Betelgeuse fuusioi edelleen heliumia – ei supernovaa lähiaikoina

Orionin tähdistössä kirkas punainen jättiläinen, Betelgeuse, on ollut viimevuosien mielenkiinnon kohteena. Noin vuosi sitten tähti alkoi himmetä ja sen kirkkaus aleni ennätyslukemiin, aina 37 % helmikuun alussa vuonna 2020. Tutkimukset paljastivat, että himmenemisen syy oli ensi alkuun hyvin tiheä pölypilvi tähden ympäristössä ja lopulta myös tähden omaan rytmiin (n. 400 vrk) kuuluva jaksollinen himmeneminen.

Betelgeuse ei ole pyörä pallo. Image credit ALMA/ ESO/ NAOJ/ NRAO/ E O’Gorman/ P Kervella.

Nyt tutkimuksissa on paljastunut myös aivan uutta. Astrophysical Journalissa julkaistussa tutkimuksessa^[1] selvisi, että Betelgeusen ydin on edelleen heliumin fuusiointivaiheessa. Tämä tarkoittaa sitä, että jossain määrin odotettu supernova ei ole aivan lähellä. Tietystikään emme voi tietää milloin supernovavaihe käynnistyy, mutta tutkijat kertovat sen tapahtuvan aikaisintaan 100 000 vuoden kuluttua. Supernova käynnistyy vasta siinä vaiheessa, kun ytimen fuusiot ovat edenneet raskaampiin alkuaineisiin ja ytimessä muodostuu rautaa. Silloin kevyempien alkuaineiden fuusio tapahtuu ylempänä tähdessä kerroksittain. Tätä vaihetta kutsutaan ”sipulinkuori”vaiheeksi.

Lisäksi tutkimus paljastaa pienen yksityiskohdan tähdestä. Se ei olekaan aivan niin suurikokoinen ja massiivinen kuin aikaisemmin ajateltiin. Omaan Aurinkokuntaamme sijoitettuna tähden ulkopinnan uskottiin olevan suurin piirtein Jupiterin radan tuntumassa. Nyt uusimman tiedon mukaan se olisikin noin neljänneksen pienempi ja ulkopinta sijoittuisi siis noin Marsin ja Jupiterin ratojen väliin.

Edellisestä päätelmästä seuraa myös se, että tähden etäisyys^[2] pitää olla lyhyempi kuin aikaisemmin ymmärrettiin. Tämän tutkimuksen mukaan etäisyys olisi 548 (+88 / -49) valovuotta aikaisemman 700 valovuoden sijaan.

Tutkimuksessa annettiin myös arvio massasta. Se olisi 16,5 – 19 M_⊙, joka olisi hieman pienempi kuin mitä tähän asti on ajateltu.

 

Huomautukset

[1] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abb8db

[2] Betelgeusen tarkkaa koko- ja etäisyysmittausta on ollut vaikea tehdä. Viime vuosikymmeninä eri arviot ovat vaihdelleet vain 330 valovuoden ja 650 valovuoden väliltä. Äskettäisessä, vuoden 2017 tutkimuksessa pääteltiin etäisyyden olevan 724 (+ 111 / -156) valovuotta.

Etäisyysmittaukset maanpinnalta perustuvat tähden parallaksin mittaamiseen. Vaikeutena on kuitenkin ollut se, että tähden ulkoreunan määrittäminen ei ole ollut aivan yksinkertaista, koska tähti on heliumleimahduksen jäljiltä punainen jättiläinen -vaiheessa. Lisäksi ulkopinnan muoto ei ole täydellisen pyöreä, vaan selkeästi ”muhkurainen”, joten tähden paikka on vain likiarvoinen.

Fysiikan Nobel neutriinotutkijoille

Athur B. McDonald. 

Takaaki Kajita.

Tämän vuoden fysiikan Nobel-palkinto on myönnetty Takaaki Kajita’nille ja Arthur B. McDonald’ille. Palkinnon saajat olivat päätekijöitä tutkimuksissa joissa selviteltiin neutriinojen [1] muuttumista toisentyyppisiksi. Jotta muodonmuutos olisi mahdollista, neutriinoilla täytyy olla massa[2]. Tosin massan määrää ei vielä ole pystytty määrittämään mutta joitakin enimmäisarvioita niistä on.

Takaaki Kajita teki tutkimuksia japanilaisella Super-Kamiokande laitteistolla [3] ja havaitsi Auringosta tulevan kahdenlaisia neutriinoja. 

Samaan aikaan vuosituhannen vaihteessa kanadalainen Arthur B. McDonald pystyi osoittamaan neutriinojen säilyvän mutta muuttuvan toisiksi neutriinotyypeiksi matkallaan Auringosta Maahan. Ennen McDonaldin ja Kajitan työtä, tutkijoita ihmetytti ”puuttuvien neutriinojen ongelma”, sillä Auringosta näytti tulevan vain kolmas osa siitä neutronivuosta jota teorian mukaan piti sieltä tulla. McDonald pystyi osoittamaan, että neutriinoja ei suinkaan puutu, vaan ne muuttuvat toisiksi tyypeiksi, joita ilmaisimet eivät pystyneet havaitsemaan. McDonald työsketelee Sudbury Neutrino Observatoryssä [4].

Tutkijoiden työ oli ratkaisevassa asemassa selviteltäessä neutriinojen ominaisuuksia, sillä standardimalli ei ennustanut neutriinojen tyyppimuunnoksia. Päinvastoin, standardimallissa neutriinot olivat massattomia ja tämän tyyppiset alkeishiukkaset eivät voi vaihtaa tyyppiään[5].

Aiheesta voi lukea lisää julkaisusta

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/advanced-physicsprize2015.pdf

Huomautukset

[1] neutriinot ovat standardimallin ennakoimia sähköisesti neutraaleja fermioneihin kuuluvia alkeishiukkasia, joiden spinluku on ½. Neutriinoa ei pidä sekoittaa neutroniin, joka koostuu (ei siis ole alkeishiukkanen) kolmesta kvarkista: 1u ja 2d-kvarkkia.

[2] Neutriinoja on maailmankaikkeudessa niin runsaasti, että massan kriittinen yläraja on noin 50 eV (elektronivolttia). Jos neutriinojen massa olisi tätä suurempi, maailmankaikkeus olisi romahtanut gravitaation vaikutuksesta. Uusimpien tutkimusten mukaan neutriinojen massat voivat olla enintään 0,2–2 eV. Kukin neutriinolaji on erimassainen.

[3] Super-Kamikande laitteisto perustuu neutriinojen aiheuttamaan Cerenkovin säteilyyn niiden kulkiessa suuren puhdasvesisäiliön läpi. Säiliön tilavuus on noin 50 m³ ja sen seinämillä on yli 11 000 valoilmaisinta, jotka havaitsevat syntyneen Cerenkovin säteilyn. Cerenkovin säteily syntyy, kun neutriino törmää vesimolekyyliin. Sen seurauksena molekyylistä irtoaa (vedessä) yli valonnopeudella etenevä elektroni, joka synnyttää varsinaisen valonpurkauksen.

[4] Sudbury Neutrino Observatory’n neutriinoilmaisin muistuttaa jonkin verran Super-Kaminkandea mutta siinä käytetään raskasta vettä (D₂O). Ilmaisimessa elektronin neutriinon törmäys raskasvesimolekyyliin tuottaa elektronin ja kaksi protonia. Jokainen kolmesta neutriinolajista (=neutriinojen maku: elektronin, taun ja myonin neutriinot) iskevät deuteriumista protonin ja neutronin pois. Ilmaisimilla voidaan määrittää tapahtumien lukumäärät ja niiden väliset suhteet kertovat kunkin neutriinolajin vuon. Raskaaseen veteen lisätty suola herkisti ilmaisinta kolminkertaiseksi erityisesti taun ja muyonin neutriinojen ilmaisussa ja näin uudet tutkimukset vahvistivat tuloksen.

[5] Auringossa tapahtuvat ydinfuusiot tuottaa elektronin neutriinoja. Maassa tehtyjen tutkimusten mukaan saapuvien elektronin neutriinojen määrä on vain 1/3 odotusarvosta. Arthur B. McDonaldin johtaman työn tuloksena pystyttiin siis osoittamaan, että elektronien maku muuttuu matkallaan Auringosta Maahan.

Hienosti Higgsistä

Sean Carroll

Maailmanlopun hiukkanen – Miten Higgsin hiukkasen etsintä vie kohti uutta käsitystä maailmankaikkeudesta

Suomentaja Tuukka Perhoniemi

ISBN 9789525985276

Sidottu, 345 sivua

Ursa ry 2015.

Jos vähänkin olet seurannut luonnontieteellistä tutkimusta ja sen uutisointia, et ole voinut välttää uutisia Higgsin hiukkasesta. Higgsin hiukkasen on kerrottu liittyvän tavalla tai toisella aineen massaan, mutta miten, se on saattanut jäädä arvoitukseksi!

Sean Carrollin kirja Maailmanlopun hiukkanen luo selvyyttä aineen massan ongelmaan, eikä vain aineen vaan myös koko alkeishiukkasten standardimalliin, jonka viimeinen löytymätön hiukkanen Higgsin bosoni oli. Vuonna 2012 Cernissä tehty löytö oli samalla erään aikakauden hieno päätös, ja kuka ties uuden aikakauden alku.

Higgsin bosoni on Higgsin kentän välittäjähiukkanen. Se ei ole massan synnyttäjä vaan sen olemassa olo on vahvistanut Higgsin kentän olevan todella olemassa. Tavallisista kentistä, kuten sähkö- tai gravitaatiokentistä poiketen Higgsin kenttä on myös täysin tyhjässä avaruudessa. Lisäksi Higgsin kentän energia ei ole nolla edes tyhjässä avaruudessa. Aineen massa näyttäisi syntyvän tavallisten alkeishiukkasten ja kentän välisestä vuorovaikutuksesta; mitä voimakkaampaa vuorovaikutus on sitä massiivisemmasta hiukkasesta on kysymys.

Kuinka Higgsi löydettiin? Carrol kertoo sen kirjassaan. Muistanet uutisista ehkä sen, että löytö tehtiin Euroopassa, Ranskan ja Sveitsin rajalla sijaitsevassa tutkimuslaitoksessa CERNissä. CERNiin valmistui 2011 suuri hadronitörmäytin, lyhyemmin LHC, jonka toisiinsa törmäävien hiukkasten vapauttama energia mahdollisti Higgsin ilmaantumisen. Itse hiukkasta ei vieläkään ole nähty, sillä siihen se on aivan liian lyhytikäinen mutta sen hajoamistuotteet tutkijat ovat onnistuneet havaitsemaan ja tunnistamaan.

Löytö on sen verran tärkeä hiukkasfysiikassa, että siitä luovutettiin Nobell-palkintoja vuonna 2013. Tällöin palkinnon saajina olivat Peter Higgs ja François Englert. Nämä kaksi tutkijaa olivat tärkeässä asemassa nyttemmin Higgsin bosonina tunnetun hiukkasen teoreettisen pohjan luomisessa, vaikkakaan eivät olleet yksin. Lukuisia muita tutkijoita oli tehnyt työtään löytöön johtaneen teorian kanssa mutta palkinnonsaaneet olivat riittävän lähellä ja ensimmäisinä teorian luomisessa.

Ehkä sattumaa tai ei, mutta samassa CERNin tutkimuslaitoksessa kehitettiin hyperteksti, jonka ensimmäinen ja varmasti tunnetuin sovellus on www eli World Wide Web eli Internetissä käytettävä hyperteksti. Ilman sitä nettisivut ja viestitys olisi edelleen tekstipohjaista ja varsin ikävän näköistä.

Higgs oli viimeinen hiukkasfysiikan standardimallin löytymätön hiukkanen, vai oliko sittenkään? Teoriassa higgsejä voi olla useampia jopa neljä muuta hiukkasta. Uusimpien tutkimusten mukaan CERNissä löydetyn hiukkasen massa on 125,09 GeV (gigaelektronivolttia), joka on teorian mukaan juuri sopiva oikea, Higgsin teorian mukaisen hiukkasen massa. Silti ne neljä muuta voivat olla kyllä olemassa ja löydettävissä kunhan tutkimus jatkuu.

Higgsin olemassa olo voi olla myös uuden hiukkasfysiikan alku, sillä tutkijat ovat teoretisoineet täysin uusista, supersymmetrisistä hiukkasista, jossa jokaisella meidän tuntemallamme alkeishiukkasella on olemassa supersymmetrinen hiukkanen. Supersymmetriset hiukkaset ovat kylläkin hieman erikoisia, sillä meidän tuntemien massan omaavien hiukkasten supersymmetriset hiukkaset olisivat massattomia ja päinvastoin.

Vaikka Maailmanlopun hiukkanen -kirja kertookin hiukkasfysiikasta Higgsin bosonin näkökulmasta, se kertoo myös paljon itse hiukkasfysiikasta. Jos et ole aikaisemmin tutustunut hiukkasfysiikkaan, suosittelen kirjan liitteiden lukemista kaikkein ensimmäiseksi. Tällöin saa jonkinlaisen kuvan siitä mistä hiukkasfysiikassa on kysymys. Kirja on sopivaa luettavaa vaikka kesäloman sateisille päiville. 

Kari A. Kuure.