planck

Maailmankaikkeus päihitti kuitenkin van Goghin.  

Toukokuussa 2009 avaruuteen laukaistu Planck tarkkaili melkein neljän ja puolen vuoden ajan maailmankaikkeuden vanhinta "valoa", kosmista taustasäteilyä.

Säteily on peräisin noin 380 000 vuoden ikäisestä universumista, kun kosmoksen lämpötila oli laskenut niin paljon, että protonit ja elektronit lyöttäytyivät yksiin ja muodostivat atomeja. Maailmankaikkeus muuttui läpinäkyväksi ja säteily pääsi etenemään esteettä.

Maailmankaikkeuden laajeneminen on venyttänyt säteilyn aallonpituutta siten, että nykyisin se havaitaan mikroaaltoalueella. Ja juuri sillä alueella Planck mittasi säteilyn voimakkuutta ja polarisaatiota (eli säteilyn sähkömagneettisen aaltoliikkeen värähtelytason suuntaa). Havainnot kattoivat koko taivaankannen.

Otsikkokuva ei kuitenkaan esitä kosmisen taustasäteilyn jakaumaa, joten Vincent ei ollut sentään 13,7 miljardia vuotta jäljessä universumia – korkeintaan joitakin kymmeniä tuhansia vuosia.

Kuva esittää Linnunradan pölyn säteilyä, jonka polarisaatio kertoo kotigalaksimme magneettikentästä. Sen voimaviivat saavat aikaan kuvan kiemuraiset kuviot. Värit puolestaan kertovat säteilyn voimakkuudesta: punaruskea on voimakkainta, tummemman sininen heikointa.

Näkikö van Gogh sekavassa mielentilassaan taivaalla Linnunradan pölystä tulevan säteilyn polarisaation? No ei. Maalauksen ja maailmankaikkeuden välinen yhdennäköisyys on silti kiinnostava.

Polarisaatio tarkoittaa sitä missä suunnassa sähkömagneettisen säteilyn aallot värähtelevät. Yleensä esimerkiksi valo on kaikkiin suuntiin polarisoitumatonta, mutta toisinaan esimerkiksi magneettikenttä tai säteilyn siroaminen saa aikaan sen, että aallot ovat hyvin polarisoituneita - lähestulkoon kaikkien valonsäteiden värähtely tapahtuu samaan suuntaan, ylös, alas tai siihen välille, mutta vain samaan suuntaan.

Taivaan taustasäteilyn tapauksessa mikroaallot ovat polarisoituneita ammoisen maailmankaikkeuden hiukkaspuurossa tapahtuneen säteilyn siroamisen vuoksi.

Polarisoitumisen havaitseminen sinällään ei ole vaikeaa, mutta nyt tästä taustasäteilyn polarisoitumisesta haettiin sen hienorakennetta. Mikäli siitä löytyisi säännönmukainen, aaltomainen, hieman spiraalilta näyttävä rakenne – niin sanottu B-moodi - niin se olisi merkki siitä, että maailmankaikkeuden supernopea laajeneminen olisi synnyttänyt painovoima-aaltoja, jotka puristivat ja venyttivät maailmankaikkeutta kuin taikinaa. Pohjimmiltaan nämä inflaation ajan painovoima-aallot ovat peräisin kvanttimekaniikan epämääräisessä olemuksessa.

Tämän B-moodin löytäminen olisi siten suora todiste paitsi siitä, että tämä maailmankaikkeuden inflaatio on tapahtunut, niin myös siitä, että ammoisen maailmankaikkeuden ajan gravitaatioaaltoja voisi havaita.

Omituiset gravitaatioaallot

Klassinen lyhennelmä Albert Einsteinin suhteellisuusteoriasta sanoo, että aine sanoo avaruudelle miten sen pitää kaareutua, ja avaruuden kaarevuus puolestaan kertoo aineelle, miten sen tulee liikkua avaruudessa. Tämän saman ajattelumallin mukaan avaruuden kaarevassa pinnassa voi olla aaltoja, jotka toisaalta syntyvät massojen liikkumisen vuoksi, mutta jotka voivat myös liikuttaa massoja.

Gravitaatioaallot olisivat kuin aaltoja veden pinnalla, jotka liplattavat kahta kaarnavenettä ylös ja alas. Niitä saisi aikaan myös heittämällä veteen vaikkapa ison kiven.

Yksi tapa havaita painovoima-aaltoja, eli gravitaatioaaltoja, on tutkia erittäin tarkasti kahden massan välisen etäisyyden muutoksia (siis miten kaarnaveneiden sijainti toistensa suhteen muuttuu, kun aallot heiluttavat niitä). Tätä on yritetty erilaisin kokein, mutta tulokset ovat olleet epäselviä. Parhaiten asiaa tulee havaitsemaan tulevaisuudessa ESAn LISA-avaruusaluskolmikko, missä kolmen satelliitin välisiä etäisyyksiä avaruudessa mitataan lasersäteiden avulla.

LISA sopii kuitenkin vain mustien aukkojen ja vastaavien massiivisten kohteiden lähettämien aaltojen havaitsemiseen, sillä samoin kuin sähkömagneettista valoa, on myös painovoima-aaltoja eri aallonpituuksisia. Kiven heittäminen veteen lähellä tuottaa erilaisia aaltoja kuin järveen ulapan takana laskevan kosken virtaama.

