Radioaaltoja

Radioaallot kertovat kaikkeuden historiasta

Seuraavan kymmenen vuoden kuluessa Etelä-Afrikkaan ja Australiaan nousee tuhansia antenneja. Niistä muodostuu SKA, maailman suurin radioteleskooppi, joka kuuntelee signaaleja universumin historian alkuajoista saakka.

Seuraavan kymmenen vuoden kuluessa Etelä-Afrikkaan ja Australiaan nousee tuhansia antenneja. Niistä muodostuu SKA, maailman suurin radioteleskooppi, joka kuuntelee signaaleja universumin historian alkuajoista saakka.

CSIRO

Karulla Karoon ylängöllä Etelä-Afrikassa maasta kohoaa satoja valkoisia sienimäisiä antenneja, kun taas 10 000 kilometrin päässä Australian syrjäisessä sisämaassa rutikuivaan maisemaan nousee tuhansia kuusia.

Etelä-Afrikan lakkisienet ja Australian kuuset eivät ole outo luonnonilmiö, vaan ihmisen tekemiä lautas- ja dipoliantenneja, jotka yhdessä muodostavat SKA- eli Square Kilometre Array -radioteleskoopin.

Tuhannet tähtitieteilijät ja insinöörit ovat 30 vuotta suunnitelleet teleskooppia, jonka rakentaminen vuonna 2021 lopulta sai vihreää valoa. SKA:sta tulee kaikkien aikojen suurin radioteleskooppi, ja sen toivotaan vastaavan universumin suurimpiin kysymyksiin.

Uusi teleskooppi tuo meille uutta tietoa tähtitieteen kaikilta alueilta.

”Ihmiskunta astuu uuden valtavan harppauksen sitoutuessaan pystyttämään planeetallemme oman alansa suurimman tieteellisen rakennuskompleksin”, toteaa professori Philip Diamond, teleskoopin taustaorganisaation SKAO:n johtaja.

Teleskoopin rakentaminen vuosina 2021–2030 maksaa kaksi miljardia euroa, ja tähtitieteilijät odottavat siltä huippusuorituksia. Se tuo uutta tietoa käytännössä kaikilta tähtitieteen tärkeiltä osa-alueilta. Maailmankaikkeuden laajeneminen, ensimmäisten galaksien syntymä, painovoiman sisin olemus sekä elämän yleisyys avaruudessa ovat vain joitakin SKA:n tutkimuskohteista.

Radioaaltoja

Tällä vuosikymmenellä Etelä-Afrikkaan rakennetaan tuhansia lautasantenneja ja Australiaan jopa miljoona pienempää dipoliantennia.

© CSIRO/Shutterstock

Radioteleskooppi on herkkyydeltään aivan omaa luokkaansa. Se voi esimerkiksi ottaa universumista kuvia, joiden tarkkuus on 50-kertainen verrattuna Hubble-teleskoopin kuviin.

Yksi SKA:n tärkeimmistä tehtävistä on tutkia universumin yli 13 miljardin vuoden takaista varhaista lapsuutta, tarkemmin sanottuna ajanjaksoa noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, jolloin ensimmäiset galaksit alkoivat loistaa sysipimeässä universumissa.

Optisilla teleskoopeilla on heikkoutensa

Tähtitieteilijät toivovat SKA:n vangitsevan säteilyä, joka on kulkenut yli 13 miljardia vuotta kaikkeuden kaukaisimmista kolkista Maahan. Tämä on mahdollista juuri siksi, että SKA vastaanottaa radioaaltoja näkyvän valon sijaan.

Sekä näkyvä valo että radioaallot ovat sähkömagneettiseen spektriin kuuluvaa säteilyä, mutta niillä on erilaiset aallonpituudet.

Universumin näkyvää valoa eli 380–700 nanometrin aallonpituuksia mitataan optisilla teleskoopeilla. Jos ne toimivat Maan pinnalla, hyviä tuloksia saadaan vain pilvettömältä yötaivaalta. Siksi optiset teleskoopit on yleensä sijoitettu vuorten huipulle eteläiselle pallonpuoliskolle, esimerkiksi Chileen, Havaijille ja Kanariansaarille.

Sähkömagneettinen spektri

Optisten teleskooppien vastaanottama näkyvä valo (oik.) muodostaa vain pienen osan sähkömagneettisesta spektristä. Radioaallot (vas.) kattavat laajemman alueen.

© Shutterstock

Optiset teleskoopit ovat radioteleskooppeja pienempiä, koska niiden peilit pitää rakentaa erityisen yksityiskohtaisesti. Muuten ne eivät pysty vastaanottamaan heikkoa kosmista valoa sen oikeassa muodossa.

Lyhyiden aallonpituuksiensa vuoksi näkyvä valo vaurioituu herkästi. Matkalla kohti Maata sen kulun voi estää esimerkiksi pöly, ja valon kohdatessa Maan ilmakehän siihen voi syntyä vääristymiä, koska pyörteisyys muuttaa ilman taitekerrointa. Siten kaukaisen tähden tai galaksin kuva muuttuu helposti epätarkaksi ja venyneeksi.

Radioaaltoihin ilmakehä ei vaikuta samalla tavalla, koska niillä on paljon pienemmät taajuudet ja suuremmat aallonpituudet kuin näkyvän valon aalloilla. Radioaaltojen aallonpituus vaihtelee millimetristä useisiin kilometreihin.

Radioaallot näyttävät näkymättömän

Monet universumin kohteet, kuten tähdet, galaksit, pulsarit ja mustat aukot, lähettävät radiosäteilyä, jonka radioteleskoopit pystyvät vastaanottamaan. Tämä tapahtui ensi kerran vuonna 1931, kun yhdysvaltalainen fyysikko Karl Jansky havaitsi Linnunradasta tulevan radiosäteilyn.

Kun radioaallot muunnetaan ihmissilmin näkyviksi aallonpituuksiksi, niiden välityksellä saadaan tietoa universumin muuten näkymättömistä kohteista.

Linnunradan radioaaltoalue

Radioteleskoopit vastaanottavat paljon säteilyä, jota optisilla teleskoopeilla ei nähdä. Yllä Linnunradan nauha näkyvässä valossa, alla sama kohta radioaaltoalueella.

© Axel Mellinger/G. Haslam/MOifR/Detlev Van Ravenswaay/SPL

Radioteleskooppien huono puoli on kuitenkin se, että ne reagoivat myös muihin radiosignaaleihin kuin niihin, joita varten ne on rakennettu. Siksi SKA-teleskoopin antennit sijoitetaan autioille alueille kauas radio-, televisio- ja matkapuhelinhälystä.

Sijoitus eteläiselle pallonpuoliskolle varmistaa myös hyvän näkyvyyden taivaalle Linnunradan nauhaan. Koska antennien toiminta-alueita on kaksi, Australia ja Etelä-Afrikka, samaa kohdetta voidaan tarkkailla lähes vuorokauden ympäri.

Yleensä teleskoopit ovat sitä tehokkaampia, mitä suurempia ne ovat, koska suuri tiedonkeruuala tehostaa heikoimpienkin signaalien tunnistamista. Suuruudellaan SKA myös kattaa laajemman osan taivaasta yhdellä kertaa ja tutkii sen nopeammin. Suuruuden kolmas etu on se, että monien eri antennien käyttö parantaa kuvien erottelukykyä.

Nykyään maailman suurin parabolinen radioteleskooppi on Kiinassa toimiva FAST. Sen 500 metriä leveän lautasantennin tiedonkeruuala on 71 000 m2. Se on vain neljästoistaosa SKA:sta, jonka pinta-ala valmiina on 1 000 000 m2.

Teleskooppi

Suurin nykyinen yksittäisen parabolin muotoinen radioteleskooppi on kiinalainen FAST. SKA-teleskoopin antennit muodostavat yhdessä parabolin, joka on 14 kertaa niin suuri kuin FAST.

© Ou Dongqu Xinhua/Xinhua/Ritzau Scanpix

Kun FAST koostuu yhdestä suuresta radiosignaaleja vastaanottavasta parabolista eli lautasantennista, SKA rakennetaan aivan eri periaatteen mukaan.

Supertietokone kokoaa signaalit

SKA hyödyntää interferometriaa eli tekniikkaa, jossa useat pienet teleskoopit rakennetaan toimimaan yhdessä kuin yksi suuri. SKA:n järjestelmä koostuu monista lautas- ja dipoliantenneista, jotka kukin erikseen vastaanottavat saman signaalin mutta pienellä viiveellä toisiinsa verrattuna.

Tällaisen rakenteen etu on se, että usean pienen teleskoopin rakentaminen on helpompaa kuin yhden suuren.

Lopuksi tietokone korjaa signaalien välisen aikaeron ja kokoaa ne yhdeksi signaaliksi niin, että SKA käytännössä käyttäytyy kuin yksi suuri teleskooppi.

Kahteen maanosaan rakennetut tuhannet lautasantennit ja sadattuhannet dipoliantennit vangitsevat radioaaltoja, jotka sitten muunnetaan näkyviksi kuviksi.

Radioaaltoja
© CSIRO/Shutterstock

1. Antennit sieppaavat radioaaltoja avaruudesta

SKA:n erilaiset antennit vastaanottavat radioaaltoja eri taajuuksilla. Etelä-Afrikan 15 metrin levyiset lautasantennit vastaavat suuremmista ja Australian pienemmät dipoliantennit pienemmistä taajuusalueista.

Tietokone ja radioaaltoja
© Shutterstock

2. Supertietokone kokoaa signaalit

Antennit vastaanottavat signaalit hieman eri aikaan, koska ne sijaitsevat eri paikoissa. Supertietokone laskee ja korjaa saamistaan tiedoista signaalien vaihe-eron niin, että ne synkronoituvat yhdeksi signaaliksi.

Kvasaari
© Jordrell Bank/SPL

3. Radioaallot saavat näkyvät värit

Ihmissilmä ei näe radioaaltoja, mutta niille voidaan antaa värikoodit niiden aallonpituuksien mukaan. Näin syntyy kuva radiosäteilyn lähteestä. Oheisessa kuvassa on esimerkkinä aktiivinen galaksiydin, niin sanottu kvasaari.

Yhä tehokkaampien tietokoneiden kehitys on merkinnyt myös sitä, että nykyään voidaan salamannopeasti suorittaa laskelmat, jotka kokoavat monet yksittäiset radiosignaalit yhdeksi. Se ei olisi ollut mahdollista vielä pari vuosikymmentä sitten, kun idea SKA-teleskoopista syntyi.

Tekniikkaa kutsutaan apertuurisynteesiksi, ja analysoinnissa käytetään paljon laskentatehoa vaativaa Fourier-muunnoksena tunnettua integraalimuunnosta.

Ensimmäinen vaihe valmistuu vuonna 2024

Ensimmäisessä vaiheessa, SKA1:ssä, Etelä-Afrikkaan asennetaan 197 läpimitaltaan 15-metristä lautasantennia ja Australiaan noin 131 000 dipoliantennia.

Lautasantennit vastaanottavat suurtaajuisia – 350 megahertsistä 15,3 gigahertsiin – radioaaltoja. Antennit voivat havaita myös nopeita radiopurkauksia eli lyhytkestoisia, mutta äärimmäisen voimakkaita radiopulsseja, joiden taustalla olevaa prosessia tähtitieteilijät eivät vielä tunne.

Radioaaltoja

Useat radioteleskoopit, kuten kuvan JVLA USA:ssa, ovat havainneet nopeita radiopurkauksia. Rajut radiosäteilypurkaukset tulevat kaukaisista galakseista, mutta niiden syntytapa on arvoitus.

© Danielle Futselaar

Samalta aallonpituusalueelta voidaan etsiä merkkejä vieraiden planeettojen biologisesta elämästä tutkimalla niiden kaasukehän aineiden koostumusta.

Ensi vaiheessa, jonka odotetaan valmistuvan vuoteen 2024 mennessä, teleskooppi saa noin 450 000 m2:n tiedonkeruualan ja erottelukyvyn, joka on neljä kertaa niin suuri kuin nykyisen samalla taajuusalueella toimivan parhaan teleskoopin, New Mexicossa USA:ssa sijaitsevan JVLA:n.

Myöhemmin 2020-luvulla teleskooppia laajennetaan tuhansilla uusilla lautas- ja dipoliantenneilla sekä Australiassa että Etelä-Afrikan naapurimaissa niin, että se saavuttaa lopullisen 1 km2:n pinta-alansa.

Osa Australian antenneista muistuttaa mekaanisia joulukuusia, toiset taas ovat kuin hämähäkkejä, ja niiden tehtävä on vastaanottaa pienitaajuisia radioaaltoja 50–350 megahertsin alueella. Tällaisia ovat esimerkiksi aallot, jotka ovat peräisin universumin varhaiselta ajalta ja jotka ovat kulkeneet avaruudessa niin kauan, että universumin laajeneminen on venyttänyt niitä.

Aalloista voidaan tutkia, miten ensimmäiset tähdet ja galaksit ovat syntyneet.

Australian noin 131 000 antennia jakautuvat 512:lle eri asemalle 65 kilometrin matkalle.

SKA tutkii suurimpia arvoituksia

SKA:sta tulee monipuolinen työväline. Sillä voidaan tutkia kaikkia universumin suuria mysteereitä – perustavista luonnonlaeista kysymykseen, olemmeko yksin universumissa.

Radioaaltoja
© R Boomsma et al./A&A

Miten ensimmäiset galaksit syntyivät?

SKA-teleskoopin herkkyyden ja kantaman ansiosta voidaan kartoittaa näkyvän universumin ulkolaidalla sijaitsevia galakseja. Näin päästään seuraamaan niiden kehitystä aina universumin yli 13 miljardin vuoden takaiseen lapsuuteen asti.

Universumin laajeneminen
© Shutterstock

Miksi universumin laajeneminen kiihtyy?

Kaikkeus laajenee koko ajan, mutta laajenemisvauhti ei ole vakio vaan se on kiihtynyt viimeisten viiden miljardin vuoden ajan. SKA:n tehtävänä on tutkia kiihtymisen syytä tarkastelemalla yleisimmän alkuaineen, vedyn, levinneisyyttä.

Radioaaltoja
© Mark Myers/OzGrav ARC Centre of Excellence

Päteekö Einsteinin teoria painovoimasta?

Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan suurten massojen liike vääristää aikaa ja avaruutta. Tarkkailemalla pulsareita, jotka kiertävät mustia aukkoja ja lähettävät radioaaltovanoja, SKA voi selvittää, päteekö teoria myös ääritapauksissa.

Radioaaltoja avaruudessa
© Shutterstock

Onko vierailla planeetoilla elämää?

Jos eksoplaneettojen kaasukehä sisältää aineita, jotka saattavat olla merkkejä elämästä, SKA löytää ne. Aineet paljastavat itsensä absorboimalla tiettyjä aallonpituuksia meitä kohti tulevasta radiosäteilystä.

Koska antennit sijoitetaan kahdelle mantereelle, SKA voi tarkkailla suurta osaa taivaasta samanaikaisesti. Lisäksi se voi valita antennien joukosta ryhmiä, jotka se keskittää havainnoimaan tiettyä taivaan aluetta.

Vieraiden sivilisaatioiden etsintä

Kun teleskooppi on valmis kaikessa laajuudessaan vuonna 2030, Australiassa on noin miljoona dipoliantennia ja Etelä-Afrikassa tuhansia lautasantenneja.

13 terabittiä tietoa kerää SKA sekunnissa. Se vastaa 300:aa pitkää elokuvaa.

Analysoitavaa raakadataa saadaan valtavat määrät. Teleskooppi vastaanottaa joka sekunti 13 terabittiä tietoa, mikä vastaa noin 300:aa HD-laatuista pitkää elokuvaa. Siksi analysointiin ei tarvita vain supertietokoneita vaan myös salamannopeita kuituyhteyksiä tiedonsiirtoon.

SKA:lla on myös vähän kiistellympi tehtävä: mahdollisten älykkäiden olentojen etsiminen toisilta taivaankappaleilta.

Viime vuosina SETI-tutkimus, joka etsii älykkään elämän merkkejä muualta universumista, on keskittynyt yhä enemmän teknisiin allekirjoituksiin eli teknomarkkereihin. Ne ovat toisista tähdistä tai eksoplaneetoista tulevia signaaleja, jotka paljastavat vieraan sivilisaation teknologian. Kyseessä voi olla esimerkiksi radiosäteily avaruusaluksesta.

On luonnollisestikin epävarmaa, toteutuuko tämä osa SKA:n tehtävästä. Varmaa on kuitenkin se, että teleskooppi tuo paljon uutta tietoa universumista. Ehkäpä SKA:n kiinnostavin anti ovatkin aivan uudet ilmiöt, joiden olemassaoloa ei ole osattu edes aavistaa.