tähdet ja galaksit

Tähdet ja galaksit

Fysiikka tieteenä on monella tapaa lähtöisin taivaankappaleiden liikkeiden tarkastelusta. Niiden liikettä on ensinnäkin helppo tutkia systemaattisesti ja toisekseen niiden liike on hyvin säännöllistä, joten ennusteitakin on helppoa tehdä. 

Yksittäisen ihmisen on esimerkiksi mahdollista huolellisella analyysillä osoittaa, että Aurinkokunnan keskipisteessä ei olekaan Maa vaan Aurinko. Tällaiset havainnot muuttavat käsitystämme maailmasta merkittävällä tavalla ja siksi onkin ollut järkevää investoida yhä parempiin teleskooppeihin meitä ympäröivän maailmankaikkeuden tutkimiseksi. 

Tässä esimerkissä on helppo huomata kuinka huomio Aurinkokeskisestä Aurinkokunnasta ei ole merkittävä sen mahdollistavien teknisten ja kaupallisten sovellusten vuoksi, vaan koska uudella tiedolla on itseisarvo. 

Maailmankaikkeuden rakenteiden hahmottamista helpottaa niiden suuruusluokkien ymmärtäminen. Maa on osa Aurinkokuntaa, jonka keskellä olevan Auringon halkaisija on noin 10⁹ m, eli miljoona kilometriä. Koko Aurinkokunnan halkaisija puolestaan on noin 10¹³  m, eli noin 10000 kertaa Auringon halkaisija. 

Aurinkokuntamme on osa Linnunradan kierteisgalaksia, jonka halkaisija on suuruusluokkaa 10²¹ m eli noin 100 miljoonaa kertaa Aurinkokuntaa suurempi. Koko näkyvä maailmankaikkeus puolestaan on kooltaan noin 10²⁷ m eli noin miljoona kertaa galaksiamme suurempi. Kokoluokat ovat tietenkin todella suuria, mutta suhteelliset erot ovat kuitenkin ainakin suurin piirtein ymmärryksen rajoissa. Kaavakuva elementeistä Näkyvään maailmankaikkeuteen mahtuu noin 100 miljardia galaksia ja linnunradassa arvioidaan puolestaan olevan noin 100 miljardia aurinkokuntaa. 

Aurinkokunnan mittasuhteet ovat samanlaiset kuin atomien. Jos Aurinko olisi atomiydin, atomi olisi suurin piirtein Aurinkokunnan kokoinen. Katso video: https://youtu.be/zR3Igc3Rhfg?si=8WuGMpE-sglCUUFA

Näitä arvioita voidaan käyttää arvioitaessa elämälle soveltuvien planeettojen määrää. Selvitä millaisia arvioita tästä on ja mihin arviot perustuvat. Onko todennäköistä, että muualla maailmankaikkeudessa on elämää?

Yksi viime vuosisadan merkittävimmistä maailmankaikkeutta koskevista havainnoista oli, että teleskoopeilla näkemämme näkyvä aine on vain pieni osa koko maailmankaikkeuden energiasisällöstä. Näkyvän aineen lisäksi maailmankaikkeudessa on niin kutsuttua pimeää ainetta sekä niin kutsuttua pimeää energiaa. Näitä kutsutaan ”pimeiksi”, koska ne eivät vuorovaikuta sähkömagneettisen vuorovaikutuksen avulla, eikä niitä siten voi nähdä. Niiden olemassaoloa ja ominaisuuksia tutkitaan sähkömagneettista vuorovaikutusta huomattavasti heikomman  gravitaatiovuorovaikutuksen avulla. Tämä tekee tutkimuksesta vaikeaa, joten näiden eksoottisten energiamuotojen ominaisuuksista tiedetään vain vähän. Nykytiedon perusteella voidaan kuitenkin päätellä pimeää ainetta olevan noin viisinkertainen määrä näkyvään aineeseen verrattuna ja pimeää energiaa on vielä huomattavasti enemmän, noin 68% koko maailmankaikkeuden energiasisällöstä. Myös tähän aiheeseen palaamme FY8-moduulissa.

Tähtien ja planeettojen synty - Lisätietoa OPS:n ulkopuolelta

Maailmankaikkeuden alussa lämpötila oli niin suuri, etteivät elektronit pysyneet kiinni protoneissa, vaan alkeishiukkaset ovat liikkuneet vapaasti plasmassa. Lämpötilan laskiessa elektronit alkoivat pysyä protonien ympärillä, jolloin muodostuivat ensimmäiset yksinkertaiset atomit: vety, helium ja litium. Näiden keskinäiset suhteet on pystytty määrittämään ja ne sopivat hyvin yhteen alkuräjädysteorian ennusteiden kanssa. 

Vetyatomit vetävät toisiaan puoleensa gravitaation vaikutuksesta. Kun odotetaan riittävän kauan, kerääntyy vety massiivisiksi kaasupilviksi, joiden keskipistettä kohti kohdistuu suuri paine kaasumolekyylien gravitaatiovuorovaikutuksesta johtuen. Riittävän suuren paineen alla kaasu romahtaa tähdeksi, jonka keskellä paine ja lämpötila ovat tarpeeksi suuret fuusion käynnistymiselle. 

Fuusiossa kaksi kevyttä atomiydintä muodostaa painavamman ytimen, vapauttaen samalla energiaa. Esimerkiksi kaksi vetyatomia voi muodostaa yhden heliumatomin. Prosessissa vapautuva energia säteilee tähdestä sähkömagneettisena säteilynä (mukaan lukien näkyvänä valona) ja aiheuttaa ulospäin suuntautuvan paineen (aivan kuten vetypommissa). Tämä fuusioreaktion aiheuttama tähden sisältä ulospäin suuntautuva säteilypaine tasapainottaa gravitaatiosta johtuvan sisäänpäin suuntautuvan paineen ja tähti jää onnellisena tuottamaan heliumia ja muita raskaampia alkuaineita niin kauan kuin fuusioon tarvittavaa polttoainetta, eli vetyä, riittää. 

Vedystä muodostuu siis heliumia, joka jatkaa fuusioitumista muodostaen ensin berylliumia, sitten hiiltä ja muita raskaampia alkuaineita aina rautaan asti. Niin kauan kuin fuusioprosessi jatkuu, nämä aineet pysyvät tähtien sisällä, raskaimmat alkuaineet tähtien keskellä. Kun tähden polttoainevarasto ehtyy, se ei enää kykene tuottamaan ulospäin suuntautuvaa painetta ja tähti romahtaa oman painonsa alla. Mitä seuraavaksi tapahtuu, riippuu tähden koosta. 

Mitä suurempi kaasupilvi on alunperin ollut, sitä massiivisempi on siitä muodostunut tähti. Tähden elinkaaren lopussa Auringon kokoiset ja sitä pienemmät tähdet (noin 97% galaksimme tähdistä) laajenevat ensin punaiseksi jättiläiseksi, jonka jälkeen ne kutistuvat valkoisiksi kääpiöiksi. Valkoisissa kääpiöissä ei enää tapahdu fuusioreaktiota, joten ne eivät säteile. Kääpiöiden säde on maan säteen luokkaa, vaikka massa on samaa suuruusluokkaa kuin Auringolla - ne ovat siis erittäin tiheitä. 

Aurinkoa suuremmat tähdet voivat muodostaa romahtaessaan supernovan, jossa tähden keskustan romahtaessa syntyy riittävä paine ja lämpötila suurten ydinten fuusioitumiselle. Supernovat säteilevät erittäin kirkkaasti päivistä viikkoihin, jonka jälkeen suurin osa tähdessä olleesta energiasta on levinnyt ympäröivään avaruuteen aineena ja säteilynä. Supernovan eri vaiheissa syntyvät nykytiedon mukaan lähes kaikki rautaa raskaammat alkuaineet. Kaikkein raskaimpien atomien, kuten kullan ja uraanin uskotaan syntyneen neutronitähtien törmäyksissä.  

Tähden romahdus on monimutkainen prosessi ja tässä on annettu siitä vain suurpiirteinen kuva. Tutki itse lisää, aloita vaikka tästä https://fi.wikipedia.org/wiki/Supernova

Valkoiset kääpiöt ovat olleet yksi ehdokas pimeälle aineelle, mutta tästä hypoteesista on sittemmin luovuttu. Selvitä mihin tässä yhteydessä käytetty akronyymi MACHO viittaa. 

Mustat aukot ja neutronitähdet - Lisätietoa OPS:n ulkopuolelta

Tähdestä riippuen supernovasta muodostuu joko neutronitähti tai musta aukko. (Joissain tapauksissa musta aukko voi muodostua myös suoraan tähden romahtaessa, ilman supernovan muodostumista.) 

Tähden massan ollessa noin 10-20 kertaa Auringon massa syntyy neutronitähti: läpimitaltaan Helsingin kokoinen tähti, jonka massa on Auringon massan luokkaa. Neutronitähdet ovat siis äärimmäisen tiheitä ja koostuvat nimensä mukaisesti lähinnä neutroneista. Pienen säteensä vuoksi tyypillinen neutronitähti pyörii uskomattomalla nopeudella, jopa satoja kierroksia sekunnissa. Pyöriminen saa aikaan tähden ulkopuolelle voimakkaan magneettikentän, jonka voimme havaita siinä syntyvien radioaaltojen avulla. Pyöriminen aiheuttaa signaaliin jaksollisuutta, jonka vuoksi signaali saapuu meille säännöllisinä pulsseina - tämän vuoksi pyöriviä neutronitähtiä kutsutaan pulsareiksi. 

Massiivisimmat tähdet muodostavat romahtaessaan mustan aukon, eli kappaleen, josta valokaan ei pääse karkaamaan. Niiden luonnetta on helpointa ymmärtää ajattelemalla gravitaatiota. 

Gravitaatio vaikuttaa kaiken energian välillä, siis myös valo kokee gravitaatiovuorovaikutuksen: kulkiessaan massiivisen objektin ohi valon kulkusuunta kääntyy objektia kohden. Jos vuorovaikutus on riittävän voimakas, kääntyy valon kulku niin voimakkaasti, että sen rata päätyy väistämättä törmäämään objektiin. Normaalisti valo osuisi kappaleen pintaan, mutta jos vetovoiman aiheuttaja on riittävän tiheä (vielä neutronitähteäkin tiheämpi), katoaa valo meidän näkyvistämme jo ennen pintaan osumista. 

Objekti, josta valokaan ei pääse "karkuun" näkyy sen ulkopuolella  oleville havaitsijoille mustana (sillä sieltä ei tule valoa) ja kutsumme sitä mustaksi aukoksi. Alue, josta valoa ei tule, on nimeltään "tapahtumahorisontti". Tämän horisontin taakse emme näe, eikä meillä siten ole varmaa tietoa siitä, minkälainen maailma sen takana piilee. 

Maa kiertää Aurinkoa, sillä niiden välinen gravitaatiovuorovaikutus pitää maan ympyräradalla. Aurinkokunta puolestaan kiertää galaksimme "Linnunradan" keskipistettä (samasta syystä). Maa kiertää itseään massiivisempaa Aurinkoa, mutta mitä Aurinko sitten kiertää? 

Linnunradan keskipisteessä on supermassiivinen musta aukko,  Sagittarius A*, joka pääsi uutisiin keväällä 2019, kun siitä saatiin muodostettua ensimmäinen kuva. (https://www.nature.com/articles/d41586-019-01155-0) Sagittarius A*:n massaksi on arvioitu  noin 4 miljoonaa kertaa Auringon massa ja sen tapahtumahorisontin säde on noin puolet Aurinkokuntamme säteestä. Tällaisen mustan aukon lähellä gravitaatiovuorovaikutus on erittäin voimakas, joten tutkimalla kappaleiden liikkeitä sen ympärillä saadaan arvokasta tietoa voimakkaiden gravitaatiokenttien ominaisuuksista. 

Video Linnunradan keskellä olevasta mustasta aukosta 

Stephen Hawkingin kuuluisin tutkimustulos yhdistää elementtejä kvanttifysiikasta ja suhteellisuusteoriasta ja osoittaa, että mustan kappaleen tapahtumahorisontti säteilee. Selvitä millaista tämä "Hawkingin säteily" on.

Marvel-elokuvasaagassa Thorin vasara valmistetaan neutronitähden avulla.