felix Pirani kuoli 31.12.2015, ja on mahdollista että hän sai tietää ainakin huhuna gravitaation aaltojen löydöstä.

[5] Merkintä Mmerkitsee Auringon massaa.

[6] Emanuele Berti, Department of Physics and Astronomy, The University of Mississippi, University, Mississippi 38677, USA and CENTRA, Departamento de Física, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Avenida Rovisco Pais 1, 1049 Lisboa, Portugal; Viewpoint: The First Sounds of Merging Black Holes. http://physics.aps.org/articles/v9/17.


[7] Aurinkokunnassamme vastaava häviöteho gravitaatioaaltoina on vain noin 5 kW ja pulsariparin säteilemä gravitaatioenergia on 1,19 % Auringon bolometrisestä säteilytehosta. Maapallon gravitaatiosäteilyn teho on vain noin 200 W. Tällainenkin energiahävikki saa maapallon lähestymään Aurinkoa. Rata kuitenkin muuttuu vain 10-15 metriä vuorokaudessa (noin protonin halkaisija verran). 


keskiviikko 10. helmikuuta 2016

Kosmisen säteilyn määrä kasvussa

Ilmapallohavainnoin on osoitettu, että kosmisen säteilyn
määrä maapallon ilmakehässä on kasvusuunnassa ja
kasvanut noin 10 % kuluneen vuoden aikana.
Viimeisin mittaus tehtiin Kaliforniassa helmikuun 5 päivänä
ja se on mittaussarjan suurin arvo.
Kuva Earth to Sky Calculus.
Ilmasuihku syntyy sekundaarisista hiukkasista kosmisen
säteilyn törmätessä ilmakehään.
Kuva Wikimedia Commons.
Maapallolle ja samalla koko aurinkokunnan sisäosiin kohdistuva kosmisen säteilyn määrä on kasvanut vuoden aikana noin 10 %. Määrä on merkittävä ja se on seurausta Auringon aktiivisuuden hiipumisesta.

Kosminen säteily on hiukkassäteilyä, joka syntyy Auringossa, supernovaräjähdyksissä ja kaukaisten galaksien rajuissa ja hyvin energisissä tapahtumisissa. Maapallon magneettikenttä ja ilmakehä suojaavat suurelta osalta maanpinnan eloyhteisöä säteilyn vaikutuksilta, mutta esimerkiksi lentokoneiden matkustajat ja henkilökunta, sekä Kansainvälisen avaruusaseman miehistö saa säteilystä osansa. Yhdellä mannertenvälisellä lennolla matkustajat ja miehistö joutuu säteilykuormituksen kohteeksi, joka vastaa 2–5 hammaslääkärin ottaman röntgenkuvan aiheuttamaa kuormitusta.

Kosmisen säteilyn määrä vaihtelee Auringon aktiivisuudesta riippuen. Auringonpilkkuminimien aikana Auringon synnyttämien kosmisensäteilyn määrä vähenee mutta ekstrasolaarisen kosmisen säteilyn määrä lisääntyy, sillä heikentyneen Auringon magneettikenttä on myös heikompi eikä pysty kuin osittain torjumaan lähes valonnopeudella Aurinkokunnan sisäosiin tunkeutuvia hiukkasia. Hiukkasia on laaja kirjo alkaen yksittäisistä protoneista (noin 90 %), alfa-hiukkasia (heliumin ydin) noin 9 % ja päätyen raskaampiin atomiytimiin aina raudan ja nikkelin atomiytimiin asti.

Kosmisen säteilyn vaikutukset ilmakehässä ovat moninaiset. Merkittävin vaikutus lienee sekundaaristen hiukkasten synty (ilmasuihku), kun kosmisen säteilyn hiukkanen törmää ja tuhoutuu ilmakehässä. Sekundaarishiukkasia ovat pioneja, kaoneja, protoneja, neutroneja, positroneja, myoneja ja elektroneja. Lisäksi ilmakehässä syntyy Cherenkovin säteilyä eli heikkoa valoa, jonka havaitseminen on mahdollista pimeän taivaan alla.

Muita ilmakehässä esiintyviä ilmiöitä ovat pilvisyyden vaihtelu kosmisen säteilyvuon vaihtelun myötä. Aihe on ollut tutkijoiden kiistelyjen kohteena jo parisenkymmentä vuotta, mutta nyt alkaa olla koossa sen verran evidenssiä mm. laboratoriotesteistä ja luonnossa tehdyissä havainnoista, että pilvisyyden vaihtelun ja kosmisen säteilyn määrän vaihtelun välinen korrelaatio näyttää aika varmalta.

Kosmisen säteilyn määrää voidaan havaita optisilla teleskoopeilla (Cherenkovin säteily) mutta näiden lisäksi esimerkiksi kaivoksiin sijoitetuilla, yleensä vettä tai raskasta vettä sisältävissä vesitankeissa, joissa myös syntyy Cherenkovin säteilyä myonien tunkeutuessa ja törmätessä vesimolekyyleihin. Cherenkovin säteilyn välähdykset havaitaan tankkien seiniin kiinnitetyillä valovahvistimiin liitetyillä ilmaisimilla. Maanpinnalle ja maana alle sijoitettujen ilmaisimien lisäksi kosmista säteilyä havaitaan stratosfääriin kohoaviin ilmapalloihin kiinnitetyin ilmaisimin sekä satelliitteihin ja avaruusasemalle sijoitetuin ilmaisimin.

Mitatun kosmisen säteilyn määrä kasvaa aina kun Auringon aktiivisuus lähestyy minimiä. Kuva Wikimedia Commons.


maanantai 8. helmikuuta 2016

Pieni asteroidi ohittaa maapallon maaliskuussa

Asteroidi 2013 TX68 ratalaskelmat osoittavat ohituksen.
Kuva Nasa(JPL.
Pienten asteroidien maapallon ohitukset ovat arkipäiväisiä tapahtumia. Useimmissa tapauksissa emme edes koskaan saa tietää ohituksesta, sillä pienehköt kivet jäävät usein huomaamatta. Onneksi ilmakehämme on sen verran tiheä, että useimmat pienet maapalloon törmäävät kappaleet pirstoutuvat ilmakehän yläosassa ja maanpinnalle päätyy vain hieman isompia tai usein hyvin pieniä murusia. Vaikka ne tipahtavat ilmakehän läpi vapaan putoamisliikkeen antamalla vauhdilla, niiden aiheuttamat vauriot ovat hyvin vähäisiä.

Muutaman kerran vuodessa saamme uutisia hieman isommasta kappaleesta, joka tulee ohittamaan maapallon suhteellisen läheltä. Nyt tällainen uutinen on tavoittanut meidät, sillä asteroiditunnuksen 2013 TX68 saanut kappale ohittaa maapallon vain 17 700 km etäisyydeltä. Ohitus tapahtuu maaliskuun 5. päivänä ja ohittavalla kappaleella on kokoa noin 30 metriä. 


Maapallon läheisyydessä on tuhansia asteroideja, joilla on
tulevaisuudessa pieni mahdollisuus törmätä maapalloon.
Kuva Nasa/JPL.
Ohitusetäisyydessä on hieman epävarmuutta, sillä havaintoa asteroidista on suhteellisen vähän. Se havaittiin ensikerran lokakuussa 2013.

Kaksi vuotta sitten tapahtuneen ohituksen etäisyys oli noin 2 miljoonaa kilometriä.

Maaliskuun jälkeen seuraava lähiohitus tapahtuu syyskuun 28. päivä 2017. Tämän ohituksen tarkkaa etäisyyttä ei voi vielä laskea, sillä maapallon ohitukset muuttavat hieman ohittajan rataa. Törmäyksen todennäköisyys on kuitenkin vähäinen, sillä sen lasketaan tällä hetkellä olevan 1: 250 miljoonaan.

Tulevina vuosina asteroidi ohittaa maapallon hyvin läheltä vuosina 2047 ja 2097 ja näille tapahtumille törmäys mahdollisuus on vieläkin pienempi.