perjantai 18. marraskuuta 2016

Scientists in Schools – Aalto-yliopistoluennoitsijavieraana
tähtitieteilijä, tutkija Joni Tammi
8.11.2016, Fy9


Tähtitieteilijä, Aalto-yliopiston tutkija, Metsähovin radiotutkimusaseman johtaja Joni Tammi vieraili abien fysiikan työkurssilla 8.11.2016 Etu-Töölön lukiossa kertomassa monipuolisesti tähtitieteilijän työstä ja erilaisista tutkimuskohteista kuten neutriinotutkimuksesta Etelämantereella sekä mustista aukkoista ja aktiivisista galakseista. Esityksessä tuli kattavasti esille erilaisia avaruusteleskooppeja ja niiden toimintaa.  

Avaruusteleskooppien toimintaideaa esiteltiin upein valokuvin sekä selityksin optisen ja radio-teleskoopin eroista/yhtäläisyyksistä. Molemmat sähkömagneettisina aaltoina käyttäytyvät samoin, joten ne voidaan koota koveralla peilipinnalla. Koska näkyvän valon aallonpituus on sadoissa nanometreissä radioaallon aallonpituuden ollessa senttimetri/metriluokassa, pystytään radio-aaltojen havaitsemiseen valmistamaan paljon isompia teleskooppeja. Mitä isompi teleskooppi, sitä suuremmalta alueelta se kerää signaalia ja sitä himmeämpiä kohteita sillä saadaan tutkittua. Suomen suurin tähtitieteellinen radioteleskooppi, halkaisijaltaan 14m, sijaitsee Metsähovin radiotutkimus-asemalla Kylmälässä, Kirkkonummella. Lumelta ja näkyvältä valolta suojaava huppu mahdollistaa sen 24/7-käyttöajan. Radioaallot kulkevat vaivatta suojan läpi. Sen keräämä dataa käytetään mm. aktiivisten galaksien sekä Auringon ja Maapallon pyörimisen tutkimiseen. Koska mittalaitteet ovat erittäin herkkiä ja mittaavat heikkojakin signaaleja, tulee kaikkien tutkimusasemalla työskentelevien työntekijöiden ja vierailijoiden sähkömagneettista säteilyä käyttävät laitteet, kuten kännykät ja aktiivisuusrannekkeet olla pois päältä mittausten aikana, etteivät ne aiheuta häiriöitä tutkittaviin signaaleihin.


Kuva 1. Joni Tammi ja fysiikka 9 –kurssin abeja. Valkokankaalla kuva maailman suurimmasta 
radioteleskoopista, halkaisija 500m, sijaitsee Kiinassa, toistaiseksi ei vielä käytössä.



Kuva 2. Radioteleskoopit sijaitsevat usein vuoristossa tai aavikoilla avarassa tilassa. 
Niitä voidaan kääntää halutun signaalin suuntaan.

Avaruushavaintoja tehdessä käytetään useita eri aallonpituuksia, sillä eri aallonpituuksilla nähdään eri asioita. Maasta käsin ei voida kaikkea säteilyä havaita/mitata, sillä Maapallon ilmakehä aiheuttaa omat ongelmansa: se blokkaa röntgensäteilyn, suurimman osan UV-säteilystä, osan valosta ja lämmöstä. Sen sijaan radioaallot pääsevät hyvin ilmakehän läpi. Näin ollen mittalaitteita joudutaan joskus viemään avaruuteen kuten satelliitit ja Hubble teleskooppi, jotta ilmakehän häiriöt saadaan poistettua. Näiden välimuotoakin Nasa on kokeillut: viedään mittalaitteet lentokoneella ilmakehän yläpuolelle ja avataan sieltä näkymä avaruuteen. Mittausten jälkeen palataan ”illaksi kotiin”. ”Välimuoto”-lentokonelentää 12 km korkeudessa, ja teleskooppi on 2.5metrinen. 



Kuva 3. Eri aallonpituuksien avulla ”kuvattaessa” saadaan kohteesta eri asioita näkyviin.
Kuvassa on aktiivinen galaksi, eli galaksi, jonka keskustan supermassiivinen 
musta aukko synnyttää miljoonien valovuosien pituiset plasmasuihkut, 
jotka näkyvät vain radioteleskoopin kuvassa.

Avaruudesta tulevista hiukkasista pienen pieniä lähes minkään kanssa vuorovaikuttamattomia 
neutriinoja on erittäin hankala tutkia. Etelämantereella niitä on onnistuttu havaitsemaan siten neutriinoteleskooppi IceCubella. Maapalloa käytetään filterinä, jolloin se blokkaa kaikki hiukkaset neutriinoja lukuun ottamatta. Näin neutriinoja on onnistuttu mittaamaan n.2,5-3km syvältä jään sisältä. Etelämantereella, n.1km x 1km alueelle porattuihin lukuisiin reikiin, on laskettu langan varassa satoja kameroita. Niiden havaitsemien pienten valoväläyshavaintojen avulla voidaan laskea 3D -mallinnusta neutriinojen esiintymisestä. 

Opiskelijoita aina kiehtovista mustista aukoista opittiin myös paljon. Tuttu tieto, että musta aukko imee itseensä kaiken, myös valon, sai edelleen vahvistusta. Sen lisäksi päästiin kuvittelemaan videon avulla millaista olisi joutua mustan aukon lähelle ja miten sen mahtaisi huomata? Spagettifikaatio, jossa painovoima ollessa jaloissa ja päässä erisuuruinen, venyttäisi meidät ja lopulta hajottaisi palasiksi. Mikäli pääsisimme katsomaan mustasta aukon sisältä ulospäin, mitä näkisimme? Valoa, sillä ulkopuolelta mustaan aukkoon tuleva valo näyttäisi edelleen valoisalta. Tapahtumahorisontin takaa emme saa mitään tietoa, sillä sen reunalla pakonopeus on valonnopeus, joten sen sisäpuolelta ei mikään pääse ulos, ei edes valo.


Kuva 4. Musta aukko ja sen tapahtumahorisontti. 
Musta aukko toimii gravitaatiolle kuten kokoava linssi, nk. gravitaatiolinssi.


Kuva 5. Esimerkki, miten musta aukko toimisi, jos gravitaatiokentän tilalle 
laitettaisiin sähkömagneettinen kenttä ja näkyvä valo.

v.2014 tehdyssä Interstellar-elokuvassa astrofyysikko Kipp Thornen ja lukuisien muiden teoreettisten fyysikoiden matematiikan ja tuhansien tietokoneiden avulla suurella rahalla tehtiin tähän mennessä tarkimmat simulaatiot mustan aukon luonteesta ja käyttäytymisestä. Onneksi tämä data on julkaistu tutkijoiden käyttöön elokuvan teon jälkeen. 

Oli oivaa huomata, miten paljon lukiofysiikalla jo osataankaan. Kaksoistähtisysteemien pyöriminen toistensa ympäri yhdistettynä pyörimismäärän säilymislakiin, on helppo havaita ihan silmä-määräisestikin animaatiossa: hitausmomentin pienentyessä kulmanopeus kasvaa. Keplerin laeista lukiolaiset kuulevat gravitaatio ja pyöriminen -kurssilla: Kepler I lain toteutuminen omassa 
galaksissamme osoitti sen keskellä olevan mustan aukon itse asiassa olevankin elliptisten kiertoratojen polttopisteessä. Myös oman Aurinkokuntammekin rata on tällainen ellipsirata 
Linnunradan laitamilla. Newton II laki = dynamiikan peruslaki, jonka usein todetaan olevan lukio-fysiikan tärkein laki, F=ma ja sekä varaukselliseen hiukkaseen vaikuttava magneettinen voima 
F=qvB ovat validia faktaa myös tutkijamaailmassa. Samoin yksikkötarkastelu ja suuruusluokkien arviointi, jota myös kursseilla koko ajan teemme ja korostamme, osoittautuivat tutkijamaailman perustyökaluksi. Esimerkinomaisesti laskeskelimme MAOLin taulukkoarvojen (Auringon massa M, valon nopeus c, gravitaatiovakio G) pakonopeuden v avulla arvion, mihin suuruusluokkaan (r=säde) 
oma Aurinkomme tulisi pakata, jotta siitä tulisi musta aukko, jos valokaan ei pääse pakenemaan. 


Kaavasta huomaamme, että ainoa tekijä, mikä vaikuttaa kokoon on massa eli mitä suurempi massa, sitä suurempi musta aukko. Tulos 3km osoittaakin, että oman aurinkomme massa on hyvin pieni maailmankaikkeuden mittakaavassa ja että omasta Auringosta ei mustaa aukkoa koskaan tule syntymäänkään.


Kuva 6. Interstellar-elokuvaa varten mallinnettu mustan aukon visualisaatio. 
Taustalla valkotaululla lasku mustan aukon koosta, jos se muodostuisi meidän oman Auringon massasta.

Abivuonna opiskelijat suuntaavat ajatuksia jo lukion jälkeiseenkin aikaan. Yliopisto-opintojen rakennetta FK/FM - DI -vaiheeseen ja edelleen tutkijakoulun avulla väitöskirjaan ja edelleen post-doc -paikkaan maailmalla antoi ajatuksia yhdestä mahdollisuudesta lukion jälkeisestä elämästä. 
Monipuolinen koulutus (matematiikka, fysiikka, ohjelmointi, datankäsittely, tilastotiede, numeeriset menetelmät, ajattelun taidot) mahdollistavat tutkijoiden monipuolisen sijoittumisen työelämään. 
Opiskelijoiden palaute vierailuluennosta oli hyvin positiivista. Luento oli erittäin mielenkiintoinen, monipuolinen ja ymmärrettävä. Erityisesti he kertoivat oppineensa teleskoopeista ja mustista aukoista.



Ei kommentteja:

Lähetä kommentti

Huomaa: vain tämän blogin jäsen voi lisätä kommentin.