Vieraskynä: Hiljainen kääpiögalaksi aikojen alusta

24.5.2024 klo 11.11, kirjoittaja
Kategoriat: Vieraskynä

Laura Savikoski

Galaksit ovat valtavia pölyn, kaasun, tähtien ja pimeän aineen muodostamia dynaamisia systeemejä. Niissä syntyy tähtiä massiivisten, enimmäkseen neutraalista vedystä koostuvien, kylmien kaasupilvien tiivistyessä ja lopulta luhistuessa kokoon oman painovoimansa vaikutuksesta. Galaksien muoto ja koko, sikäli kuin ne ovat havaittavissa, antavat meille tietoa niiden erilaisista tähtisukupolvista. Esimerkiksi siniset spiraaligalaksien ilmeikkäät haarat ovat omanlaisiaan tähtitehtaita, joissa syntyy jatkuvasti uusia nuoria tähtijoukkoja, kun taas punaiset ellipsigalaksit koostuvat suurelta osin vanhoista tähtijoukoista.

Suurin osa havaittavan maailmankaikkeuden galakseista on kuitenkin ensisilmäyksellä vaatimattomammalta vaikuttavia kääpiögalakseja, eli galakseja, joiden kokoluokka alittaa miljardin Auringon massan. Vertailun vuoksi oman Linnunratamme massaan mahtuisi keskimäärin yli tuhat miljardia Aurinkoa. Nämä himmeät kohteet toimivat meille kurkistusikkunana varhaiseen maailmankaikkeuteen, jossa ensimmäiset galaksit lienevät olleet nimenomaan kääpiöitä, joiden kehitys ja myöhemmät vaiheet toimivat rakennuspalikoina suurempien galaksisysteemien synnylle.

Vastikään julkaistun tutkimuksen mukaan Cambridgen yliopiston johtama kansainvälinen tutkimusryhmä onkin löytänyt vanhimman ja kaukaisimman galaksin, jossa tähtiensynty on tutkitusti hiljentynyt. Kyseessä on Sulatusuunin tähdistön JADES-GS-z7-01-QU, 13 miljardia vuotta sitten muodostunut kääpiögalaksi. Se löydettiin osana James Webb -avaruusteleskoopin Advanced Deep Extragalactic Survey- eli JADES-tutkimusta, teleskoopin lähi-infrapuna-alueen kameraa käyttäen. Sen massaan mahtuisi keskimäärin 500 miljoonaa Aurinkoa ja näin ollen sen kokoluokka vastaisi Pientä Magellanin pilveä, yhtä Linnunradan lähimmistä seuralaisgalakseista. Pienestä Magellanin pilvestä poiketen tässä kääpiögalaksissa ei tosin enää muodostu tähtiä, vaan se hiljeni lyhytikäisenä tuotettuaan tähtiä nopeana ryöppynä muutamien kymmenien vuosimiljoonien ajan.

JADES-GS-z7-01-QU on pieni kääpiögalaksi Sulatusuunin tähdistössä. Se näkyy kuvassa suurennettunakin vain pienenä keltaisena täplänä. Kuva JADES Collaboration

Tähtienmuodostumisnopeudet ja -vaiheet vaihtelevat galakseittain

Linnunrataa lähimpänä olevat galaksit, joita voidaan havaita pienemmällä punasiirtymän arvolla kuin 3 – eli jotka ovat muodostuneet noin 2 miljardia vuotta alkuräjähdyksestä – voidaan karkeasti jakaa kahteen luokkaan: on galakseja, joissa tapahtuu aktiivista tähtiensyntyä ja uusia tähtiä siis syntyy tasaisella tahdilla, ja passiivisempia, lepotilassa olevia galakseja, joissa uusia tähtiä ei enää synny miltei ollenkaan. Näiden välissä on liuta välimuotoja, joissa tähtien tuotanto hidastuu suhteellisen verkkaiseen tahtiin. Galaksia voidaan kutsua hiljentyneeksi tai tukahtuneeksi, kun siinä ei enää aktiivisesti synny uusia tähtiä ja tähtijoukkoja. Sen kaasuvarannot ovat tällöin ehtyneet joko ympäristön tai sisäisten prosessien aikaansaamana. Toisin kuin tähdillä, jotka saattavat kokoluokastaan riippuen käydä elinkaarensa päätteessä mullistavan muodonmuutoksen punaiseksi jättiläiseksi taikka näyttäväksi supernovaräjähdykseksi, galaksin ”kuolema” on vähemmän näyttävä, tähtientuotannon ehtymisen aiheuttama himmeneminen.

JADES-GS-z7-01-QU on kooltaan kuin kuvan Pieni Magellanin pilvi, jonka voi havaita eteläisellä pallonpuoliskolla. Pienestä Magellanin pilvestä poiketen JADES-GS-z7-01-QU ei tämänhetkisen tiedon mukaan tuota uusia tähtiä. Kuva NOIRLab / NSF / AURA – Small Magellanic Cloud

Hyvin kaukaisilla galakseilla, toisin sanoen hyvin vanhoilla, maailmankaikkeuden alkuaikoina muodostuneilla yksilöillä, tilanne näyttää tätä kaksijakoista mallia monimuotoisemmalta. Nyky-ymmärryksen mukaan muinaisilla pienimassaisilla galakseilla tähtien syntynopeus saattoi olla hyvinkin sattumanvaraista. On mahdollista, että galaksien kehityskaarissa oli jaksoja, jolloin tähtiä muodostui nopealla tahdilla ja toisaalta vaiheita, jolloin tähtiä ei syntynyt juuri laisinkaan. Kummallisuus tilanteeseen tulee siitä, että jaksojen välinen muutos saattoi tapahtua hyvin lyhyessä aikaskaalassa – niin lyhyessä, että pelkkä tähtiensyntyprosessin aiheuttama kaasun väheneminen ei enää selitä sitä.

Sammuneita galakseja on toki löydetty aiemminkin, mutta kooltaan ne ovat olleet vähintään yli sata kertaa tätä yksilöä massiivisempia, eivätkä yhtä kaukaisia. Niitä on havaittu punasiirtymällä, jonka arvo on korkeintaan 5, eli maailmankaikkeuden ollessa noin 1,2 miljardin vuoden ikäinen. Tämä tekee tutkimuksen galaksista tähän mennessä vanhimman todistetusti hiljentyneen galaksin.

Tutkimus osoittaakin, että kyseinen vanha kääpiögalaksi on käynyt läpi vaiheen, jossa siinä tapahtui aktiivista uusien tähtien muodostumista 30-90 miljoonan vuoden ajanjaksolla, kunnes 10-20 miljoonaa vuotta sitten tähtiensynty yhtäkkiä lakkasi. On vielä epäselvää, onko tähtiensynnyn tukahtuminen lopullista vaiko vain yksi vaihe muinaisen galaksin merkillistä elinkaarta – on mahdollista, että kyseessä on vain hiljaisempi vaihe, joka odottaa galaksin uudelleen heräämistä.

Näin sammutat galaksin: Pikaohje

Galaksien kaasuvarannot ovat jatkuvassa kierrätyksessä, kun molekyylipilvistä muodostuu tähtiä. Tällöin osa alkuaineista sitoutuu tähteen, jonka fuusioreaktiot synnyttävät ajan saatossa vetyä raskaampia alkuaineita, jotka tähden elämänkaaren lopussa pääsevät leviämään jälleen osaksi tähtienvälisen aineen kiertokulkua. Jos tähtiensyntytahti on paljon keskimääräistä nopeampi, on mahdollista, että kaasuvarannot kuluvat loppuun ennen kuin materiaa ehtii palata tähtien kuolemien kautta takaisin kiertoon, ja galaksi ikään kuin ”nääntyy”. Jos tutkimuksen kääpiögalaksin hiljeneminen olisi ollut seurausta pelkästään kaasuvarantojen kuluttamisesta, olisi vaihdos aktiivisesta tähtientuotannosta lepotilaan tapahtunut pidemmän ajanjakson kuluessa. Tämän galaksin tapauksessa kaasupilviin olisi ehtinyt hitaamman prosessin aikana kertyä supernovaräjähdyksien seurauksena vetyä raskaampia alkuaineita, jolloin systeemissä pitäisi olla havaittavissa metallipitoisempia tähtiä.

Toisinaan, jos pienempi galaksi on massiivisemman seuralaisgalaksi, voi suurempi naapuri imeä gravitaatiollaan materiaa pienemmästä kiertolaisesta. Tällöin kääpiögalaksi menettää tähtien muodostamiseen vaadittavat pöly- ja kaasupilvensä suuremmalle osalliselle ja näin ollen sen tähtientuotanto lakkaa ympäristön olosuhteiden pakottamana. Jos kääpiögalaksin massa on tarpeeksi pieni, tähtien synty voi tukahtua myös ympäristön ionisoivan ultraviolettisäteilyn seurauksesta. Numeeriset simulaatiot kuitenkin osoittavat, että tutkimuksen kääpiögalaksi on massaltaan tähän liian kookas. Sen ympäristössä ei myöskään ole muita massiivisia galakseja, jotka olisivat voineet aiheuttaa tukahtumisen.

Tämän hiljaisen kääpiön tapauksessa onkin todennäköisempää, että kaasun nopea hupeneminen oli seurausta voimakkaasta ulosvirtauksesta, jossa kiihkeän tähtiensynnyn luoma säteilypaine ajoi kylmää kaasua vauhdilla ulos galaksista. Vaihtoehtoisesti kaasua olisi voinut ajautua keskustan supermassiivisen mustan aukon ympärille ja syöksyä sen ajamana galaksienväliseen avaruuteen, jolloin galaksi olisi köyhtynyt tähtienvalmistusmateriaaleistaan. Tämän jälkeen sen elinkaaressa alkoi hiljainen vaihe, jossa tähtiensynty väheni olemattomiin.

Pienen galaksin suuri merkitys tulevaisuuden mallinnuksissa

JADES-GS-z7-01-QU löydettiin alunperin osana JADES-ohjelmaa. Yllä on infrapunakuva taivaan GOODS-South-alueesta, jossa näkyvillä on yli 45 000 galaksia. Kuva NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (University of Arizona), Daniel Eisenstein (CfA); Kuvankäsittely: Alyssa Pagan (STScI)

Tietokonesimulaatioilla onkin ennustettu, että tähtien muodostumisen aiheuttaman säteilypaineen tai aktiivisten galaksiytimien johdosta varhaisen maailmankaikkeuden galakseissa on voinut tapahtua hetkittäisiä hiljaisia vaiheita periodisten tähtiensyntyryöpsähdysten lomassa. Hiljaiselon aikana galaksi pystyy jälleen kerryttämään tähtienvälisen aineen varastoaan kunnes materiaa on tarpeeksi, jotta tähtien tuotanto voisi jälleen alkaa ja galaksi herätä uudelleen eloon. Tämänpäiväiset mallinnukset eivät kuitenkaan vielä kerro kaikkea tutkimuksen hiljaisen kääpiön kokoluokan galaksien sammumismekanismeista. Nykymallit sille, miten tähdet muodostuvat galakseissa, perustuvat tuloksiin jotka on kerätty meitä paljon lähempänä sijaitsevista kohteista.

