Fysiikan Nobel-palkinnot tähtitieteilijöille

Vuoden 2019 Nobel-säätiön myöntämät Nobel-palkinnot luovutetaan kolmelle tähtitieteilijälle. Palkinnon saajat ovat yhdysvaltalainen James Peeples (1/2) sekä sveitsiläiset Michel Mayor (1/4) ja Didier Queloz (1/4).

Vuoden 2019 Nobel-palkinnon saajat. Kuva Nobel-säätiö.

Nobel-säätiö perustelee valintojaan seuraavasti:

”James Peeblesin näkemykset fyysisestä kosmologiasta ovat rikastuttaneet koko tutkimusaluetta ja luoneet perustan kosmologian muutokselle viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana spekuloinnista tieteeseen. Hänen 1960-luvun puolivälistä lähtien kehittämänsä teoreettinen kehys on perusta nykyaikaisille ajatuksillemme maailmankaikkeudesta.

Big Bang -malli kuvaa maailmankaikkeutta alkaen sen ensimmäisistä hetkistä, melkein 14 miljardia vuotta sitten, jolloin se oli erittäin kuuma ja tiheä. Siitä lähtien maailmankaikkeus on laajentunut, muuttunut suuremmaksi ja kylmemmäksi. Vain 400 000 vuotta [380 000 v.] alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeudesta tuli läpinäkyvä ja valonsäteet pystyivät kulkemaan avaruuden läpi. Vielä tänäkin päivänä tämä muinainen säteily on ympärillämme ja siihen on koodattuna monet maailmankaikkeuden salaisuudet. James Peebles pystyi teoreettisten työkalujen ja laskelmien avulla tulkitsemaan nämä jäljet ​​maailmankaikkeuden alusta asti ja löytämään uusia fyysisiä prosesseja.

Tulokset osoittivat meille, että maailmankaikkeudesta, jonka tunnemme, on vain viisi prosenttia tähtiä, planeettoja, puita - ja meitä. Loppuosa, 95 prosenttia, on tuntematonta pimeää ainetta ja pimeää energiaa. Tämä on mysteeri ja haaste nykyaikaiselle fysiikalle.

Lokakuussa 1995 Michel Mayor ja Didier Queloz ilmoittivat ensimmäisestä löydöstään aurinkokunnan ulkopuolella sijaitsevasta planeetasta, eksoplaneetasta, joka kiertää aurinkotyyppistä tähteä kotigalaksissamme, Linnunradassa. Etelä-Ranskassa sijaitsevassa Haute-Provencen observatoriossa he pystyivät havaitsemaan räätälöityjä instrumentteja käyttämällä planeetta 51 Pegasi b, kaasumainen pallo, joka on verrattavissa Aurinkokunnan suurimpaan kaasujätteeseen Jupiteriin.

Tämä löytö aloitti tähtitieteen vallankumouksen, ja Linnunradalta on sittemmin löytynyt yli 4 000 eksoplaneettaa. Kummallisia uusia maailmoja, joita edelleen löydetään ja joita on uskomattoman määrä eri kokoisia, muotoisia ja erilaisilla kiertoradoilla. He haastoivat ennakkokäsityksemme planeettajärjestelmistä ja pakottavat tutkijoita tarkistamaan teoriansa niistä fyysisistä prosesseista, jotka johtavat planeettojen syntymiseen. Lukuisten hankkeiden avulla, jotka on suunniteltu etsimään eksoplaneettoja, voimme lopulta löytää vastauksen ikuiseen kysymykseen siitä, onko maailmankaikkeudessa muuta elämää [kuin omamme].

Tämän vuoden palkinnon saajat ovat muuttaneet ajatuksiamme kosmoksesta. Siinä missä James Peeblesin teoreettiset havainnot auttoivat ymmärtämään maailmankaikkeuden kehitystä alkuräjähdyksen jälkeen, Michel Mayor ja Didier Queloz tutkivat kosmisia lähialueitamme metsästääkseen tuntemattomia planeettoja. Heidän löytönsä ovat ikuisesti muuttaneet käsityksiämme maailmasta.” [Käännös englanninkielestä Kari A. Kuure]

Nobel-säätiö julkaisi myös kaksi syventävää artikkelia aiheesta. Nämä ovat
New perspectives on our place in the universe

ja tieteellisen julkaisun tapaan kirjoitettu artikkeli
Physical Cosmology and Exoplanet Orbiting a Solar-type Star

Kirjauutuus: Avaruudesta

Esko Valtaoja

Avaruudesta

Ursan julkaisuja 164

Ursa ry.

