Vera C. Rubin -observatorio valmistuu – uusi aikakausi taivaan kartoituksessa alkaa

KAK – Maailman suurin taivaan kartoitusprojekti on astumassa ratkaisevaan vaiheeseensa, kun Vera C. Rubin -observatorio valmistautuu julkaisemaan ensimmäiset kuvansa. Ensimmäisten kuvien julkaisu tapahtuu kesäkuun 23. päivänä, jolloin myös järjestetään julkisia ja kutsuvierasjuhlia kaikilla mantereilla pois lukien Antarktis.

Chilen Elqui:n maakunnassa El Peñónin huipulla Cerro Pachónissa (30°14′41″S 70°44′58″W) 2 672 metrin korkeudessa sijaitseva observatorio on suunniteltu mullistamaan käsityksemme maailmankaikkeudesta ottamalla käyttöön täysin uudenlaisen tavan havainnoida taivasta: jatkuvan, koko näkyvän taivaan systemaattisen kuvantamisen.

El Peñóninhuiplle on rakennettu Vera C. Rubinin observatorio, jossa on erityisen valovoimainen peiliteleskooppi ja se tuottaa joka yö valtavan määrän kuvia seuraavam kymmenen vuoden ajan.Kuva Vera C. Rubin observatorio.

 

Legacy Survey of Space and Time (LSST) – ainutlaatuinen kartoitusprojekti

Observatorion päätutkimusohjelma, Legacy Survey of Space and Time (LSST), tulee seuraavan kymmenen vuoden aikana kuvaamaan lähes koko eteläisen taivaan kahden yön välein. Tämän ansiosta se pystyy havaitsemaan niin tähtien kirkkauden vaihtelut kuin avaruuden suurten rakenteiden kehityksenkin. LSST:n tuottama data tulee olemaan valtavaa, noin 20 teratavua yössä ja yhteensä yli 60 petatavua projektin aikana.

Tämä tekee LSST:stä toistaiseksi kattavimman ja aikajaksollisesti yksityiskohtaisimman taivaan kartoituksen.

Havainnekuva teleskoopin peilijärjestelmästä. Kuva Vera C. Rubin observatorio.

LSST Camera – maailman suurin digitaalikamera

Rubin-observatorion sydän on LSST Camera, 3,2 gigapikselin CCD-kamera, joka on suurin koskaan rakennettu digitaalikamera tähtitieteelliseen käyttöön. Kameran koko on lähes henkilöauton luokkaa: 3 metriä pitkä ja massaa noin 2 800 kiloa. Sen kuvakentän laajuus on 9,6 neliöastetta taivaasta, noin 40 täysikuun verran yhdellä otoksella.

Kamerassa käytetään kuuta suodatinta (u, g, r, i, z ja y) kattaen aallonpituusalueen ultraviolettivalon (u) rajalta lähi-infrapunaan (y). Tämä mahdollistaa sekä tähtien värien että galaksien etäisyyksien arvioinnin erittäin tehokkaasti.

Kameran kennot jäähdytetään –100 °C lämpötilaan, ja koko laite on asennettu tyhjiökammioon minimoimaan lämpösäteilyn ja ilman vaikutukset. Objektiivin etulinssi on halkaisijaltaan 64 cm, ja se on suurin koskaan valmistettu optinen linssi.

 

Kameran layaout-kaavio. Ihmishamo on mittakaavana kameran koolle.Kuva Vera C. Rubin observatorio.

Teleskooppi – nopea, laajakulmainen ja tarkka

Rubin-observatorion teleskooppi (Simonyi Survey Telescope) on suunniteltu erityisesti suurten taivaanalojen kuvaamiseen nopeasti ja toistuvasti. Kyseessä on kolmipeilinen järjestelmä, jonka suunnittelussa on käytetty innovatiivista kaksoiskoveraa yhdistelmäpeiliä: pääpeili (M1) ja tertiääripeili (M3) on valettu ja hiottu samalle lasimonoliitille, mikä tekee rakenteesta sekä jäykän että optisesti tehokkaan.

Teleskoopin kolmas, keskimmäinen peili (M2) täydentää järjestelmän, joka mahdollistaa f/1,2 optisen aukon, joka on poikkeuksellisen nopean arvo ja se mahdollistaa lyhyet valotusajat. Teleskooppi pystyy muuttamaan suuntaansa ja tarkentamaan uuteen kohteeseen alle 5 sekunnissa, mikä tekee siitä ihanteellisen nopeasti muuttuvien ilmiöiden, kuten supernovien tai asteroidien, seuraamiseen.

Tieteelliset tavoitteet – universumin dynamiikan mittaamista

Rubin-observatorion tuottamaa dataa tullaan hyödyntämään useilla tieteenaloilla. Projektin keskeisiä tavoitteita ovat muun muassa:

• Pimeän aineen ja pimeän energian tutkimus, mm. galaksien muodonmuutosten ja heikon gravitaatiolinssin avulla.
• Aurinkokunnan pienkappaleiden kartoitus, erityisesti niin sanottujen "läheltä ohittavien" asteroidien ja kenties uusien komeettojen havaitseminen.
• Muuttuvien ja räjähtävien kohteiden havainto-ohjelma, joka kattaa supernovat, mikrolinssitapahtumat ja mahdollisesti jopa gravitaatioaaltojen optiset vastineet.
• Galaksien ja galaksijoukkojen muodostumisen ja kehityksen seuranta eri kosmologisilla etäisyyksillä.

Lisäksi LSST:n laaja-aikainen kuva-arkisto tarjoaa ainutlaatuisen alustan koneoppimisen ja automaattisten havaintoputkien kehittämiseen. Observatorio tuottaa n. 10 miljoonaa havaittua muuttuvaa kohdetta yössä, mikä vaatii täysin uudenlaista tiedonkäsittelyä.

Avoin tiede ja globaali yhteistyö

Rubin-observatorio noudattaa avoimen tieteen periaatteita. Sen keräämä data tulee olemaan tutkijoiden ja kansalaistieteilijöiden saatavilla maailmanlaajuisesti lähes reaaliajassa. Tämä tarjoaa vertaansa vailla olevan alustan uusien ilmiöiden havaitsemiseen ja seuraamiseen.

Observatoriota hallinnoivat NSF (National Science Foundation) ja DOE (Department of Energy) yhteistyössä SLAC National Accelerator Laboratoryn ja NOIRLabin kanssa. Hankkeen budjetti on noin 700 miljoonaa dollaria, ja sen rahoitukseen on osallistunut myös lukuisia kansainvälisiä instituutioita ja yliopistoja.

Kuvat sisältävät myös arkaluonteista dataa

Suurten taivaskartoitusten, kuten Vera C. Rubin -observatorion LSST:n reaaliaikainen datanjulkaisu voi sisältää väärinkäytettävää tai turvallisuussyistä rajoitettavaa tietoa. Siksi järjestelmään on rakennettu useita mekanismeja näiden kohteiden tunnistamiseksi ja suojaamiseksi ennen datan vapauttamista.

Kuviin saattaa tallentua tietoa monista sellaisista kohteista, joista liian aikainen tieto julkisuudessa voi olla vahingollista tai haitallista. Tällaisia kohteita voivat olla esimerkiksi Maata lähestyvät asteroidit (NEO, PHA), joiden ensimmäisen vuorokauden tieto radoista voi olla aluksi epätarkkaa, ja siten luoda väärää käsitystä esimerkiksi törmäyksen todennäköisyydestä. Tällaisesta on esimerkkejä tapauksista aivan viime vuosilta.

Maata kiertää lukuisia tiedustelusatelliitteja, joiden ratojen parametrejä ei haluta jakaa julkisesti. Tästä syystä tiedot näistä on salattuja tapauskohtaisesti lyhyemmän tai pidemmän ajan verran.

Joissakin tapauksissa esimerkiksi supernovan kirkastumisen alkuvaiheet on ihmisten tarkistettava, jotta vältyttäisiin väärältä tulkinnalta ja siten myös teleskooppien varaaminen olemattoman tapahtuman seuraamiseen. Väärä hälytys voisi johtaa jonkin tärkeän havaintoprojektin keskeytymiseen tai muuttumisen täysin tieteellisesti arvottomaksi.

Vera C. Rubin -observatorion lähtökohtana on täysin avoin tiedejulkaisu, mutta turvallisuutta, tieteellistä vastuullisuutta ja strategisia näkökohtia varten käytössä on kehittynyt automaattinen ja ihmistyöhön perustuva yhdistetty suojamekanismi, jonka avulla varmistetaan julkaistavien tietojen korkeatasoinen laatu.

Ensivalo lähestyy

Rubin-observatorion "ensivalo" eli ensimmäinen virallinen tähtitaivaan kuva julkaistaan kesäkuun 23. päivänä. Ensivalon kuvia otettaessa teleskooppi, kamera ja datankäsittelyjärjestelmät testataan yhdessä ensi kertaa täydellä kapasiteetilla. Testikuvia on jo otettu kameramoduuleilla erikseen, ja ne ovat osoittaneet järjestelmän olevan erinomaisessa kunnossa.

Kun havainnointiohjelma pääsee käyntiin, Rubin-observatorio tulee olemaan tähtitieteen kentällä paitsi työkalu, myös käännekohta. Se siirtää tutkimuksen painopisteen yksittäisten kohteiden tarkastelusta kohti dynaamista, ajallisesti seuraavaa kokonaisuuden tarkastelua – maailmankaikkeuden dynaamista karttaa, joka päivittyy joka yö.

 

 

Neptunuksen lämpötilassa yllättäviä muutoksia

eso2206fi — Tutkimustiedote  — 11. huhtikuuta 2022

Kansainvälinen tähtitieteilijöiden ryhmä on seurannut Neptunuksen ilmakehän lämpötiloja 17 vuoden aikana. Havainnoissa on käytetty useita maanpäällisiä teleskooppeja, Euroopan eteläisen observatorion Very Large Telescope (ESO:n VLT) mukaan lukien. He ovat havainneet Neptunuksen yleisessä lämpötilassa yllättävän pudotuksen, jota seurasi etelänavan dramaattinen lämpeneminen.

Tämä yhdistelmäkuva esittää Neptunuksesta vuosina 2006-2020 otettuja lämpökuvia. Kolme ensimmäistä kuvaa (2006, 2009, 2018) on otettu VISIR-instrumentilla ESO:n VLT-teleskoopilla, kun taas vuoden 2020 kuva otettiin COICS-instrumentilla Subaru-teleskoopilla (VISIR ei ollut toiminnassa vuoden 2020 puolivälissä pandemian vuoksi). Planeetan asteittaisen viilenemisen jälkeen etelänapa näyttää lämpenevän dramaattisesti viime vuosina, kuten Neptunuksen alaosassa oleva valopiste osoittaa vuosien 2018 ja 2020 kuvissa. © ESO/M. Roman, NAOJ/Subaru/COMICS.

”Tämä oli odottamaton muutos”, Michael Roman sanoi. Hän on tutkijatohtori Leicesterin yliopistosta, Yhdistyneestä Kuningaskunnasta, ja tänään The Planetary Science Journal -lehdessä julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja. ”Koska havaitsimme Neptunusta sen varhaisen eteläisen alkukesän aikana, odotimme lämpötilojen hitaasti kasvavan, eikä pienentyvän”.

Kuten Maassa, myös Neptunuksessa koetaan vuodenajat planeetan kiertäessä Auringon ympäri. Neptunuksen vuodenaika kestää kuitenkin noin 40 vuotta, ja yksi Neptunuksen vuosi on noin 165 Maan vuotta. Neptunuksen eteläisellä pallonpuoliskolla on ollut kesä vuodesta 2005 lähtien, ja tähtitieteilijät odottivat innokkaina, miten lämpötilat muuttuvat eteläisen kesäpäivänseisauksen jälkeen.

Tähtitieteilijät tarkastelivat lähes sataa Neptunuksen infrapunakuvaa, jotka oli otettu 17 vuoden aikana. Tämän avulla he selvittivät planeetan lämpötilan yleiset muutokset tarkemmin kuin koskaan ennen.

Nämä tiedot osoittivat, että eteläisen kesän alkamisesta huolimatta suurin osa planeetasta oli vähitellen jäähtynyt kahden viime vuosikymmenen aikana. Neptunuksen globaali keskimääräinen lämpötila putosi 8 °C:lla vuosina 2003—2018.

Tähtitieteilijät kuitenkin yllättyivät havaitessaan Neptunuksen etelänavan dramaattisen lämpenemisen havaintojen kahden viime vuoden aikana, jolloin lämpötilat nousivat nopeasti 11°C välillä 2018—2020. Vaikka Neptunuksen lämmin polaarinen pyörre on ollut tiedossa jo vuosia, tällaista nopeaa polaarista lämpenemistä ei olla koskaan aikaisemmin havaittu.

”Havaintomme kattavat alle puolet Neptunuksen vuodenajasta, joten kukaan ei odottanut näkevänsä suuria ja nopeita muutoksia”, yksi tutkimuksen kirjoittajista Glenn Orton, Caltechin Jet Propulsion laboratoriosta (JPL) Yhdysvalloista, sanoi.

Tähtitieteilijät mittasivat Neptunuksen lämpötilaa lämpökameroilla, jotka havaitsevat tähtitieteen havaintokohteista tulevaa infrapunavaloa. Tutkimusryhmä yhdisti analyysissään kaikki Neptunuksen kuvat, jotka on kerätty kahden viime vuosikymmenen aikana maanpäällisten teleskooppien avulla. He mittasivat Neptunuksen stratosfääriksi kutsutun ilmakehän kerroksesta tulevaa infrapunasäteilyä. Tämän ansiosta ryhmä sai muodostettua kuvan Neptunuksen lämpötilajakaumasta ja sen vaihteluista Neptunuksen eteläisen kesän aikana.

Koska Neptunus on noin 4,5 miljardin kilometrin päässä Maasta, se on hyvin kylmä. Planeetan keskilämpötila on noin –220° C, eikä lämpötilan mittaaminen Maasta käsin ole helppo tehtävä. ”Tämän tyyppistä tutkimusta voidaan tehdä vain VLT:n kaltaisten suurten teleskooppien tarkkojen infrapunakuvien avulla, joissa Neptunus erottuu selvästi. Näitä on ollut saatavilla vain viimeisen 20 vuoden ajan”, yksi tutkimuksen kirjoittajista, Leigh Fletcher, joka on Leicesterin yliopiston professori, sanoi.

Noin kolmasosa kaikista otetuista kuvista oli VLT Imager and Spectrometer for Mid-InfraRed (VISIR) -instrumentista, joka on Chilen Atacaman autiomaassa ESO:n VLT-kaukoputkessa. Kaukoputken peilin koon ja sijaintipaikan korkeuden vuoksi teleskoopin kuvien resoluutio ja laatu ovat erittäin korkeita. Siksi sen avulla saadaan selkeimmät kuvat Neptunuksesta. Tutkimusryhmä käytti myös NASAn Spitzer-avaruusteleskoopilla ja Chilessä sijaitsevalla Gemini South -teleskoopilla otettuja kuvia, sekä lisäksi Subaru-teleskoopilla, Keck-teleskoopilla ja Gemini North -teleskoopilla otettuja kuvia, jotka kaikki kolme sijaitsevat Havaijilla.

Koska Neptunuksen lämpötilan vaihtelut olivat niin odottamattomia, tähtitieteilijät eivät vielä tiedä, mikä tämän olisi voinut aiheuttaa. Vaihtelut voivat johtua Neptunuksen stratosfäärin kemiassa tapahtuvista muutoksista, tai satunnaisista sään vaihteluista, tai jopa auringonpilkkujakson vaiheesta. Tulevina vuosina tarvitaan lisää havaintoja, jotta vaihteluiden syyt saadaan selville. Tulevat maanpäälliset teleskoopit, kuten ESO:n Erittäin suuri teleskooppi (Extremely Large Telescope, ELT), pystyvät havaitsemaan tällaisia lämpötilan muutoksia vielä tarkemmin, kun taas NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskooppi tuottaa ennennäkemättömiä uusia karttoja Neptunuksen ilmakehän kemiasta ja lämpötilasta.

”Mielestäni Neptunus on itsessään hyvin kiehtova planeetta, koska tiedämme siitä vielä niin vähän”, Roman sanoi. ”Tämä kaikki osoittaa, että Neptunuksen kaasukehä on huomattavan monimutkainen, ja se muuttuu ajan myötä”.

Lisätietoa

Tämä tutkimus on esitelty artikkelissa: “Sub-Seasonal Variation in Neptune’s Mid-Infrared Emission”, joka on julkaistu tänään The Planetary Science Journal (doi:10.3847/PSJ/ac5aa4) -julkaisussa.