JADES-GS-z7-01-QU on kaiken kaikkiaan erittäin kaukainen ja pienikokoinen ja näin ollen hyvin himmeä kohde. Vuonna 2021 laukaistu James Webb -avaruusteleskooppi mahdollistaakin ennätyksellisen tarkkojen tutkimusten suorittamisen näinkin pienille ja kaukaisille kohteille. Tutkimuksesta saadut tiedot toimivat osanaan astinkivenä uudelle aikakaudelle. Nykyteknologian tarjoamilla tarkemmilla instrumenteilla voimme nähdä yhä syvemmälle maailmankaikkeuden historiaan ja tehdä suoria havaintoja muinaisesta universumistamme. Tarkemmat tutkimukset mahdollistavat edelleen uusien, varhaisen maailmankaikkeuden galakseja havainnollistavien teoreettisten mallien määrittämisen.

Kirjoittaja on fysikaalisten tieteiden kandiohjelman opiskelija Helsingin yliopistossa.

Teksti on kirjoitettu osana Helsingin yliopiston opintojaksoa Kerro tähtitieteestä (Työelämätaidot II), jossa opiskeltiin tähtitieteen popularisointia ja yleistajuisten tekstien tuottamista. Ursa julkaisee kurssin harjoitustöiden parhaimmistoa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Vieraskynä: Aktiivinen Aurinkomme

20.5.2024 klo 10.50, kirjoittaja
Kategoriat: Ilmiön takana , Vieraskynä

Mari Pitkäranta

Alkuvuodesta Auringon pinnalla on saatu havaita jännittäviä ilmiöitä, joissa plasmaa roiskuu ulos avaruuteen. Maaliskuun lopulla havaittiin kaksi vahvaa purkausta, joita kutsutaan roihuiksi. Myös helmikuussa tehtiin havaintoja useasta erityisen vahvasta roihupurkauksesta. Havainnot tehtiin Nasan Solar Dynamics Observatory eli SDO-satelliitilla.

Nimitys roihu (myös soihtu tai flare) viittaa hätäsoihtua muistuttavaan leimahdukseen, mikä nähdään Auringon pinnalla, kun se vapauttaa intensiivisessä purkauksessa säteilyä avaruuteen. Roihut luokitellaan vahvuuden perusteella luokkiin B, C, M tai X. Luokkien välillä on 10-kertainen vahvuusero ja kirjaimen perään lisätään vahvuutta tarkentava luku. Näistä X-luokan purkaukset ovat kaikkein vahvimpia.

Useiden vahvojen roihujen ilmeneminen kielii Auringon magneettisen aktiivisuuden lisääntymisestä. Aktiivisuudella tarkoitetaan, että havaitaan paljon sellaisia ilmiöitä, mitkä syntyvät, kun Auringon magneettikentässä tapahtuu muutoksia. Näitä ilmiöitä ovat esimerkiksi erilaiset purkaukset sekä pinnalla näkyvät tummat täplät eli Auringon pilkut. Ne näyttävät tummemmilta mitä ovat; todellisuudessa ne loistavat täysikuun lailla, ja kirkas ympäristö vain korostaa niiden himmeyttä. Pilkut syntyvät kohtiin, joissa magneettikenttä on erityisen vahva.

Auringon kuumalla pinnalla ei esiinny aina roihunkaltaista toimintaa, vaan aktiivisuus vaihtelee jaksoittain vähäisestä toiminnasta dramaattisiin purkauksiin ja täplien koristelemaan pintaan. Auringon persoonallisuusoikuista on tehty havaintoja jo satojen vuosien ajan, mutta ymmärrys niiden magneettisesta luonteesta on uusi.

Vasemmalla näkyvä vahva roihupurkaus 22. helmikuuta klo 22.38 (UT). Kuva on otettu SDO:n AIA-kameralla 304 Å filtterillä. Kuva Nasa / SDO

Varhaisimmat ilmiöt, joita Auringossa on havaittu, ovat olleet Auringon pilkkuja. Niistä on tehty havaintoja tuhansien vuosien ajan, sillä suurimmat niistä voivat näkyä ilman teleskooppiakin. Vanhimmat kirjalliset merkinnät pilkuista tehtiin muinaiskiinassa jo yli 2 800 vuotta sitten. Kun kaukoputket sittemmin kehitettiin 1600 -luvun alussa, voitiin pilkkujen lukumäärää seurata systemaattisesti. Ensimmäiset kaukoputkella tehdyt pilkkuhavainnot mielletään englantilaisen tähtitieteilijän Thomas Harrietin tekemiksi, jonka merkinnät havainnoista ovat vuodelta 1610. Samoihin aikoihin myös Galileo Galilei teki omat havaintonsa itsekehittämällään kaukoputkimallilla. Galileon merkinnät pilkuista on kirjattu vasta muutama vuosi Harrietin jälkeen.

Pilkkujen lukumäärää seurattiin satojen vuosien ajan, mutta niiden fysikaalista alkuperää ei vielä tunnettu. Näistä pilkkukalentereista on voitu arvioida Auringon aktiivisuus viimeiseltä neljältä vuosisadalta. Myös teoreettisilla malleilla on pyritty arvioimaan aktiivisuutta jopa 11 000 vuotta taaksepäin. Vasta 1900-luvun alussa tähtitieteilijä George Ellery Hale yhdisti pilkut vahvaan paikalliseen magneettikenttään, mikä antoi pilkuille fysikaalisen perustan. Pilkut eivät olleet enää vain tummia täpliä Auringon pinnalla, vaan mysteerisen magneettikentän tuottamia ilmiöitä.

Magneettikentän synty

Aurinko on positiivisista ja negatiivisista varauksista koostuvaa kaasua eli plasmaa. Sen uloimmat kerrokset (noin 30 % Auringon paksuudesta) siirtävät lämpöenergiaa menetelmällä, jota kutsutaan konvektioksi. Kuten kiehuvassa vesikattilassa, pohjasta pulpahtelee kuplia pinnalle, kun kuumat kuplat pyrkivät viileään ilmaan. Samoin Auringossa plasmakuplista eli konvektiokuplista kuumemmat kohoavat alakerroksista pinnalle ja siirtävät mukanaan valoa ja lämpöä. Tämä pinnan konvektio yhdessä Auringon pyörimisliikkeen kanssa tuottavat sille magneettikentän. Mekanismia kutsutaan nimellä dynamo, ja sen täsmällistä muotoa ei vielä tunneta.

Aurinko on kuin valtava sauvamagneetti, jonka magneettikenttä voidaan kuvata viivoina. Viivat kiertävät magneetin ympäri lähtien pohjoisnavasta (pluspäästä) etelänapaan (miinuspäähän). Auringon kenttäviivat ovat kuitenkin monimutkaisesti järjestäytyneet solmuihin ja silmukoihin, ja alati muutoksessa. Magneettikentän muutokset tuottavat havaitsemamme ilmiöt Auringon pinnalla. Kun niitä tapahtuu paljon, sanotaan Auringon olevan aktiivinen.

Auringon magneettikenttää havainnollistavat viivat piirrettynä UV-kaistakuvan päälle. Magneettikenttäviivat ovat järjestyneet sotkuisasti. Aktiivisilla alueilla ne ovat tiheimpiä. Kuva Nasa / SDO

Aktiivisuuden ilmentymät

Roihu- eli flarepurkaus syntyy, kun solmussa olevat magneettikenttäviivat yhtäkkisesti uudelleenjärjestyvät vapauttaen suuren määrän energiaa. Tätä viivojen järjestäytymistä kutsutaan magneettiseksi rekonnektioksi, mikä käytännössä havaitaan vahvana energiapurkauksena. Roihu kestää vain muutamia minuutteja, mutta siinä ehtii vapautua paljon säteilyä ja varattuja hiukkasia. Roihussa vapautunut energia voi vastata miljoonaa tulivuorenpurkausta, vaikka Auringon normaalista energiantuotannosta se on vain muutamia prosentteja.

Roihujen lisäksi Auringolla esiintyy muitakin ilmiöitä. Prominenssit (toiselta nimeltään protuberanssit) ovat Auringon pinnalta nousevia plasmasilmukoita. Ne syntyvät, kun magneettikentän silmukka johdattaa plasmaa pinnasta ulos. Ne ovat tyypillisesti säiemäisiä ja voivat olla satoja tuhansia kilometrejä korkeita.

Usein eri ilmiöitä havaitaan samanaikaisesti toistensa läheisyydessä. Esimerkiksi roihujen ja prominenssien yhteydessä tavataan joskus koronan massapurkauksia, jolloin Aurinko raivokkaasti aivastaa suuren määrän hiukkasia atmosfääristään eli koronastaan ulkoavaruuteen. Ilmiöiden välinen teoreettinen yhteys on kuitenkin vielä epäselvä.

Kaikkein helpoiten havaittavissa oleva ilmiö on pilkku. Pilkku syntyy, kun vahva paikallinen magneettikenttä hidastaa plasman virtausta eli konvektiota Auringon syvemmistä kerroksista pinnalle. Tällöin lämpö siirtyy siinä heikommin, mikä himmentää ja jäähdyttää pinnan muutamalla tuhannella asteella. Himmentynyt pilkku näyttää kirkasta ympäristöään vasten tummalta täplältä. Auringon pintalämpötila on keskimäärin noin 5 600 °C, kun taas pilkun lämpötila on luokkaa 3 000 – 4 000 °C. Pilkku koostuu tummemmasta ytimestä eli umbrasta, ja yleensä sitä ympäröi haaleampi penumbra. Ne esiintyvät usein pareina, joiden magneettikenttä on erisuuntainen, ja muodostavat myös suurempia ryhmiä. Auringon ollessa aktiivinen pilkkuja esiintyy usein joitakin kymmeniä ja suurimmillaan niitä voi olla yli sata.

Vaikka kaikki edellä kuvatut ilmiöt ovat aktiivisuudesta johtuvia, pilkuilla on erityinen rooli aktiivisuuden seurannassa.

Pilkkuryhmä kuvattu Auringon pinnalla vuonna 2012. Pilkku koostuu sisemmästä tummasta umbrasta, ja sitä ympäröivästä vaaleammasta penumbrasta. Kuva Nasa, Alan Friedman (2012)

Auringon syklit

Aurinko tuottaa pilkkuja sykleissä, joiden aktiivisessa osassa syntyy paljon uusia pilkkuja ja hiljaisessa osassa hyvin vähän. Kun pilkkuja syntyy eniten, puhutaan aktiivisuuden maksimista, ja vastaavasti kun niitä syntyy vähiten, puhutaan minimistä. Minimin ja maksimin välistä aikaa kutsutaan Auringon sykliksi, ja sen pituus on keskimäärin 11 vuotta. Syklin vahvuus määräytyy siitä, kuinka paljon sen aikana havaitaan pilkkuja ja muita aktiivisuusilmiöitä Auringon pinnalla.

Sykli alkaa minimistä. Hiljaisen ajan jälkeen pilkkuja alkaa ilmestyä Auringon pinnalle. Niiden lukumäärä kasvaa nopeasti, ja ne muodostuvat Auringon napojen lähettyville. Yksittäiset pilkut kestävät muutamia päiviä tai viikkoja, ennen kuin kenttäviivat purkautuvat ja pilkku sotkeutuu ympärillä olevaan plasmaan. Pilkkuryhmät voivat olla havaittavissa joitakin kuukausia. Aktiivisena aikana havaitaan myös muita ilmiöitä kuten roihuja ja koronan massapurkauksia. Syklin lopussa pilkkuja syntyy vähemmän, ja ne sijaitsevat lähempänä Auringon päiväntasaajaa. Minimin aikana aktiivisuus on niukkaa, ja havaintoja pilkuista ei välttämättä tehdä moneen päivään.

Magneettikenttä kääntyy syklin aikana ympäri, yleensä maksimin tienoilla. Se palautuu alkuperäiseen suuntaansa siis kahden syklin aikana. Tätä kutsutaan Halen sykliksi ja sen kesto on noin 22 vuotta. Halen sykli on magneettikentän ”todellinen” syklin pituus, sillä tällöin kenttä palaa alkuperäiseen suuntaansa. Kuitenkin yleisesti puhutaan Auringon syklistä 11 vuoden jaksoina.

Ensimmäinen sykli alkoi 1755, jolloin Auringon syklien löytäjä Rudolf Wolf pystyi havainnoista jäljittämään selvän syklisyyden. Joulukuussa 2019 hiljaisen ajanjakson jälkeen alkoi nykyinen sykli nro. 25, joka kestänee vuoteen 2030. Yhdysvaltain valtameri- ja ilmakehätutkimusorganisaatio NOAA ennustaa syklin maltilliseksi edellisen syklin lailla. Yksittäisiä vahvoja ilmiöitä voi aina silti tapahtua. Pilkkujen huippumääräksi ennustetaan 115.

Aktiivisuuden aikana vapautuneet varatut hiukkaset kulkeutuvat Maahan aurinkotuulena. Aurinkotuuli virtaa maapallon napoja kohti, joissa se kohtaa ilmakehän, mikä tuottaa esimerkiksi näkemämme revontulet. Suurin osa säteilystä ei läpäise Maan ilmakehää. Aktiivinen Aurinko kuitenkin vapauttaa tavallista enemmän suurienergisiä hiukkasia ja säteilyä, joiden vaikutukset voivat olla haitallisia. Suurimmat roihupurkaukset voivat mm. häiritä radiosignaaleja tai navigaatiolaitteita. Aurinkotuuli voi myös olla riski satelliiteille sekä astronauteille. Maan päällä meitä onneksi suojelee ilmakehä, joten
saamme kokea Auringostamme vain suotuisat puolet.

Aktiivisuussyklin 25 roihuja voi seurata Nasan blogissa: https://blogs.nasa.gov/solarcycle25/2024/03/

Muita avaruussään ilmiöitä voi seurata NOAA:n avaruussääsivulta: https://www.spaceweather.gov/

Kirjoittaja on fysikaalisten tieteiden kandiohjelman opiskelija Helsingin yliopistossa.

Teksti on kirjoitettu osana Helsingin yliopiston opintojaksoa Kerro tähtitieteestä (Työelämätaidot II), jossa opiskeltiin tähtitieteen popularisointia ja yleistajuisten tekstien tuottamista. Ursa julkaisee kurssin harjoitustöiden parhaimmistoa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Vieraskynä: Auringonpimennyksen valossa

15.5.2024 klo 12.42, kirjoittaja
Kategoriat: Ilmiön takana , Vieraskynä

Täydellinen auringonpimennys paljastaa Auringon koronan. Kuva Miloslav Druckmüller, Peter Aniol, Shadia Habbal/NASA Goddard, Joy Ng

Demian Aaltonen

Pohjois-Amerikkaa villitsi täydellinen auringonpimennys tämän vuoden huhtikuun kahdeksantena päivänä. Tuhannet ihmiset kerääntyivät katsomaan harvinaista tapahtumaa, kun Kuu peittää Auringon muutamaksi minuutiksi ja saa koko taivaan tummumaan. Jokainen voi varmasti arvostaa tällaista dramaattista tapahtumaa, mutta tutkijat saattavat miettiä, mitä tieteellistä hyötyä siitä saataisiin.

Tämän vuoden auringonpimennys oli näkyvissä Meksikon, Yhdysvaltojen ja Kanadan alueella. Reitti, jolta täydellinen auringonpimennys voitiin nähdä, oli melko kapea. Reittiin kuului 13 osavaltiota, mutta hieman sen ulkopuolelta oli mahdollista havaita osittainen auringonpimennys.

Mikä on täydellinen auringonpimennys? Täydellisessä auringonpimennyksessä Kuu peittää Auringon kokonaan, jolloin hetkellisesti voidaan katsoa suoraan Aurinkoa kohti ilman suojalaseja. (Auringon suunnan ilmiöiden havaitsemissa on syytä mennä turvallisuus edellä — Ursan sivuilta löytyvät kattavat oheet Auringon havaitsemiseen turvallisesti.)

Ainoa asia, mitä Auringosta täydellisen pimennyksen hetkellä näkyy, on sen korona eli kaasukehä, ja mahdolliset kaasupurkaukset. Osittaisissa Auringon pimennyksissä Kuu ei kulje keskeltä Auringon kiekkoa, vaan se peittää Auringosta vain tietyn reunan.

Täydellinen auringonpimennys on ylipäätään mahdollinen vain, koska Maasta katsottuna Auringon ja Kuun näkyvä koko on suunnilleen sama, eli noin puoli astetta taivaasta. Täydellisiä auringonpimennyksiä on mahdollista nähdä noin kerran 18 kuukaudessa jossakin päin Maata. Suomessa seuraava täydellinen auringonpimennys kuitenkin näkyy vasta vuonna 2126.

Kun Kuu peittää Auringon, on mainio tilaisuus tarkkailla Auringon koronan sisempiä kerroksia. Korona on Auringon uloin kaasukehä, joka koostuu hyvin kuumasta ja harvasta kaasusta. Auringon koronassa esiintyy myös aurinkotuulia, jotka ovat Auringosta lähteviä hiukkasvirtoja. Koronan havaitseminen on normaaleissa olosuhteissa vaikeaa, koska Auringon pinta on niin kirkas, että se häiritsee estää havainnoinnin.

Tutkimuksissa onkin tavallisesti käytetty koronagrafia, eli laitetta, jolla peitetään Auringon kiekko näkyvistä, jotta voitaisiin havaita vain sen ulointa kaasukehää. Koronagrafeilla ei silti saada yhtä hyvää tulosta kuin täydellisistä auringonpimennyksistä. Täydellinen pimennys on erityisen tärkeä, jos halutaan tutkia koronan sisimpiä osia. Niissä tapahtuu tärkeitä Auringon prosesseja, joita halutaan ymmärtää paremmin.

Täydellisen auringonpimennyksen aikana on mahdollista koettaa saada vastauksia tärkeisiin kysymyksiin, kuten miten lämpö ja energia siirtyvät Auringosta aurinkotuuleen. Aurinkotuuli puolestaan aiheuttaa muutoksia jopa Maassa asti. Ne esiintyvät magneettikentän häiriöinä ja voivat jopa vaikuttaa teknologiaan kuten satelliitteihin. Maan kommunikaatiojärjestelmät, kuten GPS-paikannus ja radiosignaalit, ovat hyvin riippuvaisia satelliiteista, minkä takia on tärkeää ymmärtää ja ennustaa Auringon aktiivisuutta.

Aiemmista auringonpimennyksistä on jo saatu hyödyllistä tietoa. Vuonna 2017 Yhdysvalloissa oli täydellinen auringonpimennys. Sen aikana saatiin selville, miten auringonpimennys vaikutti Maan ilmakehään. Tutkimuksia tehtiin useita.

Yhdysvaltalaiset astronomit Phil Erickson, Bob Marshall ja Greg Earl ovat johtaneet tutkimuksia, joista on saatu hyödyllistä tietoa auringonpimennyksistä. Phil Ericksonin ryhmä mittasi Maan ionosfäärin muutoksia, jotka voivat vaikuttaa satelliitteihin tai muuhun teknologiaan. Ionosfääri on yksi yläilmakehän kerroksista, jossa merkittävä osa kaasusta on ionisoitunut. Mittauksissa huomattiin, kuinka ionosfääri oli riippuvainen Auringon säteilystä ja ilmakehän alemmista kerroksista. Tutkimuksessa huomattiin pimennyksen kulkeman reitin vaikuttavan elektronitiheyksiin ionosfäärissä jopa noin tuhannen kilometrin päässä kulkureitistä.

Vuoden 2017 auringonpimennyksen aikana Bob Marshallin johtama ryhmä teki myös tutkimuksen liittyen ionosfäärin muutoksiin pimennyksen aikana. Tutkimuksessa tarkasteltiin hyvin matalataajuisia radioaaltoja ionosfäärin matalissa ja harvemmissa osissa. Tutkimuksessa huomattiin, että ionosfäärin muutokset voivat vaikuttaa radioaaltoihin jopa aivan matalimmilla taajuuksilla.

Greg Earlen tutkimuksessa taas todettiin, kuinka aurinkotuulen suunnan ja nopeuden muuttumisen tarkkailulla voidaan selittää ionosfäärin muutoksia. Tämän avulla voidaan ymmärtää paremmin auringonpimennyksen aiheuttamia äkkinäisiä muutoksia ilmakehässä.

Myös Nasa suunnitteli eri tapoja tutkia tämän vuoden auringonpimennystä. Tutkimusta ionosfäärin yhteydestä Aurinkoon ja satelliitteihin jatketaan Nasan miehittämällä lentokoneella. Siinä on monia eri instrumentteja auringonpimennykseen liittyvää tutkimusta varten.

Lentokoneen tutka lähetti korkeataajuisia radiosignaaleja ja kuunteli niiden heijastumista kaikuluotaimen tavoin määrittääkseen, kuinka voimakkaasti varautunut ionosfääri on. Lentokoneen muihin tehtäviin kuului kuvata auringonpimennystä kameroilla, joilla on hyvin korkea erotuskyky. Kuvia otettiin eri taajuuksilta ja niitä pyrittiin saamaan Auringon ympärillä olevasta pölykiekosta ja mahdollisista asteroideista, jotka saattavat kiertää Aurinkoa sen lähellä.

Lentokonetta käytettiin myös koronan kuvaamiseen. Lentämällä nopeasti pimennyksen reittiä pitkin pyrittiin maksimoimaan aika, jolloin Aurinko on Kuun täydellisessä varjossa.

Nasalla oli myös kunnianhimoinen projekti laukaista kolme rakettia peräkkäin auringonpimennyksen aikana. Näillä pyrittiin selvittämään, kuinka äkillinen pimeneminen vaikuttaa Maan ilmakehän ylimpiin osiin. Raketit laukaistiin 35 minuuttia ennen pimennystä, yksi sen aikana ja yksi 35 minuuttia pimennyksen jälkeen. Jokaisessa raketissa oli neljä instrumenttia, joilla pyrittiin mittaamaan muutoksia sähkö- ja magneettikentissä sekä ilmakehän tiheydessä ja lämpötilassa.

Auringonpimennys ei ole pelkästään muutaman minuutin spektaakkeli jokaiselle, vaan se antaa myös ainutlaatuisen tilaisuuden tutkimukselle. Viimeisimmän pimennyksen jäljiltä Auringosta ja maan ilmakehästä saadaan jälleen uutta tietoa, kunhan tutkijat saavat tuloksensa julkaistua.

Kirjoittaja on fysikaalisten tieteiden kandiohjelman opiskelija Helsingin yliopistossa.

Teksti on kirjoitettu osana Helsingin yliopiston opintojaksoa Kerro tähtitieteestä (Työelämätaidot II), jossa opiskeltiin tähtitieteen popularisointia ja yleistajuisten tekstien tuottamista. Ursa julkaisee kurssin harjoitustöiden parhaimmistoa.

3 kommenttia “Vieraskynä: Auringonpimennyksen valossa”

  1. Tapio Lahtinen sanoo:

    Mielenkiintoista kuulla pimennyksen aikaisista tutkimuksista.
    Olisiko mahdollista saada tietoa/linkkiä tuloksista? Esim nuo tutkimusrakettien tulokset olisivat kiinnostavia.

    1. Lasse Reunanen sanoo:

      Nasan sivulta niitä tietoja kenties löydettävissä vaikka en tiedä ovatko vielä julkisia
      ja englannin kielellä kirjoitettuna.

      Samasta auringonpimennyksestä oli UrSalon kuukausikokouksessa to 2.5.2024
      pitämässä esitelmän Samuli Vuorinen / Kirkkonummen Komeetasta
      (yhdistysten kotisivut löytyy Ursan sivun ylälinkistä: Harrastukset / Muut tähtiyhdistykset).
      Olivat yhdistyksensä kolme jäsentä tehneet lennon Texasin Dallasiin ja sieltä vuokranneet
      auton – jolla siirtyivät Arkansasin Hot Springsiin kauppakeskuksen paikoitusalueelle,
      jossa kuvasivat auringonpimennyksen.
      Dallasissa näkivät mm. rakennuksen josta USA:n presidentti Kennedy 1963 ammuttiin.
      Hot Springs (Kuumat Lähteet) kaupunki Dallasista koilliseen (auringonpimennyksen reittiä),
      jossa synty USA presidentti Bill Clinton 1940-luvulla.
      Auringonpimennystä 2024 ei ollut näkyvissä em. linkin kautta Samuli Vuorisen kotisivulla,
      mutta aikaisempi USA:n auringonpimennys 21.8.2017 kuviaan oli,
      joissa yksi kuva näytti Auringosta lähteviä säteilyjä pimennyksen aikana ulommas.

      Auringonpimennyksen kuvassaan 2024 oli vielä parempi kuva auringonsäteitä
      pimennyksen aikana, jossa ensin oli tiheää säteilyä
      (muistaakseni noin puoli Auringon läpimittaa pimennyksestä ulommas ja siitä
      edelleen harvempaa säteilyä monta Auringon läpimittaa.
      Arvioin, josko se tiheän säteilyn ulkoraja olisi se Auringon kuuma kohta,
      yli miljoonassa asteessa (ei tiedetty, mutta Samuli Vuorinen selvittänee sen).
      Säteilyn muodoista voisi päätellä jotain kuumenemisen muodostumisestakin.

      Samuli Vuorinen kertoi, että pian pimennyksen jälkeen oli heidän kohdalleen
      paluumatkalla Dallasiin ollut voimakasta salamointia.
      Arvioin, että josko auringonpimennys olisi vaikuttanut alueen auringosta tulevaan
      säteilymääriin (varjostuksella) ja siten muuttanut pilvien sähkövarauksia
      – josta taas olisi ollut seurauksena voimistuvaa salamointia (valmiiksi ukkospilviin).

      Lensivät Dallasista vielä New Yorkiin ja siellä museossa mm. avaruussukkulan näkivät.
      Matkakulujensa kertoi olleen yhteensä vähemmän mitä Ursan järjestämä matka
      auringonpimennyksen seuraamiseen ollut samoilla seuduilla – josta kenties
      Tähdet ja avaruus – lehden seuraavassa numerossa jotain kerrotaan.

      Hyvä esitelmä Samuli Vuorisella auringonpimennyksestä oli ja hyviä kuvia olivat saaneet.
      Esitteli vielä joitakin tulevien auringonpimennysten aikoja ja kulkureittejä maapallon pinnalle.

    2. Anne Liljeström sanoo:

      Hei Tapio! Koska pimennys vasta tapahtui, mitään julkaistuja tutkimuksia ei vielä ole. Tiede etenee tässä mielessä hitaasti.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Vieraskynä: Kirjamatka mustaan aukkoon

23.11.2021 klo 10.35, kirjoittaja
Kategoriat: Vieraskynä

Tommi Tenkanen

Matka mustaan aukkoon – Alkuräjähdyksestä kaiken teoriaan. Tämän hienon nimen on saanut Ursan kustantama tuore tietokirjani, joka on nyt viimein ilmestynyt. On myönnettävä, että olo on huojentunut!

Edellisestä, kirjan varhaisempia valmistumisvaiheita seuranneesta blogitekstistäni ehti vierähtää suunniteltua enemmän aikaa, sillä mustaan aukkoon suuntautuvan nojatuolimatkan kirjoittaminen osoittautui hektisen arjen keskellä odotettua haastavammaksi projektiksi. Ensin kuitenkin hieman itse kirjasta.

Matka mustaan aukkoon on yleistajuiseksi tarkoitettu tieoteos, joka päivittää lukijan tiedot mustista aukoista 2020-luvulle ja luo katsauksen jännittävään ja havaintojen kannalta erittäin lupaavaan tulevaisuuteen. Tähän mennessä esimerkiksi mustien aukkojen keskinäisiä törmäyksiä on havaittu gravitaatioaaltoilmaisimilla noin viisikymmentä, mutta tulevaisuudessa niitä tullaan näkemään useita joka päivä eli yhteensä ainakin tuhansia. Myös lisää valokuvia mustista aukoista on odotettavissa – mukaan lukien kuva Linnunradan Sagittarius A* -jättiläisestä eli kotigalaksimme ikiomasta supermassiivisesta mustasta aukosta.

Kirjassa käsitellään varsin kattavasti paitsi mustien aukkojen perusolemusta ja niistä tehtyjä havaintoja, myös alkuräjähdystä ja reittiä kohti niin kutsuttua kaiken teoriaa, joka yhdistää kaikki luonnon perusvuorovaikutukset yhdeksi ja samaksi voimaksi. Tähän viittaa myös teoksen alaotsikko. Kysymyksessä ei kuitenkaan ole tieteellinen teos eikä oppikirja, eikä kirja sisällä matematiikkaa. Mustien aukkojen kummallisimmatkin piirteet – kuten mustaan aukkoon putoavan astronautin venymisen spagetin lailla sekä ajan ja avaruuden vaihtumisen mustan aukon sisällä – olen pyrkinyt kuvaamaan mahdollisimman yleistajuisesti.

Mukana on myös edellisen kirjani Pimeän aineen arvoitus tapaan tarinallisempia tutkijahaastatteluita sekä vierailu Metsähovin radiotutkimusasemalle, Suomen ainoaan tähtitieteelliseen radio-observatorioon. Sen tutkijoista Tuomas Savolainen oli mukana muodostamassa ensimmäistä mustan aukon valokuvaa, kuten kirjassa seikkaperäisesti kerron. Tutkijoista mukana on isoimpana nimenä teoreetikko Juan Maldacena, joka on maailman johtavia mustien aukkojen ja säieteorioiden tutkijoita. Hän kertoo kirjassa mm. madonrei’istä sekä pyrkimyksistä saavuttaa kaiken teoria.

Kirjaa oli edellisen teokseni tapaan hauska kirjoittaa ja opin samalla myös valtavasti uutta. Se onkin tiedonvälityksen ohella itselleni tärkeimpiä syitä kirjoittaa tietokirjoja: asian selittäminen muille on yksinkertaisesti paras tapa varmistaa, että ymmärtää sen ainakin kohtuullisen hyvin itsekin. Tärkein syy on kuitenkin jakaa tietoa maailmankaikkeuden ihmeistä sekä niiden ajankohtaisesta tutkimuksesta.

Miksi kirjoitusprosessi kuitenkin tuntui haastavalta? Ensinnäkin koronarajoitteet peruivat kirjaa varten suunniteltuja vierailuja useaan otteeseen. Kirjasta jäi pois vierailu Helsingin observatoriolle (samassa rakennuksessa sijaitsee nykyään myös Ursan toimisto), ja Metsähovin-vierailukin siirtyi useaan kertaan ennen toteutumistaan.

Toisaalta otin keväälle liikaa myös muuta tekemistä vapaa-ajalleni, mistä voin tietenkin syyttää vain itseäni. Kirjan kirjoittamisen ohella toimin Vuoden tiedekirja -palkinnon raadin jäsenenä (palkinnon voitti Esa Väliverrosen ja Kai Ekholmin toimittama tärkeä teos Tieteen vapaus ja tutkijan sananvapaus), pidin useita esitelmiä ja käsikirjoitin sekä juonsin A Night with the Space Nobelists -sarjan, jossa haastattelin kolmea tähtitieteestä tai kosmologiasta Nobelin palkinnon saanutta tutkijaa.

Kirja myös laajeni alkuperäiseen suunnitelmaansa nähden kahdella luvulla. Suunnitellun tusinan sijaan kirjan lopullinen versio sisältää 14 lukua, eikä kertomista olisi tehnyt mieli lopettaa siihenkään. Aihepiiri kun on paitsi erittäin laaja ja nykykosmologian keskeisimpiä, myös erittäin jännittävässä tilanteessa. Lähitulevaisuudessa kertyvien havaintojen toivotaan paljastavan viitteitä yleisen suhteellisuusteorian tai jopa hiukkasfysiikan standardimallin tuolta puolen, ja siten auttavan tutkijoita kahden toisiinsa aiemmin yhteensopimattoman teorian yhdistämisessä. Tavoitteena on lopulta kaiken teoria. Aika näyttää, miten tässä tullaan onnistumaan.

