Marshypeä mediassa

Kaavio osoittaa Maan ja Marsin
opposition aikaisen etäisyyden
vaihtelun radan eri osissa.
Seuraavan kerran etäisyys on
lyhyimmillään vuonna 2018.
Kuva Z. Levsy/STScI.

Miehitettyä lentoa Marsiin (ja ehkä takaisin) on uutisoitu sen verran tiheään tahtiin, että mielestäni kyseessä on hypetys. Avaruustutkimuksen tuntemusta toimituksissa ei ole, joten kaikki eri avaruustekniikan kanssa toimivien yritysten visiot päätyvät lehtiin varmoina, aivan lähivuosina toteutuvina suunnitelmina. Todellisuudessa olemme vielä hyvin kaukana miehitetyistä marslennoista.

Merkittävin este miehitetyille lennoille on se, että käytettävissä olevan tekniikan rajat sille mitä voidaan toteuttaa ja mitä ei, tulevat hyvin nopeasti vastaan. Lisäksi käytettävissä olevalla tekniikalla ei pystytä turvaamaan miehistön terveyttä pitkällä lennolla Marsiin. Kolmas käytännön este on lennon kustannukset ja ennen kaikkea ansaintalogiikka. Ainakaan minä en näe mitään keinoa hankkia rahaa miehitetyllä marslennolla. Valtioiden tiukat budjetit eivät kustannuksien kattamista salli ja yksityistä rahaa ei saada kasaan tarvittavia määriä.

Tarkastellaanpa käytettävissä olevaa tekniikkaa. Rakettimoottorit toimivat polttamalla orgaanista polttoainetta tai vetyä puhtaan hapen kanssa. Vety on näistä tehokkainta, joten sen käyttäminen olisi tällä vanhalla tekniikalla kaikkein parasta. Avaruusaluksen nopeus saadaan vetypolttoaineella kaikkein suurimmaksi. Yhden suuntainen matka-aika olisi näin ollen 6–9 kk riippuen ajankohdasta. Maan ja Marsin välinen etäisyys oppositioidenkin aikana vaihtelee luokkaa 50 miljoonaa kilometriä. Tämä on paljon ja sitä voi verrata siihen tietoon, että lyhyimmillään Maan ja Marsin välinen etäisyys on vain noin 56 miljoonaa kilometriä.

Kemiallisen polttoaineen käyttäminen johtaa väistämättä pitkään lentoaikaan. Edestakainen matka vaatii kaksinkertaisen ajan ja perilläkin pitäisi olla paria päivää pitempään. Yksinkertainen päätelmä on, että perinteisellä tekniikalla kyllä lento voitaisiin toteuttaa, mutta aikaa siihen kuluisi.

Uudenlainen rakettitekniikka voisi tuoda ratkaisun, mutta toistaiseksi erilaiset ionimoottorit, sähköiset purjeet ja jopa ydinkäyttöiset rakettimoottorit ovat vielä kaarnalaiva-asteella verrattaessa nykyaikaisen nesteytettyä kaasua käyttävän tankkilaivan tekniikkaan.

Pitkä lentoaika tuo mukanaan sellaisia ongelmia, joihin lennolla matalalle Maan kiertoradalle tai edes lyhyellä käynnillä Kuuhun ei kohdata. Ongelman nimi on kosminen säteily. Kosmista säteilyä on kahdenlaista; ensimmäinen on aurinkokunnan ulkopuolelta tuleva ja lähes valonnopeudella kiitävät raskaat alkeishiukkaset ja jopa atomiytimet. Jälkimmäisissä on energiaa yhtä paljon kuin huippulyöjän lyömässä pesäpallossa. Toinen kosmisen säteilyn lähde on Aurinko, jonka lähes puolella valonnopeudesta kiitävät protonit voisivat vahingoittaa avaruusmatkaajien terveyden jo alkumatkasta.

Kosmiselta säteilyltä suojautuminen on edelleen ratkaisematta huolimatta siitä, että Nasa ja monet muut tutkimuslaitokset ovat suojautumiskeinoja tutkiessaan kuluttaneet miljardeja aivan missä tahansa valuutassa. Periaatteessa tunnemme vain yhden todella toimivan ja haitattoman tavan suojata avaruuslentäjät kosmiselta säteilyltä. Tapa on passiivinen, säteilyä imeä aine, ja sitä tarvitaan paljon, sillä säteilysuojassa voidaan joutua oleskelemaan pitkään, jopa koko lennon ajan. Tällä on välitön kerrannaisvaikutus kustannuksiin.

Muita, säteilyltä suojaavia keinoja on useita, mutta yhtäkään niistä ei ole testattu oikeassa, avaruudellisessa ympäristössä ja oikeassa mittakaavassa, joten niiden varaan laskeminen on yltiöoptimismia. Ilman tehokasta säteilysuojausta avaruuslentäjillä tilanne olisi samanlainen kuin kissalla mikroaaltouunissa – ei juurikaan toivoa hengissä pysymisestä.

Kolmas oleellinen ongelma on kustannukset. Apollo- ja sukkulaohjelmista tiedämme, että miehitettyjen avaruuslentojen kustannukset ovat sitä luokkaa, että niiden kustantaminen muutoin kuin supervaltojen jättimäisistä budjeteista on mahdotonta. Näin on vaikka yksityiset yhtiöt ovat jo myyneet muutaman sadantuhannen euron lentoja viideksi minuutiksi avaruuden rajalle, noin 100 km korkeuteen.

Marslentojen kustannukset ovat superjättiluokkaa. Riippuen siitä, kuinka monta avaruusmatkaajaa lähetettäisiin, kustannusten nousu moninkertaistuu potenssiin kolme miehistön määrän kasvaessa. Tämä selittyy pelkästään käytettävissä olevan ja mahdollisesti lähitulevaisuudessa kehitettävän rakettitekniikan luonteella. Mitä pidemmäksi aikaa avaruuteen mennään sitä enemmän täytyy olla kaikkea muuta kuin miehistöä mukana. Tavaramäärän kasvaessa, myös kantorakettien koko ja määrä moninkertaistuu, ja jokaiselle on selvää, että tämä merkitsee kustannusten kasvua. Raja tulee ennemmin vastaan, kuin mitä utopistisimmat haaveksijat edes osaavat odottaa.

Miehitetty lento Marsiin näyttää edelleen olevan suunnilleen samassa vaiheessa kuin mitä vedyn fuusioon perustuva energiatuotanto on. Viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana on sanottua fuusioreaktoreiden olevan kaupallisesti kannattavia viidenkymmenen vuoden kuluessa. Ensimmäinen viidenkymmenen vuoden jakso on mennyt ja edelleenkään meillä ei ole ensimmäistäkään toimivaa täyden mittakaavan reaktoria toiminnassa. Miehitettyjen marslentojen aikajänne on vain lyhyempi; optimistit puhuvat vain kymmenestä vuodesta, joku arvioivat lentojen toteutuvan kahdessa vuosikymmenessä. Itse olen hyvin skeptinen ja olen hämmästykseltäni äimän käkenä, jos miehitetty marslento toteutuu ennen vuotta 2050.

Tähtiharrastajan kaukoputki: Newton-kaukoputki

Newton-kaukoputki on
syvä taivaan kohteiden
havaitsemiseen soveltuva
kaukoputki.

Vielä pari vuosikymmentä sitten Newton-tyyppinen kaukoputki oli kaikkein yleisin kaukoputkityyppi harrastekäytössä. Sen jälkeen tilanne on muuttunut ja nykyisin on vaikea sanoa sitä, mikä kaukoputkityyppi olisi eniten käytetty. Lisäksi kaikilla kaukoputkityypeillä on omat intohimoiset kannattajansa. Tässä artikkelissa tarkastelen Newton-tyyppistä kaukoputkea.

Rakenteellisesti Newton-tyypinen kaukoputki on hyvin yksinkertainen. Sen kehitti Isaac Newton, jonka voi jo päätellä kaukoputkityypin nimestä. Newtonin kaukoputket olivat pieniä nykyisiin verrattuna ja niiden peilit olivat kiillotettua metalliseosta, joiden heijastuskyky oli paljon huonompi kuin nykyisten kaukoputkien peileillä.

Newtonin tekemän kaukoputken
kopio. Kuva Kari A. Kuure.

Newton-tyyppisessä kaukoputkessa peilejä on kaksi: valoa kokoava pääpeili putken peräosassa ja putken etuosassa oleva tasopeili siirtää muodostuvan kuvan putkirakenteen sivuun, johon kuvan katseluun käytettävä okulaari myös kiinnitetään. (katso kaapiota alla!) Periaatteessa pääpeilin tulisi olla parabolinen, mutta nykyisin kaupalliset valmistajat käyttävät pallopeiliä. Syy tähän on se, että pallopeili on paljon helpompi valmistaa vaadittavalla tarkkuudella sarjatyönä ja poikkeama parabolisen ja pallopintojen välillä on hyvin pieni, kunhan kaukoputken muut rakenteet tehdään tiettyjen rajojen mukaisesti.

Newto-kaukoputkessa on vain kaksi peiliä, joista
kuvan muodostava pääpeili on putken peräosassa.

Parabolinen peili tuo mukanaan muutamia ongelmia, jotka kaukoputken hankintaa suunnittelevan olisi tunnettava. Newton-tyyppisen kaukoputken ominaisuuksiin kuuluu, että tähtien kuvat kuva-alueen reunoilla ovat komavirheen vääristämiä. Toisin sanoen, mitä kauemmaksi kuvakentässä liikutaan pois optiselta akselilla sitä enemmän tähdet alkavat muistuttaa komeetan muotoa. Komavääristymä korostuu kun käytetään pallopeiliä, joka synnyttää myös toisen kuvavirheen, palloaberraation. Palloaberraatio merkitsee sitä, että peilin eri osat muodostavat kuvan eri etäisyydelle ja näin kuva on joko reunoilta tai keskeltä pehmeä, riippuen tarkennuspisteestä.

Ongelma voitaisiin hoitaa pois päiväjärjestyksestä käyttämällä komakorjainlinssiä. Linssi on kuitenkin arvokas, sillä se pitää valmistaa jokaista kaukoputkimallia kohti erikseen. Lisäksi se nostaisi kaukoputken myyntihintaa ja näin pienentäisi markkinoita. Niinpä valmistajat ovat kiertäneet ongelman tekemällä myyntimallistonsa siten, että komavirhe ei tule näkyville kovinkaan voimakkaana. Tämä merkitsee sitä, että kaukoputkien valovoima (aukko) sijoittuu 1/10–1/5 väliin ja kaukoputken kuvakenttää rajoitetaan suhteellisen kapeaksi teknisillä ratkaisuilla.

Newton-kaukoputkien etu, kuten kaikkien muidenkin peilejä käyttävien, on kuvan värivirheettömyys. Kaikki valoaallot riippumatta aallonpituudesta, heijastuvat peilistä aina samalla tavalla, joten värivirheitä ei voi periaatteessa syntyä. Tällöin heikoimmaksi renkaaksi ketjussa muodostuu okulaari, jonka laadulla on suuri merkitys kuvan laadulle.

Aivan viime vuosina markkinoille on tullut Newton-kaukoputkia, joissa putken etuosaan on lisätty samantapainen korjauslinssi kuin Smith-Cassegrain-kaukoputkissa. Ratkaisu on toimiva, mutta samalla kaukoputken myyntihinta on moninkertaistunut.

Komavirhe ei ole ainut Newton-kaukoputken ongelma. Apupeili sijaitsee pääpeilin etupuolella. Sijoituspaikasta johtuen apupeili tukirakenteineen varjostavat pääpeiliä. Tästä seuraa jonkin verran valovoiman menetystä ja kuvan kontrastisuuden vähenemistä. Etenkin jälkimmäinen ominaisuus on ikävä jos havaintokohteena ovat vaikkapa matalakontrastiset planeetat.

Apupeilin tukirakenteet aiheuttavat difraktiopiikkejä kuviin. Tätä on yritetty vähentää valmistamalla tukirakenteista kaarevia. Tällä keinolla kyllä saadaan difraktiopiikit vähenemään ja jopa kokonaan katoamaan, mutta itse difraktio on ja pysyy. Piilotettu difraktio edelleen heikentää kuvan kontrastisuutta, joten ratkaisu ei välttämättä ole kovinkaan hyvä. Jos difraktio on erittäin voimakas (esimerkiksi pienillä Newton-kaukoputkilla) kuva voi olla jopa sumuisen, käytettiinpä kuinka pientä suurennusta ja hyvälaatuisia okulaareja tahansa.

Eq-jalustan täytyy Newton-
kaukoputkea käytettäessä
olla erityisen tukeva.

Kaupallisissa Newton-kaukoputkissa on yleensä varsin kookas okulaarin pidin ja tarkennuslaite. Ne ovat suunniteltu visuaaliseen havainnointiin, siis nimenomaan okulaarin kiinnittämiseen. Tarkennusvara ei yleensä kuitenkaan riitä valokuvaamiseen vaikkapa järjestelmäkameraa käyttäen primääri fokuksesta.  Tämän ongelman voi korjata vaihtamalla tarkennuslaite matalampaan malliin. Tällöin visuaalihavaitsija voi käyttää sopivaa loittorengasta okulaarin pidikkeessä.

Kaikki Newton-kaukoputket ovat rakenteellisesti pitkiä. Niiden pituus on lähellä polttovälin pituutta ja tästä voi aiheutua käsittelyongelma, herkkyyttä pienellekin tuulelle ja monia lisävaatimuksia jalustan, etenkin eq-jalustan rakenteille. Eq-jalusta sopiikin korkeintaan yleensä lyhytpolttovälisille ja pienille Newton-kaukoputkille. Pidempi polttoväliset ja suurikokoiset kaukoputket käyttävät atsimutaalista jalustaa.

Newton-kaukoputkien rakenne on avoin. Tästä seuraa havaitessa ongelmia kuvaa huonontavien putkivirtausten muodossa. Jos kaukoputki varastoidaan huoneen lämpötilassa, lämpötilaero ulkolämpötilaan verrattuna voi olla jopa 40 °C, joka merkitsee voimakkaita putkivirtauksia peilien ja muiden rakenteiden jäähtyessä. Ennen kuin kaukoputkea voi kunnolla käyttää ja kuvan laatu on paras mahdollinen, lämpötilaero pitää olla tasoittunut. Tämä merkitsee sitä, että kaukoputkia on joko varastoitava ulkona suojarakennuksessa tai tuotava ulos jäähtymään parisen tuntia ennen suunniteltuja havaintoja. Kaukoputki ei siis ole kovinkaan nopeasti käyttöönotettavissa.

Eräissä kaukoputkimalleissa on mahdollisuus käyttää koneellista ilmakiertoa jäähdytysvaiheen aikana. Tämä nopeuttaa käyttövalmiuden aikaansaamista, mutta sinällään ei poista sitä. Joihinkin kaukoputkimalleihin jäädytystuulettimet on saatavissa lisävarusteena. Sellaisen voi myös itse tehdä, jos käyttäjällä on taitoa ja halua tehdä sellainen.

Newton-kaukoputken peilejä
joutuu puhdistamaan säännöllisellä
vesipesulla. Kuva Kari A. Kuure

Avoin putkirakenne tuo mukanaan myös toisen ongelman; peilipintojen pölyyntymisen. Varastoinnin aikana kaikki putken aukot pitäisi olla peitettyinä alkuperäisillä suojatulpilla. Näin voidaan vähentää likaantumisen aiheuttamaa ongelmaa, mutta ei poista sitä täysin. Niinpä kaukoputken omistaja joutuukin tekemään peilien puhdistuksen yleensä vähintään kerran vuodessa. Puhdistamista varten molemmat peilit pitää irrottaa tukirakenteistaan ja pestä haalealla saippuavedellä. Kuivaamisen jälkeen ne pitää kiinnittää uudelleen ja kollimoida.

Kollimointi tarkoittaa peilien asennon suuntaamista niin, että pääpeilin optinen akseli heijastuneena apupeilin kautta osuu yksiin okulaarin optisen akselin kanssa. Jos näin ei ole, niin kuvan laatu on sitä huonompi mitä enemmän poikkeamaa on. Kollimoinnin joutuu tekemään vaikka peilejä ei irrottaisikaan esimerkiksi autolla kuljettamisen jälkeen. Riippuen hieman pääpeilin ripustuksesta, poikkeaman määrä voi olla vähäinen, mutta se voi olla myös huomattavan suuri.

Kollimointiin on ajan saatossa kehitetty monia apuvälineitä. Nykyisin sen voi tehdä erikseen hankittavalla laser-kollimaattorilla. Onnesi edullisimmat niistä ei juuri satasta enempää maksa. Laite on lähes välttämätön, sillä kollimoinnin joutuu tekemään silloin tällöin, vaikka kaukoputkea ei pitkiä matkoja kuljettaisikaan.

Avoimesta kaukoputken rakenteesta johtuu myös peilipintojen heijastuskyvyn heikkeneminen ja pielien vaurioituminen etenkin kosteissa olosuhteissa, kuten ulkona säilyttämistä. Tällöin peilipinnat on uudelleen aluminoitava noin viiden vuoden välein. Jos peilipinnoissa on alun perin suojapinnoite, peilit voivat pysyä käyttökelpoisina jopa kymmenen vuotta. Edullisimmissa malleissa pinnoitteita ei kuitenkaan ole, tai ne ovat hyvin ohuet eivätkä suojaa peilipintaa riittävästi.

Kenelle sitten Newton-kaukoputki sopii havaintovälineeksi? Vastaus riippuu hieman siitä keneltä kysyy! Jos kysyy kaukoputkikauppiaalta, niin silloin hän hyvin usein suosittelee (valitettavasti) sitä edullisen hinnan vuoksi jopa aloittelijoille. Kuten edellä esitetystä voi päätellä, kaukoputken käyttäminen vaatii aika paljon tietämystä ja laitteiston ominaisuuksien tuntemista, joten en voi suositella sitä aloittelijoille missään tapauksessa.

Newton-kaukoputken edullinen hinta merkitsee sitä, että suurikokoisenkaan kaukoputken hankintahinta ei vielä karkaa harrastajan niukasta budjetista vaikka pakettiin ottaisi koma-korjaimen lisäksi pari laadukasta okulaaria. Niinpä hankittava kaukoputki voi olla hyvin valovoimainen, sen valonkeräyskyky voi olla suuri jos niitä ominaisuuksia tarvitsee.

Visuaalisesti havaittuna syvä taivaan himmeät kohteet ovat Newton-kaukoputken ominta alaa. Kohteiden näkyminen edellyttää usein kaukoputkelta suurta valonkeräyskykyä, mutta ei suurta suurennusta. Newton-kaukoputki on erinomainen havaintolaite syvä taivaan kohteisiin erikoistuvalla visuualihavaitsijalle, jolla on käytössää havaintopaikka valosaasteettomalla maaseudulla.

AMS-02 pimeän aineen jäljillä



AMS-02-havaintolaitteisto. Kuva ESA.

Maailmankaikkeutemme salaisuudet kiehtovat ihmismieltä. Ehkä kaikkein suurin salaisuuksista on pimeä aine ja energia, joita on yritetty löytää hyvin aktiivisesti jo vuosikymmenien ajan. Nyt ihmiskunnan historiassa ensimmäistä kertaa olemme saaneet pienen vihjeen pimeästä aineesta muutoinkin kuin pelkästään gravitaation vaikutuksiin perustuvista havainnoista. Tämä vihjeen tarjoaa meille Kansainväliselle avaruusasemalle viety Alpha Magnetic Spectrometer, lyhyemmin AMS-tutkimuslaitteisto.

 

Tutkimuslaitteisto on järjestyksessä toinen avaruuteen sijoitettu ja niinpä sen nimi onkin AMS-02. Ensimmäinen laitteisto (AMS-01) vietiin MIR-asemalle vuonna 1998. Se oli toiminnassa vain kaksi viikkoa, mutta jo näinkin lyhyt aika riitti havaintoihin, jotka pakottivat tutkijat muuttamaan käsityksiään maailmakaikkeudesta.

AMS-02-laitteiston toimintaperiaate.

Kuva ESA.

AMS-02 laitteisto koostuu suprajohtavassa tilassa olevista kestomagneetista, joiden aikaansaama magneettikenttä muuttaa siihen joutuvien varattujen hiukkasten rataa. Lopulta hiukkaset ohjautuvat niitä havainnoiville tunnistussensoreille. Ne mittaavat hiukkasten massan, sähkövarauksen ja liike-energian, joiden arvojen perusteella hiukkaset ovat tunnistettavissa. Laitteisto havaitsee niin kosmisen säteilyn atomiytimet kuin kaikki sähkövarautuneet hiukkaset mukaan lukien positronit ja mahdolliset muut antimaterian sähkövarautuneet hiukkaset.

AMS-02 ei ole mikään keijukainen; massaa sillä on 6 918 kg. Laitteiston magneettikentän voimakkuus on yli 4 000-kertaisesti voimakkaampi kuin maapallon magneettikenttä; suunnilleen 1/10-osa lääketieteellisissä magneettikuvauksissa käytettävän MRI-laitteiston kenttävoimakkuudesta. AMS-02 vietiin Kansainväliselle avaruusasemalle Endearvour-sukkulalla vuonna 2011. Eurooppalainen astronautti Roberto Vittori sijoitti sen sukkulan robottikädellä avaruusasemalle rakennetulle alustalle.

AMS-02-laitteiston mittauksista on nyt saatu ensimmäisiä tuloksia. Niiden mukaan avaruudessa kiitää elektronien antihiukkasia eli positroneja kaikista mahdollisista suunnista. Tutkijat arvelevat, että positronien jatkuva vuo antaa vihjeen pimeän aineen olemassa olosta. Positronit voisivat olla peräisin neutraliinoksi nimetystä sähkövarauksettomasta hiukkasesta, jota on ehdotettu pimeän aineen hiukkaseksi. Onko näin, se jää nähtäväksi tulevaisuudessa! AMS-02 jatkaa havaintojaan tulevina vuosina.

Maailmankaikkeuden energia-

tiheyden jakaantuminen eri

osasten kesken. Kuva ESA.

