Asteroidi 2024 YR4 törmäystodennäköisyys nostetiin 3,1 prosenttiin

Päivitys 21.2.2025. Uusimpien havaintojen mukaan törmäyksen todennäköisyys on laskenut 0,27  prosentiin.

Päivitys 20.2.2025. Uusimpien havaintojen myötä törmäyksen todennäköisyys on laskenut 1,5 prosenttiin.

Tuoreimpien havaintojen mukaan asteroidin 2024 YR4 todennäköisyys törmätä maapalloon jouluna 2032 jouduttiin nostamaan aikaisemmista arvioista nyt 3,1 prosenttiin. Lukema ei ole kovin suuri, sillä tarkoittaahan se sitä, asteroidi sujahtaa maapallon ohi 96,9 prosentin todennäköisyydellä. Tämä puolestaan on hyvin korkea todennäköisyys ja jossakin muussa asiassa näin suurella todennäköisyydellä esiintyvää ilmiötä pidettäisiin täysin varmana tapahtumana.

Torinon asteikko kuvaa PHA asteroidien aiheuttamaa riskiä. 2024 YR4 riski on luokiteltu 3,1. Asteikon keltainen väri kertoo sen, että asteroidia on tarkkailtava. Kuva Wikimedia Commons.

Aikaisemmin näin korkeaa todennäköisyyttä ja vielä siten, että havaintojen määrän kasvaessa todennäköisyys törmäykseen myös kasvaisi, ei ole koskaan havaittu. Hetkellisesti asteroidi 99942 Apophis:n törmäys vuonna 2029 tai 2036 heti löydön jälkeen vaikutti todennäköiseltä, mutta se poistui tästä kategoriasta parin vuorokauden kuluttua lisähavaintojen myötä. Nyt Apophisin törmäystodennäköisyydeksi lasketaan 2,4 prosentiksi.

Asteroidi 2024 YR4 havaitseminen on hieman ongelmallinen, sillä se löydettiin 27.12.2024. Se oli kuitenkin Maata lähimpänä pari vuorokautta aikaisemmin 25.12.2024. Sen jälkeen siitä on etsitty aikaisempia havaintoja ja tällä hetkellä ainoa aikaisempi havainto samalta hetkeltä, kun se oli Maata lähimpänä. Edelleen asteroidista on suhteellisen vähän havaintoja ja se on siirtymässä hiljalleen päivätaivaalle kevään kuluessa. Samaan aikaan sen kirkkaus himmenee etäisyyden kasvaessa ja huhtikuussa 2025 olisi havaittavissa vain suurimmilla käytössä olevilla kaukoputkilla, jos silloinkaan.

Asteroidin kiertoaika on 3,99 vuotta, joten seuraavan kerran se tulee maapallon läheisyyteen vuoden 2028 syksyllä. Silloin se on lähimmillään meitä noin 20-kertaisen Kuun keskietäisyydellä, eli yli 7 miljoonan km etäisyydellä. Silloin törmäysvaaraa ei ole. Valitettavasti etäisyys on silloin liian suuri, jotta siitä olisi mahdollista saada tutkahavaintoja. Arecibon antennilla se olisi onnistunut mutta, kuten muistetaan, se romahti vuonna 2020. Tutkahavaintojen perusteella saataisiin asteroidin rata määritettyä erittäin tarkasti, paljon tarkemmin kuin optisilla teleskoopeilla.

Mahdollinen törmäysalue on esitetty kartassa punaisella viivalla. Jos törmäysmahdollisuus osoittautuisi todelliseksi, maa-alueella väestö pitäisi evakuoida vähintään 100 km etäisyyteen tai mieluummin vielä kauemmaksi. Mereen tapahtuva törmäys aiheuttaisi tsunameja, joiden vaikutukset ulottuisivat hyvin laajalle alueelle rannikoilla. Törmäys aiheuttaisi törmäyspaikasta riippumattomia ilmastovaikutuksia useiden vuosien tai jopa useamman vuosikymmen ajaksi.

Asteroidin havaitseminen 2028 perihelin läheisyydestä lienee mahdollista maanpinnalla optisilla teleskoopeilla. Silloin viimeistään saataneen riittävästi havaintoja asteroidin radan tarkkaan määrittämiseen. Jos silloin sen rata todetaan törmäysradaksi, jää hyvin vähän aikaa törmäyksen estämiseksi. Luultavasti sitä ei edes yritettäisi ja ainoaksi tehtävissä olevaksi asiaksi jäänee asukkaisen evakuoiminen törmäysalueelta. Jos törmäyspaikka on meressä, joita on monta (Intian valtameri, Keski-Atlantti ja Tyynimeri) rantavaltioissa ongelmaksi muodostuu hyvin korkeat tsunamiaallot, jotka saisivat valtavaa tuhoa aikaan.

Torinon asteikko

Torinon asteikolla kuvataan asteroidien aiheuttamaa riskiä. Taulukko koostuu törmäysenergian määrän ja törmäystodennäköisyyden perusteella. Tällä hetkellä törmäysenergia asteroidille 2024 YR4 on noin 10 Mt TNT räjähteenä, siis noin 1000-kertaisesti Hiroshiman tuhonneen atomipommin energia (13 TNT-Kt) vuonna 1945.

Edellä esitettyjen tietojen pohjalta voidaan päätellä, että Torinon asteikon lukemaksi muodostuu 3,1. Tämä tarkoittaa sitä, että asteroidia on tarkkailtava asteikon määritelmän mukaisesti.

3. Löydetty Maan lähiohittaja, jolla on yli 1% todennäköisyys törmätä Maahan ja aiheuttaa paikallista tuhoa. Vaatii tähtitieteellistä tarkkailua. Alueen viranomaisille ilmoitettava, jos mahdollinen törmäys on alle 10 vuoden päässä. On mahdollista, että uudet havainnot alentavat kohteen luokitusta luokkaan 0.

 

Muita artikkeleita aiheesta

Asteroidi 2024 YR4 lähiohittaa maapallon joulukuussa 2032

Asteroidien lähiohitus on arkipäivää

Tungosta Maan ympärillä

Uhkakuva avaruudesta

OSIRIS-Rex:lle uusi tehtävä

Apophis poistetiin ESAn riskiluettelosta

Apophis ohitti Maan

 

Asteroidi 2024 YR4 lähiohittaa maapallon joulukuussa 2032

Hieman yli kuukausi sitten (27.12.2024) havaittu asteroidi 2024 YR4 kulkee maapallon ohi noin 99 % varmuudella joulukuun 22. päivänä vuonna 2032. Lähimmillään asteroidi voisi olla vain 755 km etäisyydestä maanpinnasta. Todellisuudessa etäisyys voi olla hieman suurempi, sillä todennäköisesti ohitusetäisyys on noin 130 000 km. Sekään ei ole paljoa, vain kolmannes Kuun keskietäisyydestä, mutta kuitenkin sen verran, että asteroidi ei tule törmäämään maapalloon.

Havainnekuva Maata lähestyvästä asteroidista. Kuva © Kari A. Kuure.

Toistaiseksi tiedämme asteroidista hyvin vähän. Jopa sen rata on jonkin verran epävarma ja kaiken lisäksi ensimmäinen tunnettu havainto siitä on 25.12.2024, siis vain samalta päivältä, kun se ohitti maapallon. Lähiohitus jäi huomaamatta ja virallinen ensihavainto tehtiin Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System (ATLAS) -järjestelmän teleskoopilla siis pari vuorokautta ohittamisen jälkeen. Radan tarkempi määrittely tarvitsee runsaasti uusia havaintoja, mutta huhtikuuhun mennessä asteroidi on edennyt niin kauas Maasta, että sitä ei voida havaita suurimmillakaan kaukoputkilla ennen vuoden 2032 lähiohitusta.

NASA on tehnyt asteroidista kokoarvion. Se perustuu asteroidin havaittuun kirkkauteen. Tästä syystä laskelmissa on paljon oletuksia ja virhemarginaali on suuri. Tällä hetkellä sen kooksi arvioidaan 40 ja 100 metrin väliin, todennäköisimmin noin 55 metriä. Kappaleella on siis riittävästi kokoa ja massaa saadakseen aikaa merkittävää paikallista tuhoa törmäyksellään. Lievimmillään sen vaikutus olisi, jos se pirstoutuisi ilmakehässä samoin kuin vuonna 1908 kesäkuussa Tunguskassa tapahtui. 

Asteroidin 2024 YR4 kapea törmäysriskikäytävä. Kuva Daniel Bamberger/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0).

 

Jos asteroidi päätyisi maanpintaa asti, tuloksena olisi törmäyskraatteri, joka olisi verrattavissa Arizonassa olevaan Barringerin kraatteriin, jonka halkaisija on noin 1,2 km ja syvyys 170 m. 2024 YR4:n törmäyksen täydellisen tuhon alue olisi laajuudeltaan noin 100 km (säde noin 50 km) ja sen ulkopuolellakin laajalla alueella vahingot olisivat merkittäviä, riippuen hieman siitä olisiko törmäysalue merellä vai mantereella. Merialueella törmäys aiheuttaisi muiden vaikutusten lisäksi valtaisan tsunamin. Joka tapauksessa asteroidin törmäys tuottaisi ilmakehään runsaasti pölyä, joten ilmastolliset muutokset olisivat merkittäviä, luultavasti se aiheuttaisi maapallon keskilämpötilan laskun useilla asteilla monen vuoden ajaksi.

Asteroidi 2024 YR4 on luokiteltu Apollo-asteroidiksi. Sen periheli (0,8528 au) on Maan radan sisäpuolella ja apheli (4,226 au) Marsin ja Jupiterin ratojen välissä. Lisäksi radan solmupiste on Maan radan tuntumassa, joka tekee siitä huomattavan riskitekijän. Tällä hetkellä sen törmäysriskin arvio Torinoasteikolla 3, joka tarkoittaa noin 1,3 % todennäköisyyttä törmäykseen. Riski ei ole kovin suuri, mutta se on kuitenkin merkittävä, vain Apophis:n riski on suurempi. Huhtikuun 13. päivän 2029 Apohisin törmäysriski on noin 2,4 % ja 13.4.2036 tätäkin suurempi. Apophis on myös merkittävästi suurempi asteroidi, keskihalkaisijan ollessa noin 370 m.

Vaikka asteroidi 2024 YR4 todennäköisesti menee ohi vuonna 2032, sen luoma törmäysvaara ei poistu. Asteroidin radat muuttuvat jokaisella lähiohituksella ja muutos voi olla sen suuntainen, että törmäys lopulta tapahtuu. Toistaiseksi emme pysty tätä riski poissulkemaan. Tukijat arvioivat, että asteroidin luoma uhka on seuraavan viidenkymmenen vuoden aikana edelleen noin 1 % luokkaa.

2024 YR4 saattaa olla myös sen kokoinen, että tarvittaessa voitaisiin ryhtyä torjuntatoimiin. Sopivan kokoisilla usealla törmäyttimellä ehkä voitaisiin muuttaa sen rataa siten, että lyhin etäisyys Maahan kasvaisi ja törmäysriski näin ollen pienenisi. Joka tapauksessa asteroidi tulee olemaan lähivuosikymmenien aikana tarkan seurannan kohteena, kuten tietysti kaikki muutkin Maata lähestyvät asteroidit ovat.

 

 

Asteroidien lähiohitus on arkipäivää

Maaliskuussa uutiskynnyksen ylitti kaksikin asteroidin tekemään lähiohitusta. Ensimmäinen näistä oli tänä vuonna havaittu 2023 DW -asteroidi, jonka törmäyksen todennäköisyydeksi Maahan arvioitiin olevan 1/560 helmikuun 14. päivänä 2046. Asteroidin kooksi arvioitiin noin 50 metriä.

Toinen uutisoiduista asteroideista oli 2023 DZ₂, joka myös löydettiin alkuvuodesta. Se ohitti maapallon alle Kuun etäisyydeltä (0,54 LD) 25. maaliskuuta ja senkin koko on noin 50 metrin luokkaa.

Asteroidi 2023 BU ohitti maapallon vain 9 967 km (0,03 LD) etäisyydeltä tammikuun 27. päivänä 2023 kello 00.28 UTC aikaa. Vauhtia sillä oli maapallon suhteen 9,27 km/s. Kuvakaappaus CNEOSin mallinnusohjelmasta.

Nämä kaksi esimerkki ovat kuitenkin vain ”jäävuoren huippu”, sillä asteroidien lähiohitukset ovat arkipäivää. Parhaiten tietoa asteroideista ja niiden ohituksista saa tietoa Center for Near Earth Object Studies (CNEOS) sivustolta, jossa listataan kaikki havaitut asteroidit, jotka kiertävät Aurinkokunnassamme lähellä maapallon rataa.

Tarkastellaanpa tilastoja vaikkapa vain vuosi taaksepäin. Vuoden aikana maapallon on ohittanut kaikkiaan 102 asteroidia alle Kuun keskietäisyydeltä (384 317 km). Toisin sanoen, lähiohitus on tapahtunut keskimäärin joka kolmas vuorokausi. Kun asteroidien ohituksia tapahtuu näinkin runsaasti, olisi myös mielenkiintoista tietää, kuinka suuria tai massiivisia nämä ohittavat kappaleet ovat? Samasta taulukosta tämäkin asia on kerrottu.

Jo aikaisemmin mainittu 2023 DZ₂ on harvinaisuudessaan kerran kymmenessä vuodessa esiintyvä lähiohitus (luokka 3). Sen kooksi siis on ilmoitettu 38 – 85 metriä, yhdellä luvulla ilmoitettuna noin 50 metriä.

Pienempien asteroidien harvinaisuusluokka 2 tarkoittaa noin kerran vuodessa tapahtuvaa lähiohitusta. Tällä kertaa näitä tapahtumia olikin runsaasti, sillä kaikkiaan kuusi lähiohitusta oli tapahtunut viimeksi kuluneen vuoden aikana. Näistä yksi (2023 TM2) oli kooltaan noin 40 metriä ja kaksi (2022 JO₁ ja 2023 CK) olivat kooltaan hieman alle 20 metrisiä (Tšeljabinskin asteroidin kokoluokaa). Loput kolme oli sitten alle 10 metrisiä.

Lähin ohituksista tapahtui tammikuun 27. päivänä 2023. Silloin asteroidi 2023 BU ohitti maapallon vain 9 967 km etäisyydeltä (kts kuva). Kokoa tällä asteroidilla oli noin 5 metriä ja se luokiteltiin harvinaisuusluokkaan 2. Seuraavaksi lähin ohitus tapahtui syyskuun 19. päivänä 2022, jolloin etäisyyttä Maahan oli vain 14 863 km.

Maapallon suhteen nopeimman ohituksen teki asteroidi 2022 YW₆, jolle mitattiin vauhdiksi 29,84 km/s. Kolme muutakin asteroidia ohitti maapallon yli 20 km/s nopeudella.

Havaituista ohittajista merkittävä osa oli asteroideja, jotka oli löydetty kuluneen vuoden aikana. Asteroidin löytymiseen vaikuttaa ennen kaikkea niiden koko ja etäisyys, sillä keskimäärin ne heijastavat suhteellisen huonosti auringonvaloa. Näin ollen pieneten kappaleiden löytömahdollisuus avautuu vasta lähellä maapalloa, kun niiden kirkkaus on riittävä.

Asteroideja etsitään kaiken aikaan automaattisesti toimivissa observatorioissa. Suurin osa observatorioista sijaitsee pohjoisella pallonpuoliskolla, joten eteläinen tähtitaivas on jonkin verran heikommin valvottu. Oma lukunsa ovat maapallon radan sisäpuolella olevat asteroidit, joiden havaitseminen on todella vaikeaa, sillä auringonvalo vaalentaa tähtitaivaan ja kadottaa asteroidit näkyvistä. Näin ollen ei ole mikään ihme, että ne pääsevät helposti yllättämään tutkijat ja havaitsijat.

Jos tarkastellaan tulevaisuutta, vaikka lähimmän vuoden aikana, niin lähiohitukset jatkuvat edelleen samanlaisena kuin tähänkin asti. Tosin tarkastelumme rajoittuu ainoastaan tunnettuihin asteroideihin, sillä viimeksi kuluneen vuoden aikana suuri osa oli vain hieman aikaisemmin löydettyjä.

Vuoden aikana tiedossa oleva lähin ohitus tapahtuu 25. marraskuuta 2023, jolloin asteroidi 2019 DZ₂ ohittaa maapallon 2,8 × Kuun etäisyydeltä (2,8 LD). Kokoa sillä on noin 50 metriä.

Kookkain asteroideista on 363505 (2003 UC₂₀), jonka kooksi arvioidaan 1,9 km. Tämä kuitenkin ohittaa maapallon turvallisesti noin 13,7 LD etäisyydeltä marraskuun 2. päivänä 2023. Kolme seuraava on noin kilometriluokkaa olevia asteroideja. Loput kaikkiaan 128 asteroidista ovat pienempiä ja kaikkein pienin on noin 2 metrinen 2011 CQ₁, joka ohittaa maapallon 26.tammikuuta 2024 noin 11,3 LD etäisyydeltä. Tämä siis sillä varauksella, että vielä pienempää kappaletta ei avaruudesta havaita.

Tulevaisuudessa reilun sadan vuoden aikana tunnetut asteroidit tekevät vähintään 73 lähiohitusta. Tämä tietystikään ei ole koko totuus sillä kaiken aikaa teemme uusia löytöjä ja niistä iso joukko ohittaa maapallon alle Kuun etäisyydeltä. Näin ollen emme voi tietää millaisia yllätyksiä ja lähiohituksia maapallo kohtaa tulevan vuoden ja vuosisadan aikana ja kuinka monta todellista törmäystä tulee tapahtumaan. 

Harvinaisin luokkaan 6 kuuluva asteroidi on tunnettu 99942 Apophis, joka huhtikuun 13. päivänä 2029 ohittaa maapallon todella läheltä. Ohitusetäisyys on 38 012 km ja kokoa asteroidilla on noin 350 m. Harvinaisuusluokka 6 tarkoittaa noin kerran 10 000 vuodessa esiintyvää ohitusta. Asteroidi löydettiin jouluna 2004 ja ensimmäisten havaintojen myötä ratalaskelmat osoittivat hyvin suurta todennäköisyyttä törmäykseen.

Jos et ole seurannut asteroidien löytöjä aktiivisesti, niin voit ehkä ihmetellä miksi et ole kuullut tästä suuresta törmäysmahdollisuudesta aikaisemmin. Tämä johtuu yksinkertaisesti siitä, että maailman tiedostusvälineet olivat täynnä uutisia Indonesian maanjäristyksestä ja sitä seuranneen tsunamissa menehtyneiden ihmisten suuresta määrästä. Etäinen maapalloon kohdistuva uhka sai väistyä kansainvälisten uutistoimistojen uutispalveluissa.

Myöhemmät havainnot poistivat Apophis:n mahdollisten törmääjien luettelosta. Lähiohitus Maan kanssa kuitenkin muuttaa sen rataa, ja kuka tietää, jos vaikka joskus kaukaisemmassa tulevaisuudessa se uhkaisi todella Maata.  Niinpä emme kysy törmääkö joskus joku asteroidi Maahan, vaan kysymme: milloin se tapahtuu?

 

Uhkakuva avaruudesta

Tiedotusvälineet ovat kertoneet NASAn julkaisemista laskelmista, joiden mukaan Maan radan ylittävä Aten-asteroidi 2023 DW saattaa muodostaa uhkan maapallon turvallisuudelle. Uhkaava lähiohitus tapahtuisi 14. helmikuuta 2046 ja NASA laskee tälle tapahtumalle 1/560 mahdollisuutta törmäykselle. Euroopan avaruusjärjestö on päätynyt samoille linjoille 1/625 törmäysmahdollisuudelle.

Maan radan lähelle tulevat asteroidit (NEO) on luokiteltu ryhmiin radan sijainnin mukaan. Kaikkein suuriman riskin törmäykselle muodostavat Apollo- ja Aten-asteroidit. Kuva Wikimedia Commons.

Mitä asteroidista tiedetään tällä hetkellä? Tällä hetkellä sen kooksi arvioidaan (kirkkauslaskelmiin perustuen) noin 50 metriä. Jos arvio on lähelläkään todellisuutta, silloin se asettuu suunnilleen Tunguskassa (Siperia, Venäjä) vuonna 1908 maapalloon törmänneen kappaleen kokoluokkaan. Asteroidiksi se ei ole siis kovinkaan suurikokoinen ja mahdollisen törmäyksen aiheuttaman tuhoalueen laajuus olisi varsin pieni (säde noin 26 km), ehkä noin kolmenkertaisesti Tampereen pinta-ala. JPL:n Small-Body Database Lookup antaa nimelliseksi ohitusetäisyydeksi 1 798 166 km, mutta virherajojen puitteissa se voi olla jopa niin vähän kuin 1 495 km.

JPL:n SBSL tuottama kuva ohituksesta. Kuva JPL.

Asteroidin havaitsivat Georges Attard ja Alain Maury asteroidin MAP (Maury/Attard/Parrott) -etsintäohjelmassaan San Pedro de Atacama (Chile) helmikuun 23. päivänä. Havaintohetkellä asteroidi oli noin 10 miljoonan km etäisyydellä Maasta.

Kun tällaisia Maan radan kanssa risteäviä asteroideja löydetään, niille lasketaan aina todennäköisyys törmäykseen ja luokitellaan niiden törmäyksen ja tuhovaikutuksen todennäköisyys niin Torino- kuin Palermo-asteikoilla ^[1]. Asteroidille 2023 DW Palermo-asteikon lukema on -2,1 ja Torino-asteikolla 1, joten sen muodostama uhkaa maapallolle on hyvin pieni.

Mitä todella tapahtuu 14.2.2046?

Nykylaskelmien mukaan asteroidin 2023 DW lähiohitus tapahtuu alustavien laskelmien mukaan kyseisenä päivänä. Tosin laskelmissa on vielä aika suuri virhemarginaali, jota lähimmän hetken tarkka ajankohta ei ole selvillä. Jos ohitus tapahtuisi laskelmien mukaisesti, se tapahtuisi suurimmaksi osan Tyynenmeren alueella. Reitti ulottuu Yhdysvaltain keskiosasta Tyynen meren yli Jaavalle ja Indonesiaan. Ratalaskelmissa on vielä kuitenkin suuri epävarmuus, 3-sigma virhemarginaali on 8 miljoonaa km. Tällä hetkellä arvioidaan, että ohitusetäisyys on alle 2 miljoonaa km (SkySafari 7 pro antaa etäisyydeksi 1,3 miljoonaa km).

Tilanne siis kehittyy kaiken aikaa sitä mukaa kuin uusia havaintoja asteroidista saadaan. Tarkempia uutisia saataneen aivan lähipäivinä.

Tällä hetkellä näyttää siltä, että asteroidin koko ja ohitusetäisyys on mitä tavanomaisin, vastaavan kokoluokan asteroideja ohittaa maapallon suunnilleen samalta etäisyydeltä joka kuukausi, joskus useampikin. Mediakohu näyttää olevan siis aivan tarkoituksellisesta ja lähinnä siitä syystä, että (alustavat)laskemat mahdollistavat hyvin pienen mahdollisuuden törmäyspaikan sijainnille Yhdysvaltain maa-alueella. NASA on tämän tapaisista asioista erittäin herkkä tiedottamaan.

Huomautus

Tässä taulukossa on muutamia asteroideja joiden riskiluokitus on ollut ainakin hetken aikaa merkittävä.

