sunnuntai 14. tammikuuta 2018

Maailmankaikkeuden kuumimmat ja kylmimmät paikat

Boomerang Nebula on toistaiseksi luonnossa kaikkein kylmin
paikka. Sen lämpötila on alempi kuin maailmankaikkeuden.
Kuva Wikimedia Commons.
Tähtitornilla usein kysytään avaruuden kuumimpia ja kylmimpiä paikkoja. Vastausta ei kuitenkaan ole kovinkaan helppoa antaa, sillä se riippuu hieman kysymyksen muotoilusta mitä kysyjä oikeasti haluaa tietää.

Usein kysytty lämpötila[1] on Auringon ytimessä vallitseva lämpötila. Vastaus on suhteellisen helppo, sillä erilaiset mallit Auringon toiminnasta ovat suunnilleen yhtä mieltä, että ytimen lämpötila on noin 15 miljoonaa Kelviniä[2]. Tosin, Aurinko ei ole ytimeltään kuumin tähti, ei edes lähellä sitä, sillä Aurinkoa suurempien ytimien lämpötila täytyy olla paljon enemmän. Ehkä kuumimpia tähtien ytimiä ovat supernovien lämpötilat, jotka kohoavat 3 miljardin Kelvin-asteeseen.

Jos otamme maailmankaikkeuden historian mukaan tarkasteluun, pääsemme helposti paljon korkeampiin lämpötiloihin. Esimerkiksi lämpötila oli noin 100 sekunnin ikäisessä maailmankaikkeudessa oli miljardi Kelviniä ja mentäessä ajassa edelleen taaksepäin 10-4 sekunnin ikäisessä maailmankaikkeudessa lämpötila oli biljoona Kelviniä (1012 K). Jatketaanpa ajassa taaksepäin ja tullaan aikaan, jolloin inflaatio päättyi. Silloin maailmankaikkeudella oli ikää 10-35 sekuntia ja lämpötila oli 1027 K eli 1000 kvadriljoonaa Kelvin astetta.

Ennen inflaatiota maailmankaikkeuden synnyttyä (ikä 0 sekuntia) lämpötilan lasketaan olleen 1,42×1033 K. Tätä lämpötilaa voitaneen pitää jonkinlaisena absoluuttisena kuumuutena ja siitä käytetään myös nimitystä Planckin lämpötila. Tätäkin korkeammat lämpötilat ovat saattaneet olla mahdollisia mutta fysiikan lakien säilymisestä näin äärimmäisissä oloissa ei ole olemassa tieteellistä näyttöä, joten korkeammista lämpötiloista emme voi tietää.

Palataanpa Aurinkoon ja edetään tarkastelemaan viileimpiä ja kylmempiä paikkoja maailmankaikkeudessa. Ytimen jälkeen seuraava askel kylmempään suuntaan on Auringon korona, jonka lämpötila on noin miljoonan Kelvinin luokkaa (riippuu hieman lähteestä mikä lämpötila sille ilmoitetaan).  Seuraavaksi pysytellään vielä aurinkokunnan alueella. Jupiterin ytimen lämpötilaksi ilmoitetaan kirjallisuudessa 24 000 K ja maapallon ytimen lämpötilaksi noin 6 000 K.

Tähtien pintalämpötilat ovat aina mielenkiintoisia, esimerkiksi Auringon pintalämpötila on noin 5 700 K. Monien muidenkin tähtien pintalämpötila on suunnilleen samoissa lukemissa, kuten Pohjantähdellä pintalämpötila on noin 6 890 K.

Monet aineet kiehuvat tai sulavat hyvin korkeissa lämpötiloissa. Hiilen kiehumispiste[3] on 4 300 K ja sulamispiste[4] 3 723 K. Rautakin kiehuu hieman viileämmässä, sillä sen kiehumispiste saavutetaan noin 3 100 K lämpötilassa. Tämän jälkeen viileämpään suuntaan mentäessä löytyisi valtava määrä meille tuttuja lämpötiloja, joten hypätään ne yli ja jatketaan ihmisen kannalta kylmäksi luokiteltavissa lämpötiloista.

Pakkasen paukkuessa nurkissa voi tapahtua niin, että elohopeamittari jämähtää paikoilleen. Elohopean sulamispiste kun on -39 °C. Vain spriitä sisältävät lämpömittarit (elektronisten mittareiden lisäksi) toimivat tätä kylmemmissä olosuhteissa[5].

Kuten varmasti jokainen meistä tietää, englanninkielisissä maissa käytetään edelleen hyvin yleisesti Fahrenheit -lämpötila-asteikkoa.  Kun kylmyyttä on -40 astetta, niin Celsius- kuin Fahrenheit- mitta-asteikoilla varustetut lämpömittari näyttävät samaa lukemaa.

Toistaiseksi aurinkokunnan kylmin paikka on Pluto,
sillä sen kaaukehässä leijuvat jääkiteen viilentävät
pintaa huomattavasti. Kuva Wikimedia Commons.
Mikään uutinen ei ole, että aurinkokunnan ulkolaidoilla olevat planeetat (ja muut kappaleet) ovat kylmiä. Uranuksen lämpötilaksi ilmoitetaan -216 °C. 

Muutkin planeetat ja kääpiöplaneetat ovat hyvin lähellä näitä lukemia. Pluton ilmakehässä esiintyvä typpijääkidesumu viilentää alempana olevia ilmakerroksia ja pintaa jopa -240 °C lämpötilaan ja keskilämpötilakin on -229 °C.  Pluton ilmakehä on voimakkaasti inversoitunut, eli lämpötila on korkeampi ylemmässä ilmakehässä.

Avaruudessa olevista tähtisumuista on mitattu vieläkin kylmempiä alueita. Kylmin koskaan mitattu sumun Boomerang Nebulan lämpötila on vain 1 K päässä absoluuttisesta nollapisteestä. Maailmankaikkeuden omaa lämpötilaa (noin 2,7 K) kylmempi sumun lämpötila johtuu sumun nopeasta laajenemisesta (adiabaattinen laajeneminen), jolloin maailmankaikkeuden lämpötila ei ehdi lämmittää laajenevaa sumua riittävästi ja lopputuloksena on maailmankaikkeutta kylmempi alue.

Kosmisen taustasäteilyn (CMB) lämpötila on siis noin 2,7 K. Tämä lämpötila on kuitenkin keskiarvo ja siinä on jonkin verran vaihtelua. CMBn kylmin alue on noin 70 µK viileämpi ja kaikkein kylmin kohta on 140 µK viileämpi kuin keskimääräinen lämpötila.

Ihmisen valmistamilla laitteilla päästään suhteellisen helposti vielä kylmempiin lämpötiloihin. Heliumin kiehumispiste on -269 °C ja sen haihtuessa esimerkiksi monien avaruuskaukoputkien havaintoinstrumenttien lämpötilat saadaan laskettua -270 °C alapuolelle. Laboratorioissa tutkijat ovat onnistuneet laskemaan lämpötiloja noin asteen miljardisosan (= 0,000 000 000 1 K = 100 pK) päähän absoluuttisesta nollapisteestä (-271,15 °C, 0 K). Kylmyys ennätys tehtiin vuonna 2000 Teknillisessä korkeakoulussa Espoossa.

Absoluuttinen nollapiste -273,15 °C matalin ikinä kuviteltavissa oleva lämpötila. Sitä ei pystytä saavuttamaan, vaikka hyvin lähelle sitä päästäänkin, sillä aineen lämpöliikettä ei voida millään käytettävissä olevin keinoin täysin poistaa. Tämä perustuu Heisenbergin epätarkkuusperiaatteeseen, jonka mukaan atomien liikemäärä ja paikka eivät voi olla määritetty samanaikaisesti. Millä tahansa kuviteltavissa olevalla koejärjestelyllä voidaan määrittää jompikumpi mutta ei molempia samanaikaisesti.

