21. heinä 2022 8 min read Tulevaisuus

Tarkin kuva avaruudesta - teleskooppi James Webb

”Sata vuotta sitten luulimme, että galakseja on vain yksi. Nyt tiedämme, että niitä voi olla äärettömästi”

Näin totesi Nasan johtaja Bill Nelson Valkoisessa talossa.

Avaruuden tutkiminen on viimeisen sadan vuoden aikana ottanut aivan järkyttäviä askeleita eteenpäin. Pelkästään jo mun 37 vuoden eliniän aikana on tehty uskomattomia havaintoja ja löytöjä meitä kaikkia ympäröivästä universumista!

Nyt ollaan taas suurten harppausten edessä, sillä avaruusteleskooppi James Webbin odotetaan lisäävän meidän ymmärrystä maailmankaikkeudesta ja sen luonteesta todella paljon!

Tällä videolla tutustutaan James Webb -teleskooppiin ja tutkitaan ensimmäisiä kuvia, mitä tuo teleskooppi on ottanut! Jos Hubblen ottamat kuvat olivat uskomattomia, niin nyt on luvassa vielä paljon enemmän.

Avaruusteleskooppi James Webb kurottaa nimittäin havaintolaitteensa aikaan, jolloin ensimmäiset galaksit ja tähdet syntyivät. Tänne ei ihminen ole aikaisemmin nähnyt.

James Webb avaruusteleskoopin laukaisu

James Webb avaruusteleskoopin suunnittelu alkoi jo vuonna 1996. Alkuperäisen suunnitelman mukaan teleskooppi oli tarkoitus laukaista vuonna 2014, mutta vuoden 2010 keväällä ilmeni, että alusta pitää testata vielä enemmän ennen laukaisua.

James Webbin kehittäminen osoittautui myös kalliimmaksi kuin alunperin oli luultu. Nasan Yhdysvaltain kongressille lähettämässä budjettipyynnössä projektille oli määritelty 60 miljardia dollaria suurempi budjetti. Heikäuussa 2011 Kongresissa oltiin jopa tekemässä sellaista budjettia, joka olisi lopettanut James Webbin kehittämisen.

No onneksi näin ei kuitenkaan käynyt! Joka tapauksessa James Webbin kokonaiskustannukset ovat olleet noin 11 miljoonaa euroa ja se rakennettiin Nasan, Euroopan avaruusjärjestön (ESA) ja Kanadan avaruusjärjestön yhteistyönä.

James Webb -avaruusteleskoopin rakentaminen maksoi 11 miljoonaa euroa

Joulukuussa 2015 James Webbin kantoraketiksi varmistui Ariane 5. Tämän taustalla oli se, että Euroopan avaruusjärjestö oli tehnyt laukaisusopimuksen Arianespace nimisen yrityksen kanssa. Kyseessä on kertakäyttöinen raketti, jonka päämoottori on niin kutsuttu kryogeenimoottori. Tämä tarkoittaa sitä, että se käyttää ajoainetta, joka varastoidaan kylmänä. Ariane 5 valittiin kantoraketiksi sen viimeisen vuosikymmenen hyvän luotettavuuden vuoksi.

Seuraava laukaisuajankohta James Webbillä oli tarkoitus olla lokakuussa 2018, mutta laukaisua jouduttiin edelleen siirtämään. Tällöin syynä oli avaruusaluksen tekniset ongelmat.

Ongelmia aiheutti vielä Ariane 5-kantoraketin sekä observatorion kulejttaminen kaliforniasta Ranskan Guyanaan, josta laukaisun oli määrä tapahtua! Lopulta 25.12.2021 Jamess Webb laukaistiin avaruuteen Kourun avaruuskeskuksesta joka siis sijaitsee tuolla Ranskan Guanassa.

Laukaisussa kaikki sujuivat hyvin ja avaruusteleskoopin matka sen Lagrangen 2 pisteelle sujui lähes ongelmitta.

Lagrangen pisteet ovat avaruudessa olevia kohtia, joissa kahden toisiaan kiertävän massapisteen vetovoimat sekä keskipakoisvoima kumoavat toisensa niin, että kolmas, pieni massa voi pysytellä niissä paikoillaan suhteessa kahteen muuhun kappaleeseen.

James Webb voikin pysytellä käytännössä paikoillaan Lagrangen 2 pisteessä, joka sijaitsee 1,5 miljardin kilometrin etäisyydellä maapallosta. Kiertorata L2-pisteen ympäri on suurin piirtein saman kokoinen kuin Kuun kiertorata Maan ympäri ja teleskooppi kiertää sen kertaalleen kuudessa kuukaudessa

Kaiken kaikkiaan Lagrangen pisteitä on viisi kappaletta ja ne ovat vakaita sijoituskohtia satelliiteille.

Ainoa hieman kuumottava tilanne syntyi, kun James Webbiin pääpeiliin iskeytyi pieni mikrometeoroidi 23.-25.5.2022. Nasan insinöörit mallinsivat maan pinnalla teleskoopin kestävyyttä, mutta yksikään maassa testatuista kivistä ei ollut niin suuri, mikä iskeytyih teleskooppiin sen ollessa avaruudessa.

Nasan tutkijaryhmä kuitenkin varmisti, etteivät teleskoopin kuvat huonontuneet tästä osumasta. Kokeissa Webbin kuvien laatu säilyi sillä tasolla, jota alun perin vaadittiin tieteellisiin havaintoihin.

James Webbin neljä tutkimuslaitetta

Kevään aikana teleskoopin lämpötilan annettiin laskea mahdollisimman matalaksi ja sen jälkeen neljä tutkimuslaitetta otettiin käyttöön. Niiden kaikkiaan 17 erilaista toimintamoodia testattiin ja ne kalibroitiin. Massaa Webbillä on 6,2 tonnia.

James Webb-teleskoopin kokoontaittuva pääpeili on halkaisijaltaan 6,5 metriä ja se koostuu 18 pienemmästä, kuusikulmaisesta ja kullalla päällystetystä berylliumpeilistä. Näitä pieniä peilejä ohjataan pienillä moottoreilla ja niiden tarkoituksena on säätää pääpeilin kaaretuutta.

James Webb-teleskoopissa on yhteensä 4 erilaista havaintolaitetta.

NIRCam: on Teleskoopin pääkamera on erittäin herkkä ja sen avulla pystytään havaitsemaan säteilyä, jonka aallonpituus on 0,6–5 μm. Pääkameran avulla voidaan havainnoida kaukaisimpia maailmankaikkeuden kohteita.

NIRSpec on spektrografi, jonka herkkyysalue on sähkömagneettisen säteilyn aallonpituusalue 0,6–5 μm. Tämän spektrografin avulla voidaan analysoida kohteiden lämpötilaa, massaa, kemiallista koostumusta ja muita fyysisiä ominaisuuksi

MIRI on yhdistetty kamnera ja spektrografi. Sen havaintoalue on infrapunasäitelyn aallonpituuksella 5–28 μm. Havainnoi valon punasiirtyymää kaukaisista galakseista, syntyviä tähtiä, himmeitä komeettoja ja Kuiperin vyöhykkeen kohteita.

FGS/NIRISSkäytetään koko teleskoopin suuntaamiseen, jotta sillä voidaan saada mahdollisimman tarkkoja kuvia. NIRISS:iä käytetään maailmankaikkeuden vanhimman valon havaitsemiseen sekä eksoplaneettojen löytämiseen ja tutkimiseen. Instrumentti on herkkä infrapunasäteilyn aallonpituuksille 0,8–5 μm.

James Webbin teleskoopin havaintolaitteista 3 toimii siis alle 5 μm sähkömagneettisen säteilyn havaintoalueella

Koska James Webb-teleskoopin havaintolaitteet ovat äärimmäisen herkkiä, teleskooppia suojaa Auringon, Maan ja Kuun lämpösäteilyltä tenniskentän kokoinen viisinkertainen aurinkosuoja.

James Webb vs. Hubble

Monia varmaan kiinnostaa kuinka paljon parempi James Webb teleskooppi on verrattuna Hubbleen, joka on tähän mennessä tarjoillut syvimmäinen optisen tähtitieteellisen kuvan (Extreme Deep Field), jota on ikinä otettu.

No ensinnäikin näitä kahta avaruusteleskooppia ei ole rakennettu samojen aallonpituuksein tarkkailuun! Hubblen havainnot keskittyivät näkyvän valon aallonpituusalueilla - kun taas Webbin on pääasiassa tarkoitus havainnoida infrapunavalon alueella.

Webbin havainnot perustuvat siihen, että varhaisten galaksien ja tähtien valon aallonpituudet ovat venyneet valon kuljettua yli 13 miljardia vuotta meitä kohti. Siten aallonpituudet ovat siirtyneet sähkömagneettisen spektrin näkyvän valon osasta kohti infrapunasäteilyn aallonpituusaluetta. Tätä Ilmiötä kutsutaan punasiirtymäksi.

James Webb-avaruusteleskoopin pääpeilin pinta-ala on yli kuusi kertaa niin suuri kuin Hubblen, ja se näkee 15 kertaa niin suuren osuuden taivaasta.

Kun Hubble kiertää noin 570 kilometriä Maan pinnan yllä, Webbin kiertorata on noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta. Tämä mahdollistaa sen, että James Webb on maan takana suojassa Auringon infrapunasäteilyltä ja se voi tarkkailla universumia aivan pimeässä.

Toisaalta tässä on myös se haittapuoli, että jos jokin menee vikaan, ei James Webb teleskooppiin kovin helposti tehdä paikan päällä korjaustoimenpiteitä.

Merkittävä ero näiden kahden huippuavaruusteleskoopin välillä on myös se, että Jamess Webb vastaanottaa infrapunavaloa herkkyydellä, joka on jopa 100 kertaa niin suuri kuin Hubblen herkkyys. Tämän takia James Webbin odotetaan ”näkevän” universumin ensimmäiseen kuuluvien tähtien ja galaksien valoa.

Koska James Webb operoi infrapuna-alueella, se pystyy havaitsemaan paremmin kohteita jotka sijaitsevat kosmisen pölyverhon takana. Infrapunasäteily pääsee siis tästä pölystä läpi, kun taas näkyvä valo pysähtyy siihen.

Eroa löytyy myös toimintalämpötiloista. Siinä missä Hubblen peili oli stabiloitu 288 kelvinin (15 celsiusasteen) lämpötilaan, James Webbin lämpötila avaruudessa on alle 50 kelviniä (–223 celsiusta). Avaruusteleskoopin toimiminen näin kylmässä lämpötilassa vaatii todella hyvää eristystä, ja on ollut yksi hankkeen suurimpia teknologisia haasteita.

James Webbin 1. kuva on syvin, mitä koskaan on otettu!

Ensimmäinen James Webbin ottama kuva, joka esiteltiin ihmisille näkyy tässä. Kyseessä on massiivinen galaksijoukko nimeltään SMAGS 0723.

Kaukaisin kuva maailmankaikkeudesta // NASA

Suurin osa tän ensimmäisenä julkaistun kuvan valopisteistä on hyvin kaukana olevia galakseja. Kuva tarjoaa tähän mennessä "syvimmälle" maailmankaikkeuden historiaan ulottuvan otoksen. Näin ollen tämä kuva siis syrjäyttää Hubblen ottaman Extreme Deep Field -kuvan

Punertavat kohteet tässä kuvassa ovat kaikkein kauimpana. Tämä johtuu jo edellä mainitusta valon kokemasta punasiirtymästä. Kuvassa olevat meitä lähimpänä olevat kohteet näyttäytyvät sinisinä, sillä niiden valon aallonpituus on lyhyempi.

Aivan kuvan etualalla on kirkkaita kohteita, joista lähtee ikään kuin "piikkejä". Nämä ovat oman galaksimme tähtiä.

WASP-96 b -eksoplaneetan kaasukehä

James Webb myös julkaisi otoksen, jossa se tarkasteli kaasumaisen eksoplaneetan kaasukehää. Eksoplaneetta tarkoittaa siis aurinkokunnan ulkopuolista planeetta.

Tämä ei varsinaisesti ole edellisen kohdan kaltainen tavallinen kuva, vaan siinä näkyy tämän WASP-96 b -eksoplaneetan kaasukehästä tehtyjä havaintoja.

Havainnot WASP-96 b -eksoplaneetasta // NASA

WASP-96 b -eksoplaneetan kehästä löytyi etäisiä merkkejä vedestä sekä todisteita pilvistä ja sumusta.

Nämä Havainnot perustuvat valon kirkkauden pieniin laskuihin tietyillä väreillä. Nasan mukaan kyseessä on yksityiskohtaisimmat havainnot, mitä on koskaan saatu, ja se osoittaa Webbin kyvyn analysoida planeettojen ilmakehiä satojen valovuosien päässä.

WASP-96 b -eksoplaneetta on Jupiterin kaltainen suuri kaasuplaneetta. Tästä seuraa se, että se ei ole elinkelpoinen ainakaan siltä kantilta mitä me ihmiset tällä hetkellä pidämme elämänä.

Tulokset on silti erittäin merkittäviä, koska tulevaisuudessa James Webbin odotetaan saavan vastaavanlaisia havaintoja myös kaukaisista kiviplaneetoista.

Kölin sumu

Yksi James Webbin ottama kuva on Kölin sumusta, joka on yksi suurimmista ja kirkkaimmista tähtisumuista. Kölin sumu sijaitsee omassa LInnunradassamme Köilin tähdistön suunnalla, noin 10 000 valovuoden päässä maapallosta.

Kyse ei ole mistään uudesta löydöksestä, sillä Kölin sumun löysi ranskalainen tähtitieteilijä Nicolas Louis de Lacaille jo vuonna 1752.

Kölin sumun alueella syntyy valtavasti uusia tähtiä ja jotkin taivaan kirkkaimmista tähdistä sijaitsevat myös siellä!

James Webb-avaruusteleskoopin ottama kuva Kölin sumusta on huomattavasti yksityiskohtaisempi kuin aikaisemmin otetut kuvat.

NGC 3132 -planetaarinen sumu

Yksi kohde, johon James Webb suuntasi havaintolaitteensa, on planetaarinen sumu NGC 3132. Kyseinen sumu sijaitsee Purje tähdistössä ja sen etäisyys maapallosta on noin 2500 valovuotta.

NGC 3132 -sumussa on kyse kuolleesta tähdestä, joka puskee rengasmaisesti ulos kaasua ja pölyä. Webb-teleskooppi paljasti kuvallaan, että tähti on pölyn peitossa.

NGC 3132 -sumussa oleva kuollut tähti // NASA

Tämän kaltaiset havainnot kuolevista tähdistä ovat merkityksellisiä, sillä ne auttavat tutkijoita ymmärtämään, millaisia molekyylejä kuolevista tähdistä lähtee.

Stephanin kvintetti

Viides kuva on Stephanin kvintetistä, joka on viiden galaksin joukko. (Galaksijoukkoon kuuluvat galaksit NGC 7317, NGC 7318A, NGC 7318B, NGC 7319 ja NGC 7320.)

Tämä kuva on kooltaan suurin näistä nyt julkaistuista kuvista. Jotain kuvan koostaa kertoo se, että siinä on yhteensä 150 miljoonaa pikseliä. Oikeastaan kyse ei ole yhdestä kuvasta, sillä nyt näkyvä kuva on koostettu lähes tuhannesta eri kuvasta.

Kuvan neljä oikealla olevaa galaksia ovat törmänneet toisiinsa ja niiden etäisyys maapallosta on 210–340 miljoonaa valovuotta. Vasemmalla, kuvan etualalla näkyvä galaksi on huomattavasti lähempänä. Sen etäisyys maapallosta on ”vain” 39 miljoonaa valovuotta. Tästä huolimatta se lasketaan mukaan Stephanin kvintettiin!

Stephanin kvintetissä olevat galaksit // NASA

Webbin kuva kvintetistä tarjoaa uusia tietoja siitä, kuinka galaktiset vuorovaikutukset ovat saattaneet ohjata galaksien evoluutiota varhaisessa universumissa. Webbin tarkkuus paljastaa myös yksityiskohtia kvintetistä, joita ei ole ennen nähty.

James Webbin odotetaan tarjoavan ratkaisuja tieteen suurimpiin kysymyksiin

On arvioitu, että James Webb voi kuvata avaruutta jopa 20 vuotta. Tiedemiehillä onkin suuria odotuksia sen suhteen, mitä kaikkea James Webbin havainnot vielä tulevat paljastamaan universumistamme.

Webb tutkii ensi vuonna noin kolmanneksen ajastaan galakseja ja tähtien syntymiä. Lisäksi tutkimuskohteina on ekspolaneetat, avaruuden laajenemisen nopeus sekä oma aurinkokuntamme.

Tulevaisuudessa Jamess Webb saattaa pystyä vastaamaan esimerkiksi kysymykseen, mistä me ihmiset oikein tulemme. Tutkijat eivät nimittäin tiede, mistä maapallo sai aikojen alussa kaiken vetensä.

Vaihtoehtoja ovat esimerkiksi se, että vesi tuli asteroidin mukana tai se, että vesi oli jo mukana kun maa muodostui kiertymäkiekossa Auringon ympärille yli 4,5 miljardia vuotta sitten.

James Webb saattaa löytää tähän ratkaisun tutkimalla muita avaruudessa syntyneitä ja yhä syntyviä muita planeettakuntia.

Se, että Webb toimii todella alhaisessa lämpötilassa, mahdollistaa sen, että sen on mahdollista kerätä tietoa maailmankaikkeuden alkuvaiheista. Tähän mennessä maailmankaikkeuden ensimmäiset puoli miljardia vuotta ovat olleet tutkijoiden saavuttamattomissa.

Mitä näistä maailmankaikkeuden alkuhämäristä sitten löytyy jää tietysti nähtäväksi. On mahdollista, että Webbin havainnot varhaisesta maailmankaikkeudesta muuttavat meidän käsitystä koko maailmankaikkeudesta!

Täytyy todeta, että James Webbin tulevaisuuden havainnot yhdistettynä Marsin asutussuunnitelmiin ovat uskomattoman mielenkiintoisia! Jään ainakin itse odottamaan innolla, mitä kaikkea tulevaisuus tullessaan!