Kaukaisin havainto galaksin magneettikentästä

eso2316fi — Tutkimustiedote 6. syyskuuta 2023.

Tähtitieteilijät ovat havainneet ALMA-teleskoopilla (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) galaksin magneettikentän niin kaukana, että sen valolta on kestänyt yli 11 miljardia vuotta saavuttaa meidät. Näemme galaksin sellaisena kuin se oli maailmankaikkeuden ollessa vain 2,5 miljardia vuotta vanha. Tutkimus antaa tähtitieteilijöille tärkeää tietoa siitä, miten oman Linnunratamme kaltaisten galaksien magneettikentät saivat alkunsa.

Tämä kuva esittää kaukaisen 9io9-galaksin magneettikentän suuntia ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli vain 20 % nykyisestä iästään. Havainto on kaikkein kaukaisin galaksin magneettikentän havainto. Havainnot tehtiin ALMA-teleskoopilla (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array), jossa ESO on kumppanina. 9io9:n sisällä olevat pölyhiukkaset ovat jokseenkin linjassa galaksin magneettikentän kanssa, ja tästä johtuen ne emittoivat polarisoitunutta valoa, mikä tarkoittaa, että valoaallot värähtelevät ennemmin tiettyyn suuntaan kuin sattumanvaraisesti. Tähtitieteilijät pystyivät selvittämään ALMA:n polarisaatiohavainnoilla kohteen magneettikentän suunnan. Magneettikentän suunnat näkyvät kuvassa ALMA-kuvan päällä kaarevina viivoina.

Galaksi 9io9:n magneettisesti suuntautuneen pölyn lähettämä polarisoitunut säteily on äärimmäisen himmeää ollen vain noin yksi prosentti galaksin kokonaiskirkkaudesta. Tutkimusryhmää auttoi se, että vaikkakin 9io9 on hyvin kaukana meistä, niin kohteen kuva suurentui gravitaatiolinssinä tunnetun ilmiön vaikutuksesta. Tämä tapahtuu, kun kaukaisesta galaksista, tässä tapauksessa 9io9:stä, tuleva valo näkyy kirkkaampana ja vääristyneenä, kun etualalla olevan hyvin suuren kohteen gravitaatio taivuttaa valon kulkureittiä. Kuva: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/J. Geach et al.

Monilla tähtitieteen kohteilla on magneettikenttä, olivatpa ne planeettoja, tähtiä tai galakseja. "Useat ihmiset eivät ehkä ole tietoisia siitä, että koko galaksimme ja muut galaksit ovat täynnä magneettikenttiä, jotka ulottuvat kymmenien tuhansien valovuosien etäisyyksille", sanoi James Geach, astrofysiikan professori Hertfordshiren yliopistossa, Isossa-Britanniassa, ja tänään Naturessa julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja.

"Tiedämme itse asiassa hyvin vähän siitä, miten nämä kentät muodostuvat, vaikka ne ovatkin varsin perustavanlaatuisia galaksien kehittymisessä", lisäsi Stanfordin yliopiston tutkija Enrique Lopez Rodriguez, joka myös oli mukana tutkimuksessa. Ei ole selvää, kuinka varhaisessa vaiheessa ja kuinka nopeasti galaksien magneettikentät muodostuvat, koska tähtitieteilijät ovat tähän mennessä tutkineet vain meitä lähellä olevien galaksien magneettikenttiä.

Geach ja hänen tutkimusryhmänsä ovat nyt käyttäneet ALMA:a, jossa Euroopan eteläinen observatorio (ESO) on mukana kumppanina, ja löytäneet kaukaisesta galaksista täysin kehittyneen magneettikentän, joka on rakenteeltaan samanlainen kuin lähigalakseissa havaitut. Magneettikentän voimakkuus on noin tuhannesosa Maan magneettikentästä, mutta ulottuu yli 16 000 valovuoden päähän.

"Tämä löytö antaa meille uusia vihjeitä siitä, miten galaktisen mittakaavan magneettikentät muodostuvat", Geach kertoi. Täysin kehittyneen magneettikentän havaitseminen näin varhaisessa vaiheessa maailmankaikkeuden historiaa osoittaa, että koko galaksin alueelle ulottuvat magneettikentät voivat muodostua nopeasti nuorten galaksien vielä kasvaessa.

Tutkimusryhmä uskoo, että varhaisen maailmankaikkeuden voimakkaalla tähtienmuodostuksella olisi voinut olla merkitystä nopeuttamassa magneettikenttien kehitystä. Lisäksi nämä kentät voivat puolestaan vaikuttaa myöhempien tähtisukupolvien muodostumiseen. Yksi artikkelin kirjoittajista ja ESO:n tähtitieteilijä Rob Ivison sanoi löydön avaavan "uuden ikkunan galaksien sisäiseen toimintaan, koska magneettikentät ovat yhteydessä uusia tähtiä muodostavaan materiaan".

Tutkimuksessa ryhmä etsi kaukaisen galaksin 9io9 ^[1]  pölyhiukkasten emittoimaa valoa. Galaksit ovat täynnä pölyä, ja magneettikentässä sähkövarautuneet tai magneettiset hiukkaset pyrkivät asettumaan kentän suuntaisesti ja niiden lähettämä valo polarisoituu. Tämä tarkoittaa sitä, että valoaallot värähtelevät mieluummin tiettyyn suuntaan kuin satunnaisesti. Kun ALMA havaitsi ja kartoitti 9io9:stä tulevaa polarisoitunutta säteilyä, saatiin hyvin kaukaisen galaksin magneettikentän läsnäolo vahvistettua ensimmäistä kertaa.

"Mikään muu teleskooppi ei olisi pystynyt tähän", Geach sanoi. Toiveena on, että tämän ja tulevien kaukaisten magneettikenttien havaintojen myötä mysteeri siitä, miten nämä galaksien perusominaisuudet muodostuvat alkaisi selvitä.

 

Lisätietoa

[1] 9io9 löydettiin kansalaistiedeprojektin aikana. Brittiläisen BBC:n televisio-ohjelman "Stargazing Live":n katsojat olivat löydössä apuna. Vuonna 2014 yleisöä pyydettiin tutkimaan kolmena iltana miljoonia kuvia kaukaisten galaksien metsästämiseksi.

Tähdet heijastavat valoa

Oletko tullut koskaan ajatelleeksi, että valon emittoimisen lisäksi tähdet heijastavat valoa? Et niin, enkä minkään ole koskaan sitä ajatellut. Näin kuitenkin on ja nyt Uuden Walesin yliopiston ja Länsi-Sydneyn yliopiston (Australia) tutkijat professori Jeremy Bailey johdolla ovat myös onnistuneet mittamaan heijastuneen valon määrän Alfa Virginis (Spica) -tähdestä.

Spica on Neitsyen tähdistön kirkkain tähti. Kuva Wikimedia Commons.

Spica on kaksoistähti, jonka komponentit ovat hyvin lähellä toisiaan. Tällaista tähtiparia kutsutaan ellipsoidimuuttujaksi. Tämän muutoksen lisäksi Spica on myös Beeta Cephei -tähti, eli sen kirkkaus muuttuu 0,1–0,6 vuorokauden jaksoissa 0,01–0,3 magnitudin verran. Tähdet kiertävät toisiaan kerran 4,0145 vuorokaudessa

Heijastuneen valon havaitseminen ja mittaaminen perustuu valon polarisoitumiseen [1]. Tähden emittoima suora valo ei ole normaalisti polarisoitunutta mutta tähden pinta polarisoi siitä heijastunutta valoa. Heijastuminen on sitä voimakkaampaa mitä kuumempi tähti on. Spican pintalämpötila on 18 500 – 22 400 K, joten sen aikaansaama heijastuminen on joitakin prosentteja. Auringon heijastuskyky on vähemmän kuin 1 promille siihen osuneesta valosta.

Spican komponenttitähdet siis heijastavat toistensa valoa jonkin verran. Tutkijat ovat onnistuneet havaitsemaan tähtien kiertoajan myös polarisoituneella valolla. Sen lisäksi he pystyivät havaitsemaan, että tähdet kiertävät toisiaan myötäpäivään.

Tutkimuksen tehneissä australialaisissa ylipistoissa on kehitetty erittäin herkkä polarimetri, jolla mittaus on ollut mahdollista. Pienin käytetyistä teleskoopeista on ollut vain 350 mm peilillä varustettu. Polarisaation mittaaminen paljastaa kaksoistähdet, joiden löytyminen muilla menetelmillä ei ole mahdollista. Yksittäisten tähtien, kuten Auringon, heijastuneen valon määrää on tälläkin menetelmällä mahdoton havaita.

Huomautukset

[1] Polarisoitumaton valo värähtelee kaikissa suunnissa, kun taas polarisoitunut valo värähtelee vain yhdessä tietyssä suunnassa. Polarisoituminen tapahtuu valon heijastuessa ei-metallisesta pinnasta, esimerkiksi lasista tai vedestä. Polarisoitujen aurinkolasien käyttö perustuu siihen, että linssien pinnoitteen polarisaatio taso on heijastuneen valon polarisaatiotasosta poikkeava jopa 90°, jolloin polarisoitunut valo ei läpäise linssejä.

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.

B-moodi ehkä Linnunradan pölyn aiheuttama

B-moodi saattaa näkyä
polarisaatiotason kiertymisena.
Kuva BICEP2-työryhmä.

Viime maaliskuussa kerrottiin tiedotusvälineissä [1] BICEP2-työryhmän havainneen kosmisessa mikroaaltotaustasäteilyssä spiraalin muotoista polarisaatiota. Tutkimusryhmän mukaan kyse oli maailmankaikkeuden alun aikaisen inflaatiovaiheen aikaansaamia gravitaatioaaltojen vaikutus noin 380 000 vuoden ikäisen maailmankaikkeuden säteilemään sähkömagneettiseen säteilyyn. 

Nyttemmin tutkimusryhmä on hieman muuttanut tulkintaansa ja epäilevät, että ehkä kyse on sittenkin jostakin muusta. Muuttuneista käsityksistä kertoi BICEP2-työryhmän päätutkija professori Clem Pryke (Minnesotan yliopisto) Physical Review Letters -tiedejulkaisussa.

Syy tutkimustuloksen johtopäätösten muuttumiseen on myöhemmin tänä vuonna julkaistavissa Planck-observatorion tekemissä havainnoissa. Planck teki havaintojaan osaksi samasta taivaan alueesta, josta BICEP2-työryhmän havainnot tehtiin. Varsinaisesti kyse ei ole itse tulkinnasta, vaan Linnunradan sisältämän pölyn vaikutuksen suuremmasta osuudesta havaittuun polarisaation kiertymiseen. Se näyttäisi olevan voimakkaampi kuin alkuperäisessä tutkimuksessa oli arvioitu.

Maaliskuun julkistuksen jälkeen tutkijat ovat kohdanneet voimakasta epäilyä muiden tutkijoiden taholta. Tämä kuuluu tieteen tekemisen luonteeseen ja tutkimustulokset saavat yleisen hyväksynnän vasta sitten kun muut tutkimusryhmät vahvistavat tuloksen. Toistaiseksi B-moodi ei tällaista vahvistusta ole saanut. B-moodin "keksijä", professori Marc Kamionkowski (Johns Hopkins yliopisto) kertoi lisä- ja riippumattomien tutkimusten tarpeesta, sillä tiede toimii vain tällä tavalla.

Tutkijat yllättyivät maallikkojen ja tiedotusvälineiden suuresta huomiosta tutkimustulosta kohtaan. Professori Pryke kertoi BBC Newsille antamassaan haastattelussa olleensa ”myrskyn silmässä” tutkimuksen julkistamisen jälkeen tiedotusvälineiden pyytäessä haastatteluja ja esiintymisiä. Ilmeisesti taustalla on se, että vahvistuessaan gravitaatioaaltojen aikaansaama B-moodi olisi vähintään Nobel-palkinnon arvoinen löytö.

Jos Planckin havainnot osoittavat havaitun polarisaatiotason kiertymisen olevan Linnunradan pölyn aiheuttamaa, tutkijat joutuvat keksimään menetelmän, jolla sen vaikutus voidaan eliminoida. Jos siihen ei pystytä tai B-moodi jää havaitsematta jostakin muusta syystä, se ei kuitenkaan ole tieteelle mikään katastrofi. Hyvin usein lupaava tutkimushaara päätyy umpikujaan ja antaa tilaa uusille suunnille.

Huomautukset

[1] myös tällä blogipalstalla:

http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2014/03/b-moodi-havaittiin.html

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.