Luonnon omista linsseistä on kehittynyt tehokas työkalu jopa universumin itsensä tutkimiseen. Gravitaatiolinsseillä on nyt ensimmäistä kertaa saatu kartta, jossa "näkyy" pimeä aine.

TEKSTI:Leena Tähtinen


Sisältö jatkuu mainoksen alla

Luonnon omista linsseistä on kehittynyt tehokas työkalu
jopa universumin itsensä tutkimiseen. Gravitaatiolinsseillä
on nyt ensimmäistä kertaa saatu kartta, jossa "näkyy" pimeä aine.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä

3/2001

Kansainvälinen tutkijaryhmä on mitannut universumin pimeän aineen jakautuman 50 eri suunnassa, ilmoitti Euroopan eteläinen observatorio joulukuussa 2000. Temppua on yritetty kymmenisen vuotta. Nyt onnistuttiin käyttämällä ns. gravitaatiolinssi-ilmiötä.

Aikaisemmin universumin massaa on kartoitettu mittaamalla kirkkaiden galaksien ja kvasaarien määrää tietyllä etäisyydellä. Tällaisissa kartoissa on kuitenkin yksi paha puute: niissä näkyy vain pisara universumia, sillä 90 prosenttia kaikesta materiasta on pimeää.

Pimeää ainetta tarvitaan selittämään, miksi tähdet pysyvät galakseissa ja galaksit galaksijoukoissa, sillä näkyvän aineen vetovoima ei riitä niitä pidättelemään.

Massa taivuttaa valoa

Gravitaatiolinssi seuraa suoraan suhteellisuusteoriasta, jonka mukaan massa muotoilee aika-avaruutta. Valon kulku puolestaan noudattaa avaruuden muotoa.

  avaruuden "kuoppaan", se myötäilee montun reunoja ja taipuu. Taipunut säde yhdistyy säteeseen, joka kulki kuopan toista reunaa. Näin kuopan takana oleva valolähde kirkastuu, joskin sen kuva voi vääristyä samalla tavalla kuin pullon pohjan läpi katsottu maisema.

Kaarevaa avaruutta seuraavat valonsäteet käyttäytyvät siis aivan kuin niiden tielle osuisi jättiläismäinen linssi. Mitä suurempi on massa, sitä enemmän säteet taipuvat eli sitä voimakkaampi on linssi.

Kauas katsoville tähtitieteilijöille tiheät ja massiiviset taivaankappaleet toimivat linsseinä, jotka paljastavat niiden taakse sattuvat himmeät kohteet.

Kuvasta lasketaan linssin massa

Galakseissa tähdet toimivat gravitaatiolinsseinä. Myös mikä tahansa muu tiheä kappale - esimerkiksi planeetta tai mustaksi aukoksi luhistunut kuollut tähti - saa aikaan saman ilmiön.

Itse galaksitkin voivat linssin tavoin taivuttaa takanaan sijaitsevien galaksien tai kvasaarien valoa.

Aivan kuten voimme päätellä tavallisen suurennuslasin voimakkuuden siitä, miltä esimerkiksi kynä näyttää sen läpi katsottuna, voimme laskea gravitaatiolinssiin liittyvän massan määrän siitä, millaisen kuvan se vääntää takanaan olevasta kohteesta. Tällä tavalla taaksepäin laskemalla gravitaatiolinsseillä jäljitetään galaksien sisältämää pimeää ainetta.

  linssejä ovat galaksijoukot, jotka saavat takana olevan galaksin kuvan vääntymään sarjaksi kaaria.

  puuttuvaan massaan.

- Galaksijoukkojen analysointi gravitaatiolinssi-ilmiöllä on muuttunut lähes rutiiniksi, kirjoittavat Andy Taylor ja John Peacock Physics World -lehdessä. Nyt haaste on joukkojakin suuremmissa linsseissä.

Galaksijoukoista muodostuvien superjoukkojen muotoilemasta avaruudesta paljastuu lopulta kosmoksen pimeän aineen jakautuma.

Superjoukko oli suururakka

Kymmenisen vuotta sitten alettiin tutkia mahdollisuutta, että kaukaisten galaksien kuvajaiset sisältäisivät tietoa myös galaksijoukkojen ulkopuolella olevasta pimeästä aineesta.

Tehtävä oli vaikea. Tähden ja galaksin ja galaksijoukkojen kokoisten linssien vaikutusta voidaan näet kuvata matematiikalla, jota käytetään yhden pyöreän linssin tapauksessa. Kun linssinä on hyvin laajalle jakautunut aine, siis superjoukko, tilanne vastaa pikemminkin epätasaisen museoikkunan läpi katsomista.

Vuoden 1995 paikkeilla useat tutkimusryhmät yrittivät mitata gravitaatiolinssi-ilmiön perusteella pimeän aineen jakaumaa laajoilla alueilla, mutta tuloksetta. Vasta vuosi sitten laitteiden erotuskyky riitti, ja tällä menetelmällä saatiin ensimmäinen selvä tulos.

Euroopan Eteläisen observatorion tiedote kertoo, että kartoituksessa määritettiin 8,2-metrisellä VLT-kaukoputkella 70 000 galaksin vääntymä ennenkuulumattomalla tarkkuudella.

Monimutkaisten tilastollisten analyysien jälkeen päädyttiin toteamaan, etteivät galaksit ole vääntyneet sattumanvaraisesti vaan niiden kuvia on muokannut superjoukkoon jakautunut pimeä aine. Tästä tiedosta valmistui kaksiulotteinen kartta maailmankaikkeuden massan - niin näkyvän kuin näkymättömänkin - jakautumisesta.

Nyt tutkijat haaveilevat kolmiulotteisesta kartasta.

Aineen laatu yhä arvoitus

- Muutaman seuraavan vuoden aikana gravitaatiolinssi-ilmiötä käytetään tiuhaan massajakauman ratkaisemiseksi, Taylor ja Peacock sanovat. Vuonna 2005 valmistuu erikoisesti tätä tarkoitusta varten suunniteltu brittiläinen kaukoputki. Tulevaisuuden avaruuskaukoputkiltakin odotetaan lisätarkkuutta.

Poistuuko pimeä aine siis vihdoinkin maailmankaikkeuden suurten arvoitusten listalta?

Taylor ja Peacock painottavat, ettei pimeän aineen jakauma vielä kerro mitään aineen luonteesta: onko kyse eksoottisista hiukkasista vai tavallisesta himmeästä aineesta? He lopettavat artikkelinsa toteamalla, että viimeaikaisista edistysaskelista huolimatta vetovoimasta ja aineesta tiedetään edelleenkin hyvin vähän.

Kolmenlaisia kuvajaisia

Gravitaatiolinssi kirkastaa parhaiten, jos se on suunnilleen meidän ja kohteen puolivälissä. Se, millaisen kuvan linssi takanaan olevasta kohteesta muodostaa, riippuu sekä linssin että kuvattavan laadusta ja niiden keskinäisestä sijainnista. Karkeasti ottaen kuvajaisia on kolmenlaisia.

Ensimmäisen kuvaluokan muodostavat galaksilinssin monistamat pistemäisen kvasaarin kuvat. Sitten 1979 on kuvattu kaksin-, kolmin- ja nelinkertaisia kuvia samasta kvasaarista. Symmetristä nelinkertaista kuvaa nimitetään Einsteinin ristiksi.

Täsmälleen galaksilinssin taakse sattuneesta galaksista muodostuu rengasmainen kuva, jota sanotaan Einsteinin renkaaksi. Radiogalaksien rengaskuvia on havaittu vuodesta 1988 lähtien.

Kolmas kuvalaji muodostuu galaksijoukkojen taakse jäävistä galakseista, jotka kuvautuvat kaarimaisiksi heijastuksiksi. Ensimmäiset huomattiin 1986. Usein samalla alueella näkyy joukko pienempiä kaaria, jotka johtuvat taustan himmeämistä galakseista.

Mikrolinssit välähtelevät

Kun gravitaatiolinssi-ilmiö johtuu tähden eteen sattuneesta pienestä tiiviistä kohteesta, esimerkiksi toisesta tähdestä, puhutaan mikrolinssistä.

Mikrolinssi-ilmiö on paljastanut myös eksoplaneettoja, sillä nämä aiheuttavat tähden kirkastumiseen omat tunnistettavissa olevat piikkinsä.

Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja. Tällä palstalla hän taustoittaa tähtitieteen uutistapahtumia. 

Lisää gravitaatiolinsseistä


ned.ipac.caltech.edu/level5/Blandford/Blandford_contents.html

Sisältö jatkuu mainoksen alla