Metsähovin Radiotutkimusasema
Yleistä


Seppo Urpo

Sisältö

Johdanto
Alan lyhyt historia
Uusittu radioteleskooppi
Metsähovin nykyiset tutkimusprojektit
Laiterakennus
VLBI-tiede
Avaruus-VLBI
Kvasaaritutkimus
Aurinkotutkimus
Avaruuden molekyylisäteily
Avaruustutkimus
Henkilökunta
Koulutus
Julkaisut


Johdanto

Metsähovin radiotutkimusasema toimii Kirkkonummella Kylmälän kylässä. Aseman nykymuodossaan aloitti professori Martti Tiuri ollessaan Suomen Akatemian tutkijaprofessorina 1970-luvulla. Suomen Akatemia oli tuolloin perustamassa Metsähovia osana tutkijaprofessori Tiurille myönnettävästä tuesta. Alkujaan asema kuului Teknillisen korkeakoulun radiolaboratorioon. Metsähovista tuli suoraan TKK:n hallituksen alainen erillinen laitos vuonna 1988. Metsähovin radiotutkimusasemalla tutkitaan taivaan radiosäteilyä eli radioastronomiaa. Laiterakennus kuuluu oleellisena osana Metsähovin toimintaan.

Alan lyhyt historia

Metsähovin tila Kirkkonummella on ollut Helsingin yliopiston omistuksessa vuosisadan alusta lähtien. 1960-luvun alkupuolella Helsingin yliopiston radioastronomian asema (RAA) käytti aluetta mm. Jupiterin radiosäteilyn tutkimuksiin professori Jaakko Tuomisen ja dosentti Jorma Riihimaan johdolla.

Professori Tiurin aloitteesta Teknillisen korkeakoulun radiolaboratorio alkoi käyttää Metsähovia radioastronomisiin ja muihin tutkimuksiinsa 1960-luvun puolessa välissä. Vuonna 1966 tilattiin Valmet Oy:ltä 4 metrin halkaisijainen radioteleskooppi, joka pystytettiin Metsähoviin ns. ylämökin viereen. Näihin aikoihin rakenneltiin Metsähoviin myös suuria helix-antenneja, joita käytettiin Jupiterin dekametrisäteilyn tutkimiseen 20-40 MHz:n taajuuksilla. Samoin alueella kehiteltiin sääsatelliittien kuvien vastaanottoon sopivia antenneja ja vastaanottimia, joista myöhemmin tuli Vaisala Oy:n markkinoima kaupallinen myyntiartikkeli.

Vuonna 1967 kävelin professori Tiurin puheille kysymään mahdollista diplomityöaihetta ja työpaikkaa. Onni hymyili ja minusta tuli diplomityöntekijä 600 mk/kk palkalla. Diplomityön aiheeksi Tiuri ilmoitti: "Suunnittele ja rakenna radioteleskooppi". Tyhmyyksissäni ja ymmärtämättä vaadittavan työn määrää aloitin työt maanantaina. Noin kahdessa viikossa totuus valkeni ja diplomityöni aihe vaihdettiin toiseksi. Valmistumiseni jälkeen vuonna 1968 asiaan kuitenkin palattiin, koska Suomen itsenäisyyden juhlavuoden 1967 rahasto SITRA oli myöntänyt professori Tiurille peräti 7 000 mk "suuren radioteleskoopin" suunnittelemiseen. Lyhyen ajan sisällä olin jo toista kertaa polkaisemassa tyhjästä mahtavaa radioteleskooppia. Suunnitelma 20 metrin halkaisijaisesta Suomessa valmistettavasta radioteleskoopista valmistuikin tuota pikaa syksyllä 1968. Kustannusarvio oli 616 000 mk, jota ei kuitenkaan saatu hankittua ja suunnitelma hyllytettiin.

Professori Tiuri ei kuitenkaan luopunut ja monien kiemuroiden jälkeen Teknillinen korkeakoulu sai vuonna 1972 julkisuudessa tunnetulta opetusministeriltä luvan tilata "tutkijaprofessori Martti Tiurin tarvitseman paraboloidiantennilaitteiston". Helsingin yliopisto lahjoitti Teknilliselle korkeakoululle omistamastaan Metsähovin tilasta maa-alueen. 14 metrin halkaisijainen radioteleskooppi tilattiin amerikkalaiselta Electronic Space Systems Corporationilta, jonka edustajana ja alitoimittajana toimi Nokia Oy. Teleskooppi otettiin käyttöön vuonna 1974. Seuraavana vuonna valmistui laboratoriorakennus ja asema oli toimintavalmis.

