Fysiikan Nobel neutriinotutkijoille

Athur B. McDonald. 

Takaaki Kajita.

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

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

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

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

Aiheesta voi lukea lisää julkaisusta

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

Huomautukset

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

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

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

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

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

Pohdiskelua muukalaisten vierailusta

Kuva elokuvan lopusta. Euroopan avaruusjärjestön kaiuttoman
huoneen seinä avautuu maailmankaikkeuteen.
Kuva Bufo Ltd / B-Plan Distribution.

The Visit – An alien encounter (Vierailu)

Käsikirjoitus ja ohjaus Michael Madsen

Kuvaus Heikki Färm

Kesto 93 min

Tämän viikon perjantaina (9.10.) ensi-iltansa saava The Visit -elokuva on dokumentaarinen ja kovasti pohdiskeleva elokuva siitä, miten ihmiskunta kokisi ja mitä muukalaisille kerrottaisiin meistä. Tilanne on tietysti täysin fiktiivinen emmekä voi koskaan tietää toteutuuko se, mutta asian pohtimista se ei estä.

Elokuva on siis dokumentti. Puhuvina päinä kuvassa näkyvät henkilöt ovat siinä omana itsenään. Kieltämättä he ovat omana alansa asiantuntijoita, mutta tekeekö se heistä asiantuntijoita muukalaisten kohtaamisessa? Täytyy vastata itse kysymykseen: kukaan maapallon ihmisistä ei ole asiantuntija, sillä emme ole muukalaisia kohdanneet.

Elokuvan yksi monista kysymyksistä on se, miten muukalaiset kohtaavat ihmisen: tulevatko he ystävällismielisinä uteliaisuuttaan moraalisesti korkeimpina olentoina, voidaanko heitä kohdella ihmisinä ja kohtelevatko he meitä tasavertaisina? Vai tulevatko he valloittamaan Maan? Valloittamisesta meillä ihmisillä on kokemusta, aina kun olemme saapuneet uusille alueille, alkuperäisväestö on kärsinyt. Ihmisen ja erityisesti eurooppalaisen ihmisen toiminta ei ole ollut tässä suhteessa kovinkaan moraalista.

Muukalaisten kohtaaminen saattaa johtaa myös terveydellisiin
ongelmiin. muukalaisten bakteerit ja virukset voivat olla
tuhoisia ihmiskunnan keskuudessa ja sama myös toisinpäin.
Näin voi tapahtua etenkin silloin kun ja jos muukalaisilla on
sama geneettinen biologia kuin meillä. Näin ei välttämättä
tarvitse olla mutta se on otettava huomioon kohtaamisessa.
Kuva Bufo Ltd / B-Plan Distribution.

Jos joskus kohtaamme muukalaisia, pitääkö meidän valmistautua puolustamaan itseämme? Tiettävästi ihmiskunnalla ei ole kovinkaan hyviä mahdollisuuksia puolustautua selvästikin (tällä hetkellä) edistyneemmän teknisen kulttuurin edustajia vastaan. Vai riittääkö se, että osoitamme olevamme hankala valloitettava ja valmiina suuriinkin uhrauksiin? Paljon kysymyksiä joihin ei oikein vastausta saa.

Vastausta vaille jää myös ihmiskuntaa mietityttävät kysymykset. On toki luonnollista, että elokuva ei vastauksia anna, sillä emmehän niitä tiedä. Elokuvan muukalaiset (joita elokuvassa ei näytetä) käyvät vain vierailemassa ja aivan yhtä äkkiä kuin he tulivat, he ovat poissa. Ihmiskunta on jälleen yhtä yksin kuin ennen vierailua, mutta jotakin on muuttunut. Nyt tiedämme että maailmankaikkeudessa on muitakin älykkäitä olentoja!

