Tätä päivää on odotettu: Planck-satelliitin havainnoista tehty kartta kosmisesta taustasäteilystä julkistettiin. Suomalaiset tutkijat ja teollisuus ovat mukana tässä perimmäisten kysymysten äärille menevässä Euroopan avaruusjärjestön hankkeessa. Planck-avaruusteleskoopin 15,5 kuukauden aikana tekemiin mittauksiin perustuva kartta nuoresta maailmankaikkeudesta on ikään kuin kuva alkuräjähdyksestä. Täsmälleen ottaen se on kuva kaikkialta tähtitaivaalta tulevasta säteilystä, joka on universumimme vanhinta valoa, joka syntyi kun maailmankaikkeus oli vain 380 000 vuoden ikäinen. Avaruuden täytti silloin tähtien ja galaksien sijaan kuuma protonien, elektronien ja fotonien puuro, jonka lämpötila oli 2700 celsiusastetta. Kun protonit ja elektronit yhdistyivät vetyatomeiksi, valo pääsi kulkemaan vapaasti. Se on muuttunut avaruuden laajentuessa mikroaaltosäteilyksi, jonka lämpötila on nyt vain 2,7 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Koska nyt tämä säteily näyttää tulevan joka puolelta taivasta, kutsutaan sitä myös taivaan taustasäteilyksi tai kolmen kelvinin säteilyksi, koska 2,7 astetta nollan yläpuolella on liki kolme kelviniä. Kiinnostavinta tässä kartassa ovat pienenpienet vaihtelut, lievästi kuumemmat ja kylmemmät kohdat, jotka kertovat varhaisen maailmankaikkeuden rakenteesta. Kosmologian standardimallin mukaan nämä tiheysvaihtelut syntyivät alkuräjähdyksen alkuvaiheessa satunnaisina värähtelyinä ja laajenivat tähtitieteelliseen mittaan inflaatioksi kutsutussa lyhytaikaisessa, mutta rajussa kiihtyvän laajenemisen vaiheessa. Sittemmin nämä pienet eroavaisuudet saivat aikaan suuria maailmankaikkeuden rakenteita, joita voidaan nyt havaita mm. galaksijoukkoina, galakseina ja jopa yksittäisinä tähtinä. Taivaan taustasäteilyä on kartoitettu aikaisemminkin, mutta tänään julkaistu kuva on huomattavasti aikaisempia mittauksia tarkempi. Julkaistu kartta on lähes täydellisessä sopusoinnussa maailmankaikkeuden rakennetta kuvaavan kosmologian standardimallin kanssa, mutta tutkijoiden harmiksi siinä on muutamia kummallisuuksia.
Viisi kosmista vakiota Sinällään malli on yksinkertainen, sillä siinä kaikkeuden kuvaamiseen tarvitaan vain viisi lukua, joita kutsutaan kosmologisiksi parametreiksi. Uusi kartta määrittää nämä perusluvut aiempaa tarkemmin. Ensimmäiset kolme lukua tulevat siitä, mikä on arviomme maailmankaikkeuden koostumuksesta: Planckin tuoreiden tietojen mukaan tavallista ainetta, josta tähdet ja galaksit muodostuvat, on 4,9 % maailmankaikkeuden aine- ja energiatiheydestä. Pimeää ainetta, jonka toistaiseksi pystymme havaitsemaan vain sen painovoiman vaikutuksesta, on 26,8 %, eli liki viidennes enemmän kuin aiemmin arvioitiin. Vastaavasti pimeää energiaa, toistaiseksi varsin tuntematonta voimakenttää, jonka uskotaan olevan vastuussa universumin laajenemisen nykyisestä kiihtymisestä, on aiempaa arvioitua vähemmän. Niin sanottu Hubblen vakio, maailmankaikkeuden nykyinen laajenemisnopeus, ei sen sijaan ole kosmologinen vakio, koska se määräytyy aineen kokonaismäärästä ja avaruuden geometriasta. Se oletetaan nykyisessä standardimallissa keskimäärin laakeaksi siten, että paikallista avaruuden kaarevuutta on eri suuntiin keskimäärin yhtä paljon. Näin ollen kaarevuutta ei havaita suuressa mittakaavassa. Hubblen vakio näyttää nyt olevan jonkin verran pienempi kuin on laskettu aiemmin: 67,15 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohden. Parsek on tähtitieteestä käytetty pituusyksikkö, pituudeltaan 3,2616 valovuotta. Tästä voidaan edelleen laskea maailmankaikkeuden ikä, joka näin ollen on aiemmin arvioitua hieman suurempi, 13,82 miljardia vuotta. Kaksi viimeistä kosmologista vakiota ovat alkuperäisten tiheysvaihteluiden voimakkuus sekä indeksi, joka kuvaa sitä, miten tiheysvaihteluiden voimakkuus riippuu etäisyysskaalasta. Näiden tiheysvaihteluiden uskotaan syntyneen alkuräjähdyksen inflaatiovaiheessa eli juuri niihin aikoihin, kun Planckin havaitsema säteily lähti liikkeelle. Osa lukuisista inflaatiota kuvaavista teorioista tuottaa myös gravitaatioaalloiksi kutsuttuja avaruuden värähtelyjä, jotka voivat näkyä kosmisessa taustasäteilyssä. Planckin tiedoista odotettiin vahvistusta myös gravitaatioaaltojen olemassaololle, mutta niitä ei havaittu: tämäkin tosin on hyvin kiinnostava tieto.
Anomalioita? Tuore taustasäteilykartta on myös osittain ristiriidassa nykyisen kosmologian standardimallin kanssa, sillä sen mukaan lämpötilanvaihteluiden pitäisi olla samanlaisia kaikkialla, mutta Planckin mukaan ne ovat toisella puolella taivasta voimakkaampia kuin toisella. Taivaalla on siis suuri liian kylmä alue. Näitä outouksia havaittiin jo aikaisemmin, mutta niiden oletettiin olevan virhehavaintoja. Koska nyt Planck kertoo samaa – ja vielä selvemmin – on kyse selvästi aidosta ja oikeasta havainnosta. Siksi näille poikkeamille pitää nyt löytää selitys, joka liittyy maailmankaikkeuden ominaisuuksiin kaikista suurimmilla etäisyysskaaloilla. Eräs mahdollisista selityksistä on se, että säteily ei tulekaan suoraan havaittavaksemme maailmankaikkeuden alusta, vaan eri puolilta taivasta tuleva säteily olisi tullut erilaista tietä. “Tarkoituksemme on luonnollisesti rakentaa sellainen uusi teoria, että se ennustaa hyvin havaitut anomaliat ja yhdistää ne muihin havaintoihin”, sanoo George Efstathiou, Planck-hankkeessa alusta alkaen mukana ollut kosmologi Cambridgen yliopistosta. “Mutta emme tiedä vielä miten se onnistuu ja kuinka paljon tarvitsemme aivan uutta fysiikkaa. Tämä on erittäin kiinnostavaa!” Kuin suuri lämpömittari Taivaan taustasäteilyn mittaaminen on periaatteessa yksinkertaista, sillä siihen tarvitaan vain erittäin tarkka vastaanotin. Se mittaa joka puolelta taivasta kunkin taivaankohdan lähettämän taustasäteilyn aallonpituuden. Tämä puolestaan vastaa tietyssä lämpötilassa olevaa mustaa kappaletta, joten tuloksena on ikään kuin koko taivaan lämpötilakartta. Käytännössä mittaaminen on sitä hankalampaa, mitä tarkemmin mittaus halutaan tehdä. Siksi vastaanottimet ja niihin taivaalta säteilyä keräävät peilit suojataan hyvin ja itse vastaanottimet jäähdytetään hyvin alhaiseen lämpötilaan, Planckin tapauksessa 100 millikelvinin lämpötilaan. Yhden vastaanottimen sijaan Planckissa on koko joukko vastaanottimia, jotka on jaettu kahteen päähavaintolaitteeseen. Ne on nimetty mielikuvituksellisesti lyhenteillä LFI ja HFI, eli Low Frequency Instrument (matalataajuushavaintolaite) ja High Frequency Instrument (korkeataajuushavaintolaite). Mikroaaltosäteilyä kerätään taivaalta puolitoistametrisellä lautasantennilla, jota tosin pintatarkkuutensa puolesta voisi kutsua myös peiliksi. Se heijastaa säteet apupeiliin, joka suuntaa ne polttopisteeseen kerättyyn aaltoputkien patteriin. Mikroaaltovastaanottimissa antennin virkaa hoitavat aaltoputket, pieniltä torvilta näyttävät metallisuppilot, jotka on asetettu urkupillien tapaan sisäkkäisiin kehiin peilin polttopisteeseen. Kunkin putken takana on vahvistin, mistä signaali johdetaan noin metrin pituisilla aaltoputkilla ns. takapäähän, missä se jälleen vahvistetaan, integroidaan, digitoidaan ja sitä verrataan tarkasti tunnettuun neljän kelvinin vertailusignaaliin. Kun vertailusignaalista vähennetään taivaalta