Uusi kaukainen galaksi havaittiin JWST:lla

Uusi, kaukainen – mutta ei varmastikaan kaukaisin – galaksi havaittiin James Webb avaruusteleskoopilla. Professori Stefano Carniani (Scuola Normale Superiore, Piazza dei Cavalieri 7, I-56126 Pisa, Italy) johtama tukijaryhmä määritteli havaitun valon lähteneen (z = 14,32) noin 290 miljoonan vuoden ikäisestä maailmankaikkeudesta. Tällä hetkellä se on siis kaukaisin havaittu galaksi. Raportti tutkimuksesta on julkaistu Cornell yliopiston ylläpitämässä arXiv-julkaisupalvelussa ennen varsinaisen paperiversion julkaisemista.

Tuhansien pienten, eri muotoisten ja väristen galaksien kenttä avaruuden mustalla pohjalla. Kirkas etualan tähti, jossa on diffraktiopiikkejä, on vasemmassa alakulmassa. Keskustan lähellä pieni valkoinen laatikko hahmottaa alueen ja kaksi diagonaalista viivaa johtavat suurempaan laatikkoon oikeassa yläkulmassa, mikä suurentaa tämän alueen näkymää. Laatikon sisällä on banaaninmuotoinen möykky, joka on toisesta puolesta sinertävän punainen ja toisesta puoliskosta selvästi punainen. Nuoli osoittaa punaisempaan osaan ja on merkitty (JADES GS z 14 0.) 

Kuva: NASA, ESA, CSA, STSCI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA)

Tutkijat arvioivat, että JWST:llä pystytään havaitsemaan galakseja, jotka ovat vain 1/10 galaksin JADES–GS–z14–0 kirkkaudesta (Muv=−20.81±0.16). Tästä voidaan päätellä, että jossakin vaiheessa lähitulevaisuudessa havaitaan galaksi, josta tuleva valo on peräisin vieläkin varhaisemmasta maailmankaikkeudesta.

Uutinen tässä havainnossa ei kuitenkaan ole galaksin etäisyys, vaan se mitä galaksista on mitattu. Tärkein löytö lienee hapen runsas esiintyminen galaksissa. Tämä tarkoittaa sitä, että galaksista lähtenyt valo on peräisin ensimmäisten (ei kuitenkaan aivan ensimmäisen) sukupolvien tähdistä. Hapen olemassaolo kertoo valon lähteeksi tähdet (mustien aukkojen kertymäkiekkojen lisäksi). Mustat aukot ovat tavallisempia ja usein yksinomaisia valonlähteitä varhaisen maailmankaikkeuden galakseissa.

Tutkijoiden antaman lausunnon mukaan he ihmettelevät sitä, kuinka nopeasti tällainen tähdistä koostuva galaksi on täytynyt syntyä? Vastaus lienee siinä, että ensimmäisten sukupolvien tähdet ovat hyvin massiivisia ja niiden evoluutio super- tai hypernoviksi kestää vain muutaman miljoonan vuoden verran. Galaksi on hyvin pieni, vain noin 1 600 valovuotta halkaisijaltaan ja massaa sillä on useita satojamiljoonia auringonmassoja.

 

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.