Neljä jättiä kilpailee tulevaisuuden superteleskoopin tittelistä

Nasassa suunnitellaan jo 2030-luvun suurta avaruusteleskooppia, vaikka Nasan seuraavakaan lippulaiva, James Webb, ei vielä ole valmis. Kilpailevia ehdotuksia on neljä. Voittajasta riippuu, pääsemmekö kurkistamaan universumin syntyyn vai etsimään vierasta elämää avaruudesta.

NASA

James Webb -teleskooppi kiertää maapalloa yli 1 000 kilometrin tuntinopeudella, ennen kuin se ohjataan kohti lopullista sijaintiaan 1,4 miljoonan kilometrin päähän Maasta. Siellä teleskooppi avaa peilinsä, jonka on kymmenen vuoden ajan määrä havainnoida universumin varhaisimpien galaksien syntyä ja ottaa kuvia kaukaisista eksoplaneetoista.

Nasa aikoo laukaista James Webb -teleskoopin avaruuteen vuonna 2021, mutta jo ennen sitä sen seuraajan suunnittelu on käynnistynyt.

Ensi vuonna Yhdysvaltojen tiedeakatemia päättää, onko seuraajan nimi Lynx, Luvoir, Habex vai Origins.

Tulevaisuuden superteleskoopin paikasta kilpailee neljä hyvin erilaista ehdokasta, joista kukin voi paneutua moniin astronomian arvoituksiin.

Jos kaikki neljä teleskooppia voitaisiin laukaista matkaan, saataisiin lisää tietoa mustien aukkojen synnystä, planeettojen veden alkuperästä ja otollisimmista Linnunradan planeetoista, joilta voisi löytyä elämää.

Ehdokkaista voidaan kuitenkin toteuttaa vain yksi.

Teleskoopit tutkivat valon spektriä

Avaruusteleskoopit havainnoivat säteilyä eri aallonpituuksilla, joten yksi näkee, miten kaasu- ja pölypilvet muodostavat planeettoja, toinen taas, miten musta aukko imee kaasua.

Ehdokas 1: Lynx tutkii mustia aukkoja

Lynx havainnoi röntgenalueella ja selvittää, miksi ensimmäiset supermassiiviset mustat aukot kasvoivat valtaviksi hyvin nopeasti.

Ehdokas 2: Luvoirin jättipeili näkee paljon

Luvoirin peili voi nähdä galaksin syntymän, yksittäisen tähden vieraassa galaksissa ja elinkelpoisen kiviplaneetan Linnunradassa.

Ehdokas 3: Habex etsii Maan kaksosta

Molekyylit, kuten vesi, happi ja hiilidioksidi, jättävät jälkensä kaasukehään ja kertovat, onko planeetalla elämää. Habex etsii uutta Maata.

Ehdokas 4: Origins seuraa vettä

Jääkylmät kaasupilvet synnyttävät tähtijärjestelmiä. Origins tutkii niiden infrapunasäteilyä, josta selviää, mistä vesi on peräisin.

Mustan aukon arvoitukset

Unelmoi suuria unelmia, mutta unelmoi realistisesti. Näin kuului tehtävänasettelu, kun neljä tutkimusryhmää satoine tutkijoineen neljä vuotta sitten ryhtyi työhön.

Tulokset eli neljä ehdokasta 2030-luvulla laukaistavaksi avaruusteleskoopiksi esiteltiin viime kesäkuussa. Realismilla tarkoitetaan sitä, että uudelle teleskoopille ei saa käydä niin kuin James Webbille. Sen piti maksaa miljardi dollaria ja se piti laukaista 2018. Nyt sen kustannukset näyttävät päätyvän yli 8,8 miljardiin dollariin ja se saadaan matkaan yli kolme vuotta aikataulusta myöhässä, koska siinä on havaittu monia ongelmia.

Uudet ehdotukset on suunniteltu alusta alkaen paremmin, jotta aikataulu ja budjetti eivät tällä kertaa pettäisi.

Realismi ei kuitenkaan ole estänyt tutkijoita unelmoimasta suuria unelmia. Lynx-röntgenteleskooppiin on kaavailtu halkaisijaltaan kolmemetrinen peili, josta tulisi satoja kertoja niin herkkä kuin Euroopan avaruusjärjestön Esan Athena-röntgentele­skoopin peili. Esa aikoo laukaista Athenan avaruuteen vuonna 2028.

200 kiloa on Lynx-teleskoopin tiiviisti pakatun peilijärjestelmän paino.

Lynx pystyy kelaamaan aikaa taaksepäin universumin varhaislapsuuteen asti ja selvittämään, miten ensimmäiset supermassiiviset mustat aukot kasvoivat valtaviin mittoihin nopeammin kuin kosmologian teorioissa oletetaan.

Klassisen teorian mukaan ensimmäisten supermassiivisten mustien aukkojen alut olivat universumin ensimmäisiä jättiläistähtiä, jotka räjähtivät supernovana ja jättivät jälkeensä noin sadan auringon massaisia mustia aukkoja. Aukot vetivät toisiaan puoleensa ja alkoivat kasvaa imemällä suuria määriä kaasua ympäristöstään.

Teorian ongelmakohta on se, että havaintojen mukaan jo 700 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen oli olemassa supermassiivisia mustia aukkoja, joiden massa oli 800 miljoonaa auringon massaa. Teoria ei voi selittää, miten ensimmäiset mustat aukot saattoivat kasvaa niin valtaviin mittoihin niin nopeasti.

Yksi uusi teoria esittääkin, että ensimmäiset mustat aukot olisivat syntyneet, kun valtavat kaasupilvet luhistuivat ja synnyttivät mustia aukkoja, joiden massa olisi ollut jopa noin miljoona auringon massaa.

Lynxin huipputarkoilla peileillä voidaan testata uutta teoriaa tarkkailemalla röntgensäteilyä, jota erittäin kuumat kaasupilvet lähettävät pyöriessään supermassiivisten mustien aukkojen ympärillä.

Kun aktiiviset, nykyiset supermassiiviset mustat aukot imevät kaasua, niiden ympärillä havaitaan valtavia varautuneiden hiukkasten suihkuja. Suihkut sylkevät miljoonien asteiden lämpöistä kaasua mustan aukon galaksista galaksienväliseen avaruuteen, mistä näitä ohuita kaasuja ei nykyisillä teleskoopeilla juuri voida havaita.

Astronomien arvioiden mukaan kaasupilvet sisältävät jopa 40 prosenttia universumin atomaarisesta massasta. Lynx voi havainnoida näiden kaasupilvien säteilyä ja siten selvittää, pitääkö teoria paikkansa.

Jättipeili zoomaa planeettaan

Ehdokkaista Lynx keskittyy yhteen aallonpituuteen ja yhteen tiettyyn tarkkailukohteeseen, kun taas Luvoir suorittaisi vanhan Hubble-teleskoopin tavoin useita tehtäviä. Ratkaiseva ero Hubblen ja nyt ehdotetun Luvoir-teleskoopin välillä on peilin koko. Luvoirin peilin halkaisija on 15 metriä, kun taas Hubblen peili on 2,4-metrinen.

Ehdokas 2: Jättisuoja panssaroi Luvoirin

1 / 4

undefined

1234

15-metrisen pääpeilin ansiosta Luvoirista tulee historian suurin avaruusteleskooppi, jos Nasa laukaisee sen matkaan 2039. Siihen kaavaillaan vaihdettavia moduuleja, herkkiä antureita ja valtavaa aurinkosuojaa, ja sen on määrä toimia 25 vuotta.

© Claus Lunau

Jättimäinen peili havaitsisi siis Hubblea huomattavasti enemmän säteilyä ultraviolettialueella, näkyvän valon alueella ja infrapuna-alueella. Luvoir kykenee myös kuvaamaan kaukaisten galaksien yksittäisiä tähtiä.

Teleskooppi voi jopa ottaa ensimmäisen kuvan Maata muistuttavasta kiviplaneetasta, joka kiertää Auringon kaltaista tähteä.

Tähän mennessä teleskoopit ovat saaneet suoran kuvan vain 46 eksoplaneetasta. Ne ovat olleet kaasujättejä, joiden massa on ollut jopa 11 kertaa Jupiterin massa ja joiden rata on ollut hyvin kaukana niiden tähdestä.

Lähellä Auringon kaltaista kirkasta tähteä sijaitsevan pienen kiviplaneetan kuvaaminen on huomattavasti haastavampaa, sillä planeetan heijastaman valon kirkkaus on vain kymmenesmiljardisosa tähden valosta. Luvoir-teleskoopissa ongelma ratkaistaan koronagrafilla eli teleskooppiin asennettavalla levyllä, joka peittää tähden kirkkaan valon. Siten Luvoir voi napata kuvan vaikkapa Maan kaksosesta.

15 metriä on suunnitellun Luvoirin peilin halkaisija. Se löisi entiset ennätykset.

Kepler-avaruusteleskoopin havaintojen perusteella astronomit arvioivat, että Linnunradassa Maan kokoisia kiviplaneettoja voi olla noin joka neljännen Aurinkoa muistuttavan tähden elinkelpoisella vyöhykkeellä eli siellä, missä voi esiintyä vettä nestemäisessä muodossa.

Elämän etsinnässä tärkein johtolanka on juuri vesi.

Kaasukehässä merkkejä elämästä

Samalla kun Luvoir etsii Maan kaltaisia planeettoja, se havainnoi myös niiden kaasukehää. Kun lähimmän tähden valo heijastuu planeetan pinnasta ja kulkee kaasukehän läpi, valon spektriin jää jälkiä kaasukehän molekyyleistä.

Spektriä analysoimalla saadaan selville, mitä molekyylejä kaasukehässä on ja miten paljon niitä on. Jos esimerkiksi happea havaitaan niin paljon, että sen alkuperä ei selity elottomalla kemialla, on löydetty merkki siitä, että planeetalla on yhteyttäviä kasveja tai bakteereja.

Toinen merkki elämästä on metaani, jota tuottavat esimerkiksi bakteerit ja märehtivät eläimet, kuten lampaat ja lehmät. Jos kaasukehästä löydetään useita erilaisia viitteitä elämästä, kyseessä saattaa olla planeetta, jolla esiintyy elämää.

Neljästä ehdokkaasta Luvoirin kanssa samalla aallonpituudella toimii Habitable Exoplanet Imaging Mission eli Habex.

Kemia kertoo elämästä

Habex- ja Luvoir-teleskoopeilla on aurinkosuoja, jonka takaa ne voivat tarkkailla kiviplaneettoja. Planeetan heijastamasta valosta selviää kaasukehän koostumus ja se, onko planeetalla elämää.

  • Vesihöyry

    Vesihöyry (H2O) kaasukehässä voi viitata meriin ja elämän perusteisiin.

  • Happi ja otsoni

    Happi (O2) ja otsoni (O3) voivat olla peräisin levien, kasvien ja bakteerien fotosynteesistä.

  • Metaania

    Metaania (CH4) synnyttävät pääasiassa elävät organismit, kuten bakteerit.

  • Hiilidioksidia

    Hiilidioksidia (CO2) syntyy eläinten hengityksessä, tai sen alkuperä voi olla tulivuori.

Teleskoopin nelimetrinen peili voi havaita huomattavasti enemmän Maan kaltaisia planeettoja kuin Luvoir.

Ja lisäksi se kykenee ottamaan todella hyviä kuvia lähellä tähteään kiertävistä planeetoista, sillä se lentää muodostelmassa aurinkosuojan kanssa. Suoja peittää tähden valon huomattavasti tehokkaammin kuin Luvoirin koronagrafi.

Aurinkosuoja on kukanmuotoinen levy, jonka halkaisija on 72 metriä. Se asettuu kuvausta varten Habexin ja kuvattavan planeetan tähden väliin samaan tapaan kuin Kuu täydellisen auringonpimennyksen aikana.

72-metrinen aurinkosuoja peittää tähden valon niin, että Habex-teleskooppi voi analysoida planeetan kaasukehää.

© NASA & Shutterstock

Ensin Habexin pitää kuitenkin tutkia 111 tähteä ja etsiä niistä sellaiset, joilla on planeettoja elämälle suotuisalla alueella. Sen jälkeen aurinkosuoja siirtyy rakettimoottorin avulla Habexin eteen.

Asiantuntijoiden mukaan aurinkosuojalla on polttoainetta niin paljon, että sen avulla voidaan tutkia tarkkaan yhdeksää aurinkokuntaa, kuvata niiden planeetat ja analysoida planeettojen kaasukehää.

Asiantuntijat selvittävät universumin salaisuuksia

Valtava Luvoir-avaruusteleskooppi suoriutuisi monesta eri tehtävästä, kun taas kolme muuta ehdokasta tulevaisuuden avaruusteleskoopiksi – Lynx, Habex ja Origins – on suunniteltu tiettyyn erikoistehtävään.

Niiden havainnoista selviäisi, miten upermassiiviset mustat aukot syntyvät, mistä löytyy merkkejä elämästä ja miltä ensimmäisten tähtien valo näytti.

Ehdokas 1: Lynx

Lynx nappaa varhaisia röntgensäteitä labyrinttipeilillä. Lynx selvittää ensimmäisten supermassiivisten mustien aukkojen nopeaa kasvua havainnoimalla röntgensäteilyä, jota vapautuu, kun musta aukko imee esimerkiksi kaasua.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Röntgensäteily kulkee peilien läpi. Lynxin sadat ympyrämuodostelmassa olevat peilit taittavat säteet ilmaisimeen.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Ilmaisimen spektrometri mittaa aallonpituuksia, ja kamera kuvaa säteiden lähdettä.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Ehdokas 3: Habex

Habex etsii merkkejä elämästä aurinkosuojan takaa. 72-metrisen aurinkosuojan takaa Habex etsii elinkelpoisellla vyöhykkeellä sijaitsevilta kiviplaneetoilta merkkejä elämästä.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Suoja on 124 000 kilometrin päässä Habexista tähden ja teleskoopin välissä. Siten teleskooppi näkee planeetan loisteen, joka on vain kymmenesmiljardisosa tähden valon kirkkaudesta.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Ehdokas 4: Origins

Origins havaitsee jäisellä peilillä ensimmäiset tähdet. Kun ensimmäiset tähdet syttyivät pari sataa miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, ne lähettivät näkyvää valoa. Universumin laajenemisen myötä säteily on siirtynyt kaukoinfrapuna-alueelle.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Origins havaitsee nämä aallonpituudet erittäin kylmällä peilillä ja ilmaisimella, joka korjaa lämpösäteilyn aiheuttamia häiriöitä. Ulompi aurinkosuoja estää jopa 77-asteisen säteilyn.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Sisempi suoja eristää ja jäähdyttää −238 asteeseen.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Ilmaisimet jäähdytetään vain 0,05 asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä eli −273,15 asteesta.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Jääkylmä teleskooppi etsii vettä

Kun avaruudesta etsitään elämää, pitää ensin löytää planeetta, jolla on nestemäistä vettä. Maan kaltaisissa kiviplaneetoissa oli syntymänsä jälkeen vettä luultavasti vain hieman tai ei lainkaan. Se, miksi esimerkiksi Maassa on nykyisin laajoja valtameriä, on vielä arvoitus.

Origins etsii vastausta seuraamalla veden reittiä jää­kylmissä galaksienvälisissä pilvissä, joissa lämpötila on −263 astetta. Tällaiset pilvet romahtavat aurinkoa muistuttaviksi tähdiksi ja niiden ympärillä kieppuviksi pöly- ja kaasupilviksi, jotka synnyttävät planeettoja. Origins etsii vettä myös niistä ja tähteään kiertäviltä nuorilta kiviplaneetoilta.

Origins-teleskoopin pääpeilin halkaisija on 9,1 metriä. Sillä se tarkkailee infrapunavaloa myös kaukoinfrapuna-alueella, joten se voi napata myös äärimmäisten kylmien ilmiöiden säteilyä. Niiden lämpötila voi olla jopa −268 astetta.

Teleskoopin nimen, ”alkuperä”, voi todella ymmärtää kirjaimellisesti, sillä Origins näkee kosmiseen aamunkoittoon eli aikaan, jolloin ensimmäiset tähdet muodostuivat pari sataa miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

Origins seuraa veden reittiä

Origins tarkkailee nuorten aurinkokuntien jääkylmää infrapunasäteilyä ja seuraa vesimolekyylien matkaa järjestelmien alkuperäisistä kaasupilvistä niiden kiviplaneettojen meriin. Matka voi myös selvittää, mistä Maan vesi on peräisin.

