tietokonemallinnus

Tältä näyttää supernovan sisällä

Ma, 06/13/2016 - 09:15 Markus Hotakainen

Päivän kuvassa on tänään tietokonemallinnus supernovasta, eli massiivisesta räjähdyksestä, joka syntyy jättiläistähden energiaa tuottavan fuusioreaktion loppuessa. Kyseessä on siis ikään kuin tähden kuolema ja sen loppukouristus.

Päivän kuvaSupernovaräjähdyksen kirkkaus voi hetkellisesti päihittää kokonaisen galaksin säteilemän valon. Vaikka periaatteessa supernovan tapahtumakulusta on hyviä teoreettisia malleja, on lähellä tapahtuneita supernovaräjähdyksiä valitettavasti sen verran vähän, että niistä ei ole saatu paljoa tietoa. Supernovat ovat varsin harvinaisia tapahtumia, eikä omassa galaksissamme, Linnunradassa, ole sellaisia tapahtunut modernin tähtitieteen aikaan yhtään.

Sellaista toki odotetaan: mm. jättiläistähdet Rho Cassiopeiae, Eta Carinae ja Betelgeuze voivat räjähtää melkein milloin vain, sillä niiden arvellaan olevan aivan elinikänsä lopussa. Muissa galakseissa havaitaan supernovia kohtalaisen usein, mutta niistä ei voida tehdä kovin tarkkoja havaintoja.

Räjähdyksiä voidaan onneksi simuloida. Tietokonemallinnuksessa on tarkasteltu tähden sisäosien luhistuessa vapautuvien neutriinojen aiheuttamaa ulospäin suuntautuvaa painetta. Kuuma kaasu laajenee nopeasti ja työntää edellään paineaaltoa. Kuva esittää tilannetta 0,4 sekuntia räjähdyksen jälkeen – eli käytännössä räjähdys on parhaillaan tapahtumassa. Myllerryksen keskellä näkyvä pieni harmaa laikku on vastasyntynyt neutronitähti.

Paineaallon mukana kiitävä ja sen ulospäin työntämä kaasu jää jäljelle supernovajäänteenä, joka hehkuu pitkään monilla eri aallonpituuksilla ja on nähtävissä tuhansiakin vuosia. Supernovissa muodostuu rautaa raskaampia alkuaineita kuten uraania, tinaa ja kultaa. 

© Max Planck Institut für Astrophysik

Ykä, uusi yhdeksäs planeetta - jäähattuisia laskelmia

Torstaina uutisoitiin Aurinkokunnasta löydetystä uudesta planeetasta. Siitä kerrottiin uutisissa, iltapäivä- ja sanomalehdissä, televisiokanavien uutistoimitusten verkkosivuilla, ja ties missä.

Ehdin itsekin innostua uutisesta. Sitä tosin kesti vain viitisen sekuntia, kunnes huomasin luotettavasta lähteestä tiedon, että kyse oli mallinnuksesta eikä mistään uutisotsikoissa hehkutetusta "löydöstä".

Mallinnus ei mielestäni oikeasti ole uutisen arvoinen (no, ehkä pienen). Mutta tällaista oikaisubloggausta noiden häröjen uutisten jälkeen kyllä tarvitaan. Monissa uutisjutuissa (sekä suomalaisissa että ulkomaisissa) kun oli nimittäin selkeitä asiavirheitä, lapsuksia, käännöshäröjä, ja muita epätarkkuuksia. Nekin, jotka uutisoivat virheettömästi, saivat asian kuulostamaan paljon paremmalta kuin mitä se todellisuudessa oli.

Lyhyesti: Mitään uutta planeettaa ei ole löydetty. Sellaisen olemassaolo on mahdollista mallin perusteella, kuten on jo kauan ollut. Mahdollisen planeetan paikkaakaan ei ole määritetty muutoin kuin suurin piirtein – sellaiselta seudulta, jossa on jo kauan oletettu olevan jonkinmoisia isoja kappaleita, mutta josta ei ole vielä ikinä löydetty yhtään mitään. Mallinnus ei myöskään ennusta "5 tai 10 kertaa Maata suurempaa" kappaletta, eikä se ole "20 kertaa niin kaukana Auringosta kuin Maa". Jopa "20 kertaa niin kaukana kuin Neptunus" on aikamoista vääristelyä.

Lisäksi uskon, ettei planeettaa – jos sitä edes on – löydetä kovin pian. Sen havaitseminen kun on näh niimmaankauhian vaikeaa, jopa nykyisellä hulppealla tekniikalla. Toivon toki, että olen väärässä.

Mistä tässä siis oikein on kyse?

Kyse on tästä, erittäin vetävällä otsikolla julkaistusta tietokonemallinnuksesta: "Todisteita kaukaisesta jättiläisplaneetasta Aurinkokunnassa" (englanniksi).

Tutkimuksessa perehdyttiin Aurinkokunnan uloimpien tunnettujen kappaleiden outoihin ratoihin. Niitä kun on hyvin vaikea (mahdoton?) selittää syntyneeksi ihan itsestään. (En mene tässä nyt tuon ongelman yksityiskohtiin, vaan kehotan asiasta enemmän kiinnostuneita kehotan pläräämään linkatun tutkimusjulkaisun tuosta yläpuolelta.)

Ongelma kuitenkin on, ja ratkaisuksi ehdotetaan tietokonesimulaation perusteella yhtä suurta planeettaa. Samaa on ennustettu ennenkin, samoilla perusteilla, mutta tuolloin tyyli on ollut "nämä voisi selittää jotenkin silleen". Tämä tutkimus tuo lisää tarkkuutta hajatelmiin.

