Kosminen taustasäteily

Kirkkonummen Komeetta esitelmäsarjassa oli tammikuussa 2008 vuorossa dosentti Hannu Kurki-Suonio, joka kertoi aiheesta "Planck vie ajan ja avaruuden alkuun" Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa. Esitelmän rahoitti Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta. Esitelmällä oli 49 kuulijaa.

Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliitti lähetetään loppuvuodesta 2008 avaruuteen mittaamaan kosmista taustasäteilyä. Kosminen taustasäteily on alkuräjähdyksen jälkisäteilyä. Se tulee varhaisesta maailmankaikkeudesta ja näyttää meille maailmankaikkeuden kaukaiset osat sellaisina kun ne olivat muutaman sadantuhannen vuoden ikäisinä.

Klikkaa kuvaa!
Dosentti Hannu Kurki-Suonio esitelmöi Kirkkonummella taustasäteilystä. Kuva Seppo Linnaluoto.

Tietomme maailmankaikkeuden rakenteesta ja historiasta perustuvat suurelta osin kosmisen taustasäteilyn tarkkaan tutkimiseen. Planck tulee lisäämään ja tarkentamaan tietämystämme niistä huomattavasti. Erityisesti toivomme lisävalaistusta siihen miten ja mistä alkuperäiset ainetihentymät ja harventumat, "galaksien siemenet", syntyivät.

Hannu Kurki-Suonio on teoreettisen fysiikan dosentti sekä kosmologian ja yleisen suhteellisuusteorian yliopistonlehtori Helsingin yliopistossa. Hän on väitellyt yleisen suhteellisuusteorian alalta Teksasin yliopistossa Austinissa ja tehnyt sen jälkeen kosmologian alan tutkimustyötä Drexel Universityssä Philadelphiassa, Kalifornian yliopiston Lawrence Livermore -laboratoriossa ja Helsingin yliopistossa. Tällä hetkellä hän vetää suomalaisten kosmologien tutkimusryhmää, joka on osallisena Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliittihankkeessa.

Kosminen taustasäteily

Euroopan avaruusjärjestö ESAn Planck-satelliitti on tarkoitus lähettää avaruuteen tämän vuoden syksyllä. Se lähetetään Maa-Aurinko-systeemin Lagrangen pisteeseen 1,5 miljoonaa kilometriä Maan ulkopuolelle poispäin Auringosta. Se mittaa kosmisen taustasäteilyn kirkkaudenvaihteluita ja polarisaatiota.

Kosminen taustasäteily löytyi vuonna 1965 vahingossa. Sen löytäjät, Arno Penzias ja Robert Wilson, saivat löydöstä Nobelin palkinnon vuonna 1978.

Taustasäteilyn aallonpituus on n. 1-10 mm. Matkapuhelinten tai mikroaaltouunin aallonpituudet ovat noin 10 cm. Näkyvän valon aallonpituus on taas alle 1/1000 mm.

Kosminen taustasäteily on lähes isotrooppista eli yhtä kirkasta kaikissa suunnissa.

Valon nopeus on 300 000 km sekunnissa. Kun katsomme kauas, katsomme ajassa taaksepäin. Auringon näemme sellaisena kuin se oli 8 minuuttia sitten. Andromedan galaksin näemme sellaisena kuin se oli 2 miljoonaa vuotta sitten. Kaukaisimmat galaksit näemme sellaisina kuin ne olivat miljardeja vuosia sitten. Kosminen taustasäteily tulee vielä kauempaa, alkuräjähdyksestä.

Klikkaa kuvaa!
Dosentti Hannu Kurki-Suoniolla oli Kirkkonummella noin 50 kuulijaa. Kuva Seppo Linnaluoto.

Alkuräjähdys

Alkuräjähdys tapahtui kaikkialla 14 miljardia vuotta sitten. Varhaisen maailmankaikkeuden täytti kuuma ja tiheä, läpinäkymätön alkuplasma.

Maailmankaikkeus laajeni nopeasti. Plasma jäähtyi. Se muuttui läpinäkyväksi kaasuksi 400 000 vuoden kuluttua. Tämän jälkeen kaasu alkoi kerääntyä tähdiksi ja galakseiksi.

Kosminen taustasäteily on tästä alkuplasmasta lähtenyttä lämpösäteilyä. Kun säteily vapautui etenemään vapaasti 400 000 vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa, plasman lämpötila oli 3000 kelviniä (n. 2700 Celsius-astetta). Se oli silloin näkyvää punaista valoa, jonka aallonpituus oli n. 1/1000 mm.

Nyt maailmankaikkeus on laajentunut 1000-kertaiseksi ja se on jäähtynyt, niin että sen lämpötila on nyt 3 kelviniä. Kosmisen taustasäteilyn tämänhetkinen aallonpituus on noin 1 mm. Se näyttää maailmankaikkeuden kaukaiset osat sellaisena kuin ne olivat 400 000 vuoden kuluttua alkuräjähdyksestä. Voidaan sanoa, että havaitessamme kosmista taustasäteilyä, katselemme alkuräjähdystä.

Jo alkuplasmassa oli oltava pieniä tiheysvaihteluita, joiden pitäisi näkyä kosmisessa taustasäteilyssä. Alkuplasman tihentymät sitten kerääntyivät galakseiksi ja tähdiksi painovoiman vaikutuksesta.

Klikkaa kuvaa!
Kuva Seppo Linnaluoto.

Taustasäteilyn näyttämän 400 000 vuoden ikäisen maailmankaikkeuden rakenteen vertaaminen nykyisen maailmankaikkeuden rakenteeseen on auttanut kehittämään täsmällisen teorian maailmankaikkeuden rakenteen muodostumisesta.

Alkuperäiset tiheysvaihtelut ovat kasvaneet painovoiman vaikutuksesta. Taustasäteily ja tavanomainen aine vuorovaikuttavat keskenään. Pimeä (läpinäkyvä) aine hallitsee rakenteen kasvua painovoimallaan.

Mistä sitten ovat syntyneet alkuperäiset tiheysvaihtelut? Emme tiedä varmasti. Hypoteesina on että kosminen inflaatio ja kvanttifluktuaatiot ovat aiheuttaneet ne ennen alkuräjähdystä. Johtopäätöksenä tästä kaikesta on että alkuperäisiä tiheysvaihteluita on tutkittava tarkemmin.

Kosmista taustasäteilyä tutkitaan satelliiteilla

Vaikka kosmista taustasäteilyä voidaan havaita maanpinnalta, tarkimmat tutkimustulokset saadaan satelliiteilla. Ensimmäinen taustasäteilyä mittaava tekokuu oli COBE, joka lähetettiin Maata kiertämään 1989. Se havaitsi taustasäteilyssä 0,001 %:n suuruisia vaihteluita.

Seuraavana lähetettiin taustasäteilyä mittaamaan WMAP vuonna 2001. Se havaitsi taustasäteilyn kirkkausvaihteluita jo huomattavasti tarkemmin.

Klikkaa kuvaa!
WMAP-satelliitin kuva kosmisen taustasäteilyn epätasaisuuksista. Kuva NASA.

Kolmas kosmista taustasäteilyä mittaava satelliitti on Planck, joka on tarkoitus lähettää avaruuteen lokakuun lopussa tänä vuonna. Se on Euroopan avaruusjärjestön (ESA) satelliitti. Siihen osallistuu noin 10 Euroopan maata, mm. Suomi, sekä Yhdysvallat ( NASA) ja Kanada. Suomalaiseen tiedeosallistumiseen ottavat osaa Helsingin ja Turun yliopistot sekä Teknillinen korkeakoulu.

Se laukaistaan suunnitelmien mukaan Kourousta, Ranskan Guyanasta, Ariane 5 -raketilla lokakuun 31. päivänä 2008. Planck-satelliitin määränpäänä on Maan ja Auringon vetovoimien muodostama Lagrangen toinen piste 1,5 miljoonaa km Maasta poispäin.

Planck kartoittaa mikroaaltotaivasta yhdeksällä aallonpituudella. Näistä yhden vastaanottimet on rakennettu Suomessa.

Planckin on tarkoitus tehdä mittauksia vuoden 2009 alusta kevääseen 2010. Mittausohjelmaa on mahdollista jatkaa enintään noin vuodella. Mittauksia analysoidaan ja tieteellisiä tuloksia johdetaan kevääseen 2012 mennessä. Tällöin tulokset julkaistaan ja Planckin mittaukset tulevat kokonaisuudessaan julkisiksi.

Mitä tieteellisiä tuloksia sitten Planckilta odotetaan? Se pyrkii määräämään kosmologiset parametrit suurella tarkkuudella. Aikaisempien tutkimusten perusteella tunnetaan jo varsin tarkasti tavanomaisen aineen määrä, kylmän pimeän aineen määrä, pimeän energian määrä ja alkuperäisten tiheysvaihteluiden (galaksien siementen) voimakkuus. Sensijaan ennen Planckia tunnetaan huonosti alkuperäisten tiheysvaihteluiden spektri ja se, milloin ensimmäiset tähdet syntyivät.

Toistaiseksi ei ole ollenkaan pystytty havaitsemaan alkuperäisiä gravitaatioaaltoja, eikä eräitä alkuperäisten tiheysvaihteluiden mahdollisia ominaisuuksia (poikkeamia ns. adiabaattisuudesta ja gaussisuudesta). Nämä antaisivat tärkeää tietoa siitä mekanismista, joka synnytti nämä galaksien siemenet; joko vahvistaen inflaatiohypoteesia tai osoittaen johonkin muuhun mekanismiin. Jos kyseessä oli inflaatio, näiden ominaisuuksien löytäminen tai poissulkeminen suuremmalla tarkkuudella auttaa valitsemaan eri inflaatiomallien välillä.

Seuraavana Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa on vuorossa Diana Hannikainen, jonka esitelmän aiheena on Räjähtävä maailmankaikkeus. Esitelmä on tiistaina 26.2. klo 18.30 alkaen. Vapaa pääsy.

Seppo Linnaluoto