alkuaine

Suomalaistutkijat varmistivat uuden tavan tehdä alkuaineita – löytö voi auttaa selvittämään maailmankaikkeuden mysteereitä

Ke, 11/30/2016 - 21:20 Jarmo Korteniemi
Kuva: NASA / GSFC / Dana Berry

Turkulaiset tähtitieteilijät havaitsivat uudenlaisen mekanismin, jolla alkuaineita voi syntyä ja levitä avaruuteen. Aiemmin prosessin olemassaoloa on uumoiltu, mutta nyt se on viimein todennettu. Mekanismi voi kenties selittää keskiraskaiden aineiden yleisyyden outoudet.

Tuorlan observatorion tähtitieteilijät Jari Kajava, Joonas Nättilä ja Juri Poutanen yhdessä Kanadassa, Saksassa ja Venäjällä olevien kollegoidensa kanssa huomasivat, että erikoisessa röntgenpurkauksessa syntyy uusia aineita. Purkauksia on havaittu aiemminkin, mutta fuusioituvan raskaan aineen pakenemisen – ja siten myös niiden havaitsemisen – ei ole yleisesti uskottu olevan mahdollista.

Purkaus tapahtuu aivan neutronitähden yläkerroksissa. Syynä on sen kumppanitähdestä peräisin oleva aine, joka fuusioituu räjähdysmäisesti joutuessaan neutronitähden pinnalla vallitsevaan valtaisaan paineeseen ja lämpötilaan.

Tutkijoiden arvion mukaan ympäröivään avaruuteen levisi hetkessä noin 1016 kiloa vastasyntyneitä aineita, pääosin rautaa. Määrää on vaikea hahmottaa. Se vastaa vajaan 3000 vuoden kaikkea metallintuotantoa tällä planeetalla – nykytahdilla, joka on suurempi kuin ikinä aiemmin. Röntgenpurkauksen yhteydessä määrä kuitenkin syntyy sekunneissa.

Toisaalta neutronitähti synnyttää tuossa kertarykäisyssä vain alle sadastuhannesosan Kuun rautaisen ytimen massasta. (Ja Kuulla on muuten erittäin pieni ydin, vain pari prosenttia koko pallosta.)

Tähtipari sijaitsee meistä 16 000 valovuoden päässä, Jousimiehen tähdistössä. Se tunnetaan koodilla HETE J1900.1-2455.

Aktiivisia röntgenpurkautujia tunnetaan koko Linnunradasta vain runsaat sata. Ne ovat kaikki kaksoistähtijärjestelmiä, jossa neutronitähti ja pienimassainen kumppanitähti kiertävät toisiaan. Galaksin koko historian aikana vastaavia pareja on kuitenkin ehtinyt olla jo satoja, ehkä tuhansia kertoja enemmän.

Mutta kaikki eivät purkaudu tällä tavalla. Tuhansien tutkittujen purkausten joukosta tämä on tiettävästi vasta ensimmäinen, josta löydettiin pitävät todisteet raskaiden aineiden olemassaolosta tähteä ympäriöivän kaasukehän ulko-osista.

Tutkitunlaiset purkaukset ovat siis hyvin harvinaisia. Sellainen vaatii juuri sopivat olosuhteet, ja esimerkiksi naapuritähdeltä tulevan ainevirran on oltava juuri oikeanlainen. Sekä tähtipari että tutkimuksessa kuvattu purkaus ovat epätyypillisiä. Jatkoanalyysit ovat yhä kesken, mutta tutkijoiden valistuneen arvauksen mukaan joka tuhannes purkaus voisi olla vastaavanlainen.

Ratkaisu mysteeriin?

Vallalla olevien mallien mukaan alkuaineita syntyy kolmella tavalla. Alkuräjähdyksessä syntyi ainoastaan vetyä, heliumia ja litiumia. Tähtien sisällä tapahtuvassa fuusiossa taas saa alkunsa moni raskaampikin aine, mutta vain rautaan asti. Kaikki sitä raskaammat aineet taas syntyvät erilaisissa supernovaräjähdyksissä, ja kenties tähtien törmäyksissä (jotka tosin ovat erittäin harvinaisia).

Ongelmana kuitenkin on, etteivät havainnot ja mainitut vanhat mallit sovi kunnolla yhteen. Etenkin vanhoissa tähdissä vaikuttaa olevan aivan liikaa keskiraskaita alkuaineita, joilla on ytimessään 38–52 protonia. Tuolta väliltä löytyvät esimerkiksi tina, hopea, palladium ja turkulaisen Johan Gadolinin vuonna 1794 löytämä yttrium.

Röngenpurkauksissa syntyvien alkuaineiden havaitseminen osuu sopivaan väliin. Havaintoa olisi vaikea selittää, elleivät aineet pääsisi karkaamaan neutronitähtien pinnalta, rikastuttamaan tähtienvälistä ainetta ja lopulta osaksi uusien tähtien rakennusaineita. Löytö voi siis auttaa selvittämään ongelmallisten alkuaineiden suhteellista yleisyyttä.

Tutkimus julkaistaan piakkoin brittiläisessä Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters -julkaisusarjassa, mutta sen raakaversio on jo luettavissa arXiv-palvelussa.

Lopuksi vielä kuvasarja röntgenpurkauksen kehittymisestä:

Päivitys 1.12. klo 6:00: Korjattu sana "kertarykäisyssä" sanalla "kerralla" sekä vaihdettu toinen kappale tarkkuuden vuoksi nykyiseen muotoonsa. Aiemmin kohdassa luki "Purkaus tapahtuu aivan neutronitähden lähellä. Syynä on sen kumppanitähdeltä putoava aine, joka fuusioituu päästessään riittävän lähelle raskasta naapuriaan." Kumppanitähdeltä tuleva materia kertyy kuitenkin aluksi neutronitähden pinnalle, ja fuusio syttyy vasta noin kilometrin syvyydellä sen pinnan alla.

Kuvat: NASA / GSFC / Dana Berry

#ihmejakumma: Kultaa kehossamme

Ma, 10/17/2016 - 22:31 Toimitus

Ihmiskehossa, siis meissä jokaisessa, on noin 0,2 milligrammaa kultaa.

Kymmenen kärjessä alkuaineista ihmisen koostumuksessa ovat (massa 70-kiloisesta ihmisestä):

Happi 43 kg
Hiili 16 kg
Vety 62 kg
Typpi 1,8 kg
Kalsium 1,0 kg
Fosfori 0,78 kg
Kalium 0,033 kg
Rikki 0,038 kg
Natrium 0,037 kg

Ensimmäisten tähtien hautausmaa

Ti, 01/12/2016 - 17:10 Markus Hotakainen

Euroopan eteläisen observatorion ESOn VLT-teleskoopilla (Very Large Telescope) on löydetty kaasupilvi, joka on syntynyt mahdollisesti maailmankaikkeuden ensimmäisten tähtien kuollessa ja levittäessä raskaampia alkuaineita avaruuteen. 

Kuva on simulaatiosta, jossa tarkastellaan tähden räjähdystä varhaisessa maailmankaikkeudessa. Rengasmainen rakenne on kaasupilvi, joka laajenee supernovaräjähdyksen seurauksena ja rikastaa lähistöllä olevaa tiheämpää pilveä (merkitty punaisella).

Löytyneessä kaasupilvessä on äärimmäisen vähän raskaampia alkuaineita kuten hiiltä, happea ja rautaa – alle tuhannesosa Auringossa mitatuista pitoisuuksista. Koska pilvi on hyvin kaukana, näemme sen siinä kuosissa kuin se oli ainoastaan 1,8 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. 

"Raskaita alkuaineita ei muodostunut alkuräjähdyksessä, vaan niitä syntyi myöhemmin tähdissä", toteaa Neil Crighton Swinburnen yliopistosta. "Ensimmäiset tähdet koostuivat kokonaisuudessaan alkuperäisestä kaasusta ja ne muotoutuivat melko lailla eri tavalla kuin nykyiset tähdet."

Ihkaensimmäiset eli niin sanotut populaatio III:n tähdet räjähtivät hyvin voimakkaina supernovina, jotka levittivät niiden sisuksissa syntyneitä alkuaineita avaruuden kaasun joukkoon. Niinpä näihin ikivanhoihin pilviin tallentui kemiallinen tieto ensimmäisistä tähdistä ja niiden kuolemasta.

"Aiemmin havaituissa kaasupilvissä on enemmän raskaita alkuaineita, joten myöhemmät tähtisukupolvet ovat 'saastuttaneet' niitä ja häivyttäneet jäljet ensimmäisistä tähdistä", Crighton selittää. 

"Tässä pilvessä raskaiden alkuaineiden osuus on juuri niin pieni kuin ainoastaan ensimmäisten tähtien rikastamassa pilvessä voisi olettaa olevan", toteaa tutkimukseen osallistunut Michael Murphy niin ikään Swinburnesta.

Tutkijat toivovat löytävänsä lisää samankaltaisia pilviä, jotta niistä saataisiin mitattua useiden eri alkuaineiden keskinäiset runsaussuhteet.

"Pystymme mittaamaan tästä pilvestä kahden alkuaineen – hiilen ja piin – suhteen. Sen arvo ei osoita kiistatta, että se olisi vain ensimmäisten tähtien rikastama. Myös myöhemmät tähtisukupolvet ovat voineet rikastaa sitä", arvioi John O’Meara Saint Michael’s Collegesta.

"Jos löydämme uusia pilviä, joissa voimme havaita useampia alkuaineita, pystymme testaamaan olettamuksia runsaussuhteista, joita ensimmäisten tähtien rikastus on tuottanut."

Kaasupilvestä kerrottiin Royal Societyn uutissivuilla ja tutkimus ilmestyy Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä.

Kuva: Britton Smith/John Wise/Brian O’Shea/Michael Norman/Sadegh Khochfar