suurenergia-astrofysiikka

Japani on ampumassa röntgenjättiläistä taivaalle

Pe, 02/12/2016 - 14:17 Jari Mäkinen
Astro-H


Japanin avaruushallinto JAXA on laukaisemassa avaruuteen uutta, suurikokoista röntgensäteilyn aallonpituusalueella tähtitaivasta tutkivaa avaruusteleskooppia. Astro-H oli tarkoitus lähettää matkaan tänään, mutta laukaisua lykättiin huonon sään vuoksi.


Lähes kaikki tähtitaivaan kohteet lähettävät näkyvän valon lisäksi muita sähkömagneettisen spektrin säteitä, ja itse asiassa monet kohteet ovat kirkkaampia muilla aallonpituusalueilla. Osaa säteistä, kuten infrapunasäteilyä, ultraviolettia, röntgenaaltoja ja gammasäteitä voi havaita kunnolla vain avaruudesta, sillä maapallon ilmakehä ei päästä näitä (onneksi) tänne Maan pinnalle saakka.

Kun ensimmäiset röntgensäteet avaruudesta havaittiin 1940-luvulla, oli kyseessä hieman samankaltainen elämys kuin painovoima-aaltojen löytyminen; uusi ikkuna avaruuteen avautui.

Nyt röntgentaivasta tutkitaan rutiininomaisesti avaruudessa olevilla teleskoopeilla, joskin aivan viime aikoina ei suurikokoisia röntgenalueen avaruusteleskooppeja ole lähetetty kiertoradalle. Edelleen suurimmat – ja yhä toiminnassa olevat – teleskoopit Chandra ja XMM-Newton laukaistiin avaruuteen vuonna 1999, ja tuorein havaintolaite, NuSTAR on puolestaan varsin pienikokoinen.

Parhaillaan japanilaisen H-2A -kantoraketin nokassa Tanegashiman avaruuskeskuksessa lähtöään odottava Astro-H on puolestaan keskikokoinen röntgensatelliitti, mutta sen odotetaan saavan parempia tuloksia kuin jo kohta 20 vuotta vanhat Chandra ja XMM-Newton.

Astro-H:n massa laukaisun aikaan on 2,7 tonnia ja siinä on kaikkiaan neljä röntgenalueella toimivaa teleskooppia: kaksi niistä havaitsevat "pehmeää" röntgensäteilyä energia-alueella 0,3-12 keV ja toiset kaksi on viritetty "kovaa" röntgensäteilyä varten, eli havaitsemaan energia-aluetta välillä 5-80 keV.

Pehmeän alueen teleskoopit ovat polttoväliltään 5,6 metriä ja kovan alueen 12 metriä. 

Röntgenteleskoopit ovat tyypiltään sellaisia, että korkeaenergisemmän säteilyn havaitseminen vaatii käytännössä pitemmän polttovälin. Tätä menetelmää hyödyntäen satelliitin kovan alueen teleskooppien polttoväliä voi vielä pidentää kuudella metrillä, jolloin päästään havaitsemaan jopa 600 keV:n aluetta.

Teleskoopit pystyvät niin ottamaan kuvia kuin myös viipaloimaan havaitsemaansa säteilyä pienempiin aallonpituusalueisiin, eli tekemään spektroskooppisia havaintoja.

Halkaisijaltaan suurin teleskooppi on 45 cm, eli se ei ole kovin suuri optisen alueen kaukoputkiin verrattuna, mutta röntgenteleskoopiksi se on kookas.

Astron-H ja sen osat: kovan röntgensäteilyn (HXT) ja pehmeän säteilyn (SXT-S, SXT-I) teleskooppiosat, kovan säteilyn (HXI) ja pehmeän säteilyn (SXI) kamerat, pehmeän säteilyn spektrometri (SXS) ja gammasädemittari (SGD).

 

Uusi laukaisuyritys piakkoin

Raketin laukaisu oli tarkoitus tehdä tänään perjantaina klo 10.45 Suomen aikaa, mutta 53 metriä korkean raketin laukaisua päätettiin siirtää tuonnemmaksi laukaisupaikalla olleen huonon sään vuoksi.

Japanin avaruushallinto JAXA ei ole ilmoittanut vielä milloin uusi yritys tapahtuu, mutta laukaisupaikka on varattu tätä varten alustavasti kuun loppuun saakka. Todennäköisimmin laukaisua koetetaan uudelleen ensi viikon alussa. 

Teleskooppi on tarkoitus laukaista 575 kilometrin korkeudessa olevalle kiertoradalle.

Sen odotetaan toimivan ainakin vuosikymmenen ajan havaiten maailmankaikkeuden kaikkein rajuimpia ilmiöitä mustista aukoista ja pyörivistä neutronitähtien ympärillä olevista kerääntymäkiekoista tähtien räjähdyksiin ja kaukaisten galaksien erilaisiin elämänvaiheisiin.

Mukana satelliitin tekemisessä ja sen tieteellisessä työssä on tutkijoita Japanin lisäksi Euroopasta, Kanadasta ja Yhdysvalloista.

Japani on röntgenkonkari

Japanilla on pitkät perinteet röntgensatelliittien lähettämisessä, sillä maan ensimmäinen röntgenteleskooppi Hakucho lähetettiin vuonna 1979. Sen jälkeen japanilaiset ovat tehneet ja laukaisseet koko joukon suurempia satelliitteja (Hinotori, Tenma, Ginga ja ASCA), joilla he ovat voineet jatkaa tauotta röntgenhavaintojen tekemistä parin vuosikymmenen ajan. 

Pitkään sarjaan tuli tauko vuonna 2000, kun maan viidennen röntgenteleskoopin, Astro-E:n, laukaisu epäonnistui. Perinteen mukaan satelliitit tunnetaan koodinimellä siihen saakka kun ne ovat avaruudessa, ja silloin niille annetaan "lopullinen" nimi. Samaan tapaan Astro-H tullaan ristimään uudelleen, kun se on onnellisesti kiertoradalla.

Tuorein japanilainen röntgensatelliitti on Astro-E:n seuraaja Astro-E II, eli Suzaku, joka lähetettiin avaruuteen kesällä 2005.

Lisäksi Japanilla on kansainvälisellä avaruusasemalla taivasta koko ajan kuvaava röntgenmonotori MAXI, jonka tekemisessä oli mukana myös suomalainen Oxford Instruments Analytical Oy. Suomalaiset toimittivat laitteeseen 12 röntgensäteilyä havaitsevaa ilmaisinta.

Onnea 15-vuotias XMM-Newton

Ke, 12/10/2014 - 17:53 Jari Mäkinen
XMM Newton

Tänään tulee kuluneeksi 15 vuotta siitä, kun XMM-Newton -röntgenteleskooppi laukaistiin avaruuteen. Tämä suuri röntgensäteiden aallonpituusalueella tähtitaivasta tutkiva avaruusteleskooppi on edelleen toiminnassa, ja muistuttaa osaltaan siitä, että aikanaan Suomikin oli merkittävä avaruuslaitteiden rakentaja.

Syy siihen, miksi tähtitieteilijät haluavat tutkia maailmankaikkeutta myös röntensäteiden aallonpituusalueella on se, että röntgensilmin maailma ympärillämme näyttää erilaiselta.Tähtien sijaan taivaalla loistaisivat aktiiviset galaksit, neutronitähdet, supernovajääneet ja muut eksoottiset kohteet.

Röntgenteleskoopit pitää viedä avaruuteen, koska (onneksi) ilmakehä suojaa meitä avaruudesta tulevalta säteilyltä. XMM on hyvin soikealla kiertoradalla (noin 10 00 x 110 000 km) Maan ympärillä, jotta se voisi olla pitkä aikaa kerrallaan kauempana maapallosta katsomassa kohteitaan.

XMM-Newtonin peiliNimi XMM tulee sanoista X-ray Multi-Mirror telescope, eli sen sydämenä on omalaatuinen hyvin suurienergisiä röntgensäteitä heijastava peili. Röntgenpeili on vähän kuin suppilo, joka koostuu peräkkäisistä hyperbolin ja paraabelin muotoisista osista, joiden ansiosta röngensäteet saadaan käännettyä polttopisteeseen. Näitä tötteröitä on useita sisäkkäin, jolloin saadaan aikaan kunnollinen kuva kohteesta lähestulkoon samaan tapaan kuin optisella peilillä. XMM:n tapauksessa 58:n sisäkkäisten, erittäin tarkasti oikean muotoisten peilien pinnoitus on tehty kullalla, joten teleskoopilla on aivan kirjaimellisesti kultainen sydän. Näitä on mukana kaikkiaan kolme – mistä nimi Multi-Mirror, eli monipeilinen – ja niiden yhteenlaskettu pinta-ala on 120 neliömetriä, eli enemmän kuin tenniskentän pinta-ala.

Havaintolaitteina on kolme CCD-kameraa ja kaksi spektrometriä, sekä lisäksi mukana XMM:ssa on 30 cm näkyvän valon kaukoputki, jonka avulla voidaan kuvata samanaikaisesti tarkkailtavaa kohdetta.

Lisänimen Newton se sai myöhemmin, koska teleskoopilla haluttiin kunnioittaa fysiikan suurmiestä Isaac Newtonia.

Tähän mennessä XMM-Newtonin avulla on tehty 3884 tieteellistä julkaisua ja se on tehnyt merkittäviä havaintoja niin aurinkokunnan kohteista kuin syvän taivaan ilmiöistä. Esimerkiksi vanhin koskaan havaittu supernova on löydetty XMM:lla ja sen avulla on voitu selvittää neutronitähden pintarakennetta.

Vaikka teleskooppia ei suunniteltu taivaan kartoittamiseen, keksivät XMM:n tiedetiimin jäsenet pitää teleskooppia käynnissä myös silloin, kun se siirtyy kohteesta toiseen. Näin se pyyhki ikään kuin ohimennen suuria osia taivaalta ja näistä tiedoista on koottu kattava taivaan röntgenkohteiden kartasto nimeltään 2XMM. Luettelossa on 247 000 röntgenlähdettä komeetoista aina kaukaisiin aktiivisiin galakseihin, joista on spektrejä ja kirkkauskäyriä.

Ja työ siis jatkuu edelleen: kymmeneksi vuodeksi toimimaan suunniteltu teleskooppi on edelleen täysissä voimissaan, ja sen annetaan toki jatkaa vielä työtään niin kauan kuin mahdollista.

Mustanpuhuva avaruusteleskooppi

XMM-Newton on periaatteessa pitkä töttörö, missä on patti molemmissa päissä ja isot aurinkopaneelit sivuillaan. Keskusputki on itse kaukoputhen putkiosa ja havaintolaitteet – joihin peilin kuva fokusoidaan – ovat "yläosassa" olevassa suuremmassa patissa. "Alaosan" patissa ovat puolestaan polttoainesäiliöt, tietoliikennelaitteet ja kaikki muut kotitalousvälineet, jotka pitävät teleskoopin oikealla radallaan ja toiminnassa. 

XMM on edelleen suurikokoisin ESAn tiedesatelliitti ja se täytti Ariane 5:n koko suuren kärkikartion. Pituutta teleskoopilla on kymmenen metriä korkea ja se on noin 4,5 metriä halkaisijaltaan. Sen massa oli laukaisun aikaan polttoaineineen noin neljä tonnia. Avaruuteen se laukaistiin siis 10. joulukuuta 1999; kyseessä oli Ariane 5:n neljäs lento.

Samoihin aikoihin XMM-Newtonin kanssa laukaistiin avaruuteen myös amerikkalainen Chandra, samankaltainen röngenteleskooppi. Myös Chandra on edelleen toiminnassa, ja itse asiassa se ennätti aikanaan toimintaan hieman ennen eurooppalaista kollegaansa. Teleskoopeilla on kuitenkin eroja: siinä missä Chandra on parempi kohteiden kuvaamisessa, on XMM parempi spektrihavainnoissa. Ne näyttävät mistä aineesta kohde on tehty, millaiset olosuhteet siellä on ja kuinka kohde liikkuu. Ne eivät ole aina yhtä kauniita, mutta usein paljon informatiivisempia.

Suomalaisilla oli varsin näyttävä osa teleskoopin tekemisessä, sillä suuren satelliitin koko suuri keskusputki on suomalaista tekoa. Sen valmisti silloinen Finavicomp, Patrian ammoinen tytäryritys, jonka toimipaikka oli Kuoreveden Hallissa. Kyseessä on edelleen suurin koskaan siviilisatelliittiin tehty hiilikuiturakenne.

Toinen olennainen suomalaisosa on elektroniikkayksikkö, koka pitää huolta teleskoopin peiliosaston lämpötilasta, eli sen vastuulla on satelliitin sydämen lämpötila. Sen valmisti Tampereella silloinen Finnyards, joka kuuluu nykyisin myös  Patriaan.