28.09.2017

Anu Kankainen: Ydinfysiikkaa, jotta ymmärtäisimme miten alkuaineet ovat syntyneet tähdissä

Ihmisiä on aina kiinnostanut, miten maailma on syntynyt. Kalevalassa kerrotaan maailman saaneen alkunsa kuudesta kultaisesta ja yhdestä rautaisesta munasta. Nykytieteen perustella toki tiedämme, ettei näin ole.

1900-luvun alkupuolella tutkijat määrittelivät yhä tarkemmin alkuaineiden pitoisuuksia erilaisista meteoriittinäytteistä sekä spektroskopian avulla. Pitoisuuksien ymmärtäminen osoittautui erittäin haastavaksi. Miksi jotkin alkuaineet ja isotoopit olivat paljon yleisempiä kuin toiset?

Samoihin aikoihin ydinfysiikan alalla tapahtui huomattavaa kehitystä. Maria Goeppert Mayer kollegoineen pystyi selittämään ytimien rakennetta niin kutsutun kuorimallin avulla. Tästä hän sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1963. Kuorimallin keksiminen oli käänteentekevää myös alkuaineiden pitoisuuksien ymmärtämiselle. Ne isotoopit, joissa neutronien tai protonien lukumäärä vastasi kuorimallin mukaista, hyvin sidottua ”taianomaista” lukua, olivat yliedustettuina alkuaineiden pitoisuuskäyrissä. Ydinfysiikalla oli siis todennäköisesti tärkeä rooli alkuaineiden synnyssä.

Alkuaineiden syntyä käsittelevä uraauurtava artikkeli ”Nucleosynthesis in stars” (”Ydinsynteesi tähdissä”) julkaistiin vuonna 1957 Reviews of Modern Physics -sarjassa. Modernin ydinastrofysiikan tutkimusalan voidaan katsoa alkaneen tästä artikkelista tasan 60 vuotta sitten. Ydinastrofysiikassa tutkitaan sitä, mikä on erilaisten ydinfysiikan prosessien rooli alkuaineiden synnyssä tähdissä ja avaruuden ilmiöissä, kuten novatähtien tai supernovien räjähdyksissä tai neutronitähdissä.

Teen Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella tutkimusta ydinastrofysiikkaa varten. Esimerkiksi kiihdytinlaboratoriossa erittäin tarkasti mittaamamme atomimassat tarjoavat tietoa ytimien sidosenergioista, joita tarvitaan erilaisten ydinastrofysikaalisten prosessien ymmärtämiseksi. Yksi tärkeimmistä mittalaitteistamme on erittäin tarkkoihin atomimassamittauksiin kykenevä JYFLTRAP Penningin loukku. Nämä mittaukset ovat tärkeitä ydinastrofysiikan kuumille aiheille kuten raskaiden alkuaineiden synnylle neutronitähdissä sekä supernovatähtien luhistumiselle ja siihen liittyvälle fysiikalle.

Tänä vuonna vietetään myös Suomen Fyysikkoseuran 70-vuotisjuhlavuotta. Tämä on laittanut miettimään, mikä on fysiikan rooli yhteiskunnassa. Itse koen fysiikan tai tieteen viestinä sukupolvelta toiselle. Tiede elää vuorovaikutuksessa, yliopiston luentosalien ja laboratorioiden kautta, leviten samalla ympäröivään yhteiskuntaan. Tämän vuoksi tieteelle ei ole varmuuskopioita, vaan se riippuu osaltaan ihmisistä, jotka sitä tekevät. Tieteen perusrahoituksen riittävyys mahdollistaa tiedon siirtämisen sukupolvelta toiselle ja sen, että askel askeleelta tiedämme enemmän esimerkiksi alkuaineiden synnystä tähdissä. On vielä paljon asioita, joita emme ymmärrä.

Anu Kankainen, fysiikan laitos, akatemiatutkija 28.9.2017

URN:NBN:fi:jyu-201709273848