Talvipäivänseisaus

Tämän vuoden talvipäivänseisaus on 22.12.2019 kello 6.19. Tuolla hetkellä Aurinko on niin etelässä kuin se voi olla. Auringon koordinaatit ovat tuolla hetkellä RA 18 h 00 m 0,0 s, dec -23° 26’ 17”. Suomessa Aurinko talvipäivänseisauksen hetkellä ei ole vielä noussut; Tampereella se tapahtuu kello 9.47. Korkeimmillaan Aurinko näkyy kello 12.23 noin 5,1° korkeudella, ja horisonttiin se painuu kello 15.00. Päivälle tulee siis pituutta 5 tuntia 13 minuuttia.

Ekliptikan kaltevuus menneisyydessä. Kuva Wikimedia Commons.

Päivän pituus riippuu havaitsijan maantieteellisestä sijainnista. Pohjoisempana päivä on vielä lyhyempi, napapiirin pohjoispuolella Aurinko ei nouse lainkaan. Tampereelta etelään siirryttäessä päivän pituus kasvaa. Eteläisellä pallonpuoliskolla on kesä ja päivän pituus sen mukainen. Eteläisen napapiirin eteläpuolella on yötön yö, Aurinko ei laske lainkaan.

Ekliptikan kaltevuus tulevaisuudessa. Punainen neliö on tämänhetkinen arvo. Kuva Wikimedia Commons.

Talvipäivänseisauksena maapallon pyörimisakselin pohjoisnapa osoittaa Auringosta poispäin noin 23,4°. Tämän saman kulman tunnemme ekliptikan kaltevuutena suhteessa taivaanekvaattoriin. Ekliptika on maapallon ratataso Auringon ympäri ja taivaanekvaattori on tietysti maapallon ekvaattorin (päiväntasaaja) projektio taivaalla.

Ekliptika pysyy muuttumattomana, mutta maapallon asento ja samalla siis taivaanekvaattori hieman huojahtelee. Tällä hetkellä huojahtelu on kaltevuutta vähentävä noin 0,013 astetta (47 kulmasekuntia) vuosisadassa. Kulman muuttuminen johtuu Auringon, Kuun ja planeettojen gravitaatiovoimien vaikutuksesta.

Ekliptikan kaltevuus (ε) lasketaan nykyisin NASA/JPLn kehittämällä sarjalla

ε = 23° 26′ 21″.406 − 46″.836769 T − 0″.0001831 T² + 0″.00200340 T³ − 0″.576×10⁻⁶ T⁴ − 4″.34×10⁻⁸ T⁵

jossa T on aika laskettuna Juliaanisena vuosisatana epookista J2000.0. Kaavan tarkkuus on hyvä, sillä sen virhe on vähemmän kuin 0,04 kaarisekuntia vuosituhannessa seuraavien 10 000 vuoden aikana. 

Jos näin suurta tarkkuutta ei tarvita, laskukaavan voi lyhentää mistä termistä tahansa.

Ekliptikankaltevuus ja siten myös napapiirien sijainti ei pysy paikoillaan, vaan siinä tapahtuu muutoksia jopa vuorokauden aikana. Maanpinnalla napapiirin paikka voi nopeimmillaan siirtyä jopa 92 cm vuorokaudessa ja noin 34 m edestakaisin kolmen kuukauden jaksoissa. Pitemmissä ajanjaksoissa huojunta noin 270 metriä noin 18,5 vuodessa.

Huojunnan lisäksi napapiiri on siirtymässä kohti pohjoista noin 14,5 metriä vuodessa. Siirtyminen johtuu ekliptikan kaltevuuden vähenemisestä, mutta se ei voi jatkua ikuisesti. Pitkällä aikavälillä ekliptikan kaltevuuden lasketaan vaihtelevan 22 – 24,4° välillä, joka sijoittaa napapiirin aina jonnekin Simo – Taivalkoski etelälinjan ja Muonion korkeuden välille. Tällä hetkellä napapiiri on, kuten hyvin tiedetään, hieman Rovaniemen pohjoispuolella.

Jättikokoinen musta aukko löytyi Linnunradasta

Kiinalaisten tutkijoiden^[1] johtama tutkimusryhmä on onnistunut löytämään musta aukon, jolla on massaa yllättävän paljon. Musta aukko sai nimekseen LB-1. Musta aukon löytyminen ei sinällään ole mikään harvinaisuus, sillä tähden kokoisia tunnetaan Linnunradasta parisen kymmentä. Kaikkiaan Linnunradan mustien aukkojen määräksi arvioidaan noin 100 miljoonaa.

Kahden musta aukon välinen törmäys. Havainnekuva.

Musta aukko sijaitsee Linnunradassa Kaksosten tähdistössä noin 13 800 valovuoden etäisyydellä. Massaa mustalla aukolla on noin 68 M_☉ (Auringon massaa) ja se on osa binäärijärjestelmää. Mustaa aukkoa kiertää noin 8 M_☉ tähti, jonka kiertoaika on noin 78,9 vuorokautta. Musta aukon massa on yllättävän suuri, sillä tutkijat ovat pitäneen tähden ytimen luhistumisessa mustaksi aukoksi ylärajana noin 20 M_☉.

Tähden massaisten mustien aukkojen etsiminen ja löytäminen on vaikeaa ja vaatii aikaa. Jos ja kun musta aukko ei säteile merkittävästi mitään sähkömagneettista säteilyä, niin musta aukon löytäminen on lähes mahdoton tehtävä. Ainoaksi mahdollisuudeksi jää tapaukset, joissa musta aukko on binäärijärjestelmän osa. Silloin näkyvän tähden liikkeestä voidaan päätellä musta aukon olemassaolo. Näin tässäkin tapauksessa!

Ensimmäisten havaintojen jälkeen lisähavaintoja tehtiin Kanarian saarilla (La Palma) sijaitsevasta Grand Telescopio Canarias -observatoriosta ja Keck 1 -teleskoopilla (Yhdysvallat), jolloin saatiin määriteltyä musta aukon massa suhteellisen tarkasti.

Kuinka tällainen järjestelmä on voinut syntyä? Yksikään Linnunradan tähti ei ole niin massiivinen, että yksinään synnyttäisi näin massiivisen mustan aukon. Tutkijat ovatkin kehittäneen ajatuksen, että kyse on kahden pienemmän musta aukon törmäyksessä syntynyt musta aukko. Tätä ajatusta tukee LOGO observatorioiden tekemä ensimmäinen havainto GW150914, jossa törmäyksen tuloksena syntyi 62 M_☉ massainen musta aukko. GW150914 ei sijaitse Linnunradassa vaan noin 1,4 miljardin valovuoden etäisyydellä eteläisellä tähtitaivaalla (jossakin 90 % todennäköisyydellä 610 neliöasteen alueella) lähellä Magellanin pilvien suuntaa.

Ongelman ajatukselle kuitenkin tuottaa kiertolaisena oleva tähti. Sen rata näyttää olevan hyvin pyöreä musta aukon kiertoradalla. Jos tähti olisi kaapattu musta aukon syntymisen jälkeen, sen rata olisi hyvin soikea. Vaikka soikea rata voi aikaa myöten muuttua pyöreämmäksi, tässä tapauksessa aikaa tarvittaisiin paljon enemmän, kuin mitä tähdellä on aikaa pääsarjassa. Tähti olisi ehtinyt räjähtää supernovana ennen kuin rata olisi pyöreä.

Ainoa toistaiseksi vähemmän ongelmia tuottava selitys on, että massiivinen musta aukko on syntynyt kahden pienemmän musta aukon törmäyksessä. Pienemmät mustat aukot muodostuessaan (supernovin räjähdyksissä) eivät ole vaikuttaneet kolmanteen tähteen, vaan se on jatkanut radallaan lähes koskemattomana.


Huomautukset

[1] Nature 27.11.2019 Jifeng Liu & al.: A wide star–black-hole binary system from radial-velocity measurements. (Maksumuurin takana).

Komeetta 2I/Borisov havaittiin lähes vuotta ennen löytöään

Tähtivälisestä avaruudesta Aurinkokuntaamme saapunut komeetta 2I/Borisov oli valokuvattu yli 200 kertaa ennen varsinaista löytämistään. Tällaiseen tulokseen ovat tulleet Marylandin yliopiston tutkijat Quanzhi Yen’in johtama tutkimusryhmä.

Ennen löytöä otetuja valokuvia komeetta 2/ Borisovista. Kuva arxiv.org

Tutkimuksessa^[1] ryhmä kokosi Catalina Sky, Pan-STARRS ja Zwicky Transient Facility -laitteistojen kokoamia valokuvia niiltä alueilta, joilla komeetta olisi ollut ennen elokuussa 2019 tehtyä löytämistään. Valokuvia löytyi kaikkiaan 202, joissa komeetta on näkyvissä. Komeetan suurin etäisyys oli varhaisimmassa kuvassa jouluun 13. päivältä 2018 kahdeksan astronomisen yksikön etäisyydellä. Sitä varhaisemmista kuvista komeettaa ei löytynyt.

