Yhdysvaltain Cape Canaveralista Floridasta heinäkuussa laukaistava SpaceX Falcon 9 -raketti kuljettaa eurooppalaisen Euclid -avaruusteleskoopin avaruuteen, jossa sen kameroilla voidaan kuvata näkyvää valoa sekä ottaa kuvia ja spektroskooppisia mittauksia infrapuna-alueella hyvin laajalta alueelta.
Euroopan avaruusjärjestön ESA:n jättimäisessä tutkimushankkeessa aiotaan selvittää avaruuden kahta suurta mysteeriä: pimeää ainetta ja pimeää energiaa. Näiden mysteerien selvittämiseksi Euclid muodostaa kerättävän datan pohjalta Universumin suuren mittakaavan rakenteista kolmiulotteisen kartan, joka sisältää miljardeja galakseja.
– Jos mietitään ylipäänsä tieteellistä maailmankuvaa ja meidän käsitystämme meitä ympäröivästä maailmankaikkeudesta niin tämä on tietysti tärkeä raami ymmärtää, miten maailmankaikkeus kehittyy ja minkälainen se on käyttäytymiseltään, sanoo hankkeessa mukana oleva Oulun yliopiston tutkija Aku Venhola.
Pimeää ainetta ei näe, vaikka se vaikuttaa
Pimeällä aineella tarkoitetaan ainetta jota ei voida nähdä tai havaita, koska se ei sido itseensä eikä myöskään säteile sähkömagneettista säteilyä, kuten valoa.
Tällaisen pimeän aineen massan vaikutuksia voidaan kuitenkin havaita erityisesti galaksien ja galaksijoukkojen liikkeissä eli ne käyttäytyvät ikään kuin niissä olisi enemmän massaa kuin niistä voidaan nähdä.
Jo vuosisatojen ajan tutkijat ovat etsineet teleskoopeilla avaruudesta uusia kohteita kuten komeettoja, tähtiä ja galakseja.
Valon eri aallonpituuksilla havaittavat ilmiöt muodostavat kuitenkin koko Universumista vain murto-osan ja Helsingin yliopiston professori ja Suomen Euclidin johtaja Hannu Kurki-Suonion mukaan peräti 95 prosenttia maailmankaikkeudesta näyttäisi olevan tätä pimeää ainetta ja energiaa.
Aku Venhola kertoo, että pimeän aineen selitykseksi on esitetty valtava kirjo erilaisia ideoita aina uusista alkeishiukkaisista pienimassaisiin mustiin aukkoihin. Venholan mukaan ilmiön selittäjäksi on esitetty myös muokkauksia gravitaatio- ja liikelakeihin, jotka galaksien mittasuhteissa poikkesivat arkiolosuhteissa hyvin toimivasta newtonilaisesta dynamiikasta.
Englantilainen fyysikko Isaac Newton kehitti 1600-luvulla liike- ja gravitaatiolait, jotka kuvaavat mm. minkälaisen kiihtyvyyden kappaleeseen kohdistuva voima aiheuttaa ja minkä suuruinen voima syntyy kahden kappaleen välille.
Arkielämässä tämä gravitaatio näkyy esimerkiksi luonnonilmiönä, jonka takia maan pinnalla kappaleet putoavat painovoiman takia alas. Myös kiertoradalle laukaistujen satellittien pysyminen radallaan perustuu samaan ilmiöön.
Kuvauspaikka 1,5 miljoonan kilometrin päässä maasta
Aku Venhola on mukana noin 300 eri tutkimuslaitoksen ja yli parin tuhannen tutkijan yhteisessä Eurooppalaisessa tutkimushankkeessa, jonka on määrä lähiaikoina laukaista avaruuteen uudenlainen Euclid-teleskooppi.
Teleskooppi sijoitetaan avaruudessa puolentoista miljoonan kilometrin päähän Maasta, mistä se kuvaa kuuden vuoden ajan avaruutta.
Sen on määrä kuvata noin kolmannes koko taivaanpallosta eli sen kuvaama alue on laajuudeltaan avaruusteleskoopille ainutkertainen, sillä nykyisin avaruudessa jo toimivat avaruusteleskoopit Hubblen ja James Webb pystyvät kuvaamaan selvästi pienempiä alueita taivaasta.
Hubblea ja James Webbiä voisikin verrata teleobjektiivilla varustettuun kameraan, jolla näkee hyvin kauas, mutta jonka näkymä on hyvin kapea. Tässä vertailussa Euclid toimii ikään kuin avaruuden mittasuhteisiin rakennettu laajakulmaobjektiivi. Niinpä Hubbelelta tai Webbiltä menisi aikaa Euclidin kuuden vuoden urakkaan peräti sata vuotta.
– Sillä halutaan kartoittaa galaksien ja niistä koostuvien isojen rakenteiden jakautumista avaruudessa reilun viidentoista miljardin valovuoden päähän asti, kertoo Aku Venhola, joka toimii myös Oulun yliopiston Euclid -ryhmän johtajana.
Kyse on tähtitieteellisistä mitoista eli tutkimuksessa kuvataan valoa, joka on lähtenyt matkaan noin kymmenen miljardia vuotta sitten.
Euclidin keräämää dataa käyttävät hyväkseen esimerkiksi kosmologit, jotka pyrkivät hahmottamaan havaintojen pohjalta universumin suuren mittakaavan rakenteiden kehitystä eli missä vaiheessa galaksit ja niiden muodostamat suuremmat rakenteet syntyvät ja millä nopeudella avaruus niiden välissä laajenee.
Huikeita laskutoimituksia
Euclidista saatavan datan määrä on niin suuri, että se vaatii myös poikkeuksellisen tehokkaita tietokoneita analysoimaan tuloksia. Avaruudesta saatavan datan lisäksi käytetään myös maassa olevista observatorioista saatavaa dataa, joka edelleen lisää datan kokonaismäärää.
Suomalaistutkijat ovat osallistuneet Euclidin datan analyysi-menetelmien kehittämiseen, simuloidun datan tuottamiseen ja Maasta kerätyn datan integrointiin ja laaduntarkkailuun.
– Tehokkaiden data-analyysimenetelmien kehittäminen tarjoaa myös poikkitieteellisiä haasteita kosmologian ja tietotekniikan välillä, kertoo Aalto-yliopiston tietotekniikan professori Maarit Korpi-Lagg.
CSC - Tieteen tietotekniikan keskuksen ohjelmajohtaja Janne Ignatius kertoo, että tutkimustulosten hyödyntämisessä on tärkeää myös laskentakyky, jolla voidaan käsitellä hyvin paljon dataa.
CSC:llä on käytössään muun muassa huippuluokan laskentaan pystyvä supertietokone Kajaanin datakeskuksessa.
Auttaa ymmärtämään maailmankaikkeutta
Nykykäsityksen mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt universumin iän kasvaessa ja Eucliden kartoituksella pyritään tuomaan asiaan lisävalaistusta.
Kyse on kuitenkin nimenomaan perustutkimuksesta, jolla ei suoraan pyritä ratkomaan tai tutkimaan arkielämän ilmiöitä ja ongelmia.
Euclidissa koottava tieto on perustutkimusta, jota käytetään tulevina vuosina pohjana muulle avaruudentutkimukselle. Suomesta mukana ovat Oulun yliopiston lisäksi Helsingin, Turun ja Jyväskylän yliopistot, Aalto-yliopisto sekä CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy
