Maailman suurin avaruuspeili Turkuun

Maailmankaikkeuden suuria kysymyksiä tutkimaan lähetettävä Herschel on eräs Euroopan avaruusjärjestön suurimmista lähitulevaisuuden satelliittihankkeista. Se on ensimmäinen uuden sukupolven avaruusteleskoopeista, joiden joukkoon kuuluu myös tuleva Hubble-avaruusteleskoopin seuraaja. Hubble on tehnyt suuren työn avaruuden tutkimisessa, sillä sen lähettämien tietojen perusteella tähtitiede on mennyt suuren harppauksen eteenpäin. Lisäksi se on ottanut monia kauniita kuvia, jotka ovat levinneet lähes kaikkialle.

Hubblesta poiketen uusi Herchel tulee näkemään näkyvän valon aallonpituuksia laajemmin - se on ensimmäinen avaruusobervatorio, joka pystyy tekemään havaintoja koko taajuusalueella kaukaisesta infrapunaisesta alimillimetriaaltojen alueelle. Maan pinnalta ei kyetä havaitsemaan koko tätä aluetta, koska ilmakehä imee itseensä osan säteilystä.

Herschelin peilistä tulee lisäksi suurin koskaan avaruuteen lähetetty, sillä sen halkaisija 3,5 metriä siinä missä Hubblen peili on "vain" 2,5 metriä. Suuresta koostaan huolimatta peilin tulee kestää suuria rasituksia, sillä laukaisun aikana satelliitti tärisee paljon ja avaruudessa se joutuu nopeasti huoneenlämpöisestä raketin sisustasta 200 asteen pakkaseen.

Herschel sijoitetaan laukaisun jälkeen noin 1,5 miljoonan kilometrin päähän Maasta ns. Lagrangen pisteeseen no. 2, joka on Maan ja Auringon välissä oleva tasapainopiste. Lagrangen pisteessä satelliitit voivat olla lähes paikallaan. Siellä Herschel tulee tutkimaan pääasiassa uusia, syntymässä olevia galakseja, mutta sen kohdelistalla on paljon muitakin kaukaisia ja huonosti tunnettuja tähtitaivaan kohteita aivan ajan ja avaruuden reunalla. Herschelissä on kolme erillistä havaintolaitetta, jotka kaikki käyttävät samaa suurta peiliä valon keräämiseen. Laitteiden herkimmät kuvantavat osat jäähdytetään lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötilaan, jotta ne toimisivat herkemmin ja tarkemmin.

Jättimäinen peili

Turkuun tiistaina laskeutuva rahtikone tuo mukanaan suomalaista avaruushistoriaa, sillä Herschelin peilin hionta ja kiillotus on ylivoimaisesti tärkein avaruusteknologinen hanke, mihin suomalaiset ovat milloinkaan ryhtyneet. Ranskassa valmistettu peilin aihio kuljetetaan keskiviikkona Turun lentoasemalta maanteitse Tuorlan observatoriolle, jossa se hiotaan ja kiillotetaan. Virallisesti työstä vastaa Tuorlan tiloissa toimiva Opteon-yhtiö.

Siinä missä normaalisti kaukoputkien peilit valmistetaan lasista tai metallista, on Herschelin peili uudenlaista keraamista materiaalia, piikarbidia. Alunperin peili on ollut pelkkää pölyä, sillä piikarbidi on puuterimaista ainetta, josta saadaan aikaan kiinteitä kappaleita puristamalla puuteria suuressa paineessa ja lämpötilassa oikean malliseen muottiin. Koska yhden suuren peiliaihion valmistaminen näin olisi ollut hyvin hankalaa, tehtiin peili kahdestatoista palasta, jotka liitettiin toisiinsa juottamalla - kuumentamalla liitoskohtia voimakkaasti.

Peilin aihio saatiin valmiiksi viime vuoden lopulla, minkä jälkeen sitä on testattu, ennen kuin se kuljetetaan nyt Tuorlaan hiottavaksi. Vaikka peili on koottu osista, se on nyt yksi kokonaisuus, joka kuljetetaan, hiotaan, asennetaan satelliittiin ja laukaistaan yhtenä isona kappaleena. Paksuudeltaan peili on vain noin 20 cm.

