Kosmokseen kirjoitettua

Näkökulman muutoksia

23.12.2013 klo 00.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Seurasin Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen tähtitieteilijöiden kanssa torstaina 19.12. kun Gaia-satelliitti lähti Maapallolta kello 11.12 Suomen aikaa. Satelliittien laukaisussa on oma jännityksensä: jos hiukkaskiihdyttimen kanssa tulee paha ongelma, niin laitteen voi korjata kuntoon ja käynnistää uudelleen. (Näin kävikin LHC:lle vuonna 2008, kun yhdeksän päivää käynnistyksen jälkeen tapahtui vakava onnettomuus.) Mutta jos kantoraketti räjähtää tai satelliitin ohjaussuihkut eivät toimi, niin menetys on peruuttamaton. Gaian tapauksessa kaikki sujui suunnitelmien mukaisesti. Naapuriblogista voi lukea Gaia-tiimin johtaja Timo Prustin kokemuksista laukaisusta, ja Tiedetuubi kertoo aiheesta lisää.

Gaia on rakennettu tähtitieteen tarkoituksiin: se mittaa miljardi tähteä, eli noin prosentin kaikista Linnunradan tähdistä, sekä lukuisia asteroideja, Aurinkokunnan ulkopuolisia planeettoja ja muita lähitienoiden kappaleita. Gaialla on suuri merkitys tähtitieteelle, yksityiskohtia voi lukea Tähdet ja avaruus -lehden uusimmasta numerosta 7/2013.

Kosmologia kuitenkin tutkii maailmankaikkeutta kokonaisuutena, eikä lähiavaruuden kappaleiden paremmasta ymmärtämisestä yleensä ole siinä paljon hyötyä. Gaia on kuitenkin myös kosmologisesti mielenkiintoinen, koska se mittaa etäisten kohteiden parallaksia ennennäkemättömän tarkasti.

Parallaksi tarkoittaa sitä, että kohteiden sijainti näyttää erilaiselta, kun niitä tarkastellaan eri paikasta. ESAn sivuilla on asiasta havainnollinen selitys. Kun katsoo ojennetun käden pystyssä olevaa peukaloa ensin vasemmalla silmällä ja sitten oikealla, niin peukalo näyttää olevan eri kohdassa. Jos tietää silmien välisen etäisyyden, niin paikan muutoksesta voi laskea etäisyyden peukaloon: mitä isompi muutos, sitä pienempi etäisyys. Tarkkailemalla useiden näkyvissä olevien esineiden paikan muutosta pystyy selvittämään niiden kaikkien etäisyydet ja saa kolmiulotteisen kuvan ympäristöstä.

ESAn esimerkissä vasemmalla ja oikealla silmällä katsominen rinnastetaan mittausten tekemiseen Maapallolta sen ollessa Auringon vastakkaisilla puolilla. Tämä matka on 300 miljoonaa kilometriä, eli kosmologisesti katsottuna mitättömän pieni, noin sadasmiljardisosa etäisyydestä lähimpään galaksiin. Jos lähin galaksi olisi kymmenen metrin päässä, vastaava etäisyys olisi atomin levyinen. Gaia on niin tarkkanäköinen, että se pystyy erottamaan tätä vastaavan paikan muutoksen, mutta vain juuri ja juuri. (Voi itse asiassa olla, että tämä muutos on hieman liian pieni Gaialle.) Kosmologisiin etäisyyksiin on siis vaikea päästä. Kaksi seikkaa kuitenkin auttaa: Linnunradan liike muiden galaksien suhteen ja kaukana olevien kohteiden suuri määrä.

Ensinnäkin, Maapallo liikkuu Linnunradan mukana suhteessa kaukaisiin galakseihin 369 kilometriä sekunnissa. Tämä on mitattu nopeutemme suhteessa kosmiseen mikroaaltotaustaan. Koska galaksit ovat syntyneet kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyvistä epätasaisuuksista, ne ovat keskimäärin levossa kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, joten tämä on myös nopeutemme galaksien suhteen. Maapallo siis liikkuu kaukaisiin galakseihin nähden 12 miljardia kilometriä vuodessa, eli 78 kertaa Auringon ja Maapallon välin.

Toisekseen, Gaian odotetaan mittaavan puoli miljoonaa kvasaaria ja kolme miljoonaa galaksia kosmologisilla etäisyyksillä. Vaikka yhden kohteen parallaksi olisi pieni, niin kun tarkastellaan suurta määrää kohteita joiden paikka muuttuu samalla tavalla, saadaan kuva niiden yhteisestä paikan muutoksesta. (Gaia mittaa myös kohteiden punasiirtymän, joten tiedetään, mitkä kohteet ovat yhtä kaukana – kirjoitan punasiirtymästä joskus toiste!)

Näiden kahden asian takia Gaia saattaa pystyä mittaamaan parallakseja kohteista jotka ovat miljardien valovuosien päässä. Tämä on Gaian kykyjen äärirajoilla. Gaian kaavaillaan tekevän mittauksia viisi vuotta, ja kosmologinen data julkistetaan kokonaisuudessaan kolme vuotta mittausten loppumisen jälkeen, eli voi olla että vasta vuonna 2022 selviää, miten hyvin Gaia kosmologisissa mittauksissa onnistuu.

Mitä kosmisen parallaksin mittaamisella sitten saavutetaan? Kosmologisia etäisyysmittauksia on tehty 1920-luvulta asti, ja nykyään niitä on jo suoritettu tarkemmin kuin mihin Gaia kykenee. Juuri etäisyyksien tarkka selvittäminen vei vuonna 1998 siihen johtopäätökseen, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, mistä myönnettiin vuonna 2011 Nobelin palkinto. Nuo mittaukset kuitenkin perustuivat supernovien kirkkauteen: mitä himmeämpi kohde, sitä kauempana se on. Arkiskaalassa on aivan sama, mittaako kohteen etäisyyden kirkkaudesta, parallaksista tai vaikka näennäisestä koosta. Kosmologiassa tilanne on toinen.

Avaruus kehittyy merkittävästi valon matkatessa miljardeja vuosia, ja tämä vaikuttaa eri tavalla kirkkauteen ja parallaksiin. Niinpä vertaamalla kirkkautta ja parallaksia saadaan uusi näkökulma siihen, miten maailmankaikkeus kehittyy ja mikä saattaa olla kiihtyvän laajenemisen syynä. Pääasiallisen tutkimuskohteeni, rakenteiden vaikutuksen maailmankaikkeuden laajenemiseen, kannalta tämä on kiinnostavaa. Niinpä tutkailin parallaksia tämän vuoden viimeisessä tieteellisessä artikkelissani, joka tuli julki sopivasti Gaian taivaalle nousemisen jälkeisenä yönä. Tähän on hyvä päättää vuosi.