Valokuvien perusteella tutkijat pystyivät laskemaan mm. komeettaytimen koon. Ytimen säde on enintään 7 km se vapauttaa kaasuja avaruuteen 0,5 –10 km² alueelta. Lisäksi sen koma näyttää syntynee 5 – 7 au etäisyydellä. Aurinkokunnassa olevien komeettojen koma alkaa kehittyä hieman lähempänä Aurinkoa, vain 3 – 5 au etäisyydellä. Ero kertoo siitä, että 2I/Borisov sisältää aurinkokunnan komeettoja enemmän haihtuvia kaasuja kuten hiilidioksidia ja hiilimonoksidia. Ero ei kuitenkaan ole suuren suuri, joten sitä voidaan pitää samankaltaisena kuin Oortin pilvestä ensikertaa Aurinkokunnan sisäosiin tulevat komeetat ovat.

Komeetta 2I/Borisov saavuttaa perihelin (n. 2 au etäisyydellä Auringosta) joulukuun 8. päivänä tänä vuonna. Siihen asti se lähestyy ja Auringon lämpösäteily lisääntyy sillä seurauksella, että komeetasta sublimoituu entistä enemmän niin vesihöyryä kuin muitakin helposti haihtuvia kaasuja. Tästä puolestaan seuraa, että komeetan kirkkaus kasvaa jonkin verran. Rakenteellisesti komeetta pidetään hieman heikompana kuin Aurinkokuntamme komeettoja, joten voi olla, että 2I tarjoaa vielä mielenkiintoista nähtävää.

Huomautukset

[1] Tutkimus on julkaistu https://arxiv.org/abs/1911.05902 (https://arxiv.org/pdf/1911.05902.pdf)

Pitkät avaruuslennot ovat riski astronauteille

Yhdysvalloissa julkaistun tutkimuksen^[1] mukaan, pitkäaikainen oleskelu painottomuudessa voi olla merkittävä riski astronauttien terveydelle. Jo aikaisemmin tunnettuja terveysvaikutuksia ovat tietysti luuntiheyden aleneminen kymmeniä prosentteja, nesteiden kertyminen päänalueelle ja suoliston bakteerikannassa tapahtuvat muutokset. Nyt tehdyn tutkimuksen mukaan terveyttä uhkaa myös muutokset verenkiertojärjestelmässä ja mahdolliset tukokset.

Miehitetyt lennot Marsiin voidaan unohtaa, jos avaruuden ja painottomuuden aiheuttamia terveysongelmia ei saada
estettyä. Kuva Wikipedia Commons.

Merkittävimmät ja vaarallisimmat muutokset todettiin kaulassa kulkevassa valtimossa, josta aivot saavat verensä. Astronauteilla yhdelletoista kehittyi pysähtynyt tai jopa taaksepäin tapahtuva virtaus valtimossa Kansainvälisellä avaruusasemalla vietetyn viidenkymmenen vuorokauden kuluessa. Lisäksi yhdelle heistä kehittyi tromboosi, eli tukkeuma kaulalaskimoon. Tämä oli ensimmäinen kerta, kun tukkeuma todettiin.

Tulokset ovat merkittäviä, kun ajatellaan pitkiä avaruuslentoja, esimerkkinä lentoja Marsiin. Lento Marsiin kestää yhteen suuntaan vähintään kuusi kuukautta, joten sinä aikana muiden terveyttä uhkaavien tekijöiden lisäksi (esim. säteily) verenkiertojärjestelmän romahtaminen on mahdollinen ja jopa todennäköinen ainakin osalle miehistöstä. Jos sopivaa ennalta ehkäisevää menetelmää ei löydetä, miehitetyt lennot Marsiin voidaan käytännössä unohtaa ja hoitaa Marsin tutkimus vain robotein.

Huomautukset

[1] Karina Marshall-Goebel, PhD; Steven S. Laurie, PhD; Irina V. Alferova, MD, PhD; et al: Assessment of Jugular Venous Blood Flow Stasis and Thrombosis During Spaceflight. 13.11.2019 JAMA Netw Open https://jamanetwork.com/journals/jamanetworkopen/fullarticle/2755307

Fysiikan Nobel-palkinnot tähtitieteilijöille

Vuoden 2019 Nobel-säätiön myöntämät Nobel-palkinnot luovutetaan kolmelle tähtitieteilijälle. Palkinnon saajat ovat yhdysvaltalainen James Peeples (1/2) sekä sveitsiläiset Michel Mayor (1/4) ja Didier Queloz (1/4).

Vuoden 2019 Nobel-palkinnon saajat. Kuva Nobel-säätiö.

Nobel-säätiö perustelee valintojaan seuraavasti:

”James Peeblesin näkemykset fyysisestä kosmologiasta ovat rikastuttaneet koko tutkimusaluetta ja luoneet perustan kosmologian muutokselle viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana spekuloinnista tieteeseen. Hänen 1960-luvun puolivälistä lähtien kehittämänsä teoreettinen kehys on perusta nykyaikaisille ajatuksillemme maailmankaikkeudesta.

Big Bang -malli kuvaa maailmankaikkeutta alkaen sen ensimmäisistä hetkistä, melkein 14 miljardia vuotta sitten, jolloin se oli erittäin kuuma ja tiheä. Siitä lähtien maailmankaikkeus on laajentunut, muuttunut suuremmaksi ja kylmemmäksi. Vain 400 000 vuotta [380 000 v.] alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeudesta tuli läpinäkyvä ja valonsäteet pystyivät kulkemaan avaruuden läpi. Vielä tänäkin päivänä tämä muinainen säteily on ympärillämme ja siihen on koodattuna monet maailmankaikkeuden salaisuudet. James Peebles pystyi teoreettisten työkalujen ja laskelmien avulla tulkitsemaan nämä jäljet ​​maailmankaikkeuden alusta asti ja löytämään uusia fyysisiä prosesseja.

Tulokset osoittivat meille, että maailmankaikkeudesta, jonka tunnemme, on vain viisi prosenttia tähtiä, planeettoja, puita - ja meitä. Loppuosa, 95 prosenttia, on tuntematonta pimeää ainetta ja pimeää energiaa. Tämä on mysteeri ja haaste nykyaikaiselle fysiikalle.

Lokakuussa 1995 Michel Mayor ja Didier Queloz ilmoittivat ensimmäisestä löydöstään aurinkokunnan ulkopuolella sijaitsevasta planeetasta, eksoplaneetasta, joka kiertää aurinkotyyppistä tähteä kotigalaksissamme, Linnunradassa. Etelä-Ranskassa sijaitsevassa Haute-Provencen observatoriossa he pystyivät havaitsemaan räätälöityjä instrumentteja käyttämällä planeetta 51 Pegasi b, kaasumainen pallo, joka on verrattavissa Aurinkokunnan suurimpaan kaasujätteeseen Jupiteriin.

Tämä löytö aloitti tähtitieteen vallankumouksen, ja Linnunradalta on sittemmin löytynyt yli 4 000 eksoplaneettaa. Kummallisia uusia maailmoja, joita edelleen löydetään ja joita on uskomattoman määrä eri kokoisia, muotoisia ja erilaisilla kiertoradoilla. He haastoivat ennakkokäsityksemme planeettajärjestelmistä ja pakottavat tutkijoita tarkistamaan teoriansa niistä fyysisistä prosesseista, jotka johtavat planeettojen syntymiseen. Lukuisten hankkeiden avulla, jotka on suunniteltu etsimään eksoplaneettoja, voimme lopulta löytää vastauksen ikuiseen kysymykseen siitä, onko maailmankaikkeudessa muuta elämää [kuin omamme].

Tämän vuoden palkinnon saajat ovat muuttaneet ajatuksiamme kosmoksesta. Siinä missä James Peeblesin teoreettiset havainnot auttoivat ymmärtämään maailmankaikkeuden kehitystä alkuräjähdyksen jälkeen, Michel Mayor ja Didier Queloz tutkivat kosmisia lähialueitamme metsästääkseen tuntemattomia planeettoja. Heidän löytönsä ovat ikuisesti muuttaneet käsityksiämme maailmasta.” [Käännös englanninkielestä Kari A. Kuure]

Nobel-säätiö julkaisi myös kaksi syventävää artikkelia aiheesta. Nämä ovat
New perspectives on our place in the universe

ja tieteellisen julkaisun tapaan kirjoitettu artikkeli
Physical Cosmology and Exoplanet Orbiting a Solar-type Star

Kirjauutuus: Avaruudesta

Esko Valtaoja

Avaruudesta

Ursan julkaisuja 164

Ursa ry.

