hiili

Avukseen hän on ottanut kikkarapäisen ja tummahipiäisen Piet-nimisen orjapojan Afrikasta, ja koska hän on musta, on hänen nimensä Zwarte Piet, Musta Piet.  Toisen tarinan mukaan hän on mauri, kolmannen mukaan ehkä jopa orjakauppias. 

Nykyisin hänen kuitenkin sanotaan usein olevan vain 'nokinen', koska jonkun pitää kiipeillä savupiipuissa viemässä lahjoja lapsille Nikolauksen puolesta. Tarinat elävät, milloin mistäkin syystä.

Yhä useammin Piet onkin nykyisin valkoinen tai hänet jätetään pois; hänen avullaan on tosin myös kerrottu usein Alankomaiden – ja samalla muiden raakaa kolonialistista voimaa käyttäneiden maiden – synkästä, vaikkakin tuolloisen ajan hengen mukaisesta historiasta ympäri maailman.

Mutta yhtä kaikki, tänään vietetään hollantilaisten joulua, eikä vielä vuosikymmen sitten muuta joulua siellä juuri tunnustettukaan. Ja tänäänkin monissa joulukuvaelmissa ympäri matalien maiden on mukana nokinen poika.

Tämä on heiveröinen aasinsilta joulukalenterimme päivän aiheeseen eli nokeen.

Joulun aikana itse kukin tuottaa jonkin verran nokea kynttilöiden, puusaunojen, takkatulien ja jopa tupakanpolton yhteydessä. Voisi sanoa, että noki on eräs joulun tuoksun tekijöistä.

Nokea syntyy orgaanisen aineen epätäydellisessä palamisessa. Se on ilmassa leijuvaa mustaa ainetta, joka takertuu ihan kaikkeen ja tahraa sitäkin enemmän. Se koostuu pääosin hiilestä, mutta mukana on myös monia muita aineita, esimerkiksi rikkiyhdisteitä, lähdeaineesta ja palamisen olosuhteista riippuen. 

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)

Vielä 1960-luvulla arveltiin, että Kuun kraatterit tai ainakin iso osa niistä olisi syntynyt tulivuoritoiminnan seurauksena. Vaikka kuulennot osoittivat käsityksen vääräksi, Kuussa on kuitenkin ollut vulkanismia: onhan Maata kohti kääntyneellä puoliskolla laajoja tulvatasankojakin, joita muinoin pidettiin merinä.

Kuun pinnalta on löytynyt muutamasta paikasta pieniä lasipalloja, jotka kertovat yhdestä tulivuoritoiminnan tyypistä. Palloset ovat syntyneet pyroklastisessa purkauksessa eli sulan kiviaineen suihkutessa ylös kovalla paineella pinnan alta. Vastaavia laavasuihkuja esiintyy Maassakin, esimerkiksi Havaijilla, joten niiden synty tunnetaan melko hyvin.

Maan uumenissa liikkuvan magman seassa on useita kaasuja ja/tai helposti kaasuuntuvia aineita. Ne laajenevat sulan kiven kohotessa kohti pintaa, ja lisäävät samalla magman painetta. Kun magma kaasuineen pääsee viimein pinnalle saakka, tapahtuu räjähdysmäinen purkaus. Pienimmilläänkin kyse on näyttävästä "tulisesta suihkulähteestä". Maasta purskuavat kivipisarat jähmettyvät nopeasti löydetyn kaltaisiksi pieniksi pallosiksi.

Ilmiötä voi jäljitellä ravistamalla virvoitusjuomapulloa ja avaamalla sen sitten – tätä ei kuitenkaan kannata kokeilla kotioloissa tai ainakaan sisätiloissa. 

Kuun laavasuihkujen kohdalla ongelmana on ollut, etteivät tutkijat ole tienneet, mikä kaasu on saanut aikaan sikäläiset purkaukset. "Kaasu on kadonnut aikoja sitten, joten sen selvittäminen ei ole ollut helppoa", toteaa Alberto Saal, joka tutkimusryhmineen on nyt löytänyt arvoitukseen mahdollisen ratkaisun. 

Kuun laavasuihkuissa purkautuneessa laavassa on ollut huomattavan paljon hiiltä. Kun laava on kohonnut syvyyksistä kohti pintaa, hiili on reagoinut hapen kanssa ja muodostunut suuren määrän hiilimonoksidia. Ja se on saanut aikaan voimakkaan purkauksen, kun laava on päässyt pinnalle saakka. 

Pitkään oltiin siinä käsityksessä, että Kuussa ei ole vedyn ja hiilen kaltaisia helposti haihtuvia aineita. Vasta vajaa vuosikymmen sitten niistä tehtiin luotettavia havaintoja. Vuonna 2008 Saalin ryhmä löysi vulkaanisista lasipalloista vettä, sitten myös rikkiä, klooria ja fluoria. 

Mikään näistä aineista ei kuitenkaan sopinut laavasuihkujen "voimanlähteeksi". Jos purkauksia olisi aiheuttanut esimerkiksi vesi, siitä olisi pitänyt jäädä jälkiä Kuusta tuotuihin näytteisiin. Sellaisia ei kuitenkaan ole havaittu.

Todellisuudessa hafnium-typpi-hiili-yhdisteen sulattamiseen tarvitaan huikean paljon korkeampi lämpötila kuin tavallisella tulella saadaan aikaan. Tai tarvittaisiin, sillä tällaista ainetta ei ole olemassakaan.

Tätä mielikuvitusainetta on toistaiseksi kehitetty vain supertietokoneiden uumenissa. Axel van de Walle ja Qijun Hong ovat mallintaneet yhdistettä, joka tunnetaan nimellä HfN0.38C0.51. He totesivat, että sen sulamispiste on korkeampi kuin yhdelläkään tunnetulla tai teoreettisella aineella.

Kestävä yhdiste sulaa laskelmien mukaan vasta noin 4 130 celsiusasteen lämpötilassa. Mallinnuksessa tutkijat säätivät hafniumin, hiilen ja typen suhteellisia runsauksia yhdisteessä. Tietyillä määrillä sulamispiste nousi laskennallisesti noin 200 astetta korkeammaksi kuin hafniumin, tantaalin ja hiilen yhdisteellä, jolla on korkein kokeellisesti todettu sulamispiste.

"Laskennallisella tutkimuksella on se etu, että voimme kokeilla monia erilaisia yhdistelmiä hyvin edullisesti ja etsiä sellaisia, joita kannattaa testata laboratoriossa", toteaa van de Walle. 

Tutkijat sovelsivat menetelmää, jossa sulamispiste määritetään simuloimalla fysikaalisia prosesseja atomitasolla. Laskennallisesti sulamista tarkastellaan nanoskaalassa eli noin sadan atomin kokoisissa ”kappaleissa”. Silloin joudutaan tekemisiin kvanttimekaanisten ilmiöiden kanssa.

"Aineen sulaessa entropia kasvaa, kun olomuoto muuttuu. Jos kiinteän olomuodon entropia on jo valmiiksi suuri, se vakauttaa ainetta ja nostaa sen sulamispistettä", van de Walle selittää.

Tutkijoiden seuraavana tavoitteena on valmistaa ainetta ja tutkia kokeellisesti sen ominaisuuksia. van de Wallen mukaan toistaiseksi on kuitenkin epävarmaa, onko aineelle mitään hyödyllistä käyttöä. Sitä voitaisiin kenties käyttää esimerkiksi kaasuturbiinien lapojen pinnoittamiseen.

"Sulamispiste ei ole aineen ainoa tärkeä piirre. Lisäksi on tarkasteltava esimerkiksi mekaanisia ominaisuuksia ja hapettumisen sietokykyä. Niiden takia yhdisteeseen on ehkä lisättävä aineita, jotka alentavat sen sulamispistettä", arvioi van de Walle.

Tutkimuksesta kerrottiin Brownin yliopiston uutissivuilla ja se ilmestyi Physical Review B -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: van de Walle lab/Brown University

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​

Tutkijat ovat päässeet kosmisen vandalismin jäljille. Yksi Merkuriuksen arvoituksista on sen tumma pinta. Vaikka lähinaapurimme Kuu, joka muistuttaa monin tavoin Merkuriusta, heijastaa keskimäärin vain 12 prosenttia siihen lankeavasta valosta, Aurinkokunnan sisin planeetta on vielä tummempi.

Kuun ja muiden Aurinkokunnan kaasukehättömien kappaleiden pintaa tummentaa jatkuva mikrometeoriittien ja aurinkotuulen hiukkasten pommitus. Ne saavat aikaan ohuen raudan nanohiukkasten muodostaman kerroksen, joka heijastaa kehnosti valoa.

Merkuriuksesta tehtyjen spektrihavaintojen perusteella sen pinnalla on hyvin vähän nanorautaa, ei läheskään riittävästi selittämään planeetan tummuutta. Tuoreen tutkimuksen mukaan selitys saattaakin olla komeetoissa: ne kylvävät Merkuriuksen pinnalle hiiltä.

Merkuriuksen kiertoradan tienoilla Aurinkoa lähestyvät komeetat alkavat murentua vauhdilla. Niistä irtoavan pölyn massasta voi jopa neljäsosa olla hiiltä. Megan Bruck Syal laski mikrometeoriittipommituksen arvioidun voimakkuuden perusteella, kuinka paljon Merkuriuksen pinnalle on miljardien vuosien kuluessa kertynyt komeetoista irronnutta hiiltä. Tuloksen mukaan Merkuriuksen pintamateriaalissa on hiiltä 3–6 prosenttia.

Seuraavaksi tutkijoiden oli selvitettävä, kuinka paljon moinen määrä hiiltä tummentaisi Merkuriuksen pintaa. Sitä varten NASAn Ames-tutkimuskeskuksessa olevalla "tykillä" singottiin pieniä ammuksia Kuun basalttia muistuttavaan kiveen yli 25 000 kilometrin tuntinopeudella eli noin seitsemän kilometrin sekuntinopeudella.

"Käytimme mallina Kuun basalttia, sillä halusimme tehdä kokeen jollakin valmiiksi tummalla aineella ja katsoa, saisimmeko muutettua sen vielä tummemmaksi", toteaa tutkimukseen osallistunut Peter Schultz.

Se, että lakritsi nostaa verenpainetta, ei liene yllätys. Mutta se, että ihanan lakun sisältämät nanohiukkaset voivat olla haitallisia, voi olla pieni yllätys.

Tai sitten ei sekään: kasviraaka-aineista hiiltämällä valmistettava lääkehiili, eli E153, sisältää nanohiukkasia samaan tapaan kuin muukin hiili, mitä käytetään esimerkiksi hiilikuituteollisuudessa raaka-aineina. Hiilikuiterakenteiden osamateriaalina käytettävät nanohiukkaset ovat tärkeä ja paljon lupauksia sisältävä materiaaliryhmä, jonka käyttöä tutkitaan laajalti ympäri maailman.

Samoin tutkitaan nanohiukkasten terveysvaikutuksia. Tanskan yleisradioyhtiö DR kertookin tänään lähetettävässä ohjelmassaan ja nettisivuillaan julkaistussa artikkelissa tutkimuksesta, jonka mukaan lääkehiili olisi erityisen haitallista terveydelle.

Kyseessä on Kööpenhaminan yliopiston tutkimus, missä selvitettiin nanohiukkasten vaikutusta elimistöömme. Se väittää syödyn nanohiukkasia sisältävän aineen (kuten hiilen) olevan haitallisempaa kuin hengitetyn.

“Tekemämme eläinkokeet viittaavat siihen, että nanohiukkaset voivat vahingoittaa maksaa, keuhkoja ja verenkiertoelimistöä”, toteaa yliopiston kansanterveystieteellisen instituutin professori Steffen Loft DR:n jutussa.

Nähtävästi kuitenkin keuhkomme ovat sopeutuneet paremmin erilaisten pienhiukkasten torjumiseen kuin esimerkiksi vatsa. Siten sisäisesti nautitut nanohiukkaset ovat vaarallisempia.

"Nykyisin elintarvikelisäaineiden vaikutuksia tutkittaessa otetaan huomioon lähinnä se, miten ne liukenevät ja leviävät elimistössä", jatkaa Loft. "Nanohiukkasten kemiallinen rakenne on kuitenkin sellainen, että ne eivät liukene. Ne ovat pienenpieniä hiukkasia, joiden vaikutuksia elimistöön eivät nykyiset testausmenetelmät kykene osoittamaan".

Tutkimuksen lopullisten tulosten pitäisi valmistua vuoden kuluessa.

Lakritsi tulilinjalla

DR poimii esiin eräänä nanohiukkasia sisältävänä tuotteena lakritsin, mihin lisätään hiiltä sen vuoksi, että siitä saataisiin täyteläisen mustaa.

Ohjelmassa haastateltu Pandan tuotekehittäjä Paula Virtanen toteaa, että hiili voitaisiin hyvin jättää pois, mutta silloin tuloksena olisi ruskeaa lakua, ja kuluttajat saattaisivat pitää sitä omituisena. Maku olisi kuitenkin täsmälleen sama.

“Jos osoittautuu, että lääkehiili on haitallista keholle, se voidaan jättää pois”, toteaa Virtanen. “Sitä lisätään vain värin vuoksi.”

Tällä hetkellä Elintarviketurvallisuusvirasto Eviran lisäaineopas ei anna lääkehiilelle mitään käyttörajoituksia. Sitä saa käyttää vapaasti mm. juomiin, jälkiruokiin, jäätelöön, makeisiin ja kahvileipiin. 

Lakritsin jälkeen riskilistalle joutunevat monet tulella kypsennettävät tai hiillostamisen tuotteina syntyvät herkut, kuten juuri sopivasti nuotiolla kärvennetty makkara tai loimulohi. 

Erinomainen kooste DR:n ohjelmassa kerrotusta tutkimuksesta on videnskab.dk -sivustolla.

Skorpionin tähdistössä noin 3800 valovuoden etäisyydellä sijaitsevan planetaarisen sumun sisuksissa on suuret määrät hiiltä. NGC 6302 eli Perhossumu on syntynyt, kun arviolta viisi kertaa Aurinkoa massiivisempi tähti puhalsi noin 1900 vuotta sitten jättiläisvaiheen päätteeksi ulkokerroksensa avaruuteen. Kuvassa alimillimetrialueen radiohavainnot (merkitty keltaisella) on yhdistetty Hubble-avaruusteleskoopilla näkyvän valon alueella otettuun kuvaan. Radiohavaintojen tekemiseen käytettiin viittä Chilessä sijaitsevan ALMA-teleskoopin (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) seitsenmetristä lautasantennia. Jatkossa havaintoja on tarkoitus tehdä kaikilla ALMAn 66 antennilla, jolloin on mahdollista päästä vielä 400 kertaa parempaan erotuskykyyn. Tuloksena on entistä parempi käsitys kuolevien tähtien kemiasta ja mutkikkaiden molekyylien synnystä niiden jäljiltä jääneissä kaasupilvissä. Jo aiemmin Perhossumussa on havaittu happipitoisia silikaatteja ja hiilipitoisia polysyklisiä aromaattisia hiilivetyjä eli PAH-yhdisteitä - samoja, joita on löydetty esimerkiksi Marsista peräisin olevasta ALH 84001 -meteoriitista.