Parisen viikkoa sitten julkaistiin Planck-luotaimen tekemä kartoitus kosmisesta mikroaaltotaustasäteilystä. Näiden tulosten perusteella pimeän aineen määräksi on määritetty 26,8 % kaikesta maailmankaikkeuden massa-energiatiheydestä. Meidän tuntevaa näkyvää ainetta on vain 4,9 % ja loppu 68,3 % on pimeää energiaa. Tulos on merkittävä, sillä se poikkeaa aikaisemmasta ja pimeän aineen osuus kasvoi yli neljällä prosenttiyksiköllä.

Havaitut positronit voivat olla osoitus pimeän aineen olemassa olosta. Pimeän aineen hiukkasten (neutraliinojen) törmätessään toisiinsa on niiden arveltu hajoavan lukuisiksi eri hiukkasiksi, joista sähkövaraukseltaan positiivinen positroni olisi yksi tärkeimmistä. Vastaavasti samassa prosessissa pitäisi vapautua outoja negatiivisesti varautuneita hiukkasia. Jos törmäyksissä syntyvät hiukkaset pystyttäisiin havaitsemaan ja tunnistamaan, pimeästä aineesta peräisin olevien hiukkasten keskinäiset suhteet paljastaisivat niiden alkuperän.

Pimeän aineen olemassa olo on tunnettu jo vuosikymmeniä. Ensimmäiset vihjeet sen olemassa olosta saatiin 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla, kun havaittiin tähtien nopeuksia niiden kiertäessä Linnunrataa. Tähtien nopeuksien pitäisi vähetä sen mukaisesti mitä kauempana galaksin keskustasta niiden rata on. Näin ei kuitenkaan tapahdu, vaan nopeus pysyy suunnilleen yhtä vauhdikkaana kuin lähempänäkin olevien tähtien vauhti. Ainoa selitys asialle näyttäisi olevan pimeä aine. Sitä piti olla paljon ja suurin osa siitä sijaitsisi Linnunradan ympärillä. Samanlaisia tuloksia on saatu myös muiden galaksien tähtien kiertonopeuksista.

AMS-02-laitteisto pystyy havaitsemaan myös muita antimaterian hiukkasia. Antimaterian käsite syntyi vuonna 1930 englantilaisen fyysikon Paul Diracin luomassa teoriassa. Häneen mukaansa antimateria muodostuu tavallisen aineen peilikuvahiukkasista, joiden sähkövaraus olisi kuitenkin vastakkainen. Näin ollen negatiivisesti varautuneen elektronin antihiukkanen olisi positiivisesti varautunut positroni. Positronit onnistui havaitsemaan Carl Andersson vuonna 1932. Molemmat tutkijat palkittiin Nobel-palkinnolla: Dirac vuonna 1933 ja Anderson vuonna 1936.

Erityisen mielenkiinnon kohteena on AMS-02-laitteistolla mahdollisesti havaittava anti-helium. Sitä ei muodostu avaruudessa, joten jos sitä havaitaan, niin se on ainutlaatuinen osoitus antimateriasta koostuvien galaksien olemassa olosta.

Hiukkasfyysikot toivovat, että AMS-02-laiteisto havaitsisi outokaisiksi (strangelets) kutsuttujen hiukkasten muodostamaa ainetta. Hiukkaset muodostuisivat, kuten tavallinen aine, Ylös- ja Alas-kvarkeista, mutta niissä olisi myös Outo-kvarkki. Tavallisessa aineessa kvarkkien lukumäärä on kolme (protoni ja neutroni) mutta outokaisissa niitä olisi neljä, joista siis yksi olisi Outo-kvarkki. Tällaisen hiukkasen koko olisi jo muutaman femtometrin luokkaa ja siten havaittavissa yksittäisenä hiukkasena. Pimeä aine voisi siis muodostua outokais-hiukkasista. Outokaiset olisivat kuitenkin yksittäin hyvin epävakaita ja hajoaisivat nopeasti Ylös- ja Alas-kvarkkien muodostamiksi hiukkasiksi. Tilanne kuitenkin muuttuisi jos näitä hiukkasia olisi suuri joukko. Silloin epästabiilisuus katoaisi ja pimeä aine voisi olla outokais-ainetta.

Kosminen hiukkasäteily

on lähes valonnopeudella

kiitäviä raskaita atomi-

ytimiä. Kuva ESA.

AMS-02-laitteiston pieni sivujuonne on, että sen avulla voidaan tutkia magneettien käyttäytymistä avaruuden olosuhteissa. Tällaista tietoa voidaan hyödyntää siinä vaiheessa kun miehitettyjä Mars-lentoja ryhdytään suunnittelemaan. Yksi tärkeimmistä ja vielä ratkaisemattomista kysymyksistä on, kuinka miehistö suojataan avaruuden kosmiselta säteilyltä? Eräs ratkaisumalli voisi olla voimakkaiden magneettikenttien muodostama suojakilpi, joka poikkeuttaisi reitiltään lähes valonnopeudella kiitävät raskaat atomiytimet ja sähköisesti varautuneet hiukkaset ja näin ne eivät pääsisi vahingoittamaan astronautteja.

 

 

Tähtiharrastajan kaukoputki: Linssikaukoputket

Linssikaukoputki on hyvin monikäyttöinen,
se soveltuu niin visuaaliseen havainnointiin
ja valokuvaamiseen. Kuva Kari A. Kuure.

Aloittelevat tähtiharrastaja valitessaan ensimmäistä kaukoputkeaan, usein törmää siihen, että tarjolla on jos vaikka millaista laitetta. On linssi-, peili- ja katadioptrista kaukoputkea ja kaikista ryhmistä löytyy malleja, jotka ovat sopivia juuri aloitteleville tai ensimmäistä kaukoputkea hankkivalle. Eipä ole ihme jos siinä pää menee pyörälle. Tässä artikkelisarjassa käsittelen tärkeimmät ja myydyimmät kaukoputkityypit, niiden ominaisuudet ja arvioin myös niiden soveltuvuuden aloitteleville tähtiharrastajille. Ensimmäisen käsittelyvuorossa on linssikaukoputket.

Perinteisin kaukoputkityyppi on tietysti linssikaukoputki. Sen ensimmäiset versiot näkivät päivänvalon joskus 1600-luvun alkuvuosina. Useat silmälasien tekijät väittivät keksineensä kaukoputken, muta esimerkiksi Hollannissa ei patenttia kaukoputkelle myönnetty, koska se ei ollut mikään uutuus. Ehkä tunnetuin kaukoputken valmistaja ja samalla ensimmäiset tähtitaivaan havaintosarjat teki Galileo Galilei, alkaen vuosina 1609–1610 ja jatkaen työtään kuolemaansa asti. Hän havainnoi Kuuta, Aurinkoa, Jupiteria ja Saturnusta ja monia muita kohteita.

Galilein käyttämä kaukoputkityyppi oli linssikaukoputki. Linssikaukoputkia käytetään edelleen niiden erinomaisiksi osoittautuneiden ominaisuuksiensa vuoksi. Luonnollisesti Galilein ajoista linssikaukoputkea on kehitetty monin eri tavoin, ja voi vain kuvitella, mitä kaikkea Galilei olisikaan pystynyt tekemään nykyaikaisella linssikaukoputkella.

Yksinkertainen linssi muodostaa
kuvan polttopisteen etäisyydelle.
Piirros Kari A. Kuure.

Nykyaikaisen linssikaukoputken rakenne on edelleen alkuperäisen idean mukainen; sen valoa keräävänä elementtinä on kaukoputken etupäähän asennettu objektiivi ja kuvaa katsotaan kaukoputken peräpäässä olevalla okulaarilla. Tässä ja myöhemmissä artikkeleissa kaukoputken etupää on se, josta valo tulee kaukoputkeen. Peräpää on luonnollisesti se osa kaukoputkea johon sijoitetaan okulaari kuvan katselua varten. Poikkeuksen tästä tekee Newton-mallinen peilikaukoputki, jossa myös okulaari sijoitetaan kaukoputken etupäähän.

Galilein käyttämä objektiivi oli yksilinssinen, pitkäpolttovälinen silmälasin linssi. Tällainen linssi muodostaa todellisen kuvan polttovälin etäisyydelle linssin taakse. Polttoväli ja objektiivin halkaisija ilmoitetaan yleensä millimetreinä, vaikka sen rinnalla käytetään vielä edelleenkin tuumia.

Kromaattinen aberraatio on
yksinkertaisen linssin kuvaa huonontava
ominaisuus. Piirros Kari A. Kuure.

Yksinkertaisen linssin huono ominaisuus on sen aiheuttama kromaattinen aberraatio, siis värivirhe. Tämä johtuu eri aallonpituuksien taittumisesta eri etäisyydellä oleviin polttopisteisiin. Kun tällaisella kaukoputkella katselee vaikkapa tähtiä, niin niitä ympäröi usein punainen rengas ja kuva on hyvin pehmeä. Oikeaa terävyyttä on mahdoton saavuttaa, sillä sellaista ei ole. Tämä sama ongelma vaivasi Galilein kaukoputkia. Valitettavasti tämä tyyppisiä teknisiä ratkaisuja käytetään edelleen tavarataloissa myytävissä halvoissa ja lähinnä leluiksi luokiteltavissa kaukoputkissa. Niiden objektiivit ovat yksilinssisiä ja pahimmassa tapauksissa linssien materiaali on ikkunalasia tai muovia.

Akromaattinen linssi parantaa kuvan
laatua. Piirros Kari A. Kuure.

Nykyaikaisissa objektiiveissa värivirhe(kromaattinen aberraatio) on saatu vähäisemmäksi akromaattisilla objektiiveilla. Ne muodostuvat kahdesta eri lasilaadusta olevasta linssistä, joista ensimmäinen on positiivinen ja toinen negatiivinen linssi. Tällainen järjestely tuottaa kuvan kahdella aallonpituudella samaan polttopisteeseen. Nämä aallonpituudet ovat punainen tai oranssi ja sinivihreä tai sininen. Akromaatti tuottaa kuvan, jonka värivirhe on lähes huomaamaton ja suurimmillaan se on vihreällä aallonpituusalueella. Akromaattiset objektiivit ovat edelleen yleisessä käytössä niin kaukoputkissa kuin kiikareissa.

Apokromaattinen objektiivi
tuottaa parhaimman kuvan.
Piirros Kari A. Kuure.

Viime vuosikymmeninä linssitöä on kehitetty edelleen ja aikaisempaan parempaan kuvalaatuun ja värikorjaukseen on päästy käyttämällä apokromaattista objektiivia. Siinä objektiivin muodostaa kolme linssiä: positiivinen, negatiivinen ja positiivinen linssi. Lisäksi lasilaadut on valittu siten, että värivirheen korjaus on mahdollisimman hyvä. Apokromaattinen linssistö tuottaa kuvan, jossa kuva on samassa polttopisteessä kolmella aallonpituusalueella: punaisella, vireällä ja sinisellä aallonpituudella. Korjattujen aallonpituuksien väliin jäävillä aallonpituusalueilla ero polttopisteen ja aallonpituuden kuvan etäisyyden välillä on edellisiä linssimalleja huomattavasti pienempi. Näin ollen opokromaattinen objektiivi tuottaa lähes värivirheettömän kuvan.

Apokromaattinen objektiivi luo kuvan kolmella aallonpituudella,
akromaatti kahdella ja yksinkertainen linssi vain yhdellä.
Piirros Kari A. Kuure.

Objektiivin apokromaattisuutta on pyritty edelleen parantamaan valitsemalla ainakin yhden linssin lasilaaduksi ns. Extra low disperion -lasia, lyhyemmin ED. Valitettavasti lasilaatu on erittäin kallista, joten jos apokromaattisessa linssiyhdistelmässä sitä on käytetty, itse kaukoputken myyntihinta on vähintään kaksin tai kolminkertainen tavalliseen akromaattiseen kaukoputkeen verrattuna. Korkeasta hinnasta huolimatta tällaiset kaukoputkityypit ovat yleistyneet tähtiharrastajien keskuudessa.

Linssikaukoputkissa, aivan samoin kuin lähes kaikissa muissakin kaukoputkityypeissä, kuva taso ei ole suora vaan osa pallopintaa. Kuvatason kaarevuussäde on sitä pienempi mitä lyhyempi polttovälinen kaukoputki on. Tämä ei ole niinkään suuri ongelma visuaalisessa havainnoinnissa, mutta valokuvauksessa se on. Kaareva kuvataso kun näkyy kaukoputkella otetuissa kuvissa kuvan reuna-alueen tähtien epäterävyytenä ja erittäin valovoimaisissa kaukoputkissa jopa tähtien venymisenä, komana.

Pallopintaista kuvatasoa ja samalla komaa korjaamaan on tehty yleensä vielä erillinen kuvan tasoittaja. Usein kaukoputkikauppias tarjoaakin kaukoputkityypille ja polttovälille sopivaa korjauslinssiä suhteellisen edullisesti. Jos tarkoituksena on valokuvata kaukoputken läpi, niin kuvakentän tasoituslinssi on syytä hankkia. Aivan uusimmassa kaukoputkissa kuvakenttä voi olla jo valmiiksi tasoitettu kaukoputkeen rakenteellisena osana sisältyvällä linssillä.

Vääräväri ilmiö näkyy tässä kuvassa
sinisenä halona Kuun kiekon reunoissa.
Kuva Kari A. Kuure.

Akromaattisissa linsseissä, joiden osalinssit on erotettu toisistaan pienellä ilmavälillä, esiintyy myös vääräväri-ilmiö. Tavallisessa maakaukoputkessa ilmiö tuskin tulee häiritseväksi, mutta tähtikaukoputkessa on monia tilanteita, joissa se voi olla. Ilmiö näkyy voimakaskontrastisissa kuvissa tumman osan päällä sinisenä halona. Jälleen, visuaalisessa havainnoinnissa siitä ei ole haittaa, mutta valokuvattaessa se voi olla todella kiusallinen.

Vääräväri-ilmiötä on korjattu imeyttämällä valmistus vaiheessa linssien väliin ohut öljykalvo. Se ainakin vähentää vääräväri-ilmiötä ja poistaakin sen kokonaan, jos kaukoputki ei ole kovin valovoimainen.

Kokonaisuutena nykyaikainen linssikaukoputki on erittäin hyvä, jopa erinomainen valinta silloin, kun havaintokohteina ovat planeetat, Kuu tai auringonpilkut. Linssikaukoputken muodostama kuva on suurikontrastinen, planeettojen pinnan yksityiskohdat toistuvat selkeinä ja kaukoputki on yleensä helppokäyttöinen.  Lyhytpolttoväliset (300–600 mm) ED ja APO-putket ovat erinomaisia tähtivalokuvauksessa, jos kuvauskohteena ovat sumut. Ne ovat usein suurikokoisia ja vaativat normaalia laajemman kuvakentän.

Linssikaukoputken vaatimat huoltotoimenpiteet huolellisen käsittelyn lisäksi ovat hyvin vähäisiä. Ainoastaan objektiivin ulkopinnan varovainen puhdistaminen on tarpeen silloin tällöin. Luonnollisesti kaukoputken mukana tulleet suojakannet ja -tulpat pitää säilyttää ja pitää paikoillaan varastoinnin aikana.

Jos kaukoputki on massiivinen, niin silloin se on syytä jäähdyttää ulkolämpötilaan ennen varsinaisten havaintojen tai valokuvaamisen alkua. Putkivirtaukset ovat kuitenkin pieniä, joten jäähtyminen on suhteellisen lyhytkestoista. 

Jos kaukoputken varsinainen putkiosa on tehty metallista, usein alumiinista, silloin valokuvaamisen aikana on syytä tarkistaa kuvan terävyys kuvasarjojen välissä. Metallin jäähtyessä, se supistuu ja tarkennuspiste siirtyy kuvapinnan taakse, aluksi nopeammin ja myöhemmin hitaammin. Noin parin tunnin kuluttua kaukoputken lämpötila on saavuttanut ulkoilman lämpötilan ja niin putkivirtaukset kuin metallin supistumisen aiheuttama kuvatason siirtyminen ovat päättyneet.

 

 

Hyvä ja paha otsoni

SAGE III -sensorit mittaavat ilmakehän

otsonipitoisuutta käyttäen Aurinkoa

ja Kuuta välonlähteenään niiden

"noustessa" ja valon kulkiessa ilmakehän

Stratosfäärin läpi. Kuva NASA.

Maapallon ilmakehässä oleva otsoni on joko hyvää tai pahaa, riippuen siitä, missä se sijaitsee. Pahaa otsonia on maanpinnalla, jossa se on määritelty saasteeksi. Sitä syntyy liikenteen ja teollisuuden prosessien sivutuotteina ja erityisesti sitä esiintyy toimistoissa, jossa otetaan paljon valokopioita. Hengitettynä otsoni ärsyttää hengityselimiä ja voi jopa aiheuttaa useita eri sairauksia, jos altistus on jatkuvaa.

Hyvää otsoni sijaitsee maapalon ilmakehän stratosfäärissä, noin 25 km korkeudella. Siellä sitä syntyy ilmakehän hapesta Auringon uv-säteilyn vaikutuksesta. Sama uv-säteily myös pilkkoo otsoni molekyylejä; erityisesti jos läsnä on klooria ja sen yhdisteitä, otsonin katoaminen on hyvin runsasta.  Otsonikerroksen katoaminen selittyy osittain myös sillä, että otsonia kaikkiaan on hyvin vähän, normaali-ilmanpaineessa se puristuisi vain 3 mm vahvuiseksi kerrokseksi.

Otsonikerroksen tärkeys liittyy sen kykyyn absorboida itseensä Auringosta tulevasta valosta suurimman osan uv-säteilystä. Vain hyvin vähäinen osa uv-säteilystä päätyy maanpinnalle asti, jossa se on yleisesti haitallista vaurioittaessaan eläinten kudoksia ja kasvien lehtien pintarakenteita.

Ensimmäisenä kloorin ongelmallisuuden havaitsivat kemistit Frank Rowland ja Mario Molina 1970-luvulla Kalifornian yliopistossa. Erityisesti klooratut ja fluoratut hiilivedyt (CFC), joita tuolloin käytettiin runsaasti jäähdytyslaitteissa ja aerosolivalmisteissa, päätyivät syytettyjen penkille. Ilmakehään päästessään, nämä yhdisteet tuhoavat otsonia, mikä erityisesti huoletti tutkijoita. Ilmakehän otsonipitoisuuden kansainväliset tutkimukset käynnistyivät tuota pikaa. Vuonna 1985 brittiläinen etelänavan tutkimusretkikunta havaitsi otsoniaukon Etelämantereen yläpuolella.

Tieteen historiassa ei ole toista tapausta, jossa poliitikot ja päättäjät olisivat ryhtyneet tositoimiin yhtä nopeasti. Jo vuonna 1987 Montrealissa päädyttiin kansainväliseen sopimukseen CFC-yhdisteiden valmistuksen ja käytön kieltämiseen. Sopimus allekirjoitettiin syyskuussa 1987, ja sen ratifioivat kaikki YK:n jäsenvaltiot.

Sopimuksen seurauksena ilmakehään vapautuvien CFC-yhdisteiden määrä alkoi nopeasti laskea, mutta itse otsoniaukko ei juuri vähentymiseen reagoinut. Joka kevät (syys–marraskuussa) Etelämantereen yläpuolelle syntyy uusi aukko. Vasta aivan viime vuosina jonkinlaista aukon pienentymistä on ollut havaittavissa. Hidas vaste selittyy CFC-yhdisteiden kestävyydellä, ne hajoavat hyvin hitaasti etenkin stratosfäärin olosuhteissa, jossa lämpötila on hyvin alhainen.

CFC-yhdisteiden valmistuskiellon jälkeen ne on korvattu samantapaisilla klooratuilla ja fluoratuilla hiilivedyillä. Näiden uusien yhdisteiden pitäisi olla ympäristöystävällisempiä, mutta loppujen lopuksi siitä ei ole mitään takeita. Lisäksi esimerkiksi litteiden televisio- ja tietokonemonitorien valmistuksessa käytetään kaasuja, jotka ovat paljon vaarallisempi kuin CFC-yhdisteet. Otsonikerroksen palautuminen on ehkä juuri näistä syistä hidasta. Tutkijat arvelevat otsonikerroksen palautuvan entiselleen joskus vuoden 2050 tienoilla.

Ihmisen aiheuttama päästöt eivät ole ainoa syy otsonikatoon. Luonto itse järjestää aika ajoin aerosolihiukkasten pääsyn stratosfääriin rajujen tulivuorten purkauksien aikana. Hyvin hienojakoinen vulkaaninen tuhka saattaa nousta otsonikerrokseen, jossa se leijuu vuosikausia. Tuhkahiukkaset toimivat katalyyttisenä alustana, joiden pinnalla tapahtuu otsonikatoa. Tästä syystä luonnontilainen otsonikerros ei ole vakio, vaan siinä tapahtuu vaihtelua. Rajuja tulivuorten purkauksia kun tapahtuu muutamien vuosien välein, ja niistä päätyy tuhkaa stratosfääriin ehkä noin kerran vuosikymmenessä, joskus useamminkin.

Nasan teknikko tarkastamassa SAGE III

-sensoria. Se on tarkoitus viedä vuonna

2014 Kansaiväliselle avaruusasemalle.

Kuva NASA.

Nasa on lähettänyt vuosien kuluessa kaksi SAGE-sensorein ( Startospheric Aerosol and Gas Experiment) varustettua satelliittia  vuosina 1979 (SAGE) ja 1984(SAGE II) . SAGE III -sensorit kiinnitettiin myös Venäläiseen Meteor-3M-satellittiin vuonna 2001. Se on mitannut otsonipitoisuuksia ilmakehästä hyvin suurella tarkkuudella, jollaiseen ei aikaisemmin ollut päästy.

Ensi vuona Nasa kuljetuttaa Space X -kantoraketilla Kansainväliselle avaruusalukselle uuden SAGE III -sensorin. Se käyttää valonlähteenään niin Aurinkoa kuin Kuutakin, kun jompikumpi näkyy ”nousevan” ilmakehän läpi. Sijoituspaikastaan SAGE III -sensorit voivat mitata otsonipitoisuuksia aina tropopausiin ja jopa hieman alempaakin ilmakehän kerroksista, joissa matkustajalentokoneet lentävät. Mittaustarkkuuden odotetaan olevan parempi kuin 1 %.