JWST:n peilien suuntaus aloitettu

James Webb avaruusteleskoopin yksittäisten peilielementtien suuntaus on aloitettu helmikuun 2 päivänä. Suuntaus tehdään siten, että teleskooppi on suunnattu kohti kirkasta HD 84406 -tähteä, jolloin jokainen peilielementti tuottaa siitä oman kuvan. Apupeilin avulla kuvat ohjataan Near Infrared Camera (NIRCam) -instrumenttiin, joka on JWST:n pääkamera. Kamerassa yksittäisten peilielementtien tuottamat kuvat ovat eri kohdissa (koska peilielementtien suuntaukset poikkeavat toisistaan) ja kuvakentässä näkyy 18 tähden kuvaa.

Tähden HD 84406 kahdeksantoista kuvaa. Kuvaan on merkitty peilien tunnukset ja myöskin kuvat, jotka ovat tuleet sivusiivissä olevista peilielementeistä. Kuva NASA.

 
Jotta tutkijat voisivat varmistua, että JWST:n suuntaus olisi kohdallaan, NIRCam varustettiin erityisellä linssillä, joka tuotti kuvan kaikista peilielementeistä. Suuntaus osoittautui kuitenkin hyvin tarkaksi, sillä yksi peilielementeistä on kirkkaampi kuin muut. Se tarkoittaa sitä, että se peilielementti on oikeassa suunnassa kohti tähteä. Ja koska tämä peilielementti sijaitsee peilikentän sisimmällä kehällä, se osoittaa JWST suuntauksen olevan oikea. Suunniteltu suuntauksen etsintä alue oli suunnilleen täysikuun kokoinen (Ø 0,5°), mutta kohde tähti löytyi lähes välittömästi.

Peilielementtien suuntaus tehdään tähtikuvakentän perusteella. Peilielementtien takana on sähkömoottorit, jotka liikuttelevat peilit oikeaan suuntaansa ja tarvittaessa voivat myös muuttaa elementtien kaarevuutta (tarkennusta). Kaikkien peilielementtien suuntaamiseen on varattu aikaa parisen kuukautta. Säätämisen jälkeen lopputuloksessa kaikkien peilielementtien tuottamat kuvat ovat päällekkäin ja kuvakentässä näkyy vain yksi kirkas tähden kuva.

Pääpeilin lisäksi JWST:n kolme muuta havaintoinstrumenttia ei vielä ole saavuttaneet toimintalämpötilaansa. Ne jäähtyvät hiljalleen ja ensimmäisten tieteelliset havainnot näillä laitteilla tehtäneen kesäkuussa.

Kirkas peilielementti osoittaa suoraan suuntaustähteen. Kuva NASA.

The Suuri komeetta

Tutkijat ovat onnistuneet määrittämään komeetan 2014 UN271 (Bernardinelli-Bernstein) koon. Aikaisemmin sen arvioitiin olevan suuri, mutta sen todellista kokoa ei tiedetty.

Tähän asti suurin komeetta on ollut vuonna 1995 löydetty ja seuraavana vuona nähty Hale-Bopp. Sen halkaisijaksi tutkijat laskivat peräti 74 km. Komeetta näkyi Suomenkin yötaivaalla hyvin kirkkaana keväällä 1996 ja siitä pystyi tekemään havaintoja jopa heti kaupunkien (Tampere) keskustan ulkopuolella.

Tämä Dark Energy Survey (DES) -tutkimuksen kuva komeetta Bernardinelli-Bernstein’stä on otettu 570 megapikselin Dark Energy Camera (DECam) -kameralla, joka on asennettu Víctor M. Blancon 4 metrin teleskooppiin Cerro Tololo Interissä. -American Observatory (CTIO) Chilessä. Nämä kuvat näyttävät komeetan lokakuussa 2017, jolloin se oli 25 au päässä, vain hieman Neptunuksen etäisyyttä lähempänä.

Bernardinelli-Bernsteinin komeetan (täsmälleen keskellä) arvioidaan olevan noin tuhat kertaa massiivisempi kuin tyypillinen komeetta, joten se on luultavasti suurin nykyaikana löydetty komeetta.

DECam on suunniteltu erityisesti DES:ää varten, ja DOE ja NSF toimivat vuosina 2013 – 2019. DECam on DOE:n rahoittama, ja se rakennettiin ja testattiin DOE:n Fermilabissa. DES:n tehtävänä oli kartoittaa 300 miljoonaa galaksia yötaivaan 5000 neliöasteen alueella, mutta kuuden vuoden havaintojensa aikana se havaitsi myös monia komeettoja ja trans-Neptunisia kohteita, jotka sattuvat kuvakenttään.

Dark Energy Surveyn tietojen analysointia tukevat Department of Energy (DOE) ja National Science Foundation (NSF), ja DECam-tiedearkistoa kuratoi Community Science and Data Center (CSDC) NSF:n NOIRLabissa. CTIO ja CSDC ovat NOIRLabin ohjelmia. 

Kuva Dark Energy Survey/DOE/FNAL/DECam/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Bernardinelli & G. Bernstein (UPenn)/DESI Legacy Imaging Surveys.

Tutkijat Pedro Bernardinelli (Washingtonin yliopisto) ja Gary Berstein (Pensylvanian yliopisto) havaitsivat komeetan Dark Energy Survey kuva-aineistosta. Kuvat oli otettu vuonna 2014, josta syystä komeetan luettelotunnukseen tuli vuosi 2014. Komeetta oli hieman liikkunut seuraavina vuosina, joten sen täytyi olla Aurinkokuntamme kohde.

Ratalaskelmat osoittivat sen olevan peräisin Oortin pilvestä ja yhteen kierrokseen kuluu aikaa 5,5 miljoona vuotta. Etäisimmillään komeetta on noin valovuoden etäisyydellä Auringosta. Tällä hetkellä komeetta on lähestymässä Aurinkokuntamme sisäosia ja se saavuttaa ratansa perihelin vuonna 2031. Perihelietäisyys Auringosta on noin hieman suurempi kuin Saturnuksen keskietäisyys. Valitettavasti suuri perihelietäisyys tekee komeetasta himmeä, se ei tule paljain silmin havaittavaksi suuresta koostaan huolimatta.

Kuinka suuri se sitten on? Tutkijat pyrkivät määrittämään komeetan koon niiden lähestyessä tai poistuessa perihelistään siinä vaiheessa, kun komeetalla ei ole komaa ja pyrstöä, jolloin saadaan mitattua sen tarkka koko suhteellisen tarkasti. Koon määrittäminen ei yleensä ole helppoa, koska tutkijat joutuvat olettamaan komeetan albedon, siis valonheijastuskyvyn. Se kuitenkin vaihtelee eri komeetoilla ja sen lisäksi useimmat komeetat ovat hyvin tummia, joten laskettu koko sisältää melkoisen suuren epätarkkuuden.

Tällä kertaa tutkijat Emmanuel Lellouch'n johdolla (Observatoire de Paris) komeetan koko arvioitiin mittaamalla komeetan mikroaaltosäteilyä, joka tulee komeetan kiinteästä osasta, ytimestä. Havaintovälineenä oli Etelä-Amerikassa sijaitseva Atacama Large Millimeter Array ja mittaukset tehtiin elokuussa 2021. Silloin komeetta oli 19,6 au etäisyydellä. Mikroaalloilla komeetan ytimestä heijastuneet eri aallonpituudet mahdollistivat sen ytimeen koon määrittämisen, joka on noin 137 km.

Vaikka komeetta ei tulekaan kovin lähelle maapalloa, tutkijoilla on oiva tilaisuus tehdä havaintoja todellisesta Oortinpilven komeetasta. Erityisesti komeetan kemiallinen koostumus kiinnostaa tutkijoita, sillä se on mitä ilmeisimmin sitä alkuperäistä ja muuttumatonta materiaalia, mistä koko Aurinkokuntamme on muodostunut. Vaikka emme tiedä kuinka monta kierrosta komeetta on tehnyt nykyisellä radallaan, niin tutkijat eivät usko sen materiaalin kovinkaan paljoa muuttuneen alkuperäisestä.

Komeetat eivät ole ikuisia ja muuttumattomia, sillä jokaisen perihelin ohituksen aikaan ne yleensä menettävät merkittävän osan pintamateriaalistaan Auringon lämpösäteilyn ja tihentyvän aurinkotuulen vaikutuksesta. Lisäksi jäljelle jääväässä osassa tapahtuu kemiallisia reaktioita, jotka voivat tuottaa yhdisteitä (tholiineita), joita alkuperäisessä materiaalissa ei ole. Tholiini ovat tummia kemiallisia yhdisteitä, jotka tummentavat komeetan pintaa merkittävästi. Mitä useammin komeetta on perihelinsä ohittanut, sen pienempi ja tummempi se on. Tutkijat arvioivatkin, että lyhyellä (< 200 vuotta) kiertoradalla olevat komeetat voivat tehdä enintään noin tuhat perihelin ohitusta ennen kuin ne katoavat kokonaan.

