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.

NASA laukaisee uuden planeettaetsijän avaruuteen

Taiteilijan näkemys TESS-observatoriosta avaruudessa.
Kuva NASA.

NASAn uusin eksoplaneettoja etsivä avaruusobservatorio Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) laukaistaan sääolojen sen mahdollistaessa avaruuteen.

Laukaisuun päästiin viimein 19.4.2018 kello 01.51 Suomen aikaa Cape Canaveralissa olevalta Ilmavoimien laukaisukeskuksesta Floridasta. Kantorakettina oli Spase X yhtiön Falcon 9 ja laukaisualusta oli numero 40.

Laukaisuikkuna oli vain 30 sekunnin mittainen, joten huono sää esti suunnitellun laukaisun aikaisemmin. Alun perin laukaisu olisi pitänyt tapahtua 16.4. mutta sitä siirrettiin kolmella vuorokaudella myrskyisän sää vuoksi.

Laukaisun jälkeen TESSin rataa muutetaan siten, että sen etäisin kohta Maasta kasvaa joka kierrokselta. Lopulta observatorio lentää Kuun ohi ja silloin sen rata muuttuu noin 30 asteen kulmaan maapallon ekvaattoritasosta. Yhteen kierokseen maapallon ympäri TESSiltä kuluu 13,7 vuorokautta. Rata on erikoinen, sillä sitä ei ole koskaan aikaisemmin käytetty Maata kiertävälle satelliitille! 

Rata on laaja mutta erikoisuus on siinä, että TESSin kiertoaika on 2:1 Kuun kiertoajan kanssa. Kiertoradan valinnalla varmistetaan maksimaallinen havaintoaika ja lisäksi observatorio on edelleen maapallon magneettikentän suojaavan vaikutuksen alueella, jolloin kosmisen säteilyn vaurioittava vaikutus vähenee merkittävästi.

TESSin neljä kameraa yhdessä kartoittavat 96×24 asteen
kenttää kerrallaan 27 vuorokauden ajan.
Kuva NASA.

TESSin tarkoitus on kartoittaa koko tähtitaivas seuraavien kahden vuoden aikana. Se käyttää samaa menetelmää kuin mitä Kepler-observatoriossa käytettiin, eli se mittaa tähtien kirkkautta. Jos kirkkaudessa havaitaan muutoksia, niin niiden aiheuttaja voi olla aikaisemmin tuntematon eksoplaneetta. Kirkkauden lisäksi TESS määrittää lähitähtien planeettojen ilmakehien spektrejä. Erityisesti tutkijat etsivät spektreistä niitä planeettoja, joiden ilmakehästä on vesihöyryä, happea ja metaania, siis kaasuja, jotka liitetään maapalolla esiintyvään elämään.

Jos sopivalla etäisyydellä tähdistään olevia eksoplaneettoja löytyy ja niiltä havaitaan ilmakehä, niin jatkotutkimukset tehdään James Webb avaruusteleskoopilla (JWST). JWST laukaistaan avaruuteen vuonna 2020.

TESSissä on kaikkiaan neljä laajakenttäistä kameraa havaintovälineenä. Kunkin kameran kuvakentän sivun pituus on 24 astetta ja neljän kameran kentät muodostavat yhdessä 96×24 asteen sektorin. Tätä sektoria kamerat kuvaavat yhden kierroksen ajan. Koko seuranta käsittää kaikkiaan noin 200 000 aurinkokuntamme lähitähteä. Tutkijat odottavat TESSin kartoituksen tuovan tietoja vähintään 300 maapallon kokoisesta ja supermaa -planeetoista. Supermaa-planeettojen koko on tässä yhteydessä rajoitettu enintään kaksinkertaiseksi verrattuna maapalloon.

Radan maapalloa lähimmässä osassa observatorio käännetään tietoliikennettä varten muutaman vuorokauden ajaksi. Tällöin kaikki mittaukset radioidaan Maahan. 

TESSin kartoittamat alueet taivaanpallosta
vuorokausina. Kuva NASA.

TESS kartoittaa yhtä kohdealuettaan vähintään 27 vuorokauden ajan. Havaintojakson jälkeen havaintoaluetta muutetaan siten, että se on jonkin verran päällekkäin edellisen havaintokentän kanssa. Näin jatkettaessa ensimmäisen toimintavuoden aikana tulee kartoitetuksi puolet taivaanpallosta ja seuraavana vuotena toinen puolisko. Observatorion kääntöakselin napa-alueet ovat jatkuvasti seurattuja. Tutkijat odottavat saavansa tietoja eksoplaneettojen lisäksi noin 20 000 muusta avaruuden kohteesta ja kappaleesta.

Lisätietoja

https://www.nasa.gov/tess-transiting-exoplanet-survey-satellite

Harrastajan tähtitaivas: Kuinka monta tähteä?

Etenkin syksyisenä kuulaana yönä tulee helposti mieleen kysymys: kuinka monta tähteä taivaalta on mahdollista nähdä? Niitä tuntuisi olevan miljoonia, mutta järki sanoo, että aivan näin montaa niitä ei voi olla! Siis kuinka monta tähteä voimme yhdellä kerralla nähdä?

Vastauksen saamiseen voisimme yrittää laskea näkemämme tähdet. Tämä on kuitenkin aivan toivotonta monestakin syystä joten yritetäänpä keksiä muita keinoja. Kaivoin kirjahyllystäni tähtiluettelon nimeltään ”Sky Catalogue 2000.0”. Se kertoo tähtitaivaalla olevan 8 479 tähteä, joiden kirkkaus on suurempi kuin 6,5^{m [1]}. Tämä on siis paljain silmin näkyvin tähtien yhteismäärä molemmilta tähtitaivaan pallonpuoliskoilta.

Luonnollisesti emme voi nähdä horisontin alapuolelle jääviä tähtiä, joten äkkiseltään voisimme puolittaa yhteismäärän, jolloin jäljelle jäisi runsas 4 000 tähteä. Todellisuudessa meidän tulisi vielä ottaa huomioon ne tähdet, jotka eivät nouse horisonttimme yläpuolelle lainkaan, siis eteläisen taivaanpallon napa-alueen tähdet. Nyt täytyisi siirtyä laskemaan yksittäisiä tähtiä tähtikartastosta, mutta jos laskemme niiden määrän olevan noin (1/6) 1 500, niin eiköhän olla aika tavalla oikeassa ainakin pilkun paikan suhteen. Jos joku laskee nämä tähdet, niin voi kommentissa ilmoitella tuloksen.

Vähennämme arvioimamme eteläisen napa-alueen tähdet kokonaismäärästä, jolloin pääsemme noin 7 000 tähden lukumäärään. Teoriassa siis voisimme nähdä yhdellä kertaa noin 3 500 tähteä. Tämä kuitenkin edellyttäisi sitä, että näkemämme tähtitaivas olisi näkyvissä horisontista horisonttiin ja että koko tähtitaivas olisi täysin pimeä tai oikeammin, olisimme maapallolla, jolla ei olisi ilmakehää. Ilmakehällä kun on sellainen ikävä ominaisuus, että se himmentää avaruudesta tulevaa valoa. Tätä himmenemistä kutsutaan ekstinktioksi.

Ilmakehän himmentävä vaikutus on yllättävän voimakas jopa suhteellisen suurilla korkeuksilla. Zeniittietäisyyden ollessa 40° (korkeuskulma 50°) kirja ”Tähtitieteen perusteet” antaa ekstinktiolle arvon 0,9^m, ja zeniittietäisyydelle 70° jo 1,17^m. Näin ollen näyttää siltä, että lähtökohtaisesti 6,5^m kirkkaus paljain silmin näkyvälle tähdille on väärä ja oikeampi lukumäärä olisi ainakin magnitudia kirkkaammat tähdet. Kirkkaampia kuin 5,5^m tähtien määrä on 2 873 ja eteläisen napa-alueen tähdet pois lukien noin 2 400 tähteä. Tästä määrästä näkisimme noin puolet eli noin 1 200 tähteä.

Voimme kuitenkin korjata tätä lukumäärää hieman ylöspäin pienillä zeniittikulmilla olevien tähtien suhteen (kirkkauteen 6,5^m). Korjaus ei kuitenkaan voi olla kovin suuri, sillä pienen zeniittikulman (mikä se sitten onkaan?) rajoittama tähtitaivaan ala on suhteellisen pieni koko horisontin rajoittamaan puolikkaaseen verrattuna.  Loppupäätelmänä voimme ajatella näkevämme noin 1 500 tähteä yhdellä kertaa jos tähtitaivas on täysin selkeä ja valosaatetta ei ole lainkaan.

Tilanne muuttuu kaupungeissa ja muilla valosaasteisilla alueilla. Voimme olla tyytyväisiä jos Tampereen Keskustorilla voimme nähdä puolenkymmentä kirkkainta tähteä selkeänä iltana.

Huomautukset

[1] Kirkkausluokkaa 6,5^m pidetään yleisesti paljain silmin näkyvien tähtien rajana. Raja on kuitenkin yksilöllinen silmien kunnosta ja ominaisuuksista johtuen. Myös havaintopaikalla on merkitystä; korkealla vuoristossa voimme nähdä helposti paljon himmeämpiä (jopa 7,5^m) tähtiä kuin merenpinnantasolla.

Lähimmät tähdet

3D kaavio lähitähdistä. Katso puna-
vihreillä laseilla kuvaa, jolloin
näet sen 3D:nä. Kuva Wiki Commons.

Olet varmaan joskus miettinyt, että mitkä ovat Aurinkokuntaamme olevat lähimmät tähdet ja kuinka kaukana ne ovat? Tämä kysymys tulee aika usein yleisöltä tähtitornilla tähtinäytöksissä. Jos olet tähtiharrastajiin lukeutuva henkilö, osaat varmasti nimetä lähimmän tähden. Sehän on Alfa Kentaurin järjestelmään kuuluva Proxima Kentauri noin 4,2 valovuoden etäisyydellä.

Jatkokysymys ei olekaan aivan yhtä helppo: mikä on seuraavaksi lähin? Jos olet tavallista syvällisemmin perehtynyt harrastukseen, ehkä osaat nimetä Barnadin tähden Käärmeenkantajasta. Sehän on vain 5,9 valovuoden etäisyydellä. Valitettavasti se on hyvin pieni, massaltaan vain 0,144 auringonmassaa ja visuaaliselta kirkkaudeltaan noin 9,5^m, joten sen näkemiseen tarvitaan vähintäänkin kiikari ja tarkka tietämys sen paikasta tähtitaivaalla.

Tulevaisuudessa tilanne muuttuu merkittävästi. Noin kymmenentuhannen vuoden kuluttua Barnadin tähti on siirtynyt lähimmäksi tähdeksi hieman alle 4 valovuoden etäisyyteen. Tosin Prixima Kentauri ei luovuta toista sijaansa vaan sekin on siirtynyt hieman lähemmäksi, noin 3,5 valovuoden etäisyyteen. Vasta noin 25 000 vuoden kuluttua Alfa Kentauri tulee kaikkein lähimmäksi noin kolmen valovuoden etäisyyteen.

Vielä kaukaisemmassa tulevaisuudessa Alfa Kentaurikin menettää sijoituksensa lähitähtenä, sillä noin 30 000 vuoden kuluttua lähimmän tähden paikan ottaa Ross 248 niminen tähti Andromedan tähdistöstä. Tällä hetkellä se on noin 10,3 valovuoden etäisyydellä ja siitä tuleva valo näkyy vain 14,8^m kirkkaudella.

Tässä vaiheessa lukija varmasti jo kaipaisi tähtitaivaan kirkkainta ja hyvin tunnettua tähteä, Siriusta. Sen 8,5 valovuoden etäisyys kuitenkin oikeuttaa vasta seitsemänteen sijaan lähitähtien luettelossa. Sitä ennen sijoittuvat Luhman 16(A+B) (6,6 ly), WISE 0855_0714 (7,2 ly), Wolf 359 (7,7 ly) ja Lalande 21185 (8,3 ly). Jokainen näistä ovat sen verran himmetä tähtiä, että niiden näkeminen edellyttää vähintäänkin harrastajakaukoputkea.

Siriuksen jälkeen etäisyyden kasvaessa listalla on lukuisia himmeitä tähtiä ja vasta sijalla 17 on seuraava paljain silmin näkyvä 61 Cygni Joutsenen tähdistössä. Osa näistä himmeistä tähdistä on kaksois- ja jopa kolmoistähtiä, joten jos lasketaan yksittäisten tähtien sijoitusta, 61 Cygnin tähtikomponentit A ja B valtaavat paikat 22 ja 23.

On tietysti selvää, että etäisyyden kasvaessa himmeiden tähtien määrä kasvaa nopeammin kuin paljain silmin näkyvien tähtien määrä. Seuraava paljain silmin näkyvä on vasta sijalla 20 olevan kolmoistähti Epsilon Indi. Sen jälkeen tulee sijalla 22 Tau Ceti, joka jääkin viiden kymmenen lähitähden listalla viimeiseksi paljain silmin näkyväksi tähdeksi. Tähän listaan mahtuu 70 yksittäistä tähteä.