Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitos on mukana kansainvälisessä Gravitational-wave Optical Transient Observer (GOTO) -hankkeessa, jossa rakennetaan uudenlaiset havaintolaitteistot molemmille pallonpuoliskoille Kanariansaarten La Palmalle sekä Australiaan. Hankkeessa etsitään gravitaatioaaltojen näkyvän valon vastineita uusilla teleskoopeilla, jotka kuvaavat koko taivasta lähes reaaliajassa.
Tähtitieteilijöiden kansainvälinen GOTO-hanke valmistautuu parhaillaan kesällä 2022 alkavaan LIGO-, Virgo- ja KAGRA-gravitaatioaaltoilmaisimien noin vuoden kestävään havaintojaksoon, jonka aikana uusilla teleskoopeilla tullaan etsimään näkyvän valon vastineita havaituille gravitaatioaalloille.
Hankkeen odotetaan antavan vastauksia moniin kysymyksiin liittyen raskaimpien alkuaineiden syntyyn sekä tähtien ja galaksien kehitykseen.
– Tarvitsimme uuden havaintolaitteiston, joka pystyy automaattisesti löytämään suurelta alueelta taivasta kohteet, jotka ovat muuttuneet edellisestä yöstä. Tämä on oleellista, jotta voimme paikantaa ihmissilmälle näkyvässä valossa saman kohteen, jonka lähettämät gravitaatioaallot on juuri havaittu LIGO-, Virgo- ja KAGRA-observatorioissa. Tämä on yksi meidän ryhmämme tärkeimmistä tutkimusaiheista tulevina vuosina, tähtitieteen professori Seppo Mattila kertoo.
Mattila johtaa Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitoksen tutkimusryhmää, joka on mukana englantilaisen Warwickin yliopiston ja australialaisen Monash-yliopiston johtamassa GOTO-konsortiossa. Konsortioon kuuluvat lisäksi irlantilainen Armaghin observatorio, englantilaiset Sheffieldin, Leicesterin, Portsmouthin ja Manchesterin yliopistot, Thaimaan kansallinen tähtitieteen instituutti sekä Kanariansaarten astrofysiikan instituutti.
Kukin GOTO:n yksikkö koostuu kahdeksasta teleskoopista. Kuvassa GOTO:n prototyyppi. Kuva: K. Ulaczyk / GOTO-konsortio.
Uusilla teleskoopeilla entistä nopeampia havaintoja
– GOTO-hankkeessa rakennetaan kummallekin sekä La Palman että Australian havaintoasemalle 16 teleskooppia. GOTO hyödyntää lukuisista teleskoopeista koostuvaa suunnittelufilosofiaa, joka on helposti skaalattavissa tarvittaviin mittasuhteisiin. Lisäämällä uusia teleskooppeja järjestelmään laajempi alue taivasta pystytään kuvaamaan lyhyemmässä ajassa. La Palmalla ja Australiassa sijaitsevat havaintoasemat pystyvät yhdessä kattamaan noin 800 täysikuuta vastaavan alueen taivasta, akatemiatutkija Hanindyo Kuncarayakti avaa.
Gravitaatio, eli painovoima, on yksi fysiikan neljästä perusvuorovaikutuksesta ja se määrittää maailmankaikkeuden rakennetta. Albert Einsteinin yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaatio kuvataan aika-avaruuden kaareutumisena ja se ennusti myös gravitaatioaaltojen olemassaolon jo yli sata vuotta sitten. Vuonna 2015 yhdysvaltalaisten tutkijoiden johtama konsortio onnistui ensimmäistä kertaa havaitsemaan gravitaatioaaltoja LIGO-laitteistolla ja historiallinen löydös palkittiin vuonna 2017 Nobelin fysiikanpalkinnolla.
GOTO-hankkeeseen ja sen kilpailijoihin muun muassa Kaliforniassa ja Chilessä kohdistuu tiedemaailmassa suuret odotukset.
– Gravitaatioaaltojen havaintoasemat eivät pysty vielä määrittämään havaitun signaalin tulosuuntaa kovin tarkasti. Kun nämä laitteistot havaitsevat gravitaatioaaltosignaalin, GOTO:n teleskooppien avulla voidaan selvittää hyvin nopeasti niihin mahdollisesti liittyvä näkyvän valon vastine ja täten sen tarkka sijainti taivaalla. Tämä taas mahdollistaa suurempien teleskooppien suuntaamisen oikeaan kohteeseen. Jatkohavaintoja voidaan tehdä ympäri maailmaa eri teleskoopeilla, kuten Turun ja tanskalaisen Aarhusin yliopistojen omistamalla NOT-teleskoopilla, joka sijaitsee La Palmalla GOTO-laitteiston läheisyydessä, kollegiumtutkija Erkki Kankare kertoo.
Kanariansaarten La Palman observatorioalue on yksi maailman parhaista tähtitieteellisten havaintojen tekoon. Kuva: K. Ulaczyk / GOTO-konsortio.
GOTO lisää ymmärrystä raskaimpien alkuaineiden synnystä
GOTO:n teleskoopit tulevat tarjoamaan tutkijoille myös uudenlaisia mahdollisuuksia muiden nopeasti muuttuvien kohteiden, kuten supernovien, aktiivisten galaksiytimien ja röntgenkaksoistähtien tutkimiseen.
– Monitoroimalla koko taivasta sekä La Palmalta että Australiasta käsin GOTO tulee havaitsemaan lukuisia harvinaisia supernovia, joista monet löytyvät hyvin pian tähden räjähdyksen jälkeen. Näin voimme ymmärtää paremmin supernovana räjähtävien suurimassaisten tähtien elinkaaria, mikä liittyy myös galaksien kehitykseen, yliopistotutkija Rubina Kotak kertoo.
Supernovat liittyvät läheisesti myös maahan asti kantautuvien gravitaatioaaltojen syntyyn. Supernovana räjähtänyt suurimassainen tähti jättää jälkeensä joko äärimmäisen tiheästä aineesta koostuvan neutronitähden tai mustan aukon.
– Eräissä tapauksissa kaksoistähtijärjestelmän molempien tähtien räjähdettyä supernovana voi jäljelle jäädä kaksi neutronitähteä tai mustaa aukkoa. Kun nämä kiertyvät radoillaan lähemmäksi toisiaan ja lopulta sulautuvat yhteen, vapautuu suunnaton määrä energiaa gravitaatioaaltojen muodossa. Jos ainakin toinen yhteensulautuvista kohteista on neutronitähti, saattaa syntyä myös kilonovana tunnettu kirkas valoilmiö, Kotak jatkaa.
Kilonovien uskotaan levittävän kullan ja platinan kaltaisia raskaita alkuaineita maailmankaikkeuteen. Ilmiön olemassaolo ennustettiin jo yli 30 vuotta sitten ja ensimmäiset tähtitieteellisiin havaintoihin perustuvat todisteet saatiin vuonna 2017. GOTO-hankkeen odotetaankin lisäävän siksi ymmärrystä myös raskaimpien alkuaineidemme synnystä.
