Vuorenhuipun yllä yötaivas on kirkas, ja peililtään 10,4-metrinen maailman suurin optinen teleskooppi GTC (Gran Telescopio Canarias) lisää kuvia tähtitieteelliseen albumiin. Niistä tutkijat selvittävät ympäröivän kaikkeuden rakennetta. Iso teleskooppi kuvaa jatkuvasti galakseja, supernovia ja eksoplaneettoja.
Kun tutkijat haluavat nähdä etäiset planeetat tai galaksit luonnollisessa valossa, he käyttävät optisia teleskooppeja. Mitä suurempi peilin läpimitta on, sitä kauemmas kaikkeuteen voidaan nähdä.
Raja tulee kuitenkin vastaan, sillä optiset teleskoopit ovat kalliita. GTC maksoi noin 130 miljoonaa euroa, ja sitä rakennettiin yli seitsemän vuotta. Toiseksi suurin samantyyppinen kaukoputki – 9,2-metrinen SALT (Southern African Large Telescope) – maksoi alle 20 miljoonaa.
Tähtitieteilijä David Kipping yhdysvaltalaisesta Columbian yliopistosta on ehkä ratkaissut ongelman.
Hän ehdottaa täysin erilaista teleskooppia, Terrascopea, joka saa jopa kaikkein kalleimmat ja kunnianhimoisimmat hankkeet näyttämään nappikaupalta. Siinä käytetään hyväksi valon taittumista Maan ilmakehässä ja tehdään planeetasta yksi jättiläismäinen linssi.
Kaukoputket kasvu-uralla
Vuoden 1980 jälkeen yhdestä osasta koostuvalla peilillä varustetun teleskoopin rakennuskustannukset on voitu laskea korottamalla läpimitta potenssiin 2,5.
Kun peilin koko nelinkertaistuu, hinta nousee 32-kertaiseksi. Niinpä teleskooppi, jonka peilin läpimitta on 100 metriä, maksaa suunnilleen 31,5 miljardia euroa.
Ilmakehä toimii linssinä
Kaukainen kohde lähettää valoa
Esimerkiksi etäisestä tähdestä, galaksista tai eksoplaneetasta tuleva valo liikkuu Maata kohti avaruuden tyhjiössä enimmäisnopeudellaan 300 000 kilometriä sekunnissa. Valo etenee tavallaan rinnakkaisina aaltoina.
Taittuminen vaikuttaa kuin linssi
Kohteen valo taittuu ilmakehässä, koska ilmakehä jarruttaa valoa ja siten valon nopeus pienenee. Aaltoliikkeen suunta muuttuu monta kertaa ilmakehässä eri kerrosten rajalla, koska paine ja lämpötila vaihtelevat.
Levy peittää valosaasteen
Terrascope kiertää Maata, ja sen detektori ottaa vastaan valoa samalla tavalla kuin tavallinen kamera. Detektorin eteen sijoitetaan niin sanottu koronagrafi, joka peittää Maasta tulevan valon. Näin ainoastaan kohteen valo kuvataan.
Käyttöön otetaan 2020-luvulla uusi optisten jättiläisteleskooppien sukupolvi, johon kuuluu muun muassa ELT (Extremely Large Telescope).
Sen peili on 39,3 metriä eli melkein neljä kertaa niin suuri kuin nykyisen ennätyksen haltijan. Ja mitä suurempi optisen teleskoopin peili on, sitä enemmän valoa se voi vangita.
Esimerkiksi ELT voi nähdä kaikkeuden 16 kertaa niin terävästi kuin avaruusteleskooppi Hubble. Hyvästä näöstä seuraa kuitenkin paitsi suolainen lasku myös äärimmäisen monimutkainen tekniikka.
Kun ELT:n 11 vuoden rakennusurakka päättyy vuonna 2025, loppusumma on 1,35 miljardia euroa. Ja silloin David Kippingin Terrascope tulee mukaan kuvaan.
Maapallosta tulee linssi
Kun vedellä täytettyyn lasiin työnnetään lusikka, tämä näyttää suurenevan. Kippingin Terrascope perustuu tähän yksinkertaiseen ilmiöön, sillä liikkuessaan yhdestä väliaineesta toiseen – tässä tapauksessa avaruuden tyhjiöstä Maan ilmakehään – valo taittuu.
Ja taittuminen saa aikaan sen suurentavan vaikutuksen, joka käytännössä tekee maapallosta senkaltaisen linssin, jollaista käytetään optisissa teleskoopeissa.
Kipping esittää, että jos määritetään piste, johon kaukaisen tähtitieteellisen kohteen valo kokoontuu sen jälkeen, kun se on kulkenut Maan ilmakehän läpi, on todellakin mahdollista saada suurentunut kuva valon lähteestä.
Kaikki, mitä siitä eteenpäin tarvitaan, on satelliitin varustaminen detektorilla, joka voi ottaa vastaan lähteneen valon. Periaatteessa kyse on samantapaisesta kuvakennosta kuin kamerassa.
Mikäli teoria pitää kutinsa, siinä piilee mahdollisuus rakentaa suurempia ja monimutkaisempia teleskooppeja, jotka laajentavat tähtitieteellistä näköpiiriä.
Peilien koon vähittäisen kasvattamisen sijasta ratkaisu tarjoaa linssin, jonka läpimitta on sama kuin maapallon eli 12 742 kilometriä.
Turbulenssi haittaa näköä
Yhtenä syynä siihen, että Nasa, Esa tai Roskosmos eivät vaihda oikopäätä nykyhankkeitaan Kippingin idean toteutukseen, on teorian heikko kohta: selvyyden vuoksi siinä oletetaan, että valo läpäisee ilmakehän häiriöttä.
Todellisuudessa valo altistuu turbulenssille, ja siksi detektorin vastaanottamassa valossa on häiriöitä. Niinpä tarvitaan lisää laskelmia häiriöt huomioon ottavan ratkaisun löytämiseksi.
Ongelma ei ole käytännössä välttämättä kovin suuri, sillä Kippingin mukaan kuvien terävyys ei ole olennaista mullistavien havaintojen tekemisen kannalta.
”Aluksi on paljon helpompaa olla välittämättä kuvien terävyydestä ja ainoastaan töhertää valopisteitä. Vaikka se on epätarkkaa, tarjolla on hyvin mielenkiintoista tieteellistä tietoa.
Ajatellaan asiaa 200 metrin suuruisena Kepler-teleskoopin versiona, joka voi havaita kooltaan niinkin pieniä kuin 1/100 Maan säteestä olevia kohteita”, Kipping selittää.
David Kippingin mukaan avaruusluotain Juno voi käyttää Jupiteria jättiläismäisenä internetantennina.
Jupiterista tulee mittava antenni
Avaruusluotain Juno on vuodesta 2016 kiertänyt Aurinkokunnan suurinta planeettaa, Jupiteria. Tähtitieteilijä David Kippingin mukaan Terrascope-idea on jo testattavissa – ja pääosassa on Juno. Kipping aikoo käyttää Jupiterin kaasukehää tehokkaana antennina, jolla Juno voi lähettää sekunnissa dataa maapallolle 53 megatavua 200 kilotavun sijasta. Kaasukehä vahvistaa Junon viestintäantennin heikon signaalin jopa 70 000-kertaiseksi.
Käyttöikänsä loppuun tulleen Keplerin pääpeilin läpimitta oli vain 1,4 metriä. Silti se löysi yli 2 600 eksoplaneettaa mittaamalla kaukaisten tähtien valoa.
Vanha keksintö uudessa asussa
Idea käyttää Maan ilmakehää linssinä on paluuta teleskooppihistorian alkuun. Uranuurtajat taittoivat lasilinsseillä valoa.
Ajan mittaan tähtitieteilijät siirtyivät peileihin perustuviin kaukoputkiin, jotka ovat tätä nykyä optisten teleskooppien standardi.
Lasilinsseillä varustettujen teleskooppien valmistusta hankaloittivat nimittäin paino ja monimutkainen tekniikka. Samoihin ongelmiin on sittemmin ajauduttu optisten teleskooppien kanssa, mutta Kippingin Terrascope saattaa olla ratkaisu.
Nykyään suurin optinen teleskooppi on Gran Telescopio Canarias. Sen peilin läpimitta on vain 10,4 metriä.
Toinen vaihtoehto on teleskoopin lähettäminen kiertoradalle Hubble-avaruusteleskoopin tapaan, mutta se on kallis.
Tulevan James Webb -avaruusteleskoopin laukaisuajankohtaa on lykätty, ja kustannukset nousevat yhdeksään miljardiin euroon.
Aurinkokunta liittyy verkkoon
Kippingin visio tuskin toteutuu ihan pian, mutta omien sanojensa mukaan päästään vähän tärähtäneenä tutkijana hän esittää keinon sen testaamiseen. Hänen ehdotuksensa on koko Aurinkokunnan 4G-internet.
Jupiteria kiertävä avaruusluotain Juno on vuodesta 2016 lähettänyt kuvia ja dataa Maahan 2,5 metriä leveällä viestintäantennillaan – hitaasti mutta varmasti. Siirtonopeus on vain 200 kilotavua sekunnissa, mikä oli ominaista 1990-luvun internetliittymille.
Kipping ehdottaa, että Junon antennin signaalia vahvistetaan Jupiterin kaasukehän avulla lähetyksen tehostamiseksi.
Hänen laskujensa mukaan signaali voidaan päästää Jupiterin kaasukehän läpi. Samalla tavalla kuin valon tapauksessa Junon signaali taittuu, kun se siirtyy avaruuden tyhjiöstä kaasukehään.
Suuri läpimitta voi vahvistaa signaalia ja lähettää sen takaisin noin 53 megatavun sekuntinopeudella. Se vastaa tavallisen 4G-puhelimen datayhteyttä.
Terrascope ei merkitsisi ainoastaan selvää pesäeroa suuriin, kalliisiin teleskooppeihin. Lisäksi sen avulla olisi mahdollista luoda laajakaistaiset tietoliikenneyhteydet koko Aurinkokuntaan. Jos teoria pätee, se voi vielä mullistaa tähtitieteen.
Kipping kertoo Terrascopesta
David Kipping on erittäin aktiivinen Youtubessa, missä hän uppoutuu monenlaisiin tähtitieteen ilmiöihin. Katso tästä, miten hän itse selittää Terrascopen konseptia: