Kosmologian tutkimus Planck-satelliitilla Helsingin yliopistossa

Planck-satelliitti on tämän vuosikymmenen tärkein kosmologian havaintoprojekti. Projektiin osallistuu suomalaisten kosmologien tutkimusryhmä Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella ja Fysiikan tutkimuslaitoksessa.

Planckin ensimmäiset kosmologiatulokset 21.3.2013

Planckin uudet kosmologiatulokset 5.2.2015

Tutkimusryhmä

Tutkimusryhmän johtaja: dos. Hannu Kurki-Suonio, yliopistonlehtori

Tutkimusryhmän muut jäsenet:
Elina Keihänen, akatemiatutkija
Jussi Väliviita, tutkija
Matti Savelainen, tutkija
Anna-Stiina Suur-Uski, jatko-opiskelija
Kimmo Kiiveri, tutkimusavustaja
Valtteri Lindholm, tutkimusavustaja
Elina Palmgren, tutkimusavustaja
Ville Kosonen, tutkimusavustaja

Tutkimusryhmän jäseniin saa yhteyden sähköpostitse: etunimi.sukunimi@helsinki.fi

Planck-projekti

Katsoessamme kauas avaruuteen katsomme samalla kauas menneisyyteen. Tämä johtuu valon matkaansa käyttämästä ajasta. Kaikista kauimpana, kaikkien galaksien takana, näemme maailmankaikkeuden kaukaiset osat sellaisina kuin ne olivat alkuräjähdyksen loppuvaiheessa, kun universumin ikä oli vain n. 400 000 vuotta. Maailmankaikkeuden täytti silloin kuuma, lähes tasaisesti jakautunut plasma. Näemme sen lämpösäteilyn tänä päivänä mikroaaltosäteilynä, jota kutsutaan kosmiseksi taustasäteilyksi. Pienet kirkkauden vaihtelut tässä mikroaaltosäteilyssä näyttävät meille alkuavaruuden muodostumassa olevan rakenteen, myöhempien galaksien siemenet.

Kuva 1: Planck-satelliitin 70 GHz kanavan ensimmäisen kahden viikon havainnot: värikäs kaistale, jossa punainen esittää keskimääräistä kirkkampaa (lämpimämpää) säteilyä ja sininen keskimääräistä heikompaa (viileämpää) säteilyä. Linnunradan tasossa 70GHz:n mikroaaltosäteilyä dominoi oman galaksimme säteily, joka näkyy punaisena, muualla näemme kosmisen taustasäteilyn, eli varhaisen maailmankaikkeuden. Tämä osa kuvasta on suomalaisen tutkimusryhmämme tuottama. Taustana näkyvän valon taivas. (Kuva: ESA, LFI- ja HFI-konsortiot. Tausta: Axel Mellinger)

Nämä pienet kirkkaudenvaihtelut pystyy tarkimmin havaitsemaan avaruudesta, jossa ei ole ilmakehän häiritsevää vaikutusta. Koska näin havaittava alkuavaruuden rakenne sisältää hyvin paljon tietoa maailmankaikkeuden ominaisuuksista, on sitä havaitsemaan lähetetty kolme satelliitia, kukin edellistä tarkempiin havaintoihin kykenevä: NASAn COBE (laukaisu vuonna 1989) ja WMAP (2001) ja viimeisenä Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Planck. Planck laukaistiin avaruuteen toukokuussa 2009 ja aloitti mittaukset elokuussa 2009. Planckin on tarkoitus jatkaa mittauksia elokuuhun 2013 asti, jolloin havaintoja on kaikkiaan 4 vuoden ajalta.

Kuva 2: Planck-satelliitti. Mikroaaltosäteily johdetaan pääpeilin ja apupeilin kautta kuvassa keskellä sijaitseviin mikroaaltoantenneihin. Kullanvärinen laatikko on LFI-instrumentti, joka ympäröi HFI-instrumenttia. Instrumenttien kullanväriset antennit sojottavat siitä alaspäin. (Kuva: ESA/AOES Medialab)

Koska taivaalla on muitakin mikroaaltolähteitä kuin kosminen taustasäteily, mikroaaltosäteilyä täytyy havaita monella eri aallonpituudella, jotta eri etualan kohteet, kuten oman galaksimme tähtienvälinen pöly, ja muut galaksit, voidaan erottaa alkuräjähdyksen kosmisesta taustasäteilystä. Planckissa on kaksi havaintolaitetta, pidempiä aallonpituuksia havaitseva matalataajuusinstrumentti (Low Frequncy Instrument, LFI), joka mittaa mikroaaltosäteilyä 30 GHz, 44 GHz ja 70 GHz kaistoilla, ja lyhempiä aallonpituuksia havaitseja korkeataajuusinstrumentti (High Frequency Instrument, HFI) joka havaitsee kuudella kaistalla 100 GHz:sta 900:aan GHz:iin. Kullekin taajuudelle instrumenteissa on useita antenneja, LFI:ssä ns. radiometrejä (22 kpl) ja HFI:ssä ns. bolometrejä (52 kpl). Planckin 70 GHz:n mittalaitteet on valmistettu Suomessa (MilliLab ja Ylinen Electronics).

Kuva 3: Heinäkuussa 2010 Planck oli saanut kartoitettua koko taivaan ensimmäiseen kertaan. Tässä kuvassa Planckin eri kanavien havainnot on yhdistetty siten, että etualan kohteet korostuvat. Valkoisena ja sinisenä on merkitty tähtienvälisen pölyn säteily. Linnunradan taso kulkee keskellä poikittain. Kuvassa ylhäällä ja alhaalla erottuu punaisena ja keltaisena linnunradan takaa näkyvä kosminen taustasäteily, alkuavaruuden kuuma plasma. (Kuva: ESA, HFI- ja LFI-konsortiot)

Vastuualueemme projektissa

Havaittu signaali, kosmisen taustasäteilyn pienet kirkkaudenvaihtelut, on hyvin heikko, joten sen tarkka mittaaminen edellyttää äärimmäisen herkkien instrumenttien lisäksi pitkää ja monivaiheista havaintojen analyysiä. Analyysiketjun ensimmäisissä vaiheissa on otettava huomioon LFI- ja HFI-instrumenttien erilaiset ominaisuudet ja ne tehdään siksi erikseen kummankin instrumentin datalle.

Osallistumme LFI-datan kalibraatioon (miten mittalaitteesta ulos tulevat jännitteenvaihtelut vastaavat mitatun säteilyn lämpötilavaihteluita, eli miten voltit muunnetaan mikrokelvineiksi), joka perustuu satelliitin tunnetun liikkeen vaikutukseen havaitun signaalin voimakkuuteen. Meillä on päävastuu LFI-instrumentin kolmen taajuuskaistan taivaankarttojen laatimisessa. Olennainen osa tästä työstä on mittalaitteen kohinan vaikutuksen poistaminen kartoista niin hyvin kuin mahdollista ja karttoihin jäljelle jääneen kohinan rakenteen arvioiminen. Jäljelle jääneen kohinan tilastollisia ominaisuuksia esitetään ns. kohinakovarianssimatriiseilla, joiden laskeminen on meidän vastuullamme. Näin saatuihin taivaankarttoihin vaikuttaa antennien havaintokeilojen muoto. Havaintokeilojen ja jäljellejääneen kohinan vaikutusta analyysin seuraaviin vaiheisiin mallinnetaan tuottamalla suuri määrä simuloitua dataa, jolla on samat tilastolliset ominaisuudet, kuin todellisellakin datalla, ja toistamalla analyysi sille. Tätä simuloitua dataa tuotettiin 1000 realisaatiota, joten simuloidun datan tuottaminen ja analyysi vaatii hyvin suuret laskentaresurssit. Tämä työ jaettiin kahden supertietokonekeskuksen, Kaliforniassa sijaitsevan NERSCin ja Suomen CSC:n kanssa. Ryhmämme vastasi CSC:ssä tehdyistä LFI-datan simulaatioista ja osasta niiden analyysiä.

Kun kultakin Planckin 9:ltä taajuuskaistalta tehdyt kartat ja niiden kovarianssimatriisit ovat valmiit, karttojen informaatio yhdistetään ja niitä vertailemalla erotellaan niistä kosminen taustasäteily ja eri etualan komponentit. Kosmisen taustasäteilyn kartan ominaisuuksiin sovitetaan erilaisia kosmologisia malleja. Näin saadaan selville mitkä kosmologiset mallit vastaavat havaintoja parhaiten ja mitkä ovat mallien parametrien havaintoja vastaavat arvot. Tässä työssä meidän ryhmämme vastuulla ovat ns. isokurvatuurimallit, joissa alkuperäisissä tiheysvaihteluissa eri aine- ja energiakomponentit vaihtelivat eri lailla, ja näin niiden kuvaamiseen tarvitaan enemmän kuin kaksi lukua. Tällaisia tiheysvaihteluita syntyy, jos inflaation aikana usempi kuin yksi värähtelevä kenttä on merkittävä. Eräs tällainen, paljon kiinnostusta herättänyt, teoria on ns. kurvatoniteoria, jonka kehittämisessä suomalaisilla teoreetikoilla on ollut merkittävä osuus.

Linkkejä

Euroopan avaruusjärjestön Planck-sivu
Kutsu medialle ESAn Planck-tiedotustilaisuuteen Pariisiin 21.3.2013
Fysiikan tutkimuslaitoksen Planck-sivu
Metsähovin ja Tuorlan observatorioiden Planck-sivut
MilliLab