nopeat radiopurkaukset

Sattuuhan sitä paremmissakin (tiede)piireissä – osa 2

Su, 04/08/2018 - 12:28 Markus Hotakainen
Halley ja kompassivariaatio

Tiede ei läheskään aina etene voitosta voittoon, orastavasta hypoteesista toimivaan teoriaan. Matkan varrella on mutkia ja umpikujia, eivätkä tutkijatkaan ole kuin ihmisiä erheineen ja harhoineen. Jotkut niistä ovat aika kummallisia.

Edmund Halley tunnetaan nimikkokomeetastaan, joka palaa Aurinkokunnan sisäosiin noin 76 vuoden välein. Halley tutki aiemmin näkyneiden komeettojen ratoja ja päätyi siihen, että vuosina 1531, 1607 ja 1682 näkyneet pyrstötähdet olivat yksi ja sama taivaankappale. Hän ennusti komeetan palaavan taas vuonna 1759, mutta ei ehtinyt nähdä ennustuksensa toteutuvan. Halleyn komeetasta muodostui kuitenkin pysyvä muistomerkki suurelle tiedemiehelle.

Kaikissa ennusteissaan ja ajatuksissaan Edmund Halley ei ollut oikeilla jäljillä. Parikymppisenä nuorukaisena hän matkasi Saint Helenan saarelle laatiakseen luettelon eteläisen taivaan tähdistä. Merimatkoilla Halley tarkkaili tuulia, ilmavirtauksia ja Maan magneettikenttää. Paikoin kompassilukemissa esiintyi outoja poikkeamia, jotka vaativat selitystä. Ja sellaisen Halley myös kehitti.

Maa oli hänen mukaansa rakentunut sisäkkäisistä pallonkuorista ja kullakin niistä on oma magneettikenttänsä. Pallonkuoret pyörivät erilaisilla nopeuksilla ja näistä pyörimisliikkeistä aiheutuvat uloimman kuoren pinnalla – eli merillä ja mantereilla – havaitut magneettiset häiriöt.

Pallonkuorien välissä on myös ilmakehä, josta vuotava kaasu aiheuttaa kaukana pohjoisessa leimuavat revontulet. Tutkiessaan Maan magneettikenttää Halley siis löysi selityksen revontulille, joiden myöhemmin on todettu olevan nimenomaan Maan magneettikenttään liittyvä ilmiö. Tosin Halleyn selitys oli virheellinen.

Parkesin radioteleskooppi

Selitystä vailla ovat edelleen "nopeat radiopurkaukset" (Fast Radio Burst eli FRB), jotka ovat askarruttaneet tähtitieteilijöitä jo vuosien ajan. Niitä on havaittu eri puolilla taivasta, ne ovat hyvin lyhyitä, vain millisekuntien mittaisia, mutta hyvin voimakkaita. Purkausten tutkiminen on hankalaa, koska ainoastaan yhdessä tapauksessa niiden on todettu toistuvan, muuten ne ovat olleet yksittäisiä "signaaleja".

Toistuva purkaus tunnetaan nimellä FRB 121102 ja sen lähde on saatu paikallistettua kolmen miljardin valovuoden etäisyydellä sijaitsevaan kääpiögalaksiin. Purkauksen syntymekanismista ei kuitenkaan ole varmaa tietoa. Kyseessä saattaa olla supermassiivinen musta aukko tai neutronitähti ja jompaan kumpaan liittyvät energiset ilmiöt.

Joissakin tapauksissa mystisten radiosignaalien lähde on löytynyt lähempää. Todella paljon lähempää.

Australiassa Parkesin observatoriossa pähkäiltiin 17 vuoden ajan kummallisia radiopurskeita, joita oli havaittu aika ajoin 1990-luvun lopulta lähtien. Niille annettiin nimeksi "peryton" ja jo vuonna 1998 niiden todettiin olevan hyvin paikallisia: lähde voisi olla korkeintaan viiden kilometrin etäisyydellä observatoriosta. Signaalit eivät siis tulleet lainkaan avaruudesta, vaan niiden täytyi olla peräisin jostain maanpäällisestä lähteestä. Hyvänä kandidaattina pidettiin ukkosmyrskyjen salamointia.

Todellisuudessa radiopurkaukset olivat lähtöisin observatoriosta itsestään, tarkemmin sanottuna sen mikroaaltouunista. Kun radioteleskooppiin asennettiin uusi vastaanotin, sillä havaittiin hyvin voimakkaita signaaleja 2,4 gigahertzin taajuudella – joka on sattumoisin mikroaaltouunissa ruokaa ja juomaa lämmittävän sähkömagneettisen säteilyn taajuus.

Mikroaaltouunit ovat toki eristettyjä, sillä niiden lähettämä säteily ei ole ihmiselle terveellistä. Hätäiset tähtitieteilijät tapasivat kuitenkin tempaista uunin luukun auki, kun se oli vielä päällä, joten sieltä ehti "vuotaa" lyhyt signaali ennen kuin laite sammui. Ja radioteleskoopin mittauksissa se näkyi pitkällistä päänvaivaa aiheuttaneena mystisenä "perytonina".

 

Gemini 12 -astronautit helikopterin luona

Takaisin avaruuteen ja miehitettyihin lentoihin. Yhdysvaltain avaruusohjelman kehittyessä kohti kuulentoja alettiin kaksipaikkaisilla Gemini-aluksilla tehdä pidempiä, jopa pariviikkoisia lentoja. Niiltä palanneet astronautit näyttivät karvanaamaisilta hampuuseilta, mikä ei tietenkään sopinut avaruussankareiden silkoiseen julkikuvaan.

Viimeistään kuulennoille oli saatava mukaan partakone, joka toimisi myös avaruudessa. Teknisesti asiassa ei ollut ihmeempää haastetta, sillä sähköllä toimivia parranajokoneita oli ollut markkinoilla jo pitkään. Ongelmana oli toimenpiteen sivutuote eli partakarvat. Painottomuudessa ne ajelehtisivat ympäri alusta, tukkisivat suodattimet ja aiheuttaisivat pahimmassa tapauksessa oikosulkuja sähkölaitteissa.

NASAssa alettiin kehittää partakoneeseen integroitavaa imuria, joka pitäisi huolen siitä, että ilmaan ei pääsisi mitään ylimääräistä tavaraa. Ratkaisu oli periaatteessa toimiva, mutta käytännössä imuria ei saatu millään ilveellä niin luotettavaksi, etteikö partakarvoja olisi aina päässyt karkuun. Hankkeeseen uponneesta rahamäärästä ei ole tarkkaa tietoa, mutta dollareita paloi vähintään kuusi-, ehkä seitsennumeroinen summa.

Eräänä aamuna yksi insinööreistä äkkäsi kylpyhuoneen peilin edessä partaa ajaessaan, että perinteinen partavaahdon ja -höylän yhdistelmähän voisi toimia myös avaruudessa…

Kuvat: Public Domain, NASA, John Sarkissian/CSIRO

Radiopurkausten polarisaatio kielii lähteen lähiympäristöstä

Ke, 01/10/2018 - 20:40 Toimitus

Vuodesta 2007 lähtien eri puolilla taivasta havaittujen nopeiden radiopurkausten arvoitus saattaa olla hiljalleen ratkeamassa. Nyt näyttää vahvasti siltä, että ne ovat peräisin neutronitähdistä.

Tutkijat ovat selvittäneet Arecibon ja Green Bankin radioteleskoopeilla tehtyjen havaintojen avulla, että FRB121102-tunnuksella tunnetun lähteen radiopurkaukset ovat voimakkaasti polarisoituneita. Ja se kertoo paljon lähteen lähiympäristöstä.

Vuosi sitten tutkijaryhmä sai määritettyä FRB121102:n sijainnin. Se on yli kolmen miljardin valovuoden etäisyydellä sijaitsevassa kääpiögalaksissa alueella, jolla syntyy uusia tähtiä. Koska etäisyys on näin suuri, yksittäisen purkauksen energiamäärän täytyy olla valtaisa: millisekunnissa vapautuu saman verran energiaa kuin Auringossa yhden vuorokauden aikana.

FRB121102 on toistaiseksi löydetyistä nopeiden radiopurkausten lähteistä ainoa, jossa niitä havaitaan toistuvasti. Polarisaatio eli sähkömagneettisen säteilyn sähkökentän värähtelytason suuntautuminen ei ole mikään ihmeellinen asia, sillä esimerkiksi vedenpinnasta heijastunut auringonvalo on polarisoitunutta.

Tässä tapauksessa kyse on hieman mutkikkaammasta ilmiöstä, sillä FRB121102:n radiosäteilyn todettiin olevan ympyräpolarisoitunutta eli sähkökentän värähtelytaso kiertyy. Tämä niin sanottu Faraday-kiertymä syntyy säteilyn kulkiessa magneettikentässä: mitä suurempi kiertymä, sitä voimakkaampi magneettikenttä.  

FRB121102:n tapauksessa kiertymä on suurimpia radiolähteillä havaittuja, joten purkausten säteilyn täytyy kulkea tiheässä plasmassa, jossa on poikkeuksellisen voimakas magneettikenttä.

“Linnunradan ainoat kohteet, joissa kiertymä on yhtä suuri kuin FRB121102:n säteilyssä, sijaitsevat galaksimme keskuksessa lähellä massiivista mustaa aukkoa. FRB121102 saattaa olla omassa galaksissaan samanlaisessa ympäristössä”, arvelee väitöskirjatutkija Daniele Michilli Amsterdamin yliopistosta ja Hollannin radioastronomian instituutista ASTRONista.

Hänen mukaansa radiopurkausten kiertymä voi selittyä myös sillä, että niiden lähde on voimakkaasti säteilevässä kaasusumussa tai supernovajäänteessä.

 

 

Tällä kertaa purkauksia havaittiin aiempaa korkeammilla radiotaajuuksilla, mikä osaltaan auttoi mahdollisen lähteen selvittämisessä. Arecibossa työskentelevän Andrew Seymourin mukaan ”purkausten polarisaatio ja rakenne ovat samanlaisia kuin Linnunradan nuorten ja hyvin energisten neutronitähtien säteilyllä. Se tukee malleja, joiden mukaan purkaukset ovat peräisin neutronitähdestä”.

Ennätyksellisen voimakkaan polarisaation lisäksi FRB121102:n purkausten rakenne on mutkikas. Siinä missä muissa vastaavissa purkauksissa esiintyy yksi tai korkeintaan kaksi ”kirkastumaa”, FRB121102:n purkauksessa niitä on havaittu jopa seitsemän.

Laura Spitler radioastronomian Max Planck -instituutista kertoo, että ”seuraavaksi yritämme selvittää, onko purkausten rakenne seurausta radiosäteilyn syntyprosessista vai syntyykö se säteilyn kulkiessa lähteen lähellä sijaitsevassa tiheässä plasmassa”.

“Jatkossa tarkkailemme, miten purkausten ominaisuudet muuttuvat aikaa myöten”, sanoo Jason Hessels Amsterdamin yliopistosta. ”Toivomme uusien havaintojen varmistavan, kumpi kilpailevista hypoteeseista on oikea: onko neutronitähti lähellä mustaa aukkoa vai voimakkaasti säteilevän kaasusumun sisällä.”

Tutkimuksesta kerrottiin Max Planck -instituutin uutissivuilla ja se julkaistaan Nature-tiedelehdessä.

Kuvat: David Broad/CC BY 3.0 [Arecibo], Gemini Observatory/AURA/NRAO/NSF/NRC [FRB121102]