James Webb -avaruusteleskooppi saapui eilen maanantaina asemapaikalleen Lagrangen pisteessä 2.
Olen itsekin kertonut näin teleskoopista tekemissäni jutuissa, vaikka oikeasti lause on vähän väärin: Webb, kuten muut L2:ssa "olevat" avaruuslaitteet, kiertävät pistettä väkipakolla. Ellei niitä paimennettaisi, ne karkaisisivat omille teilleen planeettainvälisessä avaruudessa.
Terveisiä kiertoradalta herää taas horroksestaan ja menee hieman erikoisemmalle kiertoradalle, Lagrangen piste 2:n ympärillä olevalle sellaiselle.
L2 on ollut minulle kovin läheinen asia pitkän aikaa, sillä pääsin seuraamaan toimittajahattu päässäni varsin läheisesti paitsi nyt James Webb -teleskoopin tekemistä ja laukaisemista, niin myös sitä edeltäneiden L2:een lähetettyjen Planck, Herschel ja Gaia -alusten tekemistä.
Tähtitieteilijälle Lagrangen piste 2 onkin rakas, sillä se sopii erinomaisesti juuri taivaan tarkkailuun. Se on noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä maapallosta, meistä "ulospäin" aurinkokunnassa katsottuna. Maa, Aurinko ja Kuu ovat sieltä katsottuna samalla suunnalla, ja siksi havaintoja voidaan tehdä koko ajan katsomalla niistä poispäin. Noin 40 % taivaasta on koko ajan havaittavissa, kun otetaan huomioon varoalueet Auringon suunnalla (herkillä havaintolaitteilla ei kannata vilkaistakaan Auringon suuntaan), ja vuoden kuluessa L2:ssa oleva teleskooppi pystyy skannaamaan hyvin koko tähtitaivaan.
Eurooppalaisen tähtitaivaan kartoittajan Gaian lisäksi L2-pisteessä on tällä haavaa lisäksi venäläis-saksalainen röntgenteleskooppi Spektr-RG. Ja nyt siis myös James Webb -teleskooppi.
Gaia tekee astrometrisiä havaintojaan parhaillaan aivan Webb-teleskoopin naapurissa. Kuva: ESA (tausta ESO).
Mikä on Lagrangen piste?
Taustalla on kuuluisa kolmen kappaleen ongelma, eli kysymys siitä, miten kolmen kappaleen liikeradat lasketaan, kun ja jos näiden kappaleiden massat, sijainnit ja nopeudet tunnetaan jonain tiettynä hetkenä.
Painovoimalait muotoillut Isaac Newton pohti tätä kinkkistä asiaa jo vuonna 1687 kuuluisassa Principia-kirjassaan, mutta Leonhard Euler sai niistä esiin jo jotain konkreettista noin 80 vuotta myöhemmin. Hän löysi kolme tasapainopistettä, missä oleva pienimassainen kappale pysyisi jotakuinkin paikallaan ollessaan kahden suuren kappaleen läheisyydessä.
Pisteitä ei kuitenkaan kutsuta Eulerin pisteiksi vaan Lagrangen pisteiksi siitä syystä, että Joseph-Louis Lagrange julkaisi vuonna 1772 kirjoituksen nimeltä "Essee kolmen kappaleen probleemasta", ja siinä hän määritteli kaikkiaan viisi pistettä, missä vetovoimat jotakuinkin kumoavat toisensa kolmen kappaleen järjestelmässä.
Kyse on siis siitä, että kaksi suurehkoa ja massiivista kappaletta muodostavat ympärilleen painovoimakentän, missä on viisi aluetta, joihin kolmas, selvästi pienempi kappale jää vähän kuin jumiin; kappaleet vetävät sitä puoleensa samalla voimalla, joten se ei ala putoamaan kohti jompaa kumpaa kappaletta, vaan on vähän kuin nalkissa.
Tarkalleen ottaen Lagrangen pisteissä kahden toisiaan kiertävän massapisteen vetovoimat sekä keskipakoisvoima kumoavat toisensa niin, että edellisiin verrattuna selvästi pienempi kolmas massa voi pysytellä niissä paikoillaan suhteessa kahteen isompaan kappaleeseen.
Maan ja Auringon tapauksessa piste 1, Lagrangen piste 1 eli L1, sijaitsee 1,5 miljoonaa kilometriä Maasta Auringon suuntaan ja L2 on saman verran meistä poispäin. L3 on puolestaan Maan etäisyydellä Auringosta täsmälleen vastakkaisella puolella Aurinkoa Maasta katsottuna.
L4 ja L5 ovat Maan radalla meistä katsottuna 60° kulmassa Auringosta katsottuna Maan vieressä. Ne siis kiertävät Aurinkoa samaan tapaan kuin Maa.
Jos L2 on omiaan tähtitieteellisille havainnoille, sopii L1-piste, joka on 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta Auringon suuntaan, hyvin Aurinkoa tarkkaileville laitteille. Siellä on esimerkiksi SOHO-aurinko-observatorio.
L3 sijaitsee puolestaan täsmälleen Auringon toisella puolella, joten siellä olevaan laitteeseen ei voi olla suoraan yhteydessä. Sen sijaan jos olisi vieras sivilisaatio, joka koittaa hivuttautua Aurinkokuntaamme ihmiskunnan huomaamatta, niin veisin avaruusalukseni juuri Maan L3-pisteeseen.
L4- ja L5-sopisivat hyvin myös Aurinkoa tarkkaileville avaruusaluksille. Jos tässäkin mennään hieman tieteistarinoiden puolelle, niin nämä pisteet olisivat myös erinomaisia paikkoja avaruusasemille, sillä ne olisivat varsin lähellä Maata ja niistä olisi kätevää lähteä myös matkaamaan ympäri Aurinkokuntaa.
Lissajous ja hänen jännä ratansa
Siinä missä pisteisiin 4 ja 5 laitetut avaruuslaitteet pysyvät paikoillaan varsin hyvin, pyrkivät pisteissä 1, 2 ja 3 olevat laitteet karkaamaan pois. Käytännössä ne ajautuisivat vähitellen omille teilleen, ellei niitä pidettäisi pienin ratamuutoksin paikoillaan.
Ja paikallaan oleminen tarkoittaa tässä jännää rataa pisteen ympärillä. Fyysikko Jules Antoine Lissajous kehitti 1800-luvun puolivälissä soikiomaisesti epäkeskoja rinkuloita ja sellainen on myös hänen nimeään kantava rata, jollaisella Lagrangen pisteen ymärillä avaruuslaitteet kiertävät.
Niin sanotulla haloradalla Lagrangeen pisteen ympärillä oleva avaruusalus tarvitsee vain silloin tällöin pieniä ratakorjauksia, eli se pystyy olemaan tällaisella radalla hyvin pitkän aikaa.
Niinpä L1- ja L2-pisteissä "olevat" avaruusalukset tekevät koko ajan pientä rinkulaa tyhjässä avaruudessa olevan matemaattisen pisteen ympärillä. Ja jotta näillä seuduilla ei tulisi tungosta, pyritään avaruusalukset vempauttamaan pois Lissajousin radalta Aurinkoa kiertämään toiminta-aikansa päätteeksi viimeisillä polttoainepisaroilla.
Näin tehtiin esimerkiksi Herschel- ja Planck-observatorioille, ja niin tehdään aikanaan myös Webbille.
Esimerkiksi Herschel kiertää nyt Aurinkoa radalla, joka on hieman maapalloa kauempana Auringosta. Se tulee tällä radallaan noin 300 vuoden kulutta uudelleen maapallon läheisyyteen, mutta pysyttelee silloinkin turvallisen välimatkan päässä – siitä ei ole meille tai muille avaruuslaitteille haittaa.
Webbin reitti L2-pisteen ympärille. Kuva: Nasa / Goddard
Miten Lagrangen pisteeseen mennään?