Proximan kiertoradalta on löydetty uusi planeetta

eso2202fi — Tutkimustiedote

Ryhmä tähtitieteilijöitä on löytänyt todisteita aurinkokuntamme lähintä tähteä Proxima Centauria kiertävästä uudesta planeetasta. Havainnot on tehty Euroopan eteläisen observatorion (ESO) Chilessä sijaitsevalla Very Large Telescope, eli VLT-kaukoputkella. Tämä planeettaehdokas on planeettajärjestelmän kolmas ja kevyin toistaiseksi löydetty. Planeetan massa on vain neljäsosa maapallon massasta ja se on myös yksi kevyimmistä koskaan löydetyistä eksoplaneetoista.

Tämä kuva taivaasta kirkkaan kaksoistähden Alfa Centauri AB ympäristötä esittää myös paljon himmeämmän punaisen kääpiötähden, Proxima Centaurin, joka on lähin Aurinkokuntaa oleva tähti. Kuva koostettiin Digitized Sky Survey 2 -kartoitukseen kuuluvista kuvista. Alfa Centauri AB:n ympärillä näkyvä sininen halo on seurausta kuvankäsittelystä eikä siten todellinen piirre, sillä kaksoistähti näyttää oikeasti Auringon tavoin hailakan keltaiselta. Kuva: Digitized Sky Survey 2 / Davide De Martin/Mahdi Zamani.

”Löytö osoittaa, että lähin tähtinaapurimme näyttää olevan täynnä mielenkiintoisia uusia maailmoja, jotka ovat jatkotutkimuksen ja tulevaisuudessa tarkemman tarkastelun ulottuvilla”, sanoi João Faria, Portugalin Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaçon tutkija, ja tänään Astronomy & Astrophysics -lehdessä julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja. Proxima Centauri on Aurinkoa lähin tähti, joka sijaitsee hieman yli neljän valovuoden etäisyydellä.

Juuri löydetty planeetta on nimeltään Proxima d ja se kiertää Proxima Centauria noin neljän miljoonan kilometrin etäisyydellä. Tämä on alle kymmenesosa Merkuriuksen etäisyydestä Aurinkoon. Sen kiertorata sijaitsee tähden ja elämänvyöhykkeen (tähden ympärillä olevan alue, jolla planeetan pinnalla voi olla nestemäistä vettä) välissä. Planeetan kiertoaika on vain viisi vuorokautta.

Tähden kiertoradoilla tiedetään jo olevan kaksi muuta planeettaa: Proxima b on planeetta, jonka massa on maapallon kokoluokkaa. Se kiertää tähden ympäri 11 vuorokaudessa ja se sijaitsee elämänvyöhykkeen sisällä. Toinen planeetta on Proxima c, jonka kiertoaika on pidempi: viisi vuotta.

Proxima b löydettiin muutama vuosi sitten ESO:n 3,6-metrin teleskoopin HARPS-instrumentilla. Löytö vahvistettiin vuonna 2020, kun tutkijat havaitsivat Proxima-järjestelmää uudella ja tarkemmalla ESO:n VLT-kaukoputken instrumentilla; ESPRESSO:lla (Echelle specTrograph for Rocky Exoplanets ja Stable Spectroscopic Observations). Näiden uudempien VLT-havaintojen yhteydessä tähtitieteilijät huomasivat ensimmäiset vihjeet kohteesta, jonka kiertoaika olisi viisi vuorokautta. Koska signaali oli niin heikko, niin tutkimusryhmän oli tehtävä ESPRESSO:lla jatkohavaintoja vahvistaakseen, että signaali johtui itse planeetasta eikä yksinkertaisesti tähden muutoksista.

”Pystyimme vahvistamaan tämän signaalin aiheutuvan uudesta planeettaehdokkaasta uusien havaintojen jälkeen”, Faria sanoi. ”Otin innoissani haasteen vastaan, jonka näin heikon signaalin havaitsemisen aiheuttaa. Teimme havainnot ja löysimme uuden eksoplaneetan näin läheltä Maata.”

Proxima d on kevyin koskaan radiaalinopeustekniikalla havaittu eksoplaneetta, ja sen massa on vain neljännes maapallon massasta. Sen massa alittaa hiljattain L 98-59 planeettajärjestelmästä löydetyn planeetan. Havaintomenetelmässä tarkkaillaan tähden liikkeessä tapahtuvaa pientä huojuntaa, joka aiheutuu tähteä kiertävän planeetan gravitaatiosta. Proxima d:n gravitaation vaikutus on niin heikko, että se saa Proxima Centaurin liikkumaan edestakaisin nopeudella: noin 40 senttimetriä sekunnissa.