1. Aurinko saattoi syntyä veteen

Kun galaksien tiheät kaasupilvet jäähtyvät −263 asteeseen, pilvi romahtaa ja synnyttää tähden, jonka ympärillä on pöly- ja kaasupilvi. Kaasupilvien, joista muodostuu Aurinkoa muistuttavia planeettoja, uskotaan sisältävän runsaasti vettä. Kääpiötähtien pilvissä veden määrä on pienempi. Origins testaa teoriaa tuhansilla auringonkaltaisilla tähdillä ja kääpiötähdillä.

2. Jää pommittaa kiviplaneettoja

Nuoren tähden läheisyydessä vesi höyrystyy ja kerääntyy planeetan siemenen ympärille. Siemenistä muodostuu kiviplaneettoja. Kauempana tähdestä märät planeetan siemenet muuttuvat jääksi, joka uuden teorian mukaan sinkoutuu aurinkokunnan jäärajan sisäpuolelle ja siellä kiviplaneettojen vaippaan. Origins voi testata, voiko vesi kulkea siementen mukana.

3. Veden tie aurinkokunnassa

Perinteisen teorian mukaan kiviplaneetat syntyvät kuivina ja saavat vetensä myöhemmin komeettojen ja asteroidien mukana. Origins kartoittaa, missä päin aurinkokuntaa vesi sijaitsee planeettajärjestelmän eri kehitysvaiheissa.– komeettojen syntysijoilta järjestelmän ulko-osista vetisen asteroidivyöhykkeen halki kiviplaneetoille.

Teorian mukaan ensimmäiset tähdet olivat jättiläisiä, joiden massa oli satoja kertoja auringon massa. Niiden pintalämpötila oli 100 000 astetta, ja ne säteilivät voimakkaasti näkyvän valon ja ultraviolettivalon aallonpituuksilla, ennen kuin ne räjähtivät supernovina.

Nykyisin näiden jättiläisten jäljet näkyvät universumin laajentumisen myötä kaukoinfrapuna-alueella. Toteutuessaan Origins olisi ensimmäinen teleskooppi, joka voisi tutkia niiden valoa.

Budjetti ratkaisee löydöt

Yksi neljästä pääsee siis avaruuteen, mutta jo nyt kaikista neljästä on olemassa paljon yksityiskohtaisemmat suunnitelmat kuin tutkijoilla oli silloin, kun James Webb -teleskooppi valittiin vuonna 2011 tai kun päätös WFIRST-teleskoopista tehtiin kymmenen vuotta myöhemmin.

Kumpikin niistä on ylittänyt budjettinsa moneen kertaan. James Webbista tulee lähes yhdeksän kertaa niin kallis kuin suunniteltiin, ja WFIRST tarvitsee ainakin 400 miljoonaa lisää rahaa jo budjetoitujen 3,2 miljardin dollarin lisäksi, ennen kuin se edes pääsee suunnittelupöydältä eteenpäin.

WFIRST on valmis aikaisintaan 2025. Sen on määrä tutkia pimeää energiaa, joka kiihdyttää universumin laajenemista.

James Webb -teleskoopin 6,5-metrinen kultapeili voi infrapunakatseellaan nähdä 13,5 miljardin vuoden taakse ja havainnoida ensimmäisten tähtien ja galaksien syntyä.

© NASA Goddard

Kustannusten suitsimiseksi tutkijaryhmät ovat tarkastelleet 150:n Nasan avaruushankkeen todellisia kustannuksia.

2030-luvun teleskoopeista suunnitellaan siksi kaksi eri versiota: luksusversio, joka maksaa korkeintaan kahdeksan miljardia dollaria, ja halvempi, 3–5 miljoonan versio, jonka pääpeili on pienempi. Luvoirin peili on toisessa 15 metriä, toisessa vain kahdeksan metriä.

Voittajasta riippuu, onko meillä 2040-luvulla lisää tietoa universumin lapsuudesta vai vieraiden planeettojen elämästä.

Lue myös:

Aurinkomyrskyt
Teleskoopit

Superteleskooppi pitää aurinkomyrskyjä silmällä

1 minuuttia
Teleskoopit

Jäähyväiset tehokkaimmalle planeettojen etsijälle

4 minuuttia
Teleskoopit

Jättiteleskooppi etsii elämää uudesta aurinkokunnasta

1 minuuttia

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!