Nidottu 158 sivua

ISBN 978-952-5985-71-9

Esko Valtaojan kirjoittajan taidot tunnetaan, eikä hän petä tälläkään kertaa. Kirjanen – Avaruudesta – on mielenkiintoisesti kirjoitettu, ei niin syvällinen tai tieteellinen, vaan kepeää ajatuksen juoksua maan ja taivaan välillä. Kirja koostuu kymmenestä luvusta, joissa Valtaoja pohdiskelee maailmankaikkeuden tilaa, niin mustia aukkoja kuin avaruuden muukalaisia ja hieman tulevaakin, mitä se sitten lieneekin.

Pimeä aine, tyhjä tila, tai pimeä energia ovat myös kirjan lukujen aiheena. Valtoja toteaa, että emme oikeastaan tiedä siitä mitään tai korkeintaan hyvin vähän. Pimeää ainetta ja pimeää energiaa täytyy olla, muutoin ei havaitsemamme maailma toimi tai edes olisi tällainen kuin me sen voimme havaita. Jos maailmankaikkeus olisi toisenlainen, emme mekään olisi sitä ihmettelemässä. Jokapäiväinen elämänkokemuksemme vahvistaa tämän, maailmankaikkeus on mahdollistanut ihmisen ilmaantumisen maapallolle. Järki sanoo, että jos jokin asia olisi toisin, niin emme ehkä olisi täällä.

Onko maailmankaikkeutemme, siis se minkä voimme havaita, kaikki vai onko sen ulkopuolella jotakin. Tämäkin kysymys on alaan perehtyneelle tuttu kysymys. Luonnollisestikaan Valtaoja ei tähän anna mitään varmaa vastausta, kunhan vain pohdiskelee. 380 000 vuoden ikäinen maailmankaikkeutemme oli säteeltään 42 miljoonan valovuotta, siis se osa, jonka me voimme havaita tänään. Maailmankaikkeus oli varmaankin paljon suurempi niin sekunnin ikäisenä kuin nytkin. Meillä vain ei ole keinoja havaita sitä, sillä sieltä, hyvin kaukaa lähtenyt valo ei koskaan tavoita meitä.

Kirja Avaruudesta sopii kaiken ikäisille lukijoille. Sen voi turvallisin mielin antaa lapselle luettavaksi mutta kyllä siitä aikuisetkin saavat paljon pohtimisen aiheita. Kirjan luvut ovat lyhyitä, ne voi lukea yhdellä istumalla, tai vaikkapa bussimatkan aikana. Suosittelen.

Kari A. Kuure

Tabyn tähti ei ole ainoa

Tabyn tähti tuli tunnetuksi vuonna 2015, kun sen kirkkauden havaittiin muuttuvan epäsäännöllisesti niin kirkkauden kuin pimentymisien jaksottomuuden vuoksi. Tähden virallinen luettelotunnus on KIC 8462852 ja sen havaitsi Louisianan valtionyliopistossa työskentelevä Tabetha (Taby) Boyajian työryhmineen. Epäsäännöllinen himmentyminen sai joidenkin mielikuvituksen laukkaamaan ja niinpä lehdet uutisoivat havaintoja muukalaisten megarakenteiden aiheuttamaksi.

Tabyn tähti sijaitseen Joutsenen tähdistöss noin 1470 valovuoden etäisyydellä.
Kuva Wikimedia Commons.

Tarkempi havainnointi ja datan analysointi paljasti kuitenkin, että mistään megarakenteesta ja muukalaisista ei voi olla kysymys. Tähdestä tuleva valo nimittäin himmeni eri aallonpituuksilla eri tavalla. Megarakenne aiheuttaisi himmentymisen kaikilla valon aallonpituuksilla yhtäläisesti.

Toistaiseksi siis tähden satunnainen pimeneminen on edelleen arvoitus ja uusin tutkimus paljastaa, että arvoitus vain syvenee. Nebraska-Lincolnin yliopistossa työskentelevä tähtitieteilijä ja fyysikko Edward Schmidt on julkaissut tutkimuksen, jossa 21 muuta tähteä käyttäytyy hieman samaan tapaan kuin Tabyn tähti.

Tutkimuksessa Schmidt käytti aineistonaan vuosina 1999 ja 2000 koottua aineistoa muuttuvista tähdistä. Aineistosta hän karsi pois kaikki ne tähdet, joiden himmentyminen oli selitettävissä tavanomaisilla ja tunnetuilla mekanismeilla. Lopulta hänelle jäi 21 tähteä, joiden himmeneminen näytti epäsäännölliseltä ja niiden kirkkauden vaihtelu oli ennakoimatonta. Kaiken huippuna oli tähti EPIC 204376071, joka himmeni jopa 80 %.

Schmidt jakoi tähtiaineiston kahteen tyyppiin: hitaat ja nopeat muuttujat. Tähtiaineistossa oli 15 hidasta muuttujaa ja loput 6 olivat nopeita. Edelleen himmenemisen syyt ovat epäselvät mutta luokittelu antaa olettaa, että hitailla ja nopeilla muuttujilla on erilaiset olosuhteen, jotka himmenemistä aiheuttavat.

Tabyn tähti kuuluu hitaisiin muuttujiin. Kaiken lisäksi se näyttää pitkäaikaisessa seurannassa vuosien 1890 ja 1989 välillä himmenneen kokonaisuudessaan 0,193 magnitudin verran. Schmidtin tutkimus on tässä suhteessa pahasti kesken. Tässä vaiheessa tähdet ovat vasta tunnistettu omituisiksi muuttujiksi ja lisätutkimuksilla pyritään selvittämään ja kartoittamaan millaisista tähdistä oikeastaan on kyse. Tietysti myös kirkkauden muutoksen mekanismi on korkealla prioriteettilistalla.

Kaksi mustan aukon törmäystä peräkäin

Elokuun 28. päivän aamuna koettiin LIGO -observatorioissa^[1] hyvin epätavallinen tapahtuma. Kello 6.34.05 UTC aikaan havaittiin kahden mustan aukon sulautumisessa syntyneet gravitaatioaallot. Tapahtuma sai tunnuksekseen S190828j. Eipä tässä sen kummempaa, näitä mustien aukkojen keskinäisiä sulautumisia on havaittu jo koko joukko keväällä uudelleen käyttöönotetuissa LIGO-observatorioissa.

LIGO-Observatorioiden tuottama animaatio kauden O2 havainnoista. Credit: Teresita Ramirez / Geoffrey Lovelace / SXS Collaboration / LIGO Virgo Collaboration.

Epätavalliseksi tilanteen tekee se, että 21 minuuttia myöhemmin, kello 6.55.09 UTC havaittiin jälleen gravitaatioaaltoja, joiden tunnukseksi tuli S190828l. Koskaan aikaisemmin näin peräkkäisiä tapahtumia ei ole havaittu. Havainto muuttui vielä kummallisemmaksi, sillä paikanmääritys osoitti niiden tulevan vielä samalta taivaan alueelta. Paikanmääritystä helpotti se, että gravitaatioaallot havaittiin kaikilla kolmella käytössä olevalla LIGO-observatoriossa.

perättäisten gravitaatioita synnyttäneiden tapahtumien vieläpä samalla taivaan alueella sai tutkijat miettimään mahdollisuutta, että kyse olisikin samalta tapahtumasta. Jos näin olisi, niin silloin jokin gravitaatiolinssi olisi täytynyt taivuttaa gravitaatioaaltojen kulkureittejä ja toinen olisi tuon 21 minuuttia pitempi reitti. Aaltohavainnot eivät kuitenkaan olleet identtisiä, joten tämä mahdollisuus karsiutui hyvin nopeasti pois. Kyseessä oli siis vain hieman epätavallinen sattuma.

Mustien aukkojen törmäysten etäisyydet vaihtelivat hieman. S190828j:n etäisyydeksi määritettiin 1738 –2815 Mpc (5,6 – 9,2 miljardia valovuotta) ja S190828l:n etäisyys oli 1186 –2036 Mpc (3,8 –6,6 miljardia valovuotta). Kummastakaan tapahtumasta ei havaittu optisilla aallonpituuksilla näkynyttä leimahdusta. Tällaista leimahdusta ei pitäisi tullakaan, sillä kyseessä kummassakin tapauksessa oli kahden musta aukon törmäys ja sulautuminen isommiksi mustiksi aukoiksi.

LIGO-observatoriot otettiin käyttöön huhtikuun^[2] 1. päivänä. Havaintojakso on nimetty lyhenteellä O3.  Aikaisemmat ovat O2 ja O1. Havaintokaudella O3 on havaittu kaikkiaan 20 mustien aukkojen yhdistymistä, kaksi kahden neutronitähden törmäystä ja yksi neutronitähden ja musta aukon törmäys. Näistä havainnoista on saatavissa jonkin verran esitietoja mutta lopullisia tutkimustuloksia joudutaan vielä odottelemaan. O2 kauden tutkimustuloksia on julkaistu jo runsaasti.

Huomautukset

[1] LIGO-observatoriot ovat: LIGO Hanford (USA), LIGO Livingston (USA) ja LIGO Virgo (Italia).

[2] LIGO-observatoriot olivat pitkällä huoltotauolla, jonka aikana niiden laitteiden herkkyyttä ja erottelukykyä parannettiin uusilla teknisillä ja ohjelmallisilla menetelmillä.

Kirjauutuus: Kosminen pimeys väistyy

Markus Hotakainen

Kosminen pimeys väistyy – Maailmankaikkeuden arvoituksia

Kustannusosakeyhtiö Otava 2019

ISBN 978-951-1-33144-5

Sidottu 287 sivua.

Markus Hotakaisen esittelyä tuskin tarvitaan, sillä tähtitieteen populaarikirjallisuutta ja Tähdet ja Avaruus -lehteä lukevat kyllä tunnistavat kirjoittajan hänen monista aikaisemmista teoksistaan ja lehtiartikkeleistaan. Niinpä otinkin hänen tuoreimman, Otavan julkaiseman Kosminen pimeys väistyy -teoksen hyvin mielelläni lähempään tarkasteluun.

Kirjan rakenne on perinteinen kertomus maailmankuvan kehittymisestä tutkimuksen avulla muinaisuudesta nykypäivään ja hieman tulevaisuuteenkin. Tarinan kehittely on järkevää, sillä mitä lähemmäksi nykypäivää kirjassa tullaan, sitä monipolvisemmaksi maailmankuvamme muuttuu. Hotakainen joutuu ottamaan välillä pienen takaumankin, jotta uudet tutkimukset voisi tuoda esille.

Kirjan kertomus (siitä tässä on todella kyse) lähtee siis liikkeelle muinaisista akkadilaisista Mesopotamiassa. Siitä siirrytään nopeasti Eurooppaan ja kaukoputken keksimiseen. Kaukoputkia oli ratkaiseva askel myös Galileo Galileille, sillä hän teki monia merkittäviä havaintoja, jotka muokkasivat maailmankuvaamme perusteellisesti. Itse asiassa Galileo loi tieteessä edelleen käytettävän metodin, joka perustuu havaintoihin vahvistettuna tieteellisillä teorioilla.

Galileon jälkeen tarina jatkuu edelleen pitkälti kaukoputken kehittämisen myötä. Pian tullaankin viimevuosisadan alkuun ja sen merkittäviin havaitsijoihin, löytöihin ja teorioihin. Luonnollisesti Albert Einstein kumppaneineen tässä kohtaa kirjaa on merkittävässä roolissa. Mutta tarina jatkuu ja pian päästäänkin maailmankaikkeuden synnyn äärelle. Hotakainen on hyvinkin ajan tasalla ja hän kertoo mielenkiintoisesti maailmankuvan muuttumisesta, olipa kyse alkuräjähdyksestä tai maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisesta.

Kirjan loppuosa on sitten omistettu pohdintoihin mahdollisista avaruuden muukalaisista sekä maailmankaikkeuden itsensä kohtalosta.

Hotakaisen teksti on helppoa luettavaa. Hän tarinoi ja rupattelee keskittyneesti ja ymmärrettävästi niin, että maallikkokin ymmärtää mistä on kysymys. Kirjoittaja ei sorru kovinkaan yksityiskohtaiseen piperrykseen jopa maailmankaikkeuden vaikeimpien kysymysten äärellä, tässä kohtaa Hotakaisen kokemus tähtitieteen popularisoijana tulee vahvasti esille.

Mielestäni kirja sopii jokaiselle tähtitieteestä ja tieteellisestä maailmankuvastamme ja sen kehittymisestä kiinnostuneille riippumatta siitä, kuinka vahva kokemus ja tieto lukijalla on. Kirjan voi antaa huoletta alle kymmenvuotiaan luettavaksi ja siitä saa paljon irti myös alan ammattilaiset, joiden työtehtävät saattavat rajoittaa merkittävästi yleiskäsityksen luomista tai se on jopa vanhentunut nopean kehityksen myötä.

Kari A. Kuure

Ei nopeaa kääntymistä maapallon magneettikentässä

Kuten on hyvin tunnettua, maapallon magneettikentän suunta kääntyy päinvastaiseksi silloin tällöin. Paleomagneettisilla tutkimuksilla on onnistuttu selvittämään, että suunnan muutos on tapahtunut viimeisen 330 miljoonan vuoden aikana noin 400 kertaa. Tämä tarkoittaa, että kentän suunta vaihtuisi noin 700 000 vuoden välein.

Maan magneettikentä simuloitu malli. Kuva Wikimedia Commons.

Edellisestä suunnan vaihtumisesta, joka tunnetaan Matuyama-Brunhes -tapahtumana, on kulunut aikaa jo 773 000 vuotta. Tästä syystä on syntynyt käsitys, että kentän suunta olisi pitänyt jo kääntyä. Käsitys väärä, sillä tarkasteluna ajanjaksona magneettikentän suunta on pysytellyt nykyisen kaltaisena hyvin eri mittaisia kausia (0,1 – 50 miljoonaan vuotta), joten tarkkaa seuraavan suunnanmuutoksen ajankohtaa ei pystytä ennustamaan. Noin 41 000 vuotta sitten tapahtui Laschamp-tapahtumana tunnettu osittainen polariteetin vaihtuminen mutta se oli epätäydellinen, eikä muuttanut nykyisen kentän suuntaa.

Maapallon magneettikenttä syntyy planeettamme ulkoytimessä, joka on sulassa tilassa olevaa ₃O₄). Tämän sulan aineksen metallipitoisuus on hyvin suuri, joten se johtaa sähkövirtaa erinomaisesti. Dynamoteorian mukaan tällaisessa olosuhteissa oleva johtava materiaali synnyttää itse tarvittavan sähkövirran ja siitä riippuvan magneettikentän.

Maan magneettikentä suunnan muutokset
isossa aikaskaalassa. Mustat alueet ovat
nykyisen magneettikentän suuntaisia.
Kuva Wikimedia Commons.

metallipitoista laavaa (sisältäen rautaoksideja kuten magnetiittia Fe

Kentän suunnan vaihtumisen mekanismin syntyä ei tunneta, mutta se ei varsinaisesti voi olla aiheutunut sulan ytimen pyörimisliikkeessä tapahtuvista muutoksista. Osittaiset polariteettin muutokset voisivat kylläkin selittyä paikallisten pyörteiden synnyttämillä kentillä. Magneettikentän voimakkuuden vaihtelusta ei pystytä tekemään pidemmälle meneviä päätelmiä, sillä kentän voimakkuus näyttää vaihtelevan lähes kaoottisesti (heteroskedastinen heilahtelu), eikä sitäkään pystytä ennustamaan.

Maapallon magneettikentän suuntaa ja voimakkuutta voidaan tutkia esimerkiksi meren pohjaan laskeutuvasta sedimenteistä. Magneettiset mineraalit sedimentoituessaan asettuvat vallitsevan magneettikentän suuntaisesti. Sama tapahtuu tulivuoresta valuvalle laavalle sen jähmettyessä. Näin erilaisiin kerrostumiin eri aikoina jää näytteitä magneettikentän suunnasta. Meressä tapahtuva sedimentaatio on jatkuvaa mutta sen tarkkuus ei ole kovinkaan hyvä monista tarkkuutta heikentävistä prosesseista johtuen. Tulivuorten jähmettynyt laavakivi antaa tarkempia tuloksia, mutta koska purkaukset eivät ole jatkuvia, näytteitä saadaan vain pisteittäin niin paikassa kuin ajassakin. Yhdistämällä nämä tiedot, saadaan kuitenkin varsin luetettava kuva tapahtumista pitkien aikojen kuluessa.

Magneettikentän suunnan muuttuminen on vielä kokonaisuutenaan hyvin epäselvä. Magneettikentän voimakkuus heikkenee ennen suunnanmuuttumista. Sen jälkeen kenttään alkaa syntyä vallitsevan kentän suunnan vastaisia paikallisia napoja muutoksen edetessä. Magneettikenttä on hyvin kaoottisessa tilassa, kunnes se alkaa vähetä ja vastakkainen kentän suunta vahvistua. Aikaa tähän kehitykseen kuluu vallitsevan käsityksen mukaan noin 1 000 – 8 000 vuotta.

