Webb- ja Hubble-teleskoopit vahvistavat maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden, mutta arvoitus jatkuu edelleen

Maailmankaikkeuden laajenemisnopeus, jota kutsutaan Hubble-vakioksi, on yksi perusparametreista kosmoksen kehityksen ja lopullisen kohtalon ymmärtämisessä. Hubble-jännitteeksi (Hubble Tension) kutsuttu ero on kuitenkin havaittavissa vakion arvoissa, joita on mitattu useilla riippumattomilla etäisyysmittareilla, ja alkuräjähdyksen ennustetun arvon perusteella. NASA/ESA/CSA:n James Webb -avaruusteleskooppi on vahvistanut, että Hubble-avaruusteleskoopin tekemät havainnot olivat koko ajan oikeita, ja se on poistanut kaikki Hubblen mittauksiin liittyvät epäilykset.

Tämä kuva NGC 5468 -galaksista, joka sijaitsee noin 130 miljoonan valovuoden etäisyydellä Maasta, on yhdistelmä Hubble- ja James Webb -avaruusteleskooppien havainnoista. Tämä on kaukaisin galaksi, josta on tunnistettu kefeidejä, muuttuvia tähtiä. Ne ovat tärkeitä kilometripylväitä maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden mittaamisessa. Kefeidien perusteella laskettu etäisyys on ristiinkorreloitu galaksissa sijaitsevan Ia-tyypin supernovan kanssa. Ia-tyypin supernovat ovat niin kirkkaita, että niiden avulla voidaan mitata kosmisia etäisyyksiä paljon kefeidien etäisyysalueen ulkopuolella, mikä laajentaa universumin laajenemisnopeuden mittauksia syvemmälle avaruuteen.

Tässä spiraaligalaksissa on neljä vastapäivään kaartuvaa spiraalihaaraa. Kierteishaarat ovat täynnä nuoria, sinisiä tähtiä, ja niiden välissä on purppuranpunaisia tähdenmuodostumisalueita, jotka näkyvät pieninä pisteinä. Galaksin keskiosa on paljon kirkkaampi ja kellertävämpi, ja siinä on selvä kapea lineaarinen palkki, joka on kulmassa kello 11:stä kello 5:een. Kierteishaarojen ulkopuolella on kymmeniä punaisena näkyviä taustagalakseja. Avaruuden tausta on musta.]

Kuva: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI).

Yksi NASA/ESA:n Hubble-avaruusteleskoopin rakentamisen tieteellisistä perusteista oli käyttää sen havaintovoimaa universumin laajenemisnopeuden tarkan arvon määrittämiseen. Ennen Hubblen laukaisua vuonna 1990 maanpäällisillä teleskoopeilla tehdyissä havainnoissa oli valtavia epävarmuustekijöitä. Laajenemisnopeudelle saaduista arvoista riippuen maailmankaikkeus saattoi olla 10 – 20 miljardia vuotta vanha. Viimeisten 34 vuoden aikana Hubble on kutistanut tämän mittaustuloksen alle yhden prosentin tarkkuuteen ja kiinnittänyt eron 13,8 miljardin vuoden ikäarvoon.

Ikäarvio on saavutettu tarkentamalla niin sanottuja "kosmisia etäisyysportaita" mittaamalla tärkeitä kilometripylväitä, joita kutsutaan kefeideiksi. Kefeidien valon kirkkaus muuttuu jaksonpituudella, joka on suoraan verrannollinen tähtien massaan. Näin ollen, havaitsemalla kirkkauden muutoksia, voimme määrittää tähden absoluuttisen kirkkauden ja edelleen voimme laskea niiden etäisyydet. Kefeidit ovat myös hyvin kirkkaita tähtiä, joten niitä voidaan havaita hyvin kaukaa, joten ne soveltuvat hyvin tämän tyyppiseen etäisyysmittaukseen.

Hubble-arvo ei kuitenkaan vastaa muita mittaustuloksia, jotka viittaavat siihen, että maailmankaikkeus laajeni nopeammin alkuräjähdyksen jälkeen. Nämä havainnot tehtiin ESA:n Planck-satelliitin kartoittaessa kosmista mikroaaltotaustasäteilyä, joka on suunnitelma siitä, miten maailmankaikkeuden rakenne kehittyy sen jälkeen, kun se on jäähtynyt alkuräjähdyksestä.

Yksinkertainen ratkaisu dilemmaan olisi sanoa, että ehkä Hubble-havainnot ovat vääriä, koska sen mittauksiin on hiipinyt epätarkkuutta syvän avaruuden mittareista. Sitten tuli James Webb -avaruusteleskooppi, jonka avulla tähtitieteilijät voivat tarkistaa Hubblen tulokset. Webbin infrapunanäkymät kefeideistä vastasivat Hubblen optisen valon tietoja. Webb vahvisti, että Hubble-teleskoopin tekemät havainnot olivat koko ajan oikeassa ja poisti kaikki Hubblen mittauksiin liittyvät epäilykset.

Lopputulos on se, että niin sanottu Hubble-jännite (Hubble Tension), joka vallitsee läheisen maailmankaikkeuden tapahtumien ja varhaisen maailmankaikkeuden laajenemisen välillä, on edelleen kosmologeja työllistävä arvoitus. Avaruuden kudokseen saattaa olla kietoutunut jotain, mitä emme vielä ymmärrä.

Vaatiiko tämän ristiriidan ratkaiseminen uutta fysiikkaa? Vai johtuuko se mittausvirheistä kahden eri menetelmän välillä, joita käytetään avaruuden laajenemisnopeuden määrittämiseen?

"Kun mittausvirheet on poistettu, jäljelle jää todellinen ja jännittävä mahdollisuus, että olemme ymmärtäneet maailmankaikkeuden väärin", sanoo Adam Riess, Baltimoressa sijaitsevan Johns Hopkinsin yliopiston fyysikko. Riess on saanut Nobel-palkinnon siitä, että hän oli mukana löytämässä sitä, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy salaperäisen ilmiön, jota nykyään kutsutaan pimeäksi energiaksi.

Vuonna 2023 tehty ensimmäinen Webb-havainto vahvisti, että Hubblen mittaukset laajenevasta maailmankaikkeudesta olivat tarkkoja. Hubble-jännityksen lieventämisen toivossa jotkut tutkijat kuitenkin arvelivat, että mittauksissa olevat näkymättömät virheet voivat kasvaa ja tulla näkyviin, kun katsomme syvemmälle maailmankaikkeuteen. Erityisesti tähtien joukkoistuminen voisi vaikuttaa systemaattisesti kaukaisempien tähtien kirkkausmittauksiin.

Riessin johtama SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy) -ryhmä sai lisähavaintoja Webbillä tehdyillä havainnoista kefeideistä, jotka voidaan nyt korreloida Hubble-tietojen kanssa.

"Olemme nyt kattaneet koko Hubble-havaintojen alueen, ja voimme sulkea mittausvirheen Hubble-jännityksen syyksi erittäin suurella varmuudella pois", Riess sanoi.

Jotkin tähtitieteilijät ovat kuitenkin esittäneet, että kun siirrytään "toista porrasaskelmaa" pitkin eteenpäin, kosmiset etäisyystikkaat saattavat horjua, jos kefeidimittaukset muuttuvat epätarkemmiksi etäisyyden kasvaessa. Tällaisia epätarkkuuksia voi esiintyä, koska kefeidien valo voi sekoittua viereisen tähden valoon - vaikutus voi korostua etäisyyden kasvaessa, kun tähdet pakkautuvat taivaalle ja niitä on vaikeampi erottaa toisistaan.

Havaintohaasteena on se, että aiemmat Hubble-kuvat kaukaisemmista kefeideistä näyttävät yhä enemmän sekoittuneilta ja päällekkäisiltä naapuritähtien kanssa yhä suuremmilla etäisyyksillä meidän ja niiden isäntägalaksien välillä, mikä edellyttää tämän vaikutuksen huolellista huomioon ottamista. Välissä oleva pöly vaikeuttaa entisestään mittausten varmuutta näkyvässä valossa. Webbin ir-havainnot kuitenkin läpäisevät pölyn ja erottaa kefeidit tavallisista naapuritähdistä.

"Webbin ja Hubblen yhdistäminen antaa meille molempien maailmojen parhaat puolet. Huomaamme, että Hubblen mittaukset pysyvät luotettavina, kun nousemme pitemmälle kosmisella etäisyysportaalla", Riess sanoo.

Uusissa Webb-havainnoissa on mukana viisi isäntägalaksia, joissa on kahdeksan Ia-tyypin supernovaa ja joissa on yhteensä 1 000 kefeidiä. Havainnot ulottuvat kaukaisimpaan galaksiin NGC 5468, josta kefeidejä on mitattu ja joka on 130 miljoonan valovuoden etäisyydellä. "Tämä kattaa koko sen alueen, jolla teimme mittauksia Hubblen avulla. Olemme siis päässeet kosmisten etäisyystikkaiden toisen portaan päähän", sanoo toinen kirjoittaja Gagandeep Anand (Space Telescope Science Institute Baltimore).

Hubble- ja Webb-avaruusteleskooppien vahvistus Hubble-jännitteestä antaa muille observatorioille mahdollisuuden ratkaista mysteeri, mukaan lukien NASAn tuleva Nancy Grace Roman -avaruusteleskooppi ja ESA:n hiljattain käynnistämä Euclid-missio.

Tällä hetkellä Hubblen ja Webbin havaitsemat etäisyystikkaat on asettanut tukevan ankkuripisteeseen ja Planckin havaitseman alkuräjähdyksen jälkihehkun (kosminen taustasäteily) maailmankaikkeuden alun välille. Sitä, miten maailmankaikkeuden laajeneminen muuttui näiden kahden päätepisteen välissä kuluneiden miljardien vuosien aikana, ei ole vielä suoraan havaittu. "Meidän on selvitettävä, puuttuuko meiltä jotain siitä, miten yhdistää maailmankaikkeuden alku ja nykyhetki", Riess sanoo.

Nämä havainnot julkaistiin 6. helmikuuta 2024 ilmestyvässä The Astrophysical Journal Letters -lehdessä.

 

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.

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.