Planck selvittää maailmankaikkeuden syviä syntyjä
Kuinka universumi syntyi? Kuinka vanha se on? Ja onko se ääretön vai ei? Nämä ovat eräitä peruskysymyksi, joita ihmiskunta on kysellyt niin kauan kuin muistamme. Kun kysyt tutkijalta, hän sanoo maailmankaikkeuden syntyneen joskus 10-20 miljardia vuotta sitten, mutta enempää hän ei osaa varmasti sanoa - ainakaan vielä. Mutta kunhan ESAn uusi Planck-luotain laukaistaan vuonna 2007, saadaan kysymyksiin toivottavasti vastauksia.
Planck on itse asiassa aikakone, koska se auttaa tähtitieteilijöitä katsomaan taaksepäin ajassa. Se mittaa tähtitaivaan mikroaaltotaustasäteilyä, joka on kaiku maailmankaikkeuden synnyn suuresta pamauksesta.
Nykyisen maailmankaikkeusmallin mukaan koko avaruus, meissä ja maapallossa olevat atomit sen mukana, syntyivät “suuressa pamauksessa” noin 15 000 miljoonaa vuotta sitten. Luku saadaan yksinkertaisesti tähtitieteellisistä havainnoista, koska sitä kauemmaksi ei voida nähdä; jos valo kulkee vuodessa yhden valovuoden, ja kauimpaa kosmoksesta havaitut kohteet ovat noin 15 miljardin valovuoden päässä, niin niistä havaitsevamme valo on lähtenyt matkaan aivan maailmankaikkeuden syntyhetkillä. Se on vanhinta ja pisimmältä tullutta valoa, mitä voimme havaita.
Avaruus on täynnä mikroaaltoja!
Vaikka emme voi nähdä kaukoputkella kauemmaksi kuin vanhimmat tähdet, galaksit ja galaksijoukot ovat, niin tiedämme sitäkin vanhemmista tapahtumista. Galaksit eivät syntyneet heti maailmankaikkauden alussa, koska sitä avaruus oli liian kuuma ja sekasortoinen pysyvien rakenteiden muodostumiseen. Vasta maailmankaikkeuden laajettua ja viilennyttyä saattoivat atomit muodostaa kerääntymiä ja synnyttää tähtiä ja galakseja.
Eräs tapa tutkia aikoja ennen galaksien syntymistä on havaita avaruuden taustasäteilyä, omalaatuista mikroaaltosäteilyä, joka näyttää tulevan yhtä voimakkaana joka puolelta avaruutta. Teorian mukaan se on kaiku alkupamauksesta; kaiku, joka kimmahti kuuluviin noin 300 000 vuotta kaikkeuden alun jälkeen.
Alunperin taustasäteily oli suuritaajuuksista sähkömagneettista säteilyä, mitä syntyy maailmankaikkeuden väkivaltaisimpien tapahtumien yhteydessä. Kaikkeuden alku oli raju ja väkivaltainen tapaus. Ajan kuluessa pamauksessa syntyneen säteilyn voimakkuus on kuitenkin hiipunut, koska maailmankaikkeus on laajentunut. Mitä suurempi avaruus on kooltaan, sitä pitempiaallonpituisempaa sen mukana laajentunut taustasäteily on. Nyt taustasäteily havaitaan mikroaaltoina, sähkömagneettisena säteilynä, jonka aallonpituus on sentti- ja millimetrien luokkaa.
Koska säteily syntyi kauan sitten ja on kimpoillut edes takaisin varhaisessa maailmankaikkeudessa, näyttää se tulevan samanlaisena joka puolelta. Se on kosmoksen taustakohinaa, joka kertoo osaltaan millainen kaikkeus oli 300 000 vuoden ikäisenä.
Mitä taustasäteily kertoo?
Taustasäteily on tunnettu jo 50-luvulta alkaen, mutta vasta viime aikoina sitä on voitu tutkia hyvin tarkasti. Planck tulee havaitsemaan sitä huomattavasti tarkemmin kuin mikään aikaisempi tutkimuslaite; Planck havaitsee taustasäteilyn pieniä eroavaisuuksia, sillä hyvin tarkkaan katsottuna säteily ei ole täysin samanlaista joka puolella avaruutta.
Planck havaitsee oikeastaan lämpötilaa, sillä säteily kertoo periaatteessa taivaan lämpötilan. Kun täysin pimeässä olevaa kappaletta kuumennetaan, alkaa se säteillä sähkömagneettista säteilyä. Jos kappaleen lämpötila on noin kolme astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, on siitä hohtava säteily juuri mikroaaltoja. Siksi taivaan taustasäteilyä kutsutaan myös kolmen Kelvinin säteilyksi (absoluuttinen nollapiste -273 Celsiusastetta on Kelvinin asteikolla nolla astetta).
Tarkkaan mitattuna kolmen Kelvinin säteilyn “lämpötila” on 2.726 K. Aikaisemmat mittaukset mm. amerikkalaisella COBE-satelliitilla ovat vahvistaneet, että taustasäteilyssä on äärimmäisen pieniä eroja; se on paikoitellen noin 0,00001 astetta kylmempää ja toisaalla saman verran lämpimämpää. Eroavaisuudet tuntuvat pieniltä, mutta ne kertovat paljon; ne ovat olleet jälkiä pienistä aineen epätasaisuuksista avaruuden alkuaikoina, joiden seurauksena universumi on tällainen kuin se on.
Planck koettaa mitata ja kartoittaa mahdollisimman tarkasti nämä taustasäteilyn kuumemmat ja kylmemmät läikät, joiden perusteella voidaan päätellä paljon maailmankaikkeuden iästä sen laajenemiseen, tulevasta kohtalosta puuttuvan aineen ongelmaan; yli 90% kaikesta teoriassa olemassaolevasta aineesta on hukassa, koska sitä ei olla pystytty havaitsemaan!
Suomalaiset mukana Planckissa
Mikroaaltoja havaitaan hyvin herkällä millimetriaaltovastaanottimella, joka kehitetty VTT Tietotekniikan MilliLabin johdolla. MilliLabin lisäksi Planckin laitteiden tekemiseen ja niiden tieteellisten tulosten käsittelyyn osallistuvat Helsingin ja Turun yliopistot, Teknillisen korkeakoulun Metsähovin Radiotutkimusasema, Fysiikan tutkimuslaitos sekä Ylinen Electronics Oy.
Hankkeen rahoittajina toimivat Tekes, Suomen Akatemia, ESA sekä siihen osallistuvat tutkimustahot. Planck Surveyor on ESAn ja Suomen suurin tieteellinen avaruushanke. Kaikkiaan Suomi panostaa Planckiin yli 50 miljoonaan markkaa, josta Tekes rahoittaa runsaat 36 miljoonaa markkaa.
