SPHEREx aloittaa tehtävänsä

NASAn uusi maailmakaikkeuttahavaitseva tutkimusluotain SPHEREx on valmistunut ja sen on määrä lähteä avaruuteen helmikuun 27. päivänä yhdessä PUNC-avaruusobservatorioiden kanssa SpaceX yhtiön Falcon 9 kantoraketilla. Lähtöpaikka on Vandenberg Space Force Base Kaliforniassa.

Havainnekuva SPHEREx -observatoriosta Maata kiertävällä radalla. Kuva NASA/JPL.

Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer (SPHEREx) -tehtävä on suunniteltu kaksivuotiseksi, ja sen rahoitus on 242 miljoonaa dollaria (ei sisällä laukaisukustannuksia).

Observatorio tekee havaintoja sekä optisessa että lähi-infrapuna-valossa. Tähtitieteilijät keräävät tehtävän avulla tietoja yli 450 miljoonasta galaksista sekä yli 100 miljoonasta tähdestä omassa Linnunradassamme. Jotkut kohteet ovat niin kaukana, että niiden valo on kestänyt 10 miljardia vuotta saapuakseen Maahan. Linnunradasta kartoitetaan vettä ja orgaanisia molekyylejä tähtijoukoista ja erityisesti tähtien syntymisalueilta.

Tavoitteet

SPHEREx tekee havainnot koko taivaan alalta kuuden kuukauden välein käyttäen Maan satelliiteista ja Marsin avaruusaluksista omaksuttuja tekniikoita. Tehtävä luo kartan koko taivaasta 102 eri aallonpituusalueilta, mikä ylittää huomattavasti aiempien koko taivaan kattavien karttojen aallonpituuksien määrän. Se myös yksilöi kohteita, joita voidaan havaita yksityiskohtaisemmin muilla avaruusobservatorioilla, kuten NASAn James Webb -avaruusteleskoopilla ja Wide Field Infrared Survey Telescope -teleskoopilla.

SPHEREx on NASA:n Medium Explorer -tehtävä, jonka tarkoituksena on

· kartoittaa inflaation fysiikkaa mittaamalla inflaation jälkiä aineen kolmiulotteisessa laajamittaisessa jakautumisessa
· jäljittää galaktisen valontuotannon historiaa mittaamalla syvällä monikaistaisella mittauksella suuren mittakaavan klusteroitumista
· tutkia veden ja biogeenisten jäiden runsautta ja koostumusta tähtien ja planeettakiekkojen muodostumisen alkuvaiheissa.

SPHERExillä saadaan lähi-infrapunan 0,75 – 5,0 µm:n spektrejä koko taivaalta. Se toteuttaa yksinkertaisen instrumenttirakenteen, jossa on yksi havaintomoodi, jolla kartoitetaan koko taivas neljä kertaa sen nimellisen 25 kuukauden mittaisen tehtävän aikana. SPHERExillä on myös vahvaa tieteellistä synergiaa muiden operaatioiden ja observatorioiden kanssa, ja sen tuloksena syntyy rikas spektriarkisto, josta on hyötyä lukuisissa tieteellisissä tutkimuksissa.

SPHEREx-avaruusteleskooppi valottaa inflaatioksi kutsuttua kosmista ilmiötä.

Ensimmäisen 10^-36 sekunnin aikaan alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeuden koko kasvoi 10²⁴ -kertaiseksi. Tämä inflaatioksi kutsuttu lähes hetkellinen tapahtuma tapahtui lähes 14 miljardia vuotta sitten, ja sen vaikutukset näkyvät nykyään universumin aineen laajamittaisessa jakautumisessa. Kartoittamalla yli 450 miljoonan galaksin jakautumisen SPHEREx auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin tämän äärimmäisen kosmisen tapahtuman taustalla olevaa fysiikkaa.

Observatorio mittaa lähellä ja kaukana sijaitsevien galaksien yhteistä loistetta.

Tutkijat ovat yrittäneet arvioida kaikkien galaksien kokonaisvalotehoa kosmisen historian aikana tarkkailemalla yksittäisiä galakseja ja ekstrapoloimalla ne maailmankaikkeuden triljooniin galakseihin. SPHEREx-avaruusteleskooppi käyttää toisenlaista lähestymistapaa ja mittaa kaikkien galaksien kokonaisvalonhehkua, mukaan lukien galaksit, jotka ovat liian pieniä, liian hajanaisia tai liian kaukana, jotta muut teleskoopit voisivat helposti havaita niitä. Yhdistämällä tämän kokonaishehkun mittaaminen muiden teleskooppien yksittäisiä galakseja koskeviin tutkimuksiin tutkijat saavat täydellisemmän kuvan kaikista maailmankaikkeuden tärkeimmistä valonlähteistä.

Linnunradasta etsitään elämän keskeisiä rakennusaineita.

Elämää sellaisena kuin me sen tunnemme, ei olisi olemassa ilman veden ja hiilidioksidin kaltaisia perusaineita. SPHEREx-observatorio on suunniteltu etsimään näitä molekyylejä jäätyneinä tähtienvälisissä kaasu- ja pölypilvissä, joissa tähdet ja planeetat muodostuvat. Tehtävä määrittää näiden jäisten yhdisteiden sijainnin ja runsauden galaksissamme, mikä antaa tutkijoille paremman käsityksen niiden saatavuudesta vasta muodostuvien planeettojen raaka-aineissa.

Rakennekaavio SPHEREx:n suojakartiosta ja havaintolaitteistosta. Kuva NASA/JPL.

SPHEREx lisää NASAn avaruusteleskooppien ainutlaatuisia vahvuuksia.

NASAn Hubblen ja Webbin kaltaiset avaruusteleskoopit ovat zoomanneet maailmankaikkeuden moniin kolkkiin ja näyttäneet meille planeettoja, tähtiä ja galakseja korkealla resoluutiolla. Mutta joitakin kysymyksiä - kuten kuinka paljon valoa kaikki maailmankaikkeuden galaksit yhdessä säteilevät? - voidaan vastata vain tarkastelemalla kokonaisuutta. Tätä varten SPHEREx-observatorio tuottaa karttoja, jotka kattavat koko taivaan. SPHERExin havaitsemia tieteellisesti kiinnostavia kohteita voidaan sitten tutkia tarkemmin Hubblen ja Webbin kaltaisilla kohdennetuilla teleskoopeilla.

SPHEREx-observatorio tekee kaikkien aikojen värikkäimmän koko taivaan kartan.

SPHEREx-observatorio "näkee" infrapunavalon. Ihmissilmä ei voi havaita tätä aallonpituusaluetta, ja se on ihanteellinen tähtien ja galaksien tutkimiseen. Spektroskopiaksi kutsutun tekniikan avulla teleskooppi voi jakaa valon sen eri väreihin (yksittäisiin aallonpituuksiin) ja näin mitata kosmisten kohteiden etäisyyttä ja saada tietoa niiden koostumuksesta.

SPHERExin spektroskooppisen kartan avulla tutkijat voivat havaita todisteita galaksissamme olevista kemiallisista yhdisteistä, kuten vesijäästä. He eivät ainoastaan mittaa maailmankaikkeutemme galaksien lähettämän valon kokonaismäärää, vaan myös havaitsevat, kuinka kirkas tämä kokonaishehku oli kosmisen historian eri vaiheissa. Lisäksi he kartoittavat satojen miljoonien galaksien 3D-sijainnit tutkiakseen, miten inflaatio on vaikuttanut maailmankaikkeuden nykyiseen laajamittaiseen rakenteeseen.

Avaruusaluksen kartiomainen rakenne auttaa sitä pysymään kylmänä ja näkemään heikot kohteet.

Tehtävän infrapunateleskoopin ja -ilmaisimien on toimittava noin –210 °C lämpötilassa. Tämä johtuu osittain siitä, että ne eivät pysty tuottamaan omaa infrapunavaloa, joka saattaisi peittää kosmisten lähteiden heikon valon. Kylmänä pitämiseksi ja samalla avaruusaluksen suunnittelun ja toiminnan yksinkertaistamiseksi SPHEREx käyttää täysin passiivista jäähdytysjärjestelmää - sähköä tai jäähdytysaineita ei käytetä normaalin toiminnan aikana. Keskeistä tämän saavutuksen mahdollistamisessa on kolme kartiomuotoista fotonisuojaa, jotka suojaavat teleskooppia Maan ja Auringon lämmöltä, sekä suojien alla oleva peilirakenne, joka ohjaa lämpöä laitteesta ulos avaruuteen. Nämä fotonisuojat antavat avaruusalukselle sen tunnusomaiset ääriviivat.

Havaintolaitteet

SPHEREx:n teleskoopin kaaviollinen rakenne. Valo kulkee pääpeilin M1 jälkeen kahden apupeilin  M2 ja M3 kautta. Sen jälkeen on edessä säteenjakaja joka jakaa aallonpituuden perusteella saapuvan valon eri havaintoinstrumentteihin. Yläkuvassa on teleskoopin kokoonpano ja kuvakentän jakaminen eri aallonpituuksiin kiinteiden suodattimien avulla. Kuva NASA/JPL.

SPHEREx on toteutettu yksinkertaisella ja vankalla rakenteella, joka maksimoi aallonpituuksien läpimenon. Tämä tapahtuu ilman liikkuvia osia, lukuun ottamatta aukon kannen kertaluonteista poistamista.

SPHERExin suunnittelussa käytetyt ominaisuudet ovat osoittautuneet tehokkaiksi aiemmissa tehtävissä, ja niihin kuuluvat muun muassa seuraavat:

· 20 cm:n täysalumiininen teleskooppi, jossa on laaja 3,5° x 11° laaja kuvakenttä, joka on jaettu kahdesti säteenjakajan kautta.
· Kuusi 2K x 2K HgCdTe-ilmaisinrivistöä. Nämä H2RG-matriisit on hyväksytty James Webb -avaruusteleskoopin avaruushavaintoja varten, ja ne perustuvat pitkään menestyksekkääseen historiaan avaruuslaitteissa, joissa on käytetty pienempiä matriiseja.
· Kuusi lineaarista läpäisevää suodatinta (LVF) spektrien tuottamiseen. Kunkin lähteen spektri saadaan liikuttamalla teleskooppia LVF:n aallonpituuden vaihtelusuunnassa erillisin askelin. Tätä menetelmää demonstroitiin New Horizonsin LEISA-järjestelmällä, jolla saatiin erinomaisia spektrikuvia Jupiterista ja Plutosta.

Kansainvälinen yhteistyö

SPHERExin tutkija tohtori Jamie Bock johtaa tutkimusta. Kalifornian teknologiainstituutti ja Jet Propulsion Laboratory kehittävät SPHERExin hyötykuorman. Avaruusaluksen toimitti BAE Systems (aiemmin Ball Aerospace).

Korea Astronomy and Space Science Institute toimitti kryogeenisen testikammion, joka ei lennä. Tiedot asetetaan julkisesti saataville infrapunakäsittely- ja analyysikeskuksen kautta.

Caltech/JPL:n ja kansainvälisten tutkijoiden lisäksi SPHEREx-tiimiin kuuluu tutkijoita eri puolilta maata sijaitsevista yliopistoista ja tutkimuslaitoksista. Mukana ovat mm. UC Irvine, Ohion valtionyliopisto, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Arizonan valtionyliopisto, Arizonan yliopisto, Rochesterin teknillinen korkeakoulu, Argonnen kansallinen laboratorio ja Johns Hopkinsin yliopisto.

 

 

Maailmankaikkeuden historia tarkentui

Maailmankaikkeuden kehitys uusimman tiedon valossa.
 Kuva ESA/Planck Collaboration.

Vuonna 2013 toimintansa päättänyt Panck-avaruusobservatorion kokoaman datan tutkiminen on alkanut tuottaa uusia tuloksia. Nämä tulokset ovat nyt muuttamassa tai paremminkin tarkentamassa maailmankaikkeutemme historiaa sen alun osalta. Uusia tieteellisiä tuloksia on saavutettu niin ensimmäisten tähtien syntymisajankohdasta kuin oman Linnunratamme magneettikentästä.

Merkittävä uusi tutkimustulos on se, että maailmankaikkeuden ensimmäiset tähdet syntyivät noin 140 miljoonaa vuotta myöhemmin kuin aikaisemmin oli päätelty^[1]. Ero saattaa tuntua pieneltä jos sitä vertaa maailmankaikkeutemme 13,8 miljardin vuoden ikään, mutta näin ei ole. Sataneljäkymmentä miljoonaa vuotta myöhemmin syntyneet tähdet poistavat ongelmat mm. siitä, että ei tarvita mitään aikaisemmin tuntematonta energialähdettä maailmankaikkeuden uudelleen ionisoitumiseen.

Ajatus tuntemattomasta energialähteestä oli syntynyt Hubble avaruuskaukoputken ottamien erittäin syvä taivaan kuvien myötä. Kuvat osoittavat, että reionisaatio^[2] olisi pitänyt käynnistyä ensimmäisten galaksien syntyessä noin 300–400 miljoonaa vuotta maailmankaikkeuden alun jälkeen. Ongelma oli siinä, että silloin galakseissa ei ollut riittävää puhtia reionisaation käynnistämiseen. Galaksien ja ensimmäisten tähtien synty satamiljoonaa vuotta myöhemmin poistaa eksoottisen energialähteen tarpeen.

Planckin tekemien havaintojen perusteella on laskettu uusia lukuja maailmankaikkeudelle

• Maailmankaikkeuden ikä on 13,799±0,038 miljardia vuotta
• Hubblen vakio T₀ on 67,8±0,9 km/s/megaparsek^[3]
• Pimeän energian osuus on 69,2± 1,2 % koko massaenergiasta.

Planckin kokoamasta aineistosta on pystytty määrittämään myös mikroaaltotaustasäteilyn tiheydenvaihtelun muutos kulmamittakaavan funktiona (n_s) josta on myös käytetty ilmaisua ”skalaarispektrin indeksi”. Indeksi kuvaa inflaation lopun tilannetta. Planckin havainnoista on indeksille johdettu arvo 0,968, joka merkitsee sitä että suuren mittakaavan vaihtelun voimakkuus on hitusen voimakkaampaa kuin mitä on ennustettu useimmissa inflaatiomalleissa.

Tähtienvälisen avaruuden pöly pilvien ja Linnunradan magneettikentän rakenteen välinen vuorovaikutus näkyy Planckin tekemissä havainnoissa hyvin selvästi. Mikroskooppisen pienent pölyhiukkaset kääntävät pidemmän akselinsa kohtisuoraan magneettikenttään vastaan. Hiukkasista emittoitunut sähkömagneettinen säteily polarisoituu hiukkasista ja näin polarisaatiosuunnan määrittäminen kertoo magneettikentän suunnan ja pölyhiukkasten tiheyden. Kuvan värit kertovat säteilyn voimakkuudesta: tummanpunainen voimakkainta ja tumman sininen heikointa. Kuva ESA/Planck Collaboration.

Huomautukset

[1] 420 miljoonan vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa

[2] Uudelleen ionisoituminen (engl. reionization) on maailmankaikkeuden sisältämän (vety) kaasun ionisoitumista tähtien säteilemän uv-valon vaikutuksesta.