[1] Torniasteikolla määritetään asteroidien törmäyksen todennäköisyyden ja kineettisten vaurioiden vakavauus yhtenä uhka-arviona. Torino-asteikko on lukemat 0 – 10, joista 10 on kaikkein vakavin ja nolla tarkoittaa sitä, että mitään uhkaa ei ole. Toistaiseksi korkein Torino-asteikon lukema on ollut 4 ja se saavutettiin neljän vuorokauden ajan 99942 Apophis-asteroidille jouluna 2004.

Palermo-asteikolla on suunnilleen samanlainen käyttötarkoitus, mutta se on teknisempi ja lukemat ovat logaritmisia. Lukema +2 tarkoittaa sitä, että uhka-arvio on satakertaa suurempi kuin satunnainen tausta, milloin vain. Palermo-asteikon positiiviset lukemat tarkoittavat todellista uhkaa ja negatiiviset lukemat vain pientä uhkaa.  Lukemien ollessa pienempiä kuin -2 uhkaa ei käytännössä ole. Kaikkein pienin Palermo-asteikon lukema on toistaiseksi -3,94 asteroidille 2022 UE₃.

99942 Apophis -asteroidille Palermo-asteikon lukema oli 190 vuorokauden ajan lukemassa +1,10. Tämä tarkoitti sitä, että törmäyksen todennäköisyys oli 12,6-kertainen (1/472) satunnaiseen taustaan (1/37) nähden.

Webb ja Hubble tallensivat yksityiskohtaisia näkymiä DARTin törmäyksestä

Kaksi suurta observatoriota, NASA/ESA/CSA James Webb-avaruusteleskooppi ja NASA/ESA Hubble-avaruusteleskooppi, ovat ottaneet kuvia ainutlaatuisesta kokeesta, jolla avaruusalus murskattiin pieneen asteroidiin. NASAn Double Asteroid Redirection Test (DART) – luotaimen törmäys on ensimmäinen kerta, kun Webbia ja Hubblea käytettiin tarkkailemaan samanaikaisesti samaa kohdetta.

Nämä kuvat, Hubblen vasemmalla ja Webbin oikealla, jotka otettiin Dimorphosista useita tunteja sen jälkeen, kun DART osui asteroidikuuhun. Kuvat NASA, ESA, CSA ja STScI.

DART törmäsi tarkoituksella Dimorphosiin 26. syyskuuta 2022 klo 14.15 EEST. Asteroidi on Didymosin kaksoisasteroidijärjestelmän kuun. Se oli maailman ensimmäinen kineettisen törmäystekniikan testi, jossa avaruusaluksella ohjattiin asteroidia muuttamaan kohteen kiertorataa. DART on testi maapallon puolustamiseksi mahdollisia asteroideja tai komeettoja vastaan.

Havainnot ovat enemmän kuin vain toiminnallinen virstanpylväs kummallekin teleskoopille – on olemassa myös keskeisiä tieteellisiä kysymyksiä, jotka liittyvät aurinkokuntamme rakenteeseen ja historiaan, joita tutkijat voivat tutkia yhdistäessään näiden observatorioiden ominaisuuksia.

Nämä NASA/ESA:n Hubble-avaruusteleskoopin ottamat kuvat on otettu 22 minuuttia, 5 tuntia ja 8,2 tuntia DART törmäyksen jälkeen. Kuvissa näkyy laajenevia heitepilviä asteroidista. Kuvat NASA, ESA, CSA ja STScI.

Webbin ja Hubblen yhdessä tekemät havainnot antavat tutkijoille mahdollisuuden saada tietoa Dimorphoksen pinnan rakenteesta ja siitä, kuinka paljon materiaalia törmäyksessä sinkoutui ja kuinka nopeasti se tapahtui. Lisäksi Webbin ja Hubblen välisen suuren aallonpituuksien vaikutuksen tarkkaileminen paljastaa hiukkaskokojen jakautumisen laajentuvassa pölypilvessä, mikä auttaa määrittämään, heittikö se pois paljon suuria kappaleita vai enimmäkseen hienoa pölyä. Näiden tietojen yhdistäminen auttaa tutkijoita ymmärtämään, kuinka tehokkaasti kineettinen isku voi muuttaa asteroidin kiertorataa.

Webb teki yhden havainnon törmäyspaikasta ennen törmäystä ja sitten useita havaintoja seuraavien muutaman tunnin aikana. Webbin Near-Infrared Camera (NIRCam) -kameran kuvissa näkyy tiukka, kompakti ydin, jossa materiaalisävyt näkyvät sirpaleina, jotka virtaavat pois iskukohdan keskustasta.

Vaikutusten havainnointi Webbillä toi lentotoiminnan, suunnittelun ja tiederyhmille erittäin ainutlaatuisia haasteita. Koska asteroidi etenee taivaalla, tiimit työskentelivät törmäystä edeltäneiden viikkojen aikana mahdollistaakseen ja testatakseen menetelmää, jolla seurataan asteroideja, jotka liikkuvat yli 3 kertaa nopeammin kuin Webbille asetettu alkuperäinen seurannan nopeusrajoitus.

Tämä Webbin NIRCam -instrumentin ottama kuva näyttää Dimorphosin noin 4 tuntia törmäyksen jälkeen.  Kuvassa näkyy tiivis, kompakti ydin ja materiaalisäteet, jotka virtaavat pois iskukohdan keskustasta. Terävät piikit ovat Webbin kahdeksan diffraktiosäteitä, jotka aiheutuvat teleskoopin rakenteista. Kuva NASA, ESA, CSA ja STScI.

Tutkijat aikovat myös tarkkailla asteroidia tulevina kuukausina käyttämällä Webbin keski-infrapunainstrumenttia (MIRI) ja Webbin lähi-infrapunaspektrografia (NIRSpec). Spektroskooppiset tiedot antavat tutkijoille käsityksen asteroidin kemiallisesta koostumuksesta.

Webb havaitsi törmäyksen vaikutuksia yhteensä viiden tunnin aikana ja otti 10 kuvaa. Tiedot kerättiin osana Webbin Cycle 1 Guaranteed Time Observation Program 1245 -ohjelmaa, jota johti Heidi Hammel Astronomy-yliopistojen liitosta (AURA).

Hubble onnistui myös tallentamaan havaintoja kuusta ennen törmäystä, sitten taas 15 minuuttia sen jälkeen, kun DART törmäsi Dimorphosin pintaan. Hubblen laajakuvakameran kolme kuvaa näyttävät törmäyksen näkyvässä valossa. Iskusta poistuva heitteet näyttävät säteiltä, ​​jotka lähtevät asteroidin pinnasta.

Jotkut säteistä näyttävät olevan hieman kaarevia, mutta tähtitieteilijöiden on tarkasteltava tarkemmin, mitä tämä voisi tarkoittaa. Hubble-kuvissa tähtitieteilijät arvioivat, että Didymosin kirkkaus kasvoi kolmin kertaiseksi törmäyksen jälkeen, ja he ovat myös erityisen kiinnostuneita siitä, kuinka kirkkaus pysyi vakaana jopa kahdeksan tuntia törmäyksen jälkeen.

Hubble tarkkailee Dimorphosta vielä kymmenen kertaa seuraavan kolmen viikon aikana. Nämä säännölliset, suhteellisen pitkän aikavälin havainnot, kun heitepilvi laajenee ja himmenee ajan myötä, maalaavat täydellisemmän kuvan pilven laajenemisesta ulostyöntymisestä sen katoamiseen.

Hubble otti 45 kuvaa juuri ennen DARTin Dimorphos-iskua ja sen jälkeen. Hubble-tiedot kerättiin osana Cycle 29 General Observers Program 16674 -ohjelmaa.

Lokakuussa 2024 lähtevä ESAn Hera-luotain suorittaa yksityiskohtaisia iskun jälkeisiä havaintoja kohteena olevasta asteroidista Dimorphosista. Hera muuttaa suuren mittakaavan kokeilun hyvin ymmärrettäväksi ja toistettavaksi planeettapuolustustekniikaksi. Hera esittelee uusia tekniikoita autonomisesta navigoinnista asteroidin kiertoradalla matalassa gravitaatiossa tapahtuviin operaatioihin. Hera on ihmiskunnan ensimmäinen luotain, joka kohtaa binaarisen asteroidijärjestelmän ja Euroopan lippulaivan Planetary Defenderin.