Loppujen lopuksi kirjan ilmestyminen tuntui kuitenkin osuvan juuri oikeaan aikaan. Mustien aukkojen tutkimus etenee vauhdilla, mutta ymmärtääkseen tulevaisuutta ja tiedettä ylipäätään on aika ajoin paikallaan luoda katsaus siihen, mitä tutkimuksessa on meneillään juuri nyt. Sen kirja toivottavasti kertoo jokaiselle aihepiiristä kiinnostuneelle lukijalle. Antoisia lukuhetkiä!

Kirjoittaja on kosmologi ja teoreettisen fysiikan dosentti, joka työskentelee Aalto-yliopistossa asiantuntijana.

8 kommenttia “Vieraskynä: Kirjamatka mustaan aukkoon”

  1. Jouni Vanhanarkaus sanoo:

    Blogin kirjoittaja lienee Tommi Tenkanen? Kun ei tekstistä käy ilmi.

    1. Anne Liljeström sanoo:

      Erinomainen huomio, kiitos! Se tieto on nyt lisätty tekstin alkuun.

  2. Lasse Reunanen sanoo:

    Kiinnosti kertomasi, että mustien aukkojen törmäyksiä havaittu jo ”noin viisikymmentä, mutta tulevaisuudessa niitä tullaan näkemään useita joka päivä eli yhteensä ainakin tuhansia.”
    Nämä törmäyshavainnot lienee usein havaittavissa nykyistä etäämpää – ettei niitä aivan lähimpien valovuosien etäisyydeltä päivittäin löytyne?

    1. Juuri näin. Mitä herkemmästä ilmaisimesta on kysymys, sitä kauempaa lähteneen gravitaatioaaltosignaalin se kykenee rekisteröimään. Tällä hetkellä lähin havaittu signaali on lähtöisin 40 megaparsecin eli n. 130 miljoonan valovuoden päästä, kaukaisimmat miljardien valovuosien etäisyydeltä. Vertailukohtaa saa naapurigalaksistamme Andromedasta, joka sijaitsee meistä 2,5 miljoonan valovuoden etäisyydellä. Kaikista tähän mennessä havaituista kohteista löytää lisää täältä: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_gravitational_wave_observations (ja hienon visualisaation täältä: https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20211107a).

  3. Erkki Tietäväinen sanoo:

    Kuuntelin YouTubessa mainion esitelmäsi mustista aukoista. En halunnut tehdä kysymyksiäni esitelmän aikana chatisa, joten teen ne nyt tässä.

    Neutronitähtien pyörimisnopeuksissa on tunnetusti vaihtelua, mutta ne kaikki pyörivät todella vinhasti, nopeimmillaan noin 1000 kierrosta sekunnissa. Mustien aukkojen luulisi pyörivän niitäkin nopeammin. Miten suuria pyörimisnopeuksia mustilla aukoilla mahdollisesti voi olla? Ääretön miinus jotakinko?

    Usein kuulee sanottavan, että musta aukko saa aikaan äärettömän suuren aika-avaruuden kaareutumisen. Kadunmiehen sanomana musta aukko painaa siis äärettömän paljon. Ei se tietenkään näin voi olla, koska äärettömyys on ”toisesta maailmasta” ja tiedetään, että mustilla aukoilla on eri suuruisia massoja. Jotkut niistä kaareuttavat aika-avaruutta esimerkiksi sadan auringon verran, toiset taas esimerkiksi miljardin auringon verran.

    Tästä johtuu pari kysymystä: (1) Kun tiedetään, että tähden luhistumisen seuraksena syntyvällä mustalla aukolla täytyy olla usean auringon massa, mitä ovat ne spekulaatiot minikokoisista, avaruudessa vaeltavista mustista aukoista, jotka olisivat tapahtumahorisontteineen vain atomin kokoisia? (2) Vallitseeko kymmenen auringon massaisessa mustassa aukossa pienempi aineen tiheys kuin miljardin auringon massaisessa mustassa aukossa, vai onko aineen tiheys aina sama riippumatta aukon massasta? Eli painaako kuutiomillimetri mustaa aukkoa aina saman verran riippumatta aukon kokonaismassasta?

    1. Mukava kuulla, että pidit esitelmästä! Lähtökohtaisesti tähdet säilyttävät neutronitähdeksi tai mustaksi aukoksi romahtaessaan saman pyörimismääräksi kutsutun suureen kuin mitä tähdellä (tai sen romahtavilla osilla) oli niiden elinaikana. Koska neutronitähtien halkaisija (noin 20 km) ei suuresti poikkea mustan aukon tapahtumahorisontin halkaisijasta (tähdenmassaisella mustalla aukolla muutamia kilometrejä), eivät niiden pyörimisnopeudetkaan lähtökohtaisesti poikkea paljon toisistaan. Myös musta aukko voi pyöriä yli 1000 kierrosta sekunnissa, mikä taitaakin tällä hetkellä olla suurimpia mitattuja arvoja.

      Yleisen suhteellisuusteorian mukaan musta aukko saa aikaan aika-avaruuden äärettömän suureen kaareutumisen vain mustan aukon keskipisteessä eli singulariteetissa. Muualla kaareutuminen on äärellistä. Lienee todennäköistä, että mustan aukon keskelläkään aika-avaruuden kaarevuus ei oikeasti ole äärettömän suurta – teorian ennuste vain on siellä väärä. Toistaiseksi emme tätä tiedä. Vastauksena kuitenkin kysymyksiisi:

      1) On tosiaan ehdotettu, että myös hyvin pieniä mustia aukkoja olisi olemassa. Nämä eivät olisi syntyneet tähtien luhistumisen seurauksena vaan jo alkuräjähdyksen aikana kuuman hiukkaspuuron tiivistymistä. Toistaiseksi tällaisia ”muinaisia mustia aukkoja” ei ole havaittu.

      2) Mustan aukon sisällä aine päätyy aina keskustassa sijaitsevaan singulariteettiin, muuten musta aukko on käytännössä tyhjä. Koska singulariteetissa aineen tiheys on ääretön, tarkkaa vastaustakaan ei mustan aukon tiheydestä voi valitettavasti antaa!

  4. Erkki Tietäväinen sanoo:

    Kiitos vastauksesta. On pakko tehdä vielä pari lisäkysymystä:

    1) Mustilla aukoilla on eri suuruisia massoja. Mustan aukon minimimassa on muutaman auringon massan suuruinen, jos se syntyy tähden luhistumisen seurauksena. Aukon tapahtumahorisontti on sitä kauempana mustan aukon keskipisteestä, mitä suurempimassaisesta aukosta on kysymys. Jos spekulaatio atomin ytimen kokoisesta mustasta aukosta olisi totta, miten suuri olisi sen massa ja miten kaukana siitä sijaitsisi tapahtumahorisontti?

    2) Eikö ole niin, että mustan aukon massa on se mitä on singulariteetteineen kaikkineen? Koska aukkojen massat voidaan mitata, ne eivät voi olla äärettömän painavia eikä käsittääkseni silloin myöskää äärettömän tiheitä. Voisin hyväksyä sen, että kaikkien mustien aukojen tiheys on sama riippumatta niiden massasta. Miten on?

    1. 1) Pienimmän atomiytimen eli vety-ytimen kokoisen (eli käytännössä protonin halkaisijan ~10^-15 m kokoisen – tapahtumahorisontin ja keskipisteen välinen etäisyys olisi siis puolet tästä pituudesta) mustan aukon massa olisi 5.7*10^11 kg eli noin 600 miljardia kiloa; esimerkiksi Aurinko on 10^19 eli 10 miljardia miljardia kertaa tätä painavampi. Sattumalta tällaisten mustien aukkojen elinaika olisi sellainen, että ne höyrystyisivät Hawkingin säteilyn kautta juuri nyt. Niitä ei kuitenkaan ole havaittu, joten todennäköistä on, ettei niitä ole olemassa.

      2) Mustan aukon massa on äärellinen, mutta tiheys keskipisteessä ääretön. Käytännössä tämä viittaa siihen, ettei yleinen suhteellisuusteoria pysty kuvaamaan mustan aukon keskipistettä eikä siten myöskään mustan aukon tiheyttä onnistuneesti.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Vieraskynä: Vuosi Einsteinin jalanjäljissä

20.8.2021 klo 15.11, kirjoittaja
Kategoriat: Vieraskynä

Heikki Oja

Sovin vuosi sitten Ursan kanssa, että kirjoittaisin kirjan Einsteinista. Työnimenä on Einsteinin perintö. Mitä Albert Einstein ennusti oikein – ja mitä väärin. Einsteinin suuhun on pantu niin monenlaisia asioita, että halusin katsoa hänen omista teksteistään, mitä hän todellisuudessa on sanonut ja ennustanut.

Niinpä olen penkonut esille ja lueskellut sekä Einsteinin että muiden 1900-luvun alun tutkijoiden omia tekstejä. Tuohon aikaan tutkimuksen painopiste oli Euroopassa ja artikkelit kirjoitettiin saksaksi. Kouluaikaisella pitkällä saksalla on nyt ollut käyttöä! Vasta maailmansotien jälkeen tutkimuksen painopiste on siirtynyt Yhdysvaltoihin ja valtakieli vaihtunut englanniksi.

On ollut kiintoisaa huomata, että lähes kaikki yleisen suhteellisuusteorian keskeiset käsitteet saivat alkunsa Euroopassa 1910- ja 1920-luvulla, vaikka ilmiöiden nykyiset nimet usein annettiin vasta myöhemmin: musta aukko, singulariteetti, madonreikä, gravitaatiolinssi, gravitaatioaallot, laajeneva maailmankaikkeus, pimeä energia…

Niissä ”suhteellisuusteorian sankareissa”, jotka aihetta tutkivat sata vuotta sitten, on mainioita tyyppejä. Tähtenä on tietysti Einstein itse. Vaikka hänen artikkeleissaan ja kaavojen johdoissa on paljon virheitä ja kömpelyyksiä, silti ajatus lentää kuin nuoli suoraan maaliin. Einsteinilla oli ilmiömäinen kyky arvata tai nähdä ilmiöiden todellinen luonne jo etukäteen. Parhaina luomisvuosinaan hän vain hyppi vaikeuksien yli ja käytti omituisia oikoteitä, mutta päätyi silti juuri oikeaan tulokseen. Myöhemmällä iällä hänen intuitionsa alkoi heiketä ja hänen arvauksensa saattoi yhtä hyvin olla oikein kuin väärin.

Yksityiselämässään Einstein oli aivan toista maata kuin tiedemiehenä. Välillä hänen käytöksensä oli aivan sikamaista. Hänen laatimansa sääntökokoelma ensimmäiselle vaimolleen Milevalle vähän ennen avioeroa on pöyristyttävää luettavaa. Onneksi minun ei tarvinnut kirjoittaa Einsteinin tästä puolesta.

Einsteinin ohella pari muuta tutkijaa sadan vuoden takaa ansaitsee tulla tässä mainituksi. En ollut ennen tämän Einstein-kirjan kirjoittamista tiennyt, että Karl Schwarzschild pohti avaruuden geometriaa jo viisitoista vuotta ennen kuin Einstein kehitti yleisen suhteellisuusteoriansa. Schwarzschild yritti tähtitieteellisillä havainnoilla selvittää jo vuonna 1900, onko avaruuden geometria pallomainen vai laakea. Silloin kysymys jäi ratkaisematta; asiahan selvisi vasta lähes sata vuotta myöhemmin.

Aleksander Friedmannin kirjoituksissa 1920-luvun alussa taas huokuu innostus, kun hän ensimmäisenä ihmisenä maailmassa löysi suhteellisuusteorian laajenevat mallit ja totesi, että maailmankaikkeus on menneisyydessä voinut saada alkunsa yhdestä pisteestä. Friedmann luonnehti alkupistettä luomisen hetkeksi.

Kirjaa tehdessäni ihastelin, miten monella eri alalla Einstein pystyi esittämään ratkaisevia ideoita: hän kehitti, paitsi suppean ja yleisen suhteellisuusteorian, myös kvanttimekaniikkaa ja aineen atomiteoriaa; hän keksi uudenlaisen säteilymuodon, joka johti myöhemmin laseriin; hän löysi yhtälöistään aineen uuden olomuodon, jota sanotaan nykyään Bosen–Einsteinin kondensaatiksi. Hänen yhtälönsä kertoivat etukäteen jopa antimaterian olemassaolon, jo pari vuotta ennen kuin Paul Dirac keksi saman asian. Einstein ei tosin uskonut omien yhtälöittensä ennustusta ja jäi siksi vaille antimaterian löytäjän mainetta.

Valitsin kirjan tekstiä elävöittämään myös toistakymmentä valokuvaa Einsteinista. Hänestähän on olemassa tuhansittain valokuvia, ja häntä voi hyvin sanoa oman aikansa suurimmaksi linssiluteeksi. 

Ja lopuksi: Kun lähetin kirjan ensimmäisen luonnoksen Ursalle luettavaksi, kysyi Markku Sarimaa, oliko sattumaa, että kirjassa on 42 lukua. Minulla pyöri hetken aikaa aivan tyhjää, ennen kuin sytytti. Totta kai, onhan minulla ollut vuosikausia lompakossani Suomalaisen kirjakaupan kanta-asiakaskortti, jossa isolla komeilee tuo maaginen luku 42. Tiedättehän: vastaus kysymykseen elämästä, maailmankaikkeudesta ja kaikesta muusta sellaisesta.

Kyllä kyseessä oli puhdas sattuma. Einsteinin artikkeleista tai hänen teoriansa yhtälöistä nyt kerta kaikkiaan vain löytyy noin 42 erilaista ilmiötä, jotka halusin kirjassani esitellä. Mutta täytyy myöntää, että vaikka kirjan sisältöä hieman justeerattiin, pidettiin lukujen määrä ennallaan. Einstein jos kuka ansaitsee kirjan jossa on juuri 42 lukua!

Kirjoittaja on tähtitieteilijä ja mm. Tiedonjulkistamisen valtionpalkinnolla palkittu tietokirjailija. Einsteinin perintö – Mitä Albert Einstein ennusti oikein ja mitä väärin ilmestyy Ursan kustantamana elokuussa (korjattu 23.8.2021: tässä luki aiemmin ”lokakuussa”).

3 kommenttia “Vieraskynä: Vuosi Einsteinin jalanjäljissä”

  1. Lasse Reunanen sanoo:

    Olen kirjojasi ostanut, lainannut ja yrittänyt muistiini lukea.
    Einstein kirjaasi jossain vaiheessa myös tavoitteenani.
    Dan Hooper / Kaiken alku kirjan palautin tänään,
    josta joitakin kopioita numerotiedoista otin.
    Ostamistani kirjoista myös osakopioita ottanut –
    niin lukemaansa helpompi kerrata ja ymmärtää.
    Saman Suomalaisen Kirjakaupan kortin itsekin valitsin, 2012;
    Suomalainen kirjakauppa ”Elämän tarkoitus on 42”
    Douglas Adams, Linnunradan käsikirja liftareille.
    Korttia en nyttemmin yleensä enää käyttänyt kun hyötyale siitä
    vähäinen ja kertymälistaus epämääräisenä vuoden kuluttua ollut.

  2. Lasse Reunanen sanoo:

    Kerroit Einsteinin intuitiosta:
    — ”ilmiömäinen kyky arvata tai nähdä ilmiöiden todellinen luonne jo etukäteen.” —
    Mietin ”maaginen luku 42” – elämän tarkoitukseen ymmärrystä;
    Käänteisesti 42 on kaksi ensimmäistä parillista lukua, 2 ja 4,
    jotka kertomalla = 8. Kiinalaisilla tuhansia vuosia vanha perinnekirja;
    I Ching – Muutosten kirja, jossa 8 x 8 ruudukoissa 64 eri elämän osa-aluetta.
    Niistä löytyy elämän kaikkiin muutoksiin tarkoitus…
    Parillisuus – siis vuorovaikutus löytyy elämästä – maailmankaikkeuteen.
    Ventti, 21, käänteisluvut 1 ja 2 ei sekään liene sattumaa –
    ensimmäisin luvuin, pariton ja parillinen – joista maailma koostuu.
    Tulevaisuus = 0 käänteisesti, luvuista muodostuva nykyhetki –
    jatkuva liike menneisyydestä.

  3. Leo Sell sanoo:

    EIköhän se vastaus 42 – ole salaviisas ja kuvaa pikemminkin itse kysymyksen triviaalia,-”mikä on elämän tarkoitus” – luonnetta, eli sen mielettömyyttä. Richard Feynman kuului vastanneen sotaaikana, kutsunnoissa värvärin haastattelussa, kysymykseen, ”Kuinka paljon arvostat elämää”? -”64” – kuului Feynmanin vastaus. Värväri-psykiatri kysyi, miksi juuri 64, eikä esim. 73 ? No, jos olsin sanonut 73 , olisit kysynyt minulta täsmälleen saman kysymyksen! Vastaustensa perusteella hänet hylättiin, vaikkakin hän vastikään oli loistanut Manhattanprojektissa atomipommin kehittelyssä nuorimpana tuohon projektiin osallistuneista fyysikoista. Lisättäköön ettei Feynmanilla ollut itsellään kovin mairittelevaa kuvaa psykiatriasta tieteenä .

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Vieraskynä: Lue ja kirjoita

4.2.2021 klo 16.34, kirjoittaja
Kategoriat: Vieraskynä

Tommi Tenkanen

Edellisessä blogitekstissäni kerroin tietokirjan kirjoittamisprosessista. Lupasin siinä myös päivittää tuleviin teksteihini kuulumisia uuden mustia aukkoja käsittelevän kirjani etenemisestä. Tuon jälkeen kirjan valmistuminen on kuitenkin edennyt varsin hitaasti, kahdesta eri syystä. Toinen syy on oikea force majeure, ylivoimainen este, toinen iloinen ja tervetullut arki-iltojen täyttäjä.

Ensimmäinen syy kirjaprosessin viivästymiseen suunnitellusta aikataulusta on tietenkin vallitseva koronatilanne. Kirja tulee sisältämään mustia aukkoja koskevien perustietojen lisäksi myös tarinallisempia kohtaamisia tutkijoiden kanssa, joten kohtaamisten ollessa rajattuna minimiin olen joutunut jo useampaan kertaan perumaan suunnitellut vierailut kahteen Suomessa sijaitsevaan kirjan kannalta tärkeään kohteeseen. Todellinen force majeure siis.

Kokonaan kirjoittaminen ei onneksi ole pysähtynyt. Alkuvuodesta sain toteutettua kirjaa varten tärkeän haastattelun kun soitin Zoom-puhelun Yhdyvalloissa työskentelevälle kollegalleni. Haastattelu sujui etäyhteydestä ja toisen osapuolen kiireisestä aikataulusta huolimatta hyvin, ja mustia aukkoja gravitaatioaaltojen avulla metsästävällä kollegallani olikin aiheesta kerrottavanaan muutama erinomaisen herkullinen tarina. Niistä tarkemmin syksyllä ilmestyvässä kirjassani.

Toinen kirjan kirjoittamista viivästyttänyt tekijä – se iloinen ja tervetullut syy – on ollut se, että toimin tänä vuonna yhtenä Vuoden tiedekirja -palkinnon raadin jäsenistä. Tieteellisten seurain neuvottelukunnan myöntämä palkinto on suuruudeltaan peräti 25 000 euroa ja se jaetaan vuoden parhaalle kotimaiselle tiedekirjalle. Palkittavalta teokselta edellytetään sen perustumista tieteelliseen tutkimukseen ja todennettavaa lähdepohjaa.

Raadin jäsenenä velvollisuuksiini kuuluu kilpailussa mukana olevien kirjojen lukeminen ja arviointi. Työpöydälläni onkin ollut marraskuusta lähtien iso kasa edellisen vuoden aikana ilmestyneitä tietokirjoja, joita olen tunnollisesti kahlannut läpi. Tällä hetkellä raadissa eletään niin sanotusti jännän äärellä, sillä pian vain finalistikymmenikkö on jäljellä. Nämä kirjat raati lukee ja arvostelee erityisen tarkasti. Kirjojen Top-10 on tarkoitus julkaista laajemmalle yleisölle helmikuussa ja itse palkinto jakaa maaliskuussa.

Kirjojen lukemisessa on ollut tehtävää, mutta kokemus on ollut erittäin palkitseva. Raadin jäsenenä olen saanut tutustua upeaan kokonaisuuteen uusinta suomalaista tiedekirjallisuutta. Olen saanut lukea luonnon monimuotoisuutta uhkaavista tekijöistä, päiväkirjojen käytöstä historiantutkimuksessa, ajatusten synnystä, robottien käytöstä hoivatyössä ja länsitavaran laittomasta myynnistä Neuvostoliitossa. Uskon, että tämän vauhdittama lue ja kirjoita -taktiikka edesauttaa viime kädessä myös oman kirjani valmistumista.

Lukeminen kannattaa aina, ja yleisesti ottaen Suomessa julkaistaan joka vuosi huomattavan laadukasta tietokirjallisuutta eri aloilla. Osatekijöitä tähän lienevät laadukas koulujärjestelmä ja kirjastolaitos, aktiiviset yhdistykset ja niissä toimivat kansalaiset, sekä asiantuntevat tiedon tuottajat Esko Valtaojasta Maria Petterssoniin ja Kirsi Lehdosta Samuli Siltaseen. Lehdon Astrobiologia-kirja (Ursa, 2019) muuten voitti Vuoden tiedekirja -palkinnon edellisellä kerralla.

Oma kokonaisuutensa ja myös itselleni läheinen aihepiiri on tietenkin fysiikan ja tähtitieteen eri aihealueita käsittelevä kirjallisuus, joiden kirjoittajista varsinkin Valtaoja on tunnetuimpien kotimaisten kirjailijoiden joukossa. Omaksi ja toivottavasti myös muiden iloksi olen pyrkinyt listaamaan näitä aloja käsittelevää kirjallisuutta kattavasti täällä.

Ehkä osa lukijoista on joskus pohtinut myös oman kirjan kirjoittamista. Mikäli näin on, suosittelen aloittamaan kirjoittamisen heti kun siihen tarjoutuu mahdollisuus. Kirjan kirjoittaminen on pitkä ja osin raskaskin prosessi, mutta taatusti palkitseva. Kokemusta kuitenkin helpottaa paitsi itse aiheen, myös kirjallisuuden kentän laajempi tuntemus. Ammattimainen kirjallisuustieteilijä ei kirjoittaakseen tarvitse olla, riittää kun omistaa kynäkäden lisäksi myös ripauksen lukuintoa ja osaa tunnistaa millaisesta aiheesta ja tyylistä itse pitää. Lue ja kirjoita -taktiikalla se todennäköisesti onnistuu helpoiten.

Oman kirjani osalta työtä on vielä paljon tekemättä, eikä vielä ole mahdollista sanoa milloin koronatilanne taas sallii vierailut ja haastatteluiden vaatimat kohtaamiset. Varmaa kuitenkin on, että kumpikin kyllä koittaa ajallaan. Kun seuraava tekstini julkaistaan maaliskuussa, selvillä on ainakin Vuoden tiedekirja 2020. Ehkä tilanne on silloin myös oman kirjani sekä etenkin pandemiasta toipuvan yhteiskunnan osalta valoisampi. Lisävauhtia antaa myös koko ajan valoisammaksi käyvä kevät.

Kirjoittaja on kosmologi ja teoreettisen fysiikan dosentti, joka työskentelee Aalto-yliopistossa asiantuntijana.

Yksi kommentti “Vieraskynä: Lue ja kirjoita”

  1. Lasse Reunanen sanoo:

    Tietokirjailija Markus Hotakainen julkaisee myös; Mustista aukoista -kirjan 2/2021 –
    kerrottu Yle Puhe -ohjelmassa; Tähtisarja ti 9.2.2021 klo 13.02-14.00 ja Areenassa.
    Alkuun Hotakainen kertoi, että maailmankaikkeuden laajentumisen nopeuden
    todettu (1990-luvun lopulla) kiihtyvän (Maasta tehdyin havainnoin)…
    Maailmankaikkeuden rakenteen (näkyvä) todettu kuplamaisesti kierteisinä
    galaksijoukkojen muodostelmina.
    Kenties maailmankaikkeus kuplakierteineen myös kokonaan kiertoliikkeessä ja siitä
    havaitut kiihtyvyyserot osittain muodostuu –
    siis läheltämme havainnot nopeampaa ja etäämpää havainnot kiertyneet
    hitaammiksi – havainnoiksemme…

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Vieraskynä: Miten tietokirja syntyy?

1.12.2020 klo 14.22, kirjoittaja
Kategoriat: Vieraskynä

Tommi Tenkanen

Kirjaidea mielessä? Minulla niitä on jatkuvasti useita. Yhdet ovat hyviä, toiset kehityskelpoisia ja kolmannet luokattomia. Toisinaan joku toinenkin uskoo ideoihini, tai sitten ideoiden paljous vain onnistuu väsyttämään kustantajan.

Niin tai näin, tulevan vanhemman ylpeydellä paljastan, että kirjoitan tällä hetkellä uutta kirjaa. Aiheena ovat maailmankaikkeuden mustat aukot. Kirjan kustantaa Ursa, ja suunniteltu ilmestymisajankohta on syksy 2021.

Uutisen kertominen julkisesti ennen kuin kirja on kirjoitettu valmiiksi, taitettu ja tarkistettu, paketoitu kansiin ja saatettu kaupan hyllylle muistuttanee oikeaa vanhemmuutta siinä, että kainon ylpeyden lisäksi ilmoitus tulevasta jännittää. Meneehän kaikki suunnitelmien mukaan, onhan lopputulos hyvä ja ulkona ajallaan? Mitä jos -kysymykset jäytävät mieltä.

Jännitystä hieman lieventää se, ettei tuleva kirja ole esikoiseni. Ensimmäinen kirjani ilmestyi syksyllä 2019. Kuten teoksen nimi Pimeän aineen arvoitus paljastaa, kirja käsittelee yhtä pääasiallisista tutkimuskohteistani. Niin tulee tekemään seuraavakin, vielä nimeä vailla oleva teokseni.

Tämä teksti ei ole vain mainospala tulevasta kirjasta, vaan tarkoitus on pohtia millaista on kirjoittaa tietokirjaa tutkimuskohteestaan. Samalla kirjoitus aloittaa blogisarjan, jossa pohdin tietokirjoittamista laajemmin ja päivitän kuulumisia mustia aukkoja käsittelevän kirjani etenemisestä. Kirjoituksia on tarkoitus julkaista noin kahden kuukauden välein kirjan ilmestymiseen asti.

Ennen ensimmäisen kirjani julkaisua olin toimittanut useita teoksia. Joukkoon kuuluivat niin tieteellisiä konferenssiesitelmiä yhteen kokoava kirjanen kuin erilaisia henkilömatrikkeleitakin. Lisäksi olin osallistunut mm. Helsingin yliopiston Filosofisen tiedekunnan promootiokirjan toimitusprosessiin. En kuitenkaan ollut koskaan julkaissut yksittäistä tutkimusartikkelia laajempaa teosta, jonka kannessa komeilisi vain oma nimeni. Vuonna 2018 ajattelin, että olisipa hauska tehdä tuokin, kirjoittaa kirja. Samalla voisin opiskella asioita, joita en vielä hallinnut tutkimuskohteestani niin hyvin kuin joitakin toisia, olinhan väitellyt fysiikan alalta tohtoriksi vasta kaksi vuotta aiemmin. Kirjalla oli siis alusta alkaen viestinnällisen tehtävänsä lisäksi toinenkin tarkoitus: oppia aiheen parissa yhä paremmaksi tutkijaksi.

Vaikka pimeästä aineesta oli kirjoitettu paljon englanniksi ja jossain määrin myös suomeksi, yhtään kokonaista aihepiirille omistettua kirjaa ei ollut suomeksi ilmestynyt. Lisäksi aihe oli kosmologiassa eli koko maailmankaikkeutta tutkivan tieteenalan parissa suosittu ja ajankohtainen. Samalla teos olisi kertomus siitä, miten minusta tuli tutkija. Päätin ehdottaa kirjaideaa Ursalle, jossa ajatukseen suhtauduttiin heti myönteisesti.

Kirjoitusprosessi alkoi kesällä 2018, mutta kiireet häiritsivät työskentelyä. Tutkimustyö, uuden tutkijapestin vastaanottaminen ja sitä seurannut muutto Yhdysvaltoihin, sekä jatkuva matkustaminen konferensseihin ja luentomatkoille veivät aikaa. Vuodenvaihteessa minulla oli kirjasuunnitelman lisäksi kasassa vasta kaksi lukua. Deadline oli sovittu seuraavan vuoden kesäkuulle.

Kevät oli stressaavaa aikaa. Kirjoitin kirjan nopeasti, pääosin vain muutaman kuukauden aikana. Samalla jouduin opiskelemaan kirjaan liittyvää materiaalia, jotta osaisin kirjoittaa todenmukaisesti niistäkin aiheista, joista tiesin tutkijakokemuksestani huolimatta edelleen vain vähän. Myös lopputuotteen hiominen otti aikansa: erilaisia tarkistuksia, täydennyksiä ja kuvatekstejä sai laatia vielä kuukauden päästä siitä kun ajatteli jo ennättäneensä maaliviivalle. Olin kuitenkin tyytyväinen, ettei kirjan ollut sovittu ilmestyvän keväällä. En olisi mitenkään kyennyt viemään projektia maaliin vielä tuolloin.

Lopulta kirja valmistui juhannuksena, vain muutamia viikkoja alun perin sovittua deadlinea myöhemmin. Aikataulun venyminen harmitti, mutta tunteen ylitti helpotus siitä, että kirja oli viimein valmis. Kesälomat sekä jälkituotanto kirjan taittoineen ja viimeisine tarkistuksineen venyttivät julkaisun syyskuulle, mutta oli hienoa saada kirja ulos syksyn kirjamessuihin mennessä. Ne kun ovat kirjalle ja kirjailijalle usein se tärkein mainos- ja verkostoitumiskanava.

Vaikka valmiin kirjan kannessa koreilee usein vain kirjailijan nimi, olisi liioiteltua sanoa, että edes alansa läpikotaisin tunteva asiantuntija olisi aina tuottanut sisällön muista riippumattomasti. Luetut artikkelit, keskustelut kollegoiden kanssa ja eri tahoilta saatu palaute vaikuttavat aina lopputulokseen. Oman kirjani kirjoitusprosessin aikana ja jo ennen sitä kirjan sisältöön vaikuttivat erityisesti lukemattomat keskustelut kollegoiden sekä erityisesti Ursan kustannustoimittaja Suvi Syrjän kanssa. Erityisesti ensimmäiset luonnokset kirjaan tulevista luvuista olivat kauniisti sanottuna melkoisia raakileita, mutta Suvi antoi kärsivällisesti palautetta ja kehitysideoita. Hiljalleen kirja sai muodon ja sävyn, joka kelpasi molemmille.

Prosessi oli luonnollisesti opettavainen. Kirjan kirjoittamiseen on monia strategioita, ja oma valintani taisi olla jotain luovan kaaoksen ja hallitun etenemisen välimaastosta. Kirjoitin yhtä aihetta käsittelevän luvun, sitten toisen, sitten laadin yleisluontoisemman suunnitelman kirjan rungosta ja lopuksi kirjoitin kaikkia lukuja enemmän tai vähemmän sekaisin, pallotellen materiaalia luvusta toiseen saadakseni kirjoittamani sisällön edes jollain tavoin lukukelpoiseen järjestykseen.

En ole koskaan kärsinyt tyhjän paperin kammosta ja olen aina pitänyt materiaalin runsasta kertymistä hyvänä asiana, mutta uuden kirjani kanssa olen päättänyt toimia toisin. Tällä kertaa olen ensimmäiseksi laatinut huolellisen suunnitelman, jota seuraan aiempaa täsmällisemmin. En kirjoita sisältöä sieltä täältä, vaan etenen järjestyksessä luku kerrallaan. Nyt olen luvussa viisi – näillä näkymin vielä seitsemän on jäljellä. Vasta kun käsikirjoitus on valmis, annan itselleni luvan järjestää ja uudelleenkirjoittaa materiaalia.

En tiedä kumpi tapa on toimivampi. Tietokirjaa voi kirjoittaa usealla eri tavalla ja silti päätyä samaan lopputulokseen, sillä kaikkia asioita ei voi prosessissa muuttaa. En voi äkkiä päättää, ettei pimeä aine tuntisikaan painovoimaa tai että mustan aukon tapahtumahorisontin sisältä pääsisikin pakenemaan, vaikka se sopisi kirjan juoneen. En ole koskaan kirjoittanut fiktiivistä teosta, mutta kuvittelen ainakin kaoottisemman kirjoitustyylin johtavan helposti siihen, että kirjan muoto, henkilöt, tapahtumat tai jopa koko juoni voivat kirjoittaessa muuttua sysäyksittäin joksikin toiseksi, kirjailijan hetken mielijohteessa tekemän päätöksen seurauksena. Myös tietokirjassa tapa kertoa asiat elää prosessin mittaan, mutta tiettyjä perusasioita aiheen sisällöstä ei kirjailijalla ole mahdollisuutta muuttaa.

Kirjailija voi kuitenkin päättää, mitä asioita painottaa ja mitä jättää kirjasta kokonaan pois. Tutkimusaiheestaan kirjoittavan tietokirjailijan on tätä tehdessään hyvä kuunnella tarkalla korvalla paitsi kollegoitaan ja laajempaa tiedeyhteisöä, myös lukijoitaan.

Mitä sinä haluaisit tietää mustista aukoista?

Kirjoittaja on kosmologi ja teoreettisen fysiikan dosentti, joka palasi Yhdysvalloista Suomeen syyskuussa 2020. Nykyään hän työskentelee Aalto-yliopistossa asiantuntijana.

12 kommenttia “Vieraskynä: Miten tietokirja syntyy?”

  1. Kaarlo Nuutinen sanoo:

    Ymmärtääkseni tähti romahtaa lopulta mustaksi aukoksi tai neutronitähdeksi. Mikä niiden ero on ja mikä määrää kumpi supernovan jäänteistä syntyy?
    Jos musta aukko on jokin ”tila” johon aine putoaa, niin mihin se lopulta johtaa? Jostain luin arvelun, että kenties jopa toiseen maailmankaikkeuteen, mutta onko tämä vain arvailua ilman parempaa tietoa?

    1. Mustan aukon ja neutronitähden suurin ero on siinä, että ensimmäinen on (luultavasti) pohjaton reikä aika-avaruudessa ja toinen neutroni-nimisistä hiukkasista koostuva hyvin tiheä kappale. Elinkaarensa lopussa romahtavan tähden massasta riippuu, kumpi näistä on tähden lopullisena kohtalona vai onko kumpikaan. Jos massa on tarpeeksi pieni, kuten esim. Auringolla, lopputuloksena on ns. valkoinen kääpiötähti. Jos massa on suuri, syntyy musta aukko. Väliin jäi pieni massaikkuna, jossa lopputuloksena voi olla neutronitähti. Tästä ja paljon muusta lisää kirjassa!

  2. Lasse Reunanen sanoo:

    Mustan aukon näennäinen voimattomuus kiinnostaa. Aukon ajateltu läheltä vetävän ainetta itseensä,
    joka ei sieltä enää poistu (kuin vähäisenä haihtumisena miljardien vuosien aikana)…
    Kuitenkin veto noudattaa samaa painovoiman kiertoa kuin tähdillä ja planeetoilla –
    siis voimakkaammin lähellä ja etääntyessä vähemmin.
    Isojen mustien aukkojen galaksien keskiöissä, aina pölyn ja kirkkauksien peitteiden ympäröinnissä.
    Lämpö- ja paine-erot aiheuttaa kiertoliikkeen, joka Maan vesistä
    (pyörremyrskyt ja viemärien kaltaiset putoukset)
    muodostaa vesi- ja myrskytyhjiöitä keskiöissä –
    joita lämpö- ja paine-erojen vedet kiertää kunnes erot tasoittuneet –
    lämpösiirtymällä kylmän suuntaan.
    Eikö mustat aukotkin voisi olla näitä lämpösiirtymien myllyjä,
    joista kuuma sekoittuu kylmempään suuntaan ja siten leviäisi ympäristöön…

    1. Mustan aukon vetovoima pysyy samanlaisena kuin sillä alkuperäisellä tähdellä, josta musta aukko syntyi. Tämä johtuu siitä, että painovoima on aika-avaruuden kaarevuutta eikä erillinen voima, jota esim. jotkin hiukkaset välittävät. En kuitenkaan sanoisi, että musta aukko olisi näennäisesti vetovoimaton. Mustan aukon kuten muidenkin kappaleiden vetovoima on sitä, että kappaleet putoavat kaarevassa avaruudessa toisiaan kohti. Kappaleiden massat määrittävät, kuinka paljon aika-avaruus kaareutuu ja millaista ”vetovoima” sen myötä on. Tämän vuoksi myös mustat aukot voivat luoda kuvailemiasi vuorovesivoimia (mikäli ymmärsin tekstisi oikein). Myös tästä paljon lisää kirjassa. 🙂

  3. VK sanoo:

    Minua kiinnostaisi tietää, onko mustilla aukoilla ja niitä ympäröivällä tapahtumahorisontilla lämpötilaa ja painetta? Jos on, millaisia arvioita niistä on?

    1. Kukaan ei tiedä millaiset ominaisuudet mustan aukon sisäpuolella vallitsevat, mutta ulkopuolelta katsottuna mustilla aukoilla on kyllä lämpötila. Tämä johtuu siitä, että mustat aukot eivät oikeastaan ole täysin mustia (pimeitä), vaan aukkoa ympäröivä aika-avaruus säteilee jatkuvasti hiukkasia ulkopuolelleen. Tämän nk. Hawkingin säteilyn lämpötila on helppo laskea, joskin se on käytännössä aina erittäin pieni: esimerkiksi Auringon massaisen mustan aukon lämpötila on vain noin 10^-7 K eli 0,0000001 kelvinastetta (1 K = -272 C). Tästä johtuen Hawkingin säteilyä ei itse asiassa ole koskaan havaittu, siihen vain uskotaan melko vahvasti, koska ennuste pohjautuu uskottaviin laskelmiin. Kokonaan toinen asia on, millainen lämpötila ja paine mustaa aukkoa mahdollisesti ympäröivällä kertymäkiekolla on. Siellä lämpötila voi nousta kymmeniin miljooniin asteisiin.

  4. Timo sanoo:

    Rovellin kvanttigravitaatiokirjasta ymmärsin teoriakseen mustista aukoista, että ne romahdettuaan ponnahtavat heti takaisin, mutta koska ajan kulku hidastuu erittäin paljon niin suuren painovoiman alueella, niin meidän näkökulmastamme tuo ’heti’ kestää miljardeja vuosia. Voisiko asia olla näin vai onko tuo näitä vähemmän kannatusta saaneita teorioita?

    1. Joudun myöntämään, etten ole koskaan lukenut Rovellin kirjoja. En siis osaa antaa täsmällistä vastausta siihen, mitä hän on kirjassaan tarkoittanut. Kenties tässä on kyse samasta asiasta kuin siinä, että mustan aukon lähellä ajan kulku hidastuu ulkopuolisen havaitsijan mielestä, kun taas mustaan aukkoon putoavan havaitsijan mielestä mitään erityistä ei putoamisen hetkellä tapahdu ja aika jatkaa normaalia kulkuaan. Kukaan ei tarkkaan ottaen tiedä, mitä mustan aukon sisällä tapahtuu ja miten käy sen (mahdollisesti) höyrystyessä kokonaan pois Hawkingin säteilyn kautta, mutta voinee spekuloida, että mikäli mustaan aukkoon pudonnut havaitsija on jollakin keinolla selviytynyt aukon sisällä, hän(et jossain mielessä sisältävä informaatio) voi aukon höyrystyessä palata takaisin ajassa, joka aukkoon pudonneen havaitsijan mielestä on hyvin lyhyt mutta ulkopuolelta katsottuna valtavan pitkä, jopa miljardeja vuosia. Tämä pohdinta siis pohjautuu ihan vain yleiseen suhteellisuusteoriaan (ja hituseen kvanttimekaniikkaa, joka tuo Hawkingin säteilyn mukaan), erilaisissa kvanttigravitaatioteorioissa voinee tapahtua vielä kummallisemmin.

  5. PekkaP sanoo:

    Minua on kiusannut asia, jonka mustien aukkojen aiheuttamasta aikavääristymästä joskus luin. Schwarzildin säteen tienoilla ajan pitäisi sen mukaan hidastua ulkoiseen maailmankaikkeuteen nähden äärimmäisen hitaaksi.
    Miten musta aukko voi edes syntyä, jos aineen pääsy singulariteettiin tai kvanttifysiikan ”tuhruun” mustan aukon aikakoordinaatistossa kestää ikuisuuden?
    Ilmeisesti asia on yksinkertainen, mutta niin olen minäkin. Vai onko lukemani tieto kokonaan väärä?

    1. Asia kieltämättä on yksinkertainen: mustan aukon tapahtumahorisontissa aika näyttää etenevän hitaammin vain sellaisen havaitsijan mielestä, joka sijaitsee kaukana tapahtumahorisontista. Tapahtumahorisontissa ei tapahdu mitään kummallista, mitä nyt vuorovesivoimat (eli etäisyydestä riippuvat painovoimavaihtelut) voivat tosin tulla niin suuriksi, että jalat edellä mustaan aukkoon hypännyt havaitsija venyy kuin spagettinauha kun painovoima vetää jalkoja kovempaa kuin päätä. Näin tapahtuu kaikelle aineelle, siis esimerkiksi romahtavalle tähdelle, mutta ajan kulumiseen tämä ei millään kriittisellä tavalla vaikuta. Musta aukko pääsee siis syntymään, vaikka ulkopuolelta katsottuna tähän menisi jopa äärettömän kauan aikaa.

  6. K. Saari sanoo:

    Kiitos kirjasta! Sen sujuvaa tekstiä oli todella miellyttävää lukea. Nyt odottelen jo suurella mielenkiinnolla seuraavaa, mustia aukkoja käsittelevää kirjaasi.

    1. Kiitos, mukava kuulla!

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *