Lyijyinen rugbypallo Markus Hotakainen Pe, 21/02/2025 - 15:29
Lyijy-ytimen muoto määritettiin tarkasti. Kuva: University of Surrey
Lyijy-ytimen muoto määritettiin tarkasti. Kuva: University of Surrey

Lyijyatomin ydintä on perinteisesti pidetty täydellisen pallomaisena. Uuden tutkimuksen mukaan se onkin muodoltaan soikea.

Kultaisella 80-luvulla Radio Cityn taajuuksilla pyöri legendaarinen Pullakuskit-radiohupailu, jonka Viisasten kerho -osiossa panelistien päätä vaivasi kysymys siitä, mitä on kupari ja kuinka paljon. Jokseenkin samaan kategoriaan asettuu kysymys siitä, minkä muotoista on lyijy.

Lyijyn 208-isotooppi (²⁰⁸Pb) on äärimmäisen pysyvä, mikä johtuu siitä, että sen ydin on kaksoismaaginen. Sellaisiksi määritellään ytimet, joissa niin protonien kuin neutronienkin lukumäärä on niin sanottu maaginen luku.  

Ydinfysiikassa maagisia ovat luvut, joiden ilmoittamalla protonien tai neutronien lukumäärällä ytimen kuorimallin mukaiset kuoret ovat täysiä. Silloin ytimen pysyvyyteen vaikuttava sidosenergia on mahdollisimman suuri.

Surreyn yliopiston tutkimuksessa tarkasteltiin lyijyn kaksoismaagisen ytimen muotoa, jonka on pitkään ajateltu olevan täsmällisen pallomainen. Niin voisi kuvitella, jos ja kun kerran ytimen kuoret ovat täysiä. Makromaailman ilmiöihin perustuvia olettamuksia ei kuitenkaan pitäisi soveltaa mikromaailmaan, kvanttimaailmasta puhumattakaan. 

Jack Hendersonin johtamassa tutkimuksessa tehtiin neljä erillistä mittausta, joiden yhdistäminen antoi yllättävän tiedon lyijy-ytimen muodosta. Se ei ole pallo vaan pyörähdysellipsoidi – eli kuin rugbypallo, joka on amerikkalaista serkkuaan tylppäkärkisempi.

Mittaukset tehtiin Argonnen kansallisessa laboratoriossa Yhdysvalloissa. GRETINA-gammaspektrometrillä pommitettiin lyijy-ytimiä hiukkasilla, joiden nopeus oli kymmenesosa valon nopeudesta eli lähes 30 000 kilometriä sekunnissa. Ytimien ja hiukkasten vuorovaikutukset tuottivat säteilyä, jonka ominaisuuksista pystyttiin tekemään johtopäätöksiä ydinten muodosta. 

Kyse ei ole pelkästä kuriositeetista, sillä havainto osoittaa, että atomiydinten rakenne on huomattavasti aiemmin arveltua mutkikkaampi. Tutkimukseen osallistuneen Paul Stevensonin mukaan hiukkassuihkun virittämien ydinten värähtelyt eivät kenties ole niin säännöllisiä kuin on kuviteltu. 

Lyijy-ytimen yllättävä muoto ei olekaan pelkästään yhden alkuaineen erikoinen ominaisuus, vaan havainnolla voi olla huomattavia vaikutuksia laajemminkin sekä ydin- että astrofysiikkaan – kuten esimerkiksi siihen, miten raskaat alkuaineet ylipäätään muodostuvat. 

Tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Tätä kuvaa Andromedan galaksista otettiin vuosikymmenen ajan

Andromedan galaksi
Andromedan galaksi

Tässä on valokuva, jonka ottamiseen kului yli 10 vuotta: suurimmassa ja tarkimmassa koskaan Andromedan galaksista tehdyssä mosaiikkikuvassa on yli 600 yksittäistä kuvaa. Siinä on 200 miljoonaa tähteä ja 2,5 miljardia pikseliä.

Hubble-avaruusteleskooppi vietiin avaruuteen huhtikuussa 1990, eli se on ollut toiminnassa kohta 35 vuoden ajan. 

Näinä vuosikymmeninä yksi sen kohteista on ollut Andromedan galaksi (M31), jonka voi nähdä sopivan pimeässä paikassa myös paljain silmin heikkona, sumumaisen sikarin muotoisena kohteena taivaalla.

Sata vuotta sitten tähtitieteilijä Edwin Hubble – jonka mukaan teleskooppikin on nimetty – osoitti ensimmäisenä, että Andromedan galaksi oli itse asiassa kaukana meidän oman Linnunradan galaksin ulkopuolella. Se oli mullistus maailmankuvassamme, sillä sitä ennen tähtitieteilijät olivat ajatelleet, että Linnunrata on kaikki mitä on. Se on koko maailmankaikkeus.

Matkaa Andromedan galaksiin on noin 2,5 miljoonaa valovuotta, eli se on noin 25 Linnunradan halkaisijan päässä meistä. Nyt tiedämme, että galakseja on valtavan hurjan paljon enemmän ja paljon, paljon kauempanakin.

Nyt julkaistun mosaiikkikuvan ottaminen alkoi voin vuosikymmen sitten Panchromatic Hubble Andromeda Treasury (PHAT) -hankkeena. Kuvia otettiin hakdella Hubblen kameralla (Advanced Camera for Surveys ja Wide Field Camera) lähiultravioletin, näkyvän ja lähi-infrapunaisen aallonpituuksien alueella. 

Kohteena oli tuolloin Andromedan pohjoinen puolikas.

Sen jälkeen tuli Panchromatic Hubble Andromeda Southern Treasury (PHAST) -hanke, jonka puitteissa samoilla kameroilla kuvattiin lisäksi noin 100 miljoonaa tähteä Andromedan eteläiseltä puolelta. 

Yhdessä nämä kattavat koko Andromedan, joka nähdään hyvin levymäisenä aika hyvin suoraan sivusta; naapurimme on kallistunut 77 asteen kulmassa meihin. 

Kuvissa olevien noin 200 miljoonan tähden iät, massat ja alkuaineiden peruskoostumukset on saatu nyt kartoitettua.

Eteläinen puoli on itse asiassa jännempi kuin pohjoinen puoli, koska se kertoo paljon siitä, miten Andromedan galaksi on syntynyt. Todennäköisesti Andromeda on yhdistynyt yhden tai useamman galaksin kanssa. Hubblen kuvan avulla voidaan haarukoida nyt erilaisia hahmotelmia yhdistymishistoriasta ja galaksin levyn kehityksestä.

Vaikka Linnunrata ja Andromeda syntyivät todennäköisesti suunnilleen samaan aikaan useita miljardeja vuosia sitten, havaintoaineisto osoittaa, että niillä on hyvin erilaiset kehityshistoriat, vaikka olemme naapureita.

Andromedassa näyttää olevan enemmän nuorempia tähtiä. Galaksia on todennäköisesti ryöpytelty lähihistoriassa enemmän kuin meitä, ja syyllinen voi olla pienempi kiertolaisgalaksi Messier 32.

Se on puolestaan nyt kuin spiraaligalaksin riisuttu ydin, joka saattaa olla vuorovaikuttanut Andromedan kanssa menneisyydessä, ja se on menettänyt tähtiään ja kaasuaan tässä kosmisessa kolarissa. 

Vaikka kuvassa on nyt hieman yli 200 miljoonaa tähteä, ne ovat vain noin oman Aurinkomme kirkkautta kirkkaampia tähtiä. Kaikkiaan Andromedan galaksissa arvioidaan olevan jopa biljoona tähteä.

Kuvattavaa siis riittää Hubblen seuraajalle, JWST-teleskoopille.

 

Juttu perustuu ESA/Hubble -tiedotustoimiston tiedotteeseen.

Otsikkokuva: NASA, ESA, B. Williams (University of Washington)

Maalla on kaksiosainen sisäydin

Kuva: Lachina Publishing Services
Kuva: Lachina Publishing Services

Maapallo on rakenteeltaan periaatteessa yksinkertainen. Keskellä on ydin, sitä ympäröi vaippa ja koko komeuden kietoo pakettiin ohkainen kuori. Tosin jo vanhastaan on tiedetty, että ydin on kaksiosainen: sisimpänä on kiinteä sisempi ydin, eli sisäydin, ja sen ympärillä sula ulompi eli ulkoydin. Ja vaipasta löytyy myös sekä alempi että ylempi osa.

Nyt kuva on mutkistunut. Myös sisäydin on kaksiosainen: ulomman sisäytimen keskellä on sisempi sisäydin, jonka läpimitta on noin puolet sisäytimen koko halkaisijasta. Sisemmän tilavuus on siten noin kahdeksasosa ulomman sisäytimen tilavuudesta.

Jos kerroksia löytyy vielä lisää, lienee pakko keksiä uudenlaisia nimityksiä tai kukaan ei enää pysy kärryillä siitä, mistä osasta Maan sisusta kulloinkin puhutaan.

Tutkijat Illinois’n yliopistosta Yhdysvalloista ja Nanjingin yliopistosta Kiinasta ovat selvitelleet maanjäristyksissä syntyneiden resonoivien seismisten aaltojen avulla Maan sisuksissa vallitsevia olosuhteita. Menetelmä ei ole uusi, mutta aiemmin sitä on käytetty vain Maan pintakerrosten, ei sisimpien osien tutkimiseen.

Tutkimuksessa tarkkailtiin varsinaisten maanjäristysten sijasta niiden synnyttämiä seismisiä aaltoja, jotka kimpoilevat edestakaisin Maan sisuksissa. Vertailukohdaksi voi ottaa vellikellon, jota kumautetaan vasaralla. Vasaranisku vastaa maanjäristystä ja syntyvä ääni nyt tutkittuja seismisiä aaltoja.

Maailmanlaajuisen seismometriverkoston havainnot on kerätty vuosina 1992–2012. Ytimen läpi eri suuntiin kulkevien seismisten aaltojen kulkuajoissa todettiin olevan matalilla leveysasteilla suurimmillaan kymmenen sekunnin ero.

 

Ydin on kauttaaltaan lähes puhdasta rautaa, mutta sisemmän ja ulomman sisäytimen välillä on silti eroavaisuuksia: rautakiteet ovat suuntautuneet niissä eri tavoin. Ulommassa osassa kiteet ovat pohjois-etelä- eli Maan pyörimisakselin suuntaisia. Sisimmässä sisäytimessä niiden suunta sen sijaan yhtyy kuviteltuun akseliin, joka läpäisee Maan suunnilleen päiväntasaajan tasossa.

Kiteiden suuntaus on päätelty nimenomaan seismisten aaltojen etenemisnopeuksista niiden kulkiessa ytimen läpi. Ulommassa sisäytimessä nopeus on suurin, kun aallot kulkevat Maan pyörimisakselin suuntaisesti, kun taas sisemmässä osassa aallot etenevät vauhdikkaimmin, kun niiden kulkusuunta vastaa akselia, joka kulkee Väli-Amerikasta Kaakkois-Aasiaan.

Sisäydin on kokonaisuudessaan kooltaan melko vähäinen, paljon Kuuta pienempi. Silti sen ominaisuudet kertovat paitsi nykyisistä olosuhteista Maan sisuksissa, ja myös planeettamme syntyvaiheista. Pelkästään sisemmän ja ulomman sisäytimen erot saattavat paljastaa yksityiskohtia ytimen ja koko maapallon kehityksestä.

Geologian professori Xiaodong Songin (kuvassa yllä) johtaman ryhmän tutkimustuloksista kerrottiin Illinois’n yliopiston uutissivuilla ja ne on julkaistu Nature Geoscience -lehdessä (maksullinen julkaisu) 9. helmikuuta.  

Sorakasa avaruudessa?

ISON ei kadonnut kokonaan periheliohituksen aikana, mutta se ei tarkoita, etteikö komeetan ydin olisi silti voinut hajota kokonaan. Vaikka Auringon pintaa hiponeesta komeetasta ei olisi jäänyt jäljelle kuin pölypilvi, se jatkaisi matkaansa samalla radalla, jota komeetta olisi ehjänä säilyessäänkin seurannut – juuri niin kuin tuoreiden kuvien perusteella näyttää tapahtuvan.

Tällä hetkellä Auringon takaa näkyviin kiertynyt komeetta näyttää erehdyttävästi – niin, komeetalta, mutta mitä kirkkaana täplänä näkyvän kohteen kohdalla tarkkaan ottaen on, pysyy edelleen arvoituksena.

Juuri nyt ISONiin liittyy paljon kysymyksiä, joihin ei ole vielä vastausta. Onko pölypilvi niin tiheä, että se pysyy kasassa riittävän pitkään, jotta se ehtii tulla näkyviin aamu- tai iltahämärissä? Tai jos pölypilven keskellä on isompia ytimen kappaleita, kuinka paljon ja millaiseen tahtiin ne syöksevät avaruuteen lisää pölyä?

Lähipäivinä ISON – tai sen jäänne – nousee taivaalla kaiken aikaa korkeammalle samalla kun sen etäisyys Auringosta kasvaa. Vaikuttaa epätodennäköiseltä, että se näkyisi taivaalla kovin kummoisesti, mutta ISON on yllättänyt tutkijat jo moneen kertaan, joten kukaan tuskin uskaltaa sanoa varmuudella, mitä on odotettavissa. 

ISON: epävarmuus jatkuu

Tuoreimmat havainnot, joista kerrotaan Sky&Telescope-lehden komeettasivulla, kertovat ISON-komeetan edelleen kirkastuvan, mutta odotettua hitaammin.

STEREO-luotaimen kuvista mitattu verkkainen kirkastuminen saattaa johtua siitä, että komeetalla ei ole enää ydintä, vaan se on hitaasti hajoava pölypilvi. Toisaalta samaisen STEREO-luotaimen tuore kuva kertoo, että ISON näyttäisi olevan ulkoisesti entisellään.

Seuraamme tilannetta.