NASAn DART- ja ESAn Hera-luotaimet tukevat samat kansainväliset tiedemiesten ja tähtitieteilijöiden ryhmät, ja se tapahtuu kansainvälisen yhteistyön kautta nimeltä AIDA – Asteroid Impact and Deflection Assessment. Planeetan puolustuksella ei ole rajoja, ja se on loistava esimerkki siitä, mitä kansainvälisellä yhteistyöllä voidaan saavuttaa. 

LICIACube lähetti kuvia törmäyksestä

Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids lyhemmin LICIAcube on lähettänyt ensimmäiset kuvansa törmäyksestä. Niissä näkyy, kuinka voimakkaan räjähdyksen DART-luotain sai aikaan Didymos asteroidin pienen Dimorphos kuun pinnalla. Räjähdys aiheutui pelkästään luotaimen kineettisestä energiasta, sillä luotaimessa ei ollut räjähdysainetta.

DART-luotaimen osuma synnytti voimakkaan räjähdyksen ja se muodosti myös selkeän säteiskuvion. Etualan kirkas alue on Didymos asteroidi, jonka kuu Dimorphos on. Kuva (ASI/NASA).

Törmäys aiheutti valtavan pölypilven, jota pystyttiin havaitsemaan maanpinnalta. LICIAcube seurasi DART-luotainta muutaman minuutin viipeellä ja pystyi valokuvaamaan koko tapahtumasarjan. Erityisen mielenkiintoista kuvissa on se, että törmäyksen roiskeet muodostivat säteitä törmäyskraatterin ympärille. Tällaisia säteitä on aikaisemmin nähty Kuussa mm Tycho ja Copernicus kraattereiden ympärillä.

DARTin osumatarkkuus oli erittäin hyvä. Luotain oli suunnattu asteroidin keskipisteeseen ja tutkijat päättelivät kuvista, että se osui vain 17 metriä suunnitellusta kohdasta sivuun. Osumatarkkuutta voidaan pitää erittäin hyvänä, sillä koko asteroidin halkaisija on vain noin 160 metriä. Tikkataulussa (engl. dart board) häränsilmä on suhteellisesti samankokoinen alue keskipisteessä.

 

DART onnistui törmäyksessään

NASAn DART-luotain onnistui törmäämään Dimorphos asteroidiin. Törmäys tapahtui kello 02.15.04 Suomen aikaa. Oheinen kuvaa on otettu vain hetki ennen törmäystä. Tässä vaiheessa ei ole enempää tietoja käytettävissä.

Kuva NASA.

Katso NASAn tuottama animaatio törmäyksestä tästä!

Katso video törmäyksestä DARTin kamerakuvista!

Vihoviimeinen kuva ennen törmäystä. Kuvan lähetys keskeytyi kun törmäys tapahtui. Kuva NASA.

DART-luotain törmää ensiyönä

 Törmäysajankohta on kello 2.14 Suomen aikaa.

Taiteiljan näkemys DARTin lähetymisestä törmättävään asteroidiin. Kuva JHU Applied Physics Laboratory.

DARTin kohteena on kaksoisasteroidi Didymos, joka tarkoittaa kreikaksi "kaksosta". Didymos on hyvä ehdokas ensimmäiseen planeettapuolustuskokeeseen, vaikka se ei olekaan törmäyskurssilla Maahan eikä siksi aiheuta todellista uhkaa planeetalle. Järjestelmä koostuu kahdesta asteroidista: suuremmasta Didymos-asteroidista (Ø 780 m) ja pienemmästä kuuasteroidista Dimorphos (Ø 160 m). Tällä hetkellä Dimorphoksen kiertoaika Didymosin ympäri on 11 tuntia ja 55 minuuttia. Asteroidien massakeskipisteitten välinen etäisyys on noin 1,18 kilometriä. Astroidiparin kiertoaika on 770 vrk ja radan etäisin piste on noin 2,27 au etäisyydellä Auringosta. Didymos oli maapallon läheisyydessä edellisen kerran vuonna 2003 ja seuraava kertaa joudumme odottelemaan aina vuoteen 2063 asti.

Asteroidipari on pimentävä binääri, mikä tarkoittaa, että Dimorphos kulkee Didymoksen edestä ja takaa kiertäessään suurempaa asteroidia Maasta katsottuna. Näin ollen maanpinnalla olevilla teleskoopeilla voidaan havaita yhdistetyn Didymos-järjestelmän kirkkauden säännöllistä vaihtelua Dimorfoksen kiertoradan määrittämiseksi. Törmäyksen jälkeen tämä sama tekniikka paljastaa Dimoprhosin kiertoradan muutoksen verrattuna mittauksiin ennen törmäystä. DART-iskun ajoitus syyskuussa 2022 valittiin siten, että Maan ja Didymosin välinen etäisyys on lyhin, jotta havainnot olisivat korkealaatuisia. Didymos on noin 11 miljoonan kilometrin ​​etäisyydellä Maasta DART-iskun aikaan.

DARTin törmäys tapahtuu kohtisuoraan asteroidin pintaan ja niiden liikesuunnat ovat vastakkaiset. Pieni cube-sateelliitti ottaa valokuvai tapahtumasta. Kuva JHU Applied Physics Laboratory.

Didymoksen kiertorata ei leikkaa Maan kiertorataa missään pisteessä ja DARTin törmätessä Dimorphosille antama impulssi on niin vähäinen, ettei se juurikaan vaikuta asteroidin kiertorataan. Dimorphoksen massaa ei ole määritetty suoraan, mutta asteroidin tiheydestä ja koosta tehdyillä oletuksilla Dimorphosin massaksi on arvioitu noin 5 × 10⁹ kg. DARTin kineettisen vaikutuksen aiheuttama muutos on suunniteltu muutamaan kiertorataa hieman lähemmäksi Didymosia.

DARTin törmäystä ei tehdä aivan ”sokkona”, sillä se on kuljettanut mukanaan italilaista cube-satelliittia Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids (LICIACube). Satelliitti irrotettiin CARTista pari viikkoa sitten ja se on sen jälkeen tehnyt pienen ratamuutoksen, sillä sen tarkoitus on lentää Dimorphoksen ohi. LICIACubessa on kaksi kameraa, joilla se kuvaa törmäystä ja sen aiheuttamaa pölypilveä. Kuvista tutkijat voivat varmentaa törmäyksen onnistumisen maanpinnalta tehtävien havaintojen lisäksi.

Reaaliaikaisia kuvia saadaan myös törmäävästä DARTista, sillä tutkijat arvoivat viimeisen kuvan tulevan vain muutamaa sekuntia ennen törmäystä. Pari viimeistä minuuttia ennen törmäystä on dramaattisia, sillä kuvissa näkyy kohdeasteroidi kasvavan vauhdilla. Noin 2 minuuttia ennen törmäystä Dimorphos näkyy halkaisijaltaan vain noin 45 pikselin kokoisena. Minuuttia myöhemmin se on jo 90 pikselin kokoinen ja koko kasvaa tuplaksi aina jäljellä olevan ajan puolittuessa. Viimeisimmän kuvan tarkkuudeksi arvioidaan noin 9 cm/px asteroidin täyttäessä koko kuvakentän.

Tilasto tunnettujen Maata uhkaavien asteroidien määrästä ja törmäysten taajuudesta.

DARTin törmäyttäminen asteroidiin on tekniikkakoe. Asteroidijärjestelmä on hyvä koekenttä sen selvittämiseksi, onko luotaimen törmäytys tehokas tapa muuttaa asteroidin kurssia, jos ja kun Maata uhkaava asteroidi löydetään tulevaisuudessa. Toistaiseksi yksikään tunnettu yli 140 m asteroidi ei ole törmäyskurssilla Maan kanssa. Tähän arvioon liittyy kuitenkin suuri epävarmuus, sillä tällä hetkellä arviolta vain noin 40 prosenttia näistä asteroideista on havaittu.

