Uusi superteleskooppi näkee tarkasti

ESO eli Euroopan eteläinen observatorio on 15 Euroopan maan, muun muassa Suomen, yhteinen avaruustutkimusjärjestö.

Puolet kaikesta uudesta tähtitieteellisestä tutkimusaineistosta tulee nykyään Chilessä sijaitsevista teleskoopeista. Osuus kasvaa entisestään, kun ESO:n ELT eli Extreme Large Telescope (”äärimmäisen suuri teleskooppi”) aloittaa toimintansa muutaman vuoden kuluttua.

ELT:ltä odotetaan paitsi uutta tietoa mustista aukoista, pimeästä energiasta ja tähtien synnystä myös suoria näköhavaintoja eksoplaneetoista.

Jos Ciceri saisi päättää, ELT suunnattaisiin Maan kaltaisiin kiviplaneettoihin tutkimaan niiden kaasukehää. Jos se on samantapainen kuin Maan ilmakehä, kyseessä voi olla elävä planeetta.

Chile on avaruustutkimuksen tähti

Chilen erikoisasema tähtitieteessä sai alkunsa La Silla -observatoriosta. 1960-luvulle asti kaikki maailman suuret peiliteleskoopit sijaitsivat pohjoisella pallonpuoliskolla. Niillä pystyttiin siis havainnoimaan vain pohjoista tähtitaivasta.

Esimerkiksi Linnunradan keskusta ja niin sanotut Magellanin eli Magalhãesin pilvet ovat kuitenkin nähtävissä vain eteläiseltä pallonpuoliskolta.

Atacaman autiomaassa Pohjois-Chilessä ilma on kuivaa ja kirkasta. Pilviä ei juuri ole: sadepäiviä on keskimäärin kuusi vuodessa.

Se onkin ihanteellinen paikka taivaan tarkkailuun. Siksi kuusi Euroopan maata päätti rakentaa yhdessä observatorion 2 400 metrin korkeuteen satulamaisen vuoren huipulle. Observatorio sai nimekseen La Silla, joka tarkoittaa istuinta ja satulaa.

VIDEO – Seuraa jättiteleskooppi ELT:n rakentamista:

Avaruus täynnä outoja kappaleita

Kun La Silla vihittiin käyttöön vuonna 1969, Aurinkokunnan ulkopuolelta ei ollut löydetty vielä yhtään planeettaa.

Ensimmäinen varmistettu havainto eksoplaneetasta tehtiin 1995. Se oli kaasuplaneetta, joka kiisi neljässä päivässä tähtensä ympäri.

Sen jälkeen tunnettujen eksoplaneettojen määrä on kasvanut lähes eksponentiaalisesti. Tällä hetkellä varmistettuja kohteita on 3 671. Vieraiden tähtien kiertolaisia on joka lähtöön.

Yksi on saanut kutsumanimen Super-Saturnus, koska sen ympärillä on 37 rengasta, joiden säde on 90 miljoonaa kilometriä. Ne ulottuvat siis 200 kertaa niin kauas kuin Saturnuksen renkaat.

Toinen kummajainen on Kepler-16b, jossa näkyy päivän aikana kaksi auringonnousua, koska se kiertää kahta tähteä.

GJ 1214 b puolestaan on saanut nimen Waterworld eli vesimaailma, koska se koostuu enimmäkseen vedestä, vaikkakin sen vesi on oudoissa olomuodoissa, kuten plasmana, kuumana jäänä ja supranesteenä.

Eksoplaneettahavaintojen vyörystä saadaan kiittää Kepler-avaruusteleskooppia. Kun Nasan avaruus teleskooppi otettiin käyttöön vuonna 2009, sen ensimmäinen tehtävä oli jokseenkin yksioikoinen: sen piti tuijottaa samaa plänttiä tähtitaivaalla neljä vuotta.

Kepler ei yrittänyt erottaa itse planeettoja, vaan se tarkkaili vaihteluja alueen 150 000 tähden kirkkaudessa. Valon vaihtelu paljastaa, onko tähdellä kiertolaisia, vaikka niitä ei suoraan nähtäisi.

Esimerkiksi Aurinko, joka on keskivertotähti, sisältää 99 prosenttia Aurinkokunnan materiasta ja on 1 300 000 kertaa niin iso kuin Maa.

Jos sitä katseltaisiin 40 valovuoden päästä, sen valo peittäisi Maan täydellisesti.

Silti Maan voisi havaita, jos se osuisi radallaan Auringon ja tarkkailijan väliin ja heikentäisi Auringon valoa hitusen.

Kaukainen teleskooppi huomaisi, että Aurinko säännöllisin väliajoin himmenee. Jos tällaista jaksoittaista vaihtelua havaitaan, se voi olla merkki siitä, että tähdellä on planeettoja.

Tutkijat etsivät tanssivaa tähteä

Keplerin niin sanotulla ylikulkumenetelmällä on löydetty tähän mennessä viisituhatta mahdollista eksoplaneettaa, eikä läheskään kaikkea Keplerin keräämää tietoa ole ehditty vielä käydä läpi.

Simona Cicerin tehtävänä La Sillan yövuorossa on nimenomaan tutkia läheltä eksoplaneettaehdokkaita, jotta ne voidaan luokitella oikein.

Tutkimuksessa kiinnitetään huomiota ennen kaikkea tähtien tanssimiseen. Kun tähti liikkuu katsojaan päin, sen valo näyttää muuttuvan sinertäväksi. Kun taas tähti liikkuu katsojasta poispäin, sen valo punertuu.

Näitä ilmiöitä kutsutaan sini- ja punasiirtymäksi. Menetelmää, jolla niitä havainnoidaan, nimitetään säteisliikemenetelmäksi. Planeetan painovoima vetää keskustähteään puoleensa, vaikkakin hyvin vähän.

Tämä vetovoima saa tähden liikkumaan Maasta katsottuna vuoroin poispäin ja vuoroin Maahan päin. Tähtitieteilijät kutsuvat tällaista tähden huojuntaa tanssiksi.

Jos Simona Ciceri havaitsee sini- ja punasiirtymän perusteella tähden tanssivan, sen tanssittajana on todennäköisesti planeetta.

Cicerin listaan on merkitty tarkkailtavien tähtien koordinaatit ja ajankohta, jolloin mahdollinen eksoplaneetta on parhaiten havaittavissa. Säteisliikemenetelmä on nykyään eksoplaneettojen etsinnässä tutkijoiden tehokkaimpia tekniikoita.

La Sillan observatoriossa säteisliikehavainnointia tekee HARPS-instrumentti. Se myös havaitsi ensimmäisen eksoplaneetan, jolla saattaa esiintyä elämää eli joka sijaitsee niin sanotulla Kultakutri-vyöhykkeellä.

Nimitys juontaa juurensa vanhasta kansansadusta, jossa karhuperheen mökkiin eksynyt Kultakutri maistoi kaikkien karhujen puurokupista ja valitsi sen puuron, joka ei ollut liian kuumaa eikä liian kylmää.

Myös elämän synnyn kannalta parasta on kohtuullisuus. Elämälle suotuisat olosuhteet voivat kehittyä planeetoille, jotka kiertävät tähteään juuri sellaisella etäisyydellä, että siellä ei ole jäätävän kylmää eikä hehkuvan kuumaa.

HARPSin ensimmäisen havainnon jälkeen on löydetty monta muutakin eksoplaneettaa, jotka sijaitsevat tähteensä nähden Kultakutri-vyöhykkeellä.

Planeetta nimettiin oluen mukaan

Vuonna 2016 uutisoitiin, että Auringon lähimmällä naapuritähdellä Proxima Centaurilla on planeetta.

Helmikuussa 2017 belgialainen tutkijaryhmä kertoi löytäneensä planeettajärjestelmän, jossa kääpiötähteä kiertää ainakin seitsemän planeettaa.

Tähtitieteilijät olivat ilmeisesti olutharrastajia, ja he antoivat tähdelle nimen Trappist-1 belgialaisen luostaripanimon mukaan. Kukin planeetta nimettiin olutmerkin mukaan.

Trappist-1:n kiertolaisista kolme on Maan kaltaisia ja niillä saattaa vallita elämälle suotuisat olot.

Lähellä, mutta silti niin kaukana

Trappist-1-tähti planeettoineen sijaitsee 40 valovuoden päässä Maasta. Tähtitieteen näkökulmasta se on siis aivan naapurissamme. Silti matka sinne on lähes käsittämättömän pitkä.

Maailmankaikkeudessa mikään ei liiku nopeammin kuin valo eli 299 792,458 kilometriä sekunnissa.

Valo ehtii Kuusta Maahan, ennen kuin ehdimme edes sanoa ”eksoplaneetta”. Auringonvalo tulee Auringon pinnasta Maahan kahdeksan minuuttia. Valovuosi on matka, jonka valo ehtii kulkea vuodessa, eli 9 460 730 472 580,8 kilometriä.

Useimmat tunnetut tähdet ovat satojen valovuosien päässä, joten niiden tarkkailuun tarvitaan poikkeuksellisen herkät laitteet.

Avaruusteleskoopeilla on se etu, että niitä eivät haittaa ilmakehän hiukkaset eikä suurkaupunkien valosaaste.

Miinuspuolella on tietysti, että niiden hinta on sananmukaisesti tähtitieteellinen ja niiden korjaaminen ja huoltaminen on kallista ja hankalaa.

Maan päällä huolto on helpompaa, mutta ilmakehän ja muiden maallisten ongelmien ratkaisuun tarvitaan neuvokkuutta.

Siitä on esimerkkinä Paranal-observatorio, joka sijaitsee 600 kilometriä La Sillasta pohjoiseen.

Siellä on tätä nykyä maailman kehittynein optinen laite, VLT eli Very Large Telescope (”erittäin iso teleskooppi”), jota on vielä päivitetty uusilla instrumenteilla.

James Bondin maisemissa

VLT sijaitsee syvällä Atacaman autiomaassa, kaukana kaupunkien valosaasteesta. Se on kaukana myös kaikesta muusta. Juomavesi on tuotava säiliöautoilla, ja vielä viime aikoihin asti kaikki sähkökin piti tuottaa omilla generaattoreilla.

Koska heikkokin valo voi pilata havainnot, observatoriossa ei ole minkäänlaista ulkovalaistusta. Autoilijat eivät saa käyttää ajovaloja, vaan perille on löydettävä suuntavilkkujen ja tiehen upotettujen heijastimien avulla.

Jalankulkijat voivat käyttää taskulamppuja, mutta ne on aina suunnattava maahan.

Kurkista Atacaman autiomaassa sijaitsevaan VLT-observatorioon:

Talojen ikkunoissa on pimennysverhot, jotka pitävät päivänvalon poissa, kun tutkijat nukkuvat päivisin, ja sisävalon sisällä häiritsemästä avaruuden tarkkailua.

Asuinrakennukset, joissa observatoriossa työskentelevät satakunta tutkijaa nukkuvat ja syövät, on louhittu kallioon. Rakennukset lähes sulautuvat ympäröivään okrankeltaiseen aavikkoon.

Futuristista ilmettä täydentää valopiha, joka saa rakennuksen muistuttamaan James Bond -elokuvien lavasteita, mitä ne ovatkin.

Quantum of Solace -elokuvan kohtaus, jossa roisto Dominic Greene jahtaa 007:ää, on kuvattu Paranalissa, joka elokuvassa esittää Dominic Greenen asuinpaikkaa.

Itse VLT-teleskooppi koostuu neljästä siilosta, jotka kohoavat majesteetillisina vuorenhuipulla muutaman sadan metrin päässä asuinrakennuksista.

Kussakin siilossa on teleskooppi, jonka pääpeilin läpimitta on 8,2 metriä.

Jokainen teleskooppi yksinään erottaa taivaalta kohteita, joiden kirkkaus on vain 1/4 000 000 000 himmeimmästä ihmissilmän erottamasta valosta.

Kun VLT:n neljä teleskooppia yhdistävät voimansa, ne toimivat kuin yksi teleskooppi, joka näkee jopa 16 kertaa pienempiä kohteita kuin teleskoopit yksinään.

Teleskooppeihin tulevat valonsäteet yhdistetään peileillä, jotka on asennettu labyrinttimäiseen maanalaiseen tunneliverkostoon, joka sekin sopisi James Bond -elokuvan kuvausympäristöksi.

Valonsäteiden rata ei saa poiketa sadan metrin matkalla millimetrin tuhannesosaa enempää. Ymmärrettävistä syistä ulkopuolisilla ei ole pääsyä peilitunneliin.

Yhdessä VLT:n neljä teleskooppia voisivat periaatteessa erottaa ruuvin kannassa olevan uran 400 kilometrin korkeudessa kiertävän Kansainvälisen avaruusaseman ISS:n seinässä.

Tarkkuutta lisäävät uudet lisälaitteet, joiden nimilyhenteet, kuten ESPRESSO tai SPHERE, eivät auki kirjoitettuinakaan sano maallikolle juuri mitään mutta joista tutkijat ovat innoissaan.

ESPRESSO on uuden sukupolven spektrometri, joka jatkaa HARPSin työtä.

HARPS pystyi havaitsemaan tähtien tanssissa eli säteisliikkeessä muutoksia, joiden nopeus on 3,5 kilometriä tunnissa.

Kun VLT:n nelikko toimii tiiminä, ESPRESSO näkee huojunnan, jonka nopeus on 0,35 kilometriä tunnissa – se on jo hyvin hidasta valssia. Koska pienet planeetat tanssittavat tähteään paljon vähemmän kuin suuret, ESPRESSO voi havainnoida nimenomaan pieniä, Maan kaltaisia planeettoja.

SPHERE pystyy erottamaan eksoplaneetan, vaikka planeetan valon kirkkaus olisi vain miljoonasosan sen keskustähden loisteesta. SPHERE suodattaa pois suoraan tähdestä tulevan valon niin, että jäljelle jää ainoastaan planeetasta heijastuva valo.

SPHERE on myös ratkaissut tähtien tuikkeen ongelman. Tuikkivat tähdet ehkä ilahduttavat runoilijoita ja taivaalle tuijottavia rakastuneita pareja, mutta tähtitieteilijöille tuike on riesa.

Se nimittäin johtuu ilmakehän epäpuhtauksista. Adaptiivisella eli mukautuvalla optiikalla VLT:n peilejä voidaan säätää 1 200 kertaa sekunnissa niin, että valon vääristymät korjaantuvat.

Viime vuoden heinäkuussa julkaistiin SPHEREn ensimmäinen saalis: kuva Jupiterin kaltaisesta planeetasta, joka kiertää 365 valovuoden päässä Maasta olevaa tähteä.

Ennätykset uusiksi

ELT:stä tulee maailman herkin silmä. Se rakennetaan 3 000 metriä korkean Cerro Armazones -vuoren huipulle, joka 2014 louhittiin tasaiseksi. Vierailija pääsee ihailemaan rakennustyömaata vain 20 kilometrin päästä.

Kun ELT valmistuu, siitä tulee suurempi kuin maailman kaikki muut peiliteleskoopit yhteensä. Se pystyy kokoamaan viisitoista kertaa niin paljon valoa kuin nykyään suurin optinen teleskooppi.

ELT:n ytimen muodostaa neljä peiliä, joiden kaikkien tarkkuus ja toimintaherkkyys on maailmanennätysluokkaa. Nelikon yksi osa on nimetty ”kumipeiliksi”. Se korjaa adaptiivisella optiikalla ilmakehän aiheuttamat valon vääristymät.

Peilin halkaisija on 2,6 metriä, mutta sen paksuus on vain 2 millimetriä. Sen asentoa vaihtelee 8 000 säätöyksikköä, jotka muuttavat peilin muotoa ilmakehän olosuhteiden ja tuulen vaikutusten mukaan tuhansia kertoja sekunnissa.

Kakkos-, kolmos- ja nelospeili kokoavat ja kohdistavat valon. Pelkästään kakkospeilistä tulee 4,3 metriä leveä ja 3,5 tonnia painava.

Kakkospeili on jo valettu Saksassa, mutta sen pitää jäähtyä vuoden ajan, ennen kuin ranskalaiset asiantuntijat pääsevät hiomaan sitä.

Peilin pinnan on oltava käytännössä täydellisen sileä. Siinä saa olla korkeintaan 15 nanometrin poikkeamia. Se vastaisi tilannetta, jossa Atlantin valtameren kokoisella alalla saisi olla korkeintaan 3,5 sentin korkeuseroja.

Myös pääpeilin valmistus – ja käyttö – on tarkkaa työtä. Peili koostuu 798:sta täsmällisesti hiotusta kuusikulmaisesta osasta, joista kunkin halkaisija on 1,4 metriä.

Kun ELT:n peilit suunnataan Chilen taivaalle 2025, Simona Ciceri ja muut eksoplaneetan etsijät saavat ensi kertaa kunnon näkymän kaukaisiin planeettoihin.

Samalla lista mahdollisista eksoplaneetoista kasvaa.

La Sillan yövuoronsa aikana Ciceri pääsi lisäämään eksoplaneettojen listaan Saturnuksen kaltaisen planeetan, joka kiertää EPIC 228754001 -jättiläistähteä.

Tämän jutun kirjoitushetkellä varmistettujen eksoplaneettojen määrä nousi siis 3 671:een. Siinä vaiheessa, kun luet näitä rivejä, määrä on todennäköisesti taas kasvanut.

Katso itse osoitteesta: www.exoplanet.eu.