Esitelmä räjähtävästä maailmankaikkeudesta

Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa oli vuorossa helmikuussa 2008 dosentti Diana Hannikainen, joka kertoi aiheesta "Räjähtävä maailmankaikkeus" Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa. Esitelmän rahoitti Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta. Esitelmällä oli 63 kuulijaa.

Maailmankaikkeudessa räjähtää jatkuvasti. Räjähdykset voivat olla hyvin hiljaisia, kuten siinä tapauksessa kun normaali tähti on kuolemassa. Toisessa ääripäässä ovat sitten maailmankaikkeuden rajuimmat räjähdykset, ns. gammapurkaukset. Kaikissa tapauksissa ilmiö on vaikuttava. Tässä esitelmässä kerrotaan miten nämä räjähdykset syntyvät ja miltä ne näyttävät havainnollisesti.

Klikkaa kuvaa!
Dosentti Diana Hannikainen luennoi Kirkkonummella. Kuva Seppo Linnaluoto.

Diana Hannikainen on asunut suurimman osan nuoruudestaan ulkomailla. Tähtitieteilijän uran hän aloitti Edinburghin yliopistossa Skotlannissa, missä hän valmistui Bachelor of Scienceksi (luonnontieteiden kandidaatiksi). Tämän jälkeen hän tuli Suomeen missä hän suoritti maisterin tutkinnon. Sitten hän valmistui tohtoriksi Helsingin yliopistossa. Hän on juuri siirtynyt Metsähovin radiotutkimusasemalla, missä hän aikoo tutkia musta aukko -ilmiöitä kaikilla skaaloilla: auringonmassaisista mustista aukoista röntgenkaksoistähtijärjestelmien supermassiivisiin mustiin aukkoihin galaksien keskuksissa.

Klikkaa kuvaa!
Dosentti Hannikaisen esitelmää kuunteli 63 henkeä. Kuva Seppo Linnaluoto.

Tähtien kehitys

Aurinko on aivan tavallinen tähti. Se syntyi 4,6 miljardia vuotta sitten. Auringon alkuaineista noin 70 % on vetyä, vajaat 30 % heliumia ja 2 % muita alkuaineita. Aurinko saa energiansa muuttamalla vetyä heliumiksi. Kun Auringon ikä on 10 miljardia vuotta, Auringon keskustasta kaikki vety on kulutettu. Tällöin sen ydinosa supistuu ja ulko-osat laajenevat suuresti. Siitä tulee punainen jättiläinen niin että sen pinta on suunnilleen Maan radalla saakka.

Punainen jättiläinen puhaltaa harvat ulko-osat ympäröivään avaruuteen ja jäljelle jää tiivis ydin. Tämä välivaihe näkyy planetaarisena sumuna. Esitelmöitsijä näytti useita kauniita planetaaristen sumujen kuvia.

Klikkaa kuvaa!
Helix-sumu on planetaarinen sumu. Keskellä oleva tähti on singonnut ulko-osansa avaruuteen.

Tähdestä jää jäljelle valkoinen kääpiö. Sillä ei ole mitään energialähteitä jäljellä ja se säteilee lämpösisältöään ympäröivään avaruuteen. Valkoinen kääpiö on hyvin tiheä, lusikallinen sen ainetta painaa monta tonnia. Valkoiset kääpiöt ovat suunnilleen maankaltaisten planeettojen kokoisia.

Supernovat

Raskaat tähdet voivat päättää päivänsä todella kirkkaissa supernovaräjähdyksissä. Supernovat ovat yhtä kirkkaita kuin koko galaksin miljardit tavalliset tähdet. Supernovan räjähdyksessä vapautuu energiaa yhtä paljon kuin 10 potenssiin 28 megatonnin vetypommissa. Luvussa on siis ykkösen jäljessä 28 nollaa. Pommi joka hävitti Hiroshiman kaupungin vuonna 1945, oli kooltaan noin 15 kilotonnia.

Kaikkein suurimassaisimmissa tähdissä alkuperäisestä vedystä ja heliumista syntyy uusia aineita aina rautaan saakka. Ennen supernovaräjähdystä tähti on kuin sipuli, jossa on rautaydin, sitten kerros piitä, happea, neonia, hiiltä, heliumia ja uloimpana vetyä. Tähdestä jää jäljelle neutronitähti tai musta aukko.

Hieman kevyemmät tähdet räjähtävät hiili- ja happileimahduksessa. Räjähdyksessä tähti luultavasti hajoaa kokonaan.

Lähekkäisissä kaksoistähdissä yleensä alunperin raskaampi tähti kehittyy valkoiseksi kääpiöksi. Toinen tähti kehittyessään alkaa luovuttaa massaa valkoiselle kääpiölle, joka saattaa ylittää ns. Chandrasekharin rajan, joka on noin 1,4 Auringon massaa. Tällöin valkoinen kääpiö romahtaa neutronitähdeksi. Tapahtuma nähdään tyypin I supernovana. Nämä ovat aika tarkkaan yhtä kirkkaita.

Tunnetuin oman Linnunratamme supernovaräjähdys tapahtui Härän tähdistössä vuonna 1054. Sen merkitsivät muistiin kiinalaiset. Se oli niin kirkas, että se näkyi keskellä päivää 23 päivän ajan. Supernova näkyi yötaivaalla paljain silmin 653 päivää. Supernovasta on jäljellä nyt komea räjähdyspilvi, nimeltään Rapusumu eli Äyriäissumu.

Klikkaa kuvaa!
Vuonna 1054 räjähtäneen supernovan jäännökset näkyvät nykyään Rapusumuna.

Supernovista voi siis jäädä jäljelle neutronitähti tai musta aukko. Neutronitähdet ovat vielä paljon tiheämpiä kappaleita kuin valkoiset kääpiöt. Neutronitähden läpimitta on noin 20 km ja sen tiheys tavattoman suuri. Esitelmöitsijä esitti kuvan, jossa lusikallinen neutronitähden ainetta painaa yhtä paljon kuin maapallon suurin vuori Mount Everest.

Helmikuussa 1987 räjähti läheisessä naapurigalaksissamme Suuressa Magellanin pilvessä alle 200.000:n valovuoden päässä supernova. Tämä tapaus oli ainutlaatuinen siksi, että tähti oli valokuvattu ja luetteloitu jo ennen räjähdystä.

Viimeiset omassa Linnunradassamme havaitut supernovat olivat Tyko Brahen löytämä vuonna 1572 ja Johannes Keplerin havaitsema 1604. Niistä on havaittu jäännöspilvet, mitkä laajenevat avaruuteen noin 4000 km/s.

Gammapurkaukset

Maailmankaikkeuden kovimmat räjähdykset, mitä nykyään tiedetään olevan olemassa, ovat gammapurkaukset.

1967 VELA-satelliitti havaitsi koko taivasta Neuvostoliiton ydinkokeiden varalta. Se havaitsi gammasäteilyä, mutta ei ydinkokeesta vaan avaruudesta - tämä oli ensimmäinen gammapurkaushavainto. Tulokset julkaistiin kuitenkin vasta 1973.

Gammapurkauksia tulee kaikkialta taivaalta. Ne näyttävät tulevan kaukaisista galakseista.

Gammapurkauksia on kahta tyyppiä. Ensiksikin on purkauksia, jotka kestävät vajaan sekunnin. Toiseksi on purkauksia, jotka kestävät kahdesta sekunnista useisiin minuutteihin.

Suuri osa tähdistä on kaksoistähtiä. Tähdet kehittyvät ja ne räjähtävät supernovana, jolloin voi syntyä kaksi neutronitähteä, kaksi mustaa aukkoa tai neutronitähti ja musta aukko.

Lyhyemmät purkaukset voisivat syntyä siten, että kaksi neutronitähteä sulautuu, ja niistä syntyy musta aukko. Tai neutronitähti ja musta aukko yhtyvät.

Pitemmät purkaukset voisivat aiheuttaa hypernovat. Hyvin massiiviset tähdet, noin 100 Auringon massaiset, päättävät päivänsä hypernovina. Tähden ydin romahtaa suoraan mustaksi aukoksi, muu osa tähdestä sinkoutuu avaruuteen ja samalla kaksi hyvin voimakasta energeettistä plasmasuihkua purkautuu pyöriviltä navoilta lähes valonnopeudella. Nämä suihkut lähettävät voimakasta gammasäteilyä napojen suuntaan. Minuutin aikana tällaisessa purkauksessa voi (näennäisesti) vapautua miljoonan galaksin säteilyenergia.

On laskettu, että muutaman tuhannen valovuoden etäisyydellä tapahtuisi gammapurkaus 50 miljoonan vuoden välein. Se hävittäisi otsonikerroksen maapallon ympäriltä.

Alkuräjähdys

Edwin Hubble tutki 1920-luvulla 40.000 galaksin spektrejä. Hän totesi, että mitä kauempana galaksi on, sitä suuremmalla nopeudella se pakenee meistä. Toisin sanoen avaruus laajenee!

Koska maailmankaikkeus laajenee, sen on aikaisemmin täytynyt olla pienempi. Koko maailmankaikkeus on ollut hyvin pieni ja tiheä.

1940-luvulla venäläis-amerikkalainen fyysikko George Gamow pohti maailmankaikkeuden alkua ja tuli siihen tulokseen että se on ollut hyvin kuuma. Tästä on jäänteenä kosminen taustasäteily. Gamowin ajoista lähtien alkuräjähdyksen englanninkielisenä nimityksenä on ollut Big Bang, suuri pamaus.

Esitelmöitsijä vertasi maallista vetypommia alkuräjähdykseen. Vetypommissa lämpötila on 100 miljoonaa astetta ja laajenemisnopeus 300 metriä sekunnissa. Alkuräjähdyksessä taas lämpötila on 1000 biljoonaa astetta ja nopeus 300.000 km/s.

Alussa kaikki aine ja energia oli yhdessä pisteessä, missä tuntemamme fysiikan lait eivät ole voimassa.

380.000 vuoden kuluttua lämpötila oli laskenut 3000 asteeseen. Vetyatomit muodostuivat ja aine muuttui läpinäkyväksi. Säteily pääsi etenemään nopeudella 300.000 km/s.

Nyt 13,7 miljardia vuotta myöhemmin lämpötila on enää kolme kelvinastetta. Television kohinasta pieni osa on peräisin alkuräjähdyksestä.

Nykyään lähes 14 miljardia vuotta alkuräjähdyksestä avaruus laajenee edelleen. Enemmistö tähdistä loistaa, mutta ne eivät ole ikuisia. Lopulta tähdistä tulee valkoisia kääpiöitä, neutronitähtiä tai mustia aukkoja.

Noin 100 miljardin vuoden kuluttua kaikki tähdet ovat sammuneet. Siirrymme ikuiseen pimeyteen.

Seuraava esitelmän Kirkkonummen Komeetan sarjassa pitää tutkija Marjaana Lindborg aiheesta "Uusi kuva Auringosta". Esitelmä on tiistaina 25.3. klo 18.30 Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa.

Seppo Linnaluoto