Piikkiön pikkujättiläinen kurkottaa tähtiin

Näkymä on avara. Pellot, puut ja rakennusten katot ovat ohuen lumikerroksen peittämät. Olemme Tuorlassa, 15 metriä korkean betonitornin huipulla, ja katselemme edessä avautuvaa kaarinalaista peltomaisemaa.

– Mikä on kaukaisin paikka, joka tästä näkyy? kysyy Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitoksen dosentti ja yliopistotutkija Harry Lehto, joka on lupautunut esittelemään observatorion tiloja.

Turun tuomiokirkon huippu pilkottaa metsän takaa, joten veikkaan näkeväni noin 10 kilometrin päähän.

– Entä oletkos koskaan nähnyt sellaista kuin kuu, tiedustelee Lehto hymyä äänessään. – Se on 400 000 kilometrin päässä. Taikka aurinko? Sinne on matkaa 150 miljoonaa kilometriä.

Nyökkäilen. Tosiaan, jos katseen suuntaa ylöspäin, ulottuu näköala aika reippaasti kauemmaksi.

– Kaukaisin paljain silmin havaittava kohde on Andromedan galaksi, jonne on kahden miljoonan valovuoden matka. Pelkillä silmillään näkee siis jo melko kauas.

Mutta nyt ollaan paikassa, jossa taivasta ei tarkkailla pelkillä silmillä. Betonitorni kätkee sisäänsä Suomen suurimman kaukoputken, jolla tähtitieteen opiskelijat saavat ensituntumaa havaintojen tekemiseen. Silti teleskoopilla tehdään edelleen myös tieteellisiä havaintoja.

Kaukoputki on Cassegrain-mallinen ja sen peili on läpimitaltaan metrin. Lehdon mukaan kiinnostavimmat putkella tehdyt havainnot liittyvät kvasaareihin. Ne ovat kaukaisia galakseja, joilla on kirkas ydin. Kirkas keskus on noin aurinkokunnan kokoinen, eli todella pieni alue koko galaksiin verrattuna.

– Kvasaarin ytimessä on miljardien aurinkojen kokoinen musta aukko tai kaksikin. Mustaa aukkoa emme näe, vaan pelkästään sitä ympäröivän kaasun putoamisen. Aineen viimeiset kuolemanhuudot ovat se kirkas valo, jonka näemme, Lehto havainnollistaa.

Soitto salaiseen numeroon sammuttaa 110-tien valot

Voisi kuvitella, että tähtitieteilijä tutkii avaruutta painamalla silmänsä kaukoputken linssiä vasten, mutta todellisuudessa tutkija katselee tähtitaivasta tietokoneen ruudulta. Tuorlassa on kaksi käytössä olevaa kaukoputkea, joiden molempien yhteyteen on rakennettu parin neliömetrin kokoinen havaintokoppi. ’Koppi’ on todellakin oikea sana kuvaamaan kapeaa tilaa, joka on kovin pieni ja vaatimaton.

– Onhan tämä vähän luostarimainen paikka, hymähtää Lehto. – Noin kymmenen vuotta sitten havainnoin täällä kaksoistähtiä kymmenenä perättäisenä yönä joulun aikaan. Talvella havainnointiin kuluu helposti 16–18 tuntia yössä. Silloin minulla oli pieni radio mukana.

Kirkkaat pakkasyöt ovat otollinen aika tehdä havaintoja. Silloin taivas on selkeä ja kylmyys vähentää mittalaitteiden kohinaa. Havaintokopin lämpötila on aluksi nollassa, mutta yön aikana se kohoaa 12–13 asteeseen. Tuorlassa havaintoja tehdään vuoden aikana noin 20–30 kertaa. Tässä pienessä kylmässä tilassa Lehto siis havainnoi suunnatonta avaruutta karvahattu päässä.

Tosin Tuorlan omilla kaukoputkilla tehtävät havainnot muodostavat nykyään vain hyvin pienen osan tutkijoiden käyttämistä aineistoista. Viimeisten kymmenen vuoden aikana Tuorlassa on julkaistu yli 700 tutkimusartikkelia, joista vain muutamat kymmenet sisältävät omilla kaukoputkilla tehtyjä havaintoja. Muut havainnot tehdään suuremmilla kaukoputkilla Kanariansaarilla, Chilessä ja Havaijilla.

