Nobel-palkinto Nobel-palkinnon logo

Minkä ikäinen on aurinko? Miten aurinko paistaa? Nämä kysymykset ovat saman kolikon kaksi puolta, kuten tulemme näkemään.

Nopeus, jolla aurinko säteilee energiaa, on helppo laskea käyttämällä mitattua nopeutta, jolla energia saavuttaa maan pinnan, sekä maan ja auringon välistä etäisyyttä. Auringon elinaikanaan säteilemä kokonaisenergia on suunnilleen senhetkisen säteilynopeuden, jota kutsutaan Auringon luminositeetiksi, ja Auringon iän tulo.

Mitä vanhempi Aurinko on, sitä suurempi on Auringon säteilemän energian kokonaismäärä. Mitä suurempi on säteilevä energia tai mitä suurempi on auringon ikä, sitä vaikeampaa on löytää selitys aurinkoenergian lähteelle.

Jotta ymmärtäisimme paremmin, miten vaikeaa selityksen löytäminen on, tarkastellaan erästä konkreettista kuvaa siitä valtavasta nopeudesta, jolla aurinko säteilee energiaa. Oletetaan, että laitetaan kuutiosenttimetri jäätä ulos kesäpäivänä siten, että kaikki auringonpaiste imeytyy jäähän. Vaikka maapallon ja auringon välinen etäisyys on suuri, auringonpaiste sulattaa jääkuution noin 40 minuutissa. Koska tämä tapahtuisi missä tahansa avaruudessa maapallon etäisyydellä auringosta, valtava pallomainen jääkuori, jonka keskipisteenä on aurinko ja jonka halkaisija on 300 miljoonaa kilometriä, sulaisi samalla kertaa. Tai jos sama jäämäärä kutistetaan auringon pintaan asti, voidaan laskea, että kymmenentuhatta kertaa maapallon pinta-alaa suurempi ja noin puolen kilometrin (0,3 mailin) paksuinen alue sulaisi myös 40 minuutissa auringosta purkautuvan energian vaikutuksesta.

Tässä jaksossa käsittelemme sitä, miten 1800-luvun tiedemiehet yrittivät selvittää aurinkoenergian lähdettä käyttäen apuna auringon ikää.

Ristiriitaisia arvioita auringon iästä

Aurinkosäteilyn energialähteenä 1800-luvun fyysikot uskoivat olevan painovoima. Hermann von Helmholtz, saksalainen fysiologian professori, josta tuli arvostettu tutkija ja fysiikan professori, esitti vaikutusvaltaisessa luennossaan vuonna 1854, että Auringon valtavan säteilyenergian alkuperä on suuren massan painovoiman aiheuttama supistuminen. Hieman aikaisemmin, 1840-luvulla, J. R. Mayer (toinen saksalainen lääkäri) ja J. J. Waterson olivat myös ehdottaneet, että Auringon säteilyn alkuperä on gravitaatioenergian muuttuminen lämmöksi.1

Biologit ja geologit pohtivat Auringon säteilyn vaikutuksia, kun taas fyysikot keskittyivät säteilevän energian alkuperään. Vuonna 1859 Charles Darwin teki luonnollisen valinnan kautta tapahtuvasta lajien synnystä (On The Origin of the Species by Natural Selection) -teoksen ensimmäisessä painoksessa karkean laskelman maapallon iästä arvioimalla, kuinka kauan nykyisellä havaitulla vauhdilla tapahtuvalta eroosiolta kestäisi huuhtoa pois Weald, suuri laakso, joka ulottuu Pohjois- ja Etelä-Downsin välissä Etelä-Englannin halki. Hän sai ”Wealdin denudation” arvoksi noin 300 miljoonaa vuotta, mikä on ilmeisesti tarpeeksi pitkä aika, jotta luonnonvalinta olisi voinut tuottaa maapallolla esiintyvien lajien hämmästyttävän määrän.

Kuten Herschel korosti, auringon lämpö on vastuussa elämästä ja suurimmasta osasta maapallon geologista evoluutiota. Näin ollen Darwinin arvio maapallon geologisen toiminnan vähimmäisiästä merkitsi vähimmäisarviota auringon säteilemästä energiamäärästä.

Darwinistista luonnonvalintaa jyrkästi vastustanut William Thomson, myöhempi lordi Kelvin, oli Glasgow’n yliopiston professori ja yksi 1800-luvun suurista fyysikoista. Monien soveltavaan tieteeseen ja tekniikkaan antamiensa panosten lisäksi Thomson muotoili termodynamiikan toisen lain ja laati absoluuttisen lämpötila-asteikon, joka myöhemmin nimettiin hänen kunniakseen Kelvinin asteikoksi. Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa luonnollisesti kuumemmasta kappaleesta kylmempään, ei päinvastoin. Thomson oivalsi siis, että auringon ja maapallon on kylmennyttävä, ellei ulkopuolista energianlähdettä ole, ja että lopulta maapallosta tulee liian kylmä elämälle.

Kelvin oli Helmholtzin tavoin vakuuttunut siitä, että auringon valovoima syntyy muuttamalla gravitaatioenergiaa lämmöksi. Tämän ajatuksen varhaisessa (1854) versiossa Kelvin ehdotti, että auringon lämpöä saattaisi tuottaa jatkuvasti sen pinnalle putoavien meteorien törmäys. Tähtitieteelliset todisteet pakottivat Kelvinin muuttamaan hypoteesiaan, ja hän väitti sitten, että auringon käytettävissä olevan energian ensisijainen lähde oli niiden alkuaikojen meteoreiden gravitaatioenergia, joista aurinko muodostui.

Lordi Kelvin julisti siis suurella auktoriteetilla ja kaunopuheisuudella vuonna 1862:

>

Sitä, että meteoriteorian jonkinlainen muoto on varmasti totuudenmukainen ja täysipainoinen selitys auringon lämpöenergialle, tuskin voidaan epäillä, kun otetaan huomioon seuraavat syyt: (1) Mitään muuta luonnollista selitystä kuin kemiallista vaikutusta ei voida kuvitella. (2) Kemiallinen teoria on aivan riittämätön, koska energisin tuntemamme kemiallinen toiminta, joka tapahtuisi koko auringon massan suuruisten aineiden välillä, tuottaisi vain noin 3 000 vuoden lämpöä. (3) Ei ole mitään vaikeuksia ottaa huomioon 20 000 000 vuoden lämpöä meteoriteorian avulla.”

Kelvin jatkoi hyökkäämällä suoraan Darwinin arviota vastaan ja kysyi retorisesti:

Mitä sitten on ajateltava sellaisista geologisista arvioista kuin 300 000 000 vuotta ”Wealdin denudation of the Weald” osalta?

Kelvin uskoi Darwinin olleen väärässä arviossaan maapallon iästä, ja Kelvin uskoi myös Darwinin olleen väärässä luonnollisen valinnan toimintaan käytettävissä olevasta ajasta.

Lordi Kelvin arvioi auringon ja näin ollen myös maapallon eliniän seuraavasti. Hän laski sellaisen kappaleen gravitaatioenergian, jonka massa on yhtä suuri kuin auringon massa ja jonka säde on yhtä suuri kuin auringon säde, ja jakoi tuloksen nopeudella, jolla aurinko säteilee energiaa pois. Tämän laskelman tuloksena saatiin vain 30 miljoonan vuoden elinikä. Vastaava arvio kemiallisella energialla kestävälle eliniälle oli paljon pienempi, koska kemialliset prosessit vapauttavat hyvin vähän energiaa.

Kuka oli oikeassa?

Kuten juuri näimme, 1800-luvulla saattoi saada hyvin erilaisia arvioita Auringon iästä riippuen siitä, keneltä kysyi. Merkittävät teoreettiset fyysikot väittivät tuolloin tunnettujen energialähteiden perusteella, että aurinko oli korkeintaan muutamia kymmeniä miljoonia vuosia vanha. Monet geologit ja biologit päättelivät, että auringon on täytynyt paistaa ainakin useita satoja miljoonia vuosia, jotta geologiset muutokset ja elävien olentojen evoluutio olisivat selitettävissä, sillä molemmat riippuvat ratkaisevasti auringon energiasta. Siten auringon ikä ja aurinkoenergian alkuperä olivat tärkeitä kysymyksiä paitsi fysiikan ja tähtitieteen myös geologian ja biologian kannalta.

Kelvinin analyysin voima ja hänen teoreettisen asiantuntemuksensa auktoriteetti järisyttivät Darwinia niin paljon, että Lajien synty -teoksen viimeisistä painoksista hän poisti kaikki maininnat tietyistä aikaskaaloista. Hän kirjoitti vuonna 1869 Alfred Russel Wallacelle, luonnonvalinnan kanssakeksijälle, valittaen lordi Kelvinistä:

Thomsonin näkemykset maailman viimeaikaisesta iästä ovat jo jonkin aikaa olleet suurimpia murheitani.

Tänään tiedämme, että lordi Kelvin oli väärässä ja geologit ja evoluutiobiologit olivat oikeassa. Meteoriittien radioaktiivinen ajoitus osoittaa, että aurinko on 4,6 miljardia vuotta vanha.

Mitä vikaa Kelvinin analyysissä oli? Analogia voi auttaa. Oletetaan, että ystäväsi tarkkaili sinua käyttämässä tietokonettasi ja yritti selvittää, kuinka kauan tietokone oli toiminut. Uskottava arvio saattaisi olla korkeintaan muutama tunti, koska se on enimmäisaika, jonka ajan akku voisi tuottaa tarvittavan määrän virtaa. Tämän analyysin virhe on oletus siitä, että tietokoneen virtalähteenä on välttämättä akku. Arvio muutamasta tunnista voisi olla väärä, jos tietokonetta käytettäisiin seinässä olevasta pistorasiasta. Oletus siitä, että tietokoneen virran saa paristosta, vastaa lordi Kelvinin olettamusta, jonka mukaan painovoima antaa virtaa auringolle.

Koska 1800-luvun teoreettiset fyysikot eivät tienneet mahdollisuudesta muuttaa ydinmassaa energiaksi, he laskivat auringolle liian lyhyen enimmäis-iän. Kelvin ja hänen kollegansa antoivat kuitenkin pysyvän panoksen tähtitieteen, geologian ja biologian tieteenaloille vaatimalla periaatetta, jonka mukaan kaikilla tutkimusaloilla pätevien johtopäätösten on oltava sopusoinnussa fysiikan peruslakien kanssa.

Keskustelemme seuraavaksi eräistä merkkipaaluista, jotka koskivat ymmärrystä siitä, miten ydinmassaa hyödynnetään tähtien polttoaineena.

1 von Helmholtz ja Mayer kuuluivat energiankestävyyslain kanssakeksijöihin. Tämän lain mukaan energiaa voidaan muuttaa muodosta toiseen, mutta sen kokonaismäärä säilyy aina. Energian säilyminen on nykyaikaisen fysiikan perusperiaate, jota käytetään analysoitaessa kaikkein pienimpiä (subatomisia) alueita ja suurimpia tunnettuja rakenteita (maailmankaikkeutta) sekä lähes kaikkea siltä väliltä. Myöhemmin näemme, että Einsteinin tekemä energian säilymislain yleistys oli avainasemassa Auringon säteilyn alkuperän ymmärtämisessä. Energian säilymislauseen soveltaminen radioaktiivisuuteen paljasti neutriinojen olemassaolon.

Vaavistus ratkaisusta