Darwin vie Internetiin valon nopeudella

Aurinkokunnan ulkopuolisten planeettojen etsintä vaatii uudenlaisia, entistä pienempiä yksityiskohtia havaitsevia teleskooppeja. Paras tapa saavuttaa suurempi kulmaerotuskyky on käyttää ns. interferometriaa, missä kaksi pientä (tai useampia) kaukoputkea sijoitetaan kauaksi erilleen toisistaan, mutta niiden ottamat kuvat yhdistetään jossain putkien välissä olevassa polttopisteessä.

Interferometrin peilien ja linssien suuntaaminen valon aallonpituuden murto-osan tarkkuudella oikein vaatii tarkkaa ja edistyksellistä tekniikkaa. ESA suunnittelee Darwin-nimistä satelliittisysteemiä eksoplaneettojen etsimiseen, ja tätä varten on käynnissä ESAn ja Euroopan eteläisen observatorion ESOn yhteinen GENIE (Ground-based European Nulling Interferometer Experiment) -ohjelma. Sen tarkoituksena on kehittää uudenlaisia teknisiä ratkaisuita interferometreihin.

Eräs GENIE-ohjelman keksinnöistä on ajatus mikropiirille mahtuvista optisista systeemeistä. Näillä 'integroiduilla optisilla laitteilla' voisi olla lisäksi maanpäällisiä sovelluksia mm. tietokoneverkoissa, joissa niitä voitaisiin käyttää nopeaan tiedonohjaukseen.

Tiedon liikkumista netissä voidaan verrata autolla ajamiseen: suoralla ja hyvällä tiellä päästään kovaa, mutta risteyksestä käännyttäessä joudutaan hidastamaan huomattavasti. Tämä sama tapahtuu tiedon valtateilläkin. Valokaapelissa tieto siirtyy suurella nopeudella, mutta kun tieto saavuttaa palvelintietokoneen, hidastuu meno olennaisesti, koska valo joudutaan muuntamaan elektronivirraksi, sähköksi.

Siinä missä elektronit siirtyvät virtapiireissä muutaman kilometrin sekuntinopeudella, kiitävät fotonit valokaapelissa lähes 300 000 kilometrin sekuntivauhdilla. Integroituja optisia piirejä käytettäessä tietoa ei tarvitsisi muuttaa sähkösignaaliksi, vaan se ohjattaisiin oikeaan osoitteeseen edelleen valona.

Termi 'integroitu optiikka' juontaa juurensa integroituihin elektronisiin piireihin, joita käytetään nykyään kaikkialla, kuten esimerkiksi tietotekniikassa. Integroidun optiikan tapauksessa elektroniikka korvataan yksinkertaisesti edistyksellisellä optiikalla.

Havaittaessa valonsäteitä perinteisesti, tarvitaan valon keräämiseen ja ohjaamiseen liikkuvia peilejä ja linssejä, joilla valo saadaan suunnattua haluttuun paikkaan. Toistaiseksi järjestelmä on onnistuttu kunnolla tekemään vain maan päällä muutamissa observatorioissa, joten kun systeemi laitetaan aikanaan jatkuvasti liikkeessä olevaan avaruuslaitteeseen, tulee valon kohdistamisesta tulee erittäin hankalaa. "Siksi olisi erittäin toivottavaa, että voisimme vaihtaa peileistä ja linsseistä koostuvat systeemit integroituun optiikkaan", sanoo Darwin- ja GENIE-projekteissa tutkijana toimiva Malcolm Fridlund. "Ne olisivat pienempiä, eikä niissä ole liikkuvia osia."

Valitettavasti integroituun optiikkaan siirtyminen ei ole helppoa. Integroitun optiikan kehitys on huomattavasti integroitua elektroniikkaa jäljessä, minkä vuoksi ESA rahoittaa näitä tutkimusprojekteja exoplaneettojen havaitsemista ajatellen. Avaruuteen lähetettäessä jokaisen säästetyn kilogramman hinta on suuri, minkä lisäksi liikkuvien osien vähenemisellä laitteiston toimintavarmuus paranee - ESAlla on siten suuri kiinnostus tukea integroidun optiikan kehittämistä. Satelliitteja rakentava Astrium -yhtiö tutkii samalla uudenlaisia, mutta perinteisiä optisia menetelmiä, ja toinen avaruusyhtiö Alcatel kehittää integroituun optiikkaan pohjautuvia ratkaisuita. "Teemme noin vuoden kuluttua päätöksen siitä, käyttääkö GENIE integroitua optiikkaa vai ei", sanoo Fridlund.

Tulevaisuudessa Darwin-lennolla saatetaan käyttää integroitua optiikkaa, joka tosin toimii suuremalla aallonpituudella kuin GENIE. Aallonpituuden kasvattaminen näkyvästä valosta infrapunaisen valon puolelle vie integroidun optiikan aivan uudelle alueelle, sillä vaikka interferometrian kannalta sinällään suurempi aallonpituus on toimintaa helpottava asia, ei integroitua optiikkaa olla vielä käytetty näillä taajuuksilla. Friedlund on kuitenkin käynyt läpi tekniikkaa kehittävien teknologiayritysten ehdotuksia: "Minulle on tullut asiasta erittäin optimistinen kuva", sanoo Fridlund, "mutta en osaa vielä sanoa onko keski-infrapuna-aallonpituudella toimivalle integroidulle optiikalle on yhtään kaupallista sovellusta. Sellaisia kuitenkin ilmaantuu usein sitä mukaa kun kehitämme tekniikaa eteenpäin. "

Integroidun optiikan mukanaan tuoma hyöty ulottuu paljon laajemmalle kuin pelkästään planeettojen etsintään käytettyyn tekniikkaan. Sen myötä esimerkiksi Internetin tiedonsiirron nopeus voisi kasvaa jopa 1000-kertaiseksi nykyiseen verrattuna. Tämä muuttaisi webissä surffaamisen totaalisesti.

Taustaa

Darwin on ESAn kunnianhimoinen suunnitelma maankaltaisten planeettojen havaitsemiseen. Systeemiin kuuluu yhden avaruusaluksen sijaan kuuden avaruusteleskoopin rypäs, joiden valonsäteet ohjataan yhteen seitsemännessä sateliitissa. Vaikka kunkin teleskoopin peili on kooltaan vain noin 1,5 metriä, on Darwinin kulmaerotuskyky yhtä hyvä kuin olisi teleskoopilla, jonka peilin halkaisija olisi kaukaisimpien yksittäisten systeemiin kuuluvien teleskooppien etäisyys. Näin ollen systeemillä kyetään näkemään pienempiä yksityiskohtia kuin yksittäisellä suurellakin kaukoputkella. Darwinin teho on jopa niin suuri, että se pystyy havaitsemaan muita tähtiä kiertäviä maankaltaisia planeettoja. Koska tähdet loistavat hyvin voimakkaasti näkyvän valon aallonpituudella, tulee Darwin toimimaan keski-infrapunaisen valon aallonpituudella, jolloin tähti loistaa "vain" miljoona kertaa voimakkaammin kuin sitä kiertävä planeetta. Darwin-teleskooppisysteemi tullaan laukaisemaan avaruuteen ensi vuosikymmenen puolivälissä, olettavasti vuonna 2014.

GENIE (Ground-based European Nulling Interferometer Experiment) on ESAn ja Euroopan eteläisen observatorion koelaitteisto, jolla pyritään tekemään teleskooppien kuvan täysin yhdistävää interferometriaa ESOn Chilessä sijaitsevalla neljästä jättiteleskoopista koostuvalla VLT-systeemillä. Kun GENIE saadaan toimimaan, toimii se koealustana ja koulutusvälineenä Darwin-projektia varten. Eräs GENIE:n tärkeimmistä tehtävistä on kerätä kohdeluetteloa Darwinia varten. Systeemi on käytössä näillä näkymin vuonna 2006.

Lisätietoja:

ESA Communication Department
Media Relations Office
Tel: +33(0)15369 7155
Fax: +33(0)1 5369 7690

Malcolm Fridlund
ESA Darwin & GENIE Project Scientist
Tel:+31 (0)71 565 4768
Email: malcolm.fridlund@esa.int

Anders Karlsson
ESA Darwin Project Manager
Tel:+31 (0)71 565 3532
Email: anders.karlsson@esa.int