NASA synnytti uutistulvan tyhjästä

NASAn uutisointi menee, jos nyt ei usein, niin silloin tällöin aivan överiksi. Näin kuitenkin tapahtui eilen (24.8.2020) kun NASA tiedotti, että Vaalipäivän asteroidi ei törmää maapalloon. Maailman lehdistö tarttui aiheeseen ja lukemattomien lehtien otsikoissa kerrotaan NASAn uutisoineen asteroidista.

NASAn kuvituskuva asteroidista. Kuva NASA.

En onnistunut jäljittämään alkuperäistä tai edes sellaista uutista, joka ei ollut saanut alkuaan NASAn tiedotteesta. NASAn Twitter-tilillä on twiitattu jotain aiheesta, mutta sitäkään en päässyt kaivelemaan, kun en ko. firman palveluja käytä.

Mistä siis on kysymys? Tarkkaan ottaen kohun aiheena oli pienen pieni, halkaisijaltaan noin 2 metrinen kivenmurikka, joka havaittiin avaruudesta vuonna 2018. Se sai luettelotunnuksekseen 2018 VP1, jolloin siitä tuli Apollo-luokan asteroidi. Sen kaksivuotinen rata tuo sen maapallon lähelle ja ohitus tapahtuu vain päivää ennen Yhdysvaltain presidentin vaalia marraskuun 2 päivänä. Siitä nimitys Vaalipäivän asteroidi. Ohitusetäisyys on 4 994,76 km.

NASA laskee törmäykselle todennäköisyyden 1:240, joten kovin suuresta todennäköisyydestä ei ole kysymys. Jos törmäys todennäköisyyden vastaisesti tapahtuisi, mitään dramaattista ei tapahtuisi. Asteroidi, tai pitäisikö puhua meteoroidista, on kooltaan niin pieni, että se hyvin suurella todennäköisyydellä tuhoutuisi ilmakehässä täysin. Ainoastaan siinä tapauksessa, että kappale koostuisikin rauta-nikkeliseoksesta, suurempia kappaleita voisi päätyä maanpinnalle. Rautameteoroiditkin ovat hyvin huokoisia kappaleita, joten nekin pirstoutuvat ilmakehässä alkuperäistä paljon pienemmiksi kappaleiksi.

Jotta asian merkitys selvenisi, täytyy vielä kertoa, että tämän kokoisia ja paljon suurempiakin kappaleita menee maapallon ohi päivittäin, joskus jopa useita. Jotkut näistä lähelle tulevista kappaleista päätyvät maapallon ilmakehään ja tuhoutuvat niiden pudottua riittävän syvälle ilmakehään. Yleensä tuhoutuminen tapahtuu viimeistään 20 – 40 km korkeudella ja vain pölyä laskeutuu myöhemmin maanpinnalle. Tšeljabinskin asteroidin koko oli noin 20 metriä ja se pirstoutui ilmakehässä noin 20 km korkeudella helmikuussa 2013.

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.

YK nimesi Kansainvälisen asteroidipäivän

Lakoontunut metsää Tunguskan  alueella. Kuva on
vuodelta 1927, jolloin Leonid Kulik johti ensimmäistä
törmäyspaikalle saapunutta tutkimusretkikuntaa.
Kuva Wikimedia Commons.

Yhdistyneet kansakunnat (YK) on nimennyt kesäkuun 30. päivän Kansainväliseksi asteroidipäiväksi. Ensivuonna tätä päivää vietetään ensimmäisen kerran. Päivän tarkoituksena vaikuttaa siihen, että avaruudesta tulevan uhkan torjumiseen kehitettäisiin keinoja ja maapallo säilyisi (edelleen) turvallisena asuinpaikkana ihmiskunnalle. Asteroidien törmäyksiä ei ole helppo torjua mutta ehkä kuitenkin joissakin tapauksissa se on mahdollista.

Kansainväliseksi asteroidipäiväksi valikoitui kesäkuun 30. päivä, koska silloin on vuonna 1908 Tunguskan (Siperia) törmäyksen vuosipäivä. Tunguskaan törmäsi joko pieni asteroidi tai komeettaydin (lähinnä vesijäätä), joka ”räjähti”^[1] pirstaleiksi ilmakehässä^[2]. Vapautunut energia on ollut arviolta noin 15 megatonnia^[2] TNT-räjähdettä ja paineaalto kaatoi ja poltti noin 2 000 km² metsää. Törmäyskraatteria alueelle ei ole syntynyt. Räjähdyksen aiheuttamat seismiset aallot havaittiin kaikkialla maapallolla.

NASAn arvion mukaan seuraavan sadan vuoden aikana on 0,01 % mahdollisuus yli kilometrin luokkaa olevan asteroidin törmäykseen. Joitakin lähiohituksia on odotettavissa, mutta niidenkään ei odoteta törmäävän maapalloon. Asteroidien radat kuitenkin muuttuvat pitkällä aikavälillä ja lähiohitusten seurauksen, joten suuren luokan törmäys maapalloon on varmaa ja vain ajan kysymys milloin se tapahtuu.

Erikokoisia ja erilaisia asteroideja, joita on onnistuttu
lähestymään luotaimin. Kuva NASA.

Yksi merkittävimmistä törmäyksistä, josta on voitu löytää jälkiä maapallolta, oli 65,5 miljoonaa vuotta sitten tapahtunut noin 10 km kokoisen asteroidin törmäys. Törmäyksen arvioidaan aiheuttaneen välittömien paine- ja törmäyksessä sinkoutuneiden maakerrosten putoamisen aiheuttamien vaikutusten lisäksi ilmaston muutoksesta johtuvat seuraukset.

Törmäyksessä ilmakehään joutunut hienojakoinen pöly, palokaasut ja rikkidioksidi yhdessä muuttivat ilmastoa niin paljon, että tapahtui joukkosukupuutto koko eliökunnassa. Ilmastonmuutoksen ja sukupuuton määrään on ilmeisesti myös vaikuttanut Deccan suuret rakotulivuoret, joiden miljoonia vuosia jatkuneet purkaukset tapahtuivat samoihin aikoihin, purkaukset on ajoitettu 68–66 miljoonaa vuotta sitten tapahtuneiksi. Silloisen ilmastonmuutosten yksityiskohdat ovat vielä selvittämättä ja niistä on olemassa useita erilaisia mutta vahvistamattomia teorioita.

Huomautukset

[1] Ilmiöstä käytetään nimitystä räjähdys, vaikka asteroidin tai komeetan pirstoutuminen ilmakehässä ei ole varsinainen räjähdys. Pirstoutuminen on kuitenkin niin äkillinen ja nopea, että se näyttää räjähdykseltä. Pirstoutumisen syy on ilmakehän aiheuttama avaruudesta tulevaan kappaleeseen kohdistuva mekaaninen voima, joka ylittää kappaleen sisäisen koheesion (koossapitävän voiman). Tilanne muistuttaa jossain mielessä juomalasin pirstoutumista lattiaan sen pudottua pöydältä. Ilmakehän aiheuttama voima monikymmenkertaisella äänennopeudella avaruudesta tulevalle kappaleelle on verrattavissa betonilattian aiheuttamaan voimaan juomalasille.

[2] Räjähdyskorkeus on ollut noin 5–10 km. Se on ollut epätavallisen matalalla, sillä vastaavat asteroidien tai meteoriittien räjähtäminen tapahtuu noin 20–40 km korkeudella.

Tunguskan räjähdystä on tutkittu hyvin paljon, mutta erilaisia vaihtoehtoja aiheuttajasta on edelleen monia. Tuskin koskaan saadaan selville sitä, millainen kappale Tunguskaan törmäsi, ellei onnistuta löytämään avaruudesta tulleita kiviä tai muita jäänteitä esimerkiksi alueen järvien sedimenttikerroksista. Näitäkin on kyllä tutkittu mutta mitään selvää, yhden teorian vahvistavaa ei toistaiseksi ole löydetty. Vuoden 1908 kerrostumista ympäri maapallon on löydetty vain epätavallisia pitoisuuksia iridiumia, jota maaperässä on erittäin vähän. Iridiumin löytyminen osoittaa tapahtuman kosmisen alkuperän.

[3] Vapautunut energiamäärä oli 185-kertainen Hiroshimaan pudotetun atomipommiin verrattuna.

Uusi varoitusjärjestelmä varoittaa mahdollisesti vaarallisista asteroideista

Maan ohittaa lähietäisyydeltä päivittäin asteroidi, joka
voisi aiheuttaa suurtatuhoa törmätessään maapalloon.
Kuva Nasa.

Nasa on perustanut uuden varoitusjärjestelmän Jet Propulsion Laboratoryn Maata lähestyvien kohteiden tutkimuskeskukseen. 

Varoitusjärjestelmän ydin on Scout-tietokoneohjelma, joka laskee asteroidin radan ja varoittaa mahdollisista vaarallisista asteroidista lähes reaaliajassa. Scout on vielä testausvaiheessa mutta sen on suunniteltu siirtyvän täyteen toimintaan vielä tämän vuoden puolella.

Tietokoneohjelma saa tietonsa Minor Planet Centerin kokoamasta datasta ja se puolestaan kokoaa tietoja automaattisesti vähintään kolmelta automaattisesti toimivalta asteroidien havaitsemiseen erikoistuneelta observatoriolta. Järjestelmä voi tuottaa ennakkovaroituksen jo kymmenessä minuutissa törmäysvaarassa olevan uuden astroidin löytymisestä.

Dataa järjestelmään syöttää Steward Observatorio^[1], Spacewatch^[2]  ja Tenagra Observatoriot^[3]. Scout-järjestelmä keskittyy kaikkein pienimpiin ja maapalloa lähelle tuleviin asteroideihin, joiden koko on 5–25 metriä. Tälle hetkellä arvioidaan, että tämän kokoluokan asteroideista voidaan havaita vain 25–30 %. Tilanteen kuitenkin uskotaan paranevan siinä vaiheessa kun Chileen rakenteilla oleva Large Synoptic Survey Telescopes^[4] kytkeytyy järjestelmään. Tämän jälkeen tavoite, 90 % tunnistus yli 140 metrin asteroideista, uskotaan saavutettavan.

Asteroidit ovat vaikeita havaittavia

Pienet asteroidit, tai ehkä oikeammin suuret meteoroidit, ovat erittäin himmeitä kohteita. Ne havaitaan tyypillisesti korkeintaan muutama vuorokausi ennen kuin ne ovat maapallon lähietäisyydellä. Ehkä vakuuttavin esimerkki isohkosta meteoroidista saatiin helmikuussa 2013 jolloin Tšeljabinskiin  putosi noin 20 metrinen kappale. Se tuli täysin yllättäen auringonpuolelta, jolloin sen havaitseminen ennen maapallon ilmakehään iskeytymistä oli täysin mahdotonta.

Vaikka törmäysradalla oleva asteroidi havaittaisiinkin ennen törmäystä, aikaa ei ole kovinkaan paljoa käytettävissä määrittämään törmäyskohtaa tai edes harkitsemiseen mitä tehdä. Esimerkiksi vuonna 2008 lokakuussa tutkijat havaitsivat muutaman metrin kokoisen asteroidin tulevan kohti maapalloa. Asteroidi sai luettelotunnuksekseen 2009 TC3. Havainto tehtiin vain 19 tuntia aikaisemmin ennen sen saapumista maapallon ilmakehään. Radan määrittämiseen meni aikaa kuusi tuntia ja kivi mätkähti Maahan onneksi Nubian autiomaahan Sudanissa aiheuttamatta sen suurempaa vahinkoa. Suurakaupunkiin putoaminen olisikin ollut aivan toinen juttu.

Asteroidit ohittavat Maan lähietäisyydeltä joka päivä

Vain reilun Kuun etäisyydeltä Maan ohittaneen
asteroidin rata vie sen kauas Marsin radan ulkopuolelle. 

Mitä enemmän olemme tehneet havaintoja asteroideista, sitä turvattomalta alkaa olo tuntua. Päivittäin maapallon ohittaa 5–50 metrisiä kappaleita, etäisyyden ollessa yhdestä 25 kuun etäisyyteen. Tätä kirjoittaessani vain muutama tunti sitten maapallon ohitti asteroidi 2016 UR36 vain 1,3 kuun etäisyydeltä. Kokoa kappaleella on 6–26 metriä ja se löydettiin Pan-STARRS 1 teleskoopilla (Halekala, Havaiji) lokakuun 26 päivänä.

Oletko kiinnostunut maapallon lähelle tulevista asteroideista?

Internetissä on runsaasti teitoa lähiavaruuden asteroideista. Tieto on vain kovin hajanaista ja niiden ajantasaisuudesta ei ole juurikaan tietoa. Onneksi tilanne on muuttunut, sillä Minor Planet Center (IAU) julkaisee päivittäin ilmestyvää nettilehteä Daily Minor Planet^[5]. Sen voi tilata sähköpostiinsa lehden nettisivulta.  Lehden julkaiseman asteroiditiedotteen lisäksi, sähköpostitiedotteessa on linkki ajankohtaiseen nettiartikkeliin ajankohtaisista asioista, usein juuri asteroideihin liittyen.

Huomautukset

[1] Steward Observatorio on Arizona yliopiston ylläpitämä satavuotias observatorio, jossa käytetään 0,9 metrin ja 1,8 metrin teleskooppeja Kit Peakillä (Tucson, Arizona).

[2] Spacewatch Arizona yliopiston havainto-ohjelma, jonka avulla pyritään havaitsemaan pieniä asteroideja.

[3] Tenegra Observatoriot on yksityisen yrityksen omistuksessa olevia teleskooppeja. Tällä hetkellä käytössä olevat observatoriot sijaitsevat Etelä-Arizonassa (Rio Rico), Oregonissa, Norjassa ja Länsi-Australiassa.

[4] Large Synoptic Survey Telescopes teleskooppi tulee olemaan 8,4 metriä halkaisijaltaan. Sitä rakennetaan Cerro Pachón huipulle Pohjois-Chileen. Telskoppi varustetaan 3,2 gigapikselin kameralla jonka kuvakentän halkaisija on 64 cm. Kameran kuvapinta muodostuu 189 kpl 16 megapikselin sensoreista.

[5] http://www.minorplanetcenter.net/daily-minor-planet

Kuun syntyteoria uusiksi – ainakin melkein

Kuva  Kun Wang.

Kuun syntyteoriat^[1] ottivat pitkän loikan, kun 1970-luvulla kaksi tutkimusryhmää^[6] ehdotti Kuun syntyneen Maahan törmänneen, lähes Marsin kokoisen kappaleen törmäyksessä. Teorioita tuki Kuun suuri koko Maan suhteen. Myös Kuun kiertoaika sai selityksensä törmäysteorialla, joita silloiset teoriat ei pystynyt selittämään. Niinpä törmäysteoriasta tulikin johtava selitys Kuun synnylle.

Törmäysteoria joutui pienimuotoiseen kriisiin kun vuona 2001 tutkimukset osoittivat Maan ja Kuun isotooppikoostumuksen olevan identtiset. Tutkimuksessa oli käytetty Apollo-lentojen mukanaan tuomia näytteitä Kuusta. Kolmen happi-isotoopin^[2] suhteellinen määrä oli samanlainen kuin Maassa.

Tutkijat pitivät tulosta erittäin outona, sillä aurinkokunnan syntyaikana protoplanetaarisen^[3] kiekon eri osissa syntyneiden kappaleiden isotooppijakauma täytyi olla aivan erilainen. Näin ollen törmäävän kappaleen mukanaan tuoma aines pitäisi näkyä Maasta poikkeavana isotooppijakaumana Kuussa. Se mahdollisuus, että törmäävän kappaleen isotooppijakauma olisi ollut täysin sama kuin Maassa, on äärimmäisen vähäinen.

Isotooppitutkimuksen valossa Kuun syntyteoria oli selkeästi kriisissä. Tutkijat kuitenkin uskoivat, että tarkempi isotooppitutkimus paljastaisi eroja, jotka vahvistaisivat törmäysteoriaa. Aiemmin tänä vuonna (2016) julkaistiin kuitenkin entistä tarkempi tutkimus hapen isotooppijakaumasta. Se osoitti isotooppijakauman edelleen olevan täysin identtinen molemmilla kappaleilla. Tutkimustulos oli järkytys tutkijoille mutta se johti uusiin ajatuksiin Kuun synnystä.

Aikaisemmat törmäysteoriat olettivat törmäyksen olleen lähinnä hipaisu tai korkeintaan matalaenerginen, jossa törmäävän kappaleen ja osittain Maan manttelit päätyivät avaruuteen ja kerääntyivät Kuuksi Rochen rajan^[4] yläpuolella. Tässä mallissa Kuun muodostanut aine oli peräisin suurimmaksi osaksi (60–80 %) törmänneestä kappaleesta. Isotooppitutkimusten mukaan selvästikään näin ei ollut ja tutkijat alkoivatkin puhua ”isotooppikriisistä”.

Vuonna 2007 ehdotettiin mallia, jonka mukaan törmäys olisi ollut voimakkaampi, mutta edelleen matalaenerginen. Törmäys olisi muodostanut silikaateista muodostuneen ilmakehän ja sulaneesta magmasta muodostunen kiekon maapallon ympärille. Kiekon alkuperä olisi törmännyt kappale ja silikaatti-ilmakehä suurimmaksi osaksi maapalosta peräisin. Teoria oli suhteellisen hyvä, mutta tietokonemallit osoittivat, että eri alkuperäisten ainesten sekoittuminen toisiinsa ei kuitenkaan ollut riittävän nopeaa selittämään isotooppijakaumaa, ennen kuin ilmakehä olisi suurimmaksi osaksi pudonnut Maahan.

Uusi malli vuodelta 2015 osoitti, että törmäys olikin korkeaenerginen ja sen seurauksena muodostui maapallon ympärille hyvin laaja (>500× maapallon tilavuus) ja tiheä höyrystyneen aineen ilmakehä, josta Kuu tiivistyi. Ilmakehä oli ”ylikriittinen fluidi”^[5] jonka sekoittuminen oli hyvin tehokasta. Tehokkaan sekoittumisen seurauksena Maahan pudonnut ja Kuun muodostanut aines ovat koostumukseltaan samanlaisia – tai ainakin melkein.

Geokemisti Kunin Wang (Washington University, St. Louis) ja geokemian professori Stein Jacobsen (Harvardin yliopisto) kehittivät vuonna 2015 uuden isotooppitutkimusmenetelmän, joka antaa kymmenkertaisen tarkkuuden aikaisempiin menetelmiin verrattuna.

Wang ja Jacobsen tutkivat menetelmällään kaliumin isotooppijakaumaa Kuusta tuoduista kivinäytteistä ja vastaavia kivinäytteitä Maasta.  Tutkittavat isotoopit olivat K-39 ja K-41, jotka ovat pysyviä ja niitä oli riittävästi näytteissä, jotta tutkimus pystyttiin tekemään.

Tutkimus^[7] osoitti, että K-41 määrä oli 0,4 promillea suurempi Kuussa kuin Maassa. Wangin mukaan kaliumin sekoittuminen tällä tavoin on mahdollista vain korkealämpötilaisessa höyryfaasissa Kuun muodostumisen aikana. Raskaampi isotooppi (K-41) tiivistyy aavistuksen runsaampana kuin kevyempi (K-39) isotooppi Kuun muodostaneeseen ainekseen. Laskelmat soittivat, että tyhjiössä prosessi tuottaisi noin 1 promillen jakaumaeron mutta jos tiivistyminen tapahtuisi 10 baarin (1 Mpa) paineessa, se hidastaisi erottumista ja tuloksena olisi juuri havaittu jakauma. Tutkimustulos ei tue matalaenergistä silikaatista muodostunutta ilmakehämallia, sillä se tuottaisi Kuuhun vähemmän raskaampia isotooppeja kuin Maahan, ja se olisi vastoin havaintoja.

Huomautukset

[1] Ennen törmäysteorioita vallalla oli kolmekin eri teoriaa: pisara-malli (fissio-teoria), sieppausteoria  ja kaksoisplaneetta-malli. Pisara-mallissa Kuun ajateltiin sinkoutuneen maapallosta hyvin nopean pyörimisen seurauksena. Irronnut kappale olisi lähtöisin Tyynen valtameren alueelta (silloin ei vielä tiedetty mitään laattatektoniikasta).

Sieppausteoriassa Maa olisi kaapannut lähelle tulleen kappaleen ja kaksoisplaneetta-malli puolestaan ehdotti, että Maa ja Kuu olisivat syntyneet toisiaan kiertäville radoille aurinkokunnan syntymisen yhteydessä. Kaikki mallit sisälsivät niin paljon arvoituksiksi jääneitä kysymyksiä, että niitä ei pidetty kovinkaan vakavasti otettavina.

[2] Kaikilla alkuaineilla on isotooppeja, atomeja joiden ytimien neutroniluku on erilainen. Ytimessä olevien protonien määrä kaikilla saman aineen isotoopeilla on tietysti sama, koska se määrittää sen mistä aineesta on kysymys. Osa isotoopeista on pysyviä ja osa radioaktiivisia, eli ne hajoavat toisiksi aineiksi ennen pitkään, osa hyvin nopeasti ja osa hitaasti.

[3] Protoplanetaarinen kiekko on aurinkokunnan syntyvaiheena aikainen ainekiekko vielä syntymässä olevan tähden ympärillä. Syntyvä tähti lämmittää kiekkoa, joten tähden lähellä olevat osat ovat kuumempia kuin etäällä olevat osat. Lämpötila ero saa aikaan kiekossa alkuainejakauman erilaistumista siten, että tähden lähelle jää metalleja ja muita korkeaa höyrystymislämpötilaa vaativia alkuaineita, kun taas etäälle tiivistyy helposti haihtuvia aineita kuten kaasuja (vettä, hiilidioksidia jne.) Protoplanetaarisesta kiekosta syntyivät aikanaan planeetat, joiden koostumus kuvastaa protoplanetaarisen kiekon ainejakaumaa.

[4] Rochen raja on sellainen etäisyys kappaleesta (esimerkiksi planeetta), jonka ulkopuolella Kuun syntymisen vaativa ainehiukkasten ja kappaleiden kerääntyminen on mahdollista keskinäisen gravitaation vaikutuksesta. Rochen rajalla tällainen kerääntymiskeskus hajoaa kappaleen gravitaation aiheuttaman vuorovesivoiman vaikutuksesta. Rochen rajan sisäpuolella kerääntyminen ja yhdistyminen pienemmistä kappaleista on mahdotonta.

[5] Fluidi on ainetta (riippumatta olomuodosta), jonka rakenneosat (atomit tai molekyylit) voivat liikkua vapaasti toisistaan riippumatta. Yleensä fluidin muodostuminen vaatii korkeaa painetta tai korkeaa lämpötilaa. Ylikriittinen tässä yhteydessä viittaa törmäyksessä syntyneen fluidin äärimmäisenkorkeaan lämpötilaan ja paineeseen.

[6] William Hartmann ja Donald Davis (1975) sekä Alfred Cameron ja William Ward (1976) ehdottivat Kuun syntyneen törmäyksessä. Teoriat saivat kannatusta suuremmassa määrin vasta 1980-luvulla, kun tietokoneet ja niihin ohjelmoidut mallit pystyivät törmäysteorioiden olevan tieteellisesti päteviä.

[7] Tutkimus julkaistiin 12.9.2016 (on line) Nature-tiedejulkaisussa.

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:

http://physics.aps.org/assets/12484057-b7a4-4f38-afdc-cf16b3768180/video1.mp4

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 M⊙ ja yhdistynyt musta aukko 62 M⊙. Näin ollen, järjestelmästä poistui energiaa gravitaatioaaltoina 3 M⊙ vastaava 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 M⊙ merkitsee 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).