Som kosmolog i Euclid-konsortiet

Hannu Kurki-Suonio är professor i kosmologi vid Helsingfors universitet och leder Finlands deltagande i Europeiska rymdorganisationens Euclid-mission. Euclid är ett vidsträckt rymdteleskop som utformats av Europeiska rymdorganisationen (ESA) och som upplöstes i rymden den 1 juli 2023.
 

Kan du sammanfatta Euclid-missionens mål?
Euclids mål är att kartlägga universums storskaliga struktur och dess utvecklingshistoria. Den skapar en tredimensionell karta över universum som visar hur galaxer och mörk materia är fördelade där. Med tanke på det förflutna kan man se hur strukturen har utvecklats i universums historia.

Vilka vetenskapliga hypoteser testas?
En central kosmologisk fråga som Euclid-mission har optimerats för är ett så kallat problem med mörk energi. Vi vet att universums expansion började accelerera för omkring sex miljarder år sedan, men vi vet inte varför. Det finns två hypoteser. Den ena är att vi har en ny okänd energiform som kallas mörk energi. Den fyller universum och är repulsiv. Tyngdkraften är allmänt attraktiv, men den allmänna relativitetsteorin tillåter att energiformerna kan vara avvisande, dvs. detta skulle leda till att dess expansion accelererar. En alternativ hypotes är att själva gravitationslagen och den allmänna relativitetsteorin måste korrigeras på stora avstånd så att gravitationen på så stora avstånd blir repulsiv utan att en sådan ny energikomponent behövs.

Vad är hypotesen om varifrån den mörka energin kommer; vad är dess ursprung? Utreds det också inom ramen för Euclid-missionen?
Observationerna från Euclid gör det möjligt att fastställa egenskaperna hos den mörka energin, dvs. närmast ekvationen för den mörka energins tillstånd. Trycket på den mörka energin beror på energitätheten och ger vissa tips om dess exakta karaktär. Vi teoretiker har många olika hypoteser om den exaktare karaktären och på basis av observationerna kan man räkna ut vilka hypoteser som stämmer överens med observationerna.

Vilka mätningar kommer Euclid att utföra?
Euclid gör tre typer av observationer. Den tar fotografier i synligt ljus, fotografier i olika infraröda fält och fotograferar också galaxens spektra. På bilder som tagits med synligt ljus undersöks formerna av de galaxer som syns i bilderna. I kosmologin finns det mörk materia och mörk energi som inte får blandas ihop. Mörk materia är ett ämne som består av okända partiklar och som har ackumulerats i materialutjämningen i universums struktur, medan den mörka energin är jämnt fördelad.
Även om mörk materia inte syns själv, böjer dess gravitation ljusets bana så att avlägsna galaxer syns förvrängda, eftersom deras ljus har passerat de närliggande koncentrationerna av mörk materia. När vi har definierat alla former av galaxer kan man fastställa den genomsnittliga förvrängningen i varje riktning. Där kan man räkna var det finns mörkt material överallt och på vilka avstånd.

Vilken typ av observationsteknik använder Euclid?
Ett teleskop med en diameter större än en meter, men teleskopet i sig självt är inte enormt stort. Hubble och Webb använder större teleskop. En särskild egenskap är att teleskopet är vidvinkelrätt. Då kan man se en hundra gånger större del av himlen åt gången. Detta gäller just för att kartlägga bilden av hela himlen, som är ett mycket större område än Hubble och Webb har fotograferat. De träffar bara fotografera några av de objekt som intresserar astronomerna, men nu är det just meningen att kartlägga hela universum.

De första färgbilderna av universum från Euclid har publicerats. © ESA 
 

Hur har Finland deltagit i byggandet av observationsinstrument?
Finland har inte deltagit i byggandet av observationsanläggningen. Vi ansökte om Business Finland finansiering för detta, men fick den inte. Därför kunde vi inte delta i byggandet av instrumenten. Finlands Akademi beviljade finansiering för anskaffning av datorutrustning, dvs. denna dataanalyskontribution är Finlands andel.

Vad förväntar du dig mest av dessa mätningar?
Jag är själv kosmolog; jag är mest intresserad av den grundläggande frågan: vad blir resultatet av ekvationen för mörk energi, eller blir resultatet att man inte kan förklara iakttagelserna med mörk energi, utan i stället måste ändra gravitationslagen?

Vilket är det troligaste alternativet?
Jag har studerat modifieringen av den allmänna relativitetsteorin något, men det har gått en längre tid, så jag har ingen favoritteori.

Du nämnde Euclid-datacentret i Finland. Vilka data kommer att bearbetas där, hur stor datamängd kommer Euclid att producera och hur stor del av den kommer att bearbetas i Finland?
Det har preliminärt avtalats att fem procent av det kommer till Finland. Dessa centra finns i nio olika länder och de största länderna får en större andel. De mindre länderna får fem procent.

Vem undersöker det i Finland?
Fem universitet och IT-centret för vetenskap CSC har bildat ett konsortium för detta ändamål. Apparaterna är i CSC:s centrum i Kajana. Utrustning anskaffades redan 2018. Hittills har simulerade data producerats och bearbetning övats med dem. Utrustningen är standarddatorutrustning. Det har också framförts önskemål om grafikprocessorer, men de har inte kunnat beaktas. Det brittiska datacentret har skaffat dem. Apparaternas livslängd är cirka fem år, och nu pågår en ny anskaffning med de återstående pengarna.

Du representerar Finland i Euclid-konsortiet. Vilken erfarenhet är det av att vara med?
Processen har varit lång. I slutet av 2009 kom den första kontakten där man frågade om Finland är intresserat av att delta. Kontakten kom inte officiellt från den högre nivån, utan från vissa personer som jag kände till om Planck-projektet, som var det senaste projekt där vi var med. Det tog två år att förhandla om vad Finlands bidrag skulle vara. Hösten 2011 anslöt sig Finland till Euclid-konsortium i vars styrelse jag representerar Finland och jag är på sätt och vis ansvarig för finansieringen av den finländska andelen av denna upphandling.
Jag leder undersökningen vid Helsingfors universitet och har ansökt om kollaboration vid andra universitet. Den administrativa bördan har varit ganska tung; man har varit tvungen att samarbeta med flera olika aktörer (bl.a. fem olika universitet), komma överens om uppgifter och ansvar med ESA och Euclid-konsortium, skaffa finansiering och skaffa utrustning. Dessutom har jag lett en egen forskargrupp som också Europeiska rymdorganisationen kräver kontinuerlig rapportering av. Jag har ännu mindre tid på mig att göra en egentlig undersökning, som mer och mer har överförts till andra medlemmar i min grupp.

Euclid är ESA:s vetenskapliga mission, men kan data användas också inom vissa industrisektorer?
Detta ligger säkert så långt bort som möjligt från vissa vardagsapplikationer. Utvecklingen av rymdteknik och spetsforskningen kräver alltid att man utvecklar bättre observationsteknik och kan därför ha tillämpningar någon annanstans. Observationerna är av allmänt intresse; hurdant universum är och hur det har utvecklats. Detta kan ha en djup betydelse, men det påverkar inte det praktiska livet.

Har man försökt simulera mörkt material?
Man har försökt göra mörkt material i CERN:s partikelaccelerator, men det har inte upptäckts. Eftersom man inte vet hur vissa partiklar är, vet man inte hur de ska tillverkas. I testerna stöter man på vissa partiklar med hög energi och man ser om det också uppstår partiklar av mörkt material som inte har upptäckts.

Euclids utsikt över spiralgalaxen IC 342. © ESA
 

Hur påverkar Euclid-missionen det finländska forskningsfältet?
Det finns stora vetenskapsprojekt i Europa och detta är ett stort internationellt projekt som omfattar 17 länder. Den teoretiska kosmologiska forskningen har varit stark i Finland; man har varit i främsta ledet. Missionen stöder väl forskningen i Finland. Vid Helsingfors universitet har länge funnits en starkt och internationellt uppskattad kosmologigrupp. En internationell utvärdering av avdelninger för fysik gjordes när Finland ännu inte hade anslutit sig till Euclid. Vi fick kritik för att vi inte var med i Euclid, eftersom ett så viktigt projekt lämpar sig väl för Helsingfors universitets profil. Det var lustigt att ansökningsprocessen redan pågick.

Planeras forskningsprojekt som utnyttjar Euclids data?
Euclid-konsortiet har ett mycket stort antal olika projekt där man deltar. Den största arbetsinsatsen är de centrala ansvaren i dataanalysen. I den slutliga analysen, där data används för olika kosmologiska teorier, ingår projekt som hänför sig till karaktären av primordiella variationer i densitet. Till en början har det förekommit små variationer i densiteten och de har med tiden ökat antalet galaxtrupper. Man tror nu att de ursprungliga variationerna i densitet sannolikt har uppstått genom kvantfluktuationer och har att göra med en teori som kallas kosmologisk inflation. Det finns också många olika modeller för inflation som ger upphov till olika ursprungliga variationer i densiteten.
Vi deltar i ett projekt som definierar egenskaperna hos de ursprungliga variationerna i densiteten i Euclids data, till exempel isokurvaturmodeller. Isokurvaturmodeller kallas sådana tryck- och energiformer där t.ex. ämnesomsättningen och ämnets densitet varierar i olika material- och energiformer, såsom mörk material, vanligt material och strålning. Universums utveckling från första sekunden framåt är välkänd, men man vet inte särskilt väl vad som hände den första sekunden. Det finns många olika teorier om vad som kunde ha hänt med dessa observationer.

Euclid har kallats en av mänsklighetens största vetenskapliga missioner, skriver du under det? Hur stor skulle du själv uppskatta Euclids vetenskapliga betydelse?
Den är den största i kosmologin just nu. Det kanske är svårt att rangordna. Före Euclid var det Planck som Euclid kompletterar, Euclid är komplementär. Plancks fokus låg på ett tidigare universum, Euclids fokus ligger på en senare utveckling. Amerikanerna håller på att få en liknande Roman-mission.

Vilken vetenskaplig mission skulle du själv göra?
Man har beslutat att genomföra en Lisa-mission som upptäcker gravitation. Planck behöver en efterträdare. Den mätte polariseringsvariationerna i kosmisk bakgrundsstrålning, men också dem borde mätas noggrant. En sådan polariseringsinsats för bakgrundsstrålning har ofta föreslagits för ESA, men den har aldrig vunnit tävlingen eftersom man har ansett att det nu är dags för andra frågor. Det verkar som om japanerna i slutet av decenniet kommer att skjuta upp en satellit vid namn LiteBIRD som är mindre anspråkslös än förslagen till ESA.

Är Euclids data globala?
Med ESA har man kommit överens om att Euclid-konsortiet ska ha ensamrätt till data i 14 månader. Om data har samlats in i ett år har konsortiet 14 månader på sig att använda datan och publicera sina egna undersökningar. Den kommer sedan att offentliggöras för hela forskarvärlden och för hela världen.

Är Euclid personligen relevant för dig?
Ja, det har dominerat mitt arbete. Sedan 2015 har jag varit mer tillgängligt för Euclid än för Planck. Planck upphörde helt 2020. Resultaten väntar man med stor entusiasm. Själv går jag i pension om ett år och ansvaret överförs på de yngre. Det är på sätt och vis en lättnad att man kan fortsätta att följa vetenskapliga framsteg, men att allt administrativt ansvar överförs på andra.

Tänker du också vara forskare efter att du gått i pension?
Det skulle det vara, men man ser det sen. Helsingfors universitet är avtalspart med ESA om Finlands bidrag och utnämner Finlands representant till Euclids direktion.

Vilka slutmål finns det för det sista året?
Akut är anskaffning av utrustning. Målet är att när jag går i pension fungerar den nya utrustningen i datacentret.