tähtitieteilijä,
tutkija Joni Tammi
8.11.2016, Fy9
Tähtitieteilijä,
Aalto-yliopiston tutkija, Metsähovin radiotutkimusaseman johtaja Joni Tammi
vieraili abien fysiikan työkurssilla 8.11.2016 Etu-Töölön lukiossa
kertomassa monipuolisesti tähtitieteilijän työstä ja erilaisista
tutkimuskohteista kuten neutriinotutkimuksesta Etelämantereella sekä mustista
aukkoista ja aktiivisista galakseista. Esityksessä tuli kattavasti esille
erilaisia avaruusteleskooppeja ja niiden toimintaa.
Avaruusteleskooppien
toimintaideaa esiteltiin upein valokuvin sekä
selityksin optisen ja radio-teleskoopin eroista/yhtäläisyyksistä. Molemmat
sähkömagneettisina aaltoina käyttäytyvät samoin, joten ne voidaan koota
koveralla peilipinnalla. Koska näkyvän valon aallonpituus on sadoissa
nanometreissä radioaallon aallonpituuden ollessa senttimetri/metriluokassa, pystytään
radio-aaltojen havaitsemiseen valmistamaan paljon isompia teleskooppeja. Mitä
isompi teleskooppi, sitä suuremmalta alueelta se kerää signaalia ja sitä
himmeämpiä kohteita sillä saadaan tutkittua. Suomen suurin tähtitieteellinen
radioteleskooppi, halkaisijaltaan 14m, sijaitsee Metsähovin radiotutkimus-asemalla Kylmälässä, Kirkkonummella. Lumelta ja näkyvältä
valolta suojaava huppu mahdollistaa sen 24/7-käyttöajan. Radioaallot kulkevat
vaivatta suojan läpi. Sen keräämä dataa käytetään mm. aktiivisten galaksien sekä
Auringon ja Maapallon pyörimisen tutkimiseen. Koska mittalaitteet ovat erittäin
herkkiä ja mittaavat heikkojakin signaaleja, tulee kaikkien tutkimusasemalla
työskentelevien työntekijöiden ja vierailijoiden sähkömagneettista säteilyä
käyttävät laitteet, kuten kännykät ja aktiivisuusrannekkeet olla pois päältä
mittausten aikana, etteivät ne aiheuta häiriöitä tutkittaviin signaaleihin.
Kuva 1. Joni Tammi ja
fysiikka 9 –kurssin abeja. Valkokankaalla kuva maailman suurimmasta
radioteleskoopista, halkaisija 500m, sijaitsee Kiinassa, toistaiseksi ei vielä
käytössä.
Kuva 2. Radioteleskoopit
sijaitsevat usein vuoristossa tai aavikoilla avarassa tilassa.
Niitä voidaan
kääntää halutun signaalin suuntaan.
Avaruushavaintoja tehdessä
käytetään useita eri aallonpituuksia, sillä eri aallonpituuksilla nähdään eri asioita.
Maasta käsin ei voida kaikkea säteilyä havaita/mitata, sillä Maapallon ilmakehä
aiheuttaa omat ongelmansa: se blokkaa röntgensäteilyn, suurimman osan
UV-säteilystä, osan valosta ja lämmöstä. Sen sijaan radioaallot pääsevät hyvin
ilmakehän läpi. Näin ollen mittalaitteita joudutaan joskus viemään avaruuteen
kuten satelliitit ja Hubble teleskooppi, jotta ilmakehän häiriöt saadaan
poistettua. Näiden välimuotoakin Nasa on kokeillut: viedään mittalaitteet
lentokoneella ilmakehän yläpuolelle ja avataan sieltä näkymä avaruuteen.
Mittausten jälkeen palataan ”illaksi kotiin”. ”Välimuoto”-lentokonelentää 12 km korkeudessa, ja teleskooppi on 2.5metrinen.
Kuva 3. Eri
aallonpituuksien avulla ”kuvattaessa” saadaan kohteesta eri asioita näkyviin.
Kuvassa
on aktiivinen galaksi, eli galaksi, jonka keskustan supermassiivinen
musta
aukko synnyttää miljoonien valovuosien pituiset plasmasuihkut,
jotka näkyvät vain radioteleskoopin kuvassa.
Avaruudesta tulevista
hiukkasista pienen pieniä lähes minkään kanssa vuorovaikuttamattomia
neutriinoja
on erittäin hankala tutkia. Etelämantereella niitä on onnistuttu
havaitsemaan siten neutriinoteleskooppi IceCubella. Maapalloa käytetään
filterinä, jolloin se blokkaa kaikki hiukkaset neutriinoja lukuun ottamatta.
Näin neutriinoja on onnistuttu mittaamaan n.2,5-3km syvältä jään sisältä.
Etelämantereella, n.1km x 1km alueelle porattuihin lukuisiin reikiin,
on laskettu langan varassa satoja kameroita. Niiden
havaitsemien pienten valoväläyshavaintojen avulla voidaan laskea 3D
-mallinnusta neutriinojen esiintymisestä.
Opiskelijoita aina
kiehtovista mustista aukoista
opittiin myös paljon. Tuttu tieto, että musta aukko imee itseensä kaiken,
myös valon, sai edelleen vahvistusta. Sen lisäksi päästiin kuvittelemaan videon
avulla millaista olisi joutua mustan aukon lähelle ja miten sen
mahtaisi huomata? Spagettifikaatio, jossa painovoima ollessa jaloissa ja
päässä erisuuruinen, venyttäisi meidät ja lopulta hajottaisi palasiksi. Mikäli
pääsisimme katsomaan mustasta aukon sisältä ulospäin, mitä
näkisimme? Valoa, sillä ulkopuolelta mustaan aukkoon tuleva valo
näyttäisi edelleen valoisalta. Tapahtumahorisontin takaa emme saa mitään
tietoa, sillä sen reunalla pakonopeus on valonnopeus, joten sen sisäpuolelta ei
mikään pääse ulos, ei edes valo.
Kuva 4. Musta aukko ja sen
tapahtumahorisontti.
Musta aukko toimii gravitaatiolle kuten kokoava linssi,
nk. gravitaatiolinssi.
Kuva 5. Esimerkki, miten
musta aukko toimisi, jos gravitaatiokentän tilalle
laitettaisiin
sähkömagneettinen kenttä ja näkyvä valo.
v.2014 tehdyssä Interstellar-elokuvassa astrofyysikko Kipp
Thornen ja lukuisien muiden teoreettisten fyysikoiden
matematiikan ja tuhansien tietokoneiden avulla suurella
rahalla tehtiin tähän mennessä tarkimmat simulaatiot mustan aukon
luonteesta ja käyttäytymisestä. Onneksi tämä data on julkaistu tutkijoiden
käyttöön elokuvan teon jälkeen.
Oli oivaa huomata, miten
paljon lukiofysiikalla jo osataankaan. Kaksoistähtisysteemien pyöriminen
toistensa ympäri yhdistettynä pyörimismäärän säilymislakiin, on helppo
havaita ihan silmä-määräisestikin animaatiossa: hitausmomentin pienentyessä
kulmanopeus kasvaa. Keplerin laeista lukiolaiset kuulevat gravitaatio ja pyöriminen -kurssilla:
Kepler I lain toteutuminen omassa
galaksissamme osoitti sen keskellä
olevan mustan aukon itse asiassa olevankin elliptisten kiertoratojen
polttopisteessä. Myös oman Aurinkokuntammekin rata on tällainen ellipsirata
Linnunradan laitamilla. Newton II laki =
dynamiikan peruslaki, jonka usein todetaan olevan lukio-fysiikan tärkein
laki, F=ma ja sekä varaukselliseen hiukkaseen vaikuttava magneettinen
voima
F=qvB ovat validia
faktaa myös tutkijamaailmassa. Samoin yksikkötarkastelu ja suuruusluokkien
arviointi, jota myös kursseilla koko ajan teemme ja korostamme, osoittautuivat tutkijamaailman
perustyökaluksi. Esimerkinomaisesti laskeskelimme MAOLin taulukkoarvojen
(Auringon massa M, valon nopeus c, gravitaatiovakio G) pakonopeuden v avulla arvion, mihin
suuruusluokkaan (r=säde)
oma Aurinkomme tulisi pakata, jotta siitä
tulisi musta aukko, jos valokaan ei pääse pakenemaan.
Kaavasta huomaamme, että
ainoa tekijä, mikä vaikuttaa kokoon on massa eli mitä suurempi massa, sitä
suurempi musta aukko. Tulos 3km osoittaakin, että oman aurinkomme massa on
hyvin pieni maailmankaikkeuden mittakaavassa ja että omasta Auringosta ei
mustaa aukkoa koskaan tule syntymäänkään.
Kuva 6.
Interstellar-elokuvaa varten mallinnettu mustan aukon visualisaatio.
Taustalla
valkotaululla lasku mustan aukon koosta, jos se muodostuisi meidän oman
Auringon massasta.
Abivuonna opiskelijat
suuntaavat ajatuksia jo lukion jälkeiseenkin aikaan. Yliopisto-opintojen
rakennetta FK/FM - DI -vaiheeseen ja edelleen tutkijakoulun avulla
väitöskirjaan ja edelleen post-doc -paikkaan maailmalla antoi
ajatuksia yhdestä mahdollisuudesta lukion jälkeisestä
elämästä.
Monipuolinen koulutus (matematiikka, fysiikka, ohjelmointi,
datankäsittely, tilastotiede, numeeriset menetelmät, ajattelun taidot)
mahdollistavat tutkijoiden monipuolisen sijoittumisen työelämään.
Opiskelijoiden palaute vierailuluennosta oli
hyvin positiivista. Luento oli erittäin mielenkiintoinen,
monipuolinen ja ymmärrettävä. Erityisesti he kertoivat oppineensa
teleskoopeista ja mustista aukoista.