Eduardo Bañadosin johtama tutkimusryhmä on löytänyt toistaiseksi "kirkkaimmin" radioalueella säteilevän nuoren kvasaarin, joka on syntynyt maailmankaikkeuden ollessa alle miljardin vuoden ikäinen.

Kvasaarin löytymisen jälkeen Emmanuel Momjian teki siitä havaintoja, joiden avulla plasmasuihkusta saatiin ennennäkemättömän tarkkoja tietoja. Niiden ansiosta pystytään entistä paremmin selvittämään varhaisen maailmankaikkeuden ilmiöitä ja kehittymistä.

Tarkkaan tutkittu kvasaari tunnetaan luettelonimellä PSO J352.4034-15.3373. Kvasaarit löytyivät 1960-luvulla voimakkaan radiosäteilynsä perusteella, mutta todellisuudessa vain noin joka kymmenes kvasaari on "kirkas" radioalueella.

Voimakas radiosäteily on yleensä lähtöisin mustan aukon pyörimisakselin suuntaan lähtevistä suihkuista, joissa kuuma plasma liikkuu lähes valon nopeudella.

Vajaan pikosekunnin kymmenyksen kestävä pikakuumennus tehtiin tehokkaalla röntgenlaserilla. LCLS-laitteisto (Linac Coherent Light Source) löytyy Yhdysvaltain Kansallisesta kiihdytinlaboratoriosta. Tutkijat kohdistivat lyhyitä, mutta hyvin voimakkaita laserpulsseja vesisuihkuun.

"Yleensä kun vettä kuumennetaan esimerkiksi mikroaalloilla, molekyylit alkavat vain liikkua yhä nopeammin. Käyttämämme kuumennusmenetelmä oli tyystin toisenlainen", selittää tutkimusta johtanut Carl Caleman.

"Energinen röntgensäteily iski elektronit irti vesimolekyyleistä, jolloin varausten tasapaino rikkoutui. Atomien välillä alkoi yhtäkkiä vaikuttaa voimakas hylkimisvoima, mikä sai ne liikehtimään hyvin rajusti."

Alle 0,000000000000075 sekunnissa veden olomuoto muuttui nesteestä plasmaksi. Sen tiheys oli kuitenkin edelleen sama kuin nestemäisen veden, sillä atomit eivät ehtineet lyhyessä hetkessä liikkua juuri mihinkään.

Kansainvälinen tutkijaryhmä on CERNissä eli Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa onnistunut puristamaan antiprotonien ja elektronien muodostaman hiukkaspilven 0,34 millimetrin läpimittaiseksi eli kymmenesosaan alkuperäisestä.

Uudessa tekniikassa käytetään hyväksi vinhasti pyörivää "plasmalinkoa", jossa keskihakuvoima saa aikaan tarvittavan puristusvoiman. Magneettisen loukun sähkökenttiä muutetaan siten, että hiukkaspilven pyörimisnopeus kasvaa kasvamistaan.

Auringon "tornadojen" eli tornadoprotuberanssien luonne on uuden tutkimuksen perusteella tulkittu väärin. Syynä on se, että ilmiöitä on voitu tarkastella vain kaksiulotteisesti.

Tornadoja on havaittu Auringossa jo 1900-luvun alkupuolelta lähtien ja niistä on saatu entistä tarkempaa tietoa esimerkiksi SDO-luotaimen (Solar Dynamics Observatory) avulla. Sen ultraviolettialueen datasta kootuissa videoissa näkyy selvästi tornadojen liike.

Ei kuitenkaan riittävän selvästi. Ilmeisesti jättimäiset tornadot, joilla voi olla mittaa useita kertoja Maan halkaisijan verran, eivät vastoin aiempaa käsitystä pyöri ollenkaan.

Nicolas Labrossen johtama kansainvälinen tutkijaryhmä on tarkastellut spektroskopian avulla plasman lämpötilan ja tiheyden lisäksi doppler-ilmiötä, joka kertoo sen liikkeestä ja nopeudesta suhteessa meihin. Tuloksena on kolmiulotteinen kuva protuberanssien rakenteesta ja sen taustalla olevasta magneettikentästä.

"Huomasimme, että huolimatta kuvissa näkyvästä protuberanssien ja tornadojen ulkomuodosta magneettikenttä ei ole pystysuora, vaan plasma liikkuu pääasiassa vaakasuunnassa magneettikentän voimaviivojen myötäisesti", Labrosse selittää.

Pienemmässä mittakaavassa fuusiotutkimus kuitenkin etenee. Coloradon yliopistossa on tehty kokeita voimakkailla laserpulsseilla, jotka on kohdistettu mikroskooppisen pienistä, 200 nanometrin läpimittaisista langoista muodostuvaan kohtioon.

Tuloksena on ollut ennätyksellisen tehokas neutronien tuotto. Räjähdysmäisessä fuusiossa vapautui neutroneja 500 kertaa enemmän kuin vastaavissa kokeissa, joissa kohtiona on käytetty samankaltaista materiaalia, mutta yhtenäisenä kiinteänä kappaleena.

Tutkijat rakensivat ultralyhyitä pulsseja lähettävän laserlaitteiston itse. Kohdemateriaaliksi he valitsivat deuteroidun polyetyleenin. Siinä tavallisen polyetyleenin vetyatomit on korvattu raskaalla vedyllä eli deuteriumilla, jonka ytimessä on protonin lisäksi myös neutroni.

Tiuhaan ammutut laserpulssit saivat langat kuumenemaan hyvin nopeasti, jolloin ne vapauttivat deuteriumiin sitoutuneet neutronit.

Tänään tuotettiin Max Planckin plasmafysiikan instituutin Wendelstein 7-X -fuusiolaitteella ensimmäisen kerran heliumplasmaa. "Stellaraattorissa" tuotetun plasman lämpötila oli noin miljoona celsiusastetta.

Energiantuotantoon koelaitteistosta ei kuitenkaan ole, vaikka se onkin lajissaan suurin. Testeillä on tarkoitus tutkia, onko Lyman Spitzerin jo 1950-luvulla kehittelemästä laitteesta tulevaisuuden fuusiovoimalan sydämeksi.

7-X rakentuu 50 suprajohtavasta käämistä, joista kookkaimmat ovat 3,5 metriä korkeita. Käämit ympäröivät tyhjiökammiota ja ne jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä nestemäisen heliumin avulla. 

Kun käämit kytketään päälle, ne eivät kuluta juuri lainkaan energiaa. Niiden muodostama magneettinen "häkki" pitelee noin 30 kuutiometrin kokoista hyvin harvaa plasmapilveä irrallaan tyhjiökammion seinämistä.

Ranskalaiset tutkijat ovat soveltaneet Leidenfrostin ilmiötä uudella tavalla. Jos vesipisara on paistinpannulla, jonka lämpötila on vain hieman yli 100 celsiusastetta, pisara hajoaa ja pannun pinnalle muodostuu vesihöyrykuplia.

Jos lämpötila sen sijaan on paljon korkeampi, yli 280 astetta, pisaran ja pannun väliin muodostuu höyrykerros, jonka varassa pisara leijuu koskettamatta pannun pintaa.

"Ilmatyyny" on kuitenkin mahdollista saada aikaan myös ilman korkeaa lämpötilaa. Sama onnistuu sähkövirralla. Tutkijat käyttivät kokeessaan laimeaa suolahappoliuosta, joka johtaa sähköä.

Kun metallipinnalla olevaan pisaraan johdettiin 50 voltin sähkövirta, metallilevyyn kulkeva sähkö alkoi hajottaa vettä vedyksi ja hapeksi. Pisara kohosi ilmaan ja jäi leijumaan sinisenä hohtavan kaasukerroksen päälle (klikkaa kuva isommaksi).

Ensin tutkijat arvelivat, että kaasu on vetyä mutta tarkemmin tutkittaessa se osoittautui vesihöyryksi. Sähkövirta ionisoi sen, joten käytännössä sininen hohde tulee plasmasta. Tutkijat tulivat löytäneeksi edullisen ja helpon tavan tuottaa plasmaa, jonka aikaansaaminen vaatii yleensä korkeaa lämpötilaa ja suurta energiaa.

Kuva: Cedric Poulain et al./CEA

Otsikosta saattavat tulla mieleen Cordwainer Smithin mystisen surumieliset novellit, mutta kyse on uudesta tieteellisestä löydöstä – joka tehtiin vahingossa.

Tutkijat olivat laboratoriossa tarkastelemassa plasman käyttäytymistä, kun siihen kohdistetaan suuritehoinen laser. Biljoonasosasekunnin sisällä lasersäteen osumasta äkisti kuumenneessa plasmassa alkoi esiintyä nopeaa virtausta tiheämmiltä harvemmille alueille.

Alueiden raja-alueelle muodostui liikenneruuhkan kaltainen kasauma, joka synnytti paineaaltoja – toisin sanoen ääntä. Korvinkuultavaa se ei ollut, sillä äänen taajuus oli liki biljoona hertsiä. Edes lepakot ja delfiinit eivät kykene aistimaan näin korkeita ääniä: plasmaäänen taajuus oli kuusi miljoonaa kertaa korkeampi kuin niiden kuuloalueen yläraja.

Tutkijat eivät pystyneet laitteillaan rekisteröimään varsinaista ääntä, vaan he tarkkailivat plasman liikkeitä hieman ylinopeustutkaa muistuttavalla koejärjestelyllä. Tosin heidän "tutkansa" kykeni havaitsemaan hyvin lyhyitä, tässä tapauksessa alle biljoonasosasekunnin mittaisia aikavälejä ja siten hyvin nopeita muutoksia plasmassa.

Alkuun tutkijoille oli epäselvää, mistä ääniaallot ovat peräisin. Numeerisen mallin avulla saatiin kuitenkin tuloksia, jotka vastasivat varsinaisessa kokeessa tehtyjä havaintoja taajuuden muutoksista. Laboratoriossa oli siten onnistuttu kehittämään uusi tapa tuottaa ääntä nesteen, tässä tapauksessa plasman virtauksen avulla.

Mitä tekemistä tällä odottamattomalla akustisella ilmiöllä on tähtien kanssa? Vihje löytyy sanasta plasma. Tähdet ovat tunnetusti plasmaa, sähköisesti varattua ainetta, jossa atomien ytimet ja elektronit ovat heittäneet toisilleen hyvästit. Tai ainakin sanoneet näkemiin.

Yorkin yliopistossa työskentelevän John Pasleyn mukaan laboratoriossa havaittu ilmiö voi esiintyä myös tähtien pinnalla. Kun syntymässä olevaan tähteen kertyy ainetta, siihen saattaa muodostua samanlaisia tihentymiä kuin laserilla pommitettuun plasmaan. Ja tihentymät voivat puolestaan saada aikaan paineaaltoja eli ääntä.

"Tähdet voivat laulaa, mutta kun ääni ei kulje avaruuden tyhjiössä, kukaan ei kuule sitä", Pasley toteaa.

Tutkimuksesta kerrottiin Yorkin yliopiston uutissivuilla tänään ja se on julkaistu Physical Review Letters -lehdessä (maksullinen) 20. maaliskuuta.