Radioastronomiset mittaukset aloitettiin heti teleskoopin valmistuttua. Antennia käytettiin aluksi myös satelliittitietoliikenteen etenemistutkimuksiin. Ensi kertaa Suomessa katseltiin Metsähovissa "taivaskanavalta" värillistä televio-ohjelmaa 4.10.1976.

Metsähovin radioteleskoopin uudistusohjelma aloitettiin 1990-luvulla. Suojakupu uusittiin vuonna 1991, uusi laboratoriosiipi valmistui 1992 ja antennin peilipaneelit ja taustarakenne vaihdettiin vuonna 1994. Apupeilin ja servosysteemin uusinnat ovat seuraavina ohjelmassa.

Uusittu radioteleskooppi

Uudistusohjelman merkittävin tapahtuma oli peilipaneeleiden vaihtaminen entistä tarkempiin. Nykyisten paneeleiden pintatarkkuus on 0,1 mm (entisten 0,35 mm). Käytännössä tämän ansiosta teleskoopin hyötysuhde parani ylimmillä taajuuksilla jopa 3-kertaiseksi ja suurin käyttötaajuus nousi 250 GHz:iin (ennen 115 GHz).

Metsähovin nykyiset tutkimusprojektit

Laiterakennus

Metsähovissa rakennetaan radioastronomiassa tarvittavia laitteita. Tämä on välttämätöntä, koska monesti näitä laitteita ei ole kaupallisesti saatavana tai Metsähovin rahat eivät ole riittäneet ostamiseen. Lisäksi laiterakennus sopii hyvin Metsähovin rooliin TKK:n perus- ja jatkokoulutuspaikkana.

Kuva 1. Jäähdytetyn 43 GHz:n vastaanottimen lohkokaavio.

Kuva 2. Metsähovin VLBI-mittaussysteemi.

Viime aikaisista laiterakennushankkeista mainittakoon VLBI-laitteet (VLBI eli Very Long Baseline Interferometry, pitkäkantainterferometria) ja millimetriaaltoalueen vastaanottimet. Metsähovi rakensi ensimmäisenä Euroopassa (ja toistaiseksi ainoana) omat uusimman VLBA-standardin mukaiset laitteensa, kuva 2. Tämä näpertely on johtanut kansainväliseen tilaustutkimustoimintaan. Metsähovi on jo toimittanut VLBI-mittauksissa tarvittavaa elektroniikkaa viidelle johtavalle eurooppalaiselle radioastronomian asemalle. Vuosina 1995-1996 Metsähovi toimitti vastaavia laitteita NASAn Deep Space Network asemille lähes miljoonan markan arvosta. Pohjoisin asiakas löytyy Huippuvuorilta ja tilauskirjasta löytyy myös kaksi kiinalaista asemaa.

Viimeisimpiä millimetriaaltoalueen vastaanottimien kehittämiskohteita oli Metsähovissa nyt nestemäisellä heliumilla jäähdytetty 43 GHz:n vastaanotin, joka rakennettiin VLBI-mittauksia varten, kuva 1. Vastaanotin valmistui käyttöön vuoden 1997 lopulla. Se pystyy mittaamaan samanaikaisesti kahta ristikkäistä lineaarista polarisaatiota ja sen kohinalämpötila on noin 70 K. Vastaanotinta käytetään millimetri-VLBI-mittauksiin. Euroopassa vain Metsähovi ja Effelsberg Bonnin lähellä pystyvät näihin uusinta VLBI-kehitystä edustaviin mittauksiin.

VLBI-tiede

VLBI-tekniikassa käytetään samanaikaisesti useita toisistaan etäällä sijaitsevia radioteleskooppeja saman kohteen mittaamiseen. Näin voidaan tehdä hyvin tarkkoja radiosäteilykarttoja kaukaisistakin kohteista. Radioastronomia on nykyisin erottelutarkkuudeltaan ylivoimainen. Esimerkiksi parhaat optiset mittaukset ovat kertaluokkia epätarkempia, kuva 3. Radioastronomiassa voidaan erottelutarkkuutta vieläkin parantaa käyttämällä mittauksiin lyhyempiä aallonpituuksia tai lisäämällä antennien välimatkaa. Metsähovi on ensimmäisten mukana hyödyntämässä näitä molempia mahdollisuuksia eli millimetri-VLBI:ssä ja satelliitti-VLBI:ssä.

Kuva 3. Kvasaari 3C 273. Vasemmalla Hubble avaruusteleskoopin ottama optisen alueen kuva ja oikealla VLBI-mittausten avulla tehty säteilykartta. Radiokartta on 5000 kertaa tarkempi.

Metsähovi on käyttänyt jo vuosia VLBI-tekniikkaa kvasaaritutkimuksissaan. Metsähovi osallistuu eurooppalaisiin European-VLBI-Network-mittauksiin ja maailmanlaajuisiin Global-Network-mittauksiin. Metsähovin tutkijat ovat johtavassa asemassa polarisaatio-VLBI-mittauksissa ja sen tekniikan kehittämisessä, kuva 4.

Avaruus-VLBI

Metsähovi on ollut monin tavoin mukana kahdessa avaruus-VLBI-hankkeessa. Nämä ovat japanilainen VSOP (lähetys 1997) ja venäläinen RADIOASTRON. Metsähovi ja Metsähovin tutkijat ovat tehneet yhteismittauksia VSOP:n kanssa ja olleet mukana molempien satelliittien tiedeohjelmien suunnittelussa ja tieteellisissä johtoryhmissä. Lisäksi he käyttävät satelliittien havaintoaikaa omiin tutkimuksiinsa. VSOP:ssä Metsähovin tutkijat ovat mukana noin 15 tutkimushankkeessa.

Kuva 4. Maailman ensimmäinen 22 GHz:n VLBI-polarisaatiokartta. Kvasaarin 2C 279:n etäisyys on 6 miljardia valovuotta. Käyrät kuvaavat lineaarisesti polarisoituneen säteilyn voimakkuutta ja suorat viivat sähkökentän värähtelysuuntaa. Kuvan erotuskyky on 250 mikrokaarisekunttia.

Kvasaaritutkimus

Aivan alusta pitäen on Metsähovissa harjoitettu kvasaaritutkimusta. Toiminta alkoi, kun professori Tiurin hyvä tuttu, oppi-isä ja radioastronomian suuriin pioneereihin Janskyn ja Reberin kanssa kuuluva professori John Kraus Ohio State yliopistosta ehdotti, että Metsähovissa mitattaisiin noin kahdenkymmenen säteilyspetriltään "kiinnostavan" kvasaarin vuontiheydet Metsähovin käyttämillä taajuuksilla. Kohteiden joukkoon kuului mm. Krausin ryhmän löytämä kvasaari OH 471, joka piti pitkään hallussaan kvasaareiden etäisyyden "maailmanennätystä" (yli 13 mrd valovuotta).


Kuva 5. Kvasaarin teoreettinen malli.

Nykyisin Metsähovissa seurataan jatkuvasti yli sadan kvasaarin säteilyä ja säteilyssä tapahtuvia purkauksia, kuva 6. Korkeammilla radiotaajuuksilla Metsähovin 15-20 vuoden mittainen tietopankki näistä kvasaareista ja niiden purkauksista on paras maailmassa ja säilyy sellaisena, jos Metsähovin rahoittajat vain jaksavat olla myötämielisiä. Metsähovin kvasaaritietopankkia käytetään mm. satelliittien mittaamien gamma- ja röntgensäteilypurkausten tunnistamisessa sekä VLBI-karttakohteiden valitsemisessa (Target of Opportunity).

Kvasaarien monitorointi tukee Metsähovissa tehtävää teoreettista työtä ja kvasaareiden mallintamista, kuva 5. Metsähovin tutkijoilla on ollut keskeinen asema kvasaareiden ns. yhtenäismallin kehittelyssä sekä moniaallonpituustutkimuksissa.

  Kuva 6. Metsähovissa on seurattu kvasaarin 3C 273 säteilyn vaihteluita yli 15 vuoden ajan.

Aurinkotutkimus

Auringon radiosäteilyn tutkimus on kuulunut Metsähovin tutkimusohjelmaan 1970-luvulta lähtien. Metsähovissa ollaan oltu kiinnostuneita Auringon millimetriaaltosäteilystä ja siinä tapahtuvista purkauksista. Metsähovissa mitataan Auringon radiosäteilykarttoja, kuva 7, sekä tutkitaan Auringon aktiivisista alueista lähteviä säteilypurkauksia