Kosmisia säteitä tee-se-itse sumukammiossa

Kosmisen säteilyn suurenergisen hiukkasen törmäys
ilmakehän atomiin tuottaa kokojoukon erilaisia
alkeishiukkasia. Kuvaan on merkitty tärkeimmät
niistä: p (protoni), n (neutroni), p⁰, p^- ja p⁺ (pioneja),
µ^- ja µ⁺ (myoneja), g (fotoni), e^- (elektroni), e⁺ (positroni).
Lisäksi kuvaan on merkitty energian jakautuminen eri
hiukkasten kesken. Kuva Wiki Commons.

Teksti Pekka Rautajoki

Tavallisen tähtiharrastajan lävistää joka sekunti noin sata kosmista sädettä. Termi säteily on oikeastaan hieman harhaanjohtava, sillä läpäisijät ovat käytännössä alkeishiukkasia, jotka syntyvät suurienergisen hiukkasen, eli primäärisen kosmisen säteen, törmätessä ilmakehän molekyyleihin. Tällöin muodostuvasta sekundäärisestä kosmisesta säteilystä voi tähtiharrastaja tehdä myös havaintoja itse rakennetulla sumukammiolla.

Mitä kosmiset säteet ovat

Maapalloa pommittaa jatkuvasti avaruudesta lähes valon nopeudella saapuvien alkeishiukkasten ja atomiytimien vuo – näitä suurienergisiä hiukkasia kutsutaan kosmisiksi säteiksi.

Noin 90 prosenttia kosmisesta säteilystä on protoneja, ja lopuista valtaosa on alfahiukkasia eli heliumytimiä – säteiden koostumus on siis lähellä tähtien alkuainejakaumaa. Ilmakehän ulkopuolisia hiukkasia kutsutaan primäärisiksi kosmisiksi säteiksi; törmätessään ilmakehän molekyyleihin nämä synnyttävät ryöpyn sekundäärisiä hiukkasia ns. ilmasuihkuna. Maan pinnalle asti tulevat kosmiset säteet ovatkin juuri näitä sekundäärisiä kosmisia säteitä, joista noin 80 prosenttia on myoneita, mutta joukossa on myös protoneja, alfahiukkasia, pioneja, elektroneita ja neutroneita.

Kosmiset säteet havaitsi ensimmäisenä Victor Hess ilmapallolennollaan vuonna 1912. Energeettisimmät säteet ovat peräisin aktiivisista galaksiytimistä. Vähempienergisiä säteitä puolestaan synnyttävät Linnunradan supernovaräjähdykset, supernovajäänteet ja pulsarit. Myös oma Aurinkomme synnyttää matalaenergisiä kosmisia säteitä flare-purkausten yhteydessä. Kosmisten säteiden tarkkoja syntymekanismeja ei kuitenkaan tunneta vielä täysin.

Primäärisiä kosmisia säteitä voidaan havaita ilmapallojen, satelliittien ja avaruusalusten mukana olevilla ilmaisimilla. Sekundääristen hiukkasten ilmasuihkuja voidaan havaita esimerkiksi sähkövarauksellisten hiukkasten emittoiman Cherenkovin säteilyn avulla. Sekundäärisiä hiukkasia voidaan myös havaita sumu- ja kuplakammioilla ja muilla hiukkasilmaisimilla.

Hiukkasilmaisin kotikonstein

Tampereen Ursan tiimi (Pekka Rautajoki, Maria Lahtinen, Heli Heino ja Maria Messo) kokeili kotitekoisen sumukammion valmistamista ja kosmisten säteiden havaitsemista maaliskuussa. Vaikka laitteiston säädöt eivät ehkä olleet optimaaliset, onnistuttiin säteiden jättämiä tiivistymisvanoja havaitsemaan jo ensi yrityksellä. Sumukammioilmaisimen kehitti alun perin Charles Wilson vuonna 1911. Sumukammiossa varattu hiukkanen jättää tiivistymisytimistä koostuvan sumujäljen kulkiessaan kammion läpi.

Sumukammio on yksinkertaisimmillaan ylikyllästetyllä kaasulla täytetty säiliö, jossa kaasu tiivistyy pisaroiksi läpi kiitävän hiukkasen ionisoidessa kaasuatomeja. Idea harrastajan ikioman sumukammion valmistukseen tuli Brian Coxin tiededokumenttisarjasta ”Wonders of Life”, ja tarkemmat rakennusohjeet American Museum of Natural Historyn verkkosivuilta. (http://www.amnh.org/education/resources/rfl/web/einsteinguide/activities/cloud.html ).

Perusideanamme oli käyttää pientä, tiivistä lasiastiaa (tässä tapauksessa pientä akvaariota), jonka yläosassa on isopropyylialkoholilla kastellut kangastyynyt, ja pohjana on kuivajään viilentämä metallilevy. Kammion yläosa on huoneenlämpöinen (tai jopa hieman lämpimämpi esimerkiksi lämmitetyn kaurapussin ansiosta), jolloin alkoholia höyrystyy kammion sisälle.

Kylmä kammion alaosa jäähdyttää putoavan alkoholihöyryn lämpötilaan, jossa se ei normaalisti esiinny. Akvaarion alaosa siis täyttyy ylikyllästetyllä alkoholikaasulla. Kammion läpi kiitävät kosmiset säteet, eli alkeishiukkaset, aiheuttavat ionisaatiota ja tiivistymisytimien syntyä, jolloin alkoholihöyry palautuu nesteeksi ja tämä voidaan havaita hetkellisesti näkyvinä sumujälkinä. Kammiossa käytettyä isopropyylialkoholia saa apteekista, ja kuivajäätä hankimme AGA:n jälleenmyyjältä Tampereen Nekalasta.

Kolme kuvaa sumukammion läpi
lentäneistä hiukkasista. Tiivistymis-
vanat on merkitty.
Kuva Pekka Rautajoki.

Kokeen tulokset

Usvaa ei muodostunut kahdella koekerralla kovin runsaasti; tähän saattaa vaikuttaa liian vähäinen isopropyylialkoholin määrä tai huono kontakti pohjan metallilevyn ja alla olevan kuivajään välillä. Koejärjestelyssä sumukammio on asetettu pahvilaatikkoon, jonka pohjalla on vaahtomuovia - ajatuksena on, että vaahtomuovi on aluksi kokoon puristuneena, ja jään haihtuessa vaahtomuovin palautuminen pitää jäät vasten kammion pohjan metallilevyä. Käytetty vaahtomuovi oli kuitenkin hyvin tiivistä, eikä se juurikaan puristunut kasaan - kokeilemme seuraavalla kerralla hieman vähemmän tiheää vaahtomuovia.

Pääkuvassa on kollaasi selkeimmistä kosmisten säteiden jättämistä vanoista, muut kuvat esittelevät koejärjestelyjä ja käytettyä laitteistoa. Kuvan, jossa näkyy kaksi sumukammiota, on ottanut Maria Lahtinen, muut kuvat on ottanut Pekka Rautajoki.

Youtubessa on lisäksi kaksi videoa havainnoista; ensimmäisessä, Maria Lahtisen kuvaamassa videossa näkyy sumukammion "ensivalo", eli ensimmäinen taltioitu kosmisen säteen vana: http://youtu.be/3EqyCOu8YNY

Toisessa on koostettuna useampi selkeä vana, kuvaajana Pekka Rautajoki:
http://youtu.be/0zLX0iErDR0

Seuraavaa koekertaa varten olemme jo hankkineet kimmoisampaa vaahtomuovia, ja käytämme enemmän isopropyylialkoholia. Kokeilemme myös, onnistummeko voimakkaan magneetin avulla kaareuttamaan myonien sumujälkiä. Samoin voimme yrittää havaita suuntaa vaihtavia hiukkasia, jolloin luultavasti olemme havainneet myonin hajoamisen. Olemme myös hankkineet thorium-volframisauvan, jollaisia normaalisti käytetään Geiger-mittarin testaamiseen. Thoriumin hajoamisessa syntyvät alfahiukkaset saavat varmasti vipinää myös sumukammioon!

Kesäkauden tähtitaivas

Venus ja Jupiter ovat konjunktiossa heinäkuun 1. päivänä.
Päivän aikana Venus ohitaa Jupiterin ja lähimmillään
ne näkyvät vain 24 kaariminuutin etäisyydellä toisistaan.
Tapahtumaa on mahdollista havainnoida kohtuullisen
kokoisella harrastajakaukoputkella, mutta
Auringon läheisyyden vuoksi se on tehtävä erityistä
varovaisuutta noudattaen. Piirros Kari A. Kuure.

Perinteisesti havaitseminen kesäkaudella on hyvin vähäistä. Tähän luonnollisena selityksenä ovat maamme sijainti pohjoisilla leveyksillä, jolloin yöt ovat lyhyitä ja vain hämäriä. Ensimmäiset yöpimeät koetaan Tampereella vasta elokuun viimeisellä puoliskolla, joten kolmen kesäkuukauden aikana joudumme tyytymään vain kirkkaimpiin tähtitaivaan kohteiden havaitsemiseen.

Aurinko on korkeimmillaan pohjoisella taivaalla. Kesäpäivän seisaus on 21. kesäkuuta kello 19.37, jolloin sen deklinaatio on 23° 25’ 57,49”. Samaan aikaan näemme sen 31’ 48” kokoisena ja päivällä on pituutta 19 h 28 minuuttia. Tämän jälkeen päivän pituus alkaa lyhetä, joten 22. päivä on jo 3 sekuntia lyhyempi.

Päivän pituus

1.6.	18 h 47 m
15.6.	19 h 24 m
21.6.	19 h 28 m
1.7.	19 h 18 m
15.7.	18 h 34 m
1.8.	17 h 12 m
15.8.	15 h 55 m
31.8.	14 h 24 m

Auringon näennäinen koko ole kaikkein pienin juuri kesäpäiväseisauksena, vaan maapallon on aphelissä vasta heinäkuun 6. päivänä kello 22.36 jolloin näennäinen koko on 31’ 27”. Auringon ja Maan välinen etäisyys on tällöin 1,017 au.

Auringon alueen tähtitaivasta emme pysty näkemään, mutta siihen ei nyt ole mitään tarvettakaan. Silti on mukava tietää, että Auringon näennäinen rata vie sen Härästä Kaksosiin kesäkuussa, Krapuun heinäkuussa ja Leijonaan elokuussa.

Kuun vaiheet

	kesäkuu		heinäkuu		elokuu
	pvm	klo	pvm	klo	pvm	klo
täysikuu	2.6.	16.19	2.7.	02.20
vähenevä puolikuu	9.6.	15.42	8.7.	20.24	7.8.	02.03
uusikuu	16.6.	14.05	16.7.	01.24	14.8.	14.54
kasvava puolikuu	24.6.	11.03	24.7.	04.04	22.8.	19.31
täysikuu			31.7.	10.43	29.8.	18.35

Kuun rata

perigeum	10.6.	5.7.	2.8. & 30.8.
apogemium	23.6.	21.7.	18.8.
etelässä	3.6.	1.7. & 28.7.	25.8.
pohjoisessa	16.6.	14.7.	10.8.

Konjunktiot

Venus ja Jupiter ovat konjunktiossa heinäkuun 1. päivänä, jolloin niiden välinen kulmaetäisyys on vain 24 kaariminuuttia. Molemmat planeetat ovat kirkkaita: Jupiter -1,7^m ja Venus -4,3^m, joten niiden näkeminen ennen auringonlaskua pitäisi olla mahdollista.