Tuoreen tutkimuksen ^[1] mukaan edellä kuvattu prosessi on ollut viimeisen suunnanvaihdon yhteydessä pidempi kuin mitä aikaisemmin on ajateltu. Ennen varsinaista suunnan vaihtumista epävakaa tilanne on ollut noin 18 000 vuotta pitkä ja itse suunnan vaihtuminen on ottanut aikaa noin 4 000 vuotta. Matuyama-Brunhes -tapahtuma alkoi tutkimuksen mukaan noin 780 000 vuotta sitten

Magneettikentän suunnan muuttumisella olisi nyky-yhteiskunnalle merkittäviä seurauksia, jos se tapahtuisi nopeasti ns. ”yön yli”. Nopeasta muutoksesta voisi olla seurauksena mm. GPS-järjestelmän sekoaminen ja sitä seuraisi täydellinen kaaos. Kun kentän suunnan muutos on hyvin hidas prosessi, tästä syystä syntyvästä yhteiskunnallisesta kaaoksesta ei ole pelkoa ja muihinkin ongelmiin pystytään löytämään sopivat tekniset ratkaisut.

Huomautus

[1]     Brad S. Singer1, Brian R. Jicha, Nobutatsu Mochizuki and Robert S. Coe: Synchronizing volcanic, sedimentary, and ice core records of Earth’s last magnetic polarity reversal. Science Advances  07 Aug 2019: Vol. 5, no. 8, eaaw4621, DOI: 10.1126/sciadv.aaw4621, https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw4621.

Kirjauutuus: Astrobiologia

Kirsi Lehto

Astrobiologia – Elämän edellytyksiä etsimässä

Ursa 2019

ISBN 978-952-5985-66-5

Viimevuosina Marsia tai eksoplaneettoja koskettelevissa tutkimusuutisissa on säännönmukaisesti yleensä viitattu tai arvioitu elämän esiintymistä planeetalla. Itse uutisessa ei useinkaan ole tuotu esille sellaisia havaintoja, jotka viittaisivat elämän esiintymiseen tutkimuskohteessa. Elämän mahdollisuuteen viittaamalla pyritään saamaan muutoin niin pitkästyttävän kuivasta raportista trendikäs ja mielenkiintoinen uutinen. Kyse on astrobiologian viime vuosien kokemasta noususta trendikkääksi tutkimus- ja ennen kaikkea uutisaiheeksi.

Mitä sitten astrobiologia oikeastaan on? Astrobiologian tutkija Kirsi Lehto (Turun yliopisto) on tarttunut aiheeseen ja kirjoittanut kirjan Astrobiologia, jossa hän selventää tutkimuksen perusperiaatteita ja erityisesti päivittää lukijoittensa tiedot siitä, mitä elämän synnystä tiedetään. Kyse ei kuitenkaan ole astrobiologian oppikirjasta vaan kiehtovasti kerrotusta elämän tarinasta maapallolla sellaisena ja siinä määrin kuin siitä nykyisin tiedetään. Kyseessä ei siis ole koko totuus asiasta, sillä aiheen tutkimus on oikeastaan vasta alussa ja monia yksityiskohtia on vielä selitystä tai kuvausta vailla.

Kirsi Lehdon lähtökohtana on siis selventää niitä astrobiologian ongelmakohtia, joihin tutkijat törmäävät omissa tutkimuksissaan. Koska tunnemme vain yhden elämän synnyn (omamme), on luonnollista ottaa se käsittelyyn niin tarkasti kuin se tämän tyyppisessä kirjassa on mahdollista. Lehto kuljettaa lukijansa läpi vuosimiljardien aina maapallon synnystä alkaen ja päätyen tähän päivään ja ehkä hieman viitaten myös tulevaan.

Matka on kiehtova, kirjaa lukiessa voi melkein nähdä kemiallisen evoluution käynnistyvä, aminohappojen syntyvän ja niiden muodostuvan ensin RNA-ketjuksi ja myöhemmin DNAksi. Matkan aikana syntyvät ensimmäiset solut, joista myöhemmin tulee monisoluisia alkeellisia eliöitä, alkeellista elämään ja kuinka se vaikuttaa maapallon ilmakehään ja ilmastoon. Matka on pitkä ja hidas kunnes muutama sata miljoona vuotta sitten tapahtui jotakin, joka suorastaan räjäytti evoluution ja elämän valtasi maapallon mitä moninaisemmissa muodoissaan.

Kirjassa pohditaan ja viitataan myös eksoplaneettojen ja avaruuden muukalaisten mahdolliseen olemassaoloon. Jos saisimme viestin avaruudesta, olisiko siihen järkevää vastata vai olla hyvin hiljaa? Vastausta kysymykseen Lehto ei anna, pohtii vain. Mutta miksi emme ole tällaista viestiä vastaanottaneet? Vai onko niin, että emme yksinkertaisesti tunnista toisenlaista elämänmuotoa elämäksi, tai avaruuden muukalaiset eivät ole kiinnostuneet kommunikoimaan muiden mahdollisten teknisten kulttuurien kanssa. Lehto ei kirjassaan kovinkaan paljo näille kysymyksille tilaa anna, kunhan vain hieman viittaa näihin avoimiin kysymyksiin. Vai olemmeko sittenkin yksin tai ensimmäiset?

Astrobiologia kirja on kiinnostavaa luettavaa niin laiturin nokassa tai riippumatossa luettavaksi.

Kari A. Kuure

Superflare Auringossa on mahdollinen

.. vaikkakaan ei kovin todennäköinen. Pienilläkin todennäköisyyksillä on ikävä taipumus toteutua, jos aikaa on käytettävissä. Ja Auringon tapauksessa aikaa on, eli ihmiskunnan pitäisi ottaa superflaren mahdollisuus huomioon rakentaessaan infrastruktuuriaan.

Tämä flare ei ole superia, mutta tavaomaisenakin tällainen
vaikuttaa maapallon avaruussäähän merkittävästi.
Kuva NASA/SDO

Superflareja tapahtuu hyvin säännöllisesti nopeasti pyörivillä, nuorilla tähdillä, joiden magneettinen dynamo toimii voimakkaasti. Sen sijaan vanhoilla, hitaasti pyörivillä tähdillä, kuten Auringolla, superflareja esiintyy merkittävästi vähemmän, jopa niin paljon vähemmän, että jotkut tutkijat pitävät mahdollisuutta hyvin lähellä nollaa.

Uusin tutkimus aiheesta tulee Yatan yliopistosta, jossa Yuta Noitsun johtama tutkimusryhmä on selvitellyt superflarien esiintymistä juuri Auringon kaltaisilla tähdillä. Kepler-avaruuskaukoputken aineistosta on havaittu superflarien tapahtuvan suhteellisen säännöllisesti myös G-spektriluokan tähdillä, joskin paljon harvemmin kuin nuorilla tähdillä. Aineiston analysoinnissa käytettiin myös Gaia-avaruuskaukoputken ja Apache Pointin observatorion kokoamia havaintoja. Kaikkiaan superflareja havaittiin noin tuhat noin 300 Auringon kaltaisella tähdellä.

Aineisto on vielä tässä vaiheessa liian suppea varmojen päätelmien tekemiseen. Noitsu kuitenkin arvioi, että Auringossa superflare voisi tapahtua noin kerran tuhannessa vuodessa. Superflaren vaikutukset ulottuisivat Maahan noin 30 – 50 prosentissa tapauksista riippuen hieman siitä, mistä vaikutuksista on kyse. Näin ollen voitaneen olettaa, että merkittäviä tuhoja nykytekniikalle (sähköverkko, tietoliikenne niin maanpinnalla kuin avaruudessa, kaasu- ja öljyputkistot jne.) aiheutuisi vähintäänkin kerran 10 000 vuodessa. Useampikin kerta voisi olla mahdollista.

Superflare ei Auringossakaan ole aivan tuntematon ilmiö. Vuonna 1859 Carrington-ilmiön aikaansaama magneettinen myrsky rampautti sen aikaista tietotekniikkaa, eli lennätin linjoja kaikkialla pohjoisella pallonpuoliskolla missä niitä oli käytössä. Revontulia nähtiin parin vuorokauden aikana hyvinkin etelässä, kuten Havaijilla ja Kuubassa.

Carrington-ilmiö ei kuitenkaan ollut supreflarien huippua, vaan ehkä keskinkertainen. Todellinen superflare voisi olla voimakkuudeltaan kymmenen- tai satakertainen. Säilyneistä historiallisista kirjoituksista on luettavissa merkillisistä tapahtumista, jotka nykytietämyksen valossa voisivat olla voimakkaiden supreflare-purkausten aiheuttamia. Jos näin on, niin silloin ihmiskunnan tunnetun historian aikana superflare on iskenyt maapallolle vähintäänkin puolenkymmentä kertaa. Tällöin voidaan odottaa superflaren esiintyvän kerran tuhannessa vuodessa.

Aiheesta lisää 

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2014/05/auringossa-piilee-vaara.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2018/02/proxima-centaurissa-valtava-flare.html

Mahdollinen gravitaatioepisodi havaittu

Huhtikuun alussa huolto- ja uudistustöiden jälkeen uudelleen käynnistetty LIGo-Virgo-observatoriot havaitsivat huhtikuun 26 päivänä kello 18.22.15 Suomen aikaa, jotakin mikä tulkittiin gravitaatioaalloiksi. Havainto sai luettelotunnuksen S190426c ja se näyttää syntyneen neutronitähden pudottua mustaa aukkoon.

Havainnekuva neutronitähden ja musta aukon yhdistymisestä.
Kuva NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

Tutkimuksen tämän havainnon osalta jatkuvat, mutta alustavasti yhdistyminen tapahtui noin 1,2 miljardin valovuoden etäisyydellä. Havainto on sen verran heikko ja aikaisemmista poikkeava, että tutkijat eivät varmasti pysty, ainakaan toistaiseksi, määrittämään millainen tapahtuma sen on aiheuttanut. Suurin mahdollisuus, noin 13 % todennäköisyydellä, on musta aukon ja neutronitähden yhdistymisellä.

Gravitaatioaallot tulivat jostakin kehystetyn alueen sisältä.
Kuva NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

Nyt ilmoitettua havaintoa edeltävänä päivänä, siis huhtikuun 25. päivänä havaittiin myös gravitaatioaaltoja. Ne tulivat ensimmäisten analyysien mukaan kahden neutronitähden törmäyksestä. Lopputulos tällaisessa törmäyksessä on hyvin suurella todennäköisyydellä musta aukko.

Kahden neutronitähden törmääminen tuottaa yleensä myös runsaasti sähkömagneettista säteilyä, joka on mahdollista havaita optisilla teleskoopeilla tai radioteleskoopeilla. Elokuussa 2017 tällainen yhteishavainto tehtiinkin. Nyt, huhtikuun 25. päivänä tapahtuneen törmäyksen S190425z yhteydessä ei ainakaan vielä ole optisen alueen tai radiohavaintoja tehty, eikä näin ollen törmäyksen paikka on edelleen tarkentumatta, vaikka etäisyydelle on saatu arvioitua noin 500 miljoonaa valovuotta. Paikan määrittelyä vaikeutti se, että LIGO Hanford oli off-line -tilassa ja havainnot tehtiin vain LIGO Livingstonissa ja Virgolla Italiassa. Huhtikuun 26. päivänä havainnot tehtiin kaikissa kolmessa observatoriossa, joten paikan määritteleminen pitäisi olla hieman helpompaa.

Gravitaatioaaltoja havaittiin ensikerran vuonna 2015. Havaintoverkko on havainnut kaikkiaan 13 mustan aukon yhdistymistä, kaksi neutronitähtien törmäystä ja nyt viimeksi (26.4.) mustan aukon ja neutronitähden törmäyksen.

Lisää graviaatioaalloista Avaruusmagasiinissa haulla
http://avaruusmagasiini.blogspot.com/search?q=gravitaatioaallot

Kirjauutuus: Kosmologian alkulähteillä

Pekka Teerikorpi

Kosmologian alkulähteillä

Ursa 2019

ISBN 978-952-5985-64-1

Kosmologia on kiehtova tiede, jonka juuret ulottuvat tieteenhistoriassa yllättävän syvälle. Jo antiikin kreikkalaisilla, tai ehkäpä vielä vanhemmilla kulttuurikansoilla oli luonnonfilosofeja, joilla oli jonkinlainen ajatus tai käsitys maailman(kaikkeuden) rakenteesta. Olipa tämä ajatus oikea tai väärä, se yleensä perustui niihin havaintoihin ja tietoihin, jotka olivat filosofin käytettävissä. Tilanne tässä suhteessa ei ole muuttunut, sillä nykypäivänkin kosmologit rakentavat ajatuksensa ja mallinsa aikaisemman tiedon ja havaintojen harteille. Tämä tulee selkeästi esille Pekka Teerikorven uusimmassa kirjassa Kosmologian alkulähteillä.

Vaikka Teerikorpi viittaakin hyvin usein varhaisiin filosofeihin, kirjan pääpaino on 1900-luvun kosmologisessa tutkimuksessa Albert Einsteinin aikalaisineen ja seuraajineen aivan nykypäivän tutkimuksiin asti. Merkittävässä pääroolissa kosmologisen tutkimuksen alkuvaiheessa oli tietysti Edwin Hubble, jonka havainnot galaksien etäisyyden kasvusta osoitti maailmakaikkeuden laajenevan. Ennen hänen havaintojaan ja päätelmiään, maailmankaikkeuden rakenteesta ei oikein ollut minkäänlaista käsitystä, itse asiassa Linnunradan ajateltiin olevan suurin piirtein koko kaikkeus. Tähtitaivaalla näkyvien utuisten pilvien (=galaksien) arveltiin olevan osa Linnunrataa.

Einsteinin teorian ja Hubblen havaintojen myötä tutkimus sai siivet ja hyvin nopeasti oltiin saatu oikea kuva galaksiavaruudesta – ainakin pääpiirteissään. Etäisyydet ja nopeudet kasvoivat, ja tietämys alkoi konvergoitua nykyiseksi suhteellisen nopeasti. Oman lukunsa maailmankaikkeuden rakenteeseen ja syntyyn loi valoa kosmisen taustasäteilyn havaitseminen, inflaatioteoria ja vain hieman yli kaksikymmentä vuotta sitten havaittu kiihtyvä laajeneminen. Uusimmat satelliittihavainnot ovat myös vahvistaneet pimeän aineen olemassa olon, mitä se sitten lieneekään ja pimeän energian, joka näyttää olevan vastuussa kiihtyvästä laajenemisesta.

Teerikorpi marssittaa esiin suuren joukon kosmologiaan liittyviä tutkijoita (henkilöhakemisto on kuusi sivuinen, kun asiahakemisto on ”vain” neljä sivuinen), joiden työ on omalta osaltaan edistänyt maailmankaikkeuden rakenteen ymmärtämistä. Osa näistä tutkijoista on ”tuttuja nimiä” mutta vähintäänkin yhtä paljon on täysin tuntemattomaksi jääneitä tutkijoita, joiden tutkimuspanos on kuitenkin ollut ratkaisevan tärkeää jatko kannalta. Pekka Teerikorpi on osa tätä tiedeyhteisöä, onhan hän osallistunut Hubblen vakion tutkimuksiin monellakin eri tavalla. Kirjassaan hän mielenkiintoisesti hieman valottaa myös omaa osuuttaan tutkimuksissa.

Puhdas  sattuma on, että Tampereen Ursassa keskusteltiin alkuvuodesta 2019 nimenomaan Hubblen vakion merkityksestä ja siitä, miksi eritavoin tehtyjen havaintojen pohjalta laskelmat antavat eri arvon vakiolle? Jälkimmäistä kysymystä valitettavasti Teerikorpi ei käsittele.

Kosmologian alkulähteillä on kirja tähtitieteen historiasta kiinnostuneille, ja uskon heitä olevan paljon. Itse luin kirjan hyvin suurella mielenkiinnolla, joten uskon sen olevan hyvin kiinnostava myös monelle muulle tähtiharrastajalle. Mikäpä sen mukavampaa voisi ollakaan kuin nauttia kesäisestä lämmöstä ja auringosta hyvää kirjaa lukien.

Kari A. Kuure

Supermassiivinen musta aukko valokuvassa

Maapallon kokoinen radioteleskooppi tarvitaan tuottamaan riittävästi tarkkaa dataa, jotta supermassiivisesta mustasta aukosta galaksin M87 ytimessä saadaan luotua kuva. Kuvan erotuskyky on 20 µas ja siinä näkyy mustan aukon ympärillä oleva hehkuva, 10 miljardin K lämpötilainen plasmakiekko, joka tunnetaan kertymäkiekkona.

Kuvassa on galaksin M87 keskustassa oleva musta aukko. Kuva ESO/Event Horizon Telescope Collaboration.

Kyseinen teleskooppi on nimetty Tapahtumahorisontti teleskoopiksi, lyhyemmin EHT (Event Horizon Telescope) ja se on koottu kahdeksasta eri radio-observatoriosta eri puolilla maapalloa. Jotta teleskoopit toimisivat saumattomasta yhdessä, tarvitaan valtavasti työtä, erikoistekniikkaa kuten atomikelloja, rahoitusta 28 miljoonan euron verran ja viimekädessä nerokasta ajattelua ja kovaa työtä.

Monen teleskoopin käytön idea on toimia yhdessä interferometrinä. Projektiin osallistunut ALMA-observatorio (Atacama Large Millimetre Array) on itsekin tätä samaa menetelmää käyttävä observatorio, joten muiden observatorioiden liittäminen samaan verkkoon voisi ajatella olevan helppo juttu. Aivan näin yksinkertainen asia ei kuitenkaan ole!

Yksi asioita mutkistava tekijä on kerätyn datan siirtäminen supertietokoneen käsittelyyn. Internetin yli tapahtuu hyvin paljon tiedon siirtoa, mutta tässä tapauksessa datamäärän suuruudesta ^[1] johtuen tutkijat eivät voineet tähän turvautua. Ainoa tapa millä data saadaan käsiteltäväksi, on sen tallentaminen kovalevyille ja niiden kuljettaminen fyysisesti käsittelykeskuksiin ^[2].

Galaksi M87 näkyvässä valossa otettussa kuvassa. Kuva ESO.

Mittaustietojen oheen tarvitaan riittävän tarkka aikaleima, jotta datan yhdistäminen olisi mahdollista. Aikaleima saatiin aikaiseksi keskenään synkronoiduilla atomikelloilla. Ennen varsinaista datan yhdistämistä mittaustiedot joudutaan vielä korreloimaan, sillä jokaisessa observatoriossa kohteen erilainen korkeus aiheuttaa oman eroavaisuuden havaittuun dataan.

Observatorioiden ^[3] fyysinen sijainti tuotti omat vaikeutensa. Etelämantereella sijaitsevan observatorion tallentama data saatiin toimitettua käsittelykeskukseen yli puolen vuoden odottelun jälkeen, sillä lentoliikennettä Etelämantereelle ei ole eteläisen pallonpuoliskon talven aikana.

Datan kokoaminen kahdesta valitusta kohteesta (Linnunradan keskustan Sagitarius A* ja galaksin M87 ^[4] Neitsyen tähdistössä) näkyvyys kaikille observatoriolle määräsi mahdolliset havaintoajat. Tämän lisäksi sääolosuhteiden piti olla hyvät, sillä ilmakehän häiriöt heikensivät mittausdatan tarkkuutta tai jopa voivat estää koko mittauksen. Tutkijoilla oli kuitenkin onni matkassa ja keväällä 2017 avautui sopiva havaintoikkuna ^[5], jolloin havaintoja pystyttiin tekemään jopa viitenä vuorokautena peräkkäin.

Hubble avasuusteleskoopilla otettu kuva M87:n mustan aukon läheisyydestä lähtevästä suihkusta. Kuva NAS/STScI/AURA.

Datan käsittelyvaiheen jälkeen ensimmäinen kuva mustan aukon kertymäkiekosta oli valmis julkaistavaksi. Se tehtiin keskiviikkona 10. huhtikuuta 2019. Kohteena oli ellipsigalaksi M87 ytimessä sijaitseva supermassiivinen musta aukko, jonka massaksi arvioidaan noin 6,5 miljardiksi auringonmassaksi. Koko galaksin massaksi arvioidaan noin 2,4 biljoonaa (2.4 ± 0.6) × 10¹²) auringonmassaa. Tapahtumahorisontin säde on noin 130 au ^[6], joten se ulottuisi omassa Aurinkokunnassamme kauas Kuiperinvyöhön. Kertymäkiekon halkaisija on noin 25 000 au (säde 12 500 au). Kuvissa näkyvä keskustan tumma alue on ns. musta aukon varjo ja sen säde on noin 2,6× tapahtumahorisontin säteeseen verrattuna.

Hyvin mielenkiintoiseksi asian tekee se, että ennen todellisen datan käsittelyä, kohteesta tehtiin useita erilaisia simulointeja. Yllättävää on se, kuinka hyvin simuloinnit jo varhaisessa vaiheessa osuvat yksiin todella havaitun kanssa.

Kuvia katsellessa kiinnittyy huomio kirkkauseroihin kiekon eri osissa. Kirkkausero johtuu voimakkaasta Doppler-ilmiöstä, sillä plasman nopeus on hyvin lähellä valonnopeutta kertymäkiekon sisäosassa.

Nyt julkaistiin kuva vain M87 galaksin mustasta aukosta. Linnunradan mustan aukon kuvan luominen osoittautui isompaa mustaa aukkoa haastavammaksi ja tutkijoiden täytyy vielä kehitellä datan käsittelyä, ennen kuin kuvan luominen onnistuu. Kun Linnunradan musta aukon kuvan luominen on onnistunut, niin uskoakseni myös tulemme näkemään uudistuneen kuvan M87 mustasta aukosta.

Mustien aukkojen lyhyt historia

Vuonna 1784 englantilainen astronomi John Michell päätyi tutkimuksissaan ajatukseen, että jos tähdellä olisi riittävästi massaa, niin valokaan ei pääsisi poistumaan siitä. Hän nimitti tällaista tähteä ”pimeäksi tähdeksi”.

Seuraava askel mustien aukkojen historiassa otettiin Albert Einsteinin julkaistessa gravitaatioteoriansa (=Suhteellisuusteoria) vuonna 1915. Heti tämän jälkeen, vuonna 1916, Karl Schwarzschild, Johannes Droste ja opiskelija Hendrik Lorentz toisistaan tietämättä päätyi tulokseen, että Einsteinin yhtälöt mahdollistavat matemaattisen singulariteetin (=musta aukko) olemassa olon, jolle ei voi määrittää kokoa ja jonka massa voi olla kuinka suuri tahansa.

Seuraavalla vuosikymmenillä kävi ilmeiseksi, että jos tähdellä olisi riittävästi massaa, se voisi luhistua mustaksi aukoksi tai niin kuin silloin sitä kutsuttiin ”jäätyneeksi tähdeksi”. Vuonna 1939 Robert Oppenheimer & al. päättelivät, että neutronitähti, joka ylittää massaltaan Tolman – Oppeheimer- Volkoffin rajan luhistuu mustaksi aukoksi. Nykyisin havaintoihin perustuen tämä TOV-raja on noin 2,17 auringonmassaa. Tutkijakolmikko myös tulkitsivat, että Schwarzschild’in säteen etäisyydellä aika näytti pysähtyvän. Tästä syystä myös nimitystä ”jäätynyt tähti” käytettiin kuvaamaan mustia aukkoja.

Nimityksen Tapahtuma horisontti tuli käyttöön vuonna 1958 kun David Finkelstein määritteli Schwarzschild’in pinnan yksisuuntaiseksi, eikä valo pääse poistumaan sen sisäpuolelta.

Seuraava edistysaskel mustien aukkojen tutkimuksissa tapahtui vuonna 1963, kun Roy Kerr löysi tarkan matemaattisen ratkaisun pyörivälle mustalle aukolle. Pyörivän aukon tapahtumahorisontin ulkopuolelle syntyy kurpitsan muotoinen ergosfääri, jossa aika-avaruus kiertyy musta aukon mukana. Pari vuotta myöhemmin tutkija Kerr ja Ezra Newman loivat teorian mustien aukkojen massasta, kulmamomentista ja sähkövarauksesta (jotka ovat säilyviä suureita).

Seuraavat vuodet olivat mustien aukkojen kiihkeää tutkimuskautta. Vuonna 1974 Stephen Hawking osoitti kvanttikenttäteorian mahdollistavan mustien aukkojen säteilevän termistä säteilyä. Säteilyn voimakkuus oli kääntäen verrannollinen musta aukon massaan.

Teoria on tulkittava siten, että suurimassaisen mustan aukon lämpötila on alempi ja pienempi massaisen korkeampi: esimerkiksi Auringon massaisen musta aukon lämpötila olisi noin 60 nK kun taas Kuun massaisen musta aukon lämpötila olisi noin 2,7 K. Edelleen tästä vedetty päätelmä osoittaa, että kosminen mikroaaltotaustasäteily kasvattaa mustien aukkojen massaa mutta hyvin pienet aukot sen sijaan menettävät sitä. Lopulta noin vuoren massaiset mustat aukot menettävät massaansa niin nopeasti, että ennen kokonaan katoamistaan ne loistaisivat noin 200× kirkkaammin kuin Aurinko.

Huomautukset

[1] jokaisen observatorion tuottama data oli määrältään noin 5000 teratavua. Kaiken kaikkiaan dataa kerättiin useita petatavuja ja yhdellä havaintokerralla noin 350 Ttavua. (1 Teratavu on 10¹² tavua tai 10¹⁵ bittiä, yleisesti kotioloissa käytettyjen kiintolevyjen tallennuskapasiteetti on 1 T bittiä.)

