polarisaatio

Radiopurkausten polarisaatio kielii lähteen lähiympäristöstä

Ke, 01/10/2018 - 20:40 By 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]

Uudenlaista optiikkaa: piipilarien muodostama metapinta

Ma, 09/07/2015 - 23:17 By Markus Hotakainen
Metapintalinssi

Litteät linssit ovat olleet Tiedetuubissa esillä aiemminkin, mutta nyt kehitetyssä optiikassa on luovuttu perinteisestä lasistakin. NASAn JPL:ssä (Jet Propulsion Laboratory) ja Caltechissa (California Institute of Technology) on kehitelty lattalinssi, jolla valoa voidaan manipuloida aiemmin hankalina tai peräti mahdottomina pidetyillä tavoilla.

Uudenlainen optiikka perustuu piistä tehtyihin nanopilareihin, jotka muodostavat hunajakennomaisen rakenteen. Tällainen "metapinta" muuttaa sen läpi kulkevan valon suuntaa ja ominaisuuksia.

Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla tarkasteltuna optinen metapinta muistuttaa kaadettua metsää, josta on vain kannot jäljellä. Jokaisen "piikannon" tai pilarin poikkileikkaus on ellipsin muotoinen. Muuttamalla pilarien läpimittaa ja asentoa on mahdollista muokata pinnan läpi kulkevien valoaaltojen vaihetta ja polarisaatiota.

Jos valoaallot ovat samassa vaiheessa, niiden muodostama valonsäde on voimakkaampi. Siihen perustuu esimerkiksi laserin teho. Toisaalta vaiheen muuttaminen vaikuttaa valonsäteen taittumisen määrään ja sitä kautta esimerkiksi kameroissa kuvan tarkentumiseen.

Valon polarisaatio on puolestaan tärkeä tekijä monissa optiikan sovelluksissa, joista tutuimpia ovat aurinkolasit ja 3D-elokuvien katsomiseen tarvittavat lasit.

Lattalinsseillä voidaan myös muokata valonsäteen muotoa. Esimerkiksi puolijohdelaserien synnyttämä lasersäde on poikkileikkaukseltaan yleensä elliptinen, mikä vaikeuttaa sen käyttöä erilaisissa sovelluksissa. Säteen pyöristämiseen on tarvittu kalliita optisia järjestelmiä, mutta uusilla metapintalinsseillä se onnistuu paljon edullisemmin. 

Lattalinsseille löytyy potentiaalisia sovelluskohteita mikroskoopeista näyttöihin ja erilaisista ilmaisimista kameroihin. Optiikan koko ei ole enää rajoittava tekijä, sillä metapinnan muodostaman linssin paksuus on alle sadasosa hiuksen paksuudesta.

"Nykyisin optiset järjestelmät tehdään osa kerrallaan ja ne kootaan usein käsityönä", toteaa tutkimusryhmää johtanut Andrei Faraon

"Kehittämämme uusi tekniikka muistuttaa hyvin paljon puolijohdesirujen tulostamista piikiekoille, joten sillä voidaan valmistaa kerralla miljoonia järjestelmiä esimerkiksi mikroskooppeihin tai kameroihin."

Tutkimusryhmä on aloittanut jo yhteistyön alan teollisuuden kanssa. Tarkoituksena on kehittää metapintoja, joita voidaan käyttää kaupallisissa laitteissa, kuten pienikokoisissa kameroissa. 

Uudenlaisesta optiikasta kerrottiin JPL:n uutissivuilla.

Kuva: Amir Arbabi/Faraon Lab/Caltech

Luonto jäljittelee taidetta

La, 02/07/2015 - 11:28 By Markus Hotakainen
Kuva: ESA / Planck Collaboration

Näyttääkö yllä oleva kuva jotenkin tutulta? Ei niinkään yksityiskohdiltaan, mutta jossain määrin väreiltään ja erityisesti yleisilmeeltään.

Tutuntuntuisuus ei ole mikään ihme, sillä Vincent van Goghin maalauksessa Tähtikirkas yö taivas on kuvattu kovasti samannäköisenä kuin Planck-luotaimen mittauksista kootussa kuvassa.   

Keväällä 1889 van Gogh – leikattuaan korvansa irti – kirjoittautui Saint-Paul-de-Mausolen "hullujenhuoneeseen", missä hän maalasi monet tunnetuimmista teoksistaan, muiden muassa juuri Tähtikirkkaan yön. Se vastaa van Goghin huoneen ikkunasta avautunutta näkymää, jonka hän ikuisti yli 20 maalaukseen. 

Öisen maiseman yllä kaartuvalla taivaalla näkyy Kuu sekä kirkkaimpana "tähtenä" Venus, joka on korkean sypressin oikealla puolella. Vincent kirjoitti kesäkuun alussa veljelleen Theolle, kuinka ennen auringonnousua taivaalla näkyy kirkas "aamutähti". Sittemmin on todettu, että Venus todella oli tuolloin aamutaivaalla. 

 

Maailmankaikkeus päihitti kuitenkin van Goghin.  

Toukokuussa 2009 avaruuteen laukaistu Planck tarkkaili melkein neljän ja puolen vuoden ajan maailmankaikkeuden vanhinta "valoa", kosmista taustasäteilyä.

Säteily on peräisin noin 380 000 vuoden ikäisestä universumista, kun kosmoksen lämpötila oli laskenut niin paljon, että protonit ja elektronit lyöttäytyivät yksiin ja muodostivat atomeja. Maailmankaikkeus muuttui läpinäkyväksi ja säteily pääsi etenemään esteettä.

Maailmankaikkeuden laajeneminen on venyttänyt säteilyn aallonpituutta siten, että nykyisin se havaitaan mikroaaltoalueella. Ja juuri sillä alueella Planck mittasi säteilyn voimakkuutta ja polarisaatiota (eli säteilyn sähkömagneettisen aaltoliikkeen värähtelytason suuntaa). Havainnot kattoivat koko taivaankannen.

Otsikkokuva ei kuitenkaan esitä kosmisen taustasäteilyn jakaumaa, joten Vincent ei ollut sentään 13,7 miljardia vuotta jäljessä universumia – korkeintaan joitakin kymmeniä tuhansia vuosia.

Kuva esittää Linnunradan pölyn säteilyä, jonka polarisaatio kertoo kotigalaksimme magneettikentästä. Sen voimaviivat saavat aikaan kuvan kiemuraiset kuviot. Värit puolestaan kertovat säteilyn voimakkuudesta: punaruskea on voimakkainta, tummemman sininen heikointa.

Näkikö van Gogh sekavassa mielentilassaan taivaalla Linnunradan pölystä tulevan säteilyn polarisaation? No ei. Maalauksen ja maailmankaikkeuden välinen yhdennäköisyys on silti kiinnostava.