Maailmankaikkeus uusin silmin ja aistein

Viime vuonna olimme mukana tieteellisessä läpimurrossa, kun avaruudesta tulevien korkeaenergisten neutriinojen alkuperä pystyttiin ensimmäistä kertaa paikallistamaan. Neutriinojen sanotaan olevan uusi aisti maailmankaikkeuden havaitsemiseen.

Tähtitieteeseen on jo viimeisen sadan vuoden ajan kuulunut, että maailmankaikkeuteen avautuu säännöllisesti uusia ikkunoita. On opittu rakentamaan radioteleskooppeja ja satelliitteja, joilla voidaan havaita myös säteilyä, joka ei pääse ilmakehän läpi. Itse pääsin mukaan uuden, erittäin korkeaenergisen gammasäteilyn, ikkunan avautumiseen jo väitöskirjaa tehdessäni.

Turun yliopisto on ollut alusta asti mukana MAGIC-teleskooppien toiminnassa, jotka havaitsevat erittäin korkeaenergistä gammasäteilyä. Teleskoopit sijaitsevat La Palmalla Kanarian saarilla. Ne havaitsevat 5 nanosekuntia kestäviä sinisiä välähdyksiä, jotka syntyvät erittäin korkeaenergisten gammasäteiden osuessa maan ilmakehään. MAGIC-teleskoopit ovat nyt olleet toiminnassa jo 15 vuotta ja niitä operoi laaja, lähes 150 tiedemiehen kansainvälinen kollaboraatio.

Tutkimus tekee näkymättömän näkyväksi

Miltä maailmankaikkeus näyttää, kun sitä katsoo erittäin korkeaenergisten silmälasien läpi? Se näyttää tietenkin hyvin erilaiselta kuin näkyvän valon alueella, yksittäiset tähdet ja tavalliset galaksit kun eivät juurikaan säteile näin korkeilla energioilla. Kohteet, joita sen sijaan näemme, ovat maailmankaikkeuden tehokkaimpia hiukkaskiihdyttimiä: supernovajäänteitä, pulsareita ja supermassiivisten mustien aukkojen “röyhtäisyjä”, joita tähtitieteilijät kutsuvat blasaareiksi.

Maailmankaikkeuden horisontti, eli se kuinka kauas näemme, on lähempänä kuin näkyvän valon alueella, tällä hetkellä kaukaisin tunnettu erittäin korkeaenergisen gammasäteilyn lähde on punasiirtymällä 0,94 ja se löytyi osana johtamaani MAGICin havainto-ohjelmaa. Valolla oli kestänyt noin 7,5 miljardia vuotta matkata maapallolle, mikä on siis tietenkin huomattavasti kauemmin kuin maapallo on ollut olemassa. Tähtitieteilijät muilla säteilyalueilla pystyvät kuitenkin kurkottamaan vielä paljon kauemmas.

Toisaalta se, mikä tekee kaukaisemman maailmankaikkeuden meille korkeaenergistä säteilyä havaitseville näkymättömäksi, mahdollistaa sen, että voimme nähdä muille näkymättömän. Yleensä kuvitellaan, että galaksien välinen avaruus on tyhjä, mutta sitä se ei tietenkään ole. Siellä vain on ainetta ja säteilyä hyvin, hyvin harvassa. Säteilyn fotonit ovat niin harvassa, että niitä ei voida millään kaukoputkilla suoraan havaita. Ja kuitenkin juuri nämä fotonit sisältävät koko maailmankaikkeutemme historian. Kun laskemme ne kaikki yhteen, näemme kaiken tähtien säteilemän ja pölyn uudelleenprosessoiman valon koko maailmankaikkeuden historian ajalta.

Vaikka näitä fotoneita on harvassa, erittäin korkeaenergiset gammafotonit voivat matkallaan törmätä niihin, ja mitä pidemmän matkan ne matkustavat (eli mitä kauempaa ne ovat peräisin), sitä todennäköisempi törmäys on. Jos törmäys tapahtuu, muodostuu elektroni-positroni pari, eikä alkuperäinen fotoni koskaan pääse perille maapallolle. Jos maailmankaikkeuden laidalla on kuitenkin tarpeeksi kirkas majakka, kirkkaana loistava blasaari, joita havainto-ohjelmallani metsästän, osa säteilystä saapuu maapallolle. Tämän säteilyn spektri (tai säteily, jonka näemme siitä puuttuvan) kantaa mukanaan tietoa niistä fotoneista, jotka eivät koskaan päässeet perille ja siten meille välittyy tietoa myös maailmankaikkeuden historiasta. Kunhan vain ymmärrämme miten paljon erittäin korkeaenergistä säteilyä majakkamme on lähettänyt. Tämä onkin yksi keskeisimpiä tutkimukseni aiheita.

Uusia ikkunoita maailmankaikkeuteen

Parin viime vuoden aikana on auennut myös kaksi täysin uutta ikkunaa, oikeastaan uutta aistia, maailmankaikkeuteen. Kun sähkömagneettinen säteily – niin näkyvä valo kuin radio-, infrapuna-, UV-, röntgen- kuin gammasäteilykin – antaa meille näon, gravitaatioaaltojen sanotaan osuvasti antavan meille kuulon. Gravitaatioaallot paljastivat meille ihan uutta tietoa, muun muassa “väärän” kokoisia mustia aukkoja, joita olemassa olevat mallit eivät pysty selittämään.

Viimeisimpänä löytyivät erittäin korkeaenergiset neutriinot, jonka voidaan ajatella olevan kolmas aistimme maailmankaikkeuteen. Niiden havaitsemisesta oli haaveiltu jo hyvin pitkään. Neutriinojen alkuperän selvittämisen tiedettiin ratkaisevan myös kosmisen säteilyn yli sata vuotta vanhan mysteerin.

Emeritusprofessori Esko Valtaoja kertoo olleensa vuonna 1974 ensimmäisessä tiedekokouksessaan, jossa luennoitsija Stirling Colgate oli sanonut: “If we could catch the neutrinos, we could also see where the cosmic rays are coming from.”

Erittäin korkeaenergisen neutriinon lähteeksi paljastui blasaari, joita toki oli epäilty lähteiksi, havainnot vain puuttuivat. Ne puuttuivat, koska neutriinojen havaitseminen on äärimmäisen hankalaa. Lävitsemme kulkee sekunnissa 50 miljardia neutriinoa, emmekä me huomaa mitään, koska neutriinon vuorovaikutus aineen kanssa on hyvin epätodennäköistä. Niinpä niiden havaitsemiseen tarvitaan hyvin erityisiä mittalaitteita.

Erittäin korkeaenergisten neutriinojen havaitsemiseen tarvittiin IceCube, joka koostuu yli viidestätuhannesta Etelämantereen jäähän parin kilometrin syvyyteen poratusta mittalaitteesta. Ne havaitsevat muutaman nanosekunnin pituisia valonvälähdyksiä, jotka syntyvät, kun neutriino törmää jään atomiin. Neutriinon lähteen tunnistamiseen tarvittiinkin sitten tähtitieteilijöiden kaukoputkia ja satelliitteja. Kun MAGIC ja Fermi-satelliitti havaitsivat gammasäteilyä juuri neutriinon tulosuunnassa sijaitsevasta blasaarista, oli mahtavaa olla mukana siinä yli tuhannen tieteentekijän kansainvälisessä ryhmässä, jonka vuosikymmenten ponnistelut johtivat tähän läpimurtoon.

Mitä sitten seuraavaksi, kun uusia aisteja eikä ikkunoita ole enää luvassa, ei ainakaan lähitulevaisuudessa? Katsotaan tietenkin tarkemmin, kuunnellaan ja haistellaan herkemmin. Ja yritetään yhdistää nämä kaikki havainnot.

Se on niin haastavaa, että läpimurtoihin tarvitaan jatkossakin pitkäjänteisyyttä ja laajaa kansainvälistä yhteistyötä. Sitä, että menestyksen hetkellä juhlistamassa olet sinä ja tuhat lähintä yhteistyökumppaniasi.

Elina Lindfors
Kirjoittaja on tähtitieteen akatemiatutkija Suomen ESO-keskuksessa