Elokuvan ainoan juonen muodostaa vain muukalaisten saapuminen, sen herättämät kysymykset ja heidän poistumisensa. Puhuvat päät yrittävät vastata tai oikeammin pohtivat erilaisia kysymyksiä mitä me itse olemme, kuinka meidän tulisi suhtautua muukalaisiin ja mitä sitten kun he ovat poistuneet?

Jos itse olet pohtinut muukalaisten kohtaamista, niin elokuva voi antaa sinulle uusia näkökulmia ja lisää pohdittavaa. Kovin elokuvallinen se ei kuitenkaan ole ja se ehkä toimisi paremmin puolta lyhyempänä tv-dokumenttina. Mutta kyllä se kannattaa katsella.

Täydellinen kuunpimennys

Pimentynyt Kuu voi näkyä punaisenruskeana piemmnyksen
syvimmän vaiheen aikana. 

Täydellinen kuunpimennys on nähtävillä syyskuun 28. päivänä aamuna. Pimennyksen alkaessa kello 4.08 Kuun on horisontin yläpuolella ja hyvin näkyvissä lounaisella taivaalla noin 20 asteen korkeudella pimennyksen alkaessa ja noin 11 asteen korkeudessa syvimmän pimennyksen aikaan.

Pimennyksen kulku on seuraava:

3.11.47 puolivarjopimennys alkaa
4.07.11 puolivarjopimennys on täydellinen ja täysvarjopimennyksen soittainen vaihe alkaa

5.11.10 täysvarjopimennys on täydellinen

5.48.16 pimennyksen puoliväli ja pimennys on syvin

6.23.05 täysvarjopimennyksen täydellinen vaihe päättyy

7.27.03 puolivarjopimennyksen osittainen vaihe alkaa
8.22.27 puolivarjopimennys päättyy

Kuu laskee horisonttiin Tampereen horisontin mukaan kello 7.32.

Tämänkertaiseen kuunpimennykseen liittyy sinällään merkityksetön yksityiskohta, mutta koska se tulee olemaan ”otsikko” tiedotusvälineissä, niin tulkoon mainituksi. Syyskuun 28 päivän täysikuu (kuunpimennykset tapahtuvat vain täysikuun aikaan) on niin sanottu ”superkuu” [1]. Tällä tarkoitetaan täysikuuta, joka näkyy Kuun ollessa ratansa lähimmän pisteen (perigemium) läheisyydessä. Kuun etäisyys voi superkuun aikana poiketa enintään 10 %  perigemiumista lyhimmän ja pisimmän etäisyyden välisestä erosta, eli Kuun täytyy sijaita enintään 361 430 km etäisyydellä Maasta. Tällä kertaa Kuun etäisyys maapallon keskipisteestä on 356 878,2 km (perigeum 356 400 km).

Kuun väri täydellisen pimennyksen syvimmän vaiheen aikana kiinnostaa tähtiharrastajia. Kuun väri johtuu auringonvalosta, joka suodattuu maapallon ilmakehän kautta. Jos maapallolla ei olisi ilmakehää, pimennyksen aikana Kuu olisi täysin pimeänä. Ilmakehän läpi suodattuva auringonvalon väri on punainen samasta syystä kuin auringonlaskut ovat punaisia; valon muut (lyhyemmät) aallonpituudet sirottuvat ja jäljelle jää pitkäaaltoinen punainen valo.

Ilmakehän kunto määrittää Kuun kirkkauden ja värin syvimmän pimennyksen aikana. Jos ilmakehässä on paljon pölyä, esimerkiksi tulivuorten tuhkaa, pimentynyt Kuu näkyy hyvin tummana, sillä pölyhiukkaset estävät myös punaisen valon ilmakehän läpäisyä sitä enemmän mitä enemmän pölyä on.