Perinteistä tekniikkaa käyttäen Herschelin pää- ja apupeilit, sekä apupeiliä kannattava tukirakenne, olisivat painaneet 1,5 tonnia, mutta nyt massa on saatu nipistettyä 300 kiloon. Painonsäästön lisäksi piikarbidi on lasia tai peiliksi sopivaa metallia kestävämpää ja sen lämpöominaisuudet ovat paremmat - se ei siis muuta muotoaan paljoakaan lämpötilan muuttuessa. Peilin asennustarkkuuden tulee olla parempi kuin 10 mikrometriä (millin tuhannesosaa) ja sen pinnan tarkkuudeksi tulee Opteonin hionnassa parempi kuin 30 nanometriä, siis vain muutamia millin sadastuhannesosia.

Turusta peili kuljetetaan tyhjöön pakattuna Espanjaan Calar Alton observatorioon, missä peilin pintaan höyrystetään 10 nm paksu nikkeli-kromi-kiinnityskerros ja sen päälle alumiinista 300 nm paksu valoa heijastava kerros. Lopuksi peilin pinta suojataan silikonipohjaisella polymeerillä, jotta ilmakehässä oleva vesihöyry ei vaurioittasi herkkää alumiinikerrosta.

Sen jälkeen, kun peili on valmis, testataan sitä kolmen kuukauden ajan, jotta kaikki mahdolliset mekaaniset tai optiset viat saataisiin selville. Varsinaisen satelliittiin asennettavan peilin lisäksi tehdään varapeili, joka voidaan vaihtaa alkuperäisen tilalle, mikäli lentäväksi tarkoitetun alkuperäisen peilin kanssa ilmenee joitain ongelmia.

Yrjö Väisälän jalanjäljillä

Tuorlan observatoriolla on pitkät perinteet korkealaatuisen optiikan valmistajana. Observatorion perusti kuuluisa tähtitieteilijä, professori Yrjö Väisälä, kun hän ehdotti vuonna 1950 Yliopiston Turun keskustassa sijainneen tähtitornin siirtämistä kaupungista 12 kilometrin päähän, Tuorlan tilalle. Samalla hän esitti luolalabarotarion rakentamista, jossa voitaisiin jatkaa yliopistolla tehtyjä optisia kokeita sekä siihen liittyvien laitteiden rakentamista. Virallisesti Tuorlan observatorio perustettiin 29. 4. 1952.

Observatorio rakennettiin pienen kukkulan, Laukkavuoren, päälle. Tähtitornien tukipilarit upotettiin kallioon ja luolasto louhittiin saman kiven sisään: neljän poikittaisen tunnelin yhteispituus on 120 metriä ja tilavuus 1100 kuutiota. Luolan eteen rakennettiin välittömästi kaukoputkien linssien ja peilien hiomiseen tarkoitettuja työ- ja verstastiloja. Kukkulan päällä sijaitseva, 15 metriä korkean tornin päällä oleva kaukoputki on edelleen suurin Suomessa oleva teleskooppi.

Väisälän johdolla Tuorlan observatorio keskittyi Maan navan liikkeiden ja pikkuplaneettojen tutkimisen lisäksi optiikan valmistamiseen. Väisälän ja työkumppaninsa Liisi Oterman valmistamia kaukoputken linssejä ja peilejä on kotimaan lisäksi muun muassa Ruotsissa ja Australiassa.

Sittemmin optiikan tekemisen taito on säilynyt Tuorlassa: monien pienien peilien ja linssien lisäksi Tuorlassa hiottiin 1980-luvulla yhteispohjoismaisen NOT-teleskoopin 2,5-metrinen pääpeili ja viime vuosina ovat avaruussovellukset tulleet mukaan Tuorlan optiseen repertuaariin. Ja nyt Tuorlaan tuodaan hiottavaksi maailman suurimman avaruusteleskoopin peili.

Tuorlan observatorio on nykyisin osa vuoden 2001 alussa perustettua Väisälän avaruustutkimuskeskusta, johon kuuluu lisäksi Turun yliopiston Avaruustutkimuslaboratorio. Tuorlassa optiikan valmistamisesta vastaa virallisesti Opteon Oy -niminen yhtiö, jonka takana ovat dosentti Aimo Sillanpää ja laboraattori Tapio Korhonen.

Kimppakyydillä avaruuteen

Heschel-avaruuskaukoputki laukaistaan avaruuteen yhdessä Planck-nimisen tutkimussatelliitin kanssa. Siinä missä Herschel tutkii maailmankaikkeuden alussa syntyneitä kaukaisia galakseja, kuuntelee Planck kaikkeuden alkuräjähdyksen jälkeensä jättämää kaikua. Kaikkialta taivaalta näyttää tulevan tasaista, kolmen kelvin-asteen lämpötilassa olevan mustan kappaleen lähettämän säteilyn kaltaista mikroaaltosäteilyä, jonka tutkijat olettavat olevan jäänne maailmankaikkeuden alun tapahtumista.

Mikroaaltosäteilyn erittäin pieniä vaihteluita tutkimalla saadaan selville alkumaailmankaikkeuden rakenne. Jo aikaisemmin tästä säteilystä on havaittu pieniä eroja, mutta Planck tulee mittaamaan mikroaaltotaustasäteilyn erot huomattavasti aikaisempaa tarkemmin. Tämän perusteella kuvamme siitä, miten avaruus syntyi, kehittyi ja mikä on sen tulevaisuus, tulee täsmentymään olennaisesti.

Myös Planckissa on paljon suomalaista osaamista, sillä sen 70GHz:n aallonpituusalueella toimiva erittäin tarkka radiovastaanotin on Ylinen Electronics -yhtiön valmistama. Periaatteeltaan kideradion tapaan toimiva laite kykenee vahvistamaan avaruuden rajalta tulevaa äärimmäisen heikkoa signaalia miljoonakertaiseksi.

Vaikka Planck ja Herschel laukaistaan samalla Ariane 5 -kantoraketin kyydillä, ne irtoavat toisistaan heti avaruuteen päästyään ja niitä ohjataan erikseen. Ne sijoitetaan molemmat Lagrangen pisteeseen 2 Maan ja Auringon väliin, mutta hieman eri paikkoihin siellä. Käytännössä laitteet toimivat täysin toisistaan erillään ja tekevät kumpikin tahollaan omia tutkimuksiaan. Yhteinen laukaisu auttaa kuitenkin säästämään kustannuksissa.

Toinen peili pilvisatelliittiin

Nyt tiistaina Airbus-rahtikoneen mukana Tuorlaan saapuu työstettäväksi toinenkin peili, tosin yli puolet Herschelin peiliä pienempi. Se on läpimitaltaan 1.5 metriä ja valmistuu meteorologiseen ADM-Aeolus (Atmospheric Dynamics Mission) -satelliittiin, jonka tarkoituksena on tuottaa ensimmäistä kertaa maailmanlaajuisesti havaintoja pilvistä ja niiden liikkeistä kolmiulotteisesti.

ESAn "Elävä planeetta" -ohjelmaan kuuluva ADM-Aeolus lentää n. 400 kilometrin korkeudessa, mistä se mittaa pilviä lasersäteen avulla hieman samaan tapaan kuin laseria käytetään esineiden kolmiulotteiseen hahmottamiseen Maan päälläkin. Satelliitti suuntaa laserin kaukoputkensa avulla alas ilmakehään ja ottaa heijastuneet säteet vastaan samalla kaukoputkella.

Mikäli satelliitti osoittautuu toimivaksi, tullaan samantyyppisiä satelliitteja rakentamaan kokonainen sarja kattamaan koko maapallomme, jolloin sääennusteiden tarkkuus paranisi huomattavasti. Satelliitti laukaistaan näillä näkymin lokakuussa 2007.

Lisätietoja Herschel- ja ADM-Aeolus -peileistä:

Dosentti Aimo Sillanpää
Opteon Oy / Tuorlan Observatorio
puh. 02-27442 62
Aimo.Sillanpaa@astro.utu.fi