”Kun katsomme avaruuteen, katsomme itse asiassa menneisyyteen”, teoreettisen fysiikan dosentti Hannu Kurki-Suonio Helsingin yliopistosta aloittaa. Auringonvalo ehtii vanheta matkalla maahan kahdeksan minuuttia. Andromedan galaksin näemme kaksi miljoonaa vuotta vanhana.

Kurki-Suonio vetää suomalaista tutkimusryhmää, joka osallistuu Euroopan avaruusjärjestön ESAn Planck-satelliittihankkeeseen. Planck-satelliitin tehtävänä on mitata kosmista taustasäteilyä. Se on alkuräjähdyksen jälkisäteilyä, joka on pääasiassa kotoisin 400 000 vuoden ikäisestä maailmankaikkeudesta.  Alkuräjähdys tapahtui 14 miljardia vuotta sitten.

Varhaisen maailmankaikkeuden täytti kuuma ja tiheä alkuplasma, ja kun maailmankaikkeus laajeni, plasma muuttui kaasuksi ja jäähtyi. 400 000 vuoden ikäisenä maailmankaikkeuden materia oli tarpeeksi ”ohutta” niin, että säteily pääsi etenemään vapaasti. Kaasussa olleista hyvin pienistä tiheysvaihteluista muodostui painovoiman vaikutuksesta ennen pitkää tähtiä ja galakseja.

Planckin keräämän datan avulla toivotaan saatavan lisätietoa tiheysvaihteluiden spektristä ja siitä, koska ensimmäiset tähdet ovat syntyneet.

”Kosmologian keskeisiä kysymyksiä on se, mikä on ollut vastuussa tästä rakenteiden siementen synnystä. Kosmisen taustasäteilyn avulla näemme maailmankaikkeuden alkuperäisen rakenteen, ja pääsemme sen mekanismin jäljille, joka on synnyttänyt plasman tiheysvaihtelut.”

”Tutkimuksella on koko maailmankuvaamme muokkaava vaikutus. Sen myötä opimme uutta siitä, miten maailmankaikkeus saanut alkunsa.”

Kuva: Planck-satelliitti on ESAn ”aikakone”, jonka avulla tutkijat voivat matkustaa ajassa taaksepäin kohti nykyisin tuntemamme ajan ja tilan alkua. Planck-satelliitti mittaa alkuräjähdyksen jälkisäteilyä, josta haetaan lisätietoa maailman-kaikkeuden materian tiheysvaihteluista, joista ensimmäiset tähdet ja galaksit muodostuivat. © ESA

Avaruuden kylmin paikka

Sinänsä kosmisen taustasäteilyn tutkiminen ei ole uutta, se löydettiin jo vuonna 1965. Itse asiassa suurin osa tietämyksestä, joka meillä on maailmankaikkeuden synnystä, perustuu taustasäteilyn tutkimiseen. Planck on kolmas säteilyä tutkimaan lähetetty satelliitti, ja merkittävin ero aikaisempiin satelliitteihin on juuri Planckin instrumenttien tarkkuus.

Planckissa on kaksi taajuusinstrumenttia eli eräänlaista radiovastaanotinta: kuusi korkeinta taajuutta käsittävä korkeataajuusinstrumentti (HFI) sekä kolme matalinta taajuutta käsittävä matalataajuusinstrumentti (LFI). Suomessa on valmistettu ja kehitetty näistä yhden, 70 GHz:n taajuusalueen, vastaanotin.

”70 Ghz on yksi tärkeimpiä taajuuksia, sillä muuta säteilyä on vähän. Taustasäteily nähdään mahdollisimman tarkkana”, Kurki-Suonio kertoo.

”Säteilyn signaalit ovat heikkoja ja vaihtelut hyvin pieniä. Niitä tutkimaan tarvitaan äärimmäisen herkkä instrumentti, joka sijaitsee ympäristössä, jossa on mahdollisimman vähän häiriöitä.”

Planckin instrumenttien on tarkoitus havaita jopa vain yhden miljoonasosa-asteen suuruisia kosmisen taustasäteilyn lämpötilan vaihteluja. Herkkyyden saavuttamiseksi ne on jäähdytetty äärimmäisen kylmiksi, jotta lämmöstä aiheutuva kohina olisi mahdollisimman pieni.

”Planckin korkeataajuusinstrumentin kylmimmän osan lämpötila on vain asteen kymmenyksen päässä absoluuttisesta nollapisteestä. Sen viileämpää paikkaa ei tiedetä maapallon ulkopuolella olevan”, Kurki-Suonio kertoo.

Instrumentin suunnittelua ja rakentamista johti VTT:n ja TKK:n MilliLab. Tuotekehitys poikinee myös ”maallisempia” sovelluksia. Esimerkiksi Helsinki-Vantaan lentokentällä on jo testattu mikroaaltoihin perustuvaa, kätketyt aseet paljastavaa skanneria.

Ensimmäiset suomalaisten laatimat kartat

Satelliitin ensimmäinen, kaksi viikkoa kestänyt kartoitusjakso tapahtui viime elokuussa. Tällöin varmistettiin mittalaitteiden vakaus ja kyky säilyttää suuri tarkkuus pitkän ajan kuluessa. Tuloksena saatiin kartat taivaankaistaleista kustakin yhdeksästä mittaustaajuudesta. Kartoitettu alue on noin 15 astetta leveä rengas, joka kiertää koko taivaan ympäri. Taajuuskartat on tarkoitus laatia koko universumista.

Taajuuskartoista laaditaan komponenttikartat, joiden avulla erotellaan kosminen taustasäteily muusta säteilystä, jonka lähteitä ovat muun muassa tähtienvälinen pöly ja magneettikenttien vaikutuksesta säteilevät hiukkaset.

Syyskuussa 2009 julkaistiin ensimmäiset suomalaisten laatimat kartat. Alkuperäinen mittausohjelma on tarkoitus saada valmiiksi melko pian. Suurelle yleisölle data vapautuu vuoden 2012 lopussa, jolloin se on kenen tahansa ladattavissa internetistä.

Planckin keräämien havaintojen analyysi on kansainvälinen prosessi. Suomalaisista datan analysointiin osallistuu tutkijoita Helsingin yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitoksilta, Fysiikan tutkimuslaitokselta, TKK:n Metsähovin tutkimuslaitokselta sekä Turun yliopiston Tuorlan observatoriosta.

Kosmologinen ura

Teoreettisen fysiikan dosentti Hannu Kurki-Suonio kertoo keskittyvänsä tutkimustyössään juuri nyt pelkästään Planck-satelliittiin.

”Datan ja sen detaljien määrä on aivan valtava. Analysointi on hyvin sofistikoitunutta laskentaa, joka vaatii raskaita tietokoneajoja.” Kurki-Suonio on väitellyt yleisen suhteellisuusteorian alalta Teksasin Austinin yliopistossa. Hän suuntasi Yhdysvaltoihin heti maisterinpaperit Helsingistä saatuaan vuonna 1983.

”Kiinnostukseni kosmologiaan lähti graduni aiheesta, joka koski varhaisen maailmankaikkeuden ydinsynteesiä. Sitä ennen ei Suomessa ollut tarjolla edes kosmologian kursseja.” Kosmologista tutkimustyötä hän on tehnyt Drexel Universityssä Philadelphiassa ja Kalifornian Lawrence Livermore -laboratoriossa.

”Yhdysvallat on kosmologisen tutkimuksen suurvalta. Puolet maailman tutkimuksesta tehdään Yhdysvalloissa.” Suomeen hän palasi vuonna 1992, mistä pitäen hän on työskennellyt Helsingin yliopistossa.

Anneli Frantti