Noin 380 000 vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa protonit ja heliumytimet vangitsivat elektronit orbitaaleille (rekombinaatio), jolloin aineesta tuli sähköisesti neutraalia. Maailmankaikkeuden lämpötila oli tällöin noin 3000 K ja aine säteili voimakkasti valoa. Rekombinaation seurauksena sähkömagneettinen säteily pääsi etenemään vapaasti ja me havaitsemme sen nyt mikroaaltotaustasäteilynä (CMB).

Maailmankaikkeuden laajetessa sen lämpötila laski jatkuvasti ja koska tähtiä ei vielä ollut syntynyt, se oli myös pimeä. Tämä ajanjakso oli ensimmäinen kosminen pimeä aika ja sen on ajateltu kestäneen ensimmäiset 500 miljoona vuotta. Pimeä aika päättyi ensimmäisten kirkkaiden tähtien ja galaksien syntymisen myötä. Tähtien säteilemän voimakkaan uv-valon vaikutuksesta tähtiin sitoutumaton kaasuatomit (uudelleen) ionisoituivat ja muodostivat plasmaa.  Luonnollisesti ionisoituminen ei tapahtunut kaikkialla samaan aikaan vaan se vaati aikaa lähes 500 miljoonaa vuotta ennen kuin reionsaatio oli edennyt kaikkialle maailmankaikkeuteen. Tässä vaiheessa hieman alle miljardin vuoden ikäisen maailmankaikkeuden täytti harva ionisoitunut vety, joka ei pystynyt estämään sähkömagneettisen säteilyn etenemistä.

[3] Megaparsek on miljoona parsekia ja yksi parsek on 3,26 valovuotta (206 265 au). Etäisyys on se, josta Maan radan säde (1 au) näkyy yhden kaarisekunnin mittaisena. Tähtitieteilijät käyttävät parsekia (pc) laskuissaan etäisyysmittana, koska se tekee niistä helpompia, usein jopa päässä laskettavia.

Kosmologiaa selkokielellä

Kari Enqvist

Ensimmäinen sekunti – silminnäkijän kertomus

WSOY 2014

ISBN 978-951-0-40730-1

Nidottu 221 sivua.

Maallikot mieltävät kosmologian osaksi tähtitiedettä. Aivan tarkkaan ottaen se ei kuulu tähtitieteen piiriin vaan on oma tieteenlajinsa, nimeltään kosmologia. Kosmologit tutkivat maailmankaikkeuden syntyä ja erityisesti sen varhaista rakennetta. Työssään tutkija tarvitsee tietoja tähtitieteen lisäksi fysiikasta ja erityisesti alkeishiukkasfysiikasta. Niinpä ei olekaan kovin suuri ihme, että suomalainen kosmologian tutkija Kari Enqvist on peruskoulutukseltaan fyysikko.

Kosmologian tutkijana Kari Enqvist on tullut tunnetuksi maailmalla paremmin kuin kotimaassaan, mutta tieteen popularisoijana hän on jo vanha tekijä. Häneltä on ilmestynyt suomeksi ainakin yksitoista kirjaa, vaikka pari näistä käsittelee enemmän filosofiaa ja uskontoa kuin fysiikkaa ja kosmologiaa.  Näiden lisäksi Enqvist on esiintynyt monissa tv-ohjelmissa ja tunnetaanpa hänet myös mielenkiintoisten esitelmien pitäjänä.

Enqvistiä on muistettu monilla palkinnoilla niin tutkijana, popularisoijana ja tieteellisen maailmankuvan puolustajana ja edistäjänä. Tunnetuin hänen saamista palkinnoista lienee Tieto-Finlandia kirjasta Olemisen porteilla vuonna 1999.

Itse kirja Ensimmäinen sekunti paneutuu selvittämään mitä tapahtui maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin aikana. Ihmisen aikakäsityksen mukaan sekunti on lyhyt aikajana, jonka kuluessa ei ehdi kovinkaan montaa asiaa tapahtua. Tämä käsitys ei kuitenkaan vastaa sitä, mitä kosmoksessa tapahtui ensimmäisen sekunnin aikana. Hieman ja vain hieman kärjistetysti voisi sanoa, että kaikki tärkeä mitä maailmankaikkeudessa on ylipäättään tapahtunut, tapahtui ensimmäisen sekunnin aikana. Kosmologisessa mittakaavassa ensimmäisen sekunti olikin aionin mittainen, jonka kuluessa maailmankaikkeudesta tuli se mikä se on nykyisin.

Maailmankaikkeuden alku on siis tuntemattoman prosessin, syyn ja sen seurauksen aikaansaama singulariteetti, joka laajeni valonnopeudella. Kun aikaa oli kulunut singulariteetin ilmaantumisesta meidän aikakäsityksen mukaan 10^-43 sekuntia (Planckin aika) käynnistyy varsinainen alkuräjähdys (Big Bang). Ajan hetkeen 10^-35 sekuntia (Hubblen aika) mennessä gravitaatio on erkaantunut perusvuorovaikutuksista samoin kuin vahva vuorovaikutus erkaantuu sähköheikosta vuorovaikutuksesta.