”Tämä saavutus on äärimmäisen tärkeä”, ESPRESSOn instrumentitutkija Pedro Figueira Chilen ESO:ssa, sanoi. ”Tutkimus osoittaa, että radiaalinopeustekniikalla pystytään paljastamaan oman planeettamme kaltaisten kevyiden planeettojen olemassaolo. Näitä oletetaan olevan galaksissamme kaikkein eniten ja ne voivat mahdollisesti ylläpitää elämää sellaisena kuin me sen tunnemme.”

”Tämä tulos osoittaa selvästi, mihin ESPRESSO pystyy ja saa minut pohtimaan, mitä se pystyykään tulevaisuudessa löytämään”, Faria lisäsi.

ESO:n Extremely Large Telescope (ELT), jota parhaillaan rakennetaan Atacaman autiomaassa, tulee täydentämään ESPRESSOn suorittamaa eksoplaneettojen etsintää. ELT tulee olemaan ratkaisevan tärkeässä roolissa läheisten tähtien kiertoradoilla kiertävien uusien planeettojen löytämisessä ja tutkimisessa.

Lisätietoa

Tämä tutkimus on esitelty artikkelissa “A candidate short-period sub-Earth orbiting Proxima Centauri” (doi:10.1051/0004-6361/202142337), joka julkaistaan Astronomy & Astrophysics -lehdessä.

 

JWST saavutti L2-pisteen haloradan

NASAn, ESAn ja Kanadan avaruusjärjestön yhteishanke sijoittaa James Webb avaruusteleskooppi Lagrangen L2-pisteen haloradalle on onnistunut. Tarvittava ratakorjaus tehtiin eilen (24.2.2022) käynnistämällä teleskoopin ohjausraketit 297 sekunnin ajaksi. Polton seurauksena JWST:n ratanopeus kasvoi 1,6 m/s ja rata muuttui kiertoradaksi L2-pisteen ympäri. Tällä radalla avaruusteleskooppi pysyy käyttämällä vain vähäisen määrän polttoainetta pieniin ratakorjauksiin.

Kaaviokuva JWST:n radasta ja L2-pisteen haloradalle asettumisesta.
Kuva Steve Sabia/NASA Goddard.

 
James Webb avaruusteleskooppi laukaistiin avaruuteen joulukuun 25 päivänä (2021) Ariane 5 kantoraketilla Kouroun avaruuskeskuksesta Ranskan Guianasta. Laukaisun jälkeen avattiin ensin teleskoopin aurinkokennot ja sen jälkeen pääpeilin osat siirrettiin paikoilleen. Saavuttaakseen päämääränsä, teleskoopille piti tehdä vielä jokunen ratakorjaus, mutta niiden määrä ja kesto oli pienempi kuin mitä suunnitelmissa oli varauduttu. Tästä syystä polttoainetta säätyi merkittävästi ja nyt teleskoopin 5,5 vuoden toiminta-ajaksi lasketaan noin 10 vuotta.

Lagrangen L2-piste muodostuu Auringon ja Maan gravitaation ja keskipakoisvoiman yhdistelmästä noin 1,5 miljoonan km etäisyyteen maapallosta, jonka pisteen ympärille on mahdollisuus muodostaa sinne lähetetuille aluksille ns. halorata. Haloradan keskellä ei ole minkäänlaista massakeskipistettä, vaan se muodostuu ”lähes itsestään” em. gravitaatiovaikutuksen vuoksi. Halorata L2-pisteessä ei kuitenkaan ole stabiili pitkällä aikavälillä, sillä siihen vaikuttaa monia häiritseviä tekijöitä. Ehkä merkittävin häiriön aiheuttaja on Auringon valon paine, joka pyrkii poistamaan aluksen L2-pisteessä ja muutamaan sen tavanomaiseksi Aurinkoa kiertäväksi radaksi.

Halorata on luonteeltaan muutenkin labiili, sillä sen gravitaatiogradientti on käänteinen gravitaatiokuoppaan verrattuna, eli se on muodoltaan satulapintaa muistuttava. Mikään luonnollinen kappale (asteroidi tai meteoroidi) ei voi pysytellä haloradalla kovinkaan pitkään, vaan ne poistuvat viimeistään muutaman vuoden kuluessa, jos ne sinne jostakin syystä päätyvät. Tällaisia luonnollisia satelliitteja havaitaan lyhytaikaisesti silloin tällöin, joskin ne näyttävät useimmiten kiertävän maapalloa ns. kvasiradalla, joka on hieman erilainen kuin halorata.

