vety

Lisävalaistusta "pimeän puolen" galakseihin

To, 05/24/2018 - 14:48 Markus Hotakainen

Galaksien kehityksessä arvellaan olevan vaihe, jolloin niiden kaasusta ei vielä synny juurikaan tähtiä. Nyt näistä pimeistä galakseista on saatu lisää tietoa.

Jos galaksissa ei ole tähtiä, se ei ihmeemmin säteile. Siksi pimeiden galaksien tutkimus ja ylipäätään löytäminen on hankalaa. Tutkijat ovat tehneet havaintoja kuudesta lupaavasta kandidaatista, joiden toivotaan tuovan lisävalaistusta galaksien kehityksen hämäriin varhaisvaiheisiin.

Arvoituksena on edelleen, miten syntymässä olevan galaksin kaasu muuttuu tähdiksi. Teoreettiset mallit viittaavat siihen, että kaasua kerääntyy ensin suuret määrät yhteen ja tähtien "tuotanto" käynnistyy vasta jonkin ajan kuluttua. Havaintoihin pohjaavia todisteita tästä ei kuitenkaan vielä ole.

Zürichin teknillisen yliopiston professoreiden Raffaella Anna Marinon ja Sebastiano Cantalupon johtama ryhmä on käyttänyt pimeiden galaksien etsinnässä hyväksi kvasaarien lähettämää voimakasta ultraviolettisäteilyä. Se saa aikaan galaksien vetypilvissä fluoresenssia, jonka synnyttämä säteily – ja samalla koko galaksi – on mahdollista havaita.

Samaa konstia on käytetty aikaisemminkin, mutta Marinon ja Cantalupon ryhmä teki etsintöjä kauempana maailmankaikkeudessa sijaitsevien kvasaarien lähettyvillä kuin kertaakaan aiemmin.

Vetykaasun fluoresenssin seurauksena vapautuvan säteilyn aallonpituus on ultraviolettialueella ja siksi se imeytyy tehokkaasti Maan ilmakehään. Hyvin kaukaisista kohteista tulevan säteilyn aallonpituus on kuitenkin venynyt punasiirtymän ansiosta niin paljon, että se pääsee maanpinnalla sijaiseviin havaintolaitteisiin saakka.

Tutkijat tekivät havaintoja kuudesta eri alueesta 10 tunnin ajan kustakin. He löysivät kaikkiaan 200 kohdetta, joista tuli oletuksen mukaista Lyman-alfa-säteilyä. Tarkempi spektritutkimus karsi alustavan listan kuuteen kohteeseen, jotka kaikkein todennäköisimmin ovat pimeitä galakseja.

Kuvassa vasemmalla on yhden mahdollisen pimeän galaksin spektri, keskellä kaasun lähettämä säteily ja oikealla tähtien säteily; punaisella rinkulalla merkityn pimeän galaksin kohdalla tähtiä ei näyttäisi olevan.

Havaintoihin käytettiin VLT-teleskoopin MUSE-instrumenttia (Multi Unit Spectroscopic Explorer), jolla pystytään tekemään laajakaistaisia spektrimittauksia hyvin kaukana sijaitsevista kohteista.

Tutkimuksesta kerrottiin ETH Zurichin uutissivuilla ja se on julkaistu The Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: R. A. Marino / MUSE

Video: Näin tehdään timanttipuristuksella mahdotonta metallivetyä

Metallinen vety on omituinen idea vuodelta 1935. 

Vety kun normaalisti on eriste, mutta metallisena se johtaisi sähköä erinomaisesti. Sen avulla voisi tehdä esimerkiksi suprajohteita, jotka toimisivat huoneenlämmössä. Lisäksi siihen on puristuneena pieneen tilaan paljon energiaa, joten sitä voisi käyttää superpolttoaineena. Ja ellei muuta, niin metallivety on tieteellisesti erittäin kiinnostava aine, koska sitä ei ole koskaan nähty aikaisemmin.

Teorian mukaan sitä tosin olisi erimerkiksi jättiläisplaneettojen ytimissä ja kenties maapallonkin keskellä – mutta nyt sitä on siis pystytty tekemään laboratoriossa.

Harvardin yliopiston tutkijaryhmä kertoo tuoreessa Science-lehdessä tästä onnistumisestaan. Artikkelin luonnos on ollut luettavissa jo lokakuusta arXiv.org -palvelussa.

Professorit Thomas Cabot ja Isaac Silvera sekä tohtoritutkija Ranga Dias ovat tutkineet vedyn muuttamista metalliseksi jo pitkään. 

He puristivat hyvin pientä määrää vetyä kahden timantin välissä 495 gigapascalin paineella, eli paineella, joka on selvästi suurempi kuin vallitsee maapallon ytimessä. Näin suuressa paineessa kiinteä atomaarinen vety – siis "tavallinen" jäätynyt vety – muuttuu metallin omaiseksi, koska sen molekyylirakenne murtuu.

Sen jälkeen, kun vety on muuttunut metalliseksi, on se teorian mukaan hyvin pysyvä. Eli kun painetta vähennetään, se pysyy metallina samaan tapaan kuin timantit pysyvät timantteina sen jälkeen, kun ne ovat syntyneet hiilestä erittäin suuressa paineessa ja lämpötilassa.

Näin metallista vetyä voitaisiin käyttää suprajohteena melkeinpä missä vain ilman suuria ja hankalia jäähdytyslaitteita. Suuren energiatiheytensä ansiosta se voisi toimia myös polttoaineena esimerkiksi raketeissa tai lentokoneissa, joissa pieneen tilaan olisi hyvä saada pakattua mahdollisimman paljon energiaa.

Vety muuttuu metalliseksi kuvasarjassa, missä paine kasvaa vasemmalta oikealle mentäessä.

Näin siis teorian mukaan: Harvardin tutkijaryhmä ei ole onnistunut vielä mittaamaan synnyttämäänsä metallista vetyä, vaan siinä kuvataan aineen syntyneen ja hehkutetaan millaista se mahdollisesti on. 

Tämän vuoksi monet pitävät sitä ennenaikaisesti julkaistuna ja puolivalmiina. 

Kiinnostavinta metallisessa vedyssä on sen sähkönjohtokyky, mitä olisi ollut hyvä mitata jo kunnolla. Nyt tutkijat ovat vain arvelleet sitä aineen valonheijastuskyvyn perusteella.

Ennen metalliseksi muuttumistaan vety käy läpi varsin omituisia vaiheita. Kun normaalisti vety on läpinäkyvää, se muuttuu voimakkaasti puristettaessa ensin lähes mustaksi ja imee itseensä melkein kaiken siihen osuvan valon. Paineen kasvaessa valonheijastuskyky kasvaa ja lopulta metallinen vety heijastaa hyvin valoa, kuten kiiltävät metallit yleensä.

Amerikkalaisryhmä onkin arvioinut metallisuutta "vain" valonheijastuskykyä havaitsemalla, ei suoraan mittaamalla. Keino voi olla toimiva, mutta se on epäsuora, eikä sitä ole voitu vielä varmistaa.

Silti löytö on erittäin kiinnostava ja lupaava, mutta vaatii lennokkaan lehdistötiedotteen tekemisen lisäksi vielä hieman lisätutkimusta.

Ennätyshavainto maailmankaikkeuden vedystä

To, 06/02/2016 - 09:21 Markus Hotakainen
COSMOS J100054 -galaksi

Vety on maailmankaikkeuden yleisin aine, mutta sen havaitseminen ei ole aina helppoa. Tähtitieteilijät ovat nyt onnistuneet vastaanottamaan atomaarisessa muodossa olevan vedyn säteilyä lähes viiden miljardin valovuoden etäisyydellä sijaitsevasta galaksista.

Havainnot COSMOS J100054 -galaksista tehtiin Karl G. Jansky -radioteleskoopilla eli VLA:lla (Very Large Array). Jokin aika sitten mittavasti uudistetulla teleskoopilla voidaan tehdä havaintoja, jotka eivät aiemmin olleet mahdollisia.

"Havainnon myötä pystymme hahmottamaan, miten galaksit keräävät kaasua, muodostavat siitä tähtiä, ja menettävät sitä kehityksensä myötä", toteaa Ximena Fernandez Rutgersin yliopistosta. 

Hubble-avaruusteleskoopilla otettuun näkyvän valon kuvaan on yhdistetty radiohavaintojen perusteella määritetty atomaarisen vedyn jakauma (oranssinpunainen alue).

Galaksien kehitys on kuitenkin hyvin hidasta, joten sen tutkimiseksi on tarkasteltava eri-ikäisiä galakseja, jotka ovat kehityksensä eri vaiheissa. "Kun katsomme kauemmas, katsomme myös kauemmas ajassa taaksepäin, joten uusien havaintojen avulla saamme uutta tietoa galaksien kehityksestä", Fernandez lisää.

Samasta galaksista tehtiin havaintoja myös LMT-teleskoopilla (Large Millimetre Telescope) ja niiden perusteella siinä on hiilimonoksidia. Havainto on tärkeä, sillä tähtien synnyn kannalta molekyylimuodossa olevan kaasun esiintyminen on keskeistä.

COSMOS J100054 on havaintojen mukaan massiivinen sauvaspiraaligalaksi, joka on mahdollisesti vuorovaikutuksessa pienemmän naapurigalaksinsa kanssa. Radiohavaintojen perusteella siinä on vetyä lähes 100 miljardin Auringon massan verran. 

Tutkijat arvioivat, että galaksissa syntyy hieman alle sata tähteä vuodessa. Linnunradassa syntytahti on huomattavasti pienempi, vain noin kolme tähteä vuodessa.

"Pystyimme ensimmäisen kerran tekemään havaintoja sekä atomaarisen vedyn että hiilimonoksidin säteilystä näin kaukaisesta maailmankaikkeudesta", Hansung Gim Massachusettsin yliopistosta kertoo. "Nyt kun se on mahdollista, pystymme vähitellen täyttämään eri-ikäisten galaksien ominaisuuksia koskevan tietämyksemme aukkoja."

Tutkimuksesta kerrottiin NRAO:n uutissivuilla ja se julkaistaan Astrophysical Journal Letters -tiedelehdessä.

Kuva: Fernandez et al./Bill Saxton/NRAO/AUI/NSF/Koekemoer et al./Massey et al./NASA

 

 

 

 

 

 

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]