Näkymä keski-ikään
Perjantaina koittaa pitkään odotettu päivä: jouluaattona 24.12. kello 14.20 Suomen aikaa James Webb Space Telescope (JWST) nousee avaruuteen. JWST:stä kiinnostuneille voi suositella Natalie Wolchoverin monipuolista artikkelia Quantassa.
Teleskooppia on suunniteltu yli 30 vuotta, se on 14 vuotta myöhässä, ja projekti on ylittänyt alkuperäisen budjettinsa 20-kertaisesti. JWST:n hinta on nyt noin kymmenen miljardia, samaa suuruusluokkaa kuin maailman suurimman tieteellisen koelaitteen, CERNin LHC-kiihdyttimen.
Viivytykset ja kustannusten paisuminen ei ole isojen kokeiden kohdalla poikkeuksellista, etenkin kun kyse on avaruuteen menevästä teknologiasta. Vuonna 1990 aloittanut JWST:n edeltäjä Hubble Space Telescope oli laukaistaessa ylittänyt budjettinsa kuusinkertaisesti, ja sen pääpeilissä oli iso hiomavirhe, jonka korjaaminen maksoi paljon lisää.
JWST on hienostuneempi ja vaikeampi laite, jonka hintaa kasvattaa sekin, että teleskooppi on liian iso mahtuakseen sellaisenaan rakettiin. Teleskooppi avautuu vasta avaruudessa kahden viikon aikana matkalla havaintoasemaansa, joka on puolentoista miljoonan kilometrin päässä Maasta suoraan poispäin Auringosta, tähtitieteen ja kosmologian satelliittien keitaassa.
Yksi syy JWST:n kokoon on se, että teleskooppi ei havainnoi näkyvää valoa, vaan havainnoi pääasiassa infrapunavaloa. Infrapunavalon aallonpituus on isompi kuin näkyvän valon (minkä takia silmämme eivät sitä havaitse). Koska kuvan tarkkuus riippuu valon aallonpituuden ja teleskoopin koon suhteesta, infrapunateleskoopin pitää olla isompi kuin näkyvän valon teleskoopin.
Infrapunavalo läpäisee osan tomusta, jonka taakse ei näkyvällä valolla pysty katsomaan. Lisäksi se auttaa JWST:n tärkeässä tutkimuskohteessa, eksoplaneettojen ilmakehän koostumuksen mittaamisessa ja elämän merkkien etsimisessä. Tämä tehdään katsomalla miltä planeettaa kierrättävän tähden valo näyttää silloin, kun se kulkee planeetan ilmakehän läpi ja silloin kun se menee planeetasta ohi. Ilmakehän molekyylit imevät tehokkaasti eripituisia infrapuna-aaltoja, eli poistavat ne havaitsemastamme tähden valosta, jättäen siihen sormenjälkensä. Samasta syystä infrapunahavaintoja on vaikea tehdä Maan pinnalta.
Kosmologian kannalta infrapuna-alue on tärkeä keski-ikäisen maailmankaikkeuden ymmärtämiselle. Maailmankaikkeus on noin 14 miljardia vuotta vanha. Valon äärellisen nopeuden takia mitä kauemmas katsoo paikassa, sitä varhaisempiin aikoihin näkee. Meillä on hyviä havaintoja muutamalta viime miljardilta vuodelta – niitä on helppo havaita, koska kohteet ovat lähellä ja niitä on paljon. Meillä on myös hyviä havaintoja varhaisesta maailmankaikkeudesta muutaman ensimmäisen minuutin kohdalta kevyiden alkuaineiden kautta ja 380 000 vuoden kohdalta kosmisen mikroaaltotaustan kautta. Mutta siitä välistä, kymmenien tai satojen miljoonien vuosien ajalta, havaintomme ovat puutteelliset.
Yksi ongelma on se, että mitä varhaisempiin aikoihin katsoo, sitä himmeämpiä kohteet ovat, eli sitä kauemmin joutuu tuijottamaan samaa kohtaa taivaasta niiden kiilun näkemiseksi. Toinen ongelma on se, että keski-iässä ja sitä aiemmin galakseja ja muita aineklimppejä on vähemmän nähtäväksi, kun niitä ei ole vielä ehtinyt paljon muodostua.
