Tähtitieteilijät odottavat jättiläiskaukoputkia, jotka 2018 avaavat näkymän koskemattomaan galaksiavaruuteen. Optiikka on saanut vahvaksi apurikseen tietokoneen, kun kaukoputki harppaa viidennelle vuosisadalleen.



Julkaistu Tiede-lehdessä 5/2009

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Keväällä 1609 Galileo Galilei värkkäsi kolme kertaa suurentavaa kaukoputkea mutta halusi heti erottaa pienempiä yksityiskohtia kuin sillä näki. Pian hän valmistikin jo 20 ja 30 kertaa suurentavia näkölaseja (ks. Tiede 12/2008, s. 14-15).
Tähtitieteilijät eivät ole muuttuneet. He himoitsevat nytkin yhä isompia kaukoputkia, sillä he haluavat nähdä tarkasti yhä kauemmas.
Tutkijoiden mieltä kutkuttavat muun muassa kaukaisia tähtiä kiertävät Maan kaltaiset planeetat, galaksien keskustat valtavine mustine aukkoineen, pimeän aineen jakautuminen avaruuteen ja universumin laajenemisen yksityiskohdat, jotka liittyvät niin sanotun pimeän energian arvoitukseen.
Mutta ennen kaikkea tähtitieteilijät haluaisivat löytää jotakin täysin odottamatonta, kerta kaikkiaan uutta. Jotakin sellaista, mikä voisi johtaa tieteelliseen kumoukseen.
Kaksi Maan kamaralle suunniteltua kaukoputkihanketta on ylitse muiden. Toinen on yhdysvaltalaisten TMT-kaukoputki (Thirty meter telescope), toinen meidän eurooppalaisten E-ELT (European extremely large telescope). Jenkkiputken peilin halkaisija on 30 metriä, mutta Eurooppa panee paremmaksi, 42 metriin.
Vaikka molemmat hankkeet ovat jo hyvällä alulla, niiden toteuttaminen vaatii yhä visioita, oivalluksia ja sinnikkyyttä.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Himo kasvaa tutkiessa

Yhdysvaltalainen tähtitieteilijä George Ellery Hale on hyvä esimerkki sinnikkäästi visionääristä. Hän rakennutti 1900-luvun alussa 1,5-metrisen kaukoputken Los Angelesin lähelle Mount Wilsonille. Se oli maailman suurin kaukoputki, mutta jo ennen sen valmistumista Hale ryhtyi hankkimaan suurempaa. 2,5-metrisellä teleskoopilla alettiin tähytä taivasta 1917.
Sekään ei riittänyt: Hale halusi yhä kookkaamman havaintolaitteen. Onneksi hän oli erinomainen varainhankkija. Hän sai kymmenisen vuotta myöhemmin Rockefeller-säätiöltä kuusi miljoonaa dollaria uskomattoman kokoiseen kaukoputkeen. Viisimetrisestä tulisi tähtitieteilijöiden toiveiden täyttymys.
Jo pelkkä tähtitornin rakentaminen Kalifornian Palomarvuorelle oli saavutus. Läpimitaltaan torni on 42 metriä ja korkeudeltaan 41 metriä. Mitat ovat sattumalta lähes samat kuin Roomassa sijaitsevan Pantheonin temppelin pyöreän osan. Tähtitaivaan paljastavat luukut painavat kumpikin 125 tonnia!
Uudesta lasiseoksesta, pyreksistä, tehty pääpeilin aihio kuljetettiin jo ennen sotaa hitaalla junalla New Yorkista Pasadenaan. Matka kesti 16 päivää. Öisten pysähdysten aikana lastia oli suojeltava radan varteen kerääntyneiden ihmisten innostukselta. Peilin hiominen vei pitkään, ja sodan päätyttyä kolme vahvaa traktoria veti sen ylös observatoriovuorelle.
Hale-kaukoputki valmistui 1949, kymmenen vuotta alullepanijansa kuoleman jälkeen. Se oli aikansa tekninen ihme. Monet tähtitieteilijät uskoivat, ettei suurempaa voitaisi koskaan rakentaa.


Paloista syntyy suurempi

Tähtitieteilijät ovat kunnianhimoista joukkoa, ja lopulta viisimetrinen kaukoputki oli pahasti alamittainen. Tiedossa kuitenkin oli, ettei paljonkaan suurempi peili toimisi ilman uusia ratkaisuja. Muun muassa neuvostoliittolaisten 1974 rakentama kuusimetrinen kaukoputki oli käytännössä fiasko. Kalifornian yliopistossa perustettiin 1977 viiden hengen työryhmä etsimään keinoja, joilla kaksi kertaa Halea suurempi peili saataisiin pysymään oikeassa muodossaan.
Fyysikko Jerry Nelson keksi ehdottaa palapeiliä. Idea ei heti saanut kannatusta. Palapeilin segmenttien pitäisi nimittäin pysyä niin tarkasti kohdallaan, että keskinäistä heittoa olisi enintään hiuksen paksuuden tuhannesosa! Oli iso riski soveltaa uutta menetelmää lähes kylmiltään kymmenmetriseen peiliin.
Epäilijöistä huolimatta hanke onnistui. 1992 Havaijin Mauna Kean vuorella otettiin käyttöön Keckiksi nimetty kaukoputki. Sillä näkyi kaksi kertaa syvemmälle universumiin kuin aikaisemmilla kaukoputkilla.


Tietokone säätää optiikan

Nyt tähtitieteilijöillä oli ensimmäistä kertaa kaukoputki, jonka optiikka oli olennaisesti erilainen kuin Isaac Newtonin vuonna 1704 esittelemä. Peiliuutuuden takana ovat tietokoneet.
Keckin peili koostuu 36 kuusikulmaisesta osasta, jotka on laatoitettu vieri viereen kuin kylpyhuoneen lattiakaakelit. Ovelalla tukirakenteella paloista saadaan ohut ja kevyt kokonaisuus, joka ei romahda oman painonsa takia.
Palapeileillä on monta etua. Ne on helpompi valmistaa, huoltaa ja hallita kuin yhtenäinen peili.
Toisaalta tarvitaan runsaasti tietokonekapasiteettia, jotta osapeilit saadaan toimimaan yhtenäisen pinnan lailla. Muotoon vaikuttavat esimerkiksi tuuli ja lämpötila. Tietokoneilla peili pystytään kuitenkin pitämään halutun muotoisena säätämällä sen tukirakennetta. Tätä jatkuvaa hienosäätöä sanotaan aktiiviseksi optiikaksi.
Keck osoitti palapeilien toimivan. Sen jälkeen kaikkien yli 8,5-metristen kaukoputkien peilit on tehty paloista.


Ilmakehä pitää poistaa

- Ilman aktiivista ja adaptiivista optiikkaa emme suunnittelisi nyt yli 30-metrisiä kaukoputkia, selittää maailman suurimman avaruuskaukoputken Herschelin peilin teosta vastannut Tapio Korhonen Opteon oy:stä (ks. Tiede 4/2009, s. 14-15).
Aktiivisella optiikalla huolehditaan siis suuren ja ohuen peilin muodosta. Adaptiivinen optiikka taas on menetelmä, jolla poistetaan havainnoista ilmakehän häiritsevä vaikutus.
Ilmakehä ei vaivaisi tähtitieteilijöitä, jos se olisi tasainen. Ilmavirtauksiin liittyvät lämpötilaerot aiheuttavat kuitenkin ilman tiheyteen paikallisia, nopeita muutoksia. Tiheysvaihtelujen takia tähdestä tulevan valorintaman osat osuvat kaukoputken peiliin eri aikaan, ja kuva tuhrautuu.
Adaptiivisessa optiikassa yläilmakehään muodostetaan laserilla tekotähti havainnoitavan kohteen suuntaan. Tekotähden avulla seurataan jatkuvasti ilmakehän pyörteisyyttä. Kun valon oikea aaltorintama tunnetaan, ilmakehän aiheuttama vääristymä voidaan vähentää havaintokohteen säteilystä ja kaukoputken kuva terävöityy.
Käytännössä vähentäminen tapahtuu lähelle pääpeilin polttotasoa asennetulla joustavalla apupeilillä. Sen muotoa muutetaan tietokoneilla niin, että havainnoitavasta tähdestä tuleva aaltorintama osuu pääpeiliin yhdellä kertaa.


Sata metriä olisi liikaa

Tähän asti tietokoneilla on ollut täysi työ hoitaa Keckin kokoluokkaa olevien kaukoputkien optiikkaa. - Varsinkin ilmakehän vaikutuksen poisto on vielä lapsenkengissä, Korhonen huomauttaa.
Silti Euroopan eteläinen observatorio Eso alkoi vuosituhannen alussa suunnitella kaukoputkea, jossa olisi satametrinen, paristatuhannesta osasta koostuva peili.
- Kun tämä huomattiin liian suureksi harppaukseksi nykyisestä, Eso perusti kymmenen hengen työryhmän, johon minäkin kuuluin. Tarkoitus oli suunnitella noin 50-metrisen kaukoputken optiikka, Korhonen kertoo.
Lopulta päädyttiin 42-metriseen E-ELT-kaukoputkeen. Sen peili koostuu noin tuhannesta osapeilistä, ja apupeilikin on samaa kokoluokkaa kuin suurimpien nykyisten kaukoputkien pääpeilit.


Jättiläiset töihin 2018

Vastoin Korhosen ja monen muun asiantuntijan suositusta E-ELT-kaukoputkeen lisättiin kolme ylimääräistä peiliä, joilla on tarkoitus saada aikaan suuri virheetön näkökenttä.
- Suureen näkökenttään on periaatteessa helpompi soveltaa adaptiivista optiikkaa. Toisaalta suuri kenttä vaatii monta joustavaa korjauspeiliä ja monta lasertähteä. Näin kaukoputken käytöstä tulee monimutkaista, Korhonen selittää. Ylimääräiset peilit myös imevät valoa.
- Valoa menetetään 15 prosenttia joka kerta, kun se heijastuu alumiinipinnoitteisista peileistä.
Adaptiivisen optiikan soveltaminen valtaviin peileihin vaatii vielä uusia oivalluksia. Eso on jo myöntänyt E-ELT-hankkeen edistämiseen 50 miljoonaa euroa. Yksittäisten osapeilien tekoakin testataan jo.
Uuden suuren kaukoputken suunnitellaan valmistuvan 2018, ja samaan ajankohtaan yhdysvaltalaiset kaavailevat omaa 30-metristä jättiputkeaan. Siinä on perinnäiseen tapaan kaksi peiliä.
Jos kaikki menee hyvin, E-ELT voi nähdä 20 kertaa pienempiä yksityiskohtia kuin Hubble-avaruuskaukoputki. Sen näkökenttään saattaa osua valovuosien päässä sijaitseva Maan sisarplaneetta. Tai ehkä se löytää odotetun odottamattoman.


Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.


Näitä odotetaan 2018


GMT (Giant Magellan telescope) Teleskoopin rakentavat yhdysvaltalaiset yhdessä muun muassa australialaisten kanssa. Peili koostuu seitsemästä 8,4-metrisestä peilistä; kerää valoa kuin 24,5-metrinen. Paikaksi on päätetty Las Capanas -observatorio Chilessä.
TMT (Thirty meter telescope) Rakentaja Yhdysvallat. 30-metrinen pääpeili 738 palasta. Nousee joko Havaijiin tai Chileen.
E-ELT (European extremely large telescope) Rakentaja Euroopan eteläinen observatorio. 42-metrinen pääpeili noin 1 000 palasta. Sijoituspaikkoja testataan vielä.


Neljä askelta jättiläispeileihin













1700-luvun alku Siirrytään linsseistä peileihin. Tähden valo ei kulje peilin läpi, joten peili voidaan tukea takaa. Siksi peilikaukoputkista saadaan suurempia kuin linssiputkista. Peilit suurenevat jatkuvasti. Maailman suurin on peililtään viisimetrinen Hale-teleskooppi Kalifornian Palomarvuorella. Se valmistui 1949.
1980-luku Suunnitellaan paloista koottu pääpeili. Maailman ensimmäinen oli Keck, jonka kymmenmetrinen peili koostuu 36 palasta. Se valmistui 1992
1980- ja 1990-luku Aktiivista ja adaptiivista optiikkaa suunnitellaan. Ensimmäiset on saatu toimimaan kummallakin systeemillä vasta hiljattain. Kyse ei vieläkään ole rutiinikäytöstä.
2000-luku Optinen interferometria tekee tuloaan, mutta ei toimi vielä kunnolla. Ideana yhdistää kahden tai useamman suuren kaukoputken havainnot niin, että ne toimivat yhdessä kuin jättiläislaite. Jättiputken peili vastaisi läpimitaltaan ulommaisten kaukoputkien välimatkaa.

Tietokone ahertaa teleskoopissa


Aktiivisessa optiikassa tietokone säätää ison palapeilin tukirakennetta ja pitää peilin oikeassa muodossaan.
Adaptiivinen optiikka puolestaan tarkoittaa, että tietokone poistaa havainnoista ilmakehän häiritsevän vaikutuksen.

Sisältö jatkuu mainoksen alla