Ei jälkeäkään KIII-sivilisaatiosta

Kaukaisessa avaruudessa, sen viimeisen korpimaan toisella
puolella, voi asustaa supersivilisaatio, joka käyttää energiaa
saman verran kuin mitä galaktinen superklusteri voi tuottaa.
Kuva  ESA/Hubble & NASA/ Josh Barrington.

Penn State yliopiston tutkijat ovat kartoittaneet 100 000 galaksia, etsien merkkejä teknisestä supersivilisaatiosta, joka tunnetaan KIII- tai Kardashev’in tyypin III sivilisaationa. Tutkijat käyttivät kartoitukseen Nasan WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) avaruuskaukoputkea, joka havaitsee galaksien säteilemää infrapunaista valoa.

Kuinka infrapunainen valo voi paljastaa supersivilisaation? Kaikki perustuu eri kehitysasteilla olevien sivilisaatioiden käyttämään energian määrää.

Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan käytetty energia muuttuu lämmöksi, joten jos teknisesti kehittynyt supersivilisaatio käyttää runsaasti energiaa, sen pitäisi näkyä galaksien ylimääräisenä lämpösäteilynä.

Ajatus sivilisaatioiden luokittelusta niiden käyttämän energian perusteella on peräisin vuodelta 1964, jolloin venäläinen astrofyysikko Nikolai Semjonovitš Kardašev (s. 1932) julkaisi aiheesta tutkielman^[1].  Hän määritteli sivilisaatiot kolmeen ryhmään:

Tyyppi I tuottaa käyttämänsä energia pääosin ydinfuusiolla. Kardashevin alkuperäisen määritelmän mukaan energian tuottoteho olisi tällöin 4×10¹² W ja tarvittava vetymäärä olisi noin 9×10⁹ kg vuodessa. Tarvittava vetymäärä saattaa tuntua suurelta, mutta vetyä maapallolla riittää. Kuutiokilometri (meri)vettä sisältää 10¹¹ kg vetyä ja maapallolla on 1,3×10⁹ km³ vettä. Näin ollen tyypin I energiatuotantoa ihmiskunta voisi pitää yllä ainakin kymmenkunta miljardia vuotta.

Maapallon vastaanottaman auringonsäteilyn teho on 174×10¹⁵ W (342 W/m²), joka on alkuperäistä Kardashevin energiatuotantorajaa merkittävästi suurempi. Lisäksi maapallon satelliittiradalle voitaisiin varustaa energia keräävien satelliittien verkosto, jonka kokoama energia siirrettäisiin maapallolle mikroaaltoteknologiaa hyväksi käyttäen. Näin ollen ihmiskunnalla on saatavissa merkittävät energiavarat, joiden turvin tyypin I sivilisaatio voitaisiin luoda.

Dysonin pallo koostuisi hirvittävästä määrästä energiaa
keräävistä satelliiteista. Kuva Wikimedia Commons.

Tyyppi II sivilisaatiot käyttävät energiaa Auringon säteilyteholla, siis noin 4×10²⁶ W. Näin suuren energiamäärän käyttäminen edellyttäisi, että keskustähden kaikki energia saataisiin kerättyä hyötykäyttöön. Teknisesti tämä voitaisiin tehdä siten, että tähden ympärille rakennettaisiin Freeman Dysonin (s. 1923) pallo energiaa keräävistä satelliiteista. Teoreettisesti Dysonin pallo olisi rakennettavissa, mutta käytännössä tekniset ongelmat estävät sen.

Energialähteenä voisi tietysti käyttää muitakin lähteitä kuin keskustähteä. Vaihtoehtoinen energialähde olisi esimerkiksi pyörivä musta aukko tai teollisessa toiminnassa syntynyttä antimateriaa.

Tyyppi III sivilisaatiot käyttävät energiaa koko galaksin verran, eli noin 4×10³⁷ W teholla. Koko galaksin tuottaman energian talteen ottaminen voi olla teknisesti mahdotonta, mutta supermassiivinen musta aukko tai kvasaarien emittoima energia voisi tällaiselle sivilisaatiolla olla oiva energianlähde.

Kardashevin asteikko ei sisällä tyypin 0 sivilisaatioita, mutta ryhmitys on ekstrapoloitavissa tähän suuntaan. Ihmiskunta voitaisiin näin ollen luokitella tyypin 0 sivilisaatioksi. Tunnettu fyysikko Michio Kaku (s. 1947) pitää mahdollisena, että ihmiskunta saavuttaa tyypin I tason 100–200 vuoden kuluessa. Tyypin II taso saavutetaan muutamassa tuhannessa vuodessa ja tyyppi III 100 000 – 1 000 000 vuodessa.

