Neljä jättiä kilpailee tulevaisuuden superteleskoopin tittelistä

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.