Kuun kirkkaudelle on kehitetty useita eri asteikkoja, mutta kaikkein yleisin käytössä olevista on Danjon asteikko. Asteikko on viisiportainen seuraavasti:

0  Erittäin syvä pimennys; Kuu ei juuri erotu taustataivaasta.

1  Kuu tummanharmaa tai ruskea. Kuun pinnan yksityiskohdat näkyvät hädin tuskin.

2  Kuu tummanpunainen tai ruosteenruskea. Päävarjon (umbra) keskiosa on tumma, vaikka reunasaattaakin olla kirkkaampi.

3  Kuu tiilenpunainen. Umbran reuna yleensä kirkas tai keltainen.

4  Kuu kirkas, väriltään kuparinpunainen tai oranssi. Umbrassa näkyy kirkas sininen reuna.

Kuun katseleminen ja valokuvaaminen pimennyksen aikana on turvallista [2]. Havaintovälineeksi omien silmien lisäksi kelpaavat kaikki kiikarit, kaukoputket ja kameran erilaiset optiikat. Kiikari olisi järkevä kiinnittää kamerajalustaan etenkin silloin kun samoja kiikareita käyttää useampi henkilö ja etenkin jos mukana on lapsia. Tällöin kiikareita ei tarvitse suunnata erikseen Kuuhun kiikarin vaihtaessa käyttäjää.

Jos haluat valokuvat kuunpimennystä, tarvitset yleensä järjestelmä- tai superzoomilla varustetun puolijärjestelmäkameran. Lisäksi tarvitset kamerajalustan ja etä- tai lankalaukaisimen. Kameran herkkyydeksi olisi valittava suhteellisen suuri ISO-arvo, esimerkiksi ISO 500 – 1250 voi olla sopiva, sillä täysin pimentynyt Kuu on suhteellisen himmeä kohde ja pienillä herkkyyksillä valotusaika kasvaa niin pitkäksi, että seuranta voi osoittautua välttämättömäksi. Seurannan tarve riippuu kuitenkin valotusajan lisäksi käytetyn optiikan polttovälistä. Kameran herkkyyttä ei kuitenkaan pidä valita tarpeettoman suureksi, sillä kyseessä on sähköinen vahvistaminen ja se vahvistaa myös kohinaa. Toisin sanoen, suuret ISO-arvot tuovat kennon kohinan näkyville kuvaan. Kuunpimennys etenee kuitenkin niin hitaasti, että useita eri herkkyyksiä voi kokeilla kunkin pimennysvaiheen aikana.

Kuunpimennys näkyy matalalla länsitaivaalla. Tämä antaa valokuvaajille mahdollisuuden sommitella kuvaan muutakin kuin pelkästään Kuun. Tällöin pitää käyttää joko lyhyttä tai enintään keskimittaista teleobjektiivia, jotta kuvakenttä olisi riittävän laaja esimerkiksi etualan mielenkiintoisille yksityiskohdille ja maisemalle. Samalla myös törmätään kuvan syväterävyysalueeseen: syväterävyys on kapea ja samaan kuvaan ei saa hyvin lähellä kameraa olevia kohteita ja Kuuta terävänä. Jos etualalla on jotakin yksityiskohtia, niiden tulisi olla teräviä ja pimentynyt Kuu taka-alalla ”pehmeä”.  Tosinkin päin voi kokeilla tai etsiä sopivaa sommitelmaa.

Nasa on julkaissut pdf-sivun pimennyksen yksityiskohdista. Se löytyy osoitteesta

http://eclipse.gsfc.nasa.gov/LEplot/LEplot2001/LE2015Sep28T.pdf

Huomautukset


[1] Superkuu käsite ei liity mitenkään tähtitieteeseen vaan on astrologi (=tähdistäennustaja) Richard Nolle'n vuonna 1979 lanseerama ja siihen liittyy uskomuksia siitä, että Kuun ja Auringon ollessa samalla linjalla vuorovesivoimat ovat niin voimakkaita, että ne aiheuttavat maanjäristyksisä ja tulivuorenpurkauksia tavallista enemmän ja neovat tavallista voimakkaampia. Sanomattakin on selvää, että mitään tieteellistä näyttöä väitteiden tueksi ei ole.

