aalto

Metsähovin radiotutkimusasema on mukana myös kansainvälisessä yhteistyössä, jossa havaintoja pystytään tekemään maapallon kokoisella virtuaaliteleskoopilla. Kun eri puolilla maailmaa olevien radioteleskooppien havainnot yhdistetään, päästään tarkkuuteen, joka vastaa halkaisijaltaan laitimmaisten antennien välimatkan kokoista teleskooppia. 

Eikä tässä vielä kaikki. Kun mukaan otetaan avaruudessa oleva RadioAstron-satelliitti, saadaan aikaan todellista pitkäkantainterferometriaa: järjestelmän erotuskyky on parhaimmillaan yhtä hyvä kuin 300 000 kilometrin läpimittaisella yksittäisellä teleskoopilla. Radioalueella päästään siten huimasti parempaan erotuskykyyn kuin optisella.

Ja se on keskeistä tutkittaessa esimerkiksi kvasaareja. Optisella alueella voidaan tutkia esimerkiksi monissa kvasaareissa esiintyviä suihkuja ja niiden rakennetta melko yksityiskohtaisesti, mutta radiopuolella erotuskyky riittää jopa kvasaarina loimottavan galaksin keskuksessa olevan supermassiivisen mustan aukon lähiympäristön tarkkailuun.

Vaikka pilvet ja päivänvalo eivät haittaa radioalueen havaintoja, vesisateella havaintoja ei tehdä. Sää ei tällä kertaa suosinut klubilaisiakaan, sillä sateessa ja pimentyneessä illassa ulkosalla olevat mittalaitteet jäivät näkemättä. Saimme kuitenkin kutsun tulla visiitille uudemman kerran, sellaisena vuodenaikana, että valoa on enemmän ja sadetta – toivottavasti – vähemmän.

Geodeettisella asemalla keskeinen tutkimuskohde on Maa. Gravimetreillä mitataan painovoimaa sellaisella tarkkuudella, että päiväkirjaan oli merkittävä käyntimme, jotta kukaan ei ala hämmästellä mittaustiedoissa näkyviä poikkeamia. Niillä voidaan tehdä myös työajanseurantaa. Seinällä on muistutuksena käyrä, josta näkyy, miten taannoinen lumenpudotus katolta on edennyt. Kun lumikuorma siirtyy mittalaitteiden yläpuolelta rakennuksen seinustalle, painovoimassa tapahtuu selvä muutos. Siis huippuherkkien instrumenttien näkökulmasta.

Maan keskipisteen paikkaa on myös seurattava tarkoin, jotta gps-järjestelmän tarkkuus saadaan halutulle tasolle. Vaikka maankamara tuntuu tukevalta, maapallon muodossa ja merenpinnan korkeudessa tapahtuu jatkuvasti muutoksia. Keskipiste liikkuu keskimäärin noin nyrkin kokoisella alueella ja sitä pystytään seuraamaan tarkasti täältä pinnalta käsin, liki 6 500 kilometrin etäisyydeltä.

Kiinnostavana yksityiskohtana saimme kuulla vuoden 2004 tapaninpäivänä tapahtuneen voimakkaan maanjäristyksen seurauksista. Tuhoisan tsunamin aiheuttaneen järistyksen seurauksena maapallon sisään syntyi seisova aalto, joka kahdenkymmenen minuutin jaksoissa sai maanpinnan Metsähovissakin nousemaan ja laskemaan millimetrin kahdessadasosan verran. Ilmiö oli pitkäaikainen, sillä aaltoilu jatkui seuraavan vuoden toukokuuhun saakka. 

Asemalta katsotaan ylöspäin satelliitteihin. Laserilla varustetulla kaukoputkella on tarkkailtu satelliittien liikkeitä vuodesta 1978 lähtien. Satelliitissa olevaan prismaheijastimeen "ammutaan" lasersäde, jonka paluuaika havaitaan ja mitataan kaukoputken avulla. Näin saadaan laskettua satelliitin kulloinenkin korkeus ja tarkka rata, mikä on erityisen tärkeää navigointi- ja tutkimussatelliittien kannalta. 

Jatkuvassa käytössä olevien mittalaitteiden lisäksi pääsimme tutustumaan uusiin instrumentteihin ja tuleviin suunnitelmiin. Vanha satelliittilaser korvataan uudella, monin verroin tehokkaammalla ja käytännöllisemmällä kaukoputkella. Asennustyö on vielä kesken, joten kaukoputki jökötti paikallaan, mutta kun se on tositoimessa, kupolin alle ei välttämättä parane mennä, sillä teleskooppi kääntyilee pikavauhtia kohteesta toiseen.

Muutaman vuoden sisällä asemalle nousee myös 12-metrinen radioteleskooppi. Tällä hetkellä geodeettisia havaintoja tehdään aika ajoin radiotutkimusaseman antennilla, mutta kun käyttöön saadaan oma teleskooppi, päästään tekemään jatkuvia havaintoja. Kaukaisten kvasaarien avulla määritetään tosiaikaisesti Maan asentoa, mikä on gps-järjestelmän toiminnan ja tarkkuuden kannalta oleellinen tieto.

Tiedetuubin klubilaiset saivat tuhdin annoksen tietoa suomalaisesta huippututkimuksesta. Kiitokset isännillemme, Joni Tammelle ja Markku Poutaselle!

Millennium Technology Price Laureate Richard Friend from LUMA Centre on Vimeo.

Aalto-yliopiston BIT-tutkimuskeskuksessa valmistetaan polymeeristä alkuperäisiä kudoksia tai verisuonia muistuttava kudosmalli 3D-tulostustekniikalla. Halkaisijaltaan sata mikrometriä olevat suonet tehdään periaatteessa yksinkertaisella mustesuihkutekniikalla ja sitä pienemmät hiussuonet korkean resoluution kaksifotonilaser-tekniikalla.

Sen jälkeen verisuonirakenne ympäröidään hydrogeelillä ja nanokuiduista muodostetulla verkkorakenteella, jotka toimivat erityyppisten solujen kasvualustoina. Hienovarainen ja vaikeasti toteuttettava versiuonirakenne on tärkeää, jotta keinoiho saa ravinteita ja voi hoitaa aineenvaihduntansa normaalin ihon tapaan.

BIT-tutkimuskeskuksessa työtä vetää keskuksen johtaja Jouni Partanen, joka on maailman johtavia 3D-tekniikoiden kehittäjiä.

Keinokudosten 3D-tulostushanke on alkanut vuonna 2011 ja sen on määrä päättyä lokakuussa 2015. Monitieteellisessä hankkeessa on mukana kaikkiaan 16 osapuolta Euroopasta. Aalto-yliopisto osallistuu yhteensä viiteen projektiin kuuluvaan työpakettiin. Aalto-yliopiston suurin rooli on uusien materiaalien kehittämisessä, karakterisoinnissa ja suonimallitiedostojen luomisessa.

Projekti kuuluu ArtiVasc 3D -nimiseen tutkimusohjelmaan, joka on osa EU:n 7. puiteohjelmaa.

Juttu perustuu Aalto-yliopiston tiedoteeseen Keinotekoisia verisuonia ja kudoksia 3D-tulostimen avulla.

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.