4MOST - Järgmise põlvkonna kosmosevaatlusseade lubab korraga vaadelda üle kahe tuhande objekti

Tšiilis Paranali mäe otsas asuv VISTA on üks maailma suurimaid lähiinfrapuna lainepikkustel kogu lõunataevast vaatlev teleskoop. Lähiajal sellele lisatava 4MOST-i spektroskoopilise instrumendiga hakatakse mõõtma kümnete miljonite taevakehade kaugusi ja füüsikalisi omadusi. Foto: ESO

Astronoomia on aegade vältel arenenud vaatluste kaudu. Veel inimpõlv tagasi valdasid üksikobjektide vaatlused, ent sel sajandil on astronoomia arengut suunanud suured vaatlusprojektid. Ka praegusel ajal on käsil või kavas mitu astronoomilist kosmosemissiooni ja suured maapealsed vaatlusprogrammid. Üks järgmise kümnendi suuremaid ettevõtmisi on 4MOST ehk neljameetrine mitme objekti spektroskoopiline teleskoop (ingl 4-metre multi-object spectroscopic telescope). See instrument on plaanis paigaldada Tšiilis asuvale Euroopa lõunaobservatooriumi neljameetrisele teleskoobile VISTA. Milles seisneb 4MOST-i eripära? Mis on selle teaduslik eesmärk ja kuidas panustavad sellesse Tartu astronoomid?

Praegu on käsil mitu astronoomilist vaatlusprojekti. Euroopa kosmoseagentuuri missiooni Gaia käigus vaadeldakse meie kodugalaktikas Linnutees sadu miljoneid tähti, samal ajal kaardistab eROSITA röntgenipiirkonnas kogu taevast ning määrab miljonite röntgenallikate asukohad. Peale kosmosemissioonide saab alguse ka maapealne vaatlusprogramm LSST (Large Synoptic Survey Telescope, suur sünoptiline vaatlusteleskoop), mis peaks võtma fotomeetriliselt enneolematu täpsusega luubi alla kogu lõunataeva.

Kõik mainitud uurimisprogrammid on suurepärased, kuid need on mõeldud eelkõige taevakehade asukoha määramiseks taevasfääril. Et andmestik oleks täielik, tuleks teada ka nende objektide kaugusi ja füüsikalisi omadusi. Selleks tuleb mõõta iga objekti spekter, mis võimaldab määrata näiteks tähtede keemilist koostist ja galaktikate kaugust. Siinkohal tulebki appi Euroopa lõunaobservatooriumi vaatlusprogramm 4MOST, mille põhieesmärk on mõõta suuresti juba eelnimetatud programmide käigus kaardistatud kümnete miljonite objektide spektrid.

4MOST-i vaatlusseadet ehitatakse ning plaani järgi peaks see tööd alustama 2024. aasta alguses. Esialgne vaatlusprogramm kestab viis aastat ning instrumendi planeeritud eluiga on 15 aastat. Enne kui asume 4MOST-i teadusliku programmi juurde, vaatleme põgusalt selle vaatlusseadme ehitust ja ainulaadsust.

Optilistest kiududest silm

4MOST on olemuselt mitme objekti fiiberspektrograaf, mille ühe vaatlusega on võimalik korraga mõõta 2436 objekti spekter. Nendest kaks kolmandikku, s.o 1624 fiibrit ehk optilist kiudu viivad keskmise lahutusega spektrograafi ja ülejäänud 812 suure lahutusega spektrograafi. Teleskoobi fokaaltasand on korrapärase kuusnurga kujuga, mis võimaldab kõige efektiivsemalt paigutada vaatlusi üksteise kõrvale, nii et kogu vaadeldav taevaala saab ühtlaselt kaetud. Fiibrid on fokaaltasandil paigutatud korrapäraselt ning igaüht on võimalik natuke liigutada, et neid saaks soovitud objekti peale suunata.

4MOST-i fiibrite positsioneerimisseade aitab kõik teleskoobi optilised valguskiud suunata vaatlemiseks soovitud objektidele. Foto: 4MOST / AESOP / F. WATSON

4MOST lubab korraga vaadelda üle kahe tuhande objekti piiratud vaateväljas. Selleks et seadet tõhusamalt kasutada, tehakse ühel ajal mitme programmi vaatlusi. Korraga mõõdetakse nii galaktikate, tähtede, kvasarite kui ka teiste vaatevälja jäävate taevakehade spektrit. Seadme tarvituse seisukohalt on see efektiivne, kuid raskendab vaatluste planeerimist ning hiljem vaatlusandmete statistilist analüüsi. See ongi üks peamisi katsumusi, millega on silmitsi kõik praegu planeeritavad suured astronoomilised vaatlusprogrammid.

4MOST-i vaatlusprogramm on väga mitmekülgne. Esimese viie aasta jooksul on plaanis vaadelda peaaegu kogu lõunataevast väga mitmel teaduslikul eesmärgil. Järgnevalt tulebki neist lähemalt juttu.

Foto: Horisont

Gaia järelvaatlused

Euroopa kosmoseagentuuri satelliit Gaia on vaadelnud taevast alates 2013. aastast. Kaheksa aasta jooksul on selle abil määratud Linnutee galaktikas üle miljardi tähe asukoht. Gaia on suurepärane tööriist, mõõtmaks tähtede asukohta, kaugust ja taevasfääril liikumist, kuid selle satelliidi küllaltki kesise spektraalse lahutuse tõttu ei saa täpselt määrata mõõdetavate tähtede liikumist vaatekiire, s.o vaatluspunktist objektile suunatud sirgjoone suhtes.

4MOST täidab selle lünga ning vaatleb mitme miljoni tähe kiirust piki vaatekiirt, mis lubab saada suurepärase ülevaate Linnutee galaktika dünaamikast. Suure spektraalse lahutuse tõttu võimaldab 4MOST ühtlasi määrata tähtede füüsikalisi näitajaid ja täheatmosfääride keemilist koostist. 4MOST-i vaatluste eesmärk on saada galaktilise arheoloogia tarbeks võimalikult täpne andmestik, mis aitab mõista, kuidas meie kodugalaktika Linnutee on tekkinud ja arenenud.

Peale Linnutee üldise uurimise on plaanis 4MOST-iga detailselt vaadelda Magalhãesi pilvi – meie kodugalaktika lõunataevas silmaga nähtavaid kaaslasi. Palja silmaga on öötaevas võimalik näha Linnutee galaktika ketast. Kuna Päike on üks selle ketta tähti, on Linnutee tasand laotunud üle kogu vaadeldava öötaeva. Linnutee ülesehitus ei piirdu ainult palja silmaga nähtavaga, vaid see koosneb veel paljudest silmale nähtamatutest, kuid teleskoobiga tuvastatavatest tähevooludest. Iga tähevool on jälg kääbusgalaktikast, mille Linnutee on kunagi alla neelanud. 4MOST võimaldab uurida ka üksikuid tähevoolusid, mis aitab mõista, kuidas Linnutee galaktika on väikeste kääbusgalaktikate kulul aja jooksul kasvanud.

eROSITA järelvaatlused

2019. aastal vaatlusi alustanud kosmosemissiooni eROSITA alus on röntgenteleskoop, mis peaks vaatlusi tegema üle seitsme aasta. eROSITA kaardistab taevas mitu miljonit kvasarit ehk aktiivset galaktikatuuma ning teeb kindlaks üle saja tuhande galaktikaparve. eROSITA-ga tuvastatud taevakehade arv on suurusjärk suurem, kui on neid kokku avastatud kõigi varasemate röntgenteleskoopidega. See loob suurepärase statistilise andmestiku röntgenobjektide uurimiseks. eROSITA-ga kindlaks tehtud kvasarid on pärit nii meie lähedasest universumist kui ka universumi kaugematest piirkondadest.

Paraku ei võimalda üksnes röntgenteleskoobiga saadud andmed määrata kvasarite ja galaktikaparvede kaugust. Ka siin tuleb appi 4MOST-i teleskoop, mis vaatab spektroskoopiliselt üle suure osa eROSITA tuvastatud objektidest. 4MOST-i põhieesmärk on mõõta nende objektide punanihe, mis annab meile objektide kosmoloogilise kauguse ning aitab luua kvasarite kolmemõõtmelise kaardi universumis. Nii kvasarite kui ka galaktikaparvede kolmemõõtmelise kaardistamise alusel saab omakorda kontrollida eri kosmoloogiliste teooriate ja mudelite paikapidavust. See on samm selles suunas, et mõista universumis valdava tumeenergia saladusi.

eROSITA röntgenteleskoobi vaatlusandmete põhjal koostatud pilt kogu taevast. Foto: JOHANNES BUCHNER / WIKIPEDIA

Pildi keskmes olevast horisontaalsest Linnutee galaktika tasapinnast eemal nähtav punakas kuma on päikesesüsteemist eralduv kuum gaas. Galaktika tasapinnas neelab tolm ja gaas väikseima energiaga röntgenfootoneid, mistõttu on selles piirkonnas näha ainult kõrge energiaga kiirgavaid allikaid, mille värvus paistab pildil sinine. Keskme lähedal olev rohelist ja kollast värvi kuumem gaas kannab endas jälgi Linnutee kõige suurema energiaga protsessidest: supernoovaplahvatustest, galaktika tasapinnast väljuvatest gaasivooludest ja võib-olla ka praegu galaktika keskmes uinuvast ülimassiivsest mustast august lähtunud kunagisest kiirguspurskest. Läbi selle turbulentse kuuma keskkonna paistavad enamasti valgete täppide ja laikudena sajad tuhanded röntgenikiirguse allikad, mis jaotuvad ühtlaselt üle kogu taeva. Nende hulgas on punktallikatena nähtavad kauged aktiivsed galaktikate tuumad, aga galaktikaparved ilmutavad end pildil suuremate röntgenikiirguse udulaikudena. Sellelt taevapildilt on tuvastatud ligi miljon röntgenikiirguse allikat

Universumi kosmiline ülesehitus ja galaktikate areng

Arvestatav osa 4MOST-i vaatlusajast kulub galaktikatele. Viieaastase vaatlusprogrammi jooksul mõõdab 4MOST ligikaudu kümne miljoni galaktika punanihke, mis on otseselt seotud galaktikate kosmoloogilise kaugusega. Teades galaktikate asukohti taevas ja kaugust, mis tuleb 4MOST-i vaatlustest, on võimalik koostada üksikasjalik kaart meid ümbritsevast kosmilisest struktuurist. Arvutil tehtud numbrilistes jäljendustes näeme väga rikkalikku struktuuri, mis on vaadeldav eelkõige tumeaine jaotuses. Praeguste vaatlusandmete järgi saab kosmilise ülesehituse kindlaks teha, aga see ei ole pooltki nii detailne, kui näitavad jäljendused. 4MOST-i vaatlused parandavad seda olukorda tunduvalt ning võimaldavad meil saada universumi ehitusest palju täpsema pildi.

Teaduslikult on see oluline kahel eesmärgil. Esmalt aitab see kontrollida praegu valitseva kosmoloogilise mudeli või hoopis teiste kosmoloogiliste teooriate kehtivust. Teisalt aitab universumi ehituse üksikasjalik vaatlemine mõista, kuidas galaktikad tekivad ning kuidas keskkond aitab kaasa ja mõjutab nende arengut. See on tänapäeva astrofüüsika olulisemaid lahendamata küsimusi.

Haruldaste objektide vaatlemine

Kuna teadlastele on alati huvi pakkunud haruldased objektid, on sedagi 4MOST-i vaatlusprogrammi koostamisel arvesse võetud. Nagu mainitud, vaatleb 4MOST miljoneid Linnutee tähti. 4MOST-i vaatlusteks on tähed valitud juhuslikult, niisiis on põhjust arvata, et mõni vaadeldud täht osutub eriliseks või eriti haruldaseks. Üks näide on eriti metallivaeste tähtede otsimine Linnuteest. Metallivaesed tähed on meie galaktikas väga haruldased ja kannavad endas olulist infot meie galaktika tekke algusaegade kohta. Eriti metallivaeste tähtede põhjal on võimalik hinnata, millal tekkisid Linnutees esimesed tähed.

4MOST-iga peaaegu samal ajal alustab tööd LSST, mis on lõunataeva pildistamiseks mõeldud fotomeetriline teleskoop. LSST katab ära kogu lõunataeva; vaatlused on planeeritud nii, et sama taevapiirkonda jälgitakse mitmel järjestikusel ööl. Nimelt tahetakse nõnda ühe sihina leida lühikest aega nähtavaid objekte, näiteks supernoovasid ehk täheplahvatusi. Esialgsete hinnangute järgi avastab LSST sadu kordi rohkem supernoovasid, kui neid on senini kokku avastatud.

Selleks et LSST-ga avastatud supernoovad tooksid võimalikult suurt teaduslikku kasu, tuleb mõõta ka nende kosmoloogilised kaugused. Siin tuleb jälle appi 4MOST: üks selle vaatlusprogrammidest on keskendunud LSST-ga avastatud supernoovade uurimisele. LSST ja 4MOST-i vaatlusi kombineerides on võimalik väga täpselt määrata, kuivõrd kiiresti universum paisub, ning täpsustada tumeenergia osakaalu kosmoloogilises mudelis.

Vaade Paranali mäel olevatele Euroopa lõunaobservatooriumi observatooriumidele. Esiplaanil on VISTA ja taamal VLT kompleks Foto: ESO / G. HÜDEPOHL

Tartu astronoomide panus

Nagu eespool mainitud, on 4MOST järgmise põlvkonna vaatlusriist, mille ühe vaatlusega saab vaadelda ligi kahe ja poole tuhande objekti spektrit. Seadme võimekus jälgida väga paljusid objekte korraga ongi peapõhjus, miks kõik eelkirjeldatud teaduslikud uuringud tehakse korraga. Ühe vaatluse käigus võetakse uurimise alla nii tähed, galaktikad, supernoovad kui ka teised objektid, mis kõik on tuvastatud teiste uurimisprogrammide vaatlustega. Eri objekte koos vaadeldes saab küll teleskoopi võimalikult optimaalselt rakendada, kuid ühtaegu tuleb leida lahendus küsimusele, mismoodi kavandada vaatlusi niivõrd tõhusalt, et teaduslik tulemus oleks maksimaalne.

Seejuures tuleb arvesse võtta ka teist aspekti. 2436 instrumendi fiibrit asuvad fokaaltasandis korrapäraselt ning nende liikuvus on tugevalt piiratud. Seega, selleks et mõni fiiber ei jääks kasutamata, tuleb vaatluseks valida ja ette valmistada rohkem objekte, kui neid saab tegelikult selle seadmega vaadelda. Praktikas tähendab see seda, et ainult umbes pool 4MOST-i eri vaatlusprogrammides olevatest objektidest saab vaadeldud. Vaatlusi planeerides saab valida, milliseid objekte jälgida ja milliseid mitte. Näiteks kui soovitakse teaduslikult vaadelda kõiki haruldasi objekte, võib valimitest, kus leidub miljoneid tähti, jätta pool objektidest vaatlemata, ilma et see mõjutaks teadustulemust.

Tartu ülikooli Tartu observatooriumi astronoomid on viimastel aastatel panustanud sellesse, et 4MOST-i vaatlusprogramm oleks koostatud võimalikult optimaalselt, nii et seadme kasutus oleks võimalikult tõhus ja ühtaegu eri vaatlusprogrammide teaduslik panus maksimaalne. See on küllaltki keeruline matemaatiline probleem, sest optimeeritavaid näitajaid on väga palju. Nüüdisarvutite suurt jõudlust ära kasutades on probleemile siiski leitud lahendus ning vaatluste jäljendamised näitavad, et 4MOST-i jaoks koostatud ühine vaatlusprogramm vastab üksikute programmide tingimustele.

Vaatluste optimaalne planeerimine on küll väga oluline, aga tegelik teadustöö algab alles siis, kui 4MOST alustab 2024. aasta esimesel poolel oma vaatlusprogrammiga. 4MOST vaatleb miljoneid objekte ‒ seda võib nimetada ka statistiliseks vaatlusprogrammiks, kus on ääretult tähtis mõista vaatluste valikut. Et niisugust valikut mõista ja hinnata, jäljendatakse 4MOST-i viieaastast vaatlusprogrammi tuhandeid kordi. 4MOST-i vaatlusi planeerides on see ülesanne jäänud samuti Tartu astronoomide hooleks. Praegu on töö pooleli, aga see tuleb lõpetada enne vaatluste algust.

Kokku võttes saab öelda, et lähiaastatel saab alguse väga huvitav ja mitmekülgne vaatlusprojekt, mis annab meile kindlasti uusi ja huvitavaid teadustulemusi. Kõige põnevamaks osutuvad ilmselt need tulemused, mida me veel ei oska isegi ette näha. Teadus on olemuselt ettearvamatu ja ennustamatu!

Elmo Tempel (1980) on Tartu ülikooli Tartu observatooriumi galaktikate füüsika ja kosmoloogia osakonna juhataja, astronoomiaprofessor ja akadeemik. Tema teadustöö keskmes on universumi suuremastaabilise ehituse ja galaktiliste ahelate ning galaktikate tekke uurimine, ta arendab ka matemaatilisi meetodeid, mis on mõeldud kosmoloogiliste vaatlusandmete töötlemiseks.

Foto: Horisont / MTÜ Loodusajakiri

Artikkel ilmus ajakirja Horisont märtsi-aprilli numbris.