EUCLID-LUOTAIN HAVAINNOI PIMEÄN AINEEN JA PIMEÄN ENERGIAN VAIKUTUKSIA

 Heinäkuun 1. päivänä (2023) Euroopan avaruusjärjestö ESA lähetti onnistuneesti Euclid-luotaimen, jonka tehtävänä on maailmankaikkeuden pimeän aineen ja pimeän energian vaikutusten havaitseminen. Luotaimen tekemät havainnot voivat paljastaa ennennäkemättömiä näkymiä maailmankaikkeuden rakenteesta ja kehityksestä.

Taiteilijan näkemys Eukleides-tehtävästä avaruudessa. Euclid on suunniteltu havaitsemaan kaukaisia ja laajoja kohteita, jotta tutkijat voisivat vastata joihinkin universumiamme koskeviin perustavanlaatuisimpiin kysymyksiin: Mitä ovat pimeä aine ja pimeä energia? Mikä rooli niillä oli kosmisen verkon muodostumisessa? Tehtävä luetteloi miljardeja kaukaisia ​​galakseja skannaamalla taivaan halki sen herkän kaukoputken avulla. Kuva ESA.

Euclidin tehtävänä on kerätä tietoa pimeästä aineesta, mystisestä aineesta, joka muodostaa noin 27% maailmankaikkeudesta, sekä pimeästä energiasta, joka vastaa noin 68% maailmankaikkeuden kokonaismassasta. Observatorion avulla tutkijat pyrkivät ymmärtämään pimeän aineen ja pimeän energian vuorovaikutusta ja vaikutusta maailmankaikkeuden laajenemiseen.

"Euclidin tavoitteena on vastata yhteen tärkeimmistä kysymyksistä, jotka meillä on kosmologiassa: Mikä on pimeän aineen ja pimeän energian luonne? Miten ne vaikuttavat maailmankaikkeuden rakenteeseen ja kehitykseen? Näitä vastauksia tarvitaan syvällisemmän käsityksen saavuttamiseksi universumista", kertoo ESA:n tiedottaja Maria Rodriguez.

Luotain on varustettu isolla peilikaukoputkella ja erittäin herkillä kamerajärjestelmillä, jotka voivat tarkkailla laajoja taivaan alueita. Euclid suorittaa kolme päätehtävää: havaitsee satoja miljoonia galakseja, kartoittaa niiden kolmiulotteista jakaumaa ja tarkkailee galaksien muutoksia ajan suhteen. Nämä mittaukset auttavat tutkijoita rakentamaan yksityiskohtaisen kuvan maailmankaikkeuden rakenteesta ja sen laajenemisen historiasta.

Vaikka Euclidin päätavoite on pimeän aineen ja pimeän energian ymmärtäminen, sen mittauksista voi olla hyötyä myös muille tieteenaloille. Luotain voi auttaa tutkijoita selvittämään galaksien evoluutiota, kuinka ne syntyvät ja kehittyvät ajan myötä. Lisäksi Euclid tarjoaa tietoa universumin suurista mittakaavoista ja sen muotoutumisesta aikojen saatossa.

Euclidin ensimmäiset kuvat on vastaanotettu, ja tutkijat ovat jo innoissaan näistä. Kuvat esittävät massiivisia galaksirykelmiä ja valtavia tyhjätiloja maailmankaikkeudessa. Nämä ensimmäiset kuvat ovat vasta alkua, ja odotamme innolla, mitä muuta Euclid paljastaa tulevissa havainnoissaan.

"Olemme erittäin iloisia nähdessämme ensimmäiset kuvat Euclidilta. Ne ovat jo nyt antaneet meille arvokasta tietoa kosmoksen rakenteesta ja auttaneet varmistamaan, että luotain toimii suunnitellusti", Rodriguez sanoo.

Euclid-luotaimen odotetaan pysyvän avaruudessa useita vuosia, mikä antaa tutkijoille runsaasti aikaa kerätä tietoa ja purkaa maailmankaikkeuden arvoituksia. EU:n, ESA:n ja kansainvälisen tieteellisen yhteisön odotukset ovat korkealla, ja odotamme innolla sitä, mitä tulevaisuus tuo tullessaan tämän kunnianhimoisen avaruuslennon suhteen.

Havaintolaiteet

Euclid-luotaimen VIS (Visible Imaging) -instrumentti on yksi tärkeimmistä työkaluista, jonka avulla tutkijat tarkastelevat maailmankaikkeuden galakseja ja niiden jakaumaa. VIS-kamera on suunniteltu havaitsemaan näkyvää valoa laajalla alueella taivaasta, mikä mahdollistaa suuren määrän tarkkoja havaintoja.

Euclidin VISible instrumentti (VIS) kuvaa taivasta näkyvässä valossa (550–900 nm) ottaakseen teräviä kuvia miljardeista galakseista ja mitatakseen niiden muotoja. Tämä kuva on otettu Euclidin käyttöönoton aikana sen tarkistamiseksi, että kohdistettu VIS-instrumentti toimii odotetulla tavalla. Koska se on suurelta osin prosessoimaton, jää jäljelle joitain ei-toivottuja kohteita – esimerkiksi kosmiset säteet, jotka näkyvät kuvissa suorina viivoina. Euclid Consortium muuttaa viime kädessä pidempään valotetut tutkimushavainnot tieteellisesti valmiiksi kuviksi, jotka ovat artefaktittomia, yksityiskohtaisempia ja veitsenteräviä.

Tämä ensimmäinen VIS-kuva on jo täynnä yksityiskohtia; näemme spiraali- ja elliptisiä galakseja, lähellä olevia ja kaukaisia ​​tähtiä, tähtijoukkoja ja paljon muuta. Mutta sen peittämä taivaan pinta-ala vain noin neljännes täydenkuun halkaisijasta. Euklidesin kaukoputki keräsi valoa 566 sekuntia, jotta VIS pystyi luomaan tämän kuvan. Kuva ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA. 

Kun Euclid aloitti tieteelliset havaintonsa, sen VIS-instrumentti otti ensimmäiset upeat kuvat, jotka kuvastivat galaksien rikasta monimuotoisuutta ja suuria rakenteita. Nämä tarkat kuvat paljastavat eri galaksien muotoja, värejä ja niiden sijoittumista suhteessa toisiinsa.

VIS-kameran laaja kuvakenttä ja herkkä havaitsemiskyky ovat mahdollistaneet massiivisten galaksirykelmien havaitsemisen. Galaksirykelmät ovat massiivisia, ja ne ovat yhteydessä toisiinsa gravitaation välityksellä. Näiden rykelmien tutkiminen auttaa tutkijoita ymmärtämään, miten galaksit muodostuvat ja liikkuvat avaruudessa.

Lisäksi VIS-instrumentti on havainnut suuria tyhjätiloja, joissa galakseja on harvassa tai niitä ei ole lainkaan. Nämä galaksien väliset tyhjät alueet, joita kutsutaan myös supervoidoiksi, ovat avainasemassa ymmärrettäessä maailmankaikkeuden rakenteen muodostumista. Supervoidit auttavat tutkijoita ymmärtämään, miten galaksit järjestyvät suurien avaruuden rakenteiden, kuten lankamaisen ja kalvomaisen rakenteen, muodostamiseksi.

Yhä tarkemmat VIS-kuvat auttavat myös tutkijoita erottelemaan erilaisia galaksityyppejä ja niiden ominaisuuksia. Kuvista voidaan tunnistaa esimerkiksi spiraaligalakseja, elliptisiä galakseja ja linssejä, mikä antaa vihjeitä galaksien kehityksestä ja evoluutiosta.

Euclidin VIS-instrumentti on saavuttanut ennennäkemättömän herkkyyden, mikä mahdollistaa myös havainnot hyvin himmeistä galakseista ja kaukaisista kohteista. Nämä havainnot auttavat ymmärtämään maailmankaikkeuden alkuaikoja ja sen kehitystä ajan suhteen.

Vaikka ensimmäiset VIS-instrumentin ottamat kuvat ovat jo nyt olleet vaikuttavia, tutkijat odottavat innolla tulevia havaintoja, kun luotain jatkaa toimintaansa Lagrangen (L2) pisteen haloradalla. Euclidin mittaukset ja kuvat tuovat merkittävää lisäarvoa kosmologian ja avaruuden tutkimukselle ja avaavat uusia mahdollisuuksia ymmärtää maailmankaikkeuden kauneutta ja monimutkaisuutta.

Euroopan avaruusjärjestön ja koko tieteellisen yhteisön odotukset ovat korkealla Euclid-luotaimen suhteen, ja sen VIS-instrumentti tulee varmasti tarjoamaan paljon uutta tietoa ja jännittäviä havaintoja lähivuosina. Euclidin lähettäminen avaruuteen on merkittävä askel kohti pimeän aineen ja pimeän energian arvoitusten selvittämistä, ja se voi viedä meitä askelen lähemmäksi ymmärrystä maailmankaikkeuden perusolemuksista.

Euclid-luotaimen infrapuna-alueen kamera on yksi sen tärkeimmistä instrumenteista, joka tarjoaa arvokasta tietoa maailmankaikkeuden salaisuuksista. Infrapuna on sähkömagneettisen spektrin alue, joka on näkyvän valon alapuolella ja mahdollistaa havainnot, joita ei voi tehdä perinteisen näkyvän valon kameran avulla.

Euclidin Near-Infrared Spectrometer and Photometer (NISP) -instrumentti on omistettu galaksien kullakin aallonpituudella lähettämän valon määrän mittaamiseen. Se kuvaa taivaan infrapunavalossa (900 – 2 000 nm) valon kirkkauden ja voimakkuuden mittaamiseksi. Tämä kuva on otettu Euclidin käyttöönoton aikana sen tarkistamiseksi, että tarkennettu instrumentti toimii odotetulla tavalla.

Tämä on raakakuva, joka on otettu NISP:n Y-suodattimella. Tämä ensimmäinen NISP-kuva on jo täynnä yksityiskohtia; näemme spiraali- ja elliptisiä galakseja, lähellä olevia ja kaukaisia ​​tähtiä, tähtijoukkoja ja paljon muuta. Mutta sen peittämä taivaan pinta-ala on itse asiassa vain noin neljännes täydenkuun leveydestä ja korkeudesta.

Euklidesin kaukoputki keräsi valoa 100 sekunnin ajan, jotta NISP pystyi luomaan tämän kuvan. Nimellisen toiminnan aikana sen odotetaan sieppaavan valoa noin viisi kertaa pidempään ja paljastaen monia kauempana olevia galakseja. Kuva ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA.

Infrapuna-aallonpituudet ovat pidempiä kuin näkyvän valon, mikä tarkoittaa, että ne voivat tunkeutua pölyn ja kaasun läpi helpommin. Tämä on erityisen tärkeää, kun tarkastellaan galakseja ja muita kaukaisia kohteita, jotka saattavat olla peitettyinä avaruuden pölypilvillä. Infrapuna mahdollistaa myös havainnot, jotka paljastavat kohteiden lämpösäteilyä, joka on hyödyllinen tieto galaksien koostumuksesta ja ominaisuuksista.

Infrapunakameran avulla Euclid voi tarkastella erilaisia kohteita, kuten tähtijoukkoja, kaasupilviä ja galaksien ytimestä lähteviä säteilyvirtoja. Nämä havainnot ovat tärkeitä, kun pyritään ymmärtämään tähtien ja galaksien muodostumista ja kehitystä.

Yksi Euclid-luotaimen infrapunakameran tärkeimmistä tehtävistä on tarkastella galaksien takana olevaa pimeää ainetta ja pimeää energiaa. Pimeä aine ei säteile valoa, joten sitä ei voi havaita perinteisen valokuvauksen avulla. Infrapunakamera voi kuitenkin auttaa tutkijoita havaitsemaan pimeän aineen aiheuttamia heijastuksia tai vaikutuksia lähellä oleviin kohteisiin, mikä antaa vihjeitä sen läsnäolosta ja ominaisuuksista.

Lisäksi infrapunakameran avulla Euclid voi havaita kaukaisia galakseja ja kohteita, jotka ovat muuten näkymättömissä näkyvän valon spektrissä. Tämä on erityisen tärkeää, kun pyritään löytämään kaukaisia galakseja ja kartoittamaan avaruuden rakenteita, jotka ovat olennaisia ymmärtääksemme maailmankaikkeuden kehitystä ja evoluutiota.

