Kosmokseen kirjoitettua

Lilliputtien sääennusteet

21.1.2024 klo 23.23, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Toissapäivänä Joonas Nättilä Columbian yliopistosta puhui Helsingin yliopiston (minne hän pian siirtyy) astrofysiikan seminaarisarjassa neutronitähtien säästä.

Neutronitähdet ovat suosittu tutkimusaihe. Niiden törmäyksiä on havaittu gravitaatioaalloilla, ja niiden lähettämien radiosignaalien avulla on kenties löydetty uudenlaisia gravitaatioaaltoja. Lisäksi NICER-koe kansainvälisellä avaruusasemalla mittaa neutronitähtien lähettämiä röntgensäteitä entistä tarkemmin.

Neutronitähdet ovat maailmankaikkeuden tiheimpiä kappaleita (jos mustia aukkoja ei lueta kappaleiksi). Neutronitähti syntyy kun raskas tähti romahtaa, mutta tähden massa ei ole tarpeeksi iso, että aine valahtaisi mustaksi aukoksi. Neutronitähtien säde on kymmenisen kilometriä, tuhat kertaa pienempi kuin Maan. Niiden massa on paljon Maata isompi, suunnilleen yhden ja kahden Auringon massan väliltä. Neutronitähden tiheys on niin iso, että protonit ja elektronit sulautuvat yhteen ja muodostavat neutroneita, jotka pakkautuvat tiiviisti.

Yksinkertaistaen voi sanoa, että neutronitähti on jättimäinen atomiydin. Kuten olen aiemmin kirjoittanut, tämän kuvauksen tarkkuus on suunnilleen sama kuin jos sanoisi Maan olevan iso kivi. Tarkemmin katsottuna niin Maan kuin neutronitähden sisällä on erilaisia kerroksia, ja pinnalla on ohut kerros merta ja ilmakehää.

Neutronitähtien kohdalla englannin sanan atmosphere suomennos ilmakehä on hieman harhaanjohtava, koska tuo kerros ei muodostu ilmasta, vaan vapaiden ydinten ja elektronien plasmasta, jonka lämpötila on kymmenen miljoonaa astetta.

Neutronitähdet ovat voimakkaan gravitaation takia paljon Maata tasaisempia. Neutronitähdissä vuorten korkeus on korkeintaan millimetri, vain kymmenesmiljoonasosa säteestä. Maapallolla vuoret ovat tuhannesosan säteestä korkuisia nyppylöitä pinnalla, yhtä korkeita kuin mitä meri on syvä ja vain vähän ilmakehän paksuutta pienempiä. Siksi Maassa pinnanmuodoilla on säähän iso vaikutus, neutronitähdissä pieni.

Neutronitähtien meren syvyys on noin kymmenen metriä ja ilmakehän paksuus noin kymmenen senttiä. On hauskaa, miten neutronitähdissä äärimmäinen tiheys ja korkea lämpötila yhdistyvät arkiseen kokoon. Neutronitähden meren syvyys on noin tuhannesosa sen säteestä, eli se on yhtä ohut kerros suhteessa kokoon kuin Maapallollakin. Ilmakehä on sen sijaan suhteessa ohuempi kuin Maapallolla. Toisin kuin Maassa, missä meren ja ilman välinen raja on selvä, neutronitähdissä siirtymä merestä ilmaan on tasaisempi. Nättilä mainitsikin, että olisi kiinnostava tutkia meren ja ilmakehän pintaa tarkemmin.

Kun Maapalloa katsoo avaruudesta, näkee vain sen mitä ilmakehässä ja merenpinnalla (ja maanpinnalla, koska Maa ei ole kokonaan meren peitossa) tapahtuu, syvemmälle ei näe. Sama pätee neutronitähtiin. Siksi näiden ylimpien kerrosten ymmärtäminen on tärkeää.

Tähän Nättilä on pureutunut. Hänen tutkimusryhmänsä on laskenut tarkoilla simulaatioilla, miten neutronitähtien meret ja ilmakehät käyttäytyvät, eli tehnyt sääennusteita neutronitähdille. Maassa sääilmiöitä ajaa Auringosta tuleva säteily sekä maansisäiset tapahtumat kuten maanjäristykset ja tulivuoret.

Jos neutronitähti ei ole yksin, vaan sillä on yksi tai useampia tähtiä seuralaisena, niistä putoava aine aiheuttaa sääilmiöitä. Neutronitähden voimakkaan gravitaation takia aine iskeytyy pintaan isolla nopeudella, ja voi saada aikaan ydinräjähdyksen ja sitä seuraavan tsunamin pikkumeressä. Toisaalta pulsareilla on myös yksityinen elämänsä: niillä on tähdenjäristyksiä, joita on havaittu häiriöinä niiden muuten hyvin säntillisessä pyörimisessä.

Pyöriminen vaikuttaa sekin säähän niin Maassa kuin neutronitähdissä. Maapallon pyörimiseen liittyvän Coriolis-vaikutuksen takia ilmavirrat kääntyvät pohjoisella pallonpuoliskolla oikealle ja eteläisellä vasemmalle. Pallonpuoliskojen rajalla, päiväntasaajalla, Coriolis-vaikutus saa aikaan pyörremyrskyjä.

Neutronitähdet pyörivät paljon nopeammin kuin Maa, niiden päivän pituus vaihtelee sekunnin tuhannesosasta sekuntiin. Tämä johtuu siitä, että kun aine pakkautuu pienempään kokoon, sen pyörimisnopeus kasvaa. Tavallinen esimerkki tästä on taitoluistelija, joka kiihdyttää pyörimistään vetämällä raajat lähelle keskiruumista. (Ilmiötä voi kokeilla myös hyvin öljytyillä toimistotuoleilla, joskin on syytä olla varovainen.)

Tämän takia neutronitähdissä pyörremyrskyt voivat olla paljon vahvempia ja kestää kauemmin kuin Maassa. Aurinkokunnan muissa kappaleissa näkyy samanlaisia ilmiöitä, esimerkiksi Jupiterissa on jatkuvia pyörremyrskyjä, joiden keskinäinen vuorovaikutus muodostaa nauhoja. Nättilän ja kumpp. tulosten mukaan samaa tapahtuu myös joissakin neutronitähdissä, riippuen niiden pyörimisnopeudesta ja magneettikentästä.

Magneettikenttä onkin tärkeä tekijä, joka erottaa neutronitähtien sään Maan säästä. Maapallon magneettikenttä on niin heikko, että sillä ei ole suurta vaikutusta säähän. Neutronitähtien magneettikenttä on pienimmillään noin sata miljoonaa kertaa voimakkaampi kuin Maassa, ja isoimmillaan noin miljoona miljoonaa kertaa voimakkaampi.

Mitä nopeammin neutronitähti pyörii, sitä pienempiä ovat pyörteet. Nopeimmin pyörivissä neutronitähdissä pyörremyrskyjen säde on noin sata metriä, hitaimmissa se on tähden koon suuruusluokkaa, jolloin nauhoja ei synny.

Nättilän tutkimusryhmä on laskenut sääennusteita neutronitähdille, jotka pyörivät hitaasti tai nopeasti, ja joiden magneettikenttä on heikko tai vahva. Nättilä mainitsi, että olisi kiinnostava siirtyä säästä ilmaston tutkimiseen. Se vaatii paljon pidempiä simulaatioita eli enemmän tietokoneaikaa. Nyt simuloitujen tapahtumien kesto oli enimmillään sekuntien luokkaa, ilmaston saamiseksi selville pitäisi seurata neutronitähteä viikkojen ajan.

Yksi tärkeä havainto sääsimulaatioista on se, että nopeasti pyörivän neutronitähden nauhat lähettävät röntgensäteitä kirkkaammin kuin jos aine olisi tasaisesti jakautunut. Koska NICERin ja muiden kokeiden havaitsemaa röntgensäteiden kirkkautta käytetään neutronitähtien koon arvioimiseen, nauhojen takia neutronitähteä saattaa luulla todellista pienemmäksi, mikä voi johtaa virheellisiin päätelmiin sen sisärakenteesta ja siten kvarkkien vuorovaikutuksesta.

Tämä on esimerkki fysiikan eri haarojen merkityksestä toisilleen. Havaintojen ja teorian tarkalla ymmärtämisellä yhdellä alueella voi olla yllättävää merkitystä aivan muualla. Neutronitähtien sään ennustamisessa käytetään kokemusta Maan ja muiden Aurinkokunnan kappaleiden sään tutkimuksesta, mikä on kvarkeista kaukana.

Päivitys (22/01/24): Korjattu väite myrskyjen kestosta.