JWST näkee galakseja ja tähtiä ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli noin 200 miljoonaa vuotta vanha, kenties galaksien ja tähtien ensimmäisen sukupolven. Maailmankaikkeuden laajenemisen takia valon aallonpituus on noilta ajoilta venynyt noin 20-kertaiseksi, joten galakseista ja tähdistä näkyvän aallonpituuden alueella matkaan lähtenyt valo on nykyään infrapunavaloa. Samaan tapaan valo, joka irtosi aineesta maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuotta vanha, on venynyt tekijällä 1090, joten se on nykyään mikroaaltoja. JWST:n infrapunahavainnot paikkaavat aukkoa varhaisen ajan mikroaaltojen ja myöhäisen maailmankaikkeuden näkyvän valon välillä.
On epäselvää, miten galaksit ovat kasvaneet niin aikaisin niin isoiksi kuin mitä on havaittu, ja miksi niiden keskustojen mustat aukot ovat niin raskaita. Varhaisten galaksien näkeminen suoraan auttaa selvittämään näiden mustien aukkojen syntyä: miten ne ovat ehtineet kerätä romahtaneista tähdistä niin paljon massaa, vai tarvitaanko kenties niiden siemeniksi muinaisia mustia aukkoja, jotka ovat muodostuneet kauan ennen kuin tähtiä oli olemassa.
Tähtien saralla yksi eksoottinen ehdotus on se, että ensimmäisten tähtien pääasiallinen energianlähde ei ollut atomiydinten fuusio, vaan niiden keskustaan kertyneen pimeän aineen annihilaatio, ja JWST auttaa hylkäämään tai vahvistamaan tämän idean.
Näiden muutaman mainitsemani tutkimuskohteen lisäksi JWST:llä toteutetaan monia havaintoprojekteja ja luodataan useita tähtitieteen ja kosmologian kysymyksiä. JWST, kuten Hubble-teleskooppi, on yleislaite ja kiinnostavinta on se, mitä ei osata odottaa.
Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, JWST aloittaa datan keräämisen kesällä. Teleskoopin on määrä toimia vähintään 5 ja toivottavasti ainakin 10 vuotta, ja usein satelliitit kestävät suunniteltua pidempään. Mutta ensin saa jännittää sitä, saadaanko laite laukaistua onnistuneesti taivaalle ja avautuuko se ongelmitta.
Päivitys (21/12/21): Korjattu, että JWST havaitsee myös näkyvää valoa.
Kyllä JWST itse asiassa havaitsee myös näkyvää valoa, ei vain niin laajalta kaistalta kuin Hubble. Lyhyimmät aallonpituudet jäävät näkemättä ja JWST havaitsee aallonpituudet 600 nanometristä 28,3 mikrometriin.
Joo. Ja Hubble näkee myös infrapunaa, vaikka sen painopiste onkin näkyvässä valossa.
Yksi asia ihmetyttää koskien JWST-teleskoopin sijoituspaikkaa. Aurinkotuulihan aiheuttaa Maan magneettikenttään ”hännän” joka ulottuu kauas Maan kiertoradan ulkopuolelle täsmälleen siihen suuntaan johon teleskooppi sijoitetaan. Jos teleskooppi osuu tähän heiluvaan magneettikentän häntään, siitä voisi seurata melkoisia sähkömagneettisia häiriöitä. Onko siis niin ettei magneettikentän häntä ulotu noin kauas missään olosuhteissa?
Paikka on valittu siksi, että kyseessä on Lagrange-piste L2, joten rata on stabiili rataliikkeen suuntaisille häiriöille, ja Maa, Kuu ja Aurinko ovat kaikki samassa suunnassa, eli ne on helppo pitää poissa näkökentästä. Myös WMAP- ja Planck-satelliitit olivat L2:ssa (tai sen lähettyvillä), ja Euclidkin menee sinne.
Hyvä tuo aurinkotuulikysymys, siihen en osaa vastata – en tunne Maan magneettikentän muotoa ja vaikutusta varattujen hiukkasten liikkeisiin L2:n tienoilla, joka on aika kaukana Maasta.
Kysymys tuli mieleen yhdestä Juno-dokumentista. Jupiterillahan on erittäin voimakas magneettikenttä ja dokumentin mukaan kentän ”häntä” ulottuu jopa Saturnuksen radalle asti yli 650 miljoonan kilometrin päähän.
Mitä Lagrangen pisteisiin tulee, L1 ja L3 eivät tietenkään käy koska ne ovat täsmälleen Auringon suunnassa (L1 Auringon edessä, L3 sen takana). L4 ja L5 voisivat olla parempia. Toki jos muut satelliitit ovat selvinneet L2:ssa, ongelmaa ei silloin ilmeisesti ole.
Olisko tossa vastausta:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/how-hardy-is-webb-a-qa-about-the-toughness-of-nasa-s-webb-telescope
Q: Webb’s orbit at Earth’s second Lagrange point (L2) is beyond the protective sheath of Earth’s magnetic field, meaning the telescope is more susceptible to the Sun’s radiation and to solar flares. How is Webb insulated from these threats?
Paul: Earth’s magnetic field acts like a deflector shield for protons and electrons spewing all the time from the Sun. Protection for satellites within Earth’s magnetic field includes putting some metal—like aluminum panels—between electronics and the space environment, implementing good electrical grounding, and making electronic components resistant to radiation. Because Webb is outside Earth’s magnetic field, it will be bombarded by charged particles streaming from the Sun, and so it needs extra protection. These charged particles are hard on electronics, and they can accumulate on surfaces to build up static charge that can cause damaging discharges.
Webb will also be vulnerable to the occasional massive “belch” from the Sun that happens with solar flares and coronal mass ejections, which are phenomena in which the Sun releases slugs of maybe a few years’ worth of protons and electrons in just hours. To enable Webb to weather such stormy solar weather as well as ordinary “nice days,” almost all of its electronics are shielded inside metal boxes and behind multiple layers of metal or metal-coated film.
The electronics on the cold side of Webb’s sunshield get some benefit of being behind the shield’s five layers, which are coated in aluminum. The electronics inside the spacecraft bus, which faces the Sun, are hardened, shielded, and grounded. Webb used tried and true design practices and satellite building codes to ensure it will survive and function in the harshness of the L2 environment.
Vielä lisäys tähän Maan magneettikentän häntäkeskusteluun. Katsoin erästä JWST-animaatiota siitä, miten JWST liikkuu lopullisessa sijoituspaikassaan. Sehän ei ole ”paikallaan”, vaan ikäänkuin kiertää ”pystysuunnassa” ympyrää sen pisteen ympäri, joka on täsmälleen Maa-Aurinko-linjan suunnassa. Näin JWST ei koskaan sijaitse täsmälleen sillä linjalla, jossa magneettisia häiriöitä voisi esiintyä.
Kuka omistaa JWST:n tuottaman datan? Onko sen omistaja NASA, tutkimusryhmät tai onko data avointa? Ylipäätänsä onko teleskooppien keräämä dataa kerätty yhteen tietokantaan tai onko se ns jokaisen tutkijan kovalevyllä? Ilmeisesti kokeellisessa fysiikassa tutkimusdataa joskus piilotellaan mustasukkaisesti, eikä haluta luovuttaa edes vertaisarviointia varten.
Käytännöt vaihtelevat, mutta tyypillisesti NASAn ja ESAn (joka on JWST:ssä mukana) kokeissa koeryhmän täytyy antaa data julkisesti saatavilla tietyn ajan kuluessa.
Koeryhmä tekee ensin oman analyysinsä datasta, ja julkaisee sitten siitä erilaisia datatuotteita. Riippuu datan määrästä, julkaistaanko raakadataa ollenkaan (koska sitä voi olla niin paljon, että sitä ei kuitenkaan voi verkon yli siirtää), mutta sekin lienee periaatteessa saatavissa. Aniharva ryhmän ulkopuolinen tosin raakadataa tarvitsee.
Netissä liikkuu huhuja, että NASA suunnittelisi JWST:n ”robottitankkaamista” ennenkuin 10 vuoden kuluessaa, jotta toiminta voisi jatkua. Mitä tiedätte tästä?
En tiedä siitä mitään.
Jänniä hetkiä. Tarkoitus on löytää jälkiä myös alkukantaisista mustista aukoista, jotka ovat yksi selitys pimeälle aineelle.
JWST:hän on yleislaite, joka tutkii monia asioita, mutta mitä havaintojälkiä tässä tarkoitat?
JWST:n kymmenen miljardin hinta ei ole kova, koska Suomellakin oli yksinään vara allokoida sama määrä rahaa F-35-hävittäjiin. JWST oletettavasti antaa hyödyllistä dataa, mitä ei voi sanoa pimeän aineen hiukkasia metsäsätävistä ksenonpöntöistä, vaikka niihin kerättäissin kaiken maailman ksenon.
JWST on yleislaite, joka varmasti tekee kiinnostavia mittauksia, pimeää ainetta suoraan etsivät kokeet ovat erikoistuneet yhden mahdollisen signaalin etsimiseen. (Vaikka ne voivat toki löytää jotain yllättävää – esimerkkinä se, miten protonin hajoamista löytämään rakennettu SuperKamiokande löysi sen, että neutriinoilla on massat.)
Vertailussa on myös syytä ottaa huomioon, että pimeän aineen suoran havaitsemisen kokeet maksavat noin tuhannesosan tai alle JWST:n hinnasta.