Planck-teleskooppi valmistuu

Planck tulee mittaamaan avaruudessa maailmankaikkeuden taustasäteilyä, joka on ikään kuin avaruudessa oleva kaiku 14 miljardia vuotta sitten tapahtuneesta maailmankaikkeuden syntymästä, suuresta pamauksesta. Taustasäteilyä tutkimalla voidaan saada paljon tietoa maailmankaikkeuden ensimmäisten hetkien tapahtumista ja siitä, miksi kaikkeus on nyt sellainen kuin se on.

Vuosimiljardien kuluessa säteily on menettänyt energiaansa ja siksi alunperin hyvin suuritaajuuksinen säteily on nyt mikroaaltojen alueella sähkömagneettisessa spektrissä, aivan infrapunasäteilyn vieressä. Tämä mikroaaltotaustasäteily on hyvin samanlaista joka puolella avaruutta, mutta ei aivan samanlaista: sen pienten eroavaisuuksien kartoittamiseen tarvitaan erittäin tarkkoja mittalaitteita, jotka on jäähdytetty erittäin matalaan lämpötilaan.

Suomalaiset vastaanottimet

Havaintoja varten Planckissa on kaksi radiovastaanotinta, LFI ja HFI, joista matalilla aallonpituuksilla toimiva LFI (Low Frequency Instrument) havaitsee aallonpituudeltaan välillä 11,1–3,9 mm olevaa säteilyä, jonka taajuus on alueella 27–77 GHz. Korkeataajuusvastaanotin HFI (High Frequency Instrument) on nimensä mukaisesti räätälöity korkeampia taajuuksia varten, taajuusalueelle 84 GHz – 1 THz, mikä vastaa aallonpituuksina aluetta 3,6 – 0,3 mm.

Molemmat vastaanottimet käyttävät yhteistä lautasantennia, joka kerää avaruudesta tulevan säteilyn yhteen ja suuntaa sen kohti vastaanottimien syöttöputkia. Tanskalaistekoinen antenni on halkaisijaltaan hieman alle 1,5 metriä.

Kahdesta vastaanottimesta toinen, LFI, on valmistettu suurelta osin Suomessa. Radiolaitteen vaativimpien osien kehitystyötä johti VTT:n MilliLab ja niiden rakentamisesta ja testaamisesta vastasi suomalainen mikroaaltotekniikkaan erikoistunut yritys Elektrobit Microwave. Yhtiö on tehnyt aikaisemmin mm. Saturnuksen Titan-kuuhun laskeutuneen Huygens-luotaimen menestyksekkäät laskeutumistutkat.

Vastaanottimien valmistaminen edellytti useita uusia teknisiä ratkaisuja. ”Periaatteessa Planckin vastaanotin toimii kuin kideradio”, toteaa MilliLabissa (VTT:n ja TKK:n yhteisessä mikroaaltolaboratoriossa), VTT:llä työskentelevä professori Jussi Tuovinen, joka vastaa Suomen Planck-hankkeen laiterakentamisesta. ”Kosmisen taustasäteilyn taajuus on kuitenkin miljoona kertaa suurempi kuin tavallisen radiolähetyksen. Niinpä lanka-antennin sijasta käytetään lautasantennia eli radiokaukoputkea ja kiteen sijasta diodeja ja vahvistimia, joilla signaali vahvistetaan 500 000-kertaiseksi. Vastaanottimen arvokkaimmat osat ovat vahvistimen puolijohdesirut, jotka maksavat 0,5 miljardia euroa kilo. Onneksi 1,4 neliömillin kokoisia mikrosiruja ei tarvita kilokaupalla.”

Hankkeessa kehitettyä teknologiaa voidaan käyttää myös jo nyt mm. turvatarkastuksiin, kulkuneuvojen havaitsemiseen sumun läpi ja tietoliikennesovelluksiin. Tämän lisäksi tekniikka sopii esimerkiksi tarkkoihin pilvitutkiin ja ainutlaatuisten tähtitieteellisten havaintojen löytämiseen.

”Kosmista taustasäteilyä ’kuuntelemalla’ selviävät mm. universumin ikä, rakenne sekä ns. pimeän aineen määrä, ehkä laatukin. Myös hiljattain löytyneen pimeän energian luonteesta saadaan vinkkejä”, sanoo Metsähovin radiotutkimusaseman akatemiatutkija Anne Lähteenmäki, joka koordinoi suomalaisten tutkijoiden osallistumista Planck-hankkeen tieteellisiin haasteisiin.

Suomen Planck-hankkeeseen osallistuvat VTT, MilliLabin lisäksi Helsingin ja Turun yliopistot, TKK:n Metsähovin Radiotutkimusasema, Fysiikan tutkimuslaitos sekä Elektrobit Microwave. Hanketta rahoittavat Tekes, Suomen Akatemia, ESA sekä siihen osallistuvat tutkimustahot. Hankkeen kustannukset ovat noin kahdeksan miljoonaa euroa.

Kylmätestausta ja tärinää

Radiovastaanottimia asennetaan parhaillaan luotaimen instrumenttiosaan Italiassa, kun samalla itse Planck-satelliitin runkoa ja antennia testataan Euroopan avaruustekniikkakeskuksessa ESTECissä. Elokuun alussa Planck oli kahden viikon ajan ESTECin suuressa avaruussimulaattorissa, missä se altistettiin avaruuden vaativille olosuhteille: ilmattomassa tankissa lämpötila laskettiin -178 asteeseen, ja Planckin rakennuksesta vastaavien iloksi kaikki sujui erinomaisesti.

"Tämän testin tarkoituksena oli juuri testata lautasantennin ja satelliitin rakenteen käyttäytymistä hyvin kylmässä ja tyhjössä", kertoo ESAn tutkija Philippe Kletzkine. "Antennipeili ja sen osat on tehty huoneenlämmössä, mutta avaruudessa ne joutuvat erittäin matalaan lämpötilaan. Rakennusmateriaalit on valittu huolella ja niiden pitäisi kestää se, että kylmyys saa kaikki osat hieman supistumaan, mutta silti osat saattavat käyttäytyä yhdessä siten, että lautasantenni ei olekaan enää tarkalleen oikean muotoinen. Meidän pitää tietää, että se on tarkalleen halutun muotoinen, ja että kaikki apupeilitkin ovat oikean muotoisia, jotta säteily kulkee tarkalleen vastaanottimiin."

Lautasantennin muodon tarkkuutta mitattiin videogrammetrialla, eli tuhansilla eri kulmista otetuilla kuvilla, joiden perusteella kokonaisuudesta voidaan koota tarkka kolmiulotteinen kuva. Kuvaus toistettiin useita kertoja, eri lämpötiloissa. "Alustavien tulostemme mukaan kaikki sujui hyvin", iloitsi Kletzkine.

Myös muut toimet Planckin kanssa jatkuvat ESTECissä. Kaikki satelliittiin tulevat osat toimitetaan sinne tulevina kuukausina ja testataan erikseen ja yhdessä. Lopulta koko satelliitti altistetaan joukolle vaativia testejä, joissa sen toiminta avaruuden olosuhteissa ja kantoraketin tärinässä laukaisun aikaan valmistetaan. Plancia pyöritetään, vatkataan, sitä pommitetaan radioaalloilla ja erittäin voimakkaalla metelillä, se laitetaan uudelleen avaruussimulaattoriin ja sen toiminta käydään läpi eri vaiheissa piinallisen tarkasti.

Laukaisun jälkeen satelliittia ei enää voi korjata, joten mahdolliset viat on löydettävä ennen kyytiä avaruuteen - ja mieluiten jo ennen kuljetusta laukaisupaikalle Kouroun avaruuskeskukseen, koska siellä korjaamiseen ei enää ole paljon aikaa, ja siellä korjausten tekeminen tulee kalliimmaksi.

Jos kaikki sujuu suunnitelman mukaisesti, Planck on virallisesti valmis laukaistavaksi vuoden 2007 lopussa ja matkaan se pääsee Ariane 5 -kantoraketilla yhdessä Herschel-teleskoopin kanssa vuonna 2008. Myös infrapuna-alueella taivasta tutkivassa avaruusteleskooppi Herschelissä on paljon suomalaista osaamista, mm. sen suuri pääpeili on suomalainen, joten kyseinen Arianen lento on suomalaisittainkin erittäin kiinnostava!

Lisätietoja

Professori Jussi Tuovinen, MilliLab
puh. 040 589 9132
Sähköposti: Jussi.Tuovinen@vtt.fi

Marko Koski, Elektrobit Microwave
puh. 040 344 3700
Sähköposti: marko.koski@elektrobit.com

Philippe Kletzkine, ESA
puh. +31 71 565 3761
Sähköposti: Philippe.Kletzkine@esa.int