Miksi pöly rakastaa kaukoputkesi linssejä? Optiikan salakavala vihollinen

KAK — Jokainen tähtiharrastaja tuntee sen tuskan: avaat kaukoputken suojuksen, ja siellä se taas on – hienoinen pölykerros objektiivin pinnalla. Vaikka olisit kuinka varovainen ja putki olisi säilytetty huolellisesti, pöly tuntuu ilmestyvän tyhjästä. Mutta miksi pöly tarttuu optiikkaan niin itsepintaisesti ja niin nopeasti, jopa kaukoputken sisäpinnoille? Kyse ei ole pelkästään ilmavirroista. Sukelletaanpa syvemmälle tämän optiikan salakavalan vihollisen olemukseen.

Toivottavasti sinun kaukoputkesi linssi ei ole tämän näköinen milloinkaan. Kuva © Kari A. Kuure.

Suurin syyllinen linssien pölyyntymiseen, erityisesti silmälaseissa ja kaukoputken ulkopinnoilla, on staattinen sähkö. Lasin tai muovin pinta voi varautua sähköisesti vähäisestäkin hankauksesta, esimerkiksi ilman liikkeestä tai linssipyyhkeen käytöstä. Ilmassa leijuvat pölyhiukkaset ovat usein itsekin sähköisesti varautuneita, ja vastakkaiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa magneetin lailla.

Tämä on tuttu ilmiö silmälaseissa, mutta miten se selittää pölyn kerääntymistä kaukoputken sisäpinnoille, joihin pöly ei pääse suoraan ilmasta tai hankauksen kautta?

Tässä tulee ilmi mielenkiintoinen ja usein unohdettu tekijä: indusoitunut sähkövaraus. Vaikka linssin ulkopinnalla olisi staattinen varaus esimerkiksi hankauksen ja puhdistuksen jäljiltä, tämä varaus voi vaikuttaa syvemmälle. Koska linssimateriaalit (kuten lasi) ovat eristeitä, ulkopinnan varaus voi indusoida vastakkaisen sähkövarauksen linssin sisäpuolelle. Tämä sama ilmiö esiintyy käsiteltäessä keinokuituvaateita ja ukkospilven ja maanpinnan välillä. Ukkospilven alaosa on negatiivisesti varautunut ja sen alla oleva maa on puolestaan positiivinen. Kun varausten aikaansaama jännite kasvaa riittävän suureksi, tapahtuu läpilyönti, jonka me näemme salamana. Mutta palataanpa linsseihin!

Kuvittele, että linssin ulkopuolella on positiivinen varaus. Tämä varaus voi vetää puoleensa negatiivisesti varautuneita elektroneja linssin sisäpintaan. Tämä indusoitu negatiivinen varaus puolestaan vetää puoleensa kaukoputken sisällä leijuvia pölyhiukkasia, jotka ovat usein positiivisesti varautuneita tai jotka varautuvat joutuessaan kosketuksiin varatun pinnan kanssa. Lopputulos? Pölyä ilmestyy linssin sisäpinnoille, vaikka itse pinta ei olisi suoraan kosketuksissa ulkoilman kanssa.

Tämä ilmiö korostuu entisestään linssikaukoputkissa, joita säilytetään tai käytetään siten, että objektiivi on ylöspäin. Painovoiman vaikutuksesta pöly laskeutuu helpommin suoraan alaspäin linssipinnoille, joten pölyhiukkasten ei pitäisi päätyä objektiivin sisäpinnalle, mutta siellä ne vain ovat – staattisten sähkövarausten vetämänä.

Vaikka elektrostaattinen induktio (=influenssi) ja ulkoinen pöly ovatkin pääsyitä, on olemassa muitakin tekijöitä:

• Materiaalit ja valmistusjäämät: Kaukoputkia ei kasata täysin pölyttömissä tiloissa. Putken sisäpinnoilla voi olla irtoavaa maalipölyä tai muita pienen pieniä hiukkasia valmistusprosessista. Nämä hiukkaset voivat leijailla ja laskeutua optiikan pinnoille. Näin uudenkin, juuri tehtaan pakkauksesta otetun kaukoputken linssien tai peilien pinnalla voi olla pienimäärä pölyä.  

• Kaukoputki on harvoin täysin hermeettinen: Tavallisesti kaukoputkeen pääsee pölyä kaukoputken fokuserin kautta, se on yleensä täysin avoin reitti itse kaukoputken sisään. Jos käytät kulmapeiliä, voit kiinnittää kulmapeilin kaukoputken sisään menevää putkeen pölysuojaksi kirkkaan suodattimen. Se kuitenkin edellyttää, että kulmapeilin putkessa on suodinkierre. Aina näin ei ole.

• UV-valon vaikutus: Suora UV-valo ei suoraan vedä puoleensa pölyä sähköisesti. Kuitenkin pitkäaikainen altistuminen UV-säteilylle voi heikentää linssien pintojen pinnoitteita tai jopa linssimateriaalia itsessään. Tämä voi johtaa mikroskooppisen pienten hiukkasten irtoamiseen pinnoilta, jotka sitten laskeutuvat linssin sisäpinnalle.

Mitä voimme tehdä?

Pöly on väistämätön osa tähtiharrastusta, ja pieni määrä pölyä optiikassa ei yleensä heikennä kuvanlaatua merkittävästi. Liiallinen tai väärin tehty puhdistus voi itse asiassa aiheuttaa enemmän vahinkoa kuin itse pöly.

• Säilytys: Säilytä kaukoputkea aina suojatupat paikoillaan ja omassa laukussaan. Jos mahdollista, säilytä linssikaukoputkea pystyssä niin, että objektiivi osoittaa ylöspäin tai vaakatasossa, jotta pöly ei laskeudu suoraan linssipinnoille. Peilikaukoputken asento on juuri päinvastainen.
  

• Puhdistus: Vältä turhaa puhdistamista. Käytä paineilmaa (pullosta, älä kompressorista!) tai puhdistuspensseliä irtonaisen pölyn poistamiseen ennen kosteapuhdistusta. Käytä puhdistusliinaa tai -nestettä vain, jos niiden käyttö on todella tarpeen.
  

• Ympäristö: Yritä minimoida kaukoputken altistuminen pölyisille ympäristöille. Aktiivikäytössä oleva kaukoputki pitäisi peittää suojahupulla aina silloin kun kaukoputkea ei käytetä. Näin menetellään myös Tampereen Ursan tähtitornilla.
  

• Siitepöly: Tätä artikkelia kirjoittaessani on vuoden pahin siitepölykausi. Sen lisäksi, että siitepölyä on runsaasti ja se sähkövarautuu samalla tavalla kuin mitkä muut hiukkaset tahansa, se on yleensä myös tahmaista. Tahmaisuus saa hiukkaset tarttumaan mihin tahansa pinnoille sitkeästi. Kaukoputken jouduttua siitepölyhiukkasten valloittamaksi, ainoa puhdistuskeino on käyttää puhdistusnesteitä. Silmälasien puhdistukseen käyttävät nesteet ovat yleensä turvallisia käyttää myös kaukoputken ja kameran linsseille ja peileille.

Ymmärtämällä, miten pöly toimii ja miksi se tarttuu optiikkaan, voimme paremmin suojella arvokasta kalustoamme ja nauttia kirkkaammista kaukoputkinäkymistä.

 

Ajallista asiaa

Tomi Hyvönen – Perustuu tositapahtumiin. Olipa kerran kaukaisessa galaksissa Galaktisen Suurneuvoston kokous. Suurneuvosto oli kokoontunut tekemään huipputärkeän päätöksen kampaviinerien galaktisesta direktiivistä. Pitkien ja vaikeiden neuvottelujen jälkeen lopullinen asiakirja oli saatu hyväksymistä vaille valmiiksi ja asiakirjan tuli olla juuri ennen kokouksen alkua Suurneuvoston pöydällä kaikkien jäsenten allekirjoitettavana.

Asialla oli kiire, koska täydellisiä kampaviinereitä odotettiin malttamattomana läpi koko galaksin. Kuinka ollakaan, Suurneuvoston suurvisiiri oli kaikessa kiireessä unohtanut tuoda asiakirjan kokoukseen. Ei auttanut kokoustelijoilla muu kuin lyödä viisaat ulokkeensa yhteen ja pohtia ratkaisua. No Bena sen siinä keksi ihan viime metreillä ja veti ässän hihasta: Haetaan asiakirja ja päivätään allekirjoitus juuri ennen kokouksen alkua. Päätettiin vedota siihen, että suppean suhteellisuusteorian mukaan aika riippuu havaitsijasta ja sopivasti liikkuvan havaitsijan mukaan asiakirja on allekirjoitettu juuri ennen kokouksen alkua.

Lopulta asiakirja allekirjoitettiin 5 tuntia kokouksen alkamisen jälkeen. Kaikki olivat iloisia, taputtivat pieniä karvaisia ulokkeitaan ja ylistivät sankari-Benaa! Suurneuvoston jäsenet uskoivat vakaasti, että ylin galaktinen taho, TaivaallisiaAsioitaPohdiskelevaPäättäväAnalysoivaRatkaisevaAlaosasto, hyväksyy menettelyn ja kampaviinerit saadaan galaktiseen jakeluun.

 

Hyväksytäänkö Galaktisen Suurneuvoston menettely?

Tarkastellaan asiaa suppean suhteellisuusteorian lähtökohdista. Kolmiulotteisessa Euclidisessa avaruudessa kahden pisteen välinen etäisyys on tuttu Dd² = Dx² + Dy² + Dz². Aika-avaruudessa kahden tapahtuman välimatka, intervalli, Ds on

Ds² = c²Dt² - (Dx² + Dy² + Dz²)

Kirjallisuudessa esiintyy molempia signatuureja (+ - - -) ja (- + + +). Merkittävää on vain se, että ajallisen ja avaruudellisen osan etumerkit ovat vastakkaiset.

Intervalli on aina sama kaikissa toistensa suhteen tasaisella nopeudella liikkuvissa koordinaatistoissa

Ds² = Ds´². Intervalli voi olla positiivinen, negatiivinen tai nolla riippuen siitä hallitseeko ajallinen vai avaruudellinen termi.

Ds² > 0: Ajan luonteinen. Kahden tapahtuman ajallinen etäisyys on suurempi kuin avaruudellinen etäisyys. Neuvoston suurvisiiri kopauttaa nuijalla pöytään ajanhetkinä t₁ ja t₂. Jokainen tasaisella nopeudella liikkuva havaitsija havaitsee nuijan kopautuksien ajallisen järjestyksen olevan sama, mutta niiden välinen aikaero on eri. On olemassa sellainen koordinaatisto, jossa kaksi tapahtumaa tapahtuu samassa paikassa.

Ds² = 0: Valon luonteinen. Aika- ja avaruustermin välinen erotus on täsmälleen nolla. Tällöin kahden tapahtuman välillä vain valon nopeudella kulkeva signaali ehtii kulkea tapahtumien välillä. Kosmologiassa tämä on erittäin tärkeä.

Ds² < 0: Avaruuden luonteinen. Tapahtumien avaruudellinen välimatka on suurempi kuin etäisyys, jonka valon nopeudella kulkeva signaali ehtii tapahtumien välisenä aikana kulkea. Avaruuden luonteiset tapahtumat eivät voi olla kausaalisessa yhteydessä. Havaitsijan liiketilasta riippuen kahden tapahtuman ajallinen järjestys voi muuttua. On olemassa koordinaatisto, jossa kaksi tapahtumaa tapahtuu täsmälleen samaan aikaan.

Ajan ja avaruuden luonteiset tilanteet vaihtavat paikkaa käytettäessä (- + + +) signatuuria.

Olkoon Suurneuvoston koordinaatistossa (t,x) seuraavat tapahtumat

A = (0,0): kokouksen alku

B = (5,0): asiakirjan allekirjoitus

Olkoon Suurneuvoston lepokoordinaatisto K. Voiko K-koordinaatiston suhteen nopeudella v liikkuvassa K´-koordinaatistossa B tapahtua juuri ennen A:ta?

Tapahtumien välinen aikaero K-koordinaatistossa on Dt = t_B – t_A = 5. Koska A ja B tapahtuvat samassa paikassa K-koordinaatiston suhteen, avaruudellinen välimatka on Dx = Dy = Dz = 0. Intervalli on

Ds² = c²Dt² - (Dx² + Dy² + Dz²)

Ds² = (3·10⁸)²· (5·3600)² – 0

Ds² > 0

Koska intervalli Ds² > 0, kyseessä on ajan luonteinen tapahtuma. Kun tapahtumat ovat ajan luonteisia yhdessä koordinaatistossa, ne ovat sitä myös kaikissa muissa koordinaatistoissa riippumatta koordinaatiston liiketilasta. Koska Suurneuvoston koordinaatistossa tapahtumat A ja B ovat ajanluonteisia, ei ole olemassa sellaista koordinaatistoa, jossa tapahtuma B tapahtuisi ennen tapahtumaa A.

Vaikka vastaus jo saatiinkin, voidaan kysymystä tarkastella huvin vuoksi vielä Lorentzin muunnoksen avulla.

Lorentzin muunnoksilla voidaan siirtyä toistensa suhteen nopeudella v liikkuvien koordinaatistojen välillä. K´-koordinaatisto liikkuu x-akselin suuntaisesti K-koordinaatiston suhteen nopeudella v. Ajan ja paikan Lorentz-muunnokset ovat

Kerroin gamma g on suhteellisuusteorian toiseksi kuuluisin yhtälö g = (1-v²/c²)^-1/2. Se kertoo, kuinka lähellä valon nopeutta kappale liikkuu. Jos nopeus on nolla, g = 1, joten g ≥ 1. Nopeuden kasvaessa myös g kasvaa.

Tapahtumien A ja B koordinaatit nopeudella v liikkuvassa K´-koordinaatistossa ovat

K´-koordinaatistossa tapahtumien koordinaatit ovat A´ = (0,0) ja B´ = (5g,-5gv).

Jotta tapahtumien järjestys muuttuisi K´-koordinaatistossa, täytyy olla t´_B < t´_A. Edellä lasketuista t´-koordinaateista saadaan

5g < 0

Kuten edeltä muistetaan, g on aina positiivinen, joten 5g ei voi koskaan olla negatiivinen. Ei ole olemassa sellaista K´-koordinaatistoa, joka havaitsisi Suurneuvoston koordinaatiston tapahtumien A ja B vaihtavan aikajärjestystä. Yhdessä koordinaatistossa ajan luonteiset tapahtumat ovat kaikissa koordinaatistoissa aina ajan luonteisia. Tämä on luonnollisesti loogista, sillä tapahtumat ovat kausaalisessa kontaktissa keskenään. Jos tapahtumien ajallinen järjestys muuttuisi, kausaliteetti olisi ongelmissa.

Tapahtumien ajallinen järjestys voi muuttua vain avaruuden luonteisilla tapahtumilla, jolloin ne eivät ole kausaalisessa kontaktissa keskenään.

Lopputulos: TaivaallisiaAsioitaPohdiskelevaPäättäväAnalysoivaRatkaisevaAlaosasto ei voi hyväksyä Benan hihasta vetämää ässää.

Epilogi: 

Kuten kautta koko galaksin on tunnettua, TaivaallisiaAsioitaPohdiskelevaPäättäväAnalysoivaRatkaisevaAlaosasto on reilu ja rehti, joten kaikkien herkkusuiden iloksi direktiivi saatiin lopulta herkullisesti hyväksyttyä.

Vaikka lopputulos saatiin kahteenkin kertaan, tarkastellaan vielä harrastuksen vuoksi, missä tapauksessa nopeudella v liikkuvassa K´-koordinaatistossa B tapahtuu ennen A:ta. Tapahtumien koordinaatit K-koordinaatistossa ovat nyt A(0,0) ja B(5,x_B). Jotta tapahtuma B tapahtuisi ennen tapahtumaa A, täytyy siis ehdon t´_B < t´_A toteutua. Oletetaan, että K´-koordinaatisto liikkuu x-akselin suuntaisesti. K´-koordinaatiston aikakoordinaatit t´_A ja t´_B saadaan Lorentzin muunnoksesta

Ehdosta t´_B < t´_A saadaan

Ratkaistaan yhtälöstä x_B (g ≥ 1).

Koska K´-koordinaatiston nopeus on aina pienempi kuin valon nopeus, saadaan tapahtuman B avaruudellisen etäisyyden x_B raja-arvo sijoittamalla v = c. Muutetaan tunnit sekunneiksi, jolloin saadaan

m

x_B > 36 au

Todellisuudessa K´-koordinaatiston nopeus on aina valon nopeutta pienempi, joten saatu etäisyys 36 au on alaraja. Lasketaan vielä intervalli Ds² käyttämällä saatua arvoa suurempaa etäisyyttä, esimerkiksi x_B = 37 au. Sijoitetaan intervallin yhtälöön Ds² = c²Dt² – Dx², jolloin saadaan Ds² < 0. Jotta tapahtuma B tapahtuisi tapahtumaa A aikaisemmin, täytyisi niiden avaruudellisen etäisyyden olla vähintään 36 au. Tällöin A ja B ovat avaruuden luonteisia, joten ne eivät ole voineet olla kausaalisessa kontaktissa.