Otetaan esimerkiksi Webb. Kun se laukaistiin matkaan joulupäivänä 2021, sysäsi Ariane 5 -kantoraketti sen suoraan siirtoradalle kohti Lagrangen pistettä. Eli Arianen ylin vaihe sompasi reittiään siten, että Webb irtosi maapallon painovoimaikeestä ja siirtyi sellaiselle Aurinkoa kiertävälle radalle, millä Webb saapuisi noin kuukautta myöhemmin sellaiseen kohtaan avaruudessa, missä rakettimoottoria käyttämällä se voisi vääntäytyä L2:n ympärillä olevalle Lissajousin haloradalle.
Tämä vaatii tietysti aika tarkkaa ratalaskentaa ja suunnistamista niin Ariane-rakettien lennättäjiltä kuin Webbin matkantekoa ohjaavalta lennonjohdolta.
24. tammikuuta klo 21 Suomen aikaa illalla Webbin pienet rakettimottorit heräsivät henkiin ja toimivat lähes viiden minuutin ajan (297 sekuntia). Jarruttamisen sijaan moottoreilla lisättiin hieman Webbin nopeutta, noin 1,6 metriä sekunnissa, jolloin se asettui nätisti halutulle radalle.
Koska laukaisu tapahtui niin tarkasti, ettei matkalle L2:n luo tarvittu suuria ratakorjauksia, ja koska saapuminen perillekin sujui erittäin hyvin, on teleskoopilla nyt polttoainetta noin 20 vuoden toimintaa varten. Tästä eteenpäin sitä tarvitaan niihin pieniin ratamuutoksiin, joiden avulla Webb pysyttelee radallaan, ja lisäksi satunnaisesti suurempi asennonkorjauksiin.
Webbin tekeminen, laukaisu ja sen käyttäminen avaruudessa ovat oman juttunsa väärti, mutta tässä yhteydessä tärkeintä on vain se, että kaikki on mennyt paljon paremmin kuin uskallettiin toivoa. Teleskoopin tekeminen oli hidasta ja täynnä hankaluuksia, kun tekniikan rajoja puskettiin monella eri kulmalla, mutta kaikki testaaminen ja erilaisiin vikatilanteisiin varautuminen tuotti selvästi hedelmää.
Raketin nokkaan tiukaksi paketiksi kääritty teleskooppi saatiin avattua suunnitellusti ja nyt sen suuren pääpeilin muodotavia pienempiä kuusikulmaisia peilejä ollaan suuntaamassa. Peilin muotoa voidaan siis muuttaa ja säätää vielä avaruudessa, ja näin tullaan tekemään koko teleskoopin toiminnan ajan. Nyt aluksi tehtävä ensimmäinen säätö on silti kaikkein tärkein, koska nyt 18 peiliosaa säädetään millimetrin absurdisosan tarkkuudella paikalleen.
Sen jälkeen neljää mittalaitetta aletaan ottaa käyttöön, säätää ja kalibroida, ja lopulta kesällä teleskooppi aloittaa rutiininomaiset havainnot.
Mutta Webbiin ennätän palaamaan vielä moneen kertaan.
Vajaa vuosi sitten onnistuttiin tekemään havaintoja galaksista, joka sijaitsee 13,1 miljardin valovuoden etäisyydellä. Nyt tuo ennätys on historiaa.
Kaukaisin tunnettu galaksi on peräti 13,4 miljardin valovuoden etäisyydellä. Maailmankaikkeudella oli tuolloin ikää alle 400 miljoonaa vuotta.
Hubble-avaruusteleskoopilla kuvattu galaksi GN-z11 on Ison karhun tähdistön suunnassa. Galaksi on tutkijoiden mukaan "yllättävän kirkas".
"Olemme ottaneet merkittävän askeleen ajassa taaksepäin, kauemmas kuin oletimme olevan mahdollista Hubblen avulla. Näemme galaksin ajanhetkenä, jolloin maailmankaikkeuden ikä oli ainoastaan kolme prosenttia nykyisestä eli hyvin lähellä niin sanotun Pimeän ajan päättymistä", toteaa tutkimusta johtanut Pascal Oesch Yalen yliopistosta.
Aiemmin GN-z11:n etäisyys oli arvioitu sen värin perusteella. Nyt onnistuttiin kuitenkin määrittämään kohteen spektrin avulla sen tarkka etäisyys. Laajenevassa maailmankaikkeudessa spektriviivojen siirtymän määrä kohti punaista kertoo, kuinka kaukana kohde on.
"Suureksi yllätykseksemme Hubble antoi punasiirtymäksi 11,1, joka on paljon suurempi kuin edellinen ennätys 8,7. Suoritus on melkoinen, sillä avaruusteleskooppi onnistui päihittämään paljon suuremmat maanpäälliset kaukoputket, jotka pitivät aiempia ennätyksiä hallussaan", sanoo Pieter van Dokkum niin ikään Yalen yliopistosta.
Hänen mukaansa uusi etäisyysennätys pitänee pintansa siihen saakka, että James Webb -avaruusteleskooppi saadaan käyttöön vuonna 2018.
GN-z11 on havaintojen mukaan kooltaan ainoastaan 1/25 Linnunradasta ja sen tähtien massa on vain prosentin luokkaa kotigalaksimme tähtien massasta. Vastikään muodostunut galaksi kasvattaa kokoaan kuitenkin nopeasti, sillä siinä syntyy uusia tähtiä noin 20 kertaa nopeammin kuin Linnunradassa nykyisin. Siksi GN-z11 on niin kirkas, että siitä pystyttiin tekemään havaintoja Hubblella.
"On hämmästyttävää, että niin massiivinen galaksi saattoi olla olemassa vain 200–300 miljoonaa vuotta sen jälkeen kun ihkaensimmäiset tähdet alkoivat muodostua", aprikoi Garth Illingworth Kalifornian yliopistosta Santa Cruzista.
"Vaatii todella vauhdikasta kasvua ja tähtien syntyä huimaan tahtiin, jotta miljardin Auringon massainen galaksi on voinut muotoutua niin pian."
Tutkimuksesta kerrottiin Yalen yliopiston uutissivulla ja se julkaistaan Astrophysical Journal -tiedelehdessä.
Parin vuoden kuluttua avaruuteen laukaistava James Webb -avaruusteleskooppi on ison askeleen lähempänä maalia: sen 6,5 metrin läpimittainen pääpeili on valmis.
Toisin kuin Hubble-avaruusteleskoopissa, Webbin peili ei ole yhtä kappaletta, vaan rakentuu 18 kuusikulmaisesta palasesta. Kukin niistä on 1,3 metrin läpimittainen ja painaa noin 40 kiloa.
"Pääpeilin valmistuminen on todella merkittävä virstanpylväs. Siihen kiteytyy yli vuosikymmenen kestänyt suunnittelu, valmistus, testaaminen ja nyt lopullinen kokoaminen", toteaa Lee Feinberg Goddardin avaruuslentokeskuksesta.
Kaikkinensa teleskoopilla on kokoa suunnilleen saman verran kuin tenniskentällä, joten peilin valmistumisen jälkeenkin on vielä paljon tehtävää ennen kuin se voidaan lähettää avaruuteen.
"Nyt kun peili on valmis, odotamme innolla muun optiikan asentamista ja kaikkien komponenttien testausta, joka varmistaa teleskoopin selviävän rakettilaukaisusta", sanoo Bill Ochs, teleskooppiprojektin vetäjä. "Vuosi 2016 alkoi upeasti!"
"Optiikan jälkeen asennetaan paikalleen teleskoopin sydän eli Integrated Science Instrument Module. Akustisten, tärinä- ja muiden Goddardissa tehtävien testien jälkeen teleskooppi siirretään Johnsonin avaruuskeskukseen, missä tehdään perusteelliset optiset testit kylmätilassa, jotta kaikki todella toimii kuten pitää", listaa Gary Matthews optiikan kokoamisesta vastanneesta Harris Corporation -yhtiöstä.
James Webb -avaruusteleskooppi on määrä laukaista Euroopan avaruusjärjestön Ariane 5 -raketilla Ranskan Guayanasta vuonna 2018.
Pääpeilin valmistumisesta kerrottiin NASAn uutissivuilla.
Kuten Linnunradan käsikirja liftareille toteaa, avaruus on iso, tosi iso. Ja ilmeisesti myös tyhjempi kuin tähän asti on luultu. Galakseja saattaa olla vain sadasosa aiemmin arvioidusta.
Hubble-avaruusteleskoopin "syvien" eli hyvin kaukaiseen maailmankaikkeuteen yltävien otosten perusteella on laskeskeltu kaukaisten galaksien lukumääriä, mutta tulokset saattavat olla pahasti pielessä.
"Tutkimuksemme viittaa siihen, että himmeitä galakseja on selvästi vähemmän kuin olemme uskoneet", toteaa Brian O’Shea, Michiganin valtionyliopiston fysiikan ja tähtitieteen professori.
"Aikaisempien arvioiden mukaan himmeiden galaksien lukumäärä varhaisessa maailmankaikkeudessa olisi ollut satoja tai tuhansia kertoja suurempi kuin Hubble-avaruusteleskoopilla havaittujen kirkkaiden galaksien määrä. Nyt näyttää siltä, että kerroin on vain luokkaa kymmenen."
O’Shean johtama tutkijaryhmä mallinsi galaksien syntyä nuoressa maailmankaikkeudessa Blue Waters -supertietokoneella. Simulaatiossa oli mukana tuhansia galakseja sekä niiden väliset gravitaatio- ja säteilyvuorovaikutukset.
Mallinnus tuotti kirkkaita galakseja jokseenkin havaitun määrän, mutta himmeämpien ja siksi havaitsemattomien tähtijärjestelmien kohdalla tulokset poikkesivat selkeästi aikaisemmista laskelmista. Niiden määrä ei kasvanutkaan eksponentiaalisesti kirkkauden pienentyessä vaan pysyi suunnilleen vakiona.
Simulaatioita päästään vertaamaan havaintoihin muutaman vuoden kuluttua, kun Webb-avaruusteleskooppi saadaan avaruuteen vuonna 2018. Sillä voidaan tutkia paljon himmeämpiä kohteita kuin Hubblella.
Webbin näkökenttä on kuitenkin suhteellisen pieni, joten havaintoja tulkittaessa on otettava huomioon, että tilastollisesti galaksien määrä vaihtelee maailmankaikkeuden kolkasta toiseen. Se tekee O’Shean ryhmän tekemistä ja muista vastaavista mallinnuksista yhä tärkeämpiä.
"Tarvitsemme entistä syvällisempää teoreettista ymmärrystä, jotta voimme tulkita oikein näkemämme", O’Shea arvioi.
Syksyllä 2018 – ainakin suunnitelmien mukaan – avaruuteen laukaistavan James Webb -teleskoopin aurinkosuoja on jälleen askeleen lähempänä valmistumistaan: ensimmäinen viidestä kerroksesta on saatu kuosiinsa.
Äkkiseltään voi kuulostaa hassulta, että tähtiä tarkkaileva kaukoputki tarvitsee suojaa Auringolta. Tähtiähän tutkitaan öisin. Ei Hubble-avaruusteleskoopissakaan ole mitään erillistä aurinkosuojaa, ellei sellaiseksi lasketa koko putken sulkevaa läppää. Varsinaisesti teleskoopin laitteita suojelee Auringon paahteelta ja vaihtelevilta lämpötiloilta monikerroksinen, kiiltäväpintainen eristemateriaali, johon koko aparaatti on kiedottu kuin jättimäinen joulukuusenkoriste.
Webb on kuitenkin monella tapaa eri juttu kuin Hubble. Siinä missä Hubble-avaruusteleskooppi kiertää Maata noin 550 kilometrin korkeudessa, ja viettää joka kierroksella puolet ajasta Maan langettamassa varjossa ja siten pimeydessä, Webb-avaruusteleskooppi on noin 1,5 miljoonan kilometrin etäisyydellä Maasta Lagrangen pisteessä, missä on käytännössä loputon päivä. Auringon ankara paahde korventaa teleskooppia ja sen laitteita kaiken aikaa.
Periaatteessa Lagrangen L2-piste on Maan varjossa, mutta umbra (eli täysvarjo) ei ulotu niin kauas, joten sieltä katsottuna Maa peittää ainoastaan osan Auringosta. Kaiken lisäksi L2-pisteeseen sijoitettu avaruuslaite ei todellisuudessa pysyttele Maan ja Auringon suhteen paikallaan vaan kiertää tuota matemaattista pistettä niin sanottua halorataa pitkin. Eli käytännössä se on jatkuvassa auringonpaisteessa.
Toisin kuin Hubble, Webb on lisäksi rakenteeltaan avoin. Se ei siis ole perinteisessä mielessä kaukoPUTKI, jos kohta maanpäällisetkin suuret peiliteleskoopit ovat rakenteeltaan luurankomaisia. Ne ovat kuitenkin tähtitornien ympäröimiä ja paikoissa, missä öisin ei ole pelkoa muusta valosta kuin tähtien tuikkeesta. Lagrangen L2-pisteessä teleskooppiin tulvisi hajavaloa, joka pilaisi kaikki havainnot.
Ehkä tärkein peruste auringonsuojan tarpeelle on Webb-avaruusteleskoopin tutkima aallonpituusalue. Hubble on optimoitu näkyvän valon ja ultraviolettisäteilyn aallonpituuksille – siksi pääpeilin surullisenkuuluisaa hiontavirhettä oikovassa optiikassakin on korjauspeilejä eikä -linssejä, sillä uv-säteily imeytyisi linssien lasiin.
Webbin avulla on tarkoitus tarkkailla maailmankaikkeutta ja sen moninaisia kohteita infrapuna- eli lämpösäteilyn aallonpituuksilla. Avainsana tässä on "lämpö". Jotta havaintoja häiritsevät tekijät saataisiin minimoitua, teleskoopin optimilämpötila on 40 kelviniä eli noin -233 celsiusastetta. Osa sen mittalaitteista jäähdytetään peräti seitsemän kelvinin eli -266 celsiusasteen lämpötilaan.
Se olisi hyvin hankalaa, jos Aurinko pääsisi paahtamaan suoraan kaukoputken lämpöyliherkkiin osiin. Webb-teleskoopin Auringon puoleisella sivulla – eli aurinkosuojan pinnalla – lämpötila nimittäin kohoaa lähes veden kiehumispisteen lukemiin, noin 85 celsiusasteeseen eli 358 kelviniin. Jos instrumenttien jäähdytys hoidettaisiin kokonaan esimerkiksi nestemäisen heliumin avulla, sitä tarvittaisiin 5–10 vuoden mittaiseksi suunnitellun toiminnan aikana tonneittain. Kun se loppuisi, kaukoputki olisi käyttökelvoton.
Aurinkosuojaan kilpistyy valon lisäksi myös Auringon näkymätön vaikutus: sähköisesti varatuista hiukkasista koostuva aurinkotuuli. Viisikerroksinen, alumiinilla ja silikonilla päällystetystä Kapton-nimisestä polymeeristä tehty suoja toimii varjostimen lisäksi myös eristeenä. Suojamateriaalissa oleva johdotus toimii kuin ukkosenjohdatin ja estää elektroniikan vaurioitumisen Auringosta puhaltavan sähköisen tuulen tuiverruksessa.
Webb-avaruusteleskoopin tenniskentän kokoinen aurinkosuoja ei enää kuulostakaan yhtään hassulta eikä hassummalta kapistukselta.
