Planck gervitunglið

1. Geimskot

Planck gervitungli ESA, Geimstofnunar Evrópu, var skotið á loft kl. 13:12 að íslenskum tíma þann 14. maí 2009 með Ariane 5 eldflaug frá geimferðamiðstöð ESA í Kourou í Frönsku-Gvæjana í Suður-Ameríku. Um borð í sömu eldflaug var Herschel geimsjónaukinn em er sá stærsti sem sendur hefur verið út í geiminn hingað til og á að rannsaka alheiminn í innrauðu ljósi.

Herschel gervitunglið losnaði frá efsta stigi Ariane 5 eldflaugarinnar um 26 mínútum eftir að hún hóf sig á loft frá Kourou. Planck losnaði frá sama stigi um tveimur og hálfri mínútu síðar. Förinni var heitið að Lagrange punkti 2 (L2) sem segja má að sé nokkurs konar jafnvægispunktur í um 1,5 milljón km fjarlægð frá jörðinni. Á þessum punkti hafa fjölmörg geimför hreiðrað um sig, t.d. WMAP og Kepler svo einhver séu nefnd.

Planck gervitunglinu er ætlað að mæla örfínar hitabreytingar á bakgrunnsgeislun alheimsins, örbylgjukliðnum svonefnda, með meiri nákvæmni en nokkru sinni áður. Planck á að taka skörpustu myndina hingað til af barnæsku alheimsins, þegar hann var aðeins 380.000 ára gamall og varpa frekara ljósi á þær kenningar sem lýsa þróun hans. Planck er ætlað að fylgja eftir og betrumbæta umtalsvert mælingar WMAP gervitungls NASA.

Planck gervitunglið, sem upphaflega nefndist COBRAS/SAMBA, er nefnt til heiðurs þýska eðlisfræðingnum Max Planck (1858-1947) sem hlaut Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1918, fyrir uppgötvun sína á að orka er skömmtuð og var upphafið að skammtafræðinni.

Kostnaður við leiðangurinn nemur 600 milljónum evra. Hversu mikið það er í íslenskum krónum skal ósagt látið, enda vita sennilega fáir hvert gengi krónunnar miðað við evruna er nákvæmlega þessa dagana.

2. Markmið

Örbylgjukliðurinn (e. Cosmic Microwave Background) er eftirgeislun Miklahvells. Örbylgjukliðurinn berst svo til jafnt úr öllum áttum og sýnir okkur alheiminn aðeins 380.000 árum eftir Miklahvell. Hitastig alheimsins þá var um 3000 K (2700°C) en nú, þegar alheimurinn hefur þanist gríðarlega út og kólnað, er hitastig geislunarinnar aðeins 2,7 K (-270°C). Örbylgjukliðurinn býr yfir geysimiklum upplýsingum um þær aðstæður sem voru fyrir hendi snemma í sögunni og áttu eftir að ráða þróun alheimsins. Meginmarkmið Planck gervitunglsins er að mæla nákvæmlega örfínar hitabreytingar örbylgjukliðsins og útbúa um leið nákvæmasta kortið hingað til af honum. Að öðru leyti eru markmið Plancks að:

• Ákvarða efnisinnihald alheimsins nákvæmlega. Mælingar Plancks á vetrarbrautum og vetrarbrautaþyrpingum munu varpa skýrara ljósi en nokkru sinni fyrr á þróunarsögu þeirra. Út frá þessum mikilvægu upplýsingum geta stjörnufræðingar ákvarðað, með nokkuð góðri nákvæmni, efnisþéttleika heimsins og gert okkur kleift að finna út heildarfjölda atóma í hinum sýnilega alheimi. Þessar upplýsingar hjálpa okkur líka að finna út hversu mikið er af hulduefni í geimninum, dreifingu þess og hvert eðli þess er. Hulduefni gefur ekki frá sér ljós né endurvarpar rafsegulgeislun af nokkru tagi en hefur hins vegar greinileg þyngdaráhrif á venjulegt efni. Hulduefni gæti talið 90% af efnisinnihaldi alheimsins í dag. Á sama tíma mun Planck ennfremur reyna að kenna okkur eitthvað um eðli hinnar dularfullu hulduorku sem talin er eiga sök á vaxandi útþensluhraða alheimsins.

• Finna ummerki óðaþenslu. Þegar alheimurinn myndaðist í Miklahvelli gekk hann í gegnum tímabil gríðarlega hraðrar útþenslu, svokallaða óðaþenslu. Mælingar Plancks munu gera stjörnufræðingum kleift að finna út hvernig og hvers vegna óðaþenslan átti sér stað, hvernig hún þróaðist og hverjar afleiðingar hennar eru fyrir alheim sem enn er að þenjast út.

• Leita eftir þyngdarbylgjum. Talið er að svonefndar þyngdarbylgjur séu óhjákvæmilegur fylgifiskur óðaþenslunnar. Á sama hátt og steinn, sem varpað er í vatn gárar vatnið, mynda þyngdarbylgjur gárur á tímarúminu. Þyngdarbylgjurnar bera upplýsingar um hvernig þær mynduðust og takist Planck að nema þær yrðu það mjög sterk sönnunargögn fyrir óðaþenslu.

• Rannsaka uppruna stjarna, vetrarbrauta, vetrarbrautaþyrpinga og eyðanna í alheiminum. Upplýsingar um þessa mikilvægu þætti alheims gerir stjörnufræðingum kleift að smíða og prófa kenningar um myndun þessara byggingareininga alheimsins.

• Rannsaka örbylgjugeislun frá Vetrarbrautinni okkar og öðrum. Planck á að kortleggja dreifingu ryks í þyrilörmum Vetrarbrautarinnar, sem og segulsviðið sem umlykur hana.

3. Sjónaukinn

Planck gervitunglið (skýringarmynd). Tilraunin skartar fjölmörgum tækninýjungum. Til að mynda var aðalspegilinn smíðaður úr koltrefjaplasti. Mynd: ESA/Stjörnufræðivefurinn/Jón Emil Guðmundsson

Planck gervitunglið safnar örbylgjugeisluninni með 1,5 metra breiðum spegli sem vegur aðeins 28 kg. Spegillinn er úr koltrefjahertu plasti og er húðaður með þunnu állagi sem endurvarpar 99,5% af ljósinu sem á hann fellur. Sjónaukinn er umlukinn stórum skermi sem dregur úr líkum þess að ljós frá jörðinni, sólinni eða tunglinu trufli mælingarnar.

Birta örbylgjukliðsins er aðeins 1% af birtunni sem berst frá jörðinni. Þess vegna er mjög mikilvægt að draga eins mikið og unnt er úr því að óþarfa ljós berist inn í sjónaukann. Þess vegna er Planck komið fyrir á L2 punktinn. Frá þessum stað í geimnum er jörðin álíka stór að sjá og fullt tungl frá jörðu séð.

4. Mælitæki

Um borð í Planck eru tvö mælitæki: Hátíðnimælir (High Frequency Instrument, HFI) og lágtíðnimælir (Low Frequency Instrument, LFI). Mælarnir breyta útvarps- og örbylgjunum sem sjónaukinn safnar í mjög nákvæmar myndir af himinhvelfingunni. Gögnin verða síðar notuð til þess að mæla hitabreytingar örbylgjukliðsins, en það er lykilatriði í skilningi okkar á uppruna alheimsins og þróun vetrarbrauta.

Mælitæki Plancks eru þau næmustu sem send hafa verið út í geiminn á þessum öldulengdum. Tækin eru svo næm að þau eru fær um að greina hitasveiflur upp á milljónasta hluta úr gráðu. Líkja má þessu við það að mæla hitastig kanínu á tunglinu, frá jörðinni. Til að þetta sé yfir höfuð gerlegt er nauðsynlegt að kæla nemana mjög mikið. Lágtíðnimælirinn verður kældur niður í -253°C (20 K), en hátíðnimælirinn niður í tíunda hluta úr gráðu frá alkuli: -273,14°C (0,1 K). Nemarnir verða þá köldustu þekktu staðirnir sem vitað er um í geimnum. Kælingin er framkvæmd með fljótandi helíumi. Fimmtíu dagar munu líða þar til nemarnir eru orðnir nógu kaldir til þess að gervitunglið geti hafið mælingar.

Mælitækin geta greint tífalt daufari geislun en WMAP og auk þess tífalt smærri öldulengd. Upplausn sjónaukans verður þrefalt betri. Stjörnufræðingar munu því geta aflað 15 sinnum meiri upplýsinga um örbylgjukliðinn en WMAP.

5. Niðurstöður

Örbylgjukliðurinn með augum Planck. Hitastigssveiflur í örbylgjukliðnum eins Planck gervitunglið sér þær. Litirnir sýna hárfínar hitastigsbreytingar sem samsvara misþéttum svæðum en þau eru fræin sem að mynduðu þær stjörnur og vetrarbrautir sem við sjáum í alheiminum í dag. Mynd: ESA/Planck

Fyrstu niðurstöður Planck gervitunglsins voru kynntar 21. mars 2013. Niðurstöðurnar byggja á gögnum sem aflað var á rúmu ári en hátíðnimælitækið lauk mælingum í janúar 2012.

Niðurstöður Plancks sýna að alheimurinn er um 13,82 milljarða ára gamall, um 100 milljón árum eldri en fyrri mælingar WMAP sögðu til um. 

Gögnin sýna að venjulegt efni — það efni sem stjörnur, vetrarbrautir og við erum búin til úr — telur aðeins 4,9% af massa- og orkuþéttleika alheimsins (sjá mynd þrjú). Hulduefni, sem menn hafa aðeins greint með óbeinum hætti hingað til út frá þyngdaráhrifum þess, telur 26,8%, nærri fimmtungi meira en áður en var talið. Afgangurinn, 68,3%, er hin dularfulla hulduorka, krafturinn sem talinn er eiga sök á auknum útþensluhraða alheimsins. Það er nokkru minna en eldri líkön sögðu til um.

Lokaniðurstöðurnar verða birtar árið 2014 en þá verður gagnamagnið tvöfaldað.

Heimildir

1. Planck. ESA.int. Sótt 14.05.09.
2. Cosmic time machine set for launch into space Thursday. SpaceflightNow.com. Sótt 14.05.09
3. Fyrstu niðurstöður Planck gervitunglsins birtar — Ný gildi á aldri og orkuþéttleika alheimsins
   

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2010). Planck gervitunglið. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/alheimurinn/rannsoknir/planck-gervitunglid (sótt: DAGSETNING).