Se vähä minkä taivasta näkee
Euroopan avaruusjärjestö ESAn kosmologiasatelliitti Euclidin ensimmäiset tieteelliset havainnot on julkistettu. Suomen Euclid-ryhmän johtaja Elina Keihänen Helsingin yliopistolta puhui niistä viime keskiviikkona kosmologiaseminaarien sarjassamme.
Euclid on suunniteltu mittaamaan pimeän energian mahdollista muutosta ajassa (mainostekstien mukaan tavoitteena on peräti ”ratkaista pimeän energian mysteeri”). Pimeää energiaa pidetään ehkä fysiikan suurimpana arvoituksena, joten moni tutkimusryhmä on samalla jahdilla. Euclid on ainutlaatuinen siksi, että se mittaa samalla sekä galaksien paikkoja että muotoja. Ja Euclid on avaruudessa, mistä näkee tarkemmin kuin Maan ilmakehän alta. Tällaisista mittauksista tarkemmin täällä, täällä, täällä ja täällä.
ESA hyväksyi Euclidin 4. lokakuuta 2011, ja satelliitti laukaistiin 1. heinäkuuta 2023. Alku oli kivinen: satelliitti ei osoittanut minne piti, Floridasta oli tullut matkaan vettä joka jäätyi havaintolaitteiden pinnalle, ja yksi satelliitin uloke yllättäen heijasti havaintolaitteisiin auringonvaloa.
Ongelmat satelliittien kanssa eivät ole harvinaisia. Kun Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASAn Hubble-teleskooppi nousi kiertoradalle vuonna 1990, huomattiin, että sen pääpeili oli hiottu väärin, ja astronauttien piti käydä asentamassa laite joka paikkaa vian. Koska Euclid ei ole Maan kiertoradalla, vaan puolentoista miljoonan kilometrin päässä, ongelmia ei voi mennä korjaamaan paikan päälle.
Vika satelliitin suunnassa korjattiin muuttamalla ohjelmistoa, jää sulatettiin nostamalla satelliitin lämpötilaa, ja ylimääräinen valo vältettiin muuttamalla sitä, missä asennossa Euclid taivasta katsoo. Kesäkuusta 2024 alkaen satelliitti on toiminut moitteettomasti.
Euclidin ensimmäiset kuvat julkistettiin toukokuussa 2024, mutta ne olivat lähinnä PR-materiaalia. Nyt maaliskuun 19. päivä julkistettiin ensimmäinen ripaus tieteellistä dataa. Data perustuu yhden viikon mittauksiin, jotka kattavat noin tuhannesosan taivaasta, noin 300 kertaa täydenkuun kokoisen alueen. Teknologian kehityksestä kertoo se, että tämä on samaa luokkaa kuin Hubble-avaruusteleskoopin 35 vuoden aikana mittaama osa taivaasta. Euclidin näkemään palaan taivasta voi sukeltaa EsaSky-palvelussa.
Alue on liian pieni kosmologiseen analyysiin, mutta sitä voi käyttää tähtitieteeseen – voi siis tutkia yksittäisiä kappaleita, mutta ei koko maailmankaikkeuden kehitystä. Euclid havaitsi viikossa noin 30 miljoonaa kohdetta, joiden joukossa on galakseja, tähtiä ja asteroideja. Euclid katsoo poispäin Aurinkokunnan tasosta välttääkseen sieltä tulevaa valoa, ja sen tarkat laitteet erottavat sieltä pieniä asteroideja, joita muut eivät havaitse. Tämä data on kosmologeille hyödytöntä, mutta asteroiditutkijoille arvokasta. Julkistettu data antaa myös kosmologiasta kiinnostuneille Euclid-ryhmän ulkopuolisille tutkijoille mahdollisuuden harjoitella satelliitin datan analysoimista.
Kosmologista dataa saa odottaa lokakuuhun 2026, jolloin julkistetaan seitsemäsosa Euclidin odotetusta koko datasta. Toinen ja kolmas datajulkaisu on merkitty kalenteriin kesäkuulle 2028 ja 2031. Euclidin laskettiin kestävän kuusi vuotta. Vaikuttaa kuitenkin siltä, että sitä voidaan käyttää kenties vuosiakin pidempään. Kuuden vuoden jälkeen satelliitti on tarkoitus avata koko tiedeyhteisölle, niin että Euclid-ryhmän ulkopuolisetkin saavat ehdottaa, mitä havaintoja tehdään.
Nyt julkistetut havainnot ovat alle puoli prosenttia lopullisista. Kuuden vuoden aikana Euclid mittaa taivaasta 34% noin 17 miljardin valovuoden syvyyteen. Kosminen horisontti, eli pisin etäisyys mistä meille on ehtinyt tulla valoa, on 50 miljardin valovuoden päässä. Euclid siis luotaa merkittävän osan maailmankaikkeudesta – se näkee 4% koko tilavuudesta ja tuhannesosan kaikista galakseista. Euclid mittaa kolmen miljardin galaksin paikan ja muodon, ja tekee tarkkoja mittauksia kymmenien miljoonien galaksien lähettämästä säteilystä. Dataa kertyy noin 10 miljoonaa gigatavua. Datan tulkitsemiseen tarvitaan myös maanpäällisten teleskooppien havaintoja, jotka ovat kiinteä osan Euclid-ryhmän dataa.
Euclidilla on yhdeksän datakeskusta, jotka jauhavat dataa. Yksi niistä on Suomen kosmologinen datakeskus CDC-FI, jota käyttää myös ESAn seuraava satelliittihanke LISA. Siellä analysoidaan 5% Euclidin datasta.
Ison datamäärän seulomisessa käytetään yhä enemmän koneoppimista. Nyt Euclid-ryhmä julkisti datan myötä 34 tieteellistä artikkelia (ja lisää on tulossa), joista 27 käsitteli tieteellisiä tuloksia. Noista 27 artikkelista noin puolessa on mukana koneoppimista. Yksi esimerkki on se, miten Zooniverse-projektin kautta ihmiset luokittelivat Hubble-teleskoopin ja James Webb Space Telescopen näkemien galaksien muotoja, ja tätä data käytettiin kouluttamaan algoritmi tunnistamaan Euclidin valtavaa galaksimäärää, jota ihmiset eivät mitenkään ehtisi käydä läpi.
Kosmologit odottavat varmaan eniten sitä, miten Euclidin tulokset suhtautuvat DESI-teleskoopin vihjeisiin siitä, että pimeä energia muuttuu ajassa, eli ei ole vain tyhjän tilan energiaa. Jotkut DESI-ryhmän jäsenet ovat kehuskelleet, että heidän laitteensa on parempi mittaamaan galaksien paikkoja ja Euclid tulee jälkijunassa.
Mutta Euclid, toisin kuin DESI, ei luota vain galaksien paikkoihin, se katsoo myös niiden muotoja. Meidän ja galaksien välissä oleva massa taittaa galaksien valoa ja siten muuttaa hieman sitä, minkä muotoiselta galaksit näyttävät. Kun vertaa sitä, miten eri etäisyyksillä olevien galaksien muodot muuttuvat, voi päätellä miten massajakauma kehittyy ajassa. Tämä erilaisen vipuvarren ongelmaan, ja ensi vuonna saamme selkoa siihen, oliko DESI edellä vai väärässä.