Maailmankaikkeuden ensimmäinen inflaatiovaihe käynnistyy ajanhetkellä 10^-35 s. Inflaation aikana maailmankaikkeus laajeni valoa nopeammin, lämpötila laski absoluuttiseen nollapisteeseen ja materia oli kvarkki-gluoniplasmaa. Inflaatio päättyi ajanhetkellä 10^-32 sekuntia, eli se kesti tuhatkertaisesti iän, jonka maailmankaikkeus ehti olla olemassa ennen inflaation käynnistymistä.  Tämä varmasti havainnollistaa edellä kerrottua, jonka mukaan ensimmäinen sekunti oli kosmisessa mittakaavassa aionin mittainen. Inflaation päätyttyä maailmankaikkeuden koko oli kasvanut noin 10²⁸-kertaiseksi inflaatiokauden alkuun verrattuna ja ihmisen mittakaavassa koko kosmos oli noin 1 metrin halkaisijaltaan.

Inflaation jälkeinen maailmankaikkeus koki vielä kaksi erityistä ja tärkeää eepokkia ennen ensimmäisen sekunnin päättymistä. Ensimmäinen näistä oli ajanjaksolla 10^-12 – 10^-6 sekuntia ja tätä kautta kutsumme kvarkkieepokiksi. Toinen eepokki on hadronieepokki ja se vallitsi 10^-6–1 sekunnin aikavälillä. Kvarkkieepokin aikana sähkömagnetismi ja heikkovuorovaikutus erkanivat toisistaan ja hadronieepokin aikana kvarkeista syntyi protonit ja neutronit.

Kirja ensimmäinen sekunti käsittelee inflaatiota, kuumaa alkuräjähdystä, Higgsin hiukkasia ja aineen syntyä, kosmista mikroaaltotaustasäteilyä, maailmankaikkeuden laajenemista ja kosmista horisonttia. Kirjan 221 sivuun on Enqvist saanut ahdettua paljon asioita ja niitä kuvaavia analogioita (vertauskuvia). Näitä vertauskuvia oli runsaasti ja ehkä ne ovat ymmärtämistä helpottavia asioita, mutta itse koin ne paikka paikoin häiritsevinä. Analogiat katkaisivat joissakin kohtaa aika pahasti ajatuksen kulun.  Tähän voisinkin hakea analogian kiireisestä maisemakonttorista, jossa työhön keskittymistä häiritsee konttorin äänet ja työntekijän puhelin. Jokaisen katkon jälkeen kestää jonkin aikaa ennen kuin työhön pääsee syventymään uudelleen.

Ensimmäinen sekunti on erittäin mielenkiintoinen kirja kaikille niille, joita kosmoksen syntyminen kiinnostaa, eikä vain syntyminen vaan myös se mitä Enqvist kertoo multiversumeista. Suosittelen kirjaa lukeville perusteellista syventymistä ja viitseliäisyyttä lukea kirja toiseen kertaan, sillä siinä on useita eri tasoja ja ne kaikki eivät välttämättä avaudu ensimmäisellä lukukerralla. Hyviä lukuhetkiä todella kiehtovan kirjan äärellä. 

B-moodi havaittiin

Gravitaatioaaltojen jättämät B-moodin
polarisaatiojäljet kosmisessa
taustasäteilyssä. Kuva BICEP2.

Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics tutkijat professori  John Kovacin johdolla ovat havainneet Etelänavalla sijaitsevalla BICEP2 koelaitteistolla kosmisesta mikroaaltosäteilystä (CMB)[1] B-moodin eli spiraalimaisesti polarisoituneen säteilyosan.  Havainto on merkittävä, sillä B-moodi syntyi kosmiseen mikroaaltotaustasäteilyyn gravitaatioaaltojen[2] aiheuttamana. Gravitaatioaallot puolestaan syntyivät maailmankaikkeuden inflaatiokauden[3] aikana, noin 10^-35 sekunnin ikäisessä maailmankaikkeudessa.

Tutkijat itsekin olivat yllättyneitä havaitsemisen helppoutta. He odottivat joutuvansa etsimään hyvin heikkoa signaalia valtavan kohinamäärän joukosta, mutta B-moodin signaali oli yllättävän voimakas ja selkeä. Voimakas signaali osoittaa käytetyn havaintolaitteiston (BICEP2) olevan erityisen sopiva etsittynä olevaan ilmiöön. Kolmen kauden (2010–2012) kerätty mittausdata sopii teoreettisiin malleihin.

Kovacin ryhmän kehittämä havaintolaitteena on täysin jäähdytetty BICEP2 laitteisto, jonka ”aukko” on vain 26 cm. Sen havaintoinstrumenttina toimii 512 antennia kytkettynä TES (transition edge sensor) kanssa, jolloin ne muodostavat 150 GHz bolometrin[3]. Ilmaisinlaitteisto on jäähdytetty 0,25 K lämpötilaan. Suomeksi tämä tarkoittaa sitä, että BICEP2-laitteisto on pienehkö kaukoputken tapainen mikroaaltoja vastaanottava laitteisto ja se pystyy havaitsemaan kosmisesta mikroaaltosäteilystä äärimmäisen pieniä lämpötilavaihteluita ja polarisaatiosuunnan.

BICEP2-laitteisto musituttaa rakenteellisesti
pienehköä harrastajakaukoputkea mutta
vastaanottaa mikroaaltoja.
Kuva Steffen Richter (Harvard University).

Kuten tieteessä tavallisestikin, uutinen vähäisestä havainnosta voi tuntua lähes merkityksettömältä jokapäiväiselle elämällemme. Uutisen arvoa tieteellekin on vielä tässä vaiheessa vaikea arvioida, mutta selvästi tässä ollaan merkittävimpien kosmologisten havaintojen äärellä. 

Nykyiseen standardimalliin sisältyvä kosminen inflaatio on yksi perustekijöistä, johon nykyinen käsityksemme maailmankaikkeuden rakenteesta ja kehityksestä nojautuu. Tähän asti todisteet inflaation esiintymisestä ovat olleet epäsuoria ja lähinnä perustuneet erilaisiin simulaatioihin. Nyt ensimmäistä kertaa on pystytty siis havaitsemaan ilmiö, joka on syntynyt inflaation aikana.

Tutkimustulos on ainutkertainen ja se täytyy varmentaa monta kertaa. Erityisesti tutkimusryhmän itsensä täytyy tehdä moninkertaisia varmistuksia ja tarkistuksia sekä toisten tutkimusryhmien täytyy tehdä varmentavia havaintoja ennen kuin tutkimus on varmaa tieteellistä tietoa. Tarkkaan ottaen, jos tutkimustulos osoittautuu oikeaksi (se on jo nyt tilastollisesti merkitsevä) niin siinä on tehty kaksi merkittävää läpimurtoa: ensimmäinen on siis suora havainto inflaation esiintymisestä ja toinen on ensimmäiset todelliset havainnot gravitaatioaalloista.

Luultavasti aivan lähiaikoina saamme lisää julkaistuja tutkimuksia B-moodista, sillä Planck-observatorio on kartoittanut koko maailmankaikkeudesta tulevan kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn erittäin suurella tarkkuudella ja herkkyydellä. Jos sen kokoamasta datasta löytyy sama B-moodin säteily, havaintojen tieteellinen merkittävyys on valtava. Itse vertaisin havaintoa CMB:n löytämiseen vuonna 1968. Eikä Planck ole ainoa tutkimusprojekti, jossa B-moodi voidaan varmistaa. Sen kanssa kilpailevia projekteja on useita kuten Polarbear, Spider ja EBEX vain muutamia projektien nimiä mainitakseni.

Tutustu myös aihepiiriin liittyviin aikaisempiin artikkeleihin tässä blogissa:

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/12/merkittava-havainto-etelamantereella.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/10/planck-observatorio-suljetaan.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/03/yllattavia-tuloksia-planck-luotamen.html

Huomautukset

Maailmankaikkeuden kehitys.
Kuva Wikimedia Commons.

[1] Kosminen mikroaaltosäteily syntyi noin 380 000 vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa, kun laajenevan maailmakaikkeuden lämpötila oli pudonnut sellaisiin lukemiin, että elektronien sitoutuminen atomiytimien orbitaaleille oli mahdollista. Maailmankaikkeuden täyttänyt aine muuttui sähköisesti neutraaliksi ja sähkömagneettinen säteily (mm. valo) pääsi etenemään aineesta riippumatta. Nykyinen maailmankaikkeus on paljon laajempi kuin silloin, joten lämpötila on laskenut edelleen ja nykyisin se on noin 2,7 K. Taustasäteilyn aallonpituus on kasvanut (punasiirtynyt) ainakin tuhatkertaiseksi ja se havaitaan mikroaaltojen aallonpituudella.

(2] Nykyisen käsityksen mukaan inflaation aikana yksi merkittävimmistä tekijöistä oli voimakkaat gravitaatioaallot (IGW), jotka risteilivät laajentuvassa maailmakaikkeudessa. Gravitaatioaallot syntyivät inflaationaikaisissa tapahtumissa, joissa gravitaatio erkaantui muista luonnon perusvoimista (vuorovaikutusvoimista). Perusvoimat gravitaation lisäksi ovat heikko- ja vahva vuorovaikutus sekä sähkövuorovaikutus, jotka erottuivat toisistaan myöhemmin.

Gravitaatioaalloille on ominaista, että ne edetessään tiivistävät, laajentavat ja muuttavat ja muuttavat aika-avaruuden sädettä edetessään maailmankaikkeudessa. Ne ovat jättäneet oman jälkensä paljon myöhemmin syntyneeseen kosmiseen mikroaaltosäteilyyn (CMB) niille tyypillisenä spiraalipolarisaationa. Näin ollen B-moodi on yksi vahvimmista osoituksista tapahtuneesta inflaatiosta.

Ajatuksen B-moodista, eli spiraalista polarisaatiosta kosmessa taustasäteilyssä, keksi professori Marc Kamionkowski Johns Hopkins yliopistosta vuonna 1997.

[3] Inflaatio on 1980-luvulla useiden tutkijoiden kehittelemä malli, jolla pyrittiin ratkaisemaan ns. horisonttiongelma ja se, että maailmankaikkeus on hyvin isotrooppinen. Päärooliin näistä teorioista nousi Alan Guthin malli, jonka mukaan aikavälillä 10^-36–10^-33 sekunnin ikäinen maailmankaikkeus laajeni äärimmäisen nopeasti tasoittaen lämpötilaeroja ja mahdollisti nykyisin havaitsemamme maailmankaikkeuden rakenteen syntymisen. Luonnollisesti Guthin malli ei ollut täysin valmis julkaisunsa aikana, joten sitä on kehitetty paljon eteenpäin kuluneina vuosikymmeninä. Nykyisin Alan Guth toimii professorina MIT:ssä (Massachusetts Institute of Technology).

[4] Bolometri on ilmaisin, jonka tunnistinosa reagoi vastaanottamaansa signaalin energiaan lämpötilamuutoksella. Nykyisin bolometrit voidaan rakentaa (virittää) erittäin herkiksi ja tiettyyn käyttötarkoitukseen sopiviksi. Yksittäisistä tunnistinosista voidaan rakentaa digitaalikameroiden tapaisia tunnistin matriiseja, jolloin vastaanotetusta signaalista voidaan muodostaa ”kuvia”.

Merkittävä havainto Etelämantereella

Etelänapakaukoputki.
Kuva Daniel Luong-Van/University
of Chicago.

Chicacon yliopistossa työskentelevän John Carlstrom johtama tutkimusryhmä on tehnyt merkittävän havainnon Etelämnterella sijaitsevalla Etelänapa kaukoputkella (South Pole Telescope). Tutkimusryhmä havaitsi kosmisesta mikroaaltotaustasäteilystä[1] kiertynyttä polarisaatiota eli ns. B-moodia. 

Mikroaaltotaustasäteily on polarisoitunutta, joka johtuu fotonien ja elektronien vuorovaikutuksesta. Ilmiö on siis hieman samanlainen kuin valon sirottuessa (heijastuessa) järven tai auton konepellin pinnasta. Taustasäteilyn polarisaatio havaittiin ensikerran noin kymmenen vuotta sitten. Kyseessä oli kuitenkin ns. E-moodin polarisaatio, joka on helpommin havaittavissa kuin B-moodin polarisaatio.

B-moodin polarisaation syntyminen ei ole aivan yhtä suoraviivainen kuin E-moodin polarisaatio. B-moodi syntyy, kun E-moodin[2] polaroima taustasäteilyn valon reitti taipuu gravitaatiolinssien[3] vaikutuksesta. Polarisaatiokartoituksilla tutkijat kykenevät määrittämään maailmankaikkeuden massajakaumaa, pimeää ainetta jne. 

B-moodin yksi tärkeimmistä tutkimuskohteista on alkuräjähdyksen aikaisen inflaation tutkiminen. Kosminen mikroaaltotaustasäteily sisältää pienen osan tältä kaudelta olevaa B-moodin polarisaation omaava säteilyä. Inflaatiota voidaan tutkia, jos gravitaatiolinssien aikaansaamaa B-moodin polarisaatio on tunnettu ja voidaan poistaa havainnoista. Gravitaatiolinssien aikaansaama B-moodi on siis kohinaa inflaation B-moodin datassa.

B-moodi syntyi inflaation aikana voimakkaiden gravitaatioaaltojen kulkiessa silloisen maailmankaikkeuden läpi. Gravitaatioaallot taivuttivat voimakkaasti aika-avaruutta ja jättivät jälkensä sähkömagneettiseen säteilyyn kiertyneenä polarisaationa. 

Inflaatiokauden B-moodi on toistaiseksi ainoa tapa kerätä tutkimusaineistoa tästä ainutkertaisesta tapahtumasta. Tulosten myötä saadaan tieteellistä näyttöä inflaation olemassa olosta mutta myös siitä, että mikä inflaatiomalli on toimivin ja sopii havaintoihin. Myös korkeiden energiatilojen tieteellinen tutkimus hyötyy havainnoista.

Huomautukset

[1) Kosminen mikroaaltotaustasäteily syntyi noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, kun maailmankaikkeuden lämpötila oli laajentumisen seurauksena pudonnut noin 3000 K lämpötilaan. Tällöin elektronit pystyivät asettumaan atomiytimien orbitaaleille, jolloin kaikesta aineesta tuli sähköisesti neutraalia.  Tällöin sähkömagneettinen säteily pääsi leviämään kaikkialle maailmankaikkeuteen. Säteilyn aallonpituus on kasvanut maailmankaikkeuden laajentuessa ja nykyisin voimme havaita tämän saman säteilyn noin 2,7 K lämpötilaisena mikroaaltotaustasäteilynä.

[2] E-moodi syntyy, kun kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn fotonit sirottuvat maailmankaikkeudessa vapaiden elektronien muodostamasta elektronikaasusta. Elektronikaasun tiheys on (luonnollisesti) hyvin pieni, joten polarisaationkin osuus kokonaisvuosta jää suhteellisen vähäiseksi.

[3] Kosmiset gravitaatiolinssit ovat galaksijoukkojen (klustereiden) aikaansaamia aika-avaruuden taipumia, jotka näkyvät valon kulkureitin muuttumisena hieman samaan tapaan kuin se tapahtuu optisessa linssissä. Gravitaatiolinssin ominaisuudet ovat samankaltaisia optisten linssien kanssa, sillä ne voivat kirkastaa vielä kauempana olevan kohteen (yleensä kvasaarin) kuvaa ja usein myös muodostaa useampia kuvia samasta kohteesta.

Planck-observatorio suljetaan

Taiteilijän näkemys Planckista.
Kuva ESA.

Euroopan avaruusjärjestö (ESA) on päättänyt sulkea LaGrangen pisteen L2 halo rataa kiertäneen Planck-observatorion. Observatorion tehtävänä on ollut kartoittaa kosmisista mikroaaltotaustasäteilyä (CMB)^[3] .

Käytöstä poistaminen vie hieman aikaa, sillä siinä on useita eri vaiheita. Ensimmäinen operaatio tapahtuu tänään käyttämällä observatorion rakettimoottoreita. Poltto antaa Planckille lisävauhtia ja se poistuu haloradaltaan Aurinkoa kiertävälle radalle. Toinen rakettimoottoreiden käyttö on suunniteltu tapahtuvaksi 21. päivänä, jolloin rakettimoottoreita käytetään niin pitkään, että kaikki jäljellä oleva polttoaine tulee käytetyksi loppuun. Tällä pyritään varmistamaan se, että polttoainesäiliöt eivät räjähdä tulevaisuudessa.

Viimeinen kontakti observatorioon tehdään 23. päivänä tätä kuuta, jolloin tehdään ohjelmiston muutos siten, että se ei aktivoidu milloinkaan lopullisen sulkemisen jälkeen. Viimeisimpinä tehtävinä on radiolähettimen sulkeminen ja akkujen irtikytkeminen. Näillä tehtävillä varmistetaan, että observatorio jatkaa Aurinkoa kiertävällä radalla. Seuraavan kerran observatorio lähestyy maapalloa noin 13–14 vuoden kuluttua, jolloin etäisyyttä on lähimmillään noin 10 miljoonaa kilometriä.

CMB-kartta. Kuva ESA.

Planck on kartoittanut kosmista suuritaajuista mikroaaltotaustasäteilyä viisi kertaa ennen kuin havaintoinstrumentin jäähdytykseen käytetty nestemäinen helium loppui tammikuussa 2012. Sen jälkeen observatorio on käyttänyt vielä toiminnassa ollutta matalataajuista CMB-skanneria, jolla se ehti tehdä kartoituksen vielä kolme lisäkertaa. Matalataajuista karttaa käytetään poistamaan pääasiassa Linnunradan aiheuttamat säteilykuviot CMB-kartasta (se on siis eräänlainen tähtivalokuvaajien käyttämä flat-kuva). Ensimmäiset valmiit tutkimustulokset saataneen vuonna 2014.

Erityisen mielenkiintoinen tutkimuskohde on CMB-säteilyn B-mode. Se on alkuräjähdyksen aikaisen inflaation päättymisen aikaan^[1] lähtenyttä valoa, jonka on polaroitunut spiraalimaisesti. Jos sitä on pystytty havaitsemaan ja se voidaan löytää tallennetusta datasta, se on varmasti maailmankaikkeuden kaikkein varhaisinta informaatiota mitä milloinkaan pystytään havaitsemaan. On sanomattakin selvää, että sen havaitseminen ja tutkiminen veisi kosmologisen tutkimuksen aivan uudelle tasolle ja olisi myös Nobel-palkinnon arvoinen löytö.

Planckin kokoamasta datasta on pystytty jo tähän mennessä tuottamaan uuta tietoa, mm:

•  4,9 % maailmankaikkeuden kokonaisenergiasta on meidän tuntemaamme näkyvää ainetta
• 26,8 % on pimeää ainetta
• 68,3 % on pimeää energiaa, jonka ajatellaan olevan maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen aiheuttaja. Pimeän energian määrä on hiveneen pienempi kuin mitä aikaisemmin arvioitiin sen olevan.
•  Hubblen vakiona tunnettu maailmankaikkeuden laajenemista kuvaava kerroin on 67,2 km/s/Mpc^[2]
• Alkuräjähdys on tapahtunut 13,82 miljardia vuotta sitten.

Huomautus

[1] maailmankaikkeuden ollessa 10^–35 sekunnin ikäinen.

[2] Mpc on megaparsek ja yksi parsec on 3,26 valovuotta.

[3] Kosminen mikroaaltotaustasäteily syntyi noin 380 000 vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa kun sen lämpötilaa laajenemisen vaikutuksesta oli laskenut noin 3000 K. Tällöin elektronit pystyivät sitoutumaan atomiytimien orbitaaleille, jolloin fotonit pääsivät etenemään neutraloituneen kaasusta riippumatta. Nykyisin tämä CMB näkyy meille noin 2,7 K lämpötilaisena mikroaaltosäteilynä.

Rekombinaatio ei tapahtunut kaikkialla täysin samanaikaisesti vaan maailmankaikkeuden eri alueilla hivenen eri aikaan, johtuen aineen vähäisistä tiheyseroista. Tiheyserot puolestaan johtuivat vielä varhaisemman (alle 1 sekunnin ikäisen) maailmankaikkeuden kvantti-ilmiöistä. Tästä syystä CMB-kartassa on nähtävissä pieniä lämpötilaeroja. Lämpötilaerot kuvastavat nykyisen havaittavissa olevan maailmankaikkeuden rakennetta.