Nyt kun JWST on sijoitettu tehtävänsä edellyttämälle radalle, insinöörien ja tutkijoiden seuraavat tehtävä on säätää pääpeilin lohkot nanometrin tarkkuudella oikeille paikoilleen. Aikaa tähän arvioidaan tarvittavan noin kolme kuukautta.

JWST pääpeilin avaaminen onnistui

NASA:n [1] James Webb -avaruusteleskooppitiimi avasi 6,4 metrin kullalla päällystetyn pääpeilin onnistuneesti. Ryhmä julisti pääpein avautuneeksi eilen illalla kello 20.17 Suomen aikaa, kolmisen tuntia sen jälkeen, kun peilin vasemman lohkon kääntäminen suoritettiin. Oikea lohko käännettiin edellisenä päivänä. Peililohkojen kääntäminen oli koko suunnitelman kriittisin vaihe, sillä epäonnistuessaan se olisi voinut tuhota koko noin 10 miljardia dollaria kustantaneen ja yli kaksikymmentä vuotta kestäneen hankkeen.

Aurinkosuojan ja pääpeilin avauskaavio. Kuva ESA.

Luonnollisesti peililohkojen onnistunut kääntäminen herätti suurta tyytyväisyyttä pitkään ja huolellisesti tehdyn valmistautumisen jälkeen. Tämä tyytyväisyys näkyi annetuissa lausunnoissa.

"NASA saavutti tänään uuden tekniikan virstanpylvään vuosikymmeniä valmistelun jälkeen. Vaikka tämä matka ei vielä ole päättynyt, Webb-tiimi hengittää jo hieman vapautuneemmin ja odottaa tulevia läpimurtoja, jotka varmasti inspiroivat maailmaa", sanoi NASAn johtaja Bill Nelson. "James Webb -avaruusteleskooppi on ennennäkemätön tehtävä, joka mahdollistaa ensimmäisten galaksien havaitsemisen ja löytää universumimme mysteerit. Jokainen jo saavutettu vaihe ja tulevat saavutukset on osoitus tuhansista innovaattoreista, jotka omistautuivat intohimonsa tähän tehtävään."

"Olen niin ylpeä tiimistä — joka kattaa maanosia ja vuosikymmeniä — ja joka saavutti tämän lajissaan ensimmäisen saavutuksen", sanoi Thomas Zurbuchen, NASAn Washingtonin päämajan Science Mission Directorat -yksikön apulaisvastaava. "Webin onnistunut käyttöönotto on esimerkki NASAn parhaista ominaisuuksista: halukkuus yrittää rohkeita ja haastavia asioita vielä tuntemattomien löytöjen nimissä."

"Kaikkien Webb-avaruusteleskoopin käyttöönottojen onnistunut loppuun saattaminen on historiallista", sanoi Gregory L. Robinson, NASAn päämajan Webb-ohjelman johtaja. "Tämä on ensimmäinen kerta, kun NASAn johtama operaatio on koskaan yrittänyt saattaa päätökseen monimutkaisen sekvenssin avatakseen observatorion avaruudessa - tämä on merkittävä saavutus tiimillemme, NASAlle ja maailmalle."

Seuraavaksi lähitulevaisuudessa JWST tekee kolmannen radankorjauksen, jonka jälkeen avaruusteleskoopin pitäisi asettua Lagrangen L2-pisteen haloradalle 1,5 miljoonan kilometrin etäisyyteen maapallosta.

Tulevien kuukausien aikana pääpeilin 18 kuusikulmaista segmenttiä kohdistetaan oikeisiin asemiin, jotta segmentit muodostaisivat yhtenäisen pääpeilin. Kohdistamista varten jokaisen segmentin takana on seitsemän toimilaitetta, jotka säätävät segmenttien asennon oikeaksi.

Pääpeilin saatua oikean muotonsa tehdään havaintoinstrumenttien kalibroiminen. Kun se tulee tehdyksi, uusi avaruusteleskooppi on valmis tehtäväänsä joskus ensi kesänä. Tätä ennen luultavasti NASA ja ESA julkaisevat joitakin kuvia, varsinkin kalibrointivaiheen loppupuolella.

Katso animoitu video JWSTn laukaisusta ja aurinkosuojan ja pääpeilin avaamisesta.

Huomautukset

[1] James Webb avaruusteleskooppi on NASAn, Euroopan avaruusjärjestön (ESA) ja Kanadan avaruusjärjestön (CSA) yhteishanke joskin NASAn eri osastot ja tutkimuslaitokset ovat olleet päävastuussa tehtävän suunnittelusta, rahoituksesta ja toteuttamisesta.