Planeetat

                            

Merkurius on näkyvissä parhaimmin kesäkuun puolivälin jälkeen heinäkuun ensimmäiselle viikolle. Tällöin planeetan ja Auringon välinen kulmaetäisyys ylittää 15° ja suurin se on kesäkuun 23–26. Päivinä, ollen yli 22°. Elokuun loppupuolella kulmaetäisyys on samaa luokkaa, mutta silloin planeetta laskee horisonttiin lähes auringonlaskun aikaan.

Merkuriuksen kirkkaus ei ole suuren suuri, kesäkuun lopulla noin 0,6^m. Se ei ole riittävä, että planeetan voisi nähdä paljain silmin ennen auringonnousua.

Venus on kesäkuun ja vielä heinäkuun alkupuolen hyvin näkyvissä auringonlaskun jälkeen pitkälle aamuyöhön. Heinäkuun puolivälin jälkeen se laskee horisonttiin auringonlaskun aikaan ja on sen jälkeen näkyvissä vain päivällä. Venuksen kirkkaus on suurin heinäkuun ensimmäisellä puoliskolla, jolloin se on suurimmillaan -4,3^m tietämillä. Planeetta on alakonjunktiossa 14.8. kello 6.51 jolloin kulmaetäisyys on vain 8°. Vaikka kulmaetäisyys on suurehko, niin Venus on Aurinkoa etelämpänä ja näin ollen silloin siitä havaintojen tekeminen onnistuu vain päivällä.

Mars nousee aamutaivaalle ennen auringonnousua. Planeetan kirkkaus on kuitenkin niin vaatimatonta luokkaa, että sen havaitseminen on käytännössä mahdotonta. Planeetan kulmaetäisyys on pienin konjunktiossa 14.6. ollen vain 0,62° (37’ 09”).

Jupiter on näkyvissä iltataivaalla auringonlaskun jälkeen aina heinäkuun puoliväliin asti. Planeetan kirkkaus on hieman heikkenemässä kesäkuun alun -1,8^m arvosta, mutta ei kovinkaan merkittävästi. Kirkkauden myötä kulmahalkaisija (35”) on myös pienenemässä mutta siinäkään ei tapahdu kovin nopeaa muutosta. Elokuun loppuun mennessä se on pienentynyt lukemaan 30”.

Saturnus nousee horisontista iltapäivisin ja on etelässä ennen auringonlaskua. Kesäheinäkuun aikana planeetta painuu horisonttiin vasta aamuyön tunteina, jolloin keskiyön hämärät hetket ovat mahdollisia havainnoille. Elokuussa Saturnus painuu horisonttiin pari tuntia auringonlaskun jälkeen. Saturnuksen kirkkaus ei ole suuren suuri (0,2–0,6^m) mutta kyllä se taivaalta pitäisi löytyä helposti etenkin jos käyttää kiikaria apuna ja katsoo tähtikarttaohjelmasta missä se sijaitsee. Saturnus on kesäajan Vaa’assa.

Urannus on Kaloissa nousten kesän ensimmäisellä puoliskolla aamuyöstä ja loppukesästä kohta auringonlaskun jälkeen. Planeetan kirkkaus (5,8^m) on sen verran heikko, että sitä hämärinä kesäöinä on mahdoton nähdä.

Neptunus on alkukesästä aamuyöllä horisontin yläpuolella ja heinäkuun ensimmäisen viikon jälkeen lähes koko yön. Neptunus näkyy Vesimiehessä, tosin sen kirkkaus on vain 7,8^m joten hämärät kesäyöt eivät mahdollista sen havainnointia.

Meteorit

Perseidit saavuttavat maksiminsa elokuun 12. Päivänä. Tällöin ZHR-luku voi nousta hieman yli 100 ja havaitsija voi nähdä kirkkaita ja nopeita meteoreja muutamia kymmeniä tunnin aikana. Meteorit näyttävät tulevan Perseuksen tähdistön pohjoisosasta itäiseltä taivaalta. Havaintopaikaksi pitäisi valita valosaasteeton paikka, josta näkyvyyttä on joka suuntaan tai ainakin valosaasteettomalle taivaanosalle.

Tähtitaivaan tapahtumat