Astronomi Carl Sagan (1934–1996) puolestaan on kehittänyt matemaattisen kaavan, joka perusteella voidaan määrittää Kardashevin luokituksen mukainen sivilisaation taso desimaalilukuna. Saganin kaavalla laskettuna ihmiskunnan taso oli vuonna 2012 noin 0,724.

Sivilisaation siirtyessä tyypistä 0 tyyppiin I liittyy riski, että populaatio kasvaa planeetan kantokyvyn yli. Tällöin talousjärjestelmät, tuotanto ja populaationmäärä romahtavat tai jopa tuhoutuu täysin. Skenaario tunnetaan Malthusialaisena katastrofina 1700-luvulla eläneen väestötieteilijä Thomas Robert Malthusin (1766–1834) mukaan.

Kardashevin luokittelu on innostanut muitakin tutkijoita jo mainittujen Kakun ja Saganin lisäksi muokkaan siitä omat versionsa. Näitä jatkokehittelymalleja on ainakin viisi (+2) erilaista. Serbialainen tähtitieteilijä Milan Ćirković (s. 1971) on esittänyt, että tyyppi IV olisi sivilisaatio, jonka energiakäyttö olisi samaa luokkaa kuin koko galaksien superjoukon tuottama energia.

Yhteistä luokittelumalleille Kardashevin luokittelun kanssa on se, että kaikki edellyttävät sivilisaation muistuttavan meitä energian käytön ja kasvuun suuntautuneella kehityksellään. Vaikka oletus saattaa tuntua varsin ihmiskeskeiseltä, niin maailmankaikkeuden ikä ja galaksien määrä mahdollistaisi monen omamme kaltaisen ekpansiivisen kulttuurin olemassa olon rajalliseen ja tasapainoiseen kehittymiseen suuntautuneiden kulttuurien lisäksi.

Huomautukset

[1] Kardashev, Nikolai (1964). "Transmission of Information by Extraterrestrial Civilizations". Soviet Astronomy 8: 217.

New Horizons valokuvasi Pluton pienet kuut

Alkuperäinen viiden kuvan pino vasemmalla ja oikealla
kaksi käsiteltyä kuvaa. Kuva Nasa/JHUAPL/New Horizons.

Pluton järjestelmää lähestyvä Nasan New Horizons -luotain on onnistunut valokuvaamaan ensimmäistä kertaa kaikki Pluton tunnetut kuut^[1]. Tutkijat ovat kuitenkin valppaana ja etsivät järjestelmästä mahdollisesti vielä pienempiä kuita, jotka ehkä voisivat muodostua uhkaksi luotaimelle sen tehdessä Pluton lähiohitusta muutaman kuukauden kuluttua.

Valokuvaaminen tehtiin Long Range Reconnaissance Imager – kameralla josta käytetään lyhennettä Lorri. Kuvat otettiin huhtikuun 25 ja toukokuun 1. päivien välisenä aikana.  Havainto koostuu viidestä kuvasta joita kutakin valotettiin 10 sekuntia. Kuvat ylivalottuivat mutta raskaalla kuvankäsittelymenetelmillä niistä voitiin poistaa Pluton häiritsevä kilo ja tausta tähdet, joten pienet kuut saatiin näkyville. Ne sijaitsivat juuri siellä missä niiden laskelmien mukaan pitikin sijaita.

Pienistä kuista Kerberos ja Styx löydettiin vuosina 2011 ja 2012. Styx kiertää Plutoa kerran 20 vuorokaudessa ja sen rata sijaitsee Charonin ja Nix-kuiden välissä. Styxin halkaisija on noin 7–21 km. Kerberos kiertää Plutoa kerran noin 32 vuorokaudessa Nix ja Hydra-kuiden välissä ja on noin 10–30 km halkaisijaltaan. Kumpikin kuu on vain muutaman prosentin Nix- ja Hydra-kuun kirkkaudesta.

Huomautukset

[1] Pluton tunnetut kuut ovat: Charon, Stysx, Nix, Kerberos ja Hydra.

Hienosti Higgsistä

Sean Carroll

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

Suomentaja Tuukka Perhoniemi

ISBN 9789525985276

Sidottu, 345 sivua

Ursa ry 2015.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Kari A. Kuure.

New Horizons vain kolmenkuukauden etäisyydellä Plutosta

New Horizons -luotaimen ottama kuva Plutosta ja Charonista.

Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/
Southwest Research Institute.