[2] toisin kuin Auringon katseleminen auringonpimennyksen aikana, jolloin tarvitaan riittävä suodatus.

Oliko aurinkokunnassa viides jättiplaneetta?

Viides jättiplaneetta aurinkokunnassamme olisi teorian
mukaan poistunut tähtitenväliseen avaruuteen. Kuva NASA/JPL.

Aurinkokunnassamme on neljä jättiplaneettaa [1] ja neljä pienikokoista kiviplaneettaa [2]. Näin ei kuitenkaan ole aina ollut, sillä aurinkokuntamme historiassa on tapahtunut merkittäviä rakenteellisia muutoksia, esimerkiksi maapallon kuun (Luna) syntyminen törmäyksen seurauksena.

Tutkijoiden näkemyksen mukaan on olemassa huomattavia vaikeuksia selittää koko aurinkokuntamme rakenne, sillä tietokonesimulaatiot eivät luontevasti synnytä nykyistä aurinkokuntaamme. Tutkijat ympäri maapallon ovat pyrkineet löytämään ratkaisua ongelmaan. Näiden tutkijoiden joukossa on myös tohtori David Nesvorny (Southwest Research Institute, Boulder, Colorado). Hän julkaisi vuonna 2011 tutkimuksen, joka perustui tuhansiin tietokonesimulaatioihin, jonka mukaan aurinkokunnassamme on ollut sen syntyvaiheiden aikana viides jättiplaneetta.

Uusimpien simulaatioiden [3] perusteella Nesvorny päättelee, että varhaisessa vaiheessa aurinkokuntamme historiassa viides jättiplaneetta olisi törmännyt [4] Neptunukseen, muuttanut sen rataa ja se itse olisi poistunut aurinkokunnastamme tähtienväliseen avaruuteen. Nesvornyn simulaatiomallin mukaan Kuiperin vyön kappaleet olisivat olleet hyvin tiukasti sidottuja Neptunukseen, mutta törmäyksen seurauksena ne olisivat siirtyneet nykyiselle paikalleen kauas Neptunuksen radan ulkopuolelle.

Nesvornyn ajatus saa tukea muilta tähtitieteilijöiltä, mm. tohtori J. J. Kavelaars (Dominion Astrophysical Observatory, Victoria, Brithish Columbia) kertoo Sciense lehdelle, että Nesvornyn malli selittää hyvin nykyisen aurinkokuntamme monista rakenteista.

Huomautukset

[1] Jupiter, Saturnus, Uranus ja Neptunus. Näitä planeettoja kutsutaan usein myös kaasuplaneetoiksi, mutta nimitys ei ole oikea. Tarkkaan ottaen planeettojen massasta vain murto-osa aineesta on kaasumaisessa olomuodossa ja suurin osa on nestettä. Lisäksi niiden ydin ajatellaan muodostuneet kivestä ja metalleista, joiden olomuodosta ei ole täyttä varmuutta. Lämpötilan puolesta ytimen aineen pitäisi olla sulassa tilassa mutta korkea paine voi pitää ytimen materian kiinteässä olomuodossa.

[2] Merkurius, Venus, Maa ja Mars. Pitäisikö näitä planeettoja kutsua kiinteiksi planeetoiksi, vai kivi-metalli- tai pelkästään metalliplaneetoiksi? Jälkimäinen nimitys olisi paikallaan ainakin Merkuriuksen osalta, sillä eräät tutkimukset ovat osoittaneet planeetan menettäneen suurimman osan kivimateriaalisesta pintakerroksestaan ja jäljelle jäänyt taivaankappale koostuu suurimmaksi osaksi metallista.

[3] Tutkimus julkaistiin elokuun 10. päivänä The Astronomical Journal -tiedejulkaisussa.

[4] Aikaisemmat tutkimukset ja tietokonesimulaatiot ovat osoittaneet, että kaikkien jättiplaneettojen radat ovat siirtyneet jonkin verran. Merkittävin muutos radoissa olisi tapahtunut Uranuksen ja Neptunuksen ratoihin, jotka olisivat vaihtaneet paikkaa keskenään. Törmäys ei välttämättä ole tarvinnut olla kirjaimellinen, vaan Neptunuksen radan muuttumiseen on riittänyt hyvin läheinen yksi tai useampi ohitus. Tällöin energiaa olisi siirtynyt ohittavalle planeetalle ja se olisi sinkoutunut pois aurinkokunnasta. Neptunus olisi energian menettämisen seurauksena siirtynyt sisemmälle radalle ja muiden jättiplaneettojen radat olisivat kokeneet merkittäviä muutoksia.

Eksoplaneetta takapihalla

Maata hieman suuremman eksoplaneetan radallaan pitävä
tähti HIP 114622 tai HD 219134  on merkitty punaisella
tunnuksella. Kuva Kari A. Kuure.

Eksoplaneettojen etsiminen jatkuu kiivaana vaikka Kepler-observatorio alkaa olla havaintonsa tehnyt. Tuorein löytö [1] tuo eksot aivan meidän takapihalle, sillä etäisyyttä HD 219134b:n  on vain 21 valovuotta. Planeetta kiertää tähteään Cassiopeian tähdistössä. 

Kaikkein lähin ekso on kuitenkin vain 14,8 valovuoden etäisyydellä, mutta sen massa on 11,8-kertaisesti maapallon massa, joten sen rakenne ja koostumus ovat arvoitus. Luultavasti se on lähinnä Neptunusta muistuttava planeetta.

HD 219134b on maapallon kaltainen kiviplaneetta, sillä sen massa on 4,5- ja koko 1,6-kertainen maapalloon verrattuna. Tiheydeltään se on vain hieman suurempi kuin maapallon keskitiheys eli noin 6 000 kg/m³.

Tähtiharrastajat voivat tehdä havaintoja eksosta, sillä se kiertää tähden noin kolmen vuorokauden kiertoajalla. Vaikka tähden rata onkin kallistunut näkösäteeseemme nähden, se kuitenkin kulkee kiertämänsä tähden editse ja peittää osan sen tähden säteilemästä valosta. Ylikulku näkyy siis tähden vähäisenä himmenemisenä. Himmenemisen voi tosin havaita vain sarjasta valokuvia ja tekemällä tarkat astrometriset mittaukset kuvista.

Tähti HD 219134 [2] on suhteellisen himmeä ja pieni tähti verrattuna Aurinkoon. Tähden spektriluokka on K3V mikä tarkoittaa sitä, että tähti on oranssinpunainen, massaltaan ja halkaisijaltaan noin 80 % Auringosta. Tähden luminositeetti on vain 28 % Auringon luminositeettiin verrattuna ja efektiivinen lämpötila 4710 K. 

Visuaalisesti näemme tähden 5,6^m kirkkaudella, joten pimeässä paikassa se on mahdollista nähdä paljain silmin tai pienellä kiikarilla. Tähdellä on ikää noin 12,5 miljardia vuotta. Eksoplaneetoista kiinnostuneiden mieltä kiihottaa myös kolmen muun eksoplaneetan löytyminen samasta järjestelmästä. Ne ovat kuitenkin jonkin verran kauempana tähdestään kuin b-planeetta.

Huomautukset

[1] Löytö tehtiin italialaisella 3,58 m Galileo National kaukoputkella La Palmalla Kanariansaarilla käyttäen HARPS-North (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher for the Northern hemisphere) spektrometriä mittaamalla planeetan aiheuttamat heilahtelut tähden säteisnopeudessa.

[2] Tähti tunnetaan myös tunnuksilla HR 8832, HIP 114622, TYC 4006-01866-1, NSV 14458, TDSC 63405 ja WDS 23133+5710. Näistä viimeinen viittaa tähden koordinaatteihin taivaalla.