Nidottu 158 sivua

ISBN 978-952-5985-71-9

Esko Valtaojan kirjoittajan taidot tunnetaan, eikä hän petä tälläkään kertaa. Kirjanen – Avaruudesta – on mielenkiintoisesti kirjoitettu, ei niin syvällinen tai tieteellinen, vaan kepeää ajatuksen juoksua maan ja taivaan välillä. Kirja koostuu kymmenestä luvusta, joissa Valtaoja pohdiskelee maailmankaikkeuden tilaa, niin mustia aukkoja kuin avaruuden muukalaisia ja hieman tulevaakin, mitä se sitten lieneekin.

Pimeä aine, tyhjä tila, tai pimeä energia ovat myös kirjan lukujen aiheena. Valtoja toteaa, että emme oikeastaan tiedä siitä mitään tai korkeintaan hyvin vähän. Pimeää ainetta ja pimeää energiaa täytyy olla, muutoin ei havaitsemamme maailma toimi tai edes olisi tällainen kuin me sen voimme havaita. Jos maailmankaikkeus olisi toisenlainen, emme mekään olisi sitä ihmettelemässä. Jokapäiväinen elämänkokemuksemme vahvistaa tämän, maailmankaikkeus on mahdollistanut ihmisen ilmaantumisen maapallolle. Järki sanoo, että jos jokin asia olisi toisin, niin emme ehkä olisi täällä.

Onko maailmankaikkeutemme, siis se minkä voimme havaita, kaikki vai onko sen ulkopuolella jotakin. Tämäkin kysymys on alaan perehtyneelle tuttu kysymys. Luonnollisestikaan Valtaoja ei tähän anna mitään varmaa vastausta, kunhan vain pohdiskelee. 380 000 vuoden ikäinen maailmankaikkeutemme oli säteeltään 42 miljoonan valovuotta, siis se osa, jonka me voimme havaita tänään. Maailmankaikkeus oli varmaankin paljon suurempi niin sekunnin ikäisenä kuin nytkin. Meillä vain ei ole keinoja havaita sitä, sillä sieltä, hyvin kaukaa lähtenyt valo ei koskaan tavoita meitä.

Kirja Avaruudesta sopii kaiken ikäisille lukijoille. Sen voi turvallisin mielin antaa lapselle luettavaksi mutta kyllä siitä aikuisetkin saavat paljon pohtimisen aiheita. Kirjan luvut ovat lyhyitä, ne voi lukea yhdellä istumalla, tai vaikkapa bussimatkan aikana. Suosittelen.

Kari A. Kuure

Tabyn tähti ei ole ainoa

Tabyn tähti tuli tunnetuksi vuonna 2015, kun sen kirkkauden havaittiin muuttuvan epäsäännöllisesti niin kirkkauden kuin pimentymisien jaksottomuuden vuoksi. Tähden virallinen luettelotunnus on KIC 8462852 ja sen havaitsi Louisianan valtionyliopistossa työskentelevä Tabetha (Taby) Boyajian työryhmineen. Epäsäännöllinen himmentyminen sai joidenkin mielikuvituksen laukkaamaan ja niinpä lehdet uutisoivat havaintoja muukalaisten megarakenteiden aiheuttamaksi.

Tabyn tähti sijaitseen Joutsenen tähdistöss noin 1470 valovuoden etäisyydellä.
Kuva Wikimedia Commons.

Tarkempi havainnointi ja datan analysointi paljasti kuitenkin, että mistään megarakenteesta ja muukalaisista ei voi olla kysymys. Tähdestä tuleva valo nimittäin himmeni eri aallonpituuksilla eri tavalla. Megarakenne aiheuttaisi himmentymisen kaikilla valon aallonpituuksilla yhtäläisesti.

Toistaiseksi siis tähden satunnainen pimeneminen on edelleen arvoitus ja uusin tutkimus paljastaa, että arvoitus vain syvenee. Nebraska-Lincolnin yliopistossa työskentelevä tähtitieteilijä ja fyysikko Edward Schmidt on julkaissut tutkimuksen, jossa 21 muuta tähteä käyttäytyy hieman samaan tapaan kuin Tabyn tähti.

Tutkimuksessa Schmidt käytti aineistonaan vuosina 1999 ja 2000 koottua aineistoa muuttuvista tähdistä. Aineistosta hän karsi pois kaikki ne tähdet, joiden himmentyminen oli selitettävissä tavanomaisilla ja tunnetuilla mekanismeilla. Lopulta hänelle jäi 21 tähteä, joiden himmeneminen näytti epäsäännölliseltä ja niiden kirkkauden vaihtelu oli ennakoimatonta. Kaiken huippuna oli tähti EPIC 204376071, joka himmeni jopa 80 %.

