planck

Luonto jäljittelee taidetta

La, 02/07/2015 - 11:28 By Markus Hotakainen
Kuva: ESA / Planck Collaboration

Näyttääkö yllä oleva kuva jotenkin tutulta? Ei niinkään yksityiskohdiltaan, mutta jossain määrin väreiltään ja erityisesti yleisilmeeltään.

Tutuntuntuisuus ei ole mikään ihme, sillä Vincent van Goghin maalauksessa Tähtikirkas yö taivas on kuvattu kovasti samannäköisenä kuin Planck-luotaimen mittauksista kootussa kuvassa.   

Keväällä 1889 van Gogh – leikattuaan korvansa irti – kirjoittautui Saint-Paul-de-Mausolen "hullujenhuoneeseen", missä hän maalasi monet tunnetuimmista teoksistaan, muiden muassa juuri Tähtikirkkaan yön. Se vastaa van Goghin huoneen ikkunasta avautunutta näkymää, jonka hän ikuisti yli 20 maalaukseen. 

Öisen maiseman yllä kaartuvalla taivaalla näkyy Kuu sekä kirkkaimpana "tähtenä" Venus, joka on korkean sypressin oikealla puolella. Vincent kirjoitti kesäkuun alussa veljelleen Theolle, kuinka ennen auringonnousua taivaalla näkyy kirkas "aamutähti". Sittemmin on todettu, että Venus todella oli tuolloin aamutaivaalla. 

 

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.

Big Bangin painovoima-aallot

Ma, 03/17/2014 - 22:37 By Jari Mäkinen
Sputh Pole Telescope ja BICEP2 (oikealla)

Huom: Uutinen on osoittautunut jälkikäteen väärinymmärrykseksi: syynä havaintoon eivät olleet painovoima-aallot, vaan Linnunradassa oleva pöly. Lisätietoja mm. tässä hyvässä Naturen jutussa.

Tämä on kenties vuosikymmenen suurin tähtitieteellinen uutinen: Etelämantereella sijaitseva radioteleskooppi on havainnut merkkejä ammoisista painovoima-aalloista, jotka syntyivät 13,8 miljardia vuotta sitten maailmankaikkeuden alun käydessä läpi kenties hurjinta syntymänsä spurttia.

Sen aikana nuori, juuri syntynyt maailmankaikkeus laajeni 2026 kertaa (miljoona miljoona miljoonaa miljardia) suuremmaksi nopeudella, joka todennäköisesti oli valon nopeutta suurempi.

Kyseessä on kaikessa outoudessaan merkittävä löytö ensinnäkin siksi, että tämä on ensimmäinen kerta, kun maailmankaikkeuden alun aikaisista, Einsteinin suhteellisuusteorian ennustamista painovoima-aalloista on saatu suoria todisteita. Toiseksi se vahvistaa kuvaamme maailmankaikkeuden synnystä ja tuo siitä huippukiinnostavaa lisätietoa. Näistä voisi hyvinkin saada kustakin erikseen Nobelin palkinnon.

Havainnon tehneessä ryhmässä oli tutkijoita Kalifornian teknillisestä yliopistosta Caltechistä, NASAn Jet Propulsion Laboratorystä sekä Stanfordin, Harwardin ja Minnesotan yliopistoista. Ryhmää johtaa tunnettu kosmologi John Kovac Harvard-Smithsonianin astrofysiikkakeskuksesta.

Ryhmällä oli kiire saada uutisensa ulos pikaisesti, koska kilpailevien ryhmien samankaltaiset tulokset ovat nähtävästi juuri tulossa; niinpä tänään ollut tiedotustilaisuus (mistä videotallenne on täällä) pidettiin epätavallisesti ennen kuin tuloksista kertova artikkeli on julkaistu.

Epäsuorasti tietoa inflaatiosta

Inflaatioksi kutsutaan hetkeä, joka tapahtui ensimmäisen sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tuhannesosan aikana. Sitä voi pitää ikään kuin alkuräjähdyksen varsinaisena alun räjähdyksenä.

Sitä ei kuitenkaan voi havaita suoraan, sillä oikeastaan mitään maailmankaikkeuden synnystä on mahdotonta havaita suoraan, koska kaikilla tavoilla sitä tutkittaessa törmätään noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen olleeseen aikaan. Sitä aikaisempaa ei voi nähdä, koska sitä ennen kaikkeus oli täynnä erittäin kuumaa plasmaa, sähköisesti varattuja hiukkasia, jotka sinkoilivat edes takaisin avaruudessa. Silloin ei ollut vielä tähtiä, vaan kaikki oli kuumaa vety-ytimistä muodostunutta hiukkaspuuroa.

Laajentuessaan maailmankaikkeus viileni ja kun tiheys, paine ja lämpötila olivat laskeneet tarpeeksi noin 380 000 vuoden kuluttua alkupamauksesta, alkoi jo siellä olleen kuuman, ionisoituneen vedyn lisäksi plasmaan alkoi muodostua neutraalia vetyä ja heliumia. Koska inflaation aikana maailmankaikkeus laajeni erittäin nopeasti, syntyi siihen pieniä paikallisia ainetihentymiä, klönttejä, jotka muodostivat ituja nykyiselle maailmankaikkeudelle, missä on ainetta hyvin epätasisesti jakaantuneena esimerkiksi galakseina ja niiden joukkoina.

Nyt joka puolelta taivasta havaittavissa oleva niin sanottu mikroaaltotaustasäteily on ikään kuin kaiku tuosta hetkestä. Se oli aikanaan hyvin suurienergistä sähkömagneettista säteilyä, mutta maailmankaikkeuden laajetessa sen aallonpituus venyi ja nyt tämä säteily on havaittavissa mikroaaltojen aallonpituusalueella.

Taustasäteilyä on tutkittu eri menetelmin jo pitkään, ja muun muassa viime vuonna toimintansa lopettanut Planck-teleskooppi havaitsi sen pieniä poikkeamia hyvin tarkasti. Sen lähettämistä tiedoista pystyttiin muodostamaan kuva maailmankaikkeudesta aikaan, jolloin plasmasta alkoi tiivistyä atomiytimiä. Se on maailmankaikkeuden kaikkein aikaisin kartta.

Planck havaitsi myös tuon säteilyn polarisaatiota, mutta sen vahvuus oli ennemminkin säteilyn voimakkuuden mittaaminen. Sen sijaan nyt julkistetun mullistavan löydön tehnyt, Etelämantereella sijaitseva BICEP2 -teleskooppi (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) havaitsee ennen kaikkea erittäin tarkasti taivaan taustasäteilyssä olevaa polarisaatiota.

Ja tämän löydön salaisuus on polarisaatiossa.

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.

BICEP2 (etualalla)

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.

Planck sulki mikroaaltokorvansa

Tähtitaivaan mikroaaltotaustasäteilyä havainnut Planck-teleskooppi sammutettiin 23. lokakuuta toimittuaan pari vuotta suunniteltua pitempään. Planckin tieteellinen johtaja Jan Tauber lähetti satelliittiin viimeisen käskyn, jolla Planck käänsi itsestään peruuttamattomasti virran pois päältä. Jo sitä ennen lennonjohto oli komentanut Planckin käyttämään ohjausrakettimoottoreitaan siten, että sen polttoainetankit tyhjenivät, jotta polttoaineen mahdollisesta räjähdyksestä joskus tulevaisuudessa ole vaaraa.

Planck ei kiertänyt Maata, eikä se siten tule putoamaan alas, vaan se etääntyy parhaillaan Maasta Aurinkoa kiertävällä radalla. Se teki havaintojaan ns. Lagrangen pisteessä noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta, joten tästä eteenpäin teleskooppi on ikään kuin kaukana meistä avaruudessa vapaasi oleva avaruusromu; sen sijainti tiedetään, eikä se siten tule olemaan uhka meille tai muille avaruusaluksille ainakaan tuhansiin vuosiin.

Havaintopaikalleen Planck laukaistiin vuonna 2009 yhdessä Herschel-infapunateleskoopin kanssa. Ne nousivat avaruuteen Ariane 5 -kantoraketilla ja lensivät erikseen samoille seuduille Lagrangen pisteeseen numero 2 (tai pikemminkin kiertämään tätä laskennallista paikkaa, missä Maan ja Auringon vetovoimat ikään kuin kumoavat toisensa).

Kumpikin teleskooppi käytti havaintolaitteidensa jäähdyttämiseen nestemäistä heliumia, ja kummankin tapauksessa helium riitti lähes tuplasti arvioitua pitempään. Kumpikin laite oli myös täysin riippuvaista heliumista, sillä ilman sitä havaintojen laatu kärsi niin paljon, ettei kallista teleskooppia kannattanut pitää toiminnassa – vaikka muuten laitteet olivatkin toiminnassa.

Planckissa on kaksi mikroaaltosäteilyä vastaanottavaa laitteistoa, matala-aaltopituinen LFI ja korkeammilla aallonpituuksilla toimiva HFI, joista HFI:n helium loppui ensin tammikuussa 2012. Sen jälkeen LFI jatkoi toimintaansa, ja ennätti tekemään peräti viisi täyttä taivaan kartoitusta ennen kuin sen helium pihisi loppuun nyt syksyllä. Tieteelliset havainnot lopetettiin 3. lokakuuta ja havaintolaitepaketista virta sammutettiin jo 19. lokakuuta.

Lokakuun aikana satelliittia valmisteltiin sammuttamiseen. Olennaisinta oli ohjata se radalle, millä se ei ole vaaraksi kenellekään.

Kyseessä oli samankaltainen toimenpide kuin Herschelillä aiemmin. “Nämä olivat kaksi ESAn ensimmäistä avaruusalusta Lagrangen pisteessä 2, joka on hyvin tärkeä paikka tieteellisesti", kertoo Andreas Rudolph, ESAn avaruusohjauskeskus ESOCissa tähtitedelennoista vastaava lennonjohtaja. Piste sijaitsee Maasta katsottuna poispäin Auringosta, joten se sopii erinomaisesti juuri tähtitieteellisiin havaintoihin.

"Planck 'passivoitiin' ja ohjattiin lentoradalle, mikä pitää sen Aurinkoa kiertävällä radalla poissa Maan ja Kuun läheisyydestä ainakin tuhansien vuosien ajan."

Ensin teleskooppi ohjattiin 9. lokakuuta pois Lagrangen pisteen luota Aurinkoa kiertävälle radalle kaksipäiväisellä, monimutkaisella manöveerillä. Radallaan Planck alkoi etääntyä hitaasti Maasta.

Sen jälkeen systeemejä sammutettiin vähitellen ja Planckin radiolähettimet kytkettiin pois päältä ja varmistettiin, ettei Planck enää koita ottaa yhteyttä. Tämä on hyvin tärkeää siksi, että luotain saattaisi joskus saada virtaa aurinkopaneeleihinsa ja alkaa lähettää, mikä voisi häiritä myöhempiä avaruusaluksia.

Lopulta 23. lokakuuta Jan Tauber painoi vertauskuvallisesti nappia, joka käynnisti ennalta laaditun ohjelman, mikä kytki kaikki Planckin laitteet pois päältä.

Kyseessä oli herkkä hetki, sillä Tauber ja koko tutkijajoukko oli tehnyt työtä Planckin parissa 1990-luvun lopusta alkaen ja toimintakuntoisen, mutta heliuminsa käyttäneen teleskoopin hylkääminen on aina vaikeaa.

Planck jättää jälkeensä hienon perinnön: maailman tarkimman ja parhaan kartan taivaan mikroaaltotaustasäteilystä, mikä on ikään kuin kaiku maailmankaikkeuden alkupamauksesta. Suomalaisille Planck oli erityisen tärkeä, sillä paitsi että suomalaistutkijat olivat - ja ovat edelleen - tärkeässä roolissa havaintotulosten käsittelyssä, niin Suomessa tehtiin Planckiin osa sen huipputarkoista vastaanottimista.

Tiedetuubi kirjoitti Planckista ja sen työstä viime maaliskuussa: Lähes täydellinen maailmankaikkeus?

Lähes täydellinen maailmankaikkeus?

To, 03/21/2013 - 17:27 By Toimitus

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.