tähtien synty

Ikivanhat tähdet kertovat nuoresta kosmoksesta

Pe, 05/29/2015 - 08:19 Markus Hotakainen

Kun maailmankaikkeus syntyi noin 13,8 miljardia vuotta sitten, se oli pelkkää kuumaa hiukkaspuuroa. Avaruuden laajeneminen alkuräjähdyksen jäljiltä sai lämpötilan laskemaan ja kosmokseen laskeutui pimeys.

Valot saatiin uudestaan päälle vasta kun maailmankaikkeudella oli ikää "jo" 400 miljoonaa vuotta eli alle kolme prosenttia nykyisestä. Silloin syttyivät ensimmäiset tähdet. 

Tähtien rakennusmateriaaliksi oli tarjolla vain vetyä ja heliumia sekä vähäisiä määriä litiumia. Tähtitieteilijät ovat olleet siinä käsityksessä, että näin ankeasta alkuainevalikoimasta muodostuneet tähdet olisivat olleet hyvin suuria ja massiivisia, ja loistaneet hyvin kirkkaasti.

Tuoreen tutkimuksen mukaan näin ei kuitenkaan välttämättä ollut. Tähtitieteilijät ovat nyt löytäneet kolme "kosmista metusalemia", ikivanhaa tähteä, joilla on ikää noin 13 miljardia vuotta. Ne kuuluisivat siten maailmankaikkeuden ensimmäisiin tähtisukupolviin.

Jotta tähtikolmikko voisi olla yhä olemassa, ne eivät voi olla kovin massiivisia. Mitä suurempi tähti, sitä kiivaammin se kuluttaa ydinpolttoaineensa, ja räjähtää elämänsä ehtoolla supernovana. Ensimmäisten tähtien on ajateltu olleen niin suuria, että niiden elinkaarella olisi ollut mittaa ehkä vain joitakin miljoonia vuosia.

Tähtien sisuksissa vedystä ja heliumista oli fuusioitunut raskaampia alkuaineita ja supernovaräjähdykset levittivät niitä ympäröivään avaruuteen uusien tähtien raaka-aineeksi. Seuraavat tähtisukupolvet olivat selvästi rikkaampia ja niissä oli vedyn, heliumin ja litiumin lisäksi myös raskaampia alkuaineita, kaikkia niitä, joista myös elämä sittemmin kehittyi.

Nyt löytyneissä "ikitähdissä" alkuainekoostumus on hyvin köyhä. Tutkijoiden yllätykseksi niissä on kuitenkin yllättävä määrä hiiltä. Ja juuri siinä saattaa olla avain tähtien pieneen kokoon ja pitkäikäisyyteen.

Tähdistä tehtyjen havaintojen ja niiden kaasukehien koostumusta mallintavien tietokonesimulaatioiden perusteella on päätelty, että hiili toimi hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa jäähdytysaineena. Avaruuden kaasupilvien lämpötila oli aiemmin arveltua alhaisempi, jolloin niistä saattoi tiivistyä oletettua pienempiä ja pidempään loistavia tähtiä.

Ne muodostivat ehkä kokonaan uuden tähtien luokan varhaisessa maailmankaikkeudessa. Kun ihkaensimmäiset, hyvin suuret tähdet räjähtivät jo muutamassa miljoonassa vuodessa, niiden sisuksissa muodostunut hiili ehti mukaan kevyempien tähtien syntyprosessiin ja teki mahdolliseksi niiden muodostumisen. 

Laskelmien mukaan näiden pienempienkin tähtien olisi pitänyt olla vähintään kymmenen kertaa massiivisempia kuin tutkimuksen kohteena ollut kolmikko. Tutkijat arvelevatkin, että hiilen ohella lämpötilaa laski pöly, jota tuolloin jo esiintyi avaruuden kaasupilvissä.  

Vielä suurempi arvoitus on kuitenkin kolmen tähtinestorin litiumin määrä: sitä ei ole ollenkaan. Seuraavaksi tutkijoiden tavoitteena on selvittää, miten se on mahdollista, vaikka litiumia oli maailmankaikkeudessa jo ennen ensimmäistenkään tähtien syntyä.

Tutkimus on julkaistu Astronomy & Astrophysics -lehdessä (maksullinen) ja siitä kerrottiin Heidelbergin yliopiston uutissivuilla.

Kuva: NASA/WMAP Science Team​

Tähtien äänetön laulu

Ma, 03/23/2015 - 20:53 Markus Hotakainen
Kuva: ESO

Otsikosta saattavat tulla mieleen Cordwainer Smithin mystisen surumieliset novellit, mutta kyse on uudesta tieteellisestä löydöstä – joka tehtiin vahingossa.

Tutkijat olivat laboratoriossa tarkastelemassa plasman käyttäytymistä, kun siihen kohdistetaan suuritehoinen laser. Biljoonasosasekunnin sisällä lasersäteen osumasta äkisti kuumenneessa plasmassa alkoi esiintyä nopeaa virtausta tiheämmiltä harvemmille alueille.

Alueiden raja-alueelle muodostui liikenneruuhkan kaltainen kasauma, joka synnytti paineaaltoja – toisin sanoen ääntä. Korvinkuultavaa se ei ollut, sillä äänen taajuus oli liki biljoona hertsiä. Edes lepakot ja delfiinit eivät kykene aistimaan näin korkeita ääniä: plasmaäänen taajuus oli kuusi miljoonaa kertaa korkeampi kuin niiden kuuloalueen yläraja.

Tutkijat eivät pystyneet laitteillaan rekisteröimään varsinaista ääntä, vaan he tarkkailivat plasman liikkeitä hieman ylinopeustutkaa muistuttavalla koejärjestelyllä. Tosin heidän "tutkansa" kykeni havaitsemaan hyvin lyhyitä, tässä tapauksessa alle biljoonasosasekunnin mittaisia aikavälejä ja siten hyvin nopeita muutoksia plasmassa.

Alkuun tutkijoille oli epäselvää, mistä ääniaallot ovat peräisin. Numeerisen mallin avulla saatiin kuitenkin tuloksia, jotka vastasivat varsinaisessa kokeessa tehtyjä havaintoja taajuuden muutoksista. Laboratoriossa oli siten onnistuttu kehittämään uusi tapa tuottaa ääntä nesteen, tässä tapauksessa plasman virtauksen avulla.

Mitä tekemistä tällä odottamattomalla akustisella ilmiöllä on tähtien kanssa? Vihje löytyy sanasta plasma. Tähdet ovat tunnetusti plasmaa, sähköisesti varattua ainetta, jossa atomien ytimet ja elektronit ovat heittäneet toisilleen hyvästit. Tai ainakin sanoneet näkemiin.

Yorkin yliopistossa työskentelevän John Pasleyn mukaan laboratoriossa havaittu ilmiö voi esiintyä myös tähtien pinnalla. Kun syntymässä olevaan tähteen kertyy ainetta, siihen saattaa muodostua samanlaisia tihentymiä kuin laserilla pommitettuun plasmaan. Ja tihentymät voivat puolestaan saada aikaan paineaaltoja eli ääntä.

"Tähdet voivat laulaa, mutta kun ääni ei kulje avaruuden tyhjiössä, kukaan ei kuule sitä", Pasley toteaa.

Tutkimuksesta kerrottiin Yorkin yliopiston uutissivuilla tänään ja se on julkaistu Physical Review Letters -lehdessä (maksullinen) 20. maaliskuuta.

 

Herschel ratkaisi meteoriittien arvoituksen

La, 07/12/2014 - 10:04 Markus Hotakainen

Maahan syöksyvissä meteoriiteissa on todettu olevan monien muiden alkuaineiden ja yhdisteiden ohella berylliumin isotooppia, jota niissä ei pitäisi olla. Tai ei sitä enää olekaan, sillä beryllium-10 hajoaa nopeasti muiksi alkuaineiksi.

Näistä hajoamistuotteista on kuitenkin voitu päätellä, että meteoriittien kiviaineksen tiivistyessä kauan sitten berylliumia on ollut tarjolla. Ongelmana on se, että isotooppia ei synny tähtien sisuksissa myllertävissä fuusioreaktioissa eikä myöskään supernovien tulipätseissä.

Beryllium-10 vaatii syntyäkseen hyvin energisten hiukkasten törmäyksiä esimerkiksi happiatomien kanssa. Voisiko sen muinainen esiintyminen kertoa jotakin Auringon nuoruudesta? Infrapuna-alueella toimineen Herschel-avaruusteleskoopin projektitutkijan Göran Pilbrattin mukaan voi: "Tekemällä Herschelillä havaintoja tähtien syntyalueista olemme saaneet tietoa paitsi kaukaisista kohteista myös viitteitä oman Aurinkokuntamme menneisyydestä."

Auringonkaltaisten tähtien varhaisissa kehitysvaiheissa niistä puhaltava tähtituuli on hyvin voimakas ja voi selittää myös berylliumin esiintymisen. Todisteet ovat epäsuoria, mutta varsin vankkoja. Orionin tähdistön suunnassa sijaitsevalla tähtien syntyalueella OMC2 FIR4 on havaittu hiilen, hapen ja typen runsauksissa outo epäsuhta: siellä on liikaa typpeä.

Tähtienvälisten pilvien yleisin alkuaine on vety, joka ionisoituu helposti kosmisen säteilyn pommituksessa. Vetyionit eli protonit voivat muodostaa muiden atomien kanssa raskaampia alkuaineita, kuten happea, hiiltä ja typpeä. Niiden määrät ovat vähäisiä, mutta silti havaittavia.

Yleensä typpi hajoaa nopeasti, jolloin hiilen ja hapen määrä kasvaa siihen verrattuna. Havaittu typen ylimäärä voisi selittyä sillä, että osa hapesta ja hiilestä "jäätyy" pilven pölyhiukkasten pinnalle, jolloin niitä ei voi havaita. Tässä tapauksessa pilven lämpötila on kuitenkin niin korkea, ainoastaan 200 astetta pakkasen puolella, että jäätymistä ei voi tapahtua.

Tutkimusta johtaneen Cecilia Ceccarellin mukaan selitys on tyystin toinen: "Todennäköisin syy on hyvin energisistä hiukkasista koostuva tähtituuli, joka puhaltaa pilven sisällä syntyvistä tähdistä. Voimakas tähtituuli hajottaa typen lisäksi myös hiiltä ja happea, jolloin niiden runsaudet pysyvät lähempänä toisiaan."

Tutkijoiden mukaan samanlainen voimakas tähtituuli voisi selittää myös beryllium-10-isotoopin esiintymisen Aurinkokunnassa sen syntyvaiheissa. Auringollakin on siis ollut hurja nuoruus.