torstai 25. tammikuuta 2018

Ei törmäävää asteroidia – ainakaan helmikuun 4.:nä

Maata ohittava asteroidin tutkakuvassa.
Kuva Wikimedia Commons.
Joissakin englanninkielisissä nettijulkaisuissa on noussut kohu maapallon ohittavasta asteroidista 2002 AJ129. Julkaisujen ja nettisivujen mukaan ”valtava” asteroidi olisi törmäämässä maapallon helmikuun 4. päivänä tänä vuonna. NASA kiirehti kumoamaan väitteet törmäysuhkasta heti tuoreeltaan tuomalla esiin faktatietoa ohittavasta asteroidista.

Asteroidi 2002 AJ129 rata tunnetaan hyvin ja maapallon ohitus tapahtuu 4,2 miljoonan kilometrin etäisyydeltä. Tämä etäisyys vastaa noin 11 Kuun etäisyyttä, eli se on hyvin turvallinen etäisyys ja törmäysvaaraa ei ole! Lisäksi asteroidin rata tunnetaan niin hyvin, että se ei tule törmäämään maapallon ainakaan sataa vuoteen.

Asteroidien radat yleensä muuttuvat hyvin hitaasti, joten voidaan aivan hyvin olettaa, että AJ129 rata ei muutu törmäyskurssille ainakaan tuhanteen vuoteen, vaikka tästä ei täyttä varmuutta olekaan. NASAn mukaan yli 100 metrinen asteroidi törmää maapalloon kerran 10 000 vuodessa. Asteroidien määrä koon mukaan vähenee tai lisääntyy potenssilla 3–4. Toisin sanoen, jos koko kaksinkertaistuu, määrä putoaa 1/8 – 1/16-osaan. Tämä tietysti näkyy myös tilastollisessa törmäystiheydessä vastaavasti. Karkea laskelma osoittaa, että AJ129 kokoinen asteroidi törmäisi siis maapalloon kerran 1 – 3 miljoonassa vuodessa.

Asteroidia on kuvattu isoksi tai jopa valtavaksi. Todellisuudessa asteroidin koko on 646 m halkaisijaltaan, ei siis pieni mutta ei ”valtavakaan”. Törmätessään tämän kokoinen asteroidi voisi aiheuttaa mantereen laajuista tuhoa ja ehkä pienimuotoisen ilmaston muutoksen. Mereen törmätessään (todennäköisyys 3–4-kertainen maalle putoamiseen nähden) vaikutukset voisivat olla vakavampia mutta elämää se ei maapallolta pystyisi tuhoamaan silloinkaan! Dinosaurukset tuhonnut asteroidi oli kooltaan lähes 20-kertainen AJ129 verrattuna.

NASAn on luokitellut tämän asteroidin mahdollisesti vaaralliseksi ja siitä käytetään lyhennystä PHA. AJ129 ei ole PHA-ryhmässä yksin, sillä tällä hetkellä maapallon lähiohittavia asteroideja tunnetaan 1882 kappaletta. Määrä on kasvamassa, sillä PHA-ryhmään kuuluvia asteroideja löydetään säännöllisesti joskin harvakseltaan verrattuna muihin asteroidilöytöihin.

Jotta asteroidi luokiteltaisiin PHA-ryhmään, niiden rata täytyy olla sellainen, että ne voivat tulla lähemmäksi kuin 0,05 au (7 480 000 km) etäisyyteen maapalloa. Lisäksi asteroidien absoluuttinen kirkkaus pitää olla (joka on verrannollinen kokoon) vähintään 22m kirkkaampi. Rajakirkkaus vastaa suunnilleen noin 140 m halkaisijaa, mutta todellinen koko riippuu asteroidin albedosta, kyvystä heijastaa auringonvaloa. Oletusarvona on, että asteroidien albedo on 14 %, niitä siis pidetään kohtuullisen tummina kappaleina.

Kartoitus maapallon ohittavista asteroideista

Asteroidien koot ja ohitusetäisyydet kartoituksen aikana. Huomaa,
että asteikot ovat logarimisia. Kuva © Kari A. Kuure.
Tein loppuvuodesta 2016 vuoden 2017 loppuun kartoituksen maapallon lähietäisyydeltä ohittavista asteroideista. Tulokset olivat omasta mielestäni yllättäviä mutta kuitenkin hyvin ymmärrettäviä. Asteroidien etsiminen on nykyisin pitkälti automatisoitu ja taivasta tarkkaillaan joka yö ainakin parissakymmenessä observatoriossa asteroidien löytämiseksi.

Tutkimus on tuottanut tulosta, sillä kartoitukseni mukaan noin 15 kuukauden aikana maapallon ohitti noin 700 asteroidia. Asteroidien kokojakauma oli hyvin laaja 0,5 m:stä yli 6 km. Lähimmät ohitukset tapahtuivat 0,05 LD (Kuun etäisyys LD = 384 401 km) eli noin 20 000 km korkeudelta. Etäisin ohitus tapahtui hieman yli 62,3 LD (23,9 miljoonaa km) etäisyydeltä. Yleinen trendi oli, että mitä suurempi asteroidi sitä etäämpää ohitus tapahtui.

Millaista tavaraa sitten maapallon lähiavaruudessa kulkee? Ohittavien kappaleiden kokomediaani on 28,5 metriä. Etäisyysmediaani oli 9,2 LD eli 3 536 489 km. Etäisyys ja koko ovat siis suurella osalla asteroideja hyvinkin turvalliseksi luokiteltavia. Ohittavan asteroidin ja maapallon kohtaamisnopeus oli 9,95 km/s, joskin hajonta oli hyvin laaja, peräti 5,5 km/s. Tämä tietysti johtuu siitä, että ohittavat asteroidit lähestyvät Maata hyvin eri suunnista, osa kiertää Aurinkoa samaan suuntaan kuin Maa ja osa juuri päinvastaiseen suuntaan.

Asteroidien koon mukaiset määrät kartoituksessa.
Kuva © Kari A. Kuure.
Törmäyksissä nopeudet ovat suurempia, sillä nopeuteen ei ole laskettu maapallon gravitaation aiheuttamaa potentiaalienergian muuttumista kineettiseksi energiaksi. Tämä nopeuslisä on pakonopeuden suuruinen eli 11,1 km/s. Pienin kohtaamisnopeus oli 1,8 km/s, joten sellaisen kappaleen törmäysnopeus olisi 12,9 km/s. Suurin kohtaamisnopeus oli puolestaan 36,3 km/s joten sen törmäysnopeus olisi 47,4 km/s. Näin ollen törmäysenergia vaihtelu olisi yli kymmenkertainen, vaikka kappaleet olisivat samankokoisia.

Kartoituksestani löytyy vielä yksi osa-alue, nimittäin kokojakauma. Vaarattomiksi luokiteltujen alle 20 metrin kappaleiden määrä oli 40,6 %, 21–160 metrin kappaleiden määrä oli 64,5 % ja vaarallisten (PHA) 9,7 %. 

Alle 20 metrin kappaleet ovat luultavasti merkittävästi aliedustettuina, sillä niiden havaitseminen on äärimmäisen vaikeaa. Onneksi suurin osa niistä tuhoutuu ilmakehässä, joskin radan ollessa sopivan suuntainen, pieniä kappaleita ja paineaaltoja voi päätyä maapinnalle aiheuttaen paikallisia vaurioita.
Kokoluokan 21–160 metriin olevat asteroidit ovat NASAn PHA-luokituksen alapuolella. Ne kykenevät aiheuttamaan paikallista tuhoa mahdollisella törmäyksellään ja ne usein havaitaan ehkä hieman ennen lähiohitusta tai sen jälkeen. Niiden määrä on kuitenkin suuri, joten tämän kokoluokan asteroidin törmäys maapalloon voi tulla täytenä yllätyksenä.

PHAksi luokitellut asteroidit, vaikka niitä ei vielä kaikkia tunnetakaan, eivät ehkä aivan mahdottoman vaarallisia ole. Ne ehkä voidaan löytää ajoissa ja niiden radat pystytään määrittämään suhteellisen luotettavasti (pitkä havaintoaika) ja jos tarvetta ilmenee, ne voidaan tuhota tai siirtää uudelle ja vaarattomalle radalle ainakin joskus tulevaisuudessa.

Yli kilometrin luokaa olevien PHAn (1 % aineistosta) muodostama uhka on vähäinen satojen vuosien mittaisella aikaskaalalla tarkasteltuna.


Kartoitukseen asteroideista uusia, siis kartoituksen aikana löydettyä, oli peräti 86 %. Ei ole mitään syytä olettaa, ettei uusien asteroidien löytäminen jatkuisi samaan tahtiin kuin kartoituksen aikana. Näin ollen lähivuosina luultavasti löydetään vuosittain 600 – 1000 uutta asteroidia ohittamassa maapalloa suhteellisen läheltä. Näin ollen voitaneen ennustaa, että piennen (koko 21–160 m) astroidin törmäys maapalloon lähimmän sadan vuoden aikana on mahdollinen! Törmäyspaikka on todennäköisesti meri, joten kovin suuria vahinkoja se ei aikaan saa, ellei sitten mahdollinen tsunami niitä aiheuta.

sunnuntai 14. tammikuuta 2018

Maailmankaikkeuden kuumimmat ja kylmimmät paikat

Boomerang Nebula on toistaiseksi luonnossa kaikkein kylmin
paikka. Sen lämpötila on alempi kuin maailmankaikkeuden.
Kuva Wikimedia Commons.
Tähtitornilla usein kysytään avaruuden kuumimpia ja kylmimpiä paikkoja. Vastausta ei kuitenkaan ole kovinkaan helppoa antaa, sillä se riippuu hieman kysymyksen muotoilusta mitä kysyjä oikeasti haluaa tietää.

Usein kysytty lämpötila[1] on Auringon ytimessä vallitseva lämpötila. Vastaus on suhteellisen helppo, sillä erilaiset mallit Auringon toiminnasta ovat suunnilleen yhtä mieltä, että ytimen lämpötila on noin 15 miljoonaa Kelviniä[2]. Tosin, Aurinko ei ole ytimeltään kuumin tähti, ei edes lähellä sitä, sillä Aurinkoa suurempien ytimien lämpötila täytyy olla paljon enemmän. Ehkä kuumimpia tähtien ytimiä ovat supernovien lämpötilat, jotka kohoavat 3 miljardin Kelvin-asteeseen.

Jos otamme maailmankaikkeuden historian mukaan tarkasteluun, pääsemme helposti paljon korkeampiin lämpötiloihin. Esimerkiksi lämpötila oli noin 100 sekunnin ikäisessä maailmankaikkeudessa oli miljardi Kelviniä ja mentäessä ajassa edelleen taaksepäin 10-4 sekunnin ikäisessä maailmankaikkeudessa lämpötila oli biljoona Kelviniä (1012 K). Jatketaanpa ajassa taaksepäin ja tullaan aikaan, jolloin inflaatio päättyi. Silloin maailmankaikkeudella oli ikää 10-35 sekuntia ja lämpötila oli 1027 K eli 1000 kvadriljoonaa Kelvin astetta.

Ennen inflaatiota maailmankaikkeuden synnyttyä (ikä 0 sekuntia) lämpötilan lasketaan olleen 1,42×1033 K. Tätä lämpötilaa voitaneen pitää jonkinlaisena absoluuttisena kuumuutena ja siitä käytetään myös nimitystä Planckin lämpötila. Tätäkin korkeammat lämpötilat ovat saattaneet olla mahdollisia mutta fysiikan lakien säilymisestä näin äärimmäisissä oloissa ei ole olemassa tieteellistä näyttöä, joten korkeammista lämpötiloista emme voi tietää.

Palataanpa Aurinkoon ja edetään tarkastelemaan viileimpiä ja kylmempiä paikkoja maailmankaikkeudessa. Ytimen jälkeen seuraava askel kylmempään suuntaan on Auringon korona, jonka lämpötila on noin miljoonan Kelvinin luokkaa (riippuu hieman lähteestä mikä lämpötila sille ilmoitetaan).  Seuraavaksi pysytellään vielä aurinkokunnan alueella. Jupiterin ytimen lämpötilaksi ilmoitetaan kirjallisuudessa 24 000 K ja maapallon ytimen lämpötilaksi noin 6 000 K.

Tähtien pintalämpötilat ovat aina mielenkiintoisia, esimerkiksi Auringon pintalämpötila on noin 5 700 K. Monien muidenkin tähtien pintalämpötila on suunnilleen samoissa lukemissa, kuten Pohjantähdellä pintalämpötila on noin 6 890 K.

Monet aineet kiehuvat tai sulavat hyvin korkeissa lämpötiloissa. Hiilen kiehumispiste[3] on 4 300 K ja sulamispiste[4] 3 723 K. Rautakin kiehuu hieman viileämmässä, sillä sen kiehumispiste saavutetaan noin 3 100 K lämpötilassa. Tämän jälkeen viileämpään suuntaan mentäessä löytyisi valtava määrä meille tuttuja lämpötiloja, joten hypätään ne yli ja jatketaan ihmisen kannalta kylmäksi luokiteltavissa lämpötiloista.

Pakkasen paukkuessa nurkissa voi tapahtua niin, että elohopeamittari jämähtää paikoilleen. Elohopean sulamispiste kun on -39 °C. Vain spriitä sisältävät lämpömittarit (elektronisten mittareiden lisäksi) toimivat tätä kylmemmissä olosuhteissa[5].

Kuten varmasti jokainen meistä tietää, englanninkielisissä maissa käytetään edelleen hyvin yleisesti Fahrenheit -lämpötila-asteikkoa.  Kun kylmyyttä on -40 astetta, niin Celsius- kuin Fahrenheit- mitta-asteikoilla varustetut lämpömittari näyttävät samaa lukemaa.

Toistaiseksi aurinkokunnan kylmin paikka on Pluto,
sillä sen kaaukehässä leijuvat jääkiteen viilentävät
pintaa huomattavasti. Kuva Wikimedia Commons.
Mikään uutinen ei ole, että aurinkokunnan ulkolaidoilla olevat planeetat (ja muut kappaleet) ovat kylmiä. Uranuksen lämpötilaksi ilmoitetaan -216 °C. 

Muutkin planeetat ja kääpiöplaneetat ovat hyvin lähellä näitä lukemia. Pluton ilmakehässä esiintyvä typpijääkidesumu viilentää alempana olevia ilmakerroksia ja pintaa jopa -240 °C lämpötilaan ja keskilämpötilakin on -229 °C.  Pluton ilmakehä on voimakkaasti inversoitunut, eli lämpötila on korkeampi ylemmässä ilmakehässä.

Avaruudessa olevista tähtisumuista on mitattu vieläkin kylmempiä alueita. Kylmin koskaan mitattu sumun Boomerang Nebulan lämpötila on vain 1 K päässä absoluuttisesta nollapisteestä. Maailmankaikkeuden omaa lämpötilaa (noin 2,7 K) kylmempi sumun lämpötila johtuu sumun nopeasta laajenemisesta (adiabaattinen laajeneminen), jolloin maailmankaikkeuden lämpötila ei ehdi lämmittää laajenevaa sumua riittävästi ja lopputuloksena on maailmankaikkeutta kylmempi alue.

Kosmisen taustasäteilyn (CMB) lämpötila on siis noin 2,7 K. Tämä lämpötila on kuitenkin keskiarvo ja siinä on jonkin verran vaihtelua. CMBn kylmin alue on noin 70 µK viileämpi ja kaikkein kylmin kohta on 140 µK viileämpi kuin keskimääräinen lämpötila.

Ihmisen valmistamilla laitteilla päästään suhteellisen helposti vielä kylmempiin lämpötiloihin. Heliumin kiehumispiste on -269 °C ja sen haihtuessa esimerkiksi monien avaruuskaukoputkien havaintoinstrumenttien lämpötilat saadaan laskettua -270 °C alapuolelle. Laboratorioissa tutkijat ovat onnistuneet laskemaan lämpötiloja noin asteen miljardisosan (= 0,000 000 000 1 K = 100 pK) päähän absoluuttisesta nollapisteestä (-271,15 °C, 0 K). Kylmyys ennätys tehtiin vuonna 2000 Teknillisessä korkeakoulussa Espoossa.

Absoluuttinen nollapiste -273,15 °C matalin ikinä kuviteltavissa oleva lämpötila. Sitä ei pystytä saavuttamaan, vaikka hyvin lähelle sitä päästäänkin, sillä aineen lämpöliikettä ei voida millään käytettävissä olevin keinoin täysin poistaa. Tämä perustuu Heisenbergin epätarkkuusperiaatteeseen, jonka mukaan atomien liikemäärä ja paikka eivät voi olla määritetty samanaikaisesti. Millä tahansa kuviteltavissa olevalla koejärjestelyllä voidaan määrittää jompikumpi mutta ei molempia samanaikaisesti.

Fysiikan kummallisuuksiin kuitenkin kuuluu se, että absoluuttista nollapiste voidaan sivuuttaa tai hypätä yli eräillä koejärjestelyillä.  Jos ja kun kokeessa testiaineen kiderakenteen atomien magneettiset momentit saadaan suuntautumaan ulkoista magneettikenttää vastaan. Tällöin järjestelmän entropia[6] on hyvin matala (matalampi kuin jos magneettiset momentit ovat kentän suuntaisia). Tällaisen järjestelmän lämpötila on negatiivinen (pienempi kuin absoluuttinen nollapiste) mutta järjestelmä ei kuitenkaan ole absoluuttista nollapistettä kylmempi. Tällaisella järjestelyllä voidaan saavuttaa tiloja, joita voidaan yhtä hyvin pitää kuumempina kuin mikään positiivisen lämpötilan järjestelmää. Näin ollen järjestelmän lämpötila voi olla samaan aikaan sekä kuumin, että myös kylmin mahdollinen lämpötila. Sanomattakin lienee selvää, että mikään luonnossa esiintyvä järjestelmä ei itsekseen tällaista tilaa voi saavuttaa.

Hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa maailmankaikkeuden kosminen taustasäteilyn lämpötila laskee hyvin matalaksi laajenemisen seurauksena. Jos ja kun kaikki materia on hävinnyt eri prosesseissa, voidaan ajatella, että maailmankaikkeuden lämpötila[1] lähestyy asymptoottisesti absoluuttista nollapistettä. Maailmankaikkeuden kaukaista tulevaisuutta ei kuitenkaan voi ennustaa nykyfysiikan keinoin, joten edellä kuvattua lämpötilan absoluuttisen lämpötilan lähestymistä voidaan pitää vain yhtenä mallina muiden joukossa.

Huomautukset

[1] Lämpötilalla ymmärretään kappaleen atomien lämpöliikettä. Mitä korkeampi lämpötila sen kiivaampaa lämpöliike on! Voidaan hyvin kysyä, että onko lämpötilaa ilman ainetta ja ainetta ilman lämpötilaa!

[2] Lämpötilan mittaamisessa käytetään monia erilaisia asteikkoja. Fysiikassa lämpötila mitataan Kelvin-asteina, jonka asteikon nollapiste on absoluuttisessa nollapisteessä (-273,15 °C). Kelvin asteet ilmoitetaan Kelvineinä ja niiden tunnus on K-kirjain.

Muita lämpötilasteikkoja ovat Celsius ja Fahrenheit. Celsius-asteikko on meille tuttu, sillä sen nollapiste on veden sulamispisteessä (273,15 K) normiolosuhteissa. Celsius- ja Kelvin-asteikko ovat yhteneviä siinä mielessä, että niiden asteen muutos on yhtä suuri, siis jos lämpötila kohoaa tai laskee yhden asteen, niin muutos on yhtä suuri molemmilla asteikoilla mitattuna.

Englantia puhuvissa maissa käytetään edelleen Fahrenheit-asteikkoa, jonka nollapiste (0 °F) vastaa -17,8 °C lämpötilaa. Veden kiehumispisteen lämpötila on (normiolosuhteissa) 212 °F. Asteikon syntyhistoria on pitkä ja siihen voi tutustua mm. Wikipediassa!

Asteikkojen väliset muunnokset ovat suhteellisen helppoja, joskin muunnoskaavan muistaminen voi olla työlästä jos muuntamista tarvitsee harvoin.

[3] Kiehumispisteessä atomien ja molekyylien (hiukkaset) lämpöliike on niin nopeaa (suurienergistä), että hiukkaset irtoavat eli höyrystyvät kiehuvasta aineesta.

[4] Sulamispisteessä atomien ja molekyylien lämpöliike on niin voimakasta, että kiinteän aineen kiderakenne (jos sellainen on) rikkoontuu ja hiukkaset pääsevät vapaasti vaeltamaan. Esimerkiksi jään muuttuminen nestemäiseksi vedeksi tapahtuu sulamispisteessä. Lämpötila ei sulamisessa muutu, sillä nolla-asteisen jään sulaessa syntyy nolla-asteista vettä.

[5] Etyylialkoholin jäätymispiste on -114,1 °C. Seosaineet, kuten vesi, nostaa jäätymispistettä. Näin ollen 45 % vesi-alkoholiseos jäätyy -27 °C lämpötilassa.


[6] Termodynamiikassa entropia eli epäjärjestysen määrä kasvaa maailmankaikkeuden mittakaavassa vääjäämättä. Teknisillä ratkaisuilla voidaan suljetun järjestelmän entropiaa pienentää, mutta se tapahtuu muun maailmankaikkeuden entropian kasvattamisen kustannuksella.