[2] Max Planckin instituutti Bonnissa (Saksa) ja MIT-Haystackin observatorio Westfordissa Massachusetissa.

[3] Havaintoihin osallistuneet observatoriot ovat: ALMA, APEX, IRAM-30meter telescope, James Clerk Maxwell telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimetre Array, Submillimetre Telescope ja South Pole Telescope. Tutkimukseen on osallistunut 59 tutkimuslaitosta ja yli 200 tutkijaa.

[4] Galaksin etäisyys on noin 55 miljoonaa valovuotta.

[5] Huhtikuun 5. – 10. päivinä.

[6] Tapahtumahorisontin (Schwarzschildin) säde lasketaan kaavalla r_s = (2GM) ÷ c². Aikaisemmin M87 musta aukon massaksi ilmoitettiin 3,5 –6,6 miljardia auringonmassaa, mutta nyt tämän uutisoinnin yhteydessä massaksi yleisesti ilmoitetaan noin 6,5 miljardia, joka on EHT-tutkimusryhmän käyttämä. Näillä luvuilla laskettuna tapahtumahorisontin säteeksi saadaan noin 130 au.

Kirjauutuus: Lyhyet vastaukset suuriin kysymyksiin

Stephen Hawking

Toimittanut John Murray

Lyhyet vastaukset suuriin kysymyksiin

WSOY 2019

ISBN 978-951-0-43748-3

nidottu 249 sivua

Suomentanut Markus Hotakainen

Suomalaisen laitoksen esipuhe Esko Valtaoja

Alkusanta Eddie Redmayne

Johdanto Kip S. Thorne

Jälkisanat Lucy Hawking

Stephen Hawkingin viimeiseksi jäänyt kirja Lyhyet vastaukset suuriin kysymyksiin oli vielä työnalla hänen kuollessaan. Kirjan tekivät valmiiksi Hawkingin tutkijatoverit ja perikunta.

Kirjassa käsitellään kymmentä eri aihetta, joita Hawking piti suurina kysymyksinä. Monet näistä aiheista ovat tuttuja monestakin eri yhteydestä, mutta on mielenkiintoista lukea niistä Hawkingin vastaukset kysymyksiin. Ennen kysymysosiota, kirjassa käsitellään Hawkingin elämää hänen itsensä kertomana. Osuus ei ole pitkä, vain 22 sivua, joten hyvin katkelmalliseksi se jää. Toisaalta, kirjaa ei ole tarkoitettukaan omaelämäkerraksi, joten laajempi elämäkerrallinen osuus olisi vain muuttanut kirjan luonnetta tarpeettomasti.

Kirjassa siis käsitellään kymmentä kysymystä, joihin Hawkin haluaa vastata ja kertoa oman näkemyksensä. Kysymykset ovat hyvin valittuja mutta itse en olisi kirjaan ottanut kysymyksistä järjestyksessä ensimmäistä: Onko jumala olemassa? Kysymys poikkeaa niin paljon kirjan muiden kysymysten aihepiiristä, että se tuntuu jotenkin keinotekoiselta ja irralliselta tässä yhteydessä. Hawking oli tietääkseni ateisti ja tämän näkemyksen hän tuo esiin tekstissään. Jakson lopulla hän paljastaa vastauksen pohdiskeltuaan ensin kysymystä monelta taholta.

Kirjan takakanteen on listattu kaikki käsitellyt kysymykset. Niitä on sen verran runsaasti, että niiden kaikkien käsitteleminen tässä yhteydessä ei ole mahdollista, mutta muutamalla avainsanalla yritän luonnehtia aihepiiriä. Kirjassa käsitellään kaiken alkua, älyllisen elämän olemassa oloa, tulevaisuuden ennustamista, mustan aukon rakennetta, aikamatkustusta, ihmiskunnan selviäminen, avaruuden asuttaminen, tekoälyä ja tulevaisuuden muokkaamista.

Poimin kuitenkin musta aukot sellaiseksi kysymykseksi, joka on tietysti ajankohtaakin liittyen mielenkiintoisin käsitellyistä aiheista. Tämä myös sen vuoksi, että Stephen Hawking on ansainnut kannuksensa nimenomaan mustien aukkojen tutkijana. Tämän vain 19 sivua pitkän osan Hawking aloittaa vuodesta 1783, jolloin John Michell päätteli, että maailmankaikkeudessa voisi olla tähtiä, jotka ovat niin massiivisia, että valokaan ei niistä pääsisi pakenemaan. Michell kutsui näitä tähtiä pimeiksi tähdiksi. Seuraava askel aiheen käsittelyssä on tietysti, tai lähes itseoikeutetusti Albert Einstein ja hänen gravitaatioteoriansa vuodelta 1915.

Seuraava askel mustien aukkojen historiassa oli vuosi 1930 ja Subrahmanyan Chandrasekhar, joka osoitti, että valkoisen kääpiön suurin mahdollinen massa on 1,4 auringonmassaa. Sitä massiivisemmat tähdet romahtavat lopulta neutronitähdiksi tai vielä massiivisemmat mustiksi aukoiksi. Mustien aukkojen synnyn neutronitähtien luhistumisella päätteli Robert Oppenheimer yhdessä George Volkoffin ja Hartland Snyderin kanssa vuonna 1939. Monien muidenkin tutkijoiden nimet vilahtavat Hawkingin tekstissä ja lopulta hän pääsee omaan osuuteensa mustien aukkojen tutkimuksessa.

Kysymykset vastauksineen ovat mielenkiintoisia ja uskon aiheen ja aiheet kiinnostavan monia, ei vain tähtitieteestä tai kosmologiasta kiinnostuneiden vaan kaikkia tiedekirjojen ystäviä hyvin monialaisesti. Kirjaa voin myös suositella laajentamaan itse kunkin yleistietämystä tieteistä ja tietysti heille, jotka juuri nyt etsivät vastauksia kirjan kysymyksiin.

Kari A. Kuure

Gravitaatio-observatoriot aloittivat uuden havaintokauden

Yhdysvalloissa sijaitsevat LIGO-observatoriot ovat jälleen havaitsemassa maailmankaikkeuden gravitaatioaaltoja. Niiden vuoden kestänyt uudistustyö on saatu päätökseen ja havainnot aloitettiin huhtikuun alussa.

LIGO-observatorio Livingstonissa Yhdysvalloissa. Kuva Caltech/MIT/LIGO Lab.

Laiteuudistuksista tärkein oli voimakkaampien laser-laitteiden asentaminen. Lisäteho parantaa instrumenttien herkkyyttä. Samaan tähtää myös muutokset itse lasersäteessä. Niiden halkaisijaa on pyritty saamaan kapeammiksi.

LIGO-observatorioiden lisäksi gravitaatioaaltoja havaitsee Italiassa oleva VIRGO ja mahdollisesti ensisyksystä alkaen myös Japanissa sijaitseva KAGRA -observatoriot. Mitä useampi observatorio tekee havaintoja samasta gravitaatioaallosta, sitä tarkemmin sen lähde taivaalla voidaan määrittää.

Gravitaatioaallot syntyvät massiivisten mustien aukkojen, neutronitähtien tai näiden yhdistelmien törmäysten seurauksena. Tutkijat toivovat havaitsevansa epäsymmetrisen neutronitähden lähettämien havaitsemista, vaikka tällaisten kohteiden tuottamat aallot ovat intensiteetiltään pieniä. Signaali on kuitenkin jatkuvaa, joten sen havaitseminen olisi kuitenkin mahdollista tunnistamisen jälkeen.

Toistaiseksi havaittuja gravitaatioaaltoja on puolenkymmentä. Ne ovat massiivisten mustien aukkojen yhdistymisiä. Vain yhdessä tapauksessa kyseessä on ollut neutronitähtien törmäys. Tutkijat ovat näistä erityisen kiinnostuneita, sillä neutronitähtien törmäys tuottaa myös sähkömagneettisen säteilyn välähdyksen ja se puolestaan on mahdollista havaita avaruuskaukoputkilla. 

Mustien aukkojen yhdistyminen ei tuota havaittavaa purkausta sähkömagneettisen säteilyn alueella. Gravitaatioaaltojen ja smg-säteilyn yhdistävät havainnot mahdollistavat kohteen etäisyyden ja paikan määrittämisen ja se puolestaan auttaa tutkijoita määrittämään myös puhtaasti gravitaatioaaltoja tuottavan tapahtuman etäisyyden määrittämisessä.

Aiheesta aikaisemmin tässä blogissa

Gravitaatiotähtitieteen synty?

Huikea läpimurto

Uusi gravitaatioaaltohavainto

Neutronitähtien sulautumisessa syntyi musta aukko

Fysiikan Nobel gravitaatioaaltojen löydöstä