Fysiikan kummallisuuksiin kuitenkin kuuluu se, että absoluuttista nollapiste voidaan sivuuttaa tai hypätä yli eräillä koejärjestelyillä.  Jos ja kun kokeessa testiaineen kiderakenteen atomien magneettiset momentit saadaan suuntautumaan ulkoista magneettikenttää vastaan. Tällöin järjestelmän entropia[6] on hyvin matala (matalampi kuin jos magneettiset momentit ovat kentän suuntaisia). Tällaisen järjestelmän lämpötila on negatiivinen (pienempi kuin absoluuttinen nollapiste) mutta järjestelmä ei kuitenkaan ole absoluuttista nollapistettä kylmempi. Tällaisella järjestelyllä voidaan saavuttaa tiloja, joita voidaan yhtä hyvin pitää kuumempina kuin mikään positiivisen lämpötilan järjestelmää. Näin ollen järjestelmän lämpötila voi olla samaan aikaan sekä kuumin, että myös kylmin mahdollinen lämpötila. Sanomattakin lienee selvää, että mikään luonnossa esiintyvä järjestelmä ei itsekseen tällaista tilaa voi saavuttaa.

Hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa maailmankaikkeuden kosminen taustasäteilyn lämpötila laskee hyvin matalaksi laajenemisen seurauksena. Jos ja kun kaikki materia on hävinnyt eri prosesseissa, voidaan ajatella, että maailmankaikkeuden lämpötila[1] lähestyy asymptoottisesti absoluuttista nollapistettä. Maailmankaikkeuden kaukaista tulevaisuutta ei kuitenkaan voi ennustaa nykyfysiikan keinoin, joten edellä kuvattua lämpötilan absoluuttisen lämpötilan lähestymistä voidaan pitää vain yhtenä mallina muiden joukossa.

Huomautukset

[1] Lämpötilalla ymmärretään kappaleen atomien lämpöliikettä. Mitä korkeampi lämpötila sen kiivaampaa lämpöliike on! Voidaan hyvin kysyä, että onko lämpötilaa ilman ainetta ja ainetta ilman lämpötilaa!

[2] Lämpötilan mittaamisessa käytetään monia erilaisia asteikkoja. Fysiikassa lämpötila mitataan Kelvin-asteina, jonka asteikon nollapiste on absoluuttisessa nollapisteessä (-273,15 °C). Kelvin asteet ilmoitetaan Kelvineinä ja niiden tunnus on K-kirjain.

Muita lämpötilasteikkoja ovat Celsius ja Fahrenheit. Celsius-asteikko on meille tuttu, sillä sen nollapiste on veden sulamispisteessä (273,15 K) normiolosuhteissa. Celsius- ja Kelvin-asteikko ovat yhteneviä siinä mielessä, että niiden asteen muutos on yhtä suuri, siis jos lämpötila kohoaa tai laskee yhden asteen, niin muutos on yhtä suuri molemmilla asteikoilla mitattuna.

Englantia puhuvissa maissa käytetään edelleen Fahrenheit-asteikkoa, jonka nollapiste (0 °F) vastaa -17,8 °C lämpötilaa. Veden kiehumispisteen lämpötila on (normiolosuhteissa) 212 °F. Asteikon syntyhistoria on pitkä ja siihen voi tutustua mm. Wikipediassa!

Asteikkojen väliset muunnokset ovat suhteellisen helppoja, joskin muunnoskaavan muistaminen voi olla työlästä jos muuntamista tarvitsee harvoin.

[3] Kiehumispisteessä atomien ja molekyylien (hiukkaset) lämpöliike on niin nopeaa (suurienergistä), että hiukkaset irtoavat eli höyrystyvät kiehuvasta aineesta.

[4] Sulamispisteessä atomien ja molekyylien lämpöliike on niin voimakasta, että kiinteän aineen kiderakenne (jos sellainen on) rikkoontuu ja hiukkaset pääsevät vapaasti vaeltamaan. Esimerkiksi jään muuttuminen nestemäiseksi vedeksi tapahtuu sulamispisteessä. Lämpötila ei sulamisessa muutu, sillä nolla-asteisen jään sulaessa syntyy nolla-asteista vettä.

[5] Etyylialkoholin jäätymispiste on -114,1 °C. Seosaineet, kuten vesi, nostaa jäätymispistettä. Näin ollen 45 % vesi-alkoholiseos jäätyy -27 °C lämpötilassa.