saatu signaali, on tulos taivaan lämpötila. Se lähetetään Maahan tutkimuksia varten. Havaittavat mikroaaltotaajuudet kattavat alueen 25 GHz:stä aina tuhanteen gigahertsiin. Kun Planck on lopulta avaruudessa akselinsa ympäri pyöriessään ja hitaasti kääntyessään saanut skannattua koko taivaan, on tuloksena sellaisenaan täysin käyttökelvoton kartta. Heikkoon taustasäteilysignaaliin on sekoittunut kaikkien avaruudessa olevien kappaleiden lähettämää mikroaaltosäteilyä, joten kartasta pitää siivota pois tähtien, planeettojen, komeettojen, kaasusumujen, galaksien ja muiden fysikaalisten otusten lähettämä mikroaaltosäteily. Niistä kiinnostuneille tähtitieteilijöille Planckin havainnoista on myös iloa, mutta kosmologi odottaa eteensä tietoa kaiken roskan alta paljastuvasta heikosta kuviosta. Taustasäteily on niin heikkoa, että laskennallisesti Planck saa toimia 2,5 miljoonaa vuotta saadakseen havaittua saman energian kuin tavallinen 60 watin lamppu lähettää ympärilleen palaessaan sekunnin. Käytännössä kuitenkin Planck toiminee enää tämän vuoden elokuuhun asti, jolloin koossa on neljän vuoden havaintoaineisto. Sitä parempia tuloksia ei oletettavasti saada, vaikka lentoa jatkettaisiin, joten Planck laitetaan silloin eläkkeelle (siis sammutetaan). Seuraavan kerran Planckin tuloksia on tarkoitus julkaista vuonna 2014. Tällöin odotetaan tuloksia myös taustasäteilyn polarisaatiosta, jossa inflaation tuottamat gravitaatioaallot näkyisivät erityisen hyvin. Ainakin toivottavasti. Suomi voimakkaasti mukana Planckin matalataajuusinstrumentin tulitikkuaskin kokoiset 70 GHz:n vastaanottimet, joita satelliitissa on kaikkiaan 12 kappaletta, on tehty Suomessa. Niiden suunnittelusta ja rakentamisesta ovat vastanneet VTT Tietotekniikan MilliLab, Ylinen Electronics Oy (nykyinen DA-Design Oy) ja Aalto-yliopiston Metsähovin radiotutkimusasema. Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen kosmologian tutkimusryhmä on keskeisissä tehtävissä puolestaan saatujen tietojen käsittelyssä, sillä heidän tehtävänään on koostaa havainnoista säteilyn eri aallonpituuksia vastaavia taivaan karttoja. Kartat laaditaan ensin erikseen kullekin Planckin yhdeksästä taajuuskaistasta. Kosmisen taustasäteilyn kartta saadaan yhdistämällä nämä yhdeksän karttaa siten, että muiden mikroaaltolähteiden, kuten oman galaksimme säteilyn, vaikutus saadaan poistettua. Akatemiatutkija Elina Keihänen opiskelijoineen on vastannut kolmen alimman taajuuskaistan karttojen laatimisesta. Ryhmä osallistui myös kosmologisten parametrien määrittämiseen taustasäteilykartasta. Tutkijatohtori Jussi Väliviita opiskelijoineen keskittyi isokurvatuurimalleihin. Suomessa Planckin tietoja käytetään tutkimuksessa hyväksi myös Tuorlan Observatoriossa sekä Metsähovin radiotutkimusasemalla. Katso video kartan julkistustilaisuudesta täältä: Planck's Cosmic Microwave Background map Media Briefing.

Juttuja samasta aiheesta