Teleskooppi ennustaa universumin tuhon

Nasassa on kehitteillä seuraava suuri avaruusteleskooppi, Roman. Sen tehtävänä on etsiä kaukaisten tähtien ympäriltä eksoplaneettoja ja ottaa selkoa oudosta pimeästä energiasta, joka voi repiä ja pilkkoa universumin kappaleiksi.

Nasassa on kehitteillä seuraava suuri avaruusteleskooppi, Roman. Sen tehtävänä on etsiä kaukaisten tähtien ympäriltä eksoplaneettoja ja ottaa selkoa oudosta pimeästä energiasta, joka voi repiä ja pilkkoa universumin kappaleiksi.

NASA

”Ilmakehän läpi katsominen on samaa kuin katsoisi vanhan, tahriintuneen pullon läpi.”

Näin totesi aikoinaan Hubble-teleskoopin ”äiti”, tähtitieteilijä Nancy Grace Roman. Hän halusi mullistaa tähtitieteen tutkimalla universumia avaruudesta, missä Maan ilmakehä ei vääristä havaintoja.

Hänen visionsa pohjalta kehitettiin Hubble-avaruusteleskooppi, ja nyt Nasa on valmis seuraavaan askeleeseen.

2020-luvun puolivälissä Nasa aikoo lähettää avaruuteen uuden, Nancy Grace Romanin mukaan nimetyn superteleskoopin, jonka on tarkoitus kaikkien aikojen ensimmäisenä ottaa yksityiskohtaisia kuvia Maan kokoisista kiviplaneetoista ja tutkia niiden kaasukehästä elämän merkkejä.

Vaikka teleskooppien pääpeilien halkaisija on sama, Roman näkee laajemman alan taivaasta kuin Hubble. Syynä on pikseliantureiden määrä.

© Shutterstock

Hubble näkee kapean kentän

  • Pituus: 13,3 metriä
  • Pääpeilin läpimitta: 2,4 metriä
  • Infrapunapikselianturin tarkkuus: 1024 x 1024 pikseliä
  • Pikselianturien määrä: 1. Näkymä on kapea ja yksityiskohtainen.
© NASA

Roman näkee universumin suuren kuvan

  • Pituus: Noin 13 metriä
  • Pääpeilin läpimitta: 2,4 metriä
  • Infrapunapikselianturin tarkkuus: 4096 x 4096 pikseliä.
  • Pikselianturien määrä: 18. Näkymä on siten laaja ja yksityiskohtainen.

Tähtitieteilijöiden päätavoite on kuitenkin selvittää Roman-avaruusteleskoopin avulla, miten mystinen pimeä energia on kiihdyttänyt universumin laajenemista. Se voi helposti paljastaa, miten tämä loitontava voima vaikuttaa ja miten universumi aikanaan kohtaa lopullisen kohtalonsa.

Nimi Hubblen äidin mukaan

Roman-teleskooppi on ollut suunnitelmissa kymmenen vuotta nimellä Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST).

Alun perin se piti varustaa uudella 1,3 metrin levyisellä pääpeilillä, mutta kun Nasalle vuonna 2012 tarjoutui tilaisuus saada ilmaiseksi 2,4-metrinen kevyt peili entisestä vakoilusatelliitista, hanke alkoi edetä nopeasti.

Keväällä 2020 Nasa näytti vihreää valoa sille, että Kaliforniassa toimivan Jet Propulsion Laboratoryn insinöörit saivat rakentaa ja testata Romanin laitteita.

Nancy Grace Roman oli Nasan pääastronomi ja keskeinen henkilö Hubble-teleskoopin kehittämisessä.

© Bill Hrybyk/GSFC/NASA/SPL

Pari viikkoa myöhemmin teleskooppi nimettiin uudelleen. Se omistettiin Nancy Grace Romanille, joka oli kuollut 93-vuotiaana vuonna 2018.

Nancy Grace Roman syntyi 1925 Tennesseessä. Jo seitsemäsluokkalaisena hän päätti ryhtyä astronomiksi, vaikka rehtori kehotti tyttöjä välttämään luonnontieteitä. Vuonna 1949 Roman väitteli tähtitieteen tohtoriksi, ja kymmenen vuotta myöhemmin hänet nimitettiin Nasan pääastronomiksi.

Romanin aikana laukaistiin lukuisia satelliitteja, mutta ennen kaikkea hän niitti mainetta Hubblen innostavana kehittäjänä.

Pohdiskelin, olinko mahtanut luvata liikoja Hubblesta. Minun täytyy kuitenkin todeta vakuuttuneeni siitä, että en ollut liioitellut. Nancy Grace Roman (1925-2018), Tähtitieteilijä

Jos hanke sujuu suunnitelmien mukaan, Nasa aikoo sijoittaa Roman-teleskoopin vakaalle radalle kiertämään Lagrangen pistettä L2, joka sijaitsee 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta vastapäisessä suunnassa kuin Aurinko.

Toisin kuin Hubblella, joka kiertää matalalla radalla 540 kilometrin korkeudessa, Romanilla on avaruuteen esteetön näkymä, jota Maa ei häiritse.

Romanin infrapunapikselianturi tarjoaa näkökentän, joka on 100 kertaa niin leveä kuin Hubblen ja joka kattaa tietyn alueen taivaasta noin 200 kertaa niin nopeasti.

Romanin tieteellisten laitteiden pitää toimia täydellisesti heti laukaisuhetkellä. Nasalla ei nimittäin ole mahdollisuutta lähettää astronautteja korjaamaan tai päivittämään Romania niin kuin tehtiin Hubblen kohdalla viisi kertaa vuosina 1993–2009.

© TJT Photography/Harris Corp/NASA

Romanin on määrä toimia kymmenen vuotta, ja jo ensimmäisten viiden vuoden jälkeen uusi avaruusteleskooppi on tutkinut 50 kertaa niin suuren osan taivaasta kuin Hubble 30 vuoden kuluessa.

Tähtäimessä Maan kopiot

Romanista tulee ensimmäinen avaruusteleskooppi, jonka varusteena on edistyksellinen koronagrafi. Se voi linssien ja peilien avulla kokonaan peittää tähtien valon ja kuvata Maan kaltaisia eksoplaneettoja.

Koronagrafi hidastaa tähdestä tulevien valoaaltojen toisen puolikkaan etenemistä niin, että ne värähtelevät eri tahtiin valoaaltojen toisen puolikkaan kanssa. Siten valoaallot kumoavat toisensa niin sanotun destruktiivisen interferenssin vaikutuksesta.

Linssien reunojen yli pääsee silti pieniä tähden valon välähdyksiä. Tämä valo poistetaan säätämällä koronagrafissa olevan kahden peilin asentoa satojen pienten mäntien avulla.

Jo näillä keinoilla Roman pystyy havaitsemaan kaasu- ja jääjättiläisiä. Jotta myös sisemmät pienet kiviplaneetat saadaan yksityiskohtaisesti esiin kuvissa, täytyy vielä käyttää erityisohjelmistoa, jolla parannetaan kuvan erottelukykyä.

© Claus Lunau & NASA

Tähden valo peittoon

Roman on ensimmäisenä avaruusteleskooppina varustettu edistyksellisellä koronagrafilla, joka peittää tähden valon. Siten teleskooppi voi kuvata himmeitä Maan kaltaisia planeettoja, jotka kiertävät tähteään elämänvyöhykkeellä.

Myös Roman-teleskoopin infrapunakamera soveltaa uutta tekniikkaa. Tähän mennessä tähtitieteilijät ovat löytäneet yli 4 000 eksoplaneettaa kahdella menetelmällä, jotka ovat omiaan erityisesti lähellä tähteään kiertävien kaasu- ja jääjättiläisten havainnoinnissa.

Yleisin on ylikulkumenetelmä, jossa planeetta havaitaan, kun se heittää varjon ja himmentää hivenen tähden valoa lipuessaan sen editse.

Toisessa menetelmässä tarkkaillaan tähden liikkeitä. Jos tähti huojuu vähäsen, se on merkki siitä, että suuri planeetta on kulkenut sen läheltä ja vaikuttanut siihen painovoimallaan.

Roman-teleskoopin odotetaan löytävän 2 500 Marsin kokoista ja sitä suurempaa eksoplaneetta.

© Claus Lunau/Shutterstock

Roman hyödyntää kolmatta ilmiötä, joka syntyy, kun kaukainen tähti siirtyy toisen tähden taakse.

Lähempi tähti vaikuttaa niin sanottuna gravitaatiolinssinä eli se kaareuttaa ympärillään olevaa avaruutta ja lähettää sen vuoksi kaksi vahvistunutta kuvaa kaukaisesta tähdestä ympärilleen ja teleskoopin kameraan.

Jos lähempänä olevaa tähteä kiertää planeetta, planeetta vaikuttaa kuin pieni ylimääräinen gravitaatiolinssi, joka tuottaa valokäyrään piikin. Sen taas voi Romanin kamera havaita.

Video: Katso läheltä, miten Roman etsii uusia eksoplaneettoja.

Tähän mennessä vain 86 eksoplaneettaa on havaittu uudella menetelmällä, ja löytöjä on tehty etenkin Maassa toimivilla teleskoopeilla, jotka havainnoivat näkyvän valon alueella.

Gravitaatiolinssi-ilmiöitä tapahtuu hyvin harvoin, ja siksi niitä on järkevintä etsiä Linnunradan keskuksesta, missä tähtiä on tiheimmässä. Siellä kuitenkin suuri pölymäärä estää näkyvän valon läpipääsyä.

Toisin kuin Maassa toimivat teleskoopit Roman havainnoi pitkäaaltoista infrapunasäteilyä, joka läpäisee pölyn.

Laajan näkökenttänsä ansiosta se voi tarkkailla sataa miljoonaa tähteä Linnunradan keskuksessa ja vangita lukuisia linssi-ilmiöitä, jotka usein kestävät vain pari tuntia.

Uusi menetelmä on niin herkkä, että sillä löytyy jopa vähän Marsia pienempiä kiviplaneettoja.

Siksi Roman löytänee paljon kiviplaneettoja, jotka kiertävät Auringon kaltaisia tähtiä elinkelpoisella vyöhykkeellä, missä voi esiintyä nestemäistä vettä ja myös elämää.

Kemia paljastaa elämän merkit

Koko planeettatutkimus mullistuu, jos Roman onnistuu kuvaamaan suoraan eksoplaneettoja – etenkin, jos kuvista paljastuu kiviplaneetta, joka Maan tavoin on valtamerten ja mantereiden peittämä.

Koronagrafissa on myös spektrometri, joka voi määrittää planeetan kaasukehän koostumuksen ja etsiä elämän merkkejä.

© Matthew Luem/JPL-Caltech/NASA

Kun eksoplaneetan heijastama valo kulkee sen kaasukehän läpi, eri aineet absorboivat valon eri aallonpituuksia ja paljastavat siten kaasukehän kemiallisen koostumuksen.

Jos siinä on esimerkiksi epätavallisen paljon happea, teleskooppi on ehkä löytänyt merkkejä siitä, että planeetalla elää yhteyttäviä kasveja tai bakteereja.

Toinen paljastava aine on metaani, jota Maassa tuottavat lähinnä bakteerit ja märehtijät, kuten naudat.

Koronagrafin on määrä tarkkailla etenkin lähellä olevia tähtiä ja niiden planeettajärjestelmiä, joita löydetään Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) -teleskoopilla.

Tämä planeettojen etsijä tähyilee parhaillaan 200 000 tähden ympäriltä mahdollisesti elämää sisältäviä kiviplaneettoja.

Supernovat kilometripylväinä

Romanin laajakulmakameran ja infrapunapikselianturin yhdistelmä tarjoaa tutkijoille mahdollisuuden nähdä kauas taaksepäin aikaan ja avaruuteen.

Kaukaisista galakseista saapuvan näkyvän valon aallonpituudet ovat avaruuden kiihtyvän laajenemisen vuoksi matkallaan meitä kohti venyneet pitkiksi infrapuna-aalloiksi.

Astronomit kutsuvat tätä ilmiötä punasiirtymäksi, ja sillä on ollut keskeinen asema pimeän, loitontavan energian löytymisessä.

Kun pimeä, loitontava energia sai yliotteen painovoimasta, avaruus alkoi laajentua. Roman-teleskooppi mittaa laajenemisen nopeutta kolmella eri tavalla.

© Claus Lunau

Universumin alkuajan säteily mittanauhana

380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen syntyneessä kosmisessa taustasäteilyssä näkyy tietty säännönmukaisuus galaksien edeltäjien keskinäisissä etäisyyksissä. Mittaamalla galaksien välisten etäisyyksien kasvua tutkijat voivat laskea avaruuden laajenemisnopeuden.

© ESA/NASA

Supernovat kosmisina nopeusmittareina

Teleskooppi etsii myös tyypin 1a supernovia ratkaisevalta ajanjaksolta viiden miljardin vuoden takaa, jolloin universumin laajeneminen kiihtyi. Mitä enemmän tähtiräjähdysten valon aallonpituudet ovat kasvaneet, sitä nopeammin avaruus on kyseisenä ajanjaksona laajentunut.

© STScI/ESA/NASA

Kartta esittää galaksien liikkeet historian kuluessa

Roman mittaa etäisyyden miljooniin galakseihin ja laatii galaksien liikkeistä kolmiulotteisen kartan, joka ulottuu niinkin kauas kuin aikaan 500 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Kartta voi auttaa käsittämään, miten pimeä energia on vaikuttanut universumin historiassa.

Pimeän energian olemassaolon paljastivat räjähtävät tähdet, tarkemmin sanottuna tyypin Ia supernovat. Koska niiden massa on aina sama, myös kirkkaus on samankaltainen ja siksi räjähtävät tähdet voivat toimia kosmisina kilometripylväinä.

Tämän havaitsivat tähtitieteilijät vuonna 1998, kun kaukaiset supernovat loistivat yllättävän himmeästi verrattuna lähellä oleviin supernoviin.

Kirkkausero johtui tutkijoiden mukaan siitä, että kaukaiset supernovat olivat loitontuneet odotettua kauemmas, koska universumin laajeneminen oli kiihtynyt. Teoria todistettiin mittaamalla supernovien valon punasiirtymä.

Mitä enemmän aallonpituus oli kasvanut, sitä nopeammin avaruus oli kyseisenä ajanjaksona laajentunut.

Nykyään tiedetään, että avaruuden laajeneminen hidastui ensimmäisinä yhdeksänä miljardina vuotena alkuräjähdyksen jälkeen, koska galaksijoukkoja tuolloin oli tiheämmässä ja niiden keskinäinen painovoima jarrutti laajenemista.

Universumista 68 prosenttia on pimeää energiaa, 27 prosenttia pimeää ainetta ja vain 5 prosenttia näkyvää ainetta.

© Shutterstock

Viisi miljardia vuotta sitten loitontava, pimeä energia sai kuitenkin yliotteen. On yhä arvoitus, miksi pimeä energia voitti painiottelun, ja siksi yksi Romanin päätehtävistä onkin laatia tarkkoja mittauksia avaruuden laajenemisesta koko universumin historian ajalta muun muassa tarkkailemalla monia supernovia, jotka räjähtivät juuri ratkaisevana ajankohtana viitisen miljardia vuotta sitten.

Kaksi teoriaa kilpailee keskenään

Syy siihen, että tutkijat niin innokkaasti haluavat selvittää universumin laajenemisnopeuden aina alkuräjähdyksen hetkiin asti, on se, että kiihtyminen voi valaista arvoitusta pimeän energian vaikutustavasta.

Nykytutkijoilla on asiasta kaksi pääteoriaa. Johtava malli perustuu suhteellisuusteoriaan, ja sen mukaan pimeä energia on lähtöisin galaksienvälisestä tyhjiöstä. Teoria esittää pimeän energian olevan vakio niin, että tietyn laajuisessa tyhjiössä on aina sama määrä loitontavaa energiaa.

Universumin laajentumisen myötä tyhjiö on kasvanut ja siksi pimeän energian voimakin on kasvanut niin, että se viisi miljardia vuotta sitten voitti painovoiman ja alkoi kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista.

Kilpailevan teorian mukaan taas pimeä energia on tuntematon voimakenttä, joka täyttää koko universumin ja joka voi vaihdella ajan mittaan. Voimakenttä vahvistui viisi miljardia vuotta sitten niin, että universumin laajeneminen sai lisävauhtia.

Kaksi teoriaa yrittää selittää universumin pimeää energiaa. Toisen mukaan energian määrä on vakio ja se on lähtöisin galaksienvälisestä tyhjiöstä. Toisen teorian mukaan tämä loitontava energia vaihtelee ajan mittaan. Universumin kohtalosta teoriat antavat aivan erilaisen kuvan.

© Claus Luanu & Roen Kelly/Discover Magazine

TEORIA 1: Vakioenergia johtaa jatkuvaan laajenemiseen

Jos tyhjiön energia on muuttumatonta, avaruus jatkaa laajenemistaan ikuisesti. Siten useimmat universumin galaksit ovat muutaman miljardin vuoden kuluessa loitonneet niin kauas, ettei niitä enää voi nähdä Maasta. Vain lähimmät naapurigalaksit ovat näkyvissä.

© Claus Lunau

TEORIA 2: Vaihteleva energia voi repiä kaiken irralleen

Jos pimeä energia on vaihteleva voimakenttä, sen voima kasvaa tulevaisuudessa räjähdysmäisesti. Joidenkin teorioiden mukaan loitontava energia ensin repii tähdet ja halkaisee sitten universumin jokaisen atomin. Skenaariota kutsutaan nimellä loppurepeämä (Big Rip).

© Claus Lunau

TEORIA 2: Painovoima vetää taas universumin kokoon

Vaihteleva pimeä energia voi myös heikentyä. Tällöin painovoima saa jälleen yliotteen pimeästä energiasta ja vetää ajan mittaan kaiken universumin massan kokoon äärettömän pieneen pisteeseen. Skenaariota sanotaan loppurysäykseksi (Big Crunch).

© Claus Lunau

TEORI 2: Universumi ja fysiikan lait romahtavat

Joidenkin teorioiden mukaan vaihteleva pimeä energia saa universumin romahtamaan ennustamattomalla tavalla ja luo uudenlaisen universumin, jossa on erilaisia alkeishiukkasia ja luonnonvoimia. Koko universumin tulevaisuus on suuri kysymysmerkki.

Romanin kartoitus laajenemisnopeudesta voi ratkaista, kumpi kahdesta teoriasta on oikea. Jos nopeus on kasvanut samassa suhteessa avaruuden tilavuuden kanssa, pimeän energian voimakkuus vaikuttaisi olevan vakio.

Jos sen sijaan laajenemisnopeus vaihtelee eri ajanjaksoina, kyseessä on pikemminkin vaihteleva voimakenttä.

Uuden avaruusteleskoopin tuomat vastaukset auttavat ratkaisevasti ymmärtämään universumin kehitystä ja ennustamaan sen tulevaisuutta. Jos pimeä energia on vakio, universumi jatkaa kiihtyvää laajenemistaan loputtomiin.

Jos taas pimeä energia on vaihteleva voimakenttä, voima voi ajan mittaan kasvaa niin räjähdysmäisesti, että loitontava energia lopulta repii kaikki tähdet ja planeetat palasiksi.

Voimakenttä voi myös heikentyä niin, että painovoima jälleen saa yliotteen ja vetää kaiken massan kokoon loppurysäyksessä.

Nancy Grace Romanin visio ei siten ainoastaan helpota elämän etsimistä avaruudesta vaan se myös paljastaa, miten kaikki lopulta päättyy.