Viisi uutta hiukkasta

CERNin suurella hiukkaskiihdyttimellä (LHC)^[1] on tehty uusi ja jossain määrin odottamatonkin löytö. LHCn LHCb-koeasemalla tehdyt havainnot osoittavat viiden uuden viritystilahiukkasen löytymisen. Viritystilahiukkasilla on korkeampi energia kuin perustilan hiukkasilla. Hiukkaset ovat Oomega-c-nolla hiukkasia ja ne ovat baryoneja muodostuen kolmesta kvarkista, joista kaksi on s-kvakkeja (strange eli ”outo”) ja yksi c-kavrkki ( charm eli ”lumo”).

Oomega-c-nolla hiukkanen hajoaa toiseksi baryoniksi vahvan ydinvoiman vaikutuksesta. Syntyvä hiukkanen on nimeltään Xi-c-plus ja se sisältää c-, s- ja u-kvarkit (up eli ”ylös”). Hajoamisessa syntyy myös K^- -kaoni. Xi-c-plus-hiukkanen puolestaan hajoaa protoniksi (p), kaoni K^- ja pioniksi p⁺.

Löydetyt hiukkaset on nimetty nykykäytännön mukaisesti: Ωc(3000)⁰, Ωc(3050)⁰, Ωc(3066)⁰, Ωc(3090)⁰ ja  Ωc(3119)⁰ . Vaikka hiukkaset ovat löydetty, niissä riittää tutkittavaa lähivuosiksi vaikka kuinka paljon, kuten esimerkiksi kvanttilukujen määrittäminen. Erityisen suuren mielenkiinnon kohteena tulee olemaan se asia, että kuinka merkittäviä hiukkaset ovat teorioiden kannalta ja mikä niiden lopullinen asema siinä on?

Huomautukset

[1] Large Hadron Collider (LHC) sijaitsee Ranskan ja Sveitsin rajalla ja sen kehän pituus on 27 km. Hiukkaskiihdyttimen tyhjiöputki on superjohtavassa tilassa olevien sähkömagneettien ympäröimä, joiden magneettikenttä pitää putkessa kiihdytettävät varatut hiukkaset (protonit)putken keskellä. Kiihdyttimessä on seitsemän tutkimusasemaa, joiden kohdalla putkessa vastakkaisiin suuntiin kiitävät hiukkaset ohjataan törmäämään toisiinsa.

Hyvin lähellä valonnopeudella kiitävillä hiukkasilla on suuri energia, joka törmäyksessä vapautuu ja luo äärimmäisen lyhyeksi aikaa maailmankaikkeuden alkuhetkellä vallinneen tilan. Tässä tilassa syntyy ja hajoaa suuri joukko hiukkasia, joista tutkijat ovat kiinnostuneet. Tutkijat pystyvät päättelemään hiukkastyypit, energiat ja hajoamistuotteet niiden ilmaisimiin jättämän jäljen perusteella.

Kevätpäiväntasaus aloittaa astronomisen kevään

Kuva © Kari A. Kuure.

Kevätpäiväntasaus on maaliskuun 20 päivänä kello 12.29 Suomen aikaa. Silloin Aurinko näennäisellä vuotuisella radallaan ylittään taivaan ekvaattorin ja siirtyy pohjoiselle tähtitaivaalle. Tasaushetkellä maapallon etäisyys Auringosta on 148 989 994 km.

Samaan aikaan alkaa pohjoisen pallonpuoliskon astronominen kevät, sillä tähtitieteessä käytetään hieman ihmisten mielikuvista tai ilmatieteilijöiden käyttämistä määritelmistä poikkeavia vuodenaikoja. Kesä puolestaan alkaa kesäpäivänseisauksesta, joka tänä vuonna on 21.6.2017 kello 7.24, syksy alkaa syyspäiväntasauksesta (22.9.2017 kello 23.02) ja talvi alkaa talvipäivänseisauksesta (21.12.2017 kello 18.28)

Päivän pituus on jo yli 12 tuntia, sillä ilmakehällisellä planeetallamme auringonnousu näyttää tapahtuneen muutamaa minuuttia aikaisemmin kuin ilmakehättömällä planeetalla muutoin vastaavissa olosuhteissa. Päivän pituus oli 17. päivänä 11^h 56^m ja 18. päivänä 12^h 02^m. Vastaavasti yön pituudet olivat 12^h 03^m ja 11^h 57^m.

Fermin kuplien arvoitus ratkeaa

Kaavio havainnollistaa mittausmenetelmöö, jolla Fermin
kuplien arvoitusta on ratkottu. Kuplan värit ilmentävät
kaasun liikesuuntaa: sinin tulee meitä kohti ja punainen menee
meistä poispäin. Kuva NASA's Goddard Space Flight Center.

Linnunratamme on suhteellisen laakea järjestelmä, jossa on noin 400 miljardia tähteä jakaantuneena erilaisiin spiraalihaaroihin. Linnunradan keskustassa on noin 4,5 miljoonan auringonmassainen musta aukko^[1], joka on ilmiselvästi hyvin rauhallinen. Siihen ei ole putoamassa kovinkaan suuria ainemääriä.

Toisin on ollut menneisyydessä, silloin mustaan aukkoon päätyi merkittävä määrä ainetta. Tiedämme tämän koska mustaan aukkoon päätyvä aine ei putoa sinne suoraan, vaan muodostaa kertymäkiekon aukon ympärille. Kertymäkiekossa oleva aine kuumenee plasmaksi ja osa siitä joutuu mustan aukon sijaan kertymäkiekon pyörimisakselin suuntaiseen ainesuihkuun. Suihkun lämpötila on noin 10 miljoonaa Kelviniä ja se kuumentaa Fermin kuplina^[2] tunnettuja kaasukuplia niin paljon, että ne säteilevät röntgen- ja gammasäteilyä.

Samanlaisia kaasukuplia on havaittu muissakin galaksissa, mutta ne ovat liian kaukana tarkkojen havaintojen tekemiseksi. Linnunradan tilanne on toisin, sillä katselemme kuplia Linnunradan sisältä. 

Havainnot^[4] on tehty Cosmic Origins spektrografilla (COS) ja Hubble avaruusteleskoopin kuvantavalla spektrografilla, joilla havaittiin 46+1 kaukaista kvasaaria^[3]. Kvasaarien valo tulee Fermin kuplien läpi, jolloin spektrissä näkyy viileän kaasun aiheuttamia muutoksia. Muutokset kertovat Fermin kuplien kaasun kemiallisesta koostumuksesta, lämpötilasta ja laajenemisnopeudesta.

Tutkimukset ovat osoittaneet Fermin kuplissa olevan jonkin verran piitä ja hiiltä. Kuplien laajenemisnopeudeksi mitattiin noin 1000 km/s ja lämpötilaksi noin 10 000 K. Mustasta aukosta lähtöisin olevan suihkun lämpötila onkin sitten paljon korkeampi, sillä sen on noin 10 000 000 K. Fermin kupliin on kertynyt ainetta noin 2 miljoonan auringonmassan verran ja se ulottuu noin 23 000 valovuoden etäisyyteen Linnunradan keskustasta.

Fermin kuplien laajenemisnopeudesta voitiin laskea niiden syntyneen noin 6–9 miljoonaa vuotta sitten. Silloin Linnunradan keskustan mustaan aukkoon syöksyi merkittävä määrä ainetta, josta kuplat ovat muistona. Sen jälkeen kovinkaan suuria ainemääriä mustaan aukkoon ei ole joutunut ainakaan samassa mittakaavassa.

Huomautukset

[1] Linnunradan keskusta sijaitsee Jousimiehen tähdistössä ja musta aukko tunnetaan nimellä Sgr A* .

[2] Fermin kuplat havaittiin vuonna 2010 NASAn Fermi Gamma-Ray teleskooppia ja nimettiin teleskoopin mukaan.

[3] Kvasaarit ovat etäisten galaksien aktiivisia ytimiä, joissa on supermassiivisia mustia aukkoja. Nimitys kvasari viittaa kohteiden ulkonäköön Maasta katsottuna. Nimitys tulee englanninkielisistä sanoista quasi-stellar object (QSO) ja se tarkoittaa tähden kaltaista kohdetta (kvasistellaarinen kohde), sillä usein optisella kaukoputkella havaittuna ne näyttävät hyvin pieniltä tähdiltä. Erikoista niissä oli se, että niiden punasiirtymä oli suuri eli kohteet olivat niin kaukana ja etääntyivät meistä suurella nopeudella, että yksittäisten tähtien oli mahdotonta näkyä Maahan asti. Päätelmä oli, että kohteet ovat erittäin kirkkaita mutta hyvin pieniä. Ainoa tunnettu kohde voi olla supermassiivinen musta aukko, jonka kertymäkiekko säteilee jopa voimakkaammin kuin kymmenen galaksia yhteensä.

[4] Tutkimusryhmän johtajana toimii tähtitieteilijä Rongmon Bordoloi (Massachusetts Institute of Technology) ja tutkimus julkaistiin 10.1.2017 Astrophysical Journal tiedejulkaisussa.

Rengasmainen auringonpimennys

Auringonpimennyksen näkyvyysalue sijoittuu eteläiselle
pallonpuoliskolle. Kuva © Kari A. Kuure.

Sunnuntaina 26.2.2017 nähdään rengasmainen auringonpimennys. Näkyvyysalue sijoittuu eteläiselle pallonpuoliskolle, jossa pimennys alkaa kello 15.15 Suomen aikaa eteläisellä Tyynellämerellä. Näkyvyysalue siirtyy Etelä-Amerikan eteläkärjen pohjoispuolelta Atlantille jossa syvin pimennys nähdään kello 16.58. Syvimmän pimennyksen aikaan 99 % Auringon pinnasta on peittynyt Kuun taakse. Tämän jälkeen pimennysalue siirtyy kohti Afrikkaa, jossa pimennys päättyy kello 18.31 Suomen aikaa Lobiton kaupungin kaakkoispuolella Angolassa.

Pimennys on tyypiltään rengasmainen, se tarkoittaa sitä, että kun Kuu on keskeisesti Auringon suhteen, se ei peitä Aurinkoa täydellisesti vaan kapea rengas Auringon kirkasta reunaa jää näkyville. Tämä johtuu siitä, että Kuu on hieman liian kaukana (378 000 km) jotta täysvarjo ulottuisin maanpinnalle asti. Tilanne ei ole mitenkään harvinainen, sillä ainakin 1 /3 kaikista auringonpimennyksistä on tätä tyyppiä ja täydellisistä pimennyksistä osa on rengasmainen joko pimennyksen alussa tai lopussa.

Alla ainimaato pimennyksen kulusta suurimman pimennyksen alueelta nähtynä.

Missä ovat Etelämantereen rautameteoriitit?

Etelämantereen Transarktiset vuoret
on erinomainen paikka löytää jäätikölle
pudonneita meteoriitteja.
Kuva Wikimedia Commons.

Kuten tunnettua, Etelämanner on loistava paikka etsiä meteoriitteja. Tutkijat tekevätkin vuosittain meteoriittien etsintäretkiä alueille joissa virtaava jää päätyy loukkuun vuorta vasten. Jääpeite ei kuitenkaan vanhennu vaan haihtuu ja samalla jäätikön mukanaan tuomat meteoriitit paljastuvat. Niitä on helppo poimia jäätiköltä.

Kun kerättyjä meteoriitteja on kertynyt nyt jo merkittäviä määriä^[1], on käynyt yhä selvemmäksi, että jotakin on vialla. Rautameteoriitit ovat selvästi aliedustettuja, sillä niitä on vain 0,7 % kun muualta kerätyistä meteoriiteista niitä on peräti 5,5 %. Missä ratameteorit ovat, miksi ne näyttävät katoavan.

Manchesterin yliopistossa työskentelevä matemaatikko, tutkija ja Etelämanner-retkikunnan johtaja Geoffrey Evat on kuitenkin mielestään löytänyt hyvän selityksen ilmiölle. Rautameteoriitit aivan samalla tavalla kuin kivisetkin pudottuaan Etelämantereen jäätikölle hautautuvat vuosisadoiksi tai tuhansiksi lumeen ja jäähän. Tänä aikana jäätikkövirta vie ne ablaatiovyökykkeelle^[2], jossa kiviset meteoriitit päätyvä jään pinnalle.

Rautameteoriitit lähestyvät pintaa jääpeitteen haihtuessa, mutta parisen kymmentä senttiä jään alla alkaa tapahtua. Rautameteorit

keräävät jään läpi Auringon lämpösäteilyä, lämpiävät ja sulattavat juuri sen verran jäätä altaan, että se korvaa jään haihtumisesta aiheutuneen nousun. Toisin sanoen, ratameteoriitit piilottelevat jäätikön pinnan alla. Tutkijoiden tarvitsee vain ottaa uudeksi työkalukseen metallinilmaisimet ja valtava määrä rautameteoriitteja odottaa noutajaansa.

Huomautukset

[1] Kaikista kerätyistä meteoriiteista 2/3 on peräisin Etelämantereelta.

Rautameteoriitissa näkyy ablaation
jäljet kuoppaisessa mutta muutoin
sileässä pinnassa.
Kuva Wikimedia Commons.

[2] Ablaatio on hieno termi sille, että jää haihtuu vesihöyryksi ilman, että jää sulaa vedeksi. Näin tapahtuu, vaikka lämpötila olisi miinuksella, kunhan ilma sen yläpuolella on riittävän kuivaa. Ja Etelämantereen olosuhteissa näin on.

Ablaatio tarkoittaa myös meteoroidin syöksyessä maapallon ilmakehään sen pinnan höyrystymistä kuuman, useiden tuhansien asteiden lämpötilaisen ilman kuumentaessa meteoroidin pintaa.