Nasan planeettaluotain New Horizons on lähestymässä kääpiöplaneetta Plutoa ja sen viittä tunnettua kuuta. Luotaimen matka on kestänyt yli yhdeksän vuotta ja matkalla on ollut pituutta melkein viisi miljardia kilometriä. Vaikka matkaa on vielä jäljellä ja tutkijoilla ja insinööreillä paljon tehtävää ennen varsinaista H-hetkeä, luotain on ottanut ensimmäiset kuvansa pääkohteestaan.

Kuvassa Pluto ja Charon näkyvät vain sumuisina täplinä, mutta kertaakaan aikaisemmin emme ole onnistuneet kuvaamaan Plutoa tällä tarkkuudella. Avaruuskaukoputki Hubblen ottamissa kuvissa Pluto on ollut hyvin pieni piste.

Varsinainen ohilento tapahtuu heinäkuun 14 päivänä. Silloin kuuden tunnin aikana luotain tekee tarkimmat havaintonsa mitä on koskaan on tehty, ja pitkälle tulevaisuuteen tullaan tekemäänkään.  Ei vain valokuvia, vaan havaintoja tehdään useilla eri instrumenteilla ja mittauksia on kymmeniä erilaisia.

New Horizons –luotain ei kuitenkaan jää Plutoa kiertämään vaan jatkaa matkaansa Kuiperin vyöhön. Tutkijat tekevät parhaansa, jotta sieltä löytyisi mielenkiintoisia kappaleita sellaiselta etäisyydeltä, jonka saavuttaminen luotaimella on mahdollista. Tässä aikaisemmin vaikutti siltä, että sopivia kohteita ei olisi löydetty, mutta nyt parin viime vuoden aikana on ilmaantunut pari varsin varteenotettavaa ja ainakin yksi mahdollinen kohde. Mikä tai mitkä vaihtoehdot todella tulevat todeksi jää nähtäväksi.

Missä New Horizons on?

Se selviää oheisista kuvista.

Kuvat NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

Kuunpimennys on auringonpimennys Kuussa

Oletko tullut ajatelleeksi, että kuunpimennys on auringonpimennys jos havaintopaikkasi sijaitsee Kuussa? Auringonpimennys Kuussa on hieman erinäköinen kuin Maassa, sillä ilmakehättömyys muuttaa pimennyksen näkymistä jonkin verran. Suurin ero kuitenkin on Auringon peittävän Maan koko, joka on näennäisesti kolminkertainen Auringon kokoon verrattuna. Maan näennäinen koko tekee auringonpimennyksestä pidemmän kuin koskaan Maasta nähdyissä pimennyksissä.

Auringonpimennyksen täydellisen vaiheen alku
Tycho-kraatterista nähtynä. Piirros Kari A. Kuure.

Muitakin eroja pimennyksissä on nähtävissä: merkittävin ero on maapallon ilmakehän hehkuminen auringonlaskun punaisena. Vaikka Aurinko onkin Kuusta katsottuna maapallon takana, osa auringonvalosta tunkeutuu ilmakehän lävitse ja valaisee Kuuta. Tästä syystä Kuun väri kuunpimennyksen aikana Maasta katsottuna on punainen tai kuparin ruskea.

Auringonpimennyks päättymisvaihe. Piirros Kari A. Kuure.

Kolmas eroavaisuus on Auringon koronan näkyminen kirkkaampana ja laajempana kuin Maasta nähtynä. Tähän on syynä jälleen ilmakehättömyys. Kaiken lisäksi koronan voi ainakin teoriassa saada näkymään vaikka varsinaisesti pimennys ei olisikaan meneillään yksinkertaisesti peittämällä Auringon vaikka avaruuspuvun kädellä. Tosin koronan näkymistä vaikeuttaa silmän sopeutumattomuus pimeään, sillä ympäröivä kuunmaisema on edelleen kirkkaassa auringonvalossa. Maiseman ja himmeän koronan välinen kirkkausero on niin paljon suuri, että korona ei paljain silmin varmastikaan näkyisi.

Oheisissa kuvissa on lauantaina 4.4.2015 näkynyt kuunpimennys Kuusta nähtynä simuloituna. Havaintopaikaksi valitsin Tycho-kraatterin Kuun eteläisellä pallonpuoliskolla, jossa pimennyksen kesto ja tummuus oli kaikkein suurin.

Ennen kuin auringonpimennyksen osittainen vaihe ehti päättyä,
maapallo ehti peittämään myös Uranus-planeetan. Piirros Kari A. Kuure.