Kosmologina Euclid-konsortiossa

Hannu Kurki-Suonio on Helsingin yliopistossa työskentelevä kosmologian professori, joka johtaa Suomen osallistumista Euroopan avaruusjärjestön Euclid-missioon. Euclid on Euroopan avaruusjärjestön (ESA) suunnittelema laajakulmainen avaruusteleskooppi, joka laukaistiin avaruuteen 1.7.2023. 
 

Voisitko kiteyttää Euclid-mission tavoitteen?
Euclidin tavoite on kartoittaa maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenne ja sen kehityshistoria. Se tuottaa maailmankaikkeudesta kolmiulotteisen kartan, josta näkee kuinka galaksit ja myös pimeä aine ovat jakautuneet sinne. Koska katsotaan samalla menneisyyteen kun katsotaan kauas, saadaan selville kuinka rakenne on maailmankaikkeuden historiassa kehittynyt. 

Minkälaisia tieteellisiä hypoteesejä testataan?
Keskeinen kosmologinen kysymys, johon Euclid-missio on optimoitu on niin sanottu pimeän energian ongelma. Tiedetään, että maailmankaikkeuden laajeneminen alkoi kiihtyä noin kuusi miljardia vuotta sitten mutta ei tiedetä miksi. Siihen on kaksi hypoteesiä. Toinen on, että meillä on uusi tuntematon energiamuoto, jota kutsutaan pimeäksi energiaksi. Se täyttää koko maailmankaikkeuden ja toimii repulsiivisena. Painovoima on yleisesti vetovoima mutta yleinen suhteellisuusteoria sallii sen, että energiamuodot voivat olla hylkiviä eli tämä sitten aiheuttaisi sen laajenemisen kiihtymisen. Vaihtoehtoinen hypoteesi on se, että itse painovoimalakia ja yleistä suhteellisuusteoriaa pitää korjata suurilla etäisyyksillä niin, että painovoima muuttuisi näin suurilla etäisyyksillä repulsiiviseksi ilman että tarvitaan siihen tällaista uutta energiakomponenttia. 

Mikä on hypoteesi siitä mistä pimeä energia kumpuaa; mikä on sen alkuperä? Selvitetäänkö sitä myös Euclid-mission puitteissa?
Euclidin havaintojen perusteella voidaan määrittää pimeän energian ominaisuuksia eli lähinnä pimeän energian tilan yhtälö. Pimeän energian paine riippuu energiatiheydestä  ja antaa joitakin vihjeitä sen tarkemmasta luonteesta. Meillä teoreetikoilla on suuri määrä erilaisia hypoteeseja sen tarkemmasta luonnosta ja havaintojen valossa pystytään laskemaan mitkä hypoteesit sopivat havaintojen kanssa yhteen.
 
Minkälaisia mittauksia Euclid tulee suorittamaan?
Euclid tekee kolmenlaisia havaintoja. Se ottaa valokuvia näkyvän valon alueella, valokuvia erilaisilla infrapunakaistoilla ja lisäksi kuvaa myös galaksien spektrejä. Näkyvällä valolla otetuista kuvista tutkitaan niissä näkyvien galaksien muotoja. Kosmologiassa ovat pimeä aine ja pimeä energia, joita ei tule sekoittaa keskenään. Pimeä aine on joistakin tuntemattomista hiukkasista koostuvaa ainetta, joka on kasaantunut ainetihentymiin maailmankaikkeuden rakenteessa kun taas pimeä energia on jakautunut tasaisesti.
Vaikka pimeä aine ei itse näy, sen painovoima taivuttaa valon kulkemaa rataa niin, että kaukaiset galaksit näkyvät vääristyneinä, koska niiden valo on kulkenut lähellä olevien pimeän aineen keskittymien ohi. Sitten kun meillä on määritetty kaikkien galaksien muodot tästä pystytään määrittämään keskimääräinen vääristymä jokaisessa suunnassa. Siinä pystytään laskemaan missä kaikkialla pimeää ainetta on ja millä etäisyyksillä. 

Minkälaista havaintoteknologiaa Euclid käyttää?
Kaukoputkea, joka on halkaisijaltaan toista metriä mutta kaukoputki itsessään ei ole valtavan suuri. Hubble ja Webb käyttävät isompia kaukoputkia. Erityinen ominaisuus on että kaukoputki on laajakulmainen. Tällöin näkee kerrallaan sata kertaa laajemman osan taivasta. Tämä soveltuu nimenomaan siihen, että me kartoitamme kuvaa koko taivaasta, joka on valtavan paljon suurempi alue kuin mitä Hubble ja Webb ovat kuvanneet. Ne osuvat kuvaamaan vain joitakin tiettyjä tähtitieteilijöitä kiinnostavia kohteita mutta nyt on nimenomaan tarkoitus kartoittaa koko maailmankaikkeus. 

Ensimmäiset Euclid-teleskoopin ottamat värikuvat maailmankaikkeudesta on julkaistu. © ESA 
 

Kuinka Suomi on osallistunut havaintoinstrumenttien rakentamiseen?
Suomi ei ole osallistunut havaintolaitteiston rakentamiseen. Haimme Business Finlandin rahoitusta tähän, mutta emme saaneet sitä. Näin ollen emme voineet osallistua instrumenttien rakentamiseen. Suomen Akatemialta saimme rahoituksen tietokonelaitteiston hankintaan eli tämä data-analyysikontribuutio on Suomen osuus.

Mitä itse odotat eniten näiltä mittauksilta?
Olen itse kosmologi eli minua kiinnostaa eniten peruskysymys eli mitä saadaan tulokseksi pimeän energian tilayhtälölle vai saadaanko tulokseksi se, että havaintoja ei pysty selittämään pimeällä energialla vaan sen sijaan pitää muuttaa painovoimalakia. 

Kumpi on luultavampi vaihtoehto?
Olen tutkinut jonkin verran yleisen suhteellisuusteorian modifikaatiota, mutta siitä on jo pidempi aika eli ei minulla ole mitään suosikkiteoriaa. 
 
Mainitsit Suomessa toimivan Euclid-datakeskuksen. Mitä dataa siellä tullaan prosessoimaan, kuinka suuri Euclidin tuottama datamäärä tulee olemaan ja kuinka suuri osa siitä tullaan prosessoimaan Suomessa?
On alustavasti sovittu, että Suomeen tulee siitä viisi prosenttia. Näitä keskuksia on yhdeksässä eri maassa ja suurimmat maat saavat suuremman osan. Pienemmät maat saavat viisi prosenttia. 

Kuka tutkii sitä Suomessa?
Viisi yliopistoa ja Tieteen tietotekniikan keskus CSC ovat muodostaneet konsortion tätä varten. Laitteet ovat CSC:n Kajaanin keskuksessa. Laitteita hankittiin jo vuonna 2018. Tähän asti on tuotettu simuloitua dataa ja harjoiteltu prosessointia sillä. Laitteet ovat tavanomaisia standarditietokonelaitteita. Myös grafiikkaprosessoreista on esitetty toivomuksia, mutta niitä ei ole pystytty ottamaan huomioon. Englannin datakeskus on hankkinut niitä. Laitteiden elinikä on noin viisi vuotta, ja nyt meillä on käynnissä uusi hankinta jäljellä olevalla rahalla.

Sinähän edustat Suomea Euclid-konsortiossa. Minkälainen kokemus on olla mukana?
Prosessi on ollut pitkä. Vuoden 2009 lopussa tuli ensimmäinen yhteydenotto, jossa tiedusteltiin olisiko Suomi kiinnostunut tulemaan mukaan. Yhteydenotto ei tullut vielä virallisesti ylemmältä tasolta vaan tietyiltä ihmisiltä, jotka tunsin Planck-projektista mikä oli edellinen projekti missä oltiin mukana. Meni kaksi vuotta neuvottelemiseen siitä mikä Suomen kontribuutio olisi. Vuoden 2011 syksyllä Suomi liittyi Euclid-konsortioon, jonka johtokunnassa edustan Suomea ja olen tavallaan vastuussa tämän hankinnan suomalaisen osuuden rahoituksesta. 
Johdan tutkimusta Helsingin yliopistossa ja olen hakenut kollaboraatiota muista yliopistoista. Hallinnollinen kuorma on ollut aika raskas; on pitänyt tehdä yhteistyötä monen eri tahon (mm. viiden eri yliopiston) kanssa, pitänyt sopia tehtävistä ja vastuista ESAn ja Euclid-konsortion kanssa, hankkia rahoitusta ja junailla laitteistohankinnat. Lisäksi olen johtanut omaa tutkimusryhmää, jolta Euroopan avaruusjärjestökin vaatii jatkuvaa raportointia. Ehdin tehdä entistä vähemmän varsinaista tutkimusta; se on siirtynyt enemmän ja enemmän ryhmäni muille jäsenille. 

Euclid on ESAn tiedemissio, mutta pystyykö dataa käyttämään myös joillakin teollisuuden sektoreilla?
Tämä on varmasti mahdollisimman kaukana joistakin arkipäivän sovelluksista. Avaruusteknologian kehittäminen ja tieteen eturintamassa toimiminen vaatii aina vain paremman havaintoteknologian kehittämistä, joten niillä saattaa olla sovelluksia muualla. Havainnoilla on yleistä mielenkiintoa; minkälainen on maailmankaikkeus ja miten se on kehittynyt. Tällä voi olla syvällinen merkitys, mutta käytännön elämään sillä ei ole vaikutusta. 

Onko pimeää ainetta yritetty simuloida?
Pimeää ainetta on yritetty tehdä CERNin hiukkaskiihdyttimessä mutta sitä ei ole havaittu. Koska ei tiedetä minkälaisia tietyt hiukkaset ovat, ei tiedetä miten niitä tehdään. Testeissä joitakin hiukkasia törmää suurella energialla, ja katsotaan syntyykö myös pimeän aineen hiukkasia; niitä ei ole havaittu. 

Euclidin näkymä kierteisgalaksista IC 342. © ESA
 

Miten Euclid-missio vaikuttaa suomalaiseen tutkimuskenttään?
Euroopassa on suuria tiedeprojekteja ja tämä on iso kansainvälinen projekti, jossa on mukana 17 maata. Kosmologian teoreettinen tutkimus on ollut Suomessa vahvaa; on oltu eturintamassa. Missio tukee hyvin Suomessa tehtävää tutkimusta. Helsingin yliopistossa on toiminut pitkään voimakkaasti ja kansainvälisesti arvostettu kosmologian ryhmä. Fysiikan laitoksesta tehtiin kansainvälinen arviointi silloin kun Suomi ei ollut vielä liittynyt Euclidiin. Saimme miinuspisteitä siitä, ettei oltu mukana Euclidissa, sillä näin keskeinen projekti sopisi hyvin Helsingin yliopiston profiiliin. Hassua oli, että hakuprosessi oli jo käynnissä.

Onko suunnitteilla tutkimusprojekteja, joissa hyödynnetään Euclidin tuottamaa dataa?
Euclid-konsortiossa on hyvin suuri määrä eri projekteja, joissa ollaan mukana. Suurimpana työpanoksena ovat keskeiset vastuut data-analyysissä. Loppuanalyysissä, jossa sovelletaan dataa erilaisiin kosmologisiin teorioihin ollaan mukana projekteissa, jotka liittyvät primordiaalisten tiheysvaihteluiden luonteeseen. Aluksi on ollut pieniä tiheysvaihteluita ja niistä on ajan myötä kasvanut galaksijoukkoja. Nyt ajatellaan, että alkuperäiset tiheysvaihtelut ovat todennäköisesti syntyneet kvanttifluktuaatioina ja liittyvät teoriaan, jota kutsutaan kosmologiseksi inflaatioksi. Inflaatiollekin on useita erilaisia malleja, jotka tuottavat erilaisia alkuperäisiä tiheysvaihteluita. 
Olemme mukana projektissa, jossa määritellään alkuperäisten tiheysvaihtelujen ominaisuuksia Euclidin datasta, esimerkiksi isokurvatuurimallit. Isokurvatuurimalleiksi kutsutaan sellaisia paine- ja energiamuotoja, joissa esimerkiksi aineenvaihdunta ja aineen tiheysvaihtelut ovat erilaisia eri aine- ja energiamuodoissa, kuten pimeä aine, tavallinen aine ja säteily. Maailmankaikkeuden kehitys ensimmäisestä sekunnista eteenpäin tunnetaan hyvin mutta sen ensimmäisen sekunnin tapahtumista ei tiedetä kovin hyvin. On suuri määrä erilaisia teorioita siitä, mitä olisi voinut tapahtua mitä voidaan testata näillä havainnoilla. 

Euclidia on kutsuttu yhdeksi ihmiskunnan suurimmista tiedemissioista, allekirjoitatko näkemyksen? Kuinka suureksi arvioisit itse Euclidin tieteellisen merkityksen?
Se on kosmologiassa suurin tällä hetkellä. Ehkä on vaikea asettaa järjestystä. Ennen Euclidia oli Planck, jota Euclid täydentää; Euclid on luonteeltaan komplementäärinen. Planckin fokus oli varhaisemmassa maailmankaikkeudessa, Euclidin fokus on myöhemmässä kehityksessä. Amerikkalaisilta on tulossa vastaava Roman-missio.

Minkälaisen tiedemission itse tekisit?
On päätetty toteuttaa gravitaatiota havaitseva Lisa-missio. Planck tarvitsisi seuraajan. Se mittasi kosmisen taustasäteilyn kirkkausvaihteluja mutta myös kosmisen taustasäteilyn polarisaatiovaihtelut pitäisi mitata tarkasti. Tällaista taustasäteilyn polarisaatiomissiota on useasti ehdotettu ESAlle mutta se ei ole koskaan voittanut kilpailua koska on katsottu että nyt on muiden kysymysten vuoro. Japanilaiset ovat ilmeisesti laukaisemassa vuosikymmenen lopussa LiteBIRD-nimisen satelliitin, joka on vaatimattomampi kuin ESAlle tehdyt ehdotukset. 

Jaetaanko Euclidin dataa globaalisti?
ESAn kanssa on sovittu, että Euclid-konsortiolla on yksinoikeus dataan 14 kuukauden ajan. Jos on vuoden verran kerätty dataa, konsortiolla on 14 kuukautta aikaa käyttää sitä ja julkaista omat tutkimukset. Tämän jälkeen se julkaistaan koko tiedeyhteisölle ja koko maailman käyttöön. 

Onko Euclid henkilökohtaisesti merkityksellinen?
Kyllä se on dominioinut työtä. Vuodesta 2015 eteenpäin rajapinta on ollut enemmän Euclidiin kuin Planckiin. Planck päättyi vuonna 2020 kokonaan. Tuloksia odottaa suurella innolla. Itse jään vuoden kuluttua eläkkeelle ja vastuut siirtyvät nuoremmille. On tavallaan helpotus, että voi edelleen seurata tieteellistä edistymistä mutta kaikki hallinnolliset vastuut siirtyvät muille. 

Aiotko myös toimia tutkijana eläkkeelle jäämisen jälkeen?  
Kyllä ajatus olisi mutta sen näkee sitten. Helsingin yliopisto on ESAn kanssa sopimusosapuoli Suomen kontribuutioista ja nimittää Suomen edustajan Euclidin johtokuntaan.

Mitä lopputavoitteita on viimeiseksi vuodeksi?
Akuuttina on laitteistohankinta. Tavoitteena on, että kun jään eläkkeelle niin uudet laitteet pyörivät datakeskuksessa.