Vieraskynä: Gaian uraauurtava aikakausi päätökseen
Veera Hussa
Yksi tähtitieteen hienouksista on uuden informaation jatkuva virta. Havaintolaitteiden tekniikka kehittyy vuosi vuodelta ja tuottaa aineistoa teoreettisten mallien varmistamiseksi. Eräs viime vuosikymmenen mullistavimmista havaintolaitteista on ollut ESA:n (Euroopan avaruusjärjestö) Gaia-satelliitti, jonka avulla on kerätty ennennäkemätön määrä uusia havaintoja – ennennäkemättömällä tarkkuudella. Tämä vuoden 2013 lopussa laukaistu satelliitti on tullut työrupeamansa päätökseen asettuen lopulliselle Aurinkoa kiertävälle kiertoradalleen.
Gaian pääasiallinen tehtävä oli kartoittaa galaksimme rakennetta tarkkuudella, jota ei oltu ennen nähty. Se teki havaintoja vuoden 2014 heinäkuusta vuoden 2025 tammikuuhun. Tähtitaivaan kohteiden koordinaattien lisäksi se mittasi muun muassa niiden etäisyyksiä, liikettä ja luminositeetteja eli kirkkauksia. Tänä aikana Gaia teki noin 3000 miljardia havaintoa, havainnoiden yhteensä kaksi miljardia tähteä, asteroidia ja kaukaista galaksia. Havainnot tehtiin kolmen eri havaintolaitteen avulla, jotka keskittyivät paikan, kirkkauden ja radiaalinopeuden mittaamiseen. Gaian polttoaine oli suunniteltu kestämään noin viisi vuotta, mutta kaikkien positiiviseksi yllätykseksi elinikä venyikin tästä kaksinkertaiseksi. Kulutettuaan päivittäin noin 12 grammaa kylmää kaasua, lähes kaikki polttoaine on nyt loppu ja Gaian datankeräyksen aika ohi.
Maaliskuun lopussa Gaia sai viimeiset komentonsa ESA:lta, johtaen sen sammumiseen. Nämä viestit välitettiin Argentiinassa sijaitsevalla Malargüe-antennilla, ja pitivät sisällään käskyt kommunikaatiosysteemien ja keskustietokoneen sammuttamiseen. Satelliitin onnistunut sammuttaminen on vaikeampaa kuin tulisi ajatelleeksi, sillä se on rakennettu kestämään kaikenlaiset häiriöt ja yritykset toiminnan pysäyttämiseen. Törmätessään avaruuspölyyn tai magneettikenttiä sekoittaviin avaruusmyrskyihin, satelliitin tulee pystyä käynnistymään uudelleen ja jatkamaan toimintaansa. Operaation tullessa päätökseen tämä ei kuitenkaan ole enää toivottavaa, jotta satelliitti ei enää tulevaisuudessa alkaisi yllättäen lähettää signaaleja. Gaian tapauksessa uudelleenkäynnistyminen saatiin onnistuneesti estettyä ja se päätyy lopulliselle radalleen kiertämään Aurinkoa, noin 10 miljoonan kilometrin päähän Maasta.
Gaia on sijainnut Lagrangen 2 pisteessä, josta käytetään merkintää L2. Kyseessä on kahden massan (tässä tapauksessa Maa ja Aurinko) vuorovaikutuksen alainen piste, joka sijaitsee pienemmän massan ulkopuolella kohdassa, jossa kappaleeseen kohdistuvat painovoimat ja keskipakoisvoima kumoavat toisensa. L2 pistettä hyödynnetään usein satelliittien sijoituksessa. Jotta Gaia ei häiritsisi nykyisiä ja tulevia havaintolaitteita, se tuli siten ohjata pois kyseisestä pisteestä.
Vaikka Gaian havainnointi on nyt tullut päätökseen, tullaan sen tekemiä mittauksia hyödyntämään vielä pitkän aikaa. Yksi operaation hienouksista on, että kaikki satelliitin keräämä informaatio on julkista. ESA julkaisee osana satelliitin tehtävää yhteensä viisi datapakettia, joista kolme ensimmäistä on julkaistu ja kaksi odottavat vielä tuloaan. Seuraava kokoelma on tarkoitus julkaista vuonna 2026 ja viimeinen vuosikymmenen lopussa. Kaikki tehdyt havainnot löytyvät niin sanotusta Gaia-arkistosta (Gaia archive), joka on kaikille saatavilla vain yhden googlauksen päässä.
Uutta aineistoa ja sen pohjalta tehtyjä löytöjä odotellessa, voimme jo ihastella tähänastisia tuloksia. Gaia on onnistunut luomaan ylivoimaisesti tarkimman kartan galaksistamme. Vertailukohdaksi voimme asettaa esimerkiksi ESA:n aikaisemman satelliitin, Hipparcosin, tuottaman kartoituksen. Hipparcosiin verrattuna Gaian havaitsemien kohteiden määrä on yli 16 000-kertainen, pisin havaintoetäisyys 50-kertainen ja himmein havaittu kohde yli 1500 kertaa himmeämpi. Siinä missä Hipparcosin havaintokohteet olivat ennalta määritettyjä, Gaia on skannannut koko tähtitaivaan järjestelmällisesti. Siten se on onnistunut löytämään muun muassa miljoona uutta galaksia, kun taas Hipparcos ei havainnut yhtäkään. Kokonaan uutena ominaisuutena Gaialla on myös kyky mitata radiaalinopeuksia, eli kappaleen liikettä kohti tai poispäin meistä.
Tähtitieteessä etäisyyksiä voidaan mitata parallaksimittauksiksi kutsuttujen havaintojen avulla. Parallaksi saadaan, kun mitataan kohteen paikkaa kahdella eri ajanhetkellä. Koska Maa kiertää Aurinkoa, kohde havaitaan taustataivasta vasten hieman eri paikassa. Tätä havaintopisteiden eron välistä kulmaa kutsutaan parallaksiksi. Etäisyyksien mittaaminen on tärkeää, sillä kun ne tunnetaan, voidaan paremmin ymmärtää kohteiden ominaisuuksia. Pitkän välimatkan takia esimerkiksi tähdet näyttävät himmeämmiltä, kuin mitä ne todellisuudessa ovat. Kun matka tunnetaan, voidaan tarkemmin määrittää tähden oikea kirkkaus. Kirkkaus kertoo muun muassa tähden iästä ja kemiallisesta koostumuksesta. Gaia mittasi parallaksin noin 1,7 miljardille tähdelle tarjoten meille avaimen niiden parempaan ymmärrykseen.
Uusien havaintojen avulla voimme myös tutkia Linnunradan menneisyyttä, nykytilaa ja tulevaisuutta. Käsityksemme Linnunradan rakenteesta ja muodosta on uudistunut, ja olemme pystyneet luomaan ensimmäisen laskelman sen massasta. Arviot keskussauvan pyörimisestä, kiekon vääntymästä ja spiraalihaarojen rakenteesta ovat muuttuneet ja tarkentuneet.
Gaian havaintojen parissa olemme päässeet yllättymään moneen otteeseen. Yksi mielenkiintoisimmista löydöksistä on kääpiögalaksin törmääminen Linnunrataan. Törmäys on vahvasti vaikuttanut sen nykyiseen tilaan, sekä mahdollisesti jopa Aurinkomme syntyyn. Yleisestä käsityksestä poiketen, Linnunradan kiekko ei olekaan litteä, vaan sen vastakkaiset reunat kaareutuvat käänteisiin suuntiin. Kiekon vääntymisen arvellaan johtuvan kääpiögalaksista, joka mahdollisesti tälläkin hetkellä fuusioituu Linnunrataan.
Toinen mielenkiintoinen esimerkki Gaian löydöksistä on galaksiimme saapuvat, ja toisaalta siitä pakenevat tähdet. Linnunradan massiivisuus aiheuttaa sitä kiertäviin kohteisiin niin suuren vetovoiman, että pakonopeus, vauhti jonka kappale tarvitsee karatakseen sen vaikutuksen piiristä, on valtava. Tästä huolimatta Gaia on havainnut tähtiä, jotka poistuvat galaksistamme. Ilmiö on vielä mysteeri, mutta sen arvellaan voivan johtuvan galaksin keskustassa olevasta mustasta aukosta, Sagittarius A*:sta. Musta aukko on massaltaan valtava, ja voi siten toimia niin sanottuna painovoimalinkona. Tämä tarkoittaa sitä, että tähden kulkiessa läheltä mustaa aukkoa, sen painovoima kiihdyttää tähteä niin paljon että se saavuttaa pakonopeuden. Samalla menetelmällä myös ulkopuoliset tähdet ovat voineet sinkoutua Linnunrataan toisista galakseista.
Suorien havaintojen lisäksi Gaian toiminnalla on muitakin tieteellisiä hyötyjä. Viimeisinä päivinä ESA suoritti satelliitille teknologisia testejä, jotka pyrkivät selvittämään miten yli 10 vuoden altistuminen rajuille avaruuden olosuhteille on vaikuttanut siihen. Nämä tiedot auttavat tulevaisuuden satelliittien rakentamisessa, tehden niistä entistä tehokkaampia ja kestävämpiä. Myös nykyiset ja tulevat operaatiot voivat hyödyntää Gaian tekemiä mittauksia, tehden niiden toiminnasta tuottavampaa, mikä edesauttaa uusien löydöksien tekemistä.
Gaia on onnistunut mullistamaan näkemyksemme Linnunradasta ja sen ulkopuolisesta lähiavaruudesta. Satelliitti on jo nyt ylittänyt tutkijoiden odotukset, ja lisää havaintoja odottaa edelleen hyödyntämistään. Haikein mielin, mutta tiedonjanoa ja lapsenomaista odotusta täynnä, koko tähtitiedeyhteisö luovuttaa satelliitin ansaituille eläkepäiville, kiertämään aurinkokuntaamme omassa rauhassaan.
Kirjoittaja on fysikaalisten tieteiden kandiohjelman opiskelija Helsingin yliopistossa.
Teksti on kirjoitettu osana Helsingin yliopiston opintojaksoa Kerro tähtitieteestä (Työelämätaidot II), jossa opiskeltiin tähtitieteen popularisointia ja yleistajuisten tekstien tuottamista. Ursa julkaisee kurssin harjoitustöiden parhaimmistoa.