Planck - Maailman herkin radiovastaanotin

Maailmankaikkeus syntyi suuressa pamauksessa noin 12 miljardia vuotta sitten, ja ikään kuin kaikuna tuosta pamauksesta, tulee joka puolelta avaruutta hyvin heikkoa mikroaaltosäteilyä. Alun perin kuuma ja energinen säteily on viilentynyt vuosimiljardien kuluessa kylmiksi radioaalloiksi.

Pitkään oletettiin, että tämä niin sanottu mikroaaltotaustasäteily on tarkalleen samanlaista joka puolella, mutta vuonna 1992 tehdyillä havainnoilla osoitettiin, että taustasäteilyssä on hyvin pieniä eroavaisuuksia. Tämä avasi aivan uuden kappaleen maailmankaikkeuden syntyä ja kehitystä käsittelevässä tutkimuksessa, sillä taustasäteilyn eroavaisuuksia jäljittämällä voidaan nähdä millainen kaikkeus oli silloin, kun se oli vain 380 000 vuotta vanha.

Planckin tehtävänä on kartoittaa koko taivas tämän mikroaaltosäteilyn aallonpituusalueella paljon aikaisempaa tarkemmin ja havaita säteilyssä olevia äärimmäisen pieniä vaihteluita. Jos taustasäteily kuvitellaan taivaan lämpötilaksi, kykenee Planck erottamaan siitä muutaman miljoonasosa-asteen eroavaisuuksia.

Erittäin tarkat havainnot vaativat vastaanottimien jäähdyttämisen hyvin kylmään lämpötilaan. Planckin sisusta jäähdytetäänkin kolmella eri menetelmällä niin lähelle absoluuttista nollapistettä, että ympäröivä avaruuskin on lämmin paikka verrattuna Planckin ytimeen.

Planck on nimetty saksalaisen, vuonna 1918 fysiikan Nobel-palkinnon saaneen fyysikon Max Planckin mukaan. Häntä pidetään kvanttifysiikan isänä ja hän vei säteilyn tuntemusta eteenpäin monilla eri tavoin.

Planck laukaistaan matkaan Ariane 5 -kantoraketilla yhdessä Harschel-avaruusteleskoopin kanssa toukokuun alussa, ja kaksikko sijoitetaan kukin omalle paikalleen avaruudessa ns. Lagrangen tasapainopisteeseen noin 1,5 miljoonan kilometrin päähän Maasta.

Planckin tieteelliset tavoitteet

Planckin tehtävänä on yksinkertaisesti mitata taivaalta jokaisesta suunnasta tuleva mikroaaltosäteily mahdollisimman suurella resoluutiolla ja mahdollisimman tarkasti. Vähimmäistavoitteena on 15 kuukautta kestävä mittausohjelma, jonka aikana Planck pystyy kartoittamaan taivaan kokonaisuudessaan kaksi kertaa. Mikäli kaikki sujuu hyvin, voi kartoittaminen jatkua vielä noin vuoden verran pitempään.

Mittaukset tehdään yhdeksällä eri aallonpituusalueella, koska pelkän taivaan taustasäteilyn selville saamiseen pitää saada tietoa myös taivaalla mittauksen suunnalla olevista tähtitaivaan kohteista. Yhdistämällä eri aallonpituuksilla saatuja tietoja voidaan galaksit, oman Linnunratamme kaasupilvet ja muut "ylimääräiset" säteilylähteet vähentää pois mittauksesta, jolloin lopulta tuloksena on pelkää, puhdas taivaan taustasäteily. Planck pystyy havaitsemaan myös säteilyn polarisaatiota, eli missä suunnassa radioaallot värähtelevät.

Taustasäteilyn eroavaisuuksien avulla voidaan päätellä alkumaailmankaikkeuden massajakautumaa, olemusta ja laajenemista, ja näiden tietojen avulla pystytään tunkeutumaan maailmankaikkeuden historiassa lähes syntyhetkiin saakka. Tulokset ovat hyvin merkittäviä luonnon perusasioiden ymmärtämisen kannalta, ja ne saattavat tarjota myös viitteitä siihen, miksi suurin osa maailmankaikkeuden massasta on näkymättömissä ja mitä on mystinen pimeä energia.

Havaintoaineiston siivoaminen "ylimääräisistä" säteilylähteistä tuottaa myös paljon kiinnostavaa tietoa: taivasta mitatessaan Planck kartoittaa suuren joukon galaksijoukkoja, galakseja, kaasusumuja, tähtijoukkoja ja muita taivaan kohteita, joiden tutkijoille "ylimääräinen" tieto on kallisarvoista.

Lennon tieteellinen keskus sijaitsee Euroopan avaruustiedekeskuksessa ESACissa, Villafrancassa lähellä Madridia, Espanjassa. Havaintoaineistoa käsitellään myös Pariisin astrofysikaalisessa instituutissa, Ranskassa, sekä Triesten observatoriossa, Italiassa, sijaitsevassa Astrofysiikan instituutissa. Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen sekä Fysiikan tutkimuslaitoksen (HIP) tutkijat ovat myös keskeisissä tehtävissä Planckin tietojen käsittelyssä, sillä heidän tehtävänään on koostaa havainnoista säteilyn eri aallonpituuksia vastaavia taivaan karttoja.

Suomessa Planckin tietoja käytetään tutkimuksessa hyväksi myös Tuorlan Observatoriossa, Helsingin yliopiston Observatoriossa sekä Teknillisen korkeakoulun Metsähovin radiotutkimusasemalla.

Herschelin tieteellinen johtaja on saksalainen Jan Tauber

Planckin tekniikkaa

Planckin suunnittelussa, rakentamisessa ja testaamisessa kaikkein haastavinta oli avaruusaluksen kolmiportaisen jäähdytyslaitteiston tekeminen. Maan päällä laboratoriokäytössä olevien menetelmien muuttaminen avaruudessa hyvin vähällä energialla toimiviksi ja laukaisun rasitukset kestäviksi laitteiksi onnistui kuitenkin hyvin.

Aktiivisen jäähdytyksen lisäksi Planck hyödyntää passiivista jäähdytystä. Kahdeksankulmaisen alaosan ja torvimaisen, teleskooppipeilit sisältävän osan välissä on kolme peilipintaista levyä, joiden tehtävänä on heijastaa ylimääräistä säteilyä avaruuteen. Tämä auttaa viilentämään teleskoopin alaosan ja mittalaitteet noin -223°C:n lämpötilaan.

Taivaalta tuleva mikroaaltosäteily kerätään halkaisijaltaan 1,5 metriä olevalla peilillä, mistä säteily heijastetaan apupeilin kautta havaintolaitteiden antenniosaan. Mikroaaltoantennit ovat itse asiassa torvia, jotka on järjestetty peilin polttopisteeseen taajuusalueittain. Jotta havaintosuunnan sivusta tuleva säteily olisi mahdollisimman vähäistä, on peilit sisältävä torvimainen suojarakennelma sisäpinnaltaan myös peilikirkasta.

Torviantenneista signaali johdetaan vahvistuksen jälkeen noin puolitoista metriä pitkää aaltoputkea pitkin vastaanottimiin, jotka sijaitsevan miltei avaruusaluksen keskellä. Vastaanottimet on jaettu kahteen osaan: matala- ja korkeataajuusinstrumentteihin.

Matalataajuusinstrumentti (LFI, Low Frequency Instrument) koostuu 22 yksittäisestä vastaanottimesta, jotka toimivat kolmella taajuusalueella 30 GHz:n ja 70 GHz:n välillä. 70 GHz:n vastaanottimet on suunniteltu ja valmistettu Suomessa.

Korkeataajuusinstrumentti (HFI, High Frequency Instrument) pitää sisällään puolestaan 52 hieman eri periaatteella toimivaa vastaanotinta, jotka toimivat kuudella taajuusalueella 100 GHz:n ja 857 GHz:n välillä.

Kaikkein alimpana Planckissa on huoltomoduuli, joka pitää huolen asennonsäädöstä, suuntauksesta, tietoliikenteestä ja kaikesta muusta, minkä avulla Herschel pystyy toimimaan. Sen sisällä ovat tietokoneet, rakettimoottorit ja muut elintärkeät järjestelmät. Huoltomoduulin alapinnalla on pyöreä aurinkopaneeli, joka osoittaa Planckin avaruudessa ollessa lähes suoraan Aurinkoon. Aurinkopaneeli suojaa osaltaan laitteita Auringon lämmittävältä vaikutukselta.

Yhteydenpito Planckin kanssa tapahtuu pääasiassa ESAn Australiassa, Nova Norciassa Perthin luona sijaitsevan antennin kautta. Yhteysaikaa on noin kaksi tuntia vuorokaudessa.

Suomalaista osaamista Planckissa

MIKROAALTOVASTAANOTIN

Planckin äärimmäisen herkkä 70 gigahertsin radiovastaanotin kehitettiin ja valmistettiin Suomessa. Työtä johti VTT:n ja TKK:n yhteinen tutkimuslaitos MilliLab, ja vastaanottimen rakentamisesta sekä testaamisesta vastasi Jokioisissa sijaitseva DA-Design Oy.

Mikroaaltoelektroniikka on olemukseltaan hyvin erilaista kuin “normaali” kodin laitteissa oleva elektroniikka. Mikroaaltoja johdetaan pieniä, oikean muotoisia putkia ja johtimia pitkin; hyvän suunnittelun lisäksi tärkeää onkin erittäin tarkka valmistaminen. Planckin vastaanotin vahvistaa mikroaaltosignaalin 500 000 -kertaiseksi. Planckin vastaanottimien tekeminen on maksanut noin 8 miljoonaa euroa.

Hankkeessa kehitettyä teknologiaa voidaan käyttää myös turvatarkastuksiin ja esimerkiksi kulkuneuvojen havaitsemiseen sumun läpi. Tämän lisäksi tekniikka sopii tarkkoihin pilvitutkiin ja tulevaisuuden tietoliikennesovelluksiin. Planckissa on 1,5-metrinen radiokaukoputki ja kaksi instrumenttia, joista toinen mittaa matalampia taajuuksia ja toinen korkeampia. Suomalaiset suunnittelivat ja rakensivat matalataajuisen vastaanottimen vaativimmat osat. Niiden valmistaminen edellytti useita uusia teknisiä ratkaisuja.

Periaatteessa vastaanotin toimii kuin kideradio, selittää VTT:n teknologiajohtaja Jussi Tuovinen. ”Kosmisen taustasäteilyn taajuus on kuitenkin miljoona kertaa suurempi kuin tavallisen radiolähetyksen. Niinpä lanka-antennin sijasta käytetään lautasantennia eli radiokaukoputkea ja kiteen sijasta diodeja ja vahvistimia, joilla signaali vahvistetaan 500 000 -kertaiseksi.”

OHJAUSOHJELMISTO

Space Systems Finland Oy on kehittänyt Herschel- ja Planck-satelliittien keskustietokoneyksiköiden sovellusohjelmiston, joka vastaa satelliitin useimpien toimintojen ohjauksesta ja valvonnasta, esimerkiksi vikojen havainnoinnista ja korjauksesta, lämmönsäätelystä ja resurssien hallinnasta. Ohjelmistolla on keskeinen merkitys kummankin avaruusaluksen toiminnan kannalta.

Ohjelmiston testaamista varten rakennettiin automatisoitu testausympäristö, joka mahdollisti jatkuvien testien tekemisen ympäri vuorokauden. Avaruusohjelmistoissa laatu ja virheettömyys ovat olennaisia, joten suurin osa ohjelmistojen tekemisestä kului testaamisessa sekä laadun varmistamisessa.

Projekti alkoi Space Systems Finlandissa vuonna 2003 ja valmistui kesällä 2008. Kaikkiaan 36 henkeä työllistävä Space Systems Finland on kriittisten ohjelmistojen valmistamiseen, testaukseen ja laadunvalvontaan erikoistunut ohjelmistotalo, joka on perustettu vuonna 1999.

Planck lyhyesti

Massa laukaisun aikaan: n. 1950 kg
Korkeus: 4,2 m
Halkaisija: 4,2 m
Pääpeilin halkaisija: 1,5 m
Suunniteltu elinaika: vähintään 15 kuukautta, todennäköisesti vuoden verran pitempään (riippuu jäähdytysaineiden riittävyydestä)
Laukaisupäivä: toukokuun 2009 alku
Kustannukset: n. 600 miljoonaa euroa

Hinta pitää sisällään avaruusaluksen ja sen instrumenttien kehittämisen sekä rakentamisen, laukaisun sekä operoinnin avaruudessa.

Laukaisu

Planck ja Herschel laukaistaan yhdessä Ariane 5 -kantoraketilla Ranskan Guyanassa sijaitsevasta Kouroun avaruuskeskuksesta.

Kyseessä on Euroopan kallein avaruustieteellinen laukaisu, sillä satelliittien yhteisarvo on noin 1,7 miljardia euroa

Planck ja Herschel irtaantuvat kantoraketista noin 2,5 tunnin kuluttua laukaisun jälkeen

Planck aloittaa noin kaksi kuukautta kestävän matkan kohti Lagrangen pistettä 2 (noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta).

Rutiininomaiset havainnot alkavat noin kuukauden kuluttua määräpaikkaansa saapumisen jälkeen.

Operointi avaruudessa

Herschelin ja Planckin lennonjohto sijaitsee Euroopan avaruusoperaatiokeskuksessa ESOCissa, Darmstadtissa, Saksassa.

Laukaisun ja lennon alkuvaiheen aikana lennonjohdossa työskentelee 102 henkilöä. Normaalisti lennonjohdossa on 25 henkilöä.

Satelliiteissa on yhteensä 7000 hallittavaa laitetta tai järjestelmää, joissa voidaan säätää noin 45 000 erilaista parametria.

Lennon aikana satelliitteihin lähetetään vuorokaudessa 17000-25000 käskyä.

Planckin tekijät

Planckin rakentamisesta on päävastuussa Thales Alenia Space -yhtiön ranskalainen osa Cannesissa.

Havaintolaitteita on rakennettu useissa Euroopan maissa

Suomesta Herschel-projektiin alihankkijoina ovat osallistuneet VTT:n ja TKK:n yhteinen tutkimuslaitos MilliLab, DA-Design Oy ja Space Systems Finland Oy.

Herschelin ja Planckin yhteinen projektipäällikkö on saksalainen Thomas Passvogel.