Schmidt jakoi tähtiaineiston kahteen tyyppiin: hitaat ja nopeat muuttujat. Tähtiaineistossa oli 15 hidasta muuttujaa ja loput 6 olivat nopeita. Edelleen himmenemisen syyt ovat epäselvät mutta luokittelu antaa olettaa, että hitailla ja nopeilla muuttujilla on erilaiset olosuhteen, jotka himmenemistä aiheuttavat.

Tabyn tähti kuuluu hitaisiin muuttujiin. Kaiken lisäksi se näyttää pitkäaikaisessa seurannassa vuosien 1890 ja 1989 välillä himmenneen kokonaisuudessaan 0,193 magnitudin verran. Schmidtin tutkimus on tässä suhteessa pahasti kesken. Tässä vaiheessa tähdet ovat vasta tunnistettu omituisiksi muuttujiksi ja lisätutkimuksilla pyritään selvittämään ja kartoittamaan millaisista tähdistä oikeastaan on kyse. Tietysti myös kirkkauden muutoksen mekanismi on korkealla prioriteettilistalla.

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.

Kirjauutuus: Kosminen pimeys väistyy

Markus Hotakainen

Kosminen pimeys väistyy – Maailmankaikkeuden arvoituksia

Kustannusosakeyhtiö Otava 2019

ISBN 978-951-1-33144-5

Sidottu 287 sivua.

Markus Hotakaisen esittelyä tuskin tarvitaan, sillä tähtitieteen populaarikirjallisuutta ja Tähdet ja Avaruus -lehteä lukevat kyllä tunnistavat kirjoittajan hänen monista aikaisemmista teoksistaan ja lehtiartikkeleistaan. Niinpä otinkin hänen tuoreimman, Otavan julkaiseman Kosminen pimeys väistyy -teoksen hyvin mielelläni lähempään tarkasteluun.

Kirjan rakenne on perinteinen kertomus maailmankuvan kehittymisestä tutkimuksen avulla muinaisuudesta nykypäivään ja hieman tulevaisuuteenkin. Tarinan kehittely on järkevää, sillä mitä lähemmäksi nykypäivää kirjassa tullaan, sitä monipolvisemmaksi maailmankuvamme muuttuu. Hotakainen joutuu ottamaan välillä pienen takaumankin, jotta uudet tutkimukset voisi tuoda esille.

Kirjan kertomus (siitä tässä on todella kyse) lähtee siis liikkeelle muinaisista akkadilaisista Mesopotamiassa. Siitä siirrytään nopeasti Eurooppaan ja kaukoputken keksimiseen. Kaukoputkia oli ratkaiseva askel myös Galileo Galileille, sillä hän teki monia merkittäviä havaintoja, jotka muokkasivat maailmankuvaamme perusteellisesti. Itse asiassa Galileo loi tieteessä edelleen käytettävän metodin, joka perustuu havaintoihin vahvistettuna tieteellisillä teorioilla.

Galileon jälkeen tarina jatkuu edelleen pitkälti kaukoputken kehittämisen myötä. Pian tullaankin viimevuosisadan alkuun ja sen merkittäviin havaitsijoihin, löytöihin ja teorioihin. Luonnollisesti Albert Einstein kumppaneineen tässä kohtaa kirjaa on merkittävässä roolissa. Mutta tarina jatkuu ja pian päästäänkin maailmankaikkeuden synnyn äärelle. Hotakainen on hyvinkin ajan tasalla ja hän kertoo mielenkiintoisesti maailmankuvan muuttumisesta, olipa kyse alkuräjähdyksestä tai maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisesta.

Kirjan loppuosa on sitten omistettu pohdintoihin mahdollisista avaruuden muukalaisista sekä maailmankaikkeuden itsensä kohtalosta.

Hotakaisen teksti on helppoa luettavaa. Hän tarinoi ja rupattelee keskittyneesti ja ymmärrettävästi niin, että maallikkokin ymmärtää mistä on kysymys. Kirjoittaja ei sorru kovinkaan yksityiskohtaiseen piperrykseen jopa maailmankaikkeuden vaikeimpien kysymysten äärellä, tässä kohtaa Hotakaisen kokemus tähtitieteen popularisoijana tulee vahvasti esille.

Mielestäni kirja sopii jokaiselle tähtitieteestä ja tieteellisestä maailmankuvastamme ja sen kehittymisestä kiinnostuneille riippumatta siitä, kuinka vahva kokemus ja tieto lukijalla on. Kirjan voi antaa huoletta alle kymmenvuotiaan luettavaksi ja siitä saa paljon irti myös alan ammattilaiset, joiden työtehtävät saattavat rajoittaa merkittävästi yleiskäsityksen luomista tai se on jopa vanhentunut nopean kehityksen myötä.

Kari A. Kuure