Planck-satelliitin uudet havainnot julki: ensimmäiset tähdet syntyivät myöhemmin kuin on luultu ja gravitaatioaallot pysyvät piilossa

Maailmankaikkeuden 13,8 miljardin vuoden historian tutkimisessa tärkein havaintoaineisto on kosminen taustasäteily: kuuman ja tiheän alkuavaruuden lämpösäteily, joka on peräisin ajalta 380 000 vuotta kaiken alusta. Tällöin avaruuden täyttänyt alkuplasma oli jäähtynyt niin, että se muuttui kaasuksi, kun siihen asti vapaana olleet elektronit sitoutuivat atomiytimiin. Lämpösäteily, joka silloin oli näkyvää valoa, oli poukkoillut näistä elektroneista, mutta pääsi nyt etenemään vapaasti.

Avaruuden laajenemisen vuoksi havaitsemme tämän valon nykyään mikroaaltosäteilynä, jota kutsumme kosmiseksi taustasäteilyksi. Pienet kirkkauden eli lämpötilan vaihtelut taustasäteilyssä vastaavat varhaisen maailmankaikkeuden ainetihentymiä ja -harventumia, ja näitä kartoittamalla voimme määrittää suurella tarkkuudella universumin ominaisuudet. Ensimmäiset näihin lämpötilavaihteluihin perustuvat tulokset Planck-projekti julkaisi vuonna 2013. Nyt julkaistut uudet tulokset perustuvat erityisesti taustasäteilyn polarisaatioon.

Taustasäteilyn polarisaatio ja ensimmäiset tähdet

Valo on poikittaista aaltoliikettä eli värähtelyä poikittaissuunnassa etenemiseen nähden. Sanomme, että valo on polarisoitunutta, jos se värähtelee enemmän yhdessä poikittaissuunnassa kuin toisessa – tätä aiheuttaa valon kimpoaminen elektroneista.

Taustasäteilyn polarisaatiovaihtelut antavat lämpötilavaihteluiden lisäksi toisen tavan saada tietoa alkuavaruudesta. Polarisaatiossa näkyy myös erityinen signaali myöhemmältä ajalta: kun ensimmäiset tähdet syntyivät, niiden säteily alkoi hajottaa eli ionisoida tähtienvälisen kaasun atomeita vapauttaen niistä elektroneja, jotka taas alkoivat polarisoida taustasäteilyä.

Mitä aiemmin nämä tähdet syntyivät, sitä voimakkaampaa on tämä polarisaatio.

Planckin havaintojen mukaan ensimmäiset tähdet syntyivät, kun maailmankaikkeus oli noin 560 miljoonan vuoden ikäinen. Tämä on yli sata miljoonaa vuotta myöhemmin, kun aiempi, NASAn WMAP-satelliitin polarisaatiomittauksiin perustunut arvio, joka oli noin 440 miljoonaa vuotta. Tämä ero on merkittävä tähtien ja galaksien synnyn ymmärtämiselle. Hubble-avaruuskaukoputkella tehtyjen havaintojen perusteella varhaisimmat galaksit alkoivat muodostua sen verran myöhään, etteivät ne olisi ehtineet vielä 440 miljoonan vuoden kohdalla synnyttää merkittävästi tähtiä. Näin ollen olisi pitänyt keksiä joku ylimääräinen energialähde selittämään tähtienvälisen aineen ionisaatio, mutta nyt tämä ongelma poistui.

Taustasäteilyä tutkittaessa on tärkeää erottaa se muusta avaruudesta tulevasta mikroaaltosäteilystä. Tätä varten Planck mittasi taustasäteilyn polarisaatiota seitsemällä eri aallonpituudella, alle millimetristä yli sentin aallonpituuteen asti.

Lyhimmillä aallonpituuksilla voimakkaimmin säteilee tähtienvälinen pöly, ja näiden mittausten avulla pölyn osuus voidaan erottaa kosmisesta taustasäteilystä. Aiemmissa WMAP-satelliitin mittauksissa ei ollut näitä lyhimpiä aallonpituuksia, mikä selittää tulosten eron. Kun WMAPin tuloksista vähennetään Planckin määrittämä pölyn osuus, tulokset sopivat yhteen.

Inflaation gravitaatioaallot pysyvät piilossa

Sama pätee myös keväällä 2014 julkistettuihin etelänavalla sijaitsevan BICEP2-teleskoopin havaintoihin.

BICEP2 mittasi taustasäteilyn polarisaatiota keskittyen pieneen osaan taivasta saavuttaen siinä erittäin suuren herkkyyden ja havaitsi säteilyn polarisaatiokuviossa taivaalla spiraalimaista rakennetta, ns. B-moodia, ja tulkitsi sen johtuvan alkuräjähdyksestä peräisin olevista gravitaatioaalloista. Tällaisia painovoima-aaltoja on ennustettu syntyvän alkuräjähdyksen käynnistävässä ns. kosmisessa inflaatiossa, ja niiden mittaaminen olisi merkittävä edistysaskel tämän inflaation ymmärtämisessä.

Planckin ja BICEP2:n havaintojen yhdistäminen kuitenkin osoittaa, että pääosa, ehkä kaikki, BICEP2:n havaitsemasta B-moodi-signaalista onkin peräisin tähtienvälisestä pölystä. On siis todettava, että näitä alkuräjähdyksen painovoima-aaltoja ei ole vielä löydetty ja niiden etsimiseen tarvitaan herkempiä havaintolaitteita.

Kosminen resepti

Muilta osin Planckin uudet tulokset ovat yhtäpitäviä aikaisempien, erityisesti Planckin omien vuonna 2013 julkaistujen tulosten kanssa.

Tulokset ovat vain entistä tarkempia, kuten maailmankaikkeutta kuvaavat perussuureet (kosmologiset parametrit): maailmankaikkeuden ikä, 13,8 miljardia vuotta, ja sen keskimääräinen aine-energiakoostumus: 4,9 prosenttia tavanomaista atomeista koostuvaa ainetta, 25,9 prosenttia toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista koostuvaa pimeää ainetta ja 69,2 prosenttia avaruuden laajenemista kiihdyttävää ns. pimeää energiaa.

Planck-kosmologia Helsingin yliopistossa

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen kosmologian tutkimusryhmä osallistuu Planck-projektiin dosentti Hannu Kurki-Suonion johdolla.

- Erityisen merkittävä osuus ryhmällä on Planck-satelliitin karttojen laatimisessa, Kurki-Suonio sanoo.

- Kartat laaditaan ensin erikseen kullekin Planckin mittaamalle aallonpituudelle. Kosmisen taustasäteilyn kartta saadaan yhdistämällä nämä kartat siten, että muiden mikroaaltolähteiden, kuten oman galaksimme säteilyn, vaikutus saadaan poistettua.

Akatemiatutkija Elina Keihänen opiskelijoineen on vastannut kolmen pisimmän aallonpituuden karttojen laatimisesta. Ryhmä osallistui myös kosmologisten parametrien määrittämiseen taustasäteilykartoista tutkijatohtori Jussi Väliviidan johdolla.

Planck-projekti jatkuu

Planck laukaistiin avaruuteen vuonna 2009, ja se teki mittauksia vuoden 2013 lokakuuhun asti. Nyt julkaistut tulokset eivät ole vielä lopulliset, vaan osa datasta julkaistaan myöhemmin, kesällä 2015. Havaintojen analyysiä hiotaan tarkemmaksi vielä senkin jälkeen, jotta kaikki mahdollinen informaatio saadaan puristetuksi niistä.

Kuvateksti:
Koko taivaan kartta tähtien välisen pölyn säteilyn voimakkuudesta ja polarisaatiosta. Kartat ovat galaktisissa koordinaateissa, eli linnunrata kulkee keskellä vaakasuorassa kuvan poikki.

Credit: ESA and the Planck Collaboration

Lisätietoja:

Hannu Kurki-Suonio, 02941 50752, 040 543 7877, hannu.kurki-suonio@helsinki.fi

Elina Keihänen, 02941 50673, 040 563 6991, elina.keihanen@helsinki.fi

Jussi Väliviita, 02941 50525, 040 576 1235, jussi.valiviita@helsinki.fi

Helsingin yliopiston Planck-sivu:

http://www.helsinki.fi/~tfo_cosm/tfo_planck.html

Euroopan avaruusjärjestön Planck-sivu:

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck

Ystävällisin terveisin Minna Meriläinen-Tenhu, tiedottaja, minna.merilainen@helsinki.fi