helsingin ylipisto

Kaaosmatemaatikolle kasapäin eurorahaa

Ti, 04/04/2017 - 16:22 Toimitus
Antti Kupiainen

Kvanttikenttiä ja todennäköisyysteoriaa tutkiva Antti Kupiainen on saanut Euroopan tutkimusrahastolta tutkimusryhmälleen mittavan rahoituksen. Ryhmä soveltaa teoreettisessa fysiikassa kehitettyjä menetelmiä stokastisten ilmiöiden matemaattisiin malleihin.

Tiedetuubi esitteli Kupiaisen ja hänen tutkimustaan syksyllä tällä videolla.

Kuten Kupiainen selittää videolla, ovat hänen tutkimusaiheinaan monet luonnossakin nähtävät kaottiset ilmiöt, kuten esimerkiksi virtaavan veden turbulenssi ja salamaniskut.

Yksinkertaisilta ja kauniilta näyttävät ilmiöt ovat itse asiassa hyvin monimutkaisia.

”Kaiken teoria” selittämässsä satunnaista

Kvanttikenttäteoria syntyi viime vuosisadan puolivälissä kuvaamaan alkeishiukkasten vuorovaikutuksia. Se on nykyisin hiukkasfysiikassa käytettävä “kaiken teoria”, joka kuvaa esimerkiksi elektroneja, kvarkkeja ja fotoneita.

Sittemmin kvanttikenttäteoriasta on tullut työkalu mitä erilaisimpien monimutkaisten ilmiöiden tutkimiseen; sellaisia ovat aineiden olomuodon muutokset tai nesteiden ja kaasujen turbulenssi.  

Luonnon monimutkaisilla ilmiöillä on kaksi tärkeää yhteistä piirrettä.

"Ne ovat universaaleja, ja ne toistuvat samankaltaisina kaikissa mittakaavoissa", Kupiainen sanoo.

"Esimerkiksi turbulenssin lait ovat samat vedelle, ilmalle ja elohopealle."

Näiden kahden ominaisuuden selittämiseksi kehitettiin renormalisaatioteoria, joka kuvaa matemaattisesti sitä, miten systeemin lainalaisuudet muuttuvat, kun siirrymme mittakaavasta toiseen.

"Renormalisaatio on ERC-projektini keskeinen matemaattinen työkalu", toteaa Kupiainen.

Lainalaisuudet muuttuvat kun mittakaava muuttuu

Kupiainen soveltaa renormalisaatioteoriaa epälineaaristen osittaisdifferentiaaliyhtälöiden tutkimiseen.

Tällaiset yhtälöt kuvaavat hyvin erilaisia luonnonilmiöitä: lämmön johtumista, nesteen liikettä väliaineessa, aineiden välisten rajapintojen dynamiikkaa ja erilaisia kasvuprosesseja.

Näissä ilmiöissä on yksi olennainen piirre. Niiden stokastisuus. Siis satunnaisuus.

"Luonnolliset systeemit ovat harvoin eristettyjä, vaan niiden ympäristö vaikuttaa niihin satunnaisella tavalla: niissä esiintyy kohinaa. Toisaalta epälineaaristen systeemien dynamiikka on kaoottista, ja niiden lainalaisuudet ovat usein tilastollisia."

"Yleinen teoria näille stokastisille yhtälöille on vielä kartoittamatta, ja tässä kvanttikenttäteorian renormalisaatioteoria on avuksi."

Kvanttikenttäteorian menetelmillä voi tutkia myös satunnaista geometriaa. Siinä pyritään luokittelemaan satunnaisia käyriä, pintoja ja muita geometrisia rakenteita.

"Luonnossa esiintyvät geometriset rakenteet kuten pilvet, kuohuvan kosken pyörteet tai salamaniskut ovat hyvin erilaisia kuin klassisen geometrian kuvaamat suorat viivat, ympyrät ja pallot", jatkaa Kupiainen.

"Vaikka yksittäiset pilvet ovat kaikki erilaisia, ne saattavat kuitenkin tilastollisesti olla samanlaisia."

Tilastollisesti luonnon rakenteissa esiintyy usein kauniita symmetrioita, vaikka yksittäiset rakenteet voivat olla täysin epäsymmetrisiä. Nämä rakenteet ovat usein myös tilastollisesti samanlaisia eri mittakaavoissa, janiiden tilastolliset ominaisuudet ovat universaaleja.

Eurooppalainen rahoitus 5 vuodeksi

Nyt myönnetty Euroopan tutkimusrahaston (ERC:n) 2,5 miljoonan euron rahoitus antaa akatemiaprofessorille riittävät resurssit tutkia juuri sitä, mitä hän eniten haluaa.

Rahoituksen saamisella on myös toinen puoli:

"Koska se on erittäin kilpailtu, siihen liittyy tietty karisma tai maine. Kokemukseni aiemmalta ERC Advanced Grant -kaudeltani on, että maine auttoi hyvien postdoc-tutkijoiden rekrytoinnissa."

Artikkeli perustuu Helsingin yliopiston tiedotteeseen.

Miljoonarahoitus suomalaiseen avaruussäätutkimukseen

To, 01/05/2017 - 13:17 Toimitus
Aurinko

Helsingin yliopiston apulaisprofessori Emilia Kilpua on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta kahden miljoonan euron rahoituksen avaruussäätutkimukseen. Tarkoituksena on selvittää, miten geomagneettisia myrskyjä synnyttävät auringonpurkaukset syntyvät, pyörivät ja sulautuvat koronassa. 

Auringon uloin kaasukehä, korona, on harvaa kaasua sisältävä vyöhyke, josta lähtee sähköisesti varautunut hiukkasvirta eli aurinkotuuli ja jossa auringonpurkaukset syntyvät.

Koronan massapurkaukset ovat jättiläismäisiä plasmapilviä, jotka syöksyvät Auringosta planeettainväliseen avaruuteen nopeudella, joka nousee jopa tuhansiin kilometreihin sekunnissa.  Kun avaruuden läpi kiitävä plasma törmää maapalloon – kuten juuri nyt tällä hetkellä – syntyy geomagneettinen myrsky ja näkyy taivaalla revontulia.

Koronan massapurkaukset syntyvät valtavina magneettisina vuoköysinä silloin, kun Auringon monimutkainen magneettikenttä muuttuu. Purkauksia on tutkittu vuosikymmeniä, mutta niiden tarkka syntymekanismi, rakenne ja kehitys ovat edelleen vielä pitkälti ratkaisematta.

"Suurimmat avaruussäähäiriöt aiheutuvat juuri massapurkauksista, ja niiden vaikutukset saattavat ulottua teknisten järjestelmien toimintaan ja luotettavuuteen sekä avaruudessa, ilmassa että maan pinnalla", kertoo Emilia Kilpua.

"Yksi suurimmista haasteista on se, että nykyisillä menetelmillä Auringon koronan magneettikenttää ei voida mitata eikä mallintaa riittävän tarkasti."

Hänen työssään Auringon koronan numeerisia malleja ja havaintoja yhdistetään aivan uudella tavalla. Näin halutaan ensimmäistä kertaa realistisesti selvittää purkausten magneettinen rakenne.

"Me myös mallinnamme ja analysoimme purkausten edellään ajamaa turbulenttia sheath-aluetta ja sen hienorakennetta."

Sheath-alueilla on merkitystä purkauksen vuoköyden kehittymisessä. Purkausten ohella myös ne itse ajavat voimakkaita avaruusmyrskyjä. Alueet tarjoavat siis ainutlaatuisen luonnollisen laboratorion tutkia plasmafysiikan ydinprosesseja. 

"Näitä sheath-alueita on kuitenkin tutkittu tähän mennessä hyvin vähän", toteaa Kilpua.

Kun koronan massapurkausten magneettikenttä on ratkaistu ja sheath-alueet analysoitu tarkasti, voidaan jo sanoa, milloin magneettinen myrsky puhkeaa Maan lähiavaruudessa.

Tietoa magneettikentän rakenteesta tarvitaan myös, kun selvitetään, mitkä mekanismit Auringossa saavat plasmapilvet purkautumaan ja miten plasmapilvet vuorovaikuttavat keskenään edetessään planeettainvälisessä avaruudessa.

Euroopan tutkimusneuvoston rahaa

Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) Consolidator Grant -apurahat on tarkoitettu menestyneille tutkijoille, joilla on takanaan 7–12 vuoden lupaava ura tohtorin tutkinnon jälkeen. Tuoreimmat apurahan saaneet tutkijat julkistettiin joulukuussa 2016; rahaa haettiin yhteensä 2274 tutkimushankkeeseen, joista 304 sai rahoituksen.

Heille tutkimusryhmineen on luvassa rahoitusta seuraavalle viisivuotiskaudelle. Koko rahoituspotti on yhteensä 605 miljoonaa euroa. 

Helsingin yliopistosta rahoituksen tällä hakukierroksella saivat Mikko Niemi, Anna-Liisa Laine ja Jaan-Olle Andersoo. Lisäksi Robin Ras ja Paula Hohti Aalto-yliopistosta sai apurahan.

Uutinen perustuu Helsingin yliopiston tiedotteeseen. Otsikkokuva: SOHO (ESA / NASA)

Lisätietoa aurinkopurkauksista:

Parkinsonin taudin liikehäiriöt saatiin korjattua

To, 12/08/2016 - 11:05 Toimitus

Helsingin yliopiston dosentti Timo Myöhäsen tutkimusryhmä on onnistunut korjaamaan Parkinsonin taudissa esiintyvät liikehäiriöt – toistaiseksi tosin vain hiirillä tehdyissä kokeissa. Tulos on hoidon kannalta lupaava, sillä Parkinsonin tauti diagnosoidaan käytännössä aina vasta oireiden ilmaannuttua.

Helsingin yliopiston tiedotteen mukaan Parkinsonin tautiin sairastuu jopa kaksi prosenttia yli 60-vuotiaista. Tauti aiheuttaa vakavia häiriöitä ihmisen liikkeisiin, koska se tuhoaa aivojen liikealueiden hermosolut. Taudin syytä ei tunneta, mutta viimeisen 15 vuoden aikana tärkeäksi tutkimuskohteeksi on noussut aivoissa liikkeitä säätelevillä alueilla erilaisia tehtäviä hoitava proteiini nimeltä alfa-synukleiini.

Tutkittava proteiini on altis saamaan virheellisiä muotoja, jonka jälkeen ne takertuvat helposti toisiinsa. Parkinsonin taudissa toisiinsa tarttuneet alfa-synukleiinit kertyvät hermosolujen sisälle ja vaurioittavat solua. Ne pystyvät siirtymään myös solusta toiseen ja levittämään näin hermosolutuhoja aivoissa.

Jo aiemmin tutkijat ovat tienneet elimistössä esiintyvän PREP-entsyymin lisäävän haitallisten alfa-synukleiini-kappaleiden muodostumista aivoissa. Nyt tutkijat halusivat selvittää entsyymin ja proteiinin välistä yhteyttä Parkinsonin taudin oireisiin estämällä aivoista PREPin toiminnan.

Tutkimuksessa Myöhäsen ryhmä pystytti Parkinsonin tautia mallintavan hiirimallin, jossa liikkeitä säätelevät alueet aivoissa saatiin tuottamaan suuria määriä alfa-synukleiinia. Tämä johti odotetusti kertymien syntyyn hiirien aivoissa sekä niistä aiheutuneisiin liikehäiriöihin.

PREP-estäjät palauttivat liikekyvyn

Tutkijat aloittivat hoidon PREP-estäjällä vasta selvien liikehäiriöiden ilmaannuttua hiirille. Tämä vastaisi tilannetta myös todellisessa Parkinsonin taudissa, sillä se diagnosoidaan pääsääntöisesti aina vasta kun oireet ovat jo alkaneet. Nopeat tulokset yllättivät tutkijat.

"Jo kahden viikon hoidon jälkeen hiirille syntyneet liikehäiriöt olivat käytännössä kadonneet", kertoo Myöhänen. "Ne myös pysyivät poissa kokeen loppuun saakka".

Tarkemmassa analyysissä todettiin, että PREP-estäjähoito oli pysäyttänyt liikealueiden vaurioitumisen ja lähes tyhjentänyt aivot alfa-synukleiinin aiheuttamista kertymistä.

"Eläinmalleilla tehtävistä kokeista on vielä pitkä matka varsinaisiin ihmistutkimuksiin, mutta tulokset ovat erittäin rohkaisevia tulevaisuuden lääkekehityksen kannalta." 

Timo Myöhänen. Kuva: Ville Korhonen / Helsingin yliopisto

Tutkimusta on rahoittanut Suomen AkatemiaJane ja Aatos Erkon säätiö, Helsingin yliopiston tutkimusvarat sekä Sigrid Juseliuksen säätiö.

Myöhäsen tutkimusryhmän tulokset on julkaistu kansainvälisesti arvostetussa Journal of Neuroscience –lehdessä: Svarcbahs R, Julku U, Myöhänen TT; ”Inhibition of Prolyl Oligopeptidase restores spontaneous motor behavior in alpha-synuclein virus vector based Parkinson's disease mouse model by decreasing alpha-synuclein oligomeric species in mouse brain”.

Juttu on Helsingin yliopiston tiedote.

Matemaatikkokin sen tietää: pilvet eivät ole palloja

Akatemiaprofessori Antti Kupiainen tutkii työkseen muun muassa turbulenssia, eli nesteiden ja kaasujen kaoottista, monimutkaista liikettä. Sitä tapahtuu joka puolella ympärillämme, eikä sitä pystytä laskemaan täydellisesti edes suurimmilla supertietokoneilla. Nämä mutkikkaat ilmiöt saadaan kuitenkin varsin hyvin hallintaan, kun niiden taustalla oleva matematiikka ymmärretään. 

Vaikka Kupiainen on hyppinyt urallaan fysiikan ja matematiikan välillä, on hänen lähestymistapansa ollut aina matemaattinen.

"En ole kuitenkaan ollut koskaan kiinnostunut matematiikasta sinällään, vaan siitä miten se liittyy todelliseen maailmaan", kertoo Kupiainen keskiviikkona Suomen Akatemian nettisivuilla julkaistussa haastattelussa

Hänen nyt johtamansa Analyysin ja dynamiikan huippuyksikkö keskittyykin juuri samaan asiaan. Ryhmässä tehdään matematiikan perustutkimusta, jolla on kuitenkin usein hyvinkin suorat ja konkreettiset yhteydet arkipäivän sovelluksiin.

"On vaikea kuvitella mitään sellaista, mihin ei liity matematiikkaa. Kaikkiin laitteisiin liittyy matematiikkaa ja käytännössä kaikkien laitteiden ja tuotteiden tekemiseen tarvitaan fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja, joiden ymmärtämiseen vaaditaan matematiikkaa."

Lisää Kupiaisen kommentteja matematiikan niin sanotusta vaikeudesta, sen kauneudesta, fraktaaleista ja jätevesien kulkeutumisesta sekä ilmastointiputkista on yllä olevalla videolla ja Akatemian nettisivujen haastattelussa.

Gaia aloittaa työt

Ma, 02/10/2014 - 10:33 Toimitus
NGC1818 Gaian kuvaamana

Joulun alla avaruuteen laukaistu ja tammikuun alussa havaintopaikalleen Lagrangen pisteeseen 2 päässyt Euroopan avaruusjärjestön tähtikartoittaja Gaia on osoittanut olevansa toimintakunnossa. Sen havaintolaitteita on säädetty ja kalibroitu, ja yllä on eräs viimeisimmistä testikuvista: siinä on Suuressa Magellanin pilvessä oleva nuori tähtijoukko NGC1818. Kuvassa pohjoinen on kuvassa ylhäällä ja itä vasemmalla, kuvan leveys on alle asteen kymmenesosa.

Gaia on siis erittäin hyvässä kunnossa ja aloittaa pian rutiininomaiset havaintonsa. Tämä tarkoittaa pitkään valmistellun työrupeaman alkamista myös tähtitieteilijöille, jotka kästtelevät havaintoja lähes reaaliajassa. Eräs näistä käsittelypaikoista on Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella, tähtitieteen professori Karri Muinosen työryhmässä. Heidän kiikarissaan ovat asteroidit.

Gaian urakkana on tuottaa viiden vuoden ajan uutta tietoa galaksimme rakenteesta, muodostumisesta ja kehityksestä. Sen avulla määritellään yli miljardin tähden tarkka sijainti ja etäisyys toisistaan. Tämä on noin prosentti Linnunradan tähdistä.

Odotettavissa on tähän asti kattavin ja tarkin kolmiulotteinen kartta Linnunradasta. Kartan julkaisua saa kuitenkin odottaa vuoteen 2022, sillä kuvaamisen jälkeen havaintoaineiston käsittely vie vielä hyvän aikaa.

Gaia katselee aurinkokuntaa 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta, niin sanotussa L2-pisteessä. Sieltä se pystyy havaitsemaan maanpäällisiä teleskooppeja paremmin mm.  aiemmin havaitsemattomia kohteita, esimerkiksi uusia asteroideja. Niitä odotetaan löytyvän tuhansia. Lisäksi Gaia voi löytää toisia tähtiä kiertäviä planeettoja, jopa kokonaisia planeettakuntia.

Helsinki huolehtii asteroideista

Helsingin yliopiston fysiikan laitos vastaa Gaian löytämien tunnistamattomien asteroidien alustavasta radanmäärityksestä.

"Gaia havainnoi yli 300 000 Aurinkokunnan asteroidia", Muinonen kertoo. "Viiden vuoden aikana kertyneestä havaintoaineistosta voidaan johtaa muoto- ja pyörimismalleja vähintään kymmenille tuhansille asteroideille. Massoja voidaan johtaa vähintään sadoille asteroideille, ja havainnoitujen asteroidien radat voidaan ennustaa tarkasti satakunta vuotta eteenpäin.#

Radanmäärityksen jälkeen lähiasteroideja jamuita erityisen kiinnostavia kohteita voidaan seurata kaukoputkilla maan päällä.

Tiedetuubin Gaia-artikkelit ovat kaikki osoitteessa www.tiedetuubi.fi/gaia ja joulukuussa julkaistu Karri Muinosen haastattelu on täällä.

Tämä artikkeli perustuu Helsingin Yliopiston tiedotteeseen Tulossa on tarkka kolmiulotteinen maisema Linnunradasta.

Alla on ESAn julkaisema video Gaian tiestä taivaalle – kokoonpanosta rakettiin ja sillä avaruuteen, kaikki nopeutettuna: