James Webb tulee mullistamaan tähtitieteen

taiteilijan Näkemys James Webb*** ***-avaruusteleskoopista.

Manrique Nasa Gsfc/cil/adriana Gutierrez

James Webb -avaruusteleskooppi on jo näyttänyt muun muassa

aiemmin näkymättömiä tähtien syntymäalueita.

MITÄ OVAT PLANEETAT? Mitä ovat tähdet ja miten ne kehittyvät? Mitä ovat galaksit ja miten ne syntyvät? Millainen on James Webb -avaruuskaukoputki? Mitä sen ensimmäiset kuvat kertovat meille? Muun muassa näihin kysymyksiin vastasi astrofysiikan professori Peter Johansson Skepsiksen yleisöluennolla huhtikuussa Helsingin keskustakirjasto Oodissa.

MAATA MUISTUTTAVA PLANEETTA LÖYDETÄÄN TODENNÄKÖISESTI PIAN

PLANEETTA ON KAPPALE, joka on riittävän massiivinen ollakseen pyöreä. Se ei tuota fuusioenergiaa. Se kiertää keskustähteä radallaan, jonka painovoimakenttää dominoi. Syy, minkä takia Pluto menetti planeettastatuksensa vuonna 2006, on se, ettei se dominoi omaa kiertorataansa, vaan siellä on muita Pluton kokoisia kappaleita samalla etäisyydellä.

Aurinkokunnan ensimmäisellä neljällä planeetalla (Merkurius, Venus, Maa, Mars) on korkeat tiheydet eli kivimetallikoostumus, kun taas ulkoplaneetat (Jupiter,

Saturnus, Uranus, Neptunus) ovat kaasumaisia matalan tiheyden kappaleita.

Planeetat syntyvät tähtiä kiertävissä kiekoissa, kun pienistä pölyhiukkasista kasvaa ensin kivenmurikoita ja myöhemmin planeetta-alkioita törmäysten kautta. Jos planeetta-alkio on lähellä aurinkoa, syntyy kiviplaneettoja, jos kauempana ulkoaurinkokunnassa, syntyy kaasujättiläisiä. Kaasuplaneetan syntyvät ns. lumirajan takana, jossa lämpötila on tarpeeksi matala.

Eksoplaneetat ovat planeettoja, jotka sijaitsevat muiden tähtien, ei oman aurinkokunnan ympärillä. Ensimmäinen eksoplaneetta Auringon kaltaisen tähden ympäriltä löydettiin 1995. Ensimmäiset löydetyt eksoplaneetat olivat massiivisia kaasujättiläisiä, kuu- mia Jupitereita, jotka kiertävät hyvin lähellä emotähteään. Sellaisia ei ole omassa aurinkokunnassamme. Myöhemmin on löydetty myös pienempiä eksoplaneettoja, joista suurin osa on Neptunuksen kaltaisia jääjättiläisiä, ja havaintojen perusteella vaikuttaa, että ne ovat yleisimpiä planeettoja Linnunradassa. Toki on olemassa myös merkkejä pienemmistä kivirautaplaneetoista.

Elämme nyt historiallisia hetkiä. On hyvin mahdollista, että James Webb -teleskooppi löytää 5-10 vuoden sisällä sellaisen planeetan, joka on olosuhteiltaan aidosti Maan kaltainen: sillä on samantyyppinen rata kuin Maalla, samanlainen etäisyys emotähdestään ja mahdollisesti jopa jonkinlainen ilmakehä.

Vaikka löytäisimme eksoplaneetan, jolla olisi elämää tai edes hyvät olosuhteet elämälle, ihmisen meneminen sinne on etäisyyksien takia silkkaa science fictionia. Jos kuvitellaan, että Maasta Aurinkoon on yksi metri, niin Jupiteriin on tällöin matkaa viisi metriä ja Neptunukseen kolmekymmentä. Lähin tähti on kaukana 268 kilometrin päässä. 1970-luvulla matkaan lähteneet Pioneer- ja Voyager-luotaimet ovat nyt noin reilun 150 metrin päässä Maasta.

Nasa, Esa, Csa, Ers Schmidt Jupiter Judy Team,

jupiter. Kuvassa On Lisäksi Revontulia, Jupiterin Renkaita Sekä Amalthea- Ja Adrastea-kuut. Valkoinen Pyörre*** ***on Pyörremyrsky, Joka On Kooltaan Suurempi Kuin Maapallo.

Nasa, Esa, Csa, Stsci

nuoren, Tähtiä Muodostavan Alueen Ngc 3324 Reuna Carina-sumussa. Jwst:n Infrapunavalossa Otettu Kuva*** ***näyttää Ensimmäistä Kertaa Aiemmin Näkymättömiä Tähtien Syntymäalueita.

MEITÄ EI OLISI ILMAN PIMEÄÄ AINETTA

TÄHTI ON MASSIIVINEN PLASMAPALLO, joka on hydrostaattisessa tasapainossa. Tämä tarkoittaa, että tähden keskusta tuottaa fuusioenergiaa, joka kuumentaa plasmaa ja aiheuttaa ulospäin suuntautuvan paineen. Painovoima taas painaa tähteä kasaan. Kun ulospäin suuntautuva terminen kaasunpaine ja painovoima ovat tasapainossa, myös tähti on tasapainossa.

Tähden elinikä ja valovoima riippuvat voimakkaasti tähden massasta. Mitä suurempi massa, sitä kirkkaampi tähti, mutta sitä lyhyempi sen elinikä on. Suurimassaiset tähdet elävät vain muutamia miljoonia vuosia, keskimassaiset kuten Aurinko kymmenen miljardia vuotta ja punaiset kääpiöt jopa satoja miljardeja vuosia.

Alkuräjähdyksessä syntyi 75 % vetyä, 25 % heliumia ja hyvin pieniä määriä litiumia, mutta ei lainkaan raskaita alkuaineita kuten happea, typpeä, hiiltä jne. Ensimmäiset tähdet syntyivät tästä vety-helium-kaasusta, joten tarvittiin erittäin suuri massa ennen kuin painovoima pystyi voittamaan termisen paineen ja tähti syntyä. Ensimmäiset tähdet olivat todennäköisesti hyvin massiivisia, satoja Aurinkoja massoiltaan. Ne elivät lyhyen, mutta väkivaltaisen elämän: räjähtivät nopeasti supernovina.

James Webb -avaruuskaukoputki pyrkii nyt ensimmäistä kertaa näkemään, ei ihan ensimmäisiä tähtisukupolvia, mutta heti seuraavia. Se pääsee 200-300 miljoonan valovuoden päähän alkuräjähdyksestä.

Galaksi on suuri tähdistä, kaasusta ja pölystä muodostunut järjestelmä, joka sijaitsee pimeän aineen halos- sa. Galaksin keskeltä löytyy yleensä keskuspullistuma, joka koostuu vanhoista punertavista tähdistä. Galaksin kiekko on laaja litteä rakennelma, jossa on runsaasti kaasua ja nuoria tähtiä. Kaikki tähdet syntyvät tässä kiekossa.

Galaksin halossa, ulko-osassa, on hyvin vanhoja tähtiä sekä pallomaisia tähtijoukkoja. Galaksin ytimessä on yleensä supermassiivinen musta aukko. Tärkein komponentti on pimeä aine. Koko galaksi sijaitsee suuren pimeän aineen halon sisällä, jonka massa on tyypillisesti noin 20-40 kertaa suurempi kuin galaksin yhteenlaskettu näkyvä tähti- ja kaasumassa. Ilman pimeän aineen haloa ei ole galakseja ollenkaan.

Ilman pimeää ainetta nykytiede ei pysty selittämään, minkä takia on galakseja, tähtiä, planeettoja tai ihmiskuntaa. Olemme kaiken velkaa pimeälle aineelle. Harmi vaan, että emme tiedä, mitä pimeä aine on.

Nasa, Esa, Csa, M. Zamani

chameleon I -molekyylipilvi, Joka Sijaitsee Noin 500 Valovuoden Päässä Maasta. Pimeässä, Kylmässä Pilvessä*** on Jäätyneitä Molekyylejä, Kuten Karbonyylirikkiä, Ammoniakkia, Metaania Ja Metanolia. Niistä Tulee Jona- ***kin Päivänä Osa Kasvavan Tähden Kuumaa Ydintä.

ENNENNÄKEMÄTTÖMIÄ KUVIA

JOULUPÄIVÄNÄ 2021 avaruuteen laukaistu James Webb -avaruuskaukoputki (JWST) on mullistamassa tähtitieteen täysin. Oppikirjat tulevat menemään uusiksi.

James Webbin pääpeili on halkaisijaltaan 6,5 metriä eli se on pinta-alaltaan noin kuusi kertaa suurempi kuin 1989 kiertoradalleen laukaistulla Hubblella. JWST koostuu 18 pienemmästä kuusikulmaisesta ja kullalla päällystetystä berylliumpeilistä, joita ohjataan pienillä moottoreilla pääpeilin kaarevuuden säätämiseksi. Teleskooppia suojaa Auringon, Maan ja Kuun lämpösäteilyltä tenniskentän kokoinen viisinkertainen aurinkosuoja. Suoja on tärkeä, koska laite toimii enimmäkseen infrapuna-alueella, joka on lämpösäteilyä.

Teleskooppi kiertää aurinkoa ns. Lagrangen L2pisteessä 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta, eikä sitä näin ollen voida huoltaa, kuten Maan kiertoradalla muutaman sadan kilometrin korkeudella sijaitsevaa Hubblea. Kaukoputken arvioitu toiminta-aika on vähintään kymmenen vuotta. Käyttöiän yläraja määräytyy rakettipolttoaineen, jäähdytysnesteen ja laitteiden vikaantumisen mukaan.

JWST:n havaintoinstrumentteihin kuuluu mm. pääkamera NIRCAM, joka on herkkä aallonpituuksille 0,6-5 mikrometriä, spektografi NIRSPEC, joka havaitsee ”valon sormenjälkiä” ja MIRI, joka on yhdistetty kamera ja spektografi aallonpituuksille 5-28 mikrometriä. Avaruusteleskoopin infrapunahavaintojen tutkimuskohteina ovat etenkin maailmankaikkeuden ensimmäiset tähdet, galaksit, mustat aukot sekä eksoplaneetat ja niiden ilmakehät.

Maailmankaikkeus oli esimerkiksi punasiirtymällä z=9 kymmenen kertaa pienempi kuin nyt. Valo, joka silloin lähti liikkeelle sinisenä valona, on venynyt maailmankaikkeuden laajetessa niin, ettei sitä enää voi havaita kuin infrapunana. Tämän takia James Webb toimii infrapuna-alueella. Myös tähtiä tutkittaessa infrapunasäteilyn käyttö on järkevää, koska se läpäisee pölyä eri tavalla kuin näkyvä optinen säteily.

Ensimmäiset kaukoputkella otetut kuvat saatiin kesällä 2022. JWST on kuvannut monipuolisesti ja ennennäkemättömän tarkasti planeettoja, tähtiä, tähtisumuja ja galakseja. Se on kuvannut myös eksoplaneetan, jonka ilmakehästä on löydetty vettä, hiilidioksidia, hiilimonoksidia, kaliumia, rikkidioksidia sekä natriumia.

astrofysiikan Professori Peter Johansson Työskentelee helsingin Yliopiston Fysiikan Laitoksella.