Nyt havaitut aallot olivat aallonpituudeltaan hyvin pitkiä, eli taajuudeltaan hyvin pieniä, eikä niitä voi havaita suoraan. Ensimmäinen painovoima-aalloista tehty havainto oli myös tällainen epäsuora: vuonna 1974 tähtitieteilijät Russell Hulse ja Joseph Taylor havaitsivat kahden, toisiaan kiertävän kuolleen tähden lähettämää radiosäteilyä ja huomasivat, että tämän kaksoispulsarin koko ajan menettämä energiamäärä vastaa täsmälleen Einsteinin suhteellisuusteorian ennustamaa energiahävikkiä, joka johtuisi kaksikon ympärilleen lähettämistä gravitaatioaalloista. Hulse ja Taylor saivat tästä Nobelin vuonna 1993.

Seuraava askel painovoima-aaltojen havaitsemisessa olisi se, että ne voitaisiin havaita suoraan – esimerkiksi kahden massan huojuessa toistensa suhteen.

Kylmä teleskooppi reiän alla

Olennaisin asia tuoreessa löydössä oli se, että siinä painovoima-aaltojen taivaan taustasäteilyyn jättämä jälki, B-moodi, voitiin erottaa muista sellaisen mahdollisesti aiheuttavista häiriölähteistä, kuten Linnunradassa olevasta tähtienvälisestä kaasusta.

Tämä vuoksi teleskooppi sijoitettiin Etelämantereelle, koska siellä se on niin sanotun "eteläisen aukon" alla; kyseessä on pala taivasta, mistä näkee varsin hyvin ja häiriöttä ulos galaksistamme.

Itse teleskooppi on myös erittäin herkkä. Se koostuu 512 suprajohtavasta mikroaaltovastaanottimesta, jotka pystyvät havaitsemaan säteilyn polarisaation erittäin tarkasti. Niiden toimintalämpötila on vain 0,25 Kelviniä, eli vain hitusen absoluuttisen nollan yläpuolella, joten sähkövirta kiertää niissä lähes vastuksetta ja niiden kohina on erittäin pieni. Siten siis niiden herkkyys on hyvä.

Lisäksi BICEP2 -tutkijaryhmällä oli käytettävissään havaintotiedot sen edeltäjältä, BICEP1:ltä, mikä oli havainnut erityisesti näitä mahdollisia häiriönaiheuttajia mikroaaltosäteilyssä. Kun häiriöt poistettiin uusista havainnoista, saatiin kartta "todellisesta" taivaan taustasäteilyn polarisaatiosta.

Ja kun vielä uudempi Etelämantereella polarisaatiota havaitseva laite, Keck array, havaitsi jo nyt samanlaista aaltoilevaa polarisaatiomaisemaa, BICEP2-tutkijat uskalsivat luottaa omiin havaintoihinsa. Koska Keck array jatkaa toimintaansa vielä ainakin kahden vuoden ajan, on odotettavissa aiheesta vielä parempia tietoja. Ne kuitenkin ovat jo alkuperäisen, merkittävän havainnon parannuksia.

Kilpailu maineesta ja kunniasta – sekä Nobeleista

BICEP2 ei ole ainoa teleskooppi, millä inflaatiota ja painovoima-aaltoja on metsästetty. Sen välittömässä naapurissa Etelämantereella Admunsen-Scott -asemalla aivan maantieteellisellä etelänavalla on toinen polarisaatiota mittaava mikroaaltoteleskooppi South Pole Telescope (SPT). Se itse asiassa havaitsi ensimmäisenä B-moodin polarisaation, mutta  sen tuloksista ei saatu selville varmuudella alkupamauksen aikaisia painovoima-aaltoja.

Mutta SPT-tutkijoilla on nähtävästi ollut työn alla toinen, uudempi tutkimus, missä mahdollisesti olisi esitetty näistä havaintoja. Samoin muutamat muut teleskoopit ovat koittaneet havaita B-moodia vaadittavan tarkasti.

Todennäköisesti eniten harmissaan BICEP2 -tutkijoiden uutispommista ovat kuitenkin Planck-avaruusteleskoopin tutkijaryhmä, sillä todennäköisesti Planck on havainnut myös vastaavaa. Nyt amerikkalaiset korjasivat tämän potin, mutta se ei vähennä Plancin jo esitettyjä tuloksia, eikä vähennä mahdollisesti tulevien tutkimusten kiinnostavuutta.

Lopultakin kyseessä ovat vain ensimmäiset havainnot kokonaan uudella alueella: tänäinen uutinen avaa uuden ikkunan maailmankaikkeuteen.

Andrei Linde kuulee inflaation olevan totta

Stanfordin yliopisto teki edellisen uutisen julkistamispäivänä jännittävän, alla olevan videon: siinä yliopiston apulaisprofessori Chao-Lin Kuo käy kertomassa alun perin "inflatoorisen maailmankaikkauden" teorian esittäneen tutkijaryhmän johtajalle Andrei Lindelle suuren uutisen siitä, että inflaatio on nyt todistettu.

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.