Infrapunakameran avulla Euclid voi myös tehdä monia muita tieteellisiä havaintoja. Se voi tutkia tähtien kehityskaarat alusta loppuun, havaita lämpimien kaasupilvien ominaisuuksia, kaukaisia eksoplaneettoja sekä kvasaareja ja muita aktiivisia galaksien ytimiä, jotka säteilevät voimakkaasti infrapunavaloa.

Euclid ja kosmologia

Euclid-luotaimen infrapunakameralla ja muiden instrumenttien keräämillä havainnoilla on laaja-alainen vaikutus kosmologiaan ja avaruuden tutkimukseen. Nämä havainnot avaavat monia tieteellisiä näkymiä, jotka auttavat vastaamaan perustavanlaatuisiin kysymyksiin maailmankaikkeuden rakenteesta, kehityksestä ja koostumuksesta. Tässä on muutamia tärkeitä tieteellisiä tulevaisuuden näkymiä:

1. Pimeän aineen ja pimeän energian ymmärtäminen: Euclidin infrapunakamera ja muut instrumentit auttavat tarkastelemaan pimeän aineen ja pimeän energian vaikutusta maailmankaikkeuden laajenemiseen ja rakenteeseen. Näiden havaintojen avulla tutkijat voivat paremmin ymmärtää näiden mysteeristen komponenttien ominaisuuksia ja vuorovaikutuksia. Tämä tieto auttaa meitä syventämään käsitystämme maailmankaikkeuden luonteesta ja koostumuksesta.

2. Galaksien ja galaksirykelmien evoluutio: Euclidin infrapunakamera mahdollistaa laajojen galaksikartoitusten tekemisen, mikä auttaa tutkijoita ymmärtämään galaksien syntyä, kehitystä ja liikettä avaruudessa. Havainnot galaksien ytimestä ja massiivisista galaksirykelmistä antavat tärkeitä vihjeitä niiden evoluutiosta.

3. Maailmankaikkeuden rakenteiden kartoitus: Infrapunakamera paljastaa näkymättömät kohteet, kuten pimeän aineen ja pimeän energian vaikutukset sekä kaukaiset galaksit ja kaasupilvet. Nämä havainnot auttavat tutkijoita kartoittamaan maailmankaikkeuden suuria mittakaavoja, kuten lankamaisia ja kalvomaisia rakenteita sekä galaksien välisiä supervoideja.

4. Tähtien ja planeettojen synty ja kehitys: Euclidin infrapunahavainnot auttavat tutkijoita ymmärtämään tähtien ja planeettojen syntyä ja kehitystä. Ne mahdollistavat lämpimien kaasupilvien ja nuorten tähtijoukkojen tarkkailun sekä kaukaisissa että lähempänä olevissa kohteissa.

5. Avaruuden alkuaikojen tutkimus: Infrapunakameran avulla Euclid voi havaita kaukaisia galakseja, jotka ovat muuten näkymättömissä. Nämä kaukaiset kohteet ovat olennaisia avaruuden alkuaikojen tutkimuksessa ja auttavat tutkijoita ymmärtämään maailmankaikkeuden alkuaikaisia olosuhteita ja kehitystä.

6. Mustien aukkojen ja kvasaarien tutkimus: Infrapunakameran herkkä havaitsemiskyky auttaa havaitsemaan aktiivisia galaksien ytimiä, kuten kvasaareja, jotka säteilevät voimakkaasti infrapunavaloa. Tällaiset havainnot auttavat meitä ymmärtämään mustien aukkojen kasvua ja vaikutusta niiden ympäristöön.

Kaiken kaikkiaan Euclid-luotaimen infrapunahavainnot ja muut tiedot avaavat uusia mahdollisuuksia kosmologiassa ja avaruuden tutkimuksessa. Ne auttavat meitä vastaamaan perustaviin kysymyksiin maailmankaikkeuden olemuksesta ja kehityksestä sekä syventämään ymmärrystämme avaruuden monimuotoisuudesta ja kauneudesta. Euclidin keräämät tiedot ovat arvokas panos tieteelliseen tutkimukseen ja voivat vaikuttaa merkittävästi koko ihmiskunnan käsitykseen maailmankaikkeuden perusolemuksista.

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. 

JWST lähtee jouluaattona

Päivitys: laukaisu on siirtynyt kehnon sään vuoksi, uusi lähtöikkuna on 25.12.2021 kello 14.20 — 14.52 Suomen aikaa.

Monien viivästymisien jälkeen NASA on ilmoittanut uusimman avaruusteleskooppinsa, James Webb Space Telescope (JWST), laukaisun tapahtuvan 24. 12.2021 kello 14.20 Suomen aikaa. Laukaisun jälkeen teleskooppi hakeutuu maapallon Lagrangen pisteeseen L2, joka sijaitsee noin 1,5 miljoonan kilometrin etäisyydellä maapallon yö puolella. Lagrangen pisteet ovat alueita, joissa kappaleet (niin keinotekoiset kuin luonnollisetkin) pysyttelevät pitkiä aikoja ilman aktiivista ohjausta. Tämä sijoituspaikan ominaisuus säästää hyvin paljon laitteistojen ohjaamiseen tarvittavaa polttoainetta ja näin avaruuslennon pituus voi olla paljon pitempi kuin muissa paikoissa tai kiertoradoilla.

Taiteilijan näkemys JWST:stä sijoituspaikassaan Lagrangen pisteessä L2. Kuva NASA,

 
Lagrangen pisteellä on toinenkin etu, joka tulee erityisen hyvin hyödynnettyä JWSTn havainnoissa. Teleskoopin havainnot tehdään infrapunaisella aallonpituudella, joka tunnettaan myös lämpösäteilynä. Tästä syystä teleskooppia ei voi suunnata sen paremmin Maahan, Kuuhun tai Aurinkoon, sillä ne ovat erittäin voimakkaita infrapunasäteilijöitä. Sijoituspaikassa mainitut kohteet kuitenkin jäävät teleskoopista katsoen samalle puolelle, joten havaintoalue on mahdollisimman laaja turvaetäisyydet huomioon ottaen. Maapallo kuitenkin kiertää Auringon kerran vuodessa ja näin tekee maapallon mukana myös JWST. Vuoden aikana teleskooppi voi siis tehdä havaintoja mistä tahansa kohteesta maailmankaikkeudessa.

Avaruusteleskoopiksi JWST on suurikokoinen. Sen pääpeilin halkaisija on noin 6,5 metriä, joten sen keräämä valomäärä on moninkertainen verrattuna esimerkiksi Hubbleen, jonka pääpeilin halkaisija on ”vain” n. 2,5 metriä. Valonkeräyskyky ja maanpinnalta vaikeasti havaittavien infrapunaisten aallonpituuksien käyttö havaintoihin tarjoaa aivan uusien tutkimusmahdollisuuksien avautumisen tutkimisen.

Erityisen suurella mielenkiinnolla tutkijat odottavat kaukaisen ja hyvin nuoren maailmankaikkeuden kohteiden havaitsemista, sillä niistä yli 13 miljardia vuotta sitten lähtenyt valo on punasiirtynyt infrapunaiselle aallonpituudelle. Voi olla mahdollista, että JWST:llä tehdään ensimmäiset havainnot maailmankaikkeuden aivan ensimmäisistä tähdistä.

Teorian mukaan, nämä tähdet ovat olleet täysin erilaisia kuin nykyisessä maailmankaikkeudessa olevat tähdet, sillä ne koostuivat vain ja ainoastaan vedystä ja heliumista. Ovatko ne todellakin teorian mukaisesti valtavan massiivisia ja nopeasti supernovaan päätyviä jättiläisiä, vai jotain aivan muuta? Tutkijoita kiinnostaa myös ensimmäisten galaksien muodostuminen ja vaikuttiko niiden muodostumiseen mahdollisesti heti alkuräjähdyksen jälkeen syntyneet minikokoiset mustat aukot tai oliko nämä mustat aukot aivan erilaisia kuin nykyiset, jopa eräänlaisia proto mustia aukkoja, kuten hiljattain julkaistu uusi tutkimus ehdottaa.

JWST aloitettiin suunnittelulla jo yli kolme vuosikymmentä sitten vuonna 1989. Lukuisten ongelmien, muutosten, uudelleen suunnittelun ja viivästysten vaikeuttama projekti tuli lopulta maksamaan 10 miljardia dollaria. Viivästyksiä on tullut aivan viime metreilläkin. Laukaisun piti tapahtua tämän syksyn aikana, lähtöpäiväksi määriteltiin ensin lokakuun loppupuoli. Sen jälkeen lähtöä siirrettiin joulukuun 18 päiväksi ja aivan viime hetkellä 22. ja lopulta nyt 24 joulukuuta. Tässä vaiheessa emme voi mitään muuta kuin toivoa laukaisun onnistumista ja teleskoopin virheetöntä toimintaa sijoituspaikassaan.

 Voit katsoa laukaisua suorana NASATV:stä.

 Voit lukea ennemmän JWST:tä Avaruusmagasiinin tästä artikkelista.

James Webb -teleskooppi on valmis lähtöön

Useita vuosia myöhässä^[1] oleva James Webb -teleskooppi on viimein valmistunut ja lähdössä avaruuteen lokakuun 31. kello 16 UTC, jolloin laukaisu ikkuna avautuu.  Lähtö tapahtuu Ranskan Guayanassa olevasta avaruuskeskuksesta Ariane 5 ECA kantoraketilla. Jamess Webb -teleskooppi on kansainvälinen yhteistyöprojekti, jossa Nasan lisäksi on ESA, Kanadan avaruusjärjestö ja tutkimuslaitoksia, instituutteja ja henkilöstöä 14 maasta. Teleskoopin on valmistanut Northrop Grumman.

 

James Webb avaruustelskooppia suojaa laaja aurinkosuoja, joka estää laitteistoa lämpenemästä. Kuva Northrop Grumman julkaisemasta videosta.

Noin 26 minuuttia kestävä laukaisun jälkeen avaruusteleskoopilta kuluu noin kuukausi saavuttaakseen asemapaikkansa Lagrangen pisteen 2 (L2), joka sijaitsee noin 1,5 miljoonan km etäisyydellä avaruudessa maapallon yö puolella ^[2].

Teleskoopin toiminta-ajaksi on suunniteltu vähintään 5 vuotta mutta todennäköisesti laitteistot pysyvät toimintakuntoisina jopa 10 vuotta. Sijoituspaikan etäisyys ei mahdollista huoltolentoja kuten Hubblelle^[3] on tehty viisi kertaa sen kolme vuosikymmentä kestäneen toimintakauden aikana. James Webb -teleskoopin järjestelmät on suunniteltu hyvin pitkään toiminta-aikaan avaruudessa ja sen tietokoneen ohjelmisto voidaan uudistaa säännöllisesti tai tarvittaessa.

Webbin pääpeili muodostuu kaikkiaan 18 segmentistä, jotka käännetään toimintavalmiiksi vasta avaruudessa. Tämä on välttämätöntä, sillä vaikka Ariane 5 kantoraketin lastiruuma onkin hyvin laaja, peili ei sinne olisi mahtunut valmiiksi koottuna. Pääpeilin pinta-ala on 25,4 m² ja se on valmistettu berylliumista, joka on päällystetty kullalla. Kullan heijastusominaisuudet ovat ylivoimaiset teleskoopin toimiessa infrapunaisilla aallonpituuksilla. Pääpeilin massa on 705 kg ja yhden segmentin massa on 20,1 kg.

JWST:n peili muodostuu useammasta pienemmä peilistä. Kuva Nasa.

 

Pääpeilin segmentit ovat säädettäviä. Laitteistoa ohjaa aaltorintaman tunnistava laitteisto ja mikromoottorit siirtävät segmentit oikeille kohdilleen. Käytön aikana segmenttien asemointeja saatetaan joutua säätämään mutta ei kovin useasti.

Pääpeilin lisäksi teleskoopissa on apupeili. Sekin on berylliumia ja tietysti päällystetty kullalla. Kaiken kaikkiaan kultaa on käytetty peilien pinnoitteisiin 48,25 g ja sen keskimääräinen paksuus on 0,1 mikrometriä.

Peilit yhdessä muodostava teleskoopin polttovälin, joka on peräti 131,4 metriä. Teleskoopin erotustarkkuus on 0,1 kaarisekuntia 0,6 – 28,5 mikrometrin aallonpituudella. Erotuskyky on hyvä ja samaa luokkaa kuin Hubblella, tosin Hubble toimii uv:n, näkyvän valon ja lähi-infran aallonpituuksilla, jolloin erotuskyky on helpommin saavutettavissa. Mitä pidempää aallonpituutta havainnoissa käytetään, sitä isompi peili tarvitaan tietyn erotuskyvyn saavuttamiseksi. Hubblen pääpeilin halkaisija on 2,4 metriä.

