Planck-luotain: ESA:n CMB-observatorio ja avainmittaukset kosmologiassa

Tutustu Planck-luotaimen (ESA) tarkimpiin CMB-mittauksiin: avainluvut pimeä aine, tavallinen aine, maailmankaikkeuden ikä ja kosmologian testit.

Planck oli Euroopan avaruusjärjestön (ESA) ylläpitämä avaruusobservatorio vuosina 2009–2013. Se lähetettiin avaruuteen Ariane‑5‑kantoraketilla ja sijoitettiin Maasta katsottuna Lagrangen L2‑pisteen läheiselle radalle, mistä se pystyi tekemään vakaat ja laajalle taivaalle ulottuvat mittaukset ilman Maan peittävää säteilypalkkia.

Tehtävän rakenne ja instrumentit

Planck kartoitti kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) anisotropiat mikroaalto‑ ja infrapunataajuuksilla hyvin suurella herkkyydellä ja pienellä kulmaerottelukyvyllä. Satelliilissa oli kaksi pääinstrumenttiä:

• Low Frequency Instrument (LFI): radiovastaanottimet, jotka toimivat noin 30–70 GHz alueella.
• High Frequency Instrument (HFI): lämpöilmaisimet (bolometrit), jotka peittivät noin 100–857 GHz alueen ja mahdollistivat parhaan kulmaerottelukyvyn korkeilla taajuuksilla.

Yhdessä nämä kanavat antoivat kattavan taajuuspeiton, joka mahdollisti CMB‑signaalin erotuksen galaktisesta ja ekstragalaktisesta etualasta (foregroun‑komponentit) sekä tarkan lämpötila‑ ja polarisaatiokartan tuottamisen.

Toiminta‑aika ja tiedonsiirto

HFI:n kriogeeniset jäähdytyskomponentit toimivat noin 15 kuukautta ja niiden jäähdytysneste loppui tammikuussa 2012, minkä jälkeen HFI‑havainnot päättyivät. LFI jatkoi toimintaansa pidempään, ja virallinen operatiivinen mittauskausi sulkeutui vuonna 2013. Satellitti on tehtävän päättymisen jälkeen sammutettu ja passivoitu.

Keskeiset tieteelliset tulokset

Planck paransi merkittävästi ennen sitä tehtyjä mittauksia, kuten NASA:n Wilkinsonin mikroaaltojen anisotropialuotainta (WMAP). Sen tiedoista on syntynyt useita datajulkaisuja (esim. 2013, 2015 ja lopullinen julkaisu 2018), joista on johdettu nykyisin standardina pidetty kosmologinen malli ja tarkat arvot useille keskeisille parametreille. Tehtävän tärkeimpiin saavutuksiin kuuluvat:

• Hyvin tarkat täys­taivaankartat CMB:n lämpötilan anisotropioista ja polarisaatiosta.
• Kosmologisten perusparametrien määritys: tavallisen aineen ja pimeän aineen tiheyksien suhteet, maailmankaikkeuden ikä sekä Hubble‑vakioun arviot.
• Rajoituksia varhaisiin kosmologisiin malleihin, erityisesti kosmisen inflaation ominaisuuksiin (esim. skalaaripehmeyden indeksi n_s ≈ 0.965) ja rajoituksia primordiaaliselle tensoriseen säteilylle.
• Galaktisten etualojen ja ekstragalaktisten prosessien kartoitus: mm. galaktisen tomografian, pöly‑emission ja aurinkokunnasta tulevan säteilyn erotus sekä auringon taustalla olevien galaksiklustereiden Sunyaev–Zel’dovich‑efektin mittaukset.
• Gravitaatiolinssauksen kartoitus CMB‑kentästä, jonka avulla tutkittiin massajakaumaa ja saatiin lisärajoituksia esim. neutriinomassojen summalle.

Keskeisiä mitattuja arvoja (esimerkkejä)

Planck antoi maailmanluokan tarkkuuden kosmologisille arvoille. Lopullisissa julkaisuissa esitetyt arvot (ΛCDM‑mallissa) olivat muun muassa:

• Maailmankaikkeuden ikä ≈ 13.8 miljardia vuotta (noin 13.797 ± 0.021 Gyr)
• Hubble‑vakio H0 ≈ 67.4 km/s/Mpc (malliriippuvainen arvo, nostaa keskustelua erosta paikallisiin mittauksiin)
• Tiheysparametrit: tavallisen aineen osuus ≈ 0.049, pimeän aineen osuus ≈ 0.26 ja pimeä energia ≈ 0.685 (Ω_m ≈ 0.315 yhteensä)
• Alkutarkentuma: skalaaripehmeyden indeksi n_s ≈ 0.965 (n_s = 1: ei‑skalaaninen hajonta poissuljettu merkittävästi)
• Rajoituksia neutriinomassojen summalle ja lisähiukkasiin liittyville muuttujille (esim. N_eff ≈ 3.0)

Tieteellinen vaikutus ja perintö

Planck on ollut avainasemassa kosmologian muuttamisessa tarkaksi, datavetoiseksi tieteeksi. Se on asettanut tiukat rajat kosmisten mallien vapausasteille, ohjannut teoreettista työtä inflaation ja varhaisen universumin mallintamisessa sekä tarjonnut laajan ja kestävän aineiston, jota käytetään edelleen yhdistettynä maasta tehtyihin ja muilla satelliiteilla tehtyihin havaintoihin. Planckin arvokas perintö on sen julkinen data‑arkisto, josta tutkijat voivat hakea täys‑taivaankarttoja, spektritiheyksiä, polarisaatiokarttoja sekä komponenttien erotuksen tuloksia.

Yhteistyö ja vaikutus muihin havaintoihin

Planck tuki ja täydensi muita tutkijoiden käyttämiä havaintokampanjoita: se antoi referenssin kosmologisille parametreille, joita verrataan paikallisiin H0‑mittauksiin, galaksien kartoituksiin ja gravitaatioaaltoihin liittyviin tutkimuksiin. Sen datasetti on myös arvokas työkalu galaktisen tähtimuodostuksen, pölyn ja astrofysikaalisten prosessien tutkimuksessa.

Kaiken kaikkiaan Planck on yksi kosmologian historiassa merkittävimmistä havaintotehtävistä, joka on muokannut käsitystämme maailmankaikkeuden koostumuksesta, iästä ja alkuvaiheiden olosuhteista. Tehtävä on nyt sammutettu, mutta sen data ja tulokset vaikuttavat tutkimukseen pitkään.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä oli Planck?

K: Mitä Planck havaitsi?

K: Miten Planck paransi aiempia havaintoja?

K: Mikä oli Planckin tehtävän tarkoitus?

K: Mitä mittauksia Planck on tehnyt tehtävänsä päättymisen jälkeen?

K: Onko Planck yhä toiminnassa?

K: Mikä oli Planckin merkittävä panos astrofysiikan alalla?

Hae kirjaimella