Lehto näyttää tietokoneelta kuvia tähdistä, joita on havainnoitu Tuorlan Schmidt-kaukoputkella. Kuvassa on musta tausta ja se on täynnä kirkkaita pisteitä, kuin pieniä reikiä. Tähtiä on yhdessä kuvassa tuhansia, mutta tutkijan kiinnostuksen herättää se, jonka kirkkaudessa on tapahtunut muutoksia. Sellaista tähteä aletaan seurata. Kuvassa yksi reikä poikkeaa hieman toisista: se on himmeä ja pitkulaisen muotoinen.

– Tuo on ilmiselvä galaksi, ilmoittaa Lehto. – Sivulta päin näkyvä spiraaligalaksi. Galaksi on kuvassa vain vaalea pieni jälki, mutta sen perusteella voidaan laskea galaksin läpimitta ja arvioida ytimen kirkkaus. Galaksin värispektrejä tarkastelemalla saataisiin myös selville, millä nopeudella maailmankaikkeus laajenee meidän ja galaksin välillä. Tätä ei uskoisi, kun katsoo taustastaan vain vaivoin erottuvaa jälkeä.

Mutta mitä tähtitieteilijä sitten etsii, kun hän suuntaa kaukoputken kohti taivasta?

– Yritämme löytää maankaltaisen planeetan, sitä kaikki yrittävät, vastaa Lehto ykskantaan. – Sivutuotteena tulee tutkittua satatuhatta tähteä.

Kun Tuorlassa havainnoidaan avaruutta, vieressä kulkevan 110-tien valot sammutetaan häikäisyn vuoksi kahden kilometrin matkalta.

– Valot sammutetaan salaisella puhelimella, soittamalla salaiseen numeroon, toteaa Lehto myhäillen. Katuvalot sammuvat, kun tutkija näppäilee puhelimeen määrätyn numerokoodin.

– Rosetan kohdalla salaisuuden verho on silti vielä pimeämpi, hän lisää.

Lehto oli tosiaan yksi niistä lukuisista tähtitieteilijöistä, jotka huokaisivat helpotuksesta 12.11.2014, kun Rosetta-luotaimen Philae laskeutui onnistuneesti komeetan 67P pinnalle, eikä esimerkiksi kadonnut ikiajoiksi avaruuden syvyyksiin. Syyt helpotuksen tunteeseen olivat osittain henkilökohtaiset, sillä Lehto on mukana analysoimassa komeetasta irtoavan pölyn ominaisuuksia.

– Philaen laskeutuminen onnistui 110-prosenttisesti. On ihme, että laite saatiin laskeutumaan senttimetrien tarkkuudella haluttuun kohtaan, vaikka komeetta oli noin 500 miljoonan kilometrin päässä Maasta. Kukaan tutkija ei kuitenkaan osannut odottaa, että 15 senttimetrin paksuisen pölykerroksen alla on kivikova pinta. Siksi Philae pomppasi kaksi kertaa ja päätyi makaamaan ketarat ylöspäin kuin sarjakuvaeläin.

Noin 4,567 miljardin vuoden ikäinen 67P-komeetta kiertää Aurinkoa pitkulaisella radalla. Juuri ikä tekee komeetasta kiinnostavan tutkimuskohteen, sillä komeetat ovat syntyneet samaan aikaan planeettojen kanssa. Komeettaa tutkimalla päästään siis käsiksi Aurinkokunnan alkuvaiheisiin. Komeetta on ikään kuin hyvin säilynyt reliikki, sillä se syntyi kauempana Auringosta, ja on siksi säilynyt muuttumattomampana.

Lehto kuuluu tutkimusryhmään, joka analysoi COSIMA-nimisen laitteen keräämiä pölyhiukkasia. COSIMA kiertää komeettaa hitaasti Rosetta-emoluotaimessa ja kerää talteen komeetasta irtoavia hauraita hiukkasia. Laitteessa on mikroskooppi ja kamera, jonka ottamat kuvat lähetetään Maahan. Tutkijoita kiinnostaa tietää, mitä alkuaineita ja yhdisteitä komeettapölystä löytyy. Ensimmäiset tutkimustulokset kertoivat, että hiukkasissa on yllättävän paljon natriumia, mikä oli odottamaton piirre komeetalle.

– Alkuaineita ja molekyylejä tutkitaan, jotta saataisiin selville, tulivatko elämän synnyn mahdollistaneet aineet Maahan komeetoista. Itse haluan etsiä erityisesti fosforiyhdisteitä, joita ei ole vielä koskaan löydetty komeetoista. Fosforilla on tärkeä rooli esimerkiksi DNA:n muodostumisessa. Elämän syntyä selvitettäessä on keskeistä tietää, mistä vesiliukoinen fosfori on peräisin. Tämä on astrobiologian suurimpia kysymyksiä.

Supernovan räjähdys levittää alkuaineita avaruudessa

Professori Yrjö Väisälä rakennutti Tuorlan observatorion Piikkiöön vuonna 1952, sillä kasvava valosaaste alkoi häiritä havaintojen tekemistä Iso-Heikkilän tähtitornissa. Vuosien varrella tutkijoiden määrä on kasvanut ja ahtaaksi käyneitä tiloja on jouduttu laajentamaan kahteen kertaan. Rakennuksen vanhimmasta osasta lähtee kaksi siipeä, joista toinen on rakennettu noin 20 ja toinen 10 vuotta sitten.

Kun rakennusta katsoo ulkoapäin, se muistuttaa hieman koulua tai päiväkotia. Sisälle astuttaessa olo on kuin labyrintissa: kolmessa eri tasossa kulkevia käytäviä reunustavat lukuisat tutkijoiden huoneet. Vain aula, kahvihuone ja kirjasto luovat tilaan avaruuden tuntua. Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitoksen lisäksi Tuorlassa toimii Suomen ESO-keskus FINCA (Finnish Centre for Astronomy with ESO).

Euroopan eteläinen observatorio (ESO) ylläpitää kolmea huipputasoista observatoriota Chilessä ja tarjoaa jäsenmaidensa tutkijoille käyttöön maailman parhaat havaintolaitteistot.

Uusimman siiven perimmäisestä nurkasta löytyy Suomen ESO-keskuksen yliopistotutkijan, dosentti Seppo Mattilan toimisto. Siellä istuvat kaksi miestä, jotka osaavat kertoa muutamia ällistyttäviä asioita supernovista. Toinen heistä, Turun yliopiston tohtorikoulutettava Tuomas Kangas, löysi hiljattain sattumalta aivan uuden supernovan ESOn 3,5-metrisellä NTT-kaukoputkella (New Technology Telescope) otetuista kuvista. Nimeä SN 2014eg kantava supernova sijaitsee 250 miljoonan valovuoden etäisyydellä, eli se on räjähtänyt 250 miljoonaa vuotta sitten. Jo se on melko ällistyttävää.

– Löytö oli sekoitus onnea ja epäonnea. Oli käynyt pieni sekaannus, jonka seurauksena havainnot tutkimastani supernovasta tehtiin kuukausia aiottua myöhemmin. Kun latasin kuvat tietokoneelle, huomasin heti, että samassa galaksissa oli uusi supernova. Jos olisin saanut kuvat silloin kuin piti, ei uutta supernovaa olisi löytynyt, Kangas kuvailee viime marraskuussa tekemäänsä havaintoa.

Ihmeelliseltä kuulostaa sekin, kun tutkijat kertovat, että kaikki rautaa raskaammat alkuaineet ovat itse asiassa peräisin supernovista. Jos sormessasi sattuu olemaan esimerkiksi kultasormus, sen kulta on alkujaan lähtöisin supernovasta.

– Tähdessä alkuaineet eivät kehity rautaa raskaammiksi. Mutta kun tähti räjähtää supernovana, syntyy äärimmäisissä olosuhteissa myös raskaampia aineita, kuten nikkeliä ja uraania. Räjähdys sinkoaa aineen valtavalla nopeudella ympäristöön, jossa se sekoittuu tähtienväliseen kaasuun. Supernovat siis levittävät tähdessä ja räjähdyksessä syntyneitä alkuaineita ympäröivään maailmankaikkeuteen, kertoo Mattila.

Tämä onkin tärkeä tehtävä galaksien kehityksen kannalta. Planeettoja ei synny, jos ympäristössä ei ole ollut raskaita alkuaineita levittäviä supernovia. Räjähdys levittää ympäristöön myös tähdessä syntyneet kevyemmät aineet, kuten hiilen ja hapen. Yli 5 miljardia vuotta sitten lukuisat supernovaräjähdykset ovat levittäneet raskaita alkuaineita nykyisen aurinkokuntamme kohdalla. Niistä muodostuivat Aurinko, Maa ja muut planeetat.

Tämä kaikki kuulostaa maallikon korviin todella kiehtovalta, mutta Kangas ja Mattila kertovat asiasta samalla äänensävyllä, jolla aikuiset kertovat lapsille liikennesäännöistä. Se on heille itsestään selvää. Sen sijaan tutkijoita kiinnostavat epätavalliset supernovat, joita tutkimalla saadaan arvokasta tietoa tähtien elinkaaren loppuvaiheista.

– Havaitsemalla massiivisten tähtien räjähdyksiä supernovina saamme tietoa siitä, kuinka paljon maailmankaikkeudessa on syntynyt tähtiä eri aikoina alkuräjähdyksen jälkeen. Mittaamalla supernovia voidaan tutkia maailmankaikkeuden tähtien syntyhistoriaa, joka on yksi kosmologian keskeisiä kysymyksiä, Mattila sanoo.

Tähtien syntyhistoriassa tutkijat haluaisivat päästä aivan alkuun saakka: tutkia maailmankaikkeuden ihka ensimmäisten tähtien supernovaräjähdyksiä. Toive tuntuu äkkiseltään liioitellulta, mutta Kangas ja Mattila vakuuttavat, että se on tulevaisuudessa mahdollista.

ESO on jo alkanut rakentaa Chileen maailman suurinta kaukoputkea E-ELT:tä (European Extremely Large Telescope), jolla maailmankaikkeuden ensimmäisten supernovien havainnointi on mahdollista. Kaukoputken peilin halkaisija tulee olemaan 39 metriä ja sen on suunniteltu valmistuvan 2020-luvulla.

– Maailmankaikkeuden ensimmäisten tähtien räjähdykset voidaan nähdä edelleen. Ne ovat olleet niin kaukana, että valolla on kestänyt noin 13 miljardia vuotta kulkea tänne asti. Tarvitaan vain todella suuri kaukoputki, sillä supernovat ovat täältä katsoen hyvin himmeitä, Kangas selittää kärsivällisesti.

Maailman suurin avaruuspeili hiottiin Tuorlassa

Jos haluaa tutustua Tuorlan observatorion vanhimpaan osaan, täytyy mennä maan alle. Taitavana peilinhiojana tunnettu Väisälä rakennutti Tuorlaan ensimmäiseksi kallion sisällä kulkevan tunnelin, jossa Opteon Oy hioo edelleen maailman parhaimmat peilit satelliitteihin ja kaukoputkiin. Väite voi kuulostaa leveilyltä, mutta pieni tarina vuodelta 2009 osoittaa sen todeksi.

Kyseisenä vuonna laukaistiin avaruuteen Herschel-satelliitti, joka keräsi neljän toimintavuotensa aikana yli 35 000 tieteellistä havaintoa noin 600 tutkimusohjelman käyttöön. Satelliitin kolme ja puoli metriä leveä peili oli suurin avaruuteen koskaan lähetetty, ja se hiottiin täällä Tuorlassa. Peilin oli tarkoitus tulla NASAlta, mutta se ei onnistunut tehtävässä tarpeeksi hyvin. Tuorlassa valmistunut peili sen sijaan oli kaksi kertaa tilattua tarkempi.