Jotta Webb voisi toimia infrapunaisella aallonpituudella, peilien ja kaikkien muiden laitteiden pitää olla mahdollisimman kylmiä. Suunniteltu pitkä toiminta-aika ei kuitenkaan mahdollista aktiivista jäähdytystä esimerkiksi nestemäisellä heliumilla, sillä tarvittava heliumin määrä olisi niin valtava, että muuta ei sitten kantoraketin nostokyvyn rajoissa avaruuteen ei voitaisi lähettää.

Jotta laitteistot pysyisivät kylminä ne, täytyy suojata auringonsäteilyltä. Avaruusteleskooppi onkin varustettu monikerroksisella aurinkosuojalla. Kerroksia on kaikkiaan viisi, joista uloin joutuu kestämään 383 K (noin 100 °C) lämpötilan. Sisin kerros on puolestaan maksimissa 221 K lämpötilassa ja minimilämpötila on 36 K. Instrumentit toimiva alle 50 K lämpötilassa. Aurinkosuojan valmistusmateriaali on kaptonia (Kapton E), joka on synteettinen polymeeri (4,4'-oksidifenyleenipyromellitimidi) ja se on päällystetty piillä ja alumiinilla.

 

Tieteelliset tavoitteet

JWST:n havainnot kattavat koko maailmankaikkeuden.

Avaruusteleskoopin suunnittelun lähtökohtana ovat olleet tieteellisten tutkimusten asettamat vaatimukset niin laitteistolle kuin ohjausjärjestelmälle. Jos Hubble suunniteltiin yleiskäyttöiseksi ja huollettavaksi, niin Webbin lähtökohtana oli tarkasti rajatut tutkimuskohteet, monikäyttöisyyttä unohtamatta. Jo toiminta infrapunaisen valon aallonpituuksilla tuo hyvin monia havainto- ja tutkimuskohteita tarjolle, jollaisia ei aikaisemmin ole voitu edes harkita maanpinnalle sijoitetuilla teleskoopeilla tai edes Hubblella.

 

Yksi merkittävimmistä havaintokohteita on varhainen maailmankaikkeus. Vaikka olemme pystyneet tekemään havaintoja alkuräjähdyksen jälkeisestä ja nopeasti laajenevasta maailmankaikkeudesta, niin ensimmäiset havaintomme ovat maailmankaikkeudesta, jonka ikä on ollut noin 380 000 vuotta. Silloin kosminen mikroaaltotaustasäteily syntyi ja havaitsemme sen nykyisin noin 2,7 K lämpöisenä taustasäteilynä. Sen jälkeen kului satoja miljoonia vuosia, ennen kuin ensimmäiset tähdet syntyivät. Näitä tähtiä emme ole vielä voineet havaita, mutta ehkä se onnistuu JWST:llä. Kysymys ensimmäisten tähtien aikakauden päättymisestä on edelleen avoin: tuliko niistä mustia aukkoja ja kuinka niiden on käynyt?

Varhaisessa maailmankaikkeudessa tapahtui paljon asioita, joista meillä ei ole muuta kuin kalpea aavistus, sillä kaikkein vanhimmat kohteet, joita pystymme havaitsemaan, ovat jo muotoutumassa olevia pieniä galakseja. Miten ensimmäisistä tähdistä muodostui galakseja, se on yksi mielenkiintoisimpia kysymyksiä ratkaistavaksi. Aikaan ensimmäisistä tähdistä galaksien syntyyn liittyy hyvin monia kysymyksiä, joita tutkijat pyrkivät selvittämään JWST:n avulla.

Toinen JWST:lla havaittavia asioita on galaksien synty ja kehitys, miten useimmat galaksit saivat spiraalinsa mutta osa ei, galaksien keskustojen supermassiiviset mustata aukot jne. Miten pimeä aine on kertynyt galakseihin ja kuinka se on vaikuttanut galaksien kehittymiseen ja olemassaoloon. Miksi nykyisessä maailmankaikkeudessa galaksit ovat paljon isompia kuin varhaisen maailmankaikkeuden galaksit, jne? Avoimia kysymyksiä tälläkin tutkimusalalla on paljon ratakaistavaksi.

Infrapunaisen säteilyn aallonpituudet mahdollistavat muilla aallonpituuksilla piilottelevien kohteiden havaitsemisen. Kuva Nasa.

 

Tähtien kehittyminen niiden muodostumisesta energiatuotannon päättymiseen on suurin piirtein tunnettua. Silti niidenkin kohdalla on paljon avoimia kysymyksiä, joihin tutkijat mielisivät vastauksia. Mitä tapahtuu ennen tähden energiatuotannon alkua. Muodostumassa olevat tähdet ovat syvällä pimeiden sumujen sisällä, jolloin emme voi niitä havaita. Infrapuna-aallonpituudet mahdollistavat tämänkin prosessin etenemisen havaitsemisen ja JWST onkin oiva havaintoväline tällaisiin tutkimuksiin.

Tähtien muodostumiseen liittyy kiinteästi myös eksoplaneettojen synty. Se on nykykäsityksen mukaan lähes rinnakkainen tai ainakin välittömästi seuraava kehitysvaihe tähtien muodostumisen kanssa. Mutta miten se tapahtuu? Toistaiseksi meillä on vain tietokonemaleja näistä tapahtumista, mutta havainnot puuttuvat suuremaksi osaksi. 

Planeettojen synytminen tähtien kiertoradoille on tähän asti ollut erittäin vaikeasti havaittavia tapahtumia. JWST mahdollistaa nämä havainnot enstistä helpommin. Kuva Nasa.

 

Planeettojen muodostumisen jälkeen ne kiertävät tähteään samoin kuin Aurinkokunnassamme tapahtuu. Olemme onnistuneet suoraan valokuvaamaan vain muutamien tähtien etäisillä kiertoradoilla olevia Jupiteriakin suurempia eksoplaneettoja.  Tämä ei oikein riitä tutkijoille. JWST tarjoaakin paljon paremmat kuvausmahdollisuudet, sillä sen varusteisiin kuuluu koronagrafi, jonka avulla tähdestä tuleva kirkas valo voidaan peittää ja vain eksoplaneetoista heijastunut valo tulee kuvaan. Näin päästää kuvamaan hyvin lähellä tähteään olevia, mahdollisesti jopa hyvin pieniä eksoplaneettoja. Koronagrafin avulla voidaan tehdä myös planeettojen ilmakehästä ja pinnalta heijastuneesta valosta spektrejä, jotka kertovat olosuhteista näiden pinnalla ja ilmakehässä. Hyvällä onnella voimme joskus tulevaisuudessa havaita myös elämän merkkejä eksoplaneetoilla.

Vaikka James Webb teleskooppia ei voidakaan kohdistaa Maahan tai lähellekään Aurinkoa, niin se voi tehdä havaintoja asteroidivyöhykkeen kappaleista, ulkoplaneettojen kuista ja erityisesti Kuiperin vyön kohteista. Ehkä se kykenee havaitsemaan tai osoittamaan vääräksi planeetta 9, jota on ehdotettu selittämään joidenkin kuiperoidien ratojen keskittymistä tiettyihin suuntiin.

Jo edellä esitetyn perusteella on selvää, että James Webb avaruusteleskooppi tulee olemaan hyvin vilkkaassa käytössä ja varmasti kaikki teleskoopille sopivat tutkimushankkeet eivät tule koskaan saamaan siitä havaintoaikaa. Kysyntä tulee olemaan vilkasta mutta tarjottavaa on vain rajallisesti. Silti tulemme näkemään huikeita kuvia ja hienoja ja täysin uusi tutkimustuloksia ehkäpä jo muutaman kuukauden kuluttua.

Youtubessa on useita hienoja videoita JWST:tä ja sen tehtävästä. Tässä yksi niistä

 

 

Huomautukset

[1] Avaruusteleskoopin suunnittelu aloitetiin vuonna 1996 ja sen ensimmäinen suunniteltu laukaisupäivämäärä piti olla vuonna 2007. Projekti kohtasi useita erilaisia viivästyksiä ja niinpä vuonna 2005 projektin aloitettiin alusta, nyt aivan uusista lähtökohdista. Teleskooppi valmistui rakenteellisesti vuonna 2016, jonka jälkeen sitä on testattu hyvin perusteellisesti. Maaliskuussa 2018 aurinkosuoja vaurioitui testauksen aikana ja se täytyi suunnitella ja valmistaa uudelleen. Vuoden 2020 alussa puhjennut Covid 19 pandemia viivästytti testauksia edelleen. Ariane 5 kantoraketissa on ollut joitakin ongelmia, jotka saattavat viivästyttää lähtöä marras- tai jopa joulukuulle. Nasan laukaisukello kuitenkin osoittaa edelleen tätä kirjoittaessani lokakuun 31. päivää.

[2] Lagrangen piste (L2) piste on sellainen, että Auringon ja maapallon gravitaatiot, maapallon kiertoliike Auringon ympäri ja keskipakoisvoima mahdollistaa sinne sijoitetun laitteen pysymisen suhteellisen vakaalla halo-radalla lähellä ko. pistettä. Silloin tällöin tarvitaan pieniä ratakorjauksia, jotta teleskooppi ei karkaisi Aurinkoa kiertävälle radalle. Halo-rata on soikea, mutta sen keskellä ei ole suurimassaista kappaletta, jonka ympäri rata kulkisi.

Avaruusteleskoopille L2 piste on hyvin edullinen. Se tarvitsee ratakorjauksiin vain vähän polttoaineita, mutta ennen kaikkea sen vuoksi, että Aurinko ja Maa ovat samalla puolella avaruutta. Infrapunahavaintoja ei voi tehdä Aurinkoa, Maata tai Kuuta kohtia tai edes niiden läheltä. Suunnattuna poispäin näistä kohteista avaruusteleskooppi pystyy kuitenkin vuoden aikana havaitsemaan kaikkialle ympäröivään avaruuteen.

[3] Hubble kiertää maapalloa noin 550 km korkeudella ja on ollut näin sukkuloiden saavutettavissa.

[4] Aaltorintaman tunnistavia tarkennuslaitteistoja on käytössä mm. maanpinnalla olevien observatorioiden adaptiivisissa optiikoissa.

 

Suomalaisten johtama tutkimus johti merkittävään havaintoon

Relativistinen suihku mustasta aukosta.
Kuva (Mattila, Perez-Torres, et al.; Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF)

Tuorlan observatoriossa työskentelevän tähtitieteilijän Seppo Mattilan^[2] johtama kansainvälinen ^[1] mustan aukon läheisyydessä riipiytyvän tähden synnyttämästä ainesuihkusta
tutkimusryhmä on tehnyt merkittävän havainnon

Kaksi galaksia, jotka tunnetaan luettelotunnuksella ARP 299, törmäävät toisiinsa noin 150 miljoonan valovuoden etäisyydellä. Törmäyksen vaikutuksesta galaksin ytimessä olevan supermassiivisen mustan aukon vaikutuspiiriin joutuneet tähdet riipiytyvät hajalle ja materia päätyy kertymäkiekkoon mustan aukon ympärille.

Varsinainen havainto käsittää noin kahden auringonmassaisen tähden hajoamista 20 miljoonan auringonmassaisen musta aukon läheisyydessä. Lähestyessään mustaa aukkoa tähteen syntyy vuorovesihäirötapahtumaksi (tidal disruption event, TDE) kutsuttu ilmiö. Itse ilmiötä on havaittu harvoin ja koskaan aikaisemmin havainnot eivät ole olleet näin tarkkoja.

"Emme ole koskaan ennen kyenneet suoraan havaitsemaan suihkun muodostumista ja kehitystä yhdestä näistä tapahtumista", kertoi astronomi Miguel Perez-Torres Andalusian Astrofysiikan instituutista Granadassa Espanjassa.

Vuorovesivoimat riipivät lähestyneen tähden kokonaan ja aine joutuu mustaa aukkoa kiertävään kertymäkiekkoon. Kiekossa tiheys ja lämpötila ovat hyvin korkeat ja kertymäkiekko säteileekin hyvin voimakkaasti lähes kaikilla sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla. Kertymäkiekosta aine siirtyy hiljalleen mustan aukon tapahtumahorisontin yli itse mustaan aukkoon.

Kaikki kertymäkiekkoon päätynyt aine ei kuitenkaan päädy mustaan aukkoon, vaan voimakkaan magneettikentän vaikutuksesta osa aineesta siirtyy musta aukon pyörimisakselin navoille ja syöksyy avaruuteen lähes valonnopeudella.

Ensimmäiset havainnot tehtiin vuonna 2005 jolloin havaittiin Arp 299-B AT1 nimettyä tapahtumaa Kanariansaarten La Palmalla sijaitsevalla William Herschel -infrapunateleskoopilla. Havainto tehtiin 30. tammikuuta (2005). Seuraava havainto tehtiin 17. heinäkuuta Kansallisen tiedesäätiön (NSF) Very Long Baseline Array eli VLBA-radioteleskoopilla.

”Ajan kuluessa kohde pysytteli kirkkaana niin infrapuna- kuin radiotaajuuksilla, mutta ei ollut havaittavissa näkyvän valon tai röntgensäteilyn aallonpituuksilla” kertoo Seppo Mattila. Hänen mukaansa ”Todennäköinen selitys on se, että tähtienvälinen paksu kaasu- ja pölypilvet lähellä galaksin keskustaa absorboivat säteilyn näillä aallonpituuksilla ja säteilevät sen edelleen infrapunaisella aallonpituusalueella”.

Kymmenen tutkimusvuoden jälkeen tutkijat olivat kyenneet seuraamaan suihkun kehitystä niin infrapunaisensäteilyn kuin radioaaltojen aallonpituuksilla ja he havaitsivat suihkun etenevän suurella nopeudella (yhdessä suunnassa) kuten oli odotettavissakin kun kyseessä on relativistinen suihku.

Tutkijat ovat jo pitkään arvioineet, että TDE-ilmiöt ovat paljon yleisempiä kuin mitä olemme pystyneet havaitsemaan. Suurin osa galakseista pitää keskellään supermassiivista mustaa aukkoa mutta ne kätkeytyvät pöly- ja kaasupilvien taakse ja ovat ”näkymättömiä” kuten Arp299 ja oman Linnunratamme keskustassa oleva Sagitarius A*. Seppo Mattilana mukaan havainto on vain jäävuoren huippu toistaiseksi meille piilossa olevan TDE-ilmiöiden joukosta. Tulevat havainnot tulevat lisäämään tietämystämme ilmiöstä merkittävästi.

Huomautukset

[1] Tutkimus “A dust-enshrouded tidal disruption event with a resolved radio jet in a galaxy merger” julkaistiin Science tiedejulkaisussa 14.6. 2018 (eaao4669 DOI: 10.1126/science.aao4669).

[2] Seppo Mattilan lisäksi mukana tutkimuksessa on ollut useita suomalaisia tutkijoita. Kaikkiaan artikkelin kirjoittajiksi on merkitty 36 tutkijaa 26 eri tutkimuslaitoksesta tai yliopistosta.

Kuva (Mattila, Perez-Torres, et al.; Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF)

JWST viivästyy jälleen

James Webbin avarusutteleskooppia suojaa auringonsäteilyltä
monikerroksinen varjostin. Suojassa auringonvalolta
kaukoputken pääpeili jäähtyy passiivisesti hyvin matalaan
lämpötilaana.. Kuva NASA.

NASA on ilmoittanut viivästyttävänsä uuden James Webb avaruusteleskoopin (JWST) laukaisua entisestään. Rakenteilla oleva teleskooppi vaatii lisätestauksia ja niiden vaatima aika on mahdollista saavuttaa vain viivästyttämällä laukaisua. NASAn ilmoituksen mukaan teleskooppi tullaan laukaisemaan avaruuteen toukokuussa 2020.

James Webb teleskooppi muodostuu passiivisesti jäädytetystä 6,5 metrin mosaiikkipeilistä. Laukaisun aikana peili on kasattu nippuun ja se avataan toimintavalmiuteen vasta sijoituspaikassaan noin 1,5 miljoonan km etäisyydellä maapallon yöpuolella Lagrangen pisteessä L1. Kokoonpano on välttämätön, sillä laukaisuun käytettävän Ariane 5 kantoraketin lastiruumaan ei mahdu laajempaa kuin 4,5 m rakenteita.

Teleskoopin peili ja havaintoinstrumentit ovat aurinkosuojan takana, joka on useampikerroksinen ohuesta aluminoiduista kalvoista muodostettu laaja varjostin. Peilin tulee olla mahdollisimman kylmä, sillä kaikki havainnot tehdään infrapunaisen valon aallonpituuksilla. Suojan taakse jäävät niin Aurinko kuin Maa ja Kuu, jotka kaikki ovat liian kirkkaita infrapunaisella aallonpituuksilla havaintoinstrumenteille.

 Laaja-alaisesti infrapunavalon aallonpituuksia voidaan käyttää havainnointiin vain avaruuteen sijoitetuilla laitteilla. Aivan lähi-infran aallonpituuksia voidaan käyttää maapinnalla olevilla laitteilla silloin, kun kaukoputket on sijoitettu usean kilometrin korkeuteen vuoristoon. Vuoristoissa suurin osa ilmakehästä ja ennen kaikkea ilmakehän sisältämästä vesihöyrystä on jäänyt alempiin ilmakerroksiin ja haittaa näin vain vähän havaintoja. Laaja-alaisesti ilmakehän läpi infrapunahavaintoja ei pystytä tekemään.

Infrapunaisilla aallonpituuksilla tehdyt havainnot ovat olleet jo pitkään hyvin tärkeitä tutkimukselle. Infrapunaisilla aallonpituuksilla saadaan tehtyä havaintoja esimerkiksi avaruuden pölypilvien sisältä, Linnunradan keskustan alueelta, Aurinkokunnasta ja varhaisen maailmankaikkeuden kehittymisestä.

Aurinkokuntamme ulko-osassa planeettoja?

WISE-observatorion erotuskyvyn rajat
planeettojen koon mukaan.
Kuva Penn State University

Tutkijoita on jo pitkään mietityttänyt ajatus siitä, että aurinkokuntamme ulko-osassa, kaukana Neptunuksen radan ulkopuolella saattaa olla planeettoja. Auringon valo ei riitä valaisemaan niitä riittävästi, jotta ne olisivat havaintolaitteillamme löydettävissä. Erityisesti huuhaa-piirit ovat väittäneet Aurinkokunnan ulko-osissa piileskelevän planeetan, jolle on annettu useita eri nimiä, kuten Planeetta X tai Nibiru, joskin mitään todisteita siitä ei tutkimuksissa ole löytynyt.

Olipa niin tai näin, tutkijamme pyrkivät selvittämään asiaa kaikin käytettävissä olevin keinoin. Jo toimintansa päättänyt WISE-observatoriolla havaittiin aurinkokunnan ulko-osia infrapunaisella aallonpituudella. Infrapunainen valo sopii tämän tyyppiseen tutkimukseen paremmin kuin näkyvä valo, sillä kaikki kappaleet säteilevät infrapunaista valoa, riippumatta siitä kuinka kaukana ne ovat Auringosta. Esimerkiksi kaikki suuret planeetat Jupiterista Neptunukseen aurinkokunnassamme säteilevät [1] enemmän infrapunaista valoa kuin mitä ne vastaanottavat Auringosta.

Tammikuussa julkaistu tutkimus [2] osoitti, että Neptunuksen radan takaisessa Kuiperin vyössä [3] ei piileksi Jupiterin kokoista planeettaa ainakaan lähempänä kuin 26 000 au. Saturnuksen kokoista planeetta ei ole lähempänä kuin 10 000 au. Tämä ei kuitenkaan merkitse sitä, ettei esimerkiksi Merkuriuksen kokoista planeettaa voisi esiintyä lähempänä, mutta se on vain liian himmeä tullakseen havaituksi. Jopa Super-Maan kokoisia planeettoja alueella voisi olla ilman, että ne näkyisivät vielä meidän nykyisissä havaintolaitteissa [4].

Havaitsemisen vaikeutta korostaa vielä toinenkin tosiseikka kuin planeetan koko. Se on tieto siitä, että Kuiperin vyöhön[5] ja sen ulkopuolelle kätkeytyvän planeetan ei tarvitse kiertää Aurinkoa lähellä ekliptikan tasoa [6], kuten tunnetut planeetat. Etsintäalue on laaja ja avaruudessa olevien observatorioiden havaintoaika on rajallista, joten jos joku merkittävän kokoinen planeetta tai edes kääpiöplaneetta kuvakenttään sattuu, sitä on pidettävä erittäin onnekkaana sattumana.

Aivan muutama päivä sitten julkaistiin [7] löytö, joka saattaa osoittaa, että Kuiperin vyöhön ja etenkin sen ulkopuolelle voi todellakin kätkeytyä yllätyksiä. Kyseessä on tunnuksen 2012 VP₁₁₃ saanut ja noin 450 km kokoinen kappale. Se tulee radallaan korkeintaan 80 au etäisyyteen Auringosta, ja radan etäisin piste sijaitsee jopa 472 au etäisyydellä. Jos ja kun useimmat TNO-kohteet ovat todistettavasti suurimmaksi osaksi jäätä, 450 km kokoinen kappale voi olla muodoltaan pallo. Näin ollen muodon ja rakenteen varmistuttua, 2010 VP₁₁₃:n status voidaan määrittää kääpiöplaneetaksi.

Uusi löytö vahvistaa sitä käsitystä, että Kuiperin vyön ulkopuolella (ennen Oortin pilveä) on Aurinkoa kiertäviä kappaleita kohtuullisen runsaasti. Mielestäni on vain ajankysymys milloin löydetään Erisin ja Pluton kokoisia kääpiöplaneettoja, joita voi alueella olla useita kymmeniä. Joukkoon saattaa mahtua muutama isompikin kappale.

Huomautukset

[1] Suurten planeettojen kohdalla ylimääräinen energia voi vapautua kahdesta prosessista: heliumin tiivistymisestä nesteeksi (Jupiter) tai koko planeetan vähäisestä mutta edelleen jatkuvasta tiivistymisestä.

[2] Tutkimusta johti Kevin Luhman (Center for Exoplanets and Habitable Worlds at Penn State University, University Park, Pa) ja se julkaistiin Astrophysical Journal tiedejulkaisussa. Tutkimuksen päätutkijana toimi Ned Wright (University of California, Los Angeles).

[3] Kääpiöplaneetta on muodoltaan kutakuinkin pallomainen, Aurinkoa kiertävä kappale. Sen massa on kuitenkin sen verran vähäinen, että se ei kykene poistamaan radaltaan toisia samalla radalla olevia kappaleita.

Jäinen kappale muotoutuu oman gravitaationsa vaikutuksesta pallomaiseksi, jos sen halkaisija on muutamia satoja kilometrejä. Kivestä koostuvan kappaleen täytyy olla kooltaan kutakuinkin kaksinkertainen, eli noin 400–800 km ennen kuin muotoutuminen pallomaiseksi tapahtuu. Tällä hetkellä kääpiöplaneetoiksi on määritelty Ceres (pääasteroidivyöhykkeellä), Pluto, Eris, Makemake ja Haumea, joista neljä viimeistä kaikki sijaitsevat Kuiperin vyössä.

[4] Maapallon kokoinen kappale olisi havaittu arviolta noin 150–200 au etäisyydeltä riippuen sen koostumuksesta ja pinnan heijastusominaisuudesta, albedosta.

[5] Kuiperin vyö on Neptunuksen radan ulkopuolelle sijoittuva asteroidivyöhyke, jonka kappaleet kiertävät Aurinko jokseenkin ekliptikan tasossa. Yksittäisten kappaleiden ratojen inklinaatiot (kaltevuus ekliptikan suhteen) vaihtelevat suuresti. Kuiperin vyön ulkorajana pidetään noin 50 au etäisyyttä Auringosta, vaikka aivan tarkka se ei ole. Onko raja todellinen vai johtuuko se havaintotarkkuuden ja laitteiden herkkyyden rajallisuudesta onkin sitten tärkeä kysymys, johon ei vielä ole vastausta olemassa.

[6] Ekliptika on maapallon ratataso Auringon ympäri. Kaikki planeetat kiertävät suunnilleen samassa tasossa Maan kanssa, suurin poikkeama (7°) on Merkuriuksella.

[7] Tutkijoina ovat Chadwick Trujillo (Gemini Observatory) ja Scott Sheppard (Carnegie Institution for Science), tutkimus julkaistiin Nature-tiedejulkaisussa.