Minä käytän tässä jutussa planeetasta lempinimeä "Ykä". Se on tasan yhtä epävirallinen kuin jo uutisissa pyörivä tylsä nimitys "Planeetta yhdeksän". Lisäksi kunnioitan sillä Uranuksen alkuperäisen nimen suomalaismuotoa. (Olen tosin sitä mieltä, että jos Ykä joskus löydetään, viralliseksi nimeksi sopisi parhaiten vaikkapa Nemesis tai Somnus, vaikka asteroidikaimat ovat jo olemassa. Sitä odotellessa, olkoon nyt Ykä.)

Ykän koko

Ykän massa (kansanomaisesti ja väärin sanottuna "paino") on mallin mukaan noin 20 kertaa maapallon verran. Tällaisen möhkäleen painovoima olisi riittävä siirtääkseen pienemmät lähikappaleet havaituille oudoille radoilleen. Samalla tavalla Neptunuskin on pistänyt omalla seudullaan Pluton ja muut seudun kääpiöplaneetat kuriin ja järjestykseen.

Ykän halkaisijaa simulaatio ei kerro, sillä siinä vain massalla on väliä. Valistuneella arvauksella Ykä voisi olla läpimitaltaan hieman Neptunusta suurempi (mikäli niiden tiheydet vastaisivat toisiaan), tai todennäköisesti hieman pienempi (Ykä voisi nimittäin hyvinkin olla suureksi osin kiinteä). Arviot planeetan läpimitasta vaihtelevat 2–4 maapallon halkaisijan tienoilla.

Nyt hetki mediakritiikkiä: Monissa uutisissa puhuttiin ainakin aluksi ympäripyöreästi "planeetan koko on niin ja niin monta kertaa suurempi kuin Maa". Miksi tuttu termi "koko" kannattaisi automaattisesti ilmaista tarkemmin? Siksi, koskapa tyypillisimmillään sana tarkoittaa jotain näkyviä mittoja, kuten halkaisijaa: Lukijan assosiaatio voi hyvinkin olla "20 kertaa Maan levyinen". Sellainen planeetta olisi läpimitaltaan 255 000 km, eli siis melkein kaksi kertaa suurin tunnettu planeettamme Jupiter (halkaisija on 140 000 km). Sellaisen körilään massa nousisi vähintäänkin varsin lähelle ruskeaa kääpiötä, tähden ja planeetan välimuotoa. Ehkä 5-20 Jupiterin massaa, riippuen tiheydestä! Maapallon massoja tuohon mahtuisi tuhansia. Sellainen jätti olisi ihan varmasti jo löydetty, jo ihan oman säteilynsäkin vuoksi. Sanamuotojen kokoero on siis valtava, joten toivoisin tarkkuutta tässä asiassa.

Takaisin asiaan. Eli mallinnettuun Ykään.

BLOG

Kemian Nobel kolmelle mallintajalle

Ke, 10/09/2013 - 14:20 Markus Hotakainen

Vuoden 2013 kemian Nobel-palkinto myönnettiin kolmelle tutkijalle, Martin Karplusille (kuvassa oikealla), Michael Levittille (ylhäällä) ja Arieh Warshelille. He ovat kehittäneet tietokonemalleja, joilla tutkitaan mutkikkaita kemiallisia järjestelmiä ja niihin liittyviä prosesseja. Tutkijat loivat 1970-luvulla perustan, jonka turvin palloista ja tikuista rakennetut molekyylimallit voitiin korvata tietokonemallinnuksella.

Kemialliset prosessit ovat hyvin nopeita, joten klassisen kemian keinoin on käytännössä mahdoton seurata niiden jokaista yksittäistä vaihetta. Karplus, Levitt ja Warshel onnistuivat yhdistämään Newtonin mekaniikan ja kvanttifysiikan menetelmät .

Ensinmainitun etuna on laskujen yksinkertaisuus, mutta sen avulla voidaan tarkastella ainoastaan suuriin molekyyleihin liittyviä ilmiöitä eikä se sovellu kemiallisten reaktioiden yksityiskohtaiseen tutkimiseen.

Niiden kohdalla tutkijat joutuvat turvautumaan hyvin toisenlaisiin kvanttifysiikan metodeihin. Niiden haittapuolena on puolestaan vaatimus suuresta laskentatehosta, joten tutkimuskohteet rajoittuivat ainoastaan pieniin molekyyleihin.

Palkitut tutkijat kehittivät menetelmiä, joissa he pystyivät yhdistämään kummankin alueen parhaat puolet. Esimerkiksi lääkeaineen vaikutusta soluihin tai yhteyttämisen yksityiskohtia tutkitaan proteiinin atomien tasolla kvanttiteoreettisin laskelmin, kun taas kokonaista proteiinimolekyyliä mallinnetaan suoraviivaisemmalla klassisella fysiikalla.

Sattumoisin kaikki palkitut ovat kaksoiskansalaisia. Karplus on Yhdysvaltain ja Itävallan, Levitt Yhdysvaltain ja Ison-Britannian, ja Warshel Yhdysvaltain ja Israelin kansalainen. Kolmikko on tehnyt valtaosan tutkimustyöstään yhdysvaltalaisissa yliopistoissa. Tällä hetkellä Karplus työskentelee Harvardissa, Levitt Stanfordissa ja Warshel Etelä-Kaliforniassa. Karplussilla on lisäksi professuuri Strasbourgin yliopistossa Ranskassa.