Maanulkoisen elämän ja maailmankaikkeuden esihistorian mysteerit lähempänä ratkeamista kuin koskaan – James Webb-teleskooppi lähetetään joulupäivänä avaruuteen

Uuden avaruusteleskoopin tieteellinen merkitys tulee olemaan ennennäkemätön – jos kaikki sujuu kuten pitäisi
Avaruustutkimus

James Webb-avaruusteleskoopin laukaisu on syystäkin tämän vuosituhannen odotetuin tapahtuma avaruustutkimuksen saralla. Teleskoopin on tarkoitus kartoittaa maailmankaikkeuden kaukaisimmat ja monet himmeät kohteet ennennäkemättömän tarkasti.

Laukaisun on tarkoitus tapahtua joulupäivänä kello 14.20 Suomen aikaa. Olosuhteet voivat yhä pakottaa lykkäämään jo lykättyä laukaisua, mutta lähtökohtaisesti joulupäivän pitäisi olla otollinen päivä tälle.

James Webbin on useasti sanottu korvaavan vuodesta 1990 toiminnassa olleen Hubble-avaruusteleskoopin, mutta tämä ei pidä paikkaansa. Niillä on monella tapaa erilaiset tarkoitukset, ja Hubble on yhä toiminnassa, ja jatkaa toimintaansa vielä Webbin jälkeenkin.

Yhtäläistä on se, että kumpikin teleskooppi on ollut tai tulee olemaan siihenastisen historian tarkin ja pisimmälle näkevä avaruustutkimuksen väline. Molemmissa on erilaisia tutkimusinstrumentteja, mutta Hubblen painotus on näkyvän valon aallonpituuksien tarkkailussa, kun taas James Webbin tehtävänä on infrapunavalon havainnointi.

Hubble-avaruusteleskooppi laukaistiin avaruuteen vuonna 1990 monen vuoden suunnittelun jälkeen. Varsinainen työ alkoi 1978, tavoitteena avaruuteen laukaisu alun perin vuonna 1983. Jo aiemmin hanketta oltiin yritetty saada käyntiin, mutta rahoituksen löytäminen oli vaikeaa.

Hubble on tähän mennessä tarjonnut ihmiskunnalle kenties ällistyttävimmät kuvat maailmankaikkeudesta. Tarkka teleskooppi on ottanut näkyvän valon pituuksilla kuvia äärimmäisen kaukaisista kohteista. Hubble Extreme Deep Field-kuva on tallentanut kaukaisimmat kohteet, joita ihmiskunta on koskaan nähnyt. Kuvassa näkyy himmeänä muiden muassa vanhin ja kaukaisin koskaan kuvattu galaksi, GN-z11.

Matkaa kuvauskohtaan on 13,4 miljardia valovuotta, eli GN-z11 esiintyy kuvassa vain 400 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Miljoonista vuosista huolimatta tuo ajankohta on hyvin varhaista universumia. GN-z11 on myös hyvin pieni galaksi nuoruudestaan johtuen. Linnunratamme (läpimitta 100 000 valovuotta) koko on siihen verrattuna noin 25-kertainen.

Koska maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä nopeudella, GN-z11 on tällä hetkellä arviolta 32 miljardin valovuoden päässä aurinkokunnastamme. Se on etääntynyt meistä pitkään jo sellaisella vauhdilla, ettei kyseistä galaksia voi koskaan enää havainnoida nykymuodossaan.

Avaruus laajenee sitä nopeammin mitä kauemmasta avaruuden osasta on kyse ja laajeneminopeus vain kiihtyy. Siksi kaukaisimmat galaksit etääntyvät meistä valoa nopeammin. Vaikka valonnopeus on ehdoton nopeusrajoitus universumin sisällä, ei kyseinen fysiikan laki koske itse universumia, sen muotoa ja laajenemista.

Hubble Extreme Deep Field on Hubble-avaruusteleskoopin ottama syvän taivaan kuva, joka näyttää kaukaisimmat koskaan havaitut kohteet, jopa yli 13 miljardin valovuoden päästä. James Webb tulee tekemään havaintoja vieläkin kauempaa, mutta vastaavaa kuvailoittelua se ei infrapunataajuuksilla tule tarjoamaan. (Kuva: NASA, ESA / Wikimedia Commons)

James Webb on Hubbleen verrattuna monin verroin suurempi ja pystyy keräämään tietoa tarkemmin ja vieläkin varhaisemmasta universumista. Kuitenkaan samanlaisia huikaisevia näkyvän valon kuvia Webbiltä ei ole luvassa, sillä inrapunaa mittaava teleskooppi ei ole olemassa galaksien perhepotrettien ottoa varten. Sekin kuitenkin havainnoi näkyvää valoa, mutta vain punaista valoa.

James Webb näkee Hubblea tarkemmin ja kauemmas siksi, että infrapunavaloa on helpompi havainnoida kaukaa, eivätkä avaruuspölyn esteet haittaa infrapunan etenemistä samalla tavalla kuin näkyvän valon etenemistä. Lisäksi Webbin kullattu peili on ennennäkemättömän suuri, 6,5 metriä halkaisijaltaan. Hubblen halkaisija on 2,5 metriä.

James Webbin pitäisi kyetä näkemään niin kauas, kuin millään tekniikalla on mahdollista. Tulevaisuudessa voi olla tarkempiakin teleskooppeja, mutta jo Webb on pääsemässä etäisyyksien äärirajoille.

Maapallon ilmakehä on infrapunahavainnoinnille ongelmallisempi kuin monelle muulle valon aallonpituudelle. Siksi Webb lähetetään peräti 1,5 miljoonan kilometrin päähän, jotta häiriöitä ei tulisi. Vertailun vuoksi Kuu on ”vain” 384 000 kilometrin päässä Telluksestamme, kuten Maata astronomiassa välillä kutsutaan.

Tarkkaa infrapunahavainnointia varten tarvitaan myös erittäin matala lämpötila. Siksi etäisyyttä kannattaa ottaa, ja James Webbissä on myös purjemainen lämpösuoja. Havainnoiva peilipuoli ei koskaan tule osoittamaan auringon suuntaan kiertoradallaan.

Teleskooppeja ylipäätään lähetetään avaruuteen, jotta ilmakehän häiriöt eivät vaikeuta havainnointia. Siksi Hubblekin on kyennyt tekemään erittäin tarkkoja havaintoja omalta kiertoradaltaan, kun ilmakehä ei vääristä näkyvän valon ja ultravioletin pituuksia.

Hubble on kiertänyt verrattain lähellä Maata, joten sitä on voinut huoltaa. James Webb lähtee niin kauas, ettei tämä ole mahdollista.

Siksi Webb on testattu pienimpiäkin yksityiskohtia myöten lukemattomia kertoja. Varmuuden ja tarkkuuden takia laukaisukin on lykkääntynyt monella vuodella, ja tänäkin vuonna ensin jokusella kuukaudella ja sitten taas jokusilla päivillä siitäkin.

Webbin elinkaari on verrattain lyhyt. Sen instrumentit kuitenkin kykenevät tekemään kerralla paljon havaintoja, joten se tulee olemaan tehokas 5–10 vuoden, hyvällä tuurilla hieman pidemmällä elinkaarellaan.

Syynä lyhyeen elinkaareen on polttoaineen riittävyys. Verrattain vähäinenkin aika riittää kuitenkin Webbin lukuisien tavoitteiden saavuttamiseen.

Pääosan uudesta melkein 10 miljardia euroa maksaneesta avaruusteleskoopista on rahoittanut Yhdysvaltojen avaruushallinto NASA, joka teleskoopin laukaiseekin. Työ on kuitenkin ollut kansainvälistä yhteistyötä, ja Euroopan avaruushallinto ESAlla on ollut siinä suuri rooli. Itse asiassa yhdysvaltalaisia instrumentteja teleskoopissa on vain yksi.

Suomalaisväriä tässä työssä ei ole, mutta suomalaistutkijat tulevat varmasti käyttämään Webbin dataa.

Webb on verrattain kevyt, selvästi Hubblea kevyempi, mutta laajuuden takia se pitää lähettää avaruuteen kokoontaitettuna ja paketissa. Määräpaikassaan se kokoaa itsensä. Tähän vaiheeseen sisältyy monia riskejä, joten vaihe on testattu lukuisia kertoja.

Mitä kaikkea James Webb sitten tulee tarjoamaan tieteelle?

Tieteilijät ovat sanoneet, ettei ole astrofysiikan ja kosmologian alaa, jota Webb ei muuttaisi. Niin monia arvoituksia ja mysteereitä on vielä ratkaisematta.

Miten esimerkiksi aine ylipäätään muodostui universumiin? Alkuräjähdys salli vain kevyiden alkuaineiden vedyn ja heliumin muodostumisen suuressa mittakaavassa, samoin pieniä määriä raskaampia litiumia ja berylliumia. Muut alkuaineet ovat muodostuneet tähtien räjähdyksissä ja törmäyksissä.

Tähtienvälinen pöly esimerkiksi on tähtien räjähdysten muodostamaa. Sitäkin havainnoimalla Webb voi vastata kysymyksiin materian synnystä.

Entä miten planeetat syntyivät? Siitä mekanismista, millä protoplanetaarinen pöly romahtaa kasaan planeetoiksi, ei vielä ole täysin varmoja tietoja. Tällaisia pölykiekkoja voi tarkkailla infrapunan pituuksilla niin, että pölyn läpikin näkee.

Oman aurinkokuntamme himmeimpiä kohteita tarkkailemalla Webb löytänee uutta tietoa lähialueemme synnystä.

Entä ovatko Maan kaltaiset planeetat yleisiä vai harvinaisia? Nykytiedon valossa Maa saattaa olla laadultaan harvinainen, mutta uudet havainnot kertovat tästä lisää.

Jos Maa on harvinaislaatuinen keskikokoisena kiviplaneettana, tästä voi johtaa uusia teorioita siitä, miten elämä voisi syntyä planeetoilla ympäri galaksiamme ja muuta universumia.

Tällainen on ero näkyvällä valolla ja infrapunalla otettujen kuvien välillä. Vasemmalla kuuluisa Luomisen pilarit-tähtisumu 6500−7000 valovuoden päässä Maapallosta kuvattuna näkyvän valon pituuksilla. Oikealla infrapunakuva, joka näkee merkittävästi paremmin pölyn ja kaasun läpi. (Kuva: ESA/Hubble)

Eräs mielenkiintoisista planeetoista on meistä katsoen lähin eksoplaneetta. Eksoplaneetta tarkoittaa aurinkokuntamme ulkopuolista planeettaa. Näitä on havainnoitu mittaamalla tähdissä tapahtuvia kirkkausvaihteluja, kun planeetat kulkevat niiden edestä muuttaen tähden kirkkautta aavistuksen verran.

Auringon lähin naapuritähti Proxima Centauri on reilun neljän valovuoden päässä. Sitä ei voi havainnoida paljaalla silmällä, sillä kyseessä on punainen kääpiötähti, joka on verrattain pienikokoinen ja himmeä. Sen ympärillä kiertää planeetta Proxima B, joka on lämpötilansa puolesta tähden niin kutsutulla elämänvyöhykkeellä.

Punaiset kääpiöt tosin ovat satunnaisten purkausten ja säteilyn takia huonoja isäntiä melko lähellä kiertävien planeettojen elämälle.

Proxima B on myös koko ajan lukkiutuneena sama puoli kohti tähteä. Planeetan toisella puolella on jatkuva kuumuus, toisella puolella kylmyys.

Välimaastossa on kuitenkin alue, joka voisi olla elämälle mahdollinen. Mielenkiintoista onkin, että Proxima B:ltä on havaittu mielenkiintoinen signaali, joka voisi olla merkki vieraasta teknologiasta. Tämä on kuitenkin epätodennäköinen vaihtoehto, ja siihen tulee suhtautua terveellä skeptisyydellä.

James Webb-avaruusteleskooppi voisi havainnoida elämän merkkejä paitsi Proxima B:n myös muiden planeettojen pinnoilta. Eräs mahdollisuus älykkäälle elämälle olisi valon heijastaminen suurilla peileillä Proxima B:n ja vastaavien planeettojen valoisalta puolelta säteilyn kannalta turvallisemmalle pimeälle puolelle, ja näin elämän olosuhteiden ylläpitäminen. Peilivalot Webb todennäköisesti huomaisi.

Maanulkoista älykästä sekä teknologista elämää voi havainnoida myös monella muulla tavalla. Megarakennelmat voisivat tuottaa lämpöä ja heijastumia, ja esimerkiksi tähdistä energiaa keräävät rakennelmat himmentäisivät tähtiä tavoilla, joita ei voi pitää luonnollisina.

Tällaisia himmentymiä on saatettu jo havaita. Tosin suurin osa näistä on saatu selitettyä tähtien omien ainepurkausten muodostamalla pölyllä tai muulla aurinkokuntien ”rakennusmateriaalilla”.

Samoin planeettojen ilmakehistä voi havainnoida kemiallisia yhdisteitä, joiden tiedetään muodostuvan ainoastaan keinotekoisesti. CFC-yhdisteet ovat tällainen esimerkki, joita meidänkin teollisuutemme valmistaa.

Hiilidioksidi ynnä muut yhdisteet taas voivat paljastaa orgaanisen, vaikkakin kehittymättömän elämän. Mikään ei myöskään pakota elämää olemaan samanlaiseen kemiaan pohjautuvaa kuin meillä, vaikkakin oma elämämme muodostuu yleisimmistä alkuaineista, ja on sikäli todennäköisesti yleisin mahdollinen tapa olla elävä. Sikäli yllättäviäkin elämänsignaaleja saattaa Webbin haaviin osua.

On siis monta syytä, miksi James Webb saattaa ratkaista kysymyksen siitä, olemmeko yksin universumissa.

Hubble-teleskoopin ottamaan kuvaan merkittynä kaukaisin koskaan kuvattu ja havaittu Galaksi. Valo on matkannut GN-z11-galaksista meille 13,4 miljardia vuotta. James Webb tulee todistamaan vielä tätäkin vanhempia ja kaukaisempia galakseja, ja myös GN-z11 saattaa avautua yksityiskohtaisemmin Webbin havainnoissa. (Kuva: NASA, ESA / Wikimedia Commons)

Varhaisesta universumista, eli kaukaisimmista havainnoitavissa olevista kohteista Webb etsii tietoa galaksien ja ensimmäisten tähtien sekä mustien aukkojen synnystä.

Aivan universumin alkuun Webb ei voi nähdä, sillä ensimmäisten tähtien ja galaksien valo syntyi vasta muutaman sadan miljoonan vuoden jälkeen. Siinä missä Hubble on nähnyt 13,4 miljardin valovuoden päähän, Webb näkee 13,6 miljardin valovuoden päähän, ja tarkemmin. Ensimmäisten tähtien valo on vanhempaa, mutta liian himmeää, ja pääosin vety- ja heliumpilvien, joista tähdet muodostuivat, peittämää.

Universumi on 13,8 miljardia vuotta vanha, eli Webb katsoo hyvin varhaiseen aikaan.

Galaksien evoluutio aivan alusta asti ja ensimmäisten vuosimiljardien aikana saa Webbin kautta uusia vastauksia ennennäkemättömien havaintojen kautta.

Ensimmäisissä galakseissa ei ole tuntunut olevan yhteistä muodostumisen logiikkaa. Uudet havainnot voivat kertoa tästä lisää.

Ensimmäiset mustat aukotkin ovat arvoitus. Niistä on huonosti tietoa, ja on pidetty outona, että varhaisessa maailmankaikkeudessa oli jo supermassiivisia mustia aukkoja. Kirkkaita kvasaareja tarkastelemalla massiivisten mustien aukkojen muodostumisesta saa lisätietoa. Kvasaarit ovat kirkkaita galaksiytimiä, joihin tippuva materia saa galaksikeskuksen hehkumaan äärimmäisen kirkkaana. Kvasaari on maailmankaikkeuden galaksien voimakkain ilmiö.

Jos Linnunratamme keskustassa 25 000 valovuoden päässä olisi kvasaari, ei elämä Maapallolla olisi mahdollista.

Kvasaarit ovat tosin vain varhaisen maailmankaikkeuden ilmiö, ja Webb ehkä tarkentaa tietoa siitä, miksi näin on selittämällä galaksien ja mustien aukkojen syntyä.

Oman galaksimme keskusaukko Sagittarius A* (* tarkoittaa tähteä) saanee Webbin kautta uusia selityksiä. Tiettävästi jokaisen galaksin keskuksessa on supermassiivinen musta aukko, mutta omamme on poikkeava.

Sagittarius A* leimuaa tai roihuaa kirkkaana, ja sitä on siksi hankala havainnoida. Tämän mekanismi on toistaiseksi mysteeri, mutta se liittynee materian tippumiseen mustaan aukkoon. Ilmiö on kuitenkin kaukana kvasaarien voimasta.

Havainnointikykynsä ansiosta James Webb tulee todennäköisesti havainnoimaan jotain aivan odottamatontakin, jota ihmiset eivät vielä ole osanneet ajatella. Tämän näyttää vain aika.

Mahdollisesti myös pimeästä energiasta ja pimeästä aineesta saadaan Webbin kautta uusia tietoja. Mysteerivoimat vastaavat maailmankaikkeuden laajenemisesta sekä galaksien liikunnosta.

Avaruusteleskooppi on saanut nimensä yhdysvaltalaisen James Webbin (1906–1992) mukaan. Webb toimi NASAn johtajana aikana, jolloin laitos kasvoi ja aloitti Apollo-ohjelman, jonka ansiosta ihminen käveli ensimmäistä kertaa Kuun pinnalla vuonna 1969. Webbillä oli merkittävä rooli NASAn kasvattamisessa.

Hubble taas on saanut nimensä tieteilijän mukaan. Tähtitieteilijä Edwin Hubble (1889–1953), niin ikään Yhdysvalloista, havaitsi 1920-luvulla, että Linnunradan ulkopuolellakin on galakseja, ja että universumi laajenee, ja vieläpä kiihtyvästi. Tämä mullisti käsityksemme maailmankaikkeudesta, samoin kuin Albert Einsteinin suhteellisuusteoria oli tehnyt joitain vuosia aiemmin.

Joulupäivän laukaisu voi yhä viivästyä, mutta tuskin paljonkaan. Tieteen joululahja saapuu radalleen tammikuun lopulla ja aloittaa havainnointien tekemisen aikaisintaan heinäkuussa, kun kaikki varmistukset ja kokeet on saatu tehtyä.

Lähteitä:

NASA (englanniksi)

Tiedekommunikaattori John Michael Godierin Youtube-kanava, etenkin video tästä linkistä (englanniksi).

Inverse.com-sivusto (englanniksi)

Ilta-Sanomat 18.12.

Tähdet ja avaruus 19.12.