helium

Sininen pikkugalaksi juoruaa universumin varhaislapsuudesta

Ma, 05/16/2016 - 12:56 Markus Hotakainen
AGC 198691 -kääpiögalaksi

Pienen leijonen tähdistön suunnassa on himmeä galaksi, jolla on etäisyyttä noin 30 miljoonaa valovuotta. Se on siis suhteellisen läheinen tähtijärjestelmä, mutta tuoreen tutkimuksen mukaan se kertoo silti hyvin kaukaisista tapahtumista.

"Pikkuleijonaksi" ristityn AGC 198691 -galaksin tähdissä vetyä ja heliumia raskaampien alkuaineiden eli "metallien" osuus on alhaisempi kuin missään muussa tunnetussa tähtien muodostamassa ryppäässä.

"Metalliköyhimmän galaksin löytyminen on jännittävää, sillä sen avulla on kenties mahdollista testata alkuräjähdystä koskevia teorioita", toteaa tutkimukseen osallistunut John Salzer. "Maailmankaikkeuden syntyolosuhteiden tutkimiseen on käytettävissä vain harvoja keinoja, mutta metallipitoisuudeltaan alhaiset galaksit kuuluvat lupaavimpiin kohteisiin."

Nykyinen alkuräjähdysmalli antaa selkeitä ennusteita vedyn ja heliumin määristä, ja näiden alkuaineiden suhteelliset osuudet metalliköyhissä galakseissa kertovat suoraan aikojen alussa vallinneista olosuhteista.

Yleensä metalliköyhiä galakseja löytyy vain hyvin kaukaa, koska läheisemmissä galakseissa tähtien kehitys on ehtinyt muuttaa huomattavasti alkuainekoostumusta. Pikkuleijona kuuluu kuitenkin "paikalliseen maailmankaikkeuteen", joka ulottuu noin miljardin valovuoden etäisyydelle Linnunradasta.

Alhainen metallipitoisuus kertoo tässä tapauksessa vähäisestä "kosmisesta kierrätyksestä": galaksissa on aikojen kuluessa muodostunut uusia tähtiä vain harvakseltaan, joten vetyä ja heliumia raskaampia alkuaineita on ehtinyt syntyä vain hyvin vähän.  

Tutkimuksessa käytettiin Kitt Peakin observatorion nelimetristä Mayall-teleskooppia ja Mount Hopkinsilla sijaitsevaa MMT-teleskooppia, jossa on 6,5 metrin läpimittainen peili. Kaukoputkilla mitattiin galaksin spektri, jonka avulla pystyttiin määrittämään eri alkuaineiden runsaudet. 

"Kuva kertoo enemmän kuin tuhat sanaa, mutta spektri kertoo enemmän kuin tuhat kuvaa", luonnehtii Salzer. 

Pikkuleijona on todella hyvin pieni galaksi. Sen läpimitta on ainoastaan tuhat valovuotta ja siihen kuuluu vain joitakin miljoonia tähtiä. Galaksi on väriltään selvästi sininen, sillä siinä on suhteellisesti ottaen runsaasti vastikään syntyneitä, kuumia tähtiä. Ne ovat kuitenkin hyvin himmeitä, mikä on ollut alhaisen metallipitoisuuden ohella yllätys tutkijoille.

Tutkimuksesta kerrottiin Indianan yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/A. Hirschauer & J. Salzer, Indiana University/J. Cannon, Macalester College/K. McQuinn, University of Texas

Hubble selvitti ensimmäisen kerran super-Maan kaasukehän koostumuksen

Ti, 02/16/2016 - 18:03 Markus Hotakainen
55 Cancri e


Eksoplaneetta 55 Cancri e on niin sanottu super-Maa, noin kahdeksan kertaa maapalloa massiivisempi kiviplaneetta. Sen kaasukehä on rutikuiva.


Hubble-avaruusteleskoopin avulla onnistuttiin ensimmäisen kerran määrittämään super-Maa-luokkaan kuuluvan eksoplaneetan kaasukehän koostumusta ja ominaisuuksia. Se koostuu pääosin vedystä ja heliumista, vesihöyrystä sen sijaan ei näy jälkeäkään.

Planeetta kiertää Kravun tähdistön 55 Cancri -tähteä, jonka etäisyys meistä on noin 40 valovuotta. Se on jo aiemmin saanut lempinimen "Timanttiplaneetta", sillä sen kokoon ja massaan perustuvien mallien mukaan planeetan sisuksissa on runsaasti hiiltä.

"Tulos on hyvin jännittävä, sillä ensimmäisen kerran olemme onnistuneet havaitsemaan spektristä 'sormenjälkiä', jotka kertovat, mitä kaasuja super-Maan kaasukehässä esiintyy", riemuitsee Angelos Tsiaras Lontoon University Collegesta. Tsiaras kehitti havaintojen käsittelyssä käytetyn analyysimenetelmän yhdessä Ingo Waldmannin ja Marco Rocchetton kanssa.

"55 Cancri e:n kaasukehästä tehdyt havainnot viittaavat siihen, että planeetta on onnistunut pitämään otteessaan merkittävän määrän vetyä ja heliumia kaasupilvestä, josta se alun perin muodostui."

Super-Maat ovat oletusten mukaan Linnunradan yleisin planeettatyyppi. Hubble-avaruusteleskoopilla on yritetty aiemmin tutkia kahden muun samaa kokoluokkaa olevan eksoplaneetan – GJ1214b ja HD97658b – kaasukehiä, mutta niistä ei saatu riittävän tarkkoja spektrejä.

55 Cancri e on kuitenkin poikkeuksellinen super-Maaksi, sillä se kiertää hyvin lähellä tähteeän. Vuoden pituus on ainoastaan 18 tuntia ja pintalämpötilan arvellaan olevan noin 2 000 celsiusastetta. 

Havainnot perustuivat planeetan ylikulkuihin tähden editse. Hubblen avulla muodostettiin useita spektrejä, joita käsittelemällä saatiin erotettua tähden ja sitä kiertävän planeetan spektrit. Mittausten mukaan kaasukehässä näyttäisi olevan myös syaanivetyä eli sinihappoa. Se viittaa myös hiilen esiintymiseen planeettaa ympäröivässä kaasukehässä. 

"Havaittu syaanivedyn runsaus viittaisi siihen, että kaasukehässä on hyvin suuri hiilen ja hapen suhde", arvioi 55 Cancri e:n kaasukehän kemiallisen mallin laatinut Olivia Venot.

"Jos syaanivedyn ja muiden molekyylien esiintyminen varmistetaan muutaman vuoden kuluessa uuden sukupolven infrapunateleskoopeilla, se tukisi teoriaa, että tällä planeetalla on runsaasti hiiltä, joten se on hyvin eksoottinen maailma", toteaa puolestaan Jonathan Tennyson. "Tosin syaanivety eli sinihappo on äärimmäisen myrkyllistä, joten se ei ole planeetta, jolla haluaisin asustaa."

Havainnoista kerrottiin Hubblen kotisivuilla ja tutkimus on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: ESA/Hubble, M. Kornmesser (kuva on visualisointi siitä, miltä planeetta voisi näyttää)

Fuusiovoiman valjastaminen on askeleen lähempänä

To, 12/10/2015 - 22:04 Markus Hotakainen
Heliumplasmaa

Tänään tuotettiin Max Planckin plasmafysiikan instituutin Wendelstein 7-X -fuusiolaitteella ensimmäisen kerran heliumplasmaa. "Stellaraattorissa" tuotetun plasman lämpötila oli noin miljoona celsiusastetta.

Energiantuotantoon koelaitteistosta ei kuitenkaan ole, vaikka se onkin lajissaan suurin. Testeillä on tarkoitus tutkia, onko Lyman Spitzerin jo 1950-luvulla kehittelemästä laitteesta tulevaisuuden fuusiovoimalan sydämeksi.

7-X rakentuu 50 suprajohtavasta käämistä, joista kookkaimmat ovat 3,5 metriä korkeita. Käämit ympäröivät tyhjiökammiota ja ne jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä nestemäisen heliumin avulla. 

Kun käämit kytketään päälle, ne eivät kuluta juuri lainkaan energiaa. Niiden muodostama magneettinen "häkki" pitelee noin 30 kuutiometrin kokoista hyvin harvaa plasmapilveä irrallaan tyhjiökammion seinämistä.

1970-luvulla stellaraattorin ohi kiilasivat lupaavampina pidetyt tokamak-tyyppiset, rengasmaiset fuusiokammiot, mutta suurista odotuksista huolimatta niiden käytännön toteutuksessa on ollut suuria ongelmia.

Käytännöllisen fuusiovoiman toteutuminen onkin ollut jokseenkin koko alan tutkimuksen historian ajan noin kolmen vuosikymmenen päässä tulevaisuudessa. Nyt otettiin kuitenkin askel, joka saattaa lyhentää tuota aikaväliä.

Wendelstein 7-X -laitteistoa rakennettiin yhdeksän vuoden ja miljoonan työtunnin ajan, ja se saatiin rakenteellisesti valmiiksi huhtikuussa 2014. 

Sen jälkeen kokonaisuuden eri osia – tyhjiökammiota, jäähdytysjärjestelmää, suprajohtavia käämejä ja niiden tuottamaa magneettikenttää sekä ohjaus-, kuumennus- ja mittalaitteita – on testattu huolella.

Tyhjiökammio

Tänään laitteisto käynnistettiin ja sen sisuksiin syötettiin milligramman verran heliumkaasua, joka kuumennettiin lyhyellä 1,3 megawatin mikroaaltopulssilla, jolloin se muuttui plasmaksi.

"Aloitimme heliumista tuotetulla plasmalla, mutta siirrymme varsinaiseen tutkimuskohteeseen eli vetyplasmaan ensi vuonna", toteaa projektin vetäjä Thomas Klinger.

"Syynä on se, että heliumin saa muutettua helpommin plasmaksi. Lisäksi pystymme puhdistamaan plasmakammion sisäpinnat heliumilla."

Kokeessa helium pysyi plasmana sekunnin kymmenyksen. Seuraavaksi on tarkoitus pidentää plasman "elinaikaa" ja selvittää, miten plasman tuotanto mikroaalloilla onnistuu parhaiten. Kokeita jatketaan tammikuussa ja niiden tavoitteena on päästä siirtymään mahdollisimman pian vetyplasman tutkimukseen.

Varsinaisen fuusioreaktion käynnistyminen vaatii yli sadan miljoonan asteen lämpötilan, joten ongelmana on eristää vetyplasma tyhjiökammion seinämistä. Koska plasma johtaa sähköä, se onnistuu magneettikenttien avulla – mutta helppoa se ei ole.

Tällä hetkellä ainoastaan tokamak-tyyppistä reaktoria pidetään energiantuotannon kannalta toteuttamiskelpoisena. Parhaillaan Cadaracheen Ranskaan rakennetaan ITER-koereaktoria, jonka on määrä valmistua vuoden 2020 tienoilla.

Wendelstein 7-X -laitteistolla ei pystytä tuottamaan energiaa, mutta sillä kyetään kenties osoittamaan, että myös stellaraattori-tyyppisellä reaktorilla se on mahdollista. 

7-X on tullut maksamaan noin 370 miljoonaa euroa, joka jakautuu usean valtion sekä Euroopan Unionin kesken.

Onnistuneesta kokeesta kerrottiin Max Planckin plasmafysiikan instituutin uutissivuilla.

Kuvat: IPP [heliumplasma ja tyhjiökammio]; IPP, Thorsten Bräuer [7-X-koelaitteisto]

Kevyttä kesäjuomaa: Heliumolut

Pe, 06/26/2015 - 11:36 Jarmo Korteniemi
Kuva:  Sean Hickin / Flickr

Kaksi yhdysvaltalaista panimoa lanseerasi vastikään jotain täysin uutta: heliumoluen. Luit oikein. Oluen, johon on sekoitettu kevyttä helium-kaasua. Kumpikin juoma sattui vielä olemaan IPA-tyyppisiä, joten niitä on hyvä vertailla. Mainosvideot löydät jutun lopusta, tässä ensin puolueettomampi mutta siltikin hupaisa testivideo Saksasta:

Hassua, eikö? Kuulostaako liian hyvältä ollakseen totta? Johtunee siitä, että sitä se myös on. Kyse oli pilasta.

Mutta voisiko tuollaista todella tehdä? Heliumoluessa on kaksi perustavanlaatuista ongelmaa.

Ensimmäinen johtuu juojasta. Perinteisellä käytöllä vain röyhtäykset olisivat normaalia kimakampia. Jotta heliumolut nimittäin vaikuttaisi puheääneen, sen pitäisi tietysti mennä keuhkoihin vatsan sijasta. Tai ainakin juojan pitäisi malttaa impata juomasta haihtuva kaasu ennen nesteen lipittelyä. Olutta pitäisi haistella paljon antaumuksellisemmin kuin parhaitakaan viinejä.

Toinen - ja tärkeämpi - ongelma on itse helium. Se on eräs huonoimmin veteen liukenevista kaasuista. Ja, vaikka sitä saisikin pakotettua juomaan, pullon tai tölkin auetessa kaasu lähtisi litomaan kovalla paineella pihalle. Suuri osa juomasta päätyisi siis rinnuksille. Hiilidioksidi sen sijaan liukenee 700 kertaa paremmin kuin helium, ja vapautuu juomasta hitaasti. Näin saadaan aikaan se virkistävä poreilu...

Heliumissa kaikki on nopeampaa

Miten heliumin hengittäminen vaikuttaa ääneen? Liikkuvatko äänihuulet nopeammin kevyessä kaasussa? Nousevatko ääniaallot paremmin ylös, kun kevyt kaasukin pyrkii kehosta pihalle?

Helium vaikuttaa äänen sointiväriin. Rakkaalla lapsella on monta nimeä: siitä puhutaan myös timbrenä, sointina, tai äänenlaatuna, -sävynä tai -värinä. Tai sitten vain saundina. Kyse on meille jokaiselle tyypillinen kokoelma äänen korkeuksia.

Puhuessamme äänihuulet värähtelevät tietyllä taajuudella. Samalla niissä syntyy myös osaääniä (200 hertzin lisäksi tulee 400 Hz, 800 Hz, jne). Jotkut osaäänistä voimistuvat muita enemmän ääniaaltojen kulkiessa ulos kurkun ja suun läpi, ja käydessä kaikumatkalla kehon onteloissa. Äänenlaatu siis riippuu ääniaaltojen reitistä. Tämän takia ihmiset kuulostavat erilaisilta, ja tismalleen sama sävel kuulostaakin eri soittimilla erilaiselta. Kaikissa on erilainen yhdistelmä osataajuuksia. Ja tietysti mukana on myös epäpuhtauksia, sekä niiden osaääniä.

Kun henkitorvi sitten täytetään heliumilla, ei kehon koko tai muoto tietystikään muutu miksikään. Syntyvät ääniaallot ovat samanlaisia kuin ennenkin, ja myös voimistuvat aallot pysyvät entisellään. Mutta aallot kulkevat nyt paljon vauhdikkaammin - ääni kulkee heliumissa kolme kertaa nopeammin kuin ilmassa (927 m/s vs. 344 m/s). Siksi voimistuvat aallot ovat korkeammilla taajuuksilla. Ja voilá, ääni kuulostaa hassulta kimitykseltä.

Ääntä voi vastaavasti madaltaa ilmaa raskaammilla kaasuilla, vaikka niiden saaminen keuhkoista ulos voi tosin olla työn takana. Mutta saa niillä aikaan muitakin, erittäin siistejä efektejä:

Lopuksi takaisin heliumolueen. Sellaisia on markkinoilta turha etsiä, sillä kyse oli parista aprillipilasta. Pilojen innoittajana toimi luultavasti vuodelta 2007 oleva vanha mainos.

 

 

Päivän kuva 21.11.2013: Järjenvastainen supraneste

To, 11/21/2013 - 00:50 Markus Hotakainen

Aineen muuttuessa supranesteeksi se ei tunnu tottelevan edes painovoimalakia, sillä se pääsee helposti karkuun avoimesta astiasta. Neste muodostaa astian sisäpinnalle ohuen kalvon, joka nousee reunalle saakka, pujahtaa sen yli ja valuu astian ulkopintaa pitkin tippuen lopulta pisaroina sen pohjasta alas. Supranesteessä ei ole lainkaan viskositeettia, joka kuvaa nesteen sisäistä kitkaa, joten se on jatkuvassa liikkeessä – kaikkiin suuntiin. Helium muuttuu supranesteeksi neljän kelvinin lämpötilassa. Supranesteitä tutki ensimmäisenä alankomaalainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes, joka sai tasan sata vuotta sitten Nobelin fysiikanpalkinnon matalissa lämpötiloissa esiintyvien ilmiöiden tutkimuksesta.

Kuva: Alfred Leitner