[6] Termodynamiikassa entropia eli epäjärjestysen määrä kasvaa maailmankaikkeuden mittakaavassa vääjäämättä. Teknisillä ratkaisuilla voidaan suljetun järjestelmän entropiaa pienentää, mutta se tapahtuu muun maailmankaikkeuden entropian kasvattamisen kustannuksella.


torstai 28. joulukuuta 2017

Neutronitähtien sulautumisessa syntyi musta aukko

Havaitut gravitaatioaallot. Kuva LIGO/Virgo-observatoriot.
Elokuun 17. päivänä havaittu kahden neutronitähden yhteen sulautuminen aiheutti gravitaatioaaltoja, jotka havaittiin toiminnassa olleilla LIGO- ja Virgo-observatorioilla. 

Uusimpien tutkimusten[1] mukaan kaksi neutronitähden (massat 1,48 ± 0,12 MSun ja 1,26 ± 0,1 MSun) törmäyksestä aiheutuneita  gravitaatioaaltoja havaittiin yli 100 sekunnin ajan. Sen lisäksi tapahtumaa havaittiin[2] monilla muilla havaintovälineillä aina röntgensäteilystä radioaaltoihin asti.

Tutkimuksen mukaan 2,74 + 0,04-0,01 MSun massainen kompakti kohde on todennäköisesti musta aukko, sillä joulukuun 3 ja 6. päivinä tehdyt röntgenhavainnot eivät vastaa massiivisen  ja erittäin voimakkaan magneettikentän omaava neutronitähden aiheuttamaa säteilyä. 

Havainnot eivät vastaa  neutronitähtien kertymäkiekon säteilyä, sillä röntgensäteily oli aivan liian kirkas ollakseen lähtöisin kertymäkiekosta. Säteilylähde ei myöskään voinut olla relativistisella nopeudella etenevä hiukkassuihku, sillä sellaisen vuo olisi himmeämpi 102 vuorokauden jälkeen.  

Tutkimuksen mukaan röntgensätely on peräisin sulautumisen aiheuttamasta sokkiaallon vuorovaikuttaessa  tähtienvälisen aineen kanssa ja havainnot viittaavat siihen, että neutronitähdistä todennäköisesti syntyi musta aukko.

Huomautukset

[1] Trinity yliopiston, Texasin yliopiston ja Kalifornian yliopiston Eureka tieteellisen tutkimusryhmän tutkijoiden julkaisema tutkimus
David PooleyPawan KumarJ. Craig Wheeler:  GW170817 Most Likely Made a Black Hole;
arXiv:1712.03240
 [astro-ph.HE]




tiistai 26. joulukuuta 2017

3200 Phaethon on suurempi kuin aikaisemmin arvioitiin

Tutkakuvasarja 3200 Phaetonista otettiin Arecipo-
radioteleskoopilla joulukuun 17. päivänä Puerto Ricossa.
Kuva Arecibo/NASA/NSF.
Kivikomeetta 3200 Phaethon osoittautui joulukuun 17. päivänä tehtyjen tutkamittausten mukaan olevan noin 20 % suurempi kuin mitä aikaisemmin arvioitiin. Tutkamittaukset tehtiin Puerto Ricossa olevalla Arecibo-radioteleskoopilla.

Puerto Rico kärsi paljon vaurioita syyskuun 20. päivänä hurrikaani Marian riehuessa alueella. Arecipo selvisi pienin vaurioin mutta se on ollut pois käytöstä, sillä vaurioita, mm. sähkön syöttö observatoriolle ei vielä ole korjattu. Radioteleskooppi saatiin kuitenkin toimimaan varavoimakoneen tuottamalla sähköllä ja mittaukset tehtyä juuri ajallaan.

3200 Phaethon osoittautui olevan kutakuinkin pyöreä kappale, jonka koko on noin 6 km. Aikaisemmin sen kooksi arvioitiin hieman alle 5 km. Tutkakuvassa näkyy mielenkiintoinen yksityiskohta: asteroidissa on iso onkalo, joka näkyy tutkakuvassa tummana. Onko kyseessä varsinainen luola vain onko se vain painauma, meteorikraatteri tms. ei ole selvillä. Kuvan tarkkuus ei anna mahdollisuuksia enempään analyysiin.

Ohitushetkellä Phaethon oli noin 10 miljoona km etäisyydellä maapallosta. Vaikka etäisyys tuntuu isohkolta, niin kyse oli kuitenkin lähiohituksesta. Kivikomeetaksi kappaletta kutsutaan sen vuoksi, että sen rata täsmää geminidien meteoriparven radan kanssa ja sitä pidetäänkin parven muodostaneena komeettana.

Kappaleen komeettamainen luonne ilmeni vuonna 2009 kun NASAn STERO-A-luotain onnistui valokuvaamaan Phaethonilta koman ja hennon pyrstön. Näyttääkin siltä, että Phaethonin pinnalla on paksu kiviaineksesta muodostunut kuori, joka estää suurempien vesimäärien haihtumisen. 

3200 Phaethonin koma ja pyrstö näkyvät näissä kuvissa hyvin selvästi.
Kuva tutkimuksesta The Dust Tail of Asteroid (3200) Phaethon
David Jewitt1, Jing Li and Jessica Agarwal
arXiv:1306.3741v1 [astro-ph.EP] 17 Jun 2013.



Kuoren synty on helposti selitettävissä sillä, että kappaleen periheli on vain 0,14 au etäisyydellä Auringosta ja se tapahtuu 1,433 vuoden välein. Auringon lämpö haihduttaa kaikki helposti haihtuvat jäät, mutta jättää jäljelle kiviaineksen. Phaeton on sen verran massiivinen, että sen gravitaatio pitää kiviaineksen kappaleen pinnalla eikä päästä sitä kovinkaan helposti ajelehtimaan avaruuteen.

3200 Phaethon kuuluu PHO ryhmään Maata lähestyvissä kappaleissa. Lyhimmillään kappaleen rata tuo sen 2,9 miljoonan kilometrin etäisyydelle maapallosta. Näin tulee tapahtumaan seuraavan kerran vuonna 2093. Sekin on vielä suhteellisen turvallinen etäisyys, sillä asteroidi on sen verran massiivinen, että sen rata ei kovin vähäpätöisistä häiriöistä muutu törmäyskurssiksi. Kaukaisessa tulevaisuudessa kaikki on kuitenkin mahdollista.






torstai 21. joulukuuta 2017

Kirjauutuus: Tähdet ja maailmankaikkeus yksissä kansissa

Hannu Karttunen
Tähdet ja maailmankaikkeus
Universumi pähkinänkuoressa

Uudistettu painos
Nidottu 329 sivua
ISBN 978-951-1-32036-4
Otava Oy 2017

Jos kirjan tekijä ja otsikko tuntuvat tutulta, niin selitys sille on, että kirja on ilmestynyt vuonna 2005 Otavan Mitä-Missä-Milloin sarjassa samalla nimellä. 

Uudistetussa painoksessa tehdyt päivitykset ovat vähäisiä ja niitä on tehty suurimmaksi osaksi vain planeettoja koskeviin lukuihin. Tähtivalokuvauksesta on pudotettu filmien osuus pois. Mutta mitäpä sitä hyvää korjaamaan, vaikka pari kuvaa olisi voinut uudistaa vastaamaan nykypäivän teknistä tasoa.

Kirja kertoo, kuten nimikin jo viittaa, lähes kaikkeen nykypäivän käsitykseen maailmankaikkeuden rakenteesta. Sen lisäksi kirjassa on katsaus tähtitieteen historiaan, jonkin verran teknistä teoriaa ja tietysti kirjassa kerrotaan planeetoista, tähdistä, galakseista ja maailmankaikkeuden rakenteesta. Kirjan loppupuolella on käsitelty hieman elämän edellytyksiä universumissa ja tähtiharrastuksen aloittamista.

Karttusen teksti ja piirrokset ovat havainnollisia ja selvästi mietittyjä. Lukijalle syntyy selkeä kuva siitä, millainen tieteellinen käsitys maailmankaikkeuden rakenteesta on. Kirja soveltuu niin nuorille ja aikuisille, sillä teksti on hyvin asiallista ja riittävän syvällistä, Nuorten ja vasta-alkajien on sitä helppo lukea ja ymmärtää. 

Suosittelen kirjaa joko omaksi tai lahjaksi kaikille tähtitieteestä ja maailmankaikkeuden rakenteesta kiinnostuneille.

Kari A. Kuure


sunnuntai 17. joulukuuta 2017

Miksi meteoroidi pirstoutuu ilmakehässä?

Tseljabinskin meteoroidi jätti jälkeensä komea tiivistymisvanan.
Kuva Wikimedia Commons
.
Professori Jay Melosh’in[1] johtama tutkimusryhmä on selvittänyt tietokonemalleilla kuinka ja miksi Tšeljabinsk’in[2][3] yllä ilmakehään tunkeutunut meteoroidi pirstoutui. 

Luonnollisesti sama mekanismi hieman varioiden toimii kaikkiin avaruudesta ilmakehään tunkeutuvissa luonnollisissa kappaleissa. Tšeljabinskissa avaruudesta ilmakehään syöksyneen meteoroidin massa[4] oli arviolta noin 10 000 tonnia ja siitä maanpinnalle päätyi noin 0,1 % eli hieman alle tuhat kiloa.

Tutkimuksen mukaan suurin syy pirstoutumisen on kappaleeseen suurella paineella tunkeutunut ilma. Avaruudessa olevat meteoroidit ovat luonnostaan huokoisia jopa niin, että yli 20 % niiden tilavuudesta on suurempia ja pienempiä onkaloita. Osa huokosista on yhteydessä toisiinsa. Huokoisuuden lisäksi kiviaines on luonnostaan haurasta.

Tšeljabinsk in meteoroidin nopeus ilmakehään tullessa oli yli 50-kertainen äänennopeuteen verrattuna, joten kappale muodosti eteensä (ilman kompressoituessa) sokkiaallon, joka levisi äänennopeudella ympäristöön. Sokkiaallon ja meteoroidin pinnan rajapinnassa paine nousu hyvin suureksi, jolloin ilmaa tunkeutui meteoroidiin huokosten kautta. Vastaavasti jättöpuolella meteoroidia oli täydellinen tyhjiö. Paine-ero meteoroidin sisäisen paineen ja etenkin jättöpuolen välillä johti kappaleen räjähdyksen kaltaiseen pirstoutumiseen.

Varsinainen hajoaminen tapahtui noin 15 – 20 km korkeudessa[5] ja kappaleen liikerata oli lähes maanpinnan suuntaista. Näin ollen ympäristöön levinnyt sokkiaalto aiheutti maanpinnalla tuhoa laajalla alueella rikkomalla ikkunoita ja sortuipa yksi tehdasrakennuksen seinä äkillisestä paineesta.

Tutkimuksessa ei selvitelty sitä, kuinka kompressoituneen ilman aiheuttama kuumuus ja sen vaikutuksesta pinnan sulaminen ja ablaatio (haihtuminen)[6] vaikuttivat ilmapaineen tunkeutumiseen meteoroidin sisään. Ainakin pienemmissä kappaleissa olettaisi sillä olevan suuri merkitys.


Huomautus

[1] Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences at Purdue University.

[2] 15.2.2013

[3] Venäjällä

[4] Meteoroidin alkuperäiseksi kooksi arvioitiin 17–20 m.

[5] Pirstoutumiskorkeudesta on useita eriäviä käsityksiä eri lähteissä. Ilmeisesti isompien kappaleiden irtoaminen johti siihen, että meteoroidin kappaleet pirstoutuivat eri korkeuksilla. Vastaavasti yliäänipamauksia kuultiin useita perättäisiä, joskin jotkut niistä olivat varmaankin heijastumia rakennuksista.

Meteoroidin pirstoutumiskorkeuteen vaikuttaa nopeuden ja koon lisäksi kappaleen lujuus, materiaali ja sen huokoisuus. Lisäksi pirstoutumiskorkeuteen vaikuttavat saapumiskulma ja mahdolliset avaruudessa syntyneet halkeamat ja murroslinjat. Lisäksi kosmisen säteilyn aiheuttamat kiderakenteen virheet ja rapautumiset vaikuttavat kappaleen lujuuteen ja kestävyyteen.

[6] Ablaatio poisti meteoroidin massasta 99,9 % ennen kuin se saavutti maapinnan

Lähde

M.E. Tabetah & H.J.Melosh; Air penetration enhances fragmentation of entering meteoroids; Meteor & Planetary Science, 11.12.2017 onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/maps.13034/full