– Täällä on tietotaitoa, jota on kehitetty huippuunsa Väisälän ajoista lähtien. Koska Herschelin peili lähetettiin avaruuteen, sen täytyi olla hyvin kevyt. Siksi lasin sijaan käytettiin materiaalina piikarbidia. Se on upean näköinen kivi, joka hohtaa monissa väreissä, Lehto listaa syitä sille, miksi Tuorlan peilinhiojat onnistuivat päihittämään NASAn.

Peilit hiotaan kallion sisällä, koska siellä on tasainen lämpötila ja kosteustasapaino. Pitkän tunnelin varrella on kapea hylly, joka on täynnä kiekkoja ja erivärisiä purnukoita. Ne sisältävät esimerkiksi jauhettua piikarbidia ja korundia, jota käytetään peilien hiomiseen. Seinään nojaa myös ympyränmuotoinen hiontalaite, joka on kaakeleineen kuin pala kylpyhuoneen seinää.

Keskellä tunnelia on ovi, jonka takaa löytyy Kanariansaarilla sijaitsevan NOT-kaukoputken (Nordic Optical Telescope) peiliä varten rakennettu pyöreä laite. Se on kuin suuri metallinen pöytä, jonka päälle peili asetetaan. Peilejä valmistettaessa olennaisinta on ottaa huomioon muoto ja tarkka heijastuspinta.

– Herschelin peili valmistettiin tilassa, jossa järjestämme nykyisin planetaarioesityksiä. Tila on ensisijaiselta tarkoitukseltaan peilinrakennushalli, joka pystytettiin Herscheliä varten. Jos saisimme Tuorlaan uuden suuren peilitilauksen, täytyisi planetaario ensin purkaa, jotta peili saataisiin sisään, Lehto sanoo.

Musta aukko on maailmankaikkeuden tehokkain moottori

Suosituin ala Tuorlan tutkijoiden keskuudessa on suurenergia-astrofysiikka, jonka alle kuuluvat esimerkiksi mustien aukkojen, neutronitähtien ja supernovien tutkimus.

– Meillä on työntekijöitä noin 40, joista melkein puolet tutkii mustia aukkoja. Mustat aukot ovat tähtitieteessä kuuma aihe, mutta Tuorlassa niiden tutkimus on myös Esko Valtaojan ja Mauri Valtosen jättämää perintöä, kertoo käytävällä vastaan kävelevä Juri Poutanen, observatorion johtaja.

Yksi nuoremman polven mustien aukkojen tutkijoista on Alexandra Veledina. Hän on aloittanut Tuorlassa Turun yliopiston tutkijana vuoden 2015 alussa ja on kotoisin Pietarista, kuten Poutanenkin. Observatorion tiloissa liikkuva kuuleekin siellä täällä venäjää, mutta yleinen keskustelukieli kahvipöydissä on englanti. Silti suomalaiset tutkijat pyrkivät puhumaan keskenään esimerkiksi kaukoputkesta teleskoopin sijaan, jotta suomenkielinen tähtitieteen sanasto säilyisi muistissa.

– Mustat aukot ovat tunnetun maailmankaikkeuden tehokkaimpia moottoreita,
vastaa Veledina, kun kysyn, mikä ainetta imevässä massakeskittymässä kiehtoo. Energiaa sisäänsä imevä musta aukko tosiaan päihittää tehokkuudessa esimerkiksi lämpöydinreaktion.

– Mustat aukot horjuttavat Newtonin painovoimateoriaa, mutta tukevat Einsteinin suhteellisuusteoriaa. Mustia aukkoja tutkimalla voin testata yleisen suhteellisuusteorian oletuksia. On mielenkiintoista nähdä, kuinka aine käyttäytyy näin äärimmäisissä olosuhteissa, Veledina selittää pienen tutkimuspöytänsä ääressä.

Musta aukko syntyy, kun raskas tähti räjähtää supernovana. Toisaalta tunnetaan myös supermassiivisia mustia aukkoja, jollaisen uskotaan löytyvän jokaisen galaksin ytimestä. Veledina tutkii tähdistä syntyneitä mustia aukkoja tavoitteenaan arvioida mustan aukon läheisyydessä olevan aineen fyysistä olomuotoa ja sitä kautta myös mustan aukon ominaisuuksia.

Tutkija ei voi tarkkailla mustaa aukkoa itsessään, vaan havaintoja tehdään sen perusteella, miten musta aukko vaikuttaa ympäristöönsä. Lokakuussa 2012 Veledina havainnoi mustien aukkojen synnyttämää röntgen- ja ultraviolettisäteilyä XMM-Newton-röntgensatelliitin ja Hubble-avaruusteleskoopin avulla. Kun tutkimusryhmä sai haltuunsa odotetun tutkimusaineiston, se osoittautui liian epäselväksi toivottujen havaintojen tekemiseksi. Kävi kuitenkin onnekas sattuma: tutkijat löysivät aineistosta mustan aukon, joka oli massaltaan kevyempi kuin yksikään aikaisemmin tunnettu.

– Se oli jännittävin koskaan tekemäni havainto. Aikaisemmin pienimpien mustien aukkojen tiedettiin olevan massaltaan ainakin viiden auringon kokoisia. Löytämämme musta aukko oli massaltaan korkeintaan neljän auringon kokoinen. Havainto vaikuttaa suoraan tähden kehitystä koskeviin teorioihin, joista kiistellään paljon nykyään.

Löytö oli merkittävä, mutta huomionarvoista on jo se, että Veledina sai tehdä havaintoja Hubblen kaltaisella teleskoopilla. Ennen Veledinaa Suomessa työskentelevä tutkija on viimeksi saanut havaintoajan Hubblesta yli 20 vuotta sitten.

Tähtitieteilijät hakevat suurten kaukoputkien, kuten ESO:n halkaisijaltaan 8-metrin VLT-teleskooppien (Very Large Telescope), havaintoaikoja kaksi kertaa vuodessa, jolloin hakemukset kilpailevat noin tuhatta muuta vastaan. Vaikka tutkijalle myönnettäisiin havaintoaika, huono sää saattaa pilata suunnitelmat. Maailman parhaimmat kaukoputket löytyvät Havaijilta ja Chilestä – ja niiden havaintoajoista kilpaillaan ankarimmin.

Chilessä sijaitsevien ESO:n havaintolaitteiden ja avaruusteleskooppien lisäksi Tuorlan tutkijat käyttävät havainnointiin La Palman kahden ja puolen metrin suuruista Pohjoismaiden yhteistä NOT-kaukoputkea, sekä esimerkiksi Havaijilla sijaitsevia suuria kaukoputkia. Vuonna 2010 perustetun Suomen ESO-keskuksen tarkoituksena on nimenomaan lisätä suomalaisten tutkijoiden mahdollisuutta käyttää Euroopan eteläisen observatorion ESO:n suuria teleskooppeja Chilessä.

– Isoimmat käytössämme olevat kaukoputket ovat kaksi 17-metristä MAGIC-teleskooppia La Palmalla. Niiden avulla havaitsemme gammasäteitä, jotka tulevat kaukaisista aktiivisista galakseista. Kun gammasäteet tulevat ilmakehään, ne synnyttävät partikkeleiden suihkuja, jotka liikkuvat valoa nopeammin ja sen vuoksi säteilevät sinistä Cerenkov-valoa, jonka sitten voi havaita tavallisella optisella kaukoputkella, Poutanen kertoo.

– Lisäksi tutkijamme tekevät joka yö havaintoja La Palman 0.6-metrisellä KVA-kaukoputkella. He työskentelevät kotona tai täällä Tuorlassa ja antavat tietokoneella ohjeita kaukoputkelle, joka lähettää kuvat koneelle, joka lähettää kuvat tutkijalle, hän lisää.

Näistä pienistä työhuoneistaan tähtitieteilijät katselevat jättimäisten kaukoputkien ottamia kuvia miljardien valovuosien päässä olevista taivaankappaleista. Piikkiöstä näkymä ulottuu tosiaan aika kauas.

Artikkeli on ilmestynyt Aurora-lehdessä 1/2015. >> Lue Aurora

Teksti: Jenni Valta
Kuvat: Hanna Oksanen