Ikkuna avaruuteen
Hubble-avaruusteleskooppi on kolmen vuosikymmenen ajan avannut huikeita näkymiä maailmankaikkeuteen. Aluksi siitä oli tulla ennätyskallis katastrofi.
Likinäköinen. Yli kymmenen vuoden aherruksella ja liki viiden miljardin dollarin satsauksella avaruuteen lennätettiin huhtikuussa 1990 kaukoputki, joka oli pahasti likinäköinen.
Optiikassa ilmenneen vian virallinen nimitys on palloaberraatio, mutta lopputuloksen eli suttuisten tähtikuvien kannalta tiedeyhteisön hartaasti odottama Hubble-avaruusteleskooppi oli likinäköinen. 2,4-metrisen pääpeilin heijastamat valonsäteet eivät osuneet yhteen ja samaan polttopisteeseen niin kuin niiden kaukoputkessa pitäisi osua, jotta kuva olisi tarkka ja terävä.
Valon kulkiessa linssin läpi se taittuu ja hajoaa eri väreihin – samalla tavalla kuin auringonvalon taittuessa vesipisaroissa, jolloin taivaalla loistaa monivärinen sateenkaari.
Erikoislasista ja useista elementeistä tehdyissä linsseissä ilmiö on vähäinen, mutta käyttämällä kaukoputkessa linssien sijasta koveraa peiliä ongelmasta päästään eroon kokonaan. Peilipinnasta kaikki valon aallonpituudet heijastuvat täsmälleen samalla tavalla.
Edellyttäen, että peili on hiottu tarkalleen oikeaan muotoon. Muuten sen reunoilta heijastuvat valonsäteet päätyvät hieman eri kohtaan kuin keskemmältä tulevat. Hubble-avaruusteleskoopin peiliä ei onnistuttu huikeasta hinnasta huolimatta hiomaan oikeaan muotoon.
Peilin kaarevuutta tarkistettaessa mittalaitteessa oli parin millimetrin heitto, minkä seurauksena hiontavirhettä ei huomattu. Kaikki näytti olevan kunnossa ja teleskooppi koottiin avaruuteen laukaisua varten.
Emämunaus paljastui vasta, kun Hubble oli viety avaruussukkulan lastiruumassa kiertoradalle ja ensimmäiset testikuvat saatiin Maahan.
Huipputarkkojen tähtikuvien sijasta tietokoneiden näytöille piirtyi tuhruisia otoksia.
Huolellinen tähtiharrastajakin pystyy kotikonstein hiomaan pyöreästä lasikiekosta kaukoputkipeilin, jossa palloaberraatiota ei ole. Miljardien budjetilla siihen ei pystytty.
Onneksi Hubble oli jo alun perin suunniteltu huollettavaksi. Sen kiertorata on hieman alle 550 kilometrin korkeudessa, joten avaruussukkuloilla voitiin tehdä huoltolentoja.
Avaruusteleskoopin koplaaminen sukkulalentoihin merkitsi myös sen kutistumista. 1960-luvun lopulta lähtien oli laadittu suunnitelmia avaruuteen vietävästä kaukoputkesta, ja pitkään kaavailuissa oli kolmimetrinen peiliteleskooppi.
Kun peilin läpimitasta tingittiin, saatiin karsittua muutenkin käsistä karkaavia kuluja ja toisaalta avaruusteleskooppi voitiin viedä radalleen avaruussukkulan kyydissä.
Tekniikan kehittyessä myöhemmillä lennoilla voitaisiin vaihtaa teleskoopin kameroita ja muita mittalaitteita edistyneempiin, mutta ensimmäiseksi – tosin vasta joulukuussa 1993 – Hubbleen asennettiin pääpeilin ”likinäköisyyden” korjaava optiikkapaketti.
Vanhanajan puhelinkopin kokoisessa moduulissa avaruusteleskoopin keräämä valo kulki edestakaisin kahden sentin kolikon kokoisten, muodoltaan perunalastua muistuttavien peilien välillä ennen kuin se ohjattiin eri instrumentteihin.
Peilit oli hiottu tarkkaan tietyn muotoisiksi, jolloin ne kumosivat pääpeilissä olevan hiontavirheen vaikutuksen.
Korjausoptiikka toimi, ja Hubble alkoi täyttää sille asetettuja toiveita. Siitä tuli juuri niin mullistava havaintolaite kuin sen nimi antoi odottaa. Kaukoputki on nimetty Edwin Hubblen mukaan, tähtitieteilijän, joka 1920-luvun lopulla osoitti galaksihavainnoillaan maailmankaikkeuden laajenevan.
”Hubble on tieteellisesti kaikkien aikojen tuottoisin teleskooppi. Sen avulla on tehty löytöjä kaikilla tähtitieteen osa-alueilla: määritetty maailmankaikkeuden ikä, selvitetty galaksien ja tähtien syntyä, tutkittu jopa eksoplaneettojen kaasukehiä”, listaa Travis Rector, Alaskan yliopiston tähtitieteen professori.
Rector tekee työkseen tutkimusta maailman suurimmilla ja tehokkaimmilla kaukoputkilla ja koostaa niiden keräämästä datasta upeita tähtikuvia.
Hubblen merkitys ei rajoitu tieteellisiin tuloksiin, sillä sen laukaisu osui yksiin sekä tehokkaiden kuvankäsittelymenetelmien että internetin kehityksen kanssa.
”Hubble on ollut uranuurtaja komeiden tähtikuvien tuottamisessa ja jakamisessa suurelle yleisölle. Sen avulla ei ole pelkästään otettu kuvia, joita millään aikaisemmalla kaukoputkella ei pystytty ottamaan, vaan niitä on myös voitu levittää internetin välityksellä nopeasti ihmisten ihailtavaksi”, Rector muistuttaa.
Teleskooppien havaintoaika on kallista ja kysyttyä, joten aiemmin arvokkaan ajan uhraamista tieteellisen tutkimuksen sijasta kauniiden kuvien ottamiseen pidettiin turhanpäiväisenä.
Nykyisin tutkijat kuitenkin ymmärtävät tällaisten kuvien merkityksen yleisön mielenkiinnon herättämisessä.
Upeimmat tähtikuvat saadaan usein aikaan yhdistämällä useita jopa eri teleskoopeilla otettuja otoksia.
Hubble-avaruusteleskoopissa on 30 vuoden aikana ollut lukuisia mittalaitteita erilaisista kameroista tähtitaivaan kohteiden kirkkautta mittaaviin fotometreihin ja eri alkuaineiden muodostamia spektrejä tallentaviin spektrografeihin. Kameratkaan eivät ole olleet mitään tavallisia digipokkareita.
”Kaukoputkissa käytettävät ’kamerat’ ovat oikeastaan tieteellisiä instrumentteja, jotka on suunniteltu tarkkojen mittausten tekemiseen. Voimme kuitenkin käyttää kerättyä dataa myös kuvien tuottamiseen. Sen ohella niiden suurin ero tavallisiin digikameroihin on, että niillä pystytään havaitsemaan säteilyä, jota silmämme ei näe”, Rector täsmentää.
Tähtikuvissa loistavat värit saadaan aikaan yhdistämällä useita kuvia, jotka on otettu valon eri aallonpituuksia eli värejä läpäisevien suotimien avulla. Niiden valotusaika voi olla minuutteja tai jopa tunteja arkisten kännykkäkameranäpsyjen sekunnin kymmenes- tai sadasosien sijaan.
”Aurinkokunnan kappaleita lukuun ottamatta avaruuden kohteet eivät juurikaan liiku erillisten valotusten aikana tai niiden välillä. Sen ansiosta voimme käyttää hyvin pitkiä, useiden minuuttien tai jopa tuntien valotusaikoja.”
Usein pitkä valotusaika on tarpeen myös kohteen vähäisen kirkkauden takia. Himmeimmät paljain silmin pimeällä yötaivaalla näkyvät tähdet ovat noin neljä miljardia kertaa kirkkaampia kuin himmeimmät Hubblen ”näkemät” kohteet.
”Kaukoputkia sanotaan toisinaan ’valoimureiksi’, sillä niiden tehtävä on kerätä avaruuden kohteista mahdollisimman paljon valoa. Sitä voidaan sitten tarkastella erilaisilla tieteellisillä laitteilla. Suuret kaukoputket keräävät enemmän valoa, joten niiden avulla on mahdollista tutkia himmeämpiä kohteita.”
Siksi maanpäällisten kaukoputkien koot kasvavat kasvamistaan. Tällä hetkellä suurimmissa kaukoputkissa on yli kymmenmetriset peilit, mutta parhaillaan Chileen Andien vuoristoon rakennetaan Euroopan eteläisen observatorion ELT-teleskooppia (Extremely Large Telescope), johon tulee 39-metrinen peili.
Tavoitteena ei ole saada aikaan mahdollisimman isoja suurennuksia vaan mahdollisimman suuri valonkeräyskyky. Jos vuonna 2025 valmistuvaa ELT-teleskooppia vertaa Galileo Galilein 1600-luvun alussa käyttämiin alkeellisiin kaukoputkiin, se kerää valoa lähes 20 miljoonaa kertaa tehokkaammin.
Tähtitieteessä oleellista onkin valon tai ylipäätään säteilyn määrä, jonka kaukoputki pystyy kohteesta keräämään. Kaukaiset kaasusumut, galaksit ja kvasaarit ovat hyvin himmeitä, joten tavoitteena on saada kaikki valo talteen.
Hubblen ja muiden teleskooppien avulla otettuja kuvia käsitellään sen mukaan, mitä niiden avulla halutaan saada selville. Keinotekoisesti muokatut värit voivat kuvata erilaisia lämpötiloja, eri alkuaineiden runsauksia tai kohteiden liikettä toistensa tai Maan suhteen.
Erilaisten suotimien läpi otetut ja tietokoneella käsitellyt tähtikuvat ovat kuitenkin aivan yhtä aitoja kuin mustavalkokuvat, joissa värien kirjo on kutistunut harmaan eri sävyiksi.
”On hyvä muistaa, että kaukoputkia käytetään tieteellisiin tarkoituksiin. Toisinaan niiden keräämästä datasta tehdään myös kauniita värikuvia, mutta se ei ole niiden päätehtävä. Kamerat ja suotimet valitaan sen mukaan, millaista tutkimusta halutaan tehdä. Sopivilla suotimilla voidaan esimerkiksi mitata tähden pintalämpötila, galaksin etäisyys tai asteroidin koostumus.”
Vaikka Hubble-avaruusteleskooppi on kaukoputkien kokokisassa kaukana kärjestä, sen suorituskyky on silti huippuluokkaa. Hubblen erinomaisuus perustuu sen sijaintiin Maan ilmakehän ulkopuolella.
Tähtitieteen kannalta ilmakehästä on pelkkää riesaa. Eri ilmakerrosten lämpötila- ja tiheyserot sekä ilmavirtaukset saavat avaruudesta tulevat valonsäteet hieman mutkittelemaan. Paljain silmin se näkyy tähtien tuikkimisena, mutta kaukoputken näkökentässä kohteet näyttävät pahimmillaan poukkoilevan edestakaisin.
Silloin on turha haaveilla veitsenterävistä tähtikuvista.
Toimiva ja suurissa kaukoputkissa normiksi muodostunut ratkaisu on adaptiivinen optiikka. Kun suuret peilit olivat aiemmin yhtenäisiä lasikiekkoja, nykyisin useimmissa suurissa kaukoputkissa on ohuista kuusikulmaisista palasista koostuva mosaiikkipeili.
Yksittäisten palasten ja sitä kautta koko peilin muotoa voidaan muuttaa ilmakehän aiheuttamien häiriöiden mukaisesti. Lasersäteellä luodaan taivaalle ”keinotähti”, jota tarkkailemalla tietokone osaa säätää peiliä juuri sopivasti.
”Adaptiivinen optiikka on huimaa tekniikkaa, mutta se toimii vain tietyillä aallonpituuksilla. Siksi kaukoputkia on jatkossakin lähetettävä avaruuteen”, Rector toteaa.
”Esimerkiksi Hubblen seuraajaksi kaavailtu Webb-avaruusteleskooppi ’näkee’ infrapunasäteilyä, joka ei pääse ilmakehän läpi lainkaan maanpinnalle.”
Alun perin Webb piti laukaista avaruuteen jo vuonna 2014, mutta hankkeen aikataulu on venynyt venymistään. Vastikään ilmoitettiin, että ensi kevääksi suunniteltu laukaisu lykkääntyy lokakuuhun 2021.
Uusilla kaukoputkilla tähtitieteilijät näkevät yhä kauemmaksi avaruudessa – ja ajassa.
Webb-avaruusteleskoopissa on 6,5-metrinen mosaiikkipeili, joka avautuu vasta avaruudessa. Teknisesti vaativa ratkaisu on osaltaan viivyttänyt hanketta. Toinen syy on se, että Webbiä ei voi huoltaa avaruudessa samaan tapaan kuin Hubblea: kaiken on toimittava takuuvarmasti.
Vaatimus ”huoltovapaudesta” johtuu siitä, että Webb lähetetään Maata kiertävän radan sijasta 1,5 miljoonan kilometrin päähän niin sanottuun Lagrangen pisteeseen. Siinä se pysyy Auringon ja Maan suhteen paikallaan.
”Webb-avaruusteleskoopin rakentaminen on kestänyt arvioitua kauemmin, mutta se on tavallista, kun tieteen saralla tehdään jotain, mitä ei ole tehty koskaan aiemmin. Webb on kunnianhimoinen projekti, joka tuottaa Hubblen tavoin uskomattomia tuloksia”, Rector arvioi luottavaisesti.
Uusien, entistä suurempien ja tehokkaampien kaukoputkien – niin maanpäällisten kuin ilmakehän ulkopuolella toimivien – myötä tähtitieteilijät pystyvät katsomaan yhä kauemmas sekä avaruudessa että ajassa.
Etäisin tällä hetkellä tunnettu kohde, galaksi ”nimeltä” GN-z11, on 13,4 miljardin valovuoden etäisyydellä. Kaukoputkien keräämä valo on lähtenyt matkaan, kun maailmankaikkeudella oli ikää vain noin 400 miljoonaa vuotta, alle kolme prosenttia nykyisestä. Uusien havaintolaitteiden myötä ennätys rikotaan varmasti.
Hubblen työ ei kuitenkaan pääty Webb-teleskoopin laukaisuun. Vanhaa palvelijaa käytetään niin kauan kuin se pysyy toimintakunnossa. Ratkaisevassa asemassa ovat gyroskoopit, joilla säädellään teleskoopin asentoa. Niitä on kaikkiaan kuusi, mutta kolme on jo poissa pelistä.
Avaruussukkulat museoitiin liki kymmenen vuotta sitten, eikä nykyisillä aluksilla pystytä tekemään huoltolentoja.
Jos vielä yksi gyroskooppi rikkoutuu, siirrytään käyttämään vuorotellen kahta jäljellä olevaa. Yhdelläkin siis pärjätään, mutta kun viimeinenkin gyroskooppi jumittuu, Hubblen taru on lopussa. Siihen voi kuitenkin mennä vielä useita vuosia.
Tämä oli ilmaisnäyte SK:n maksullisesta sisällöstä
Tilaa Suomen Kuvalehti ja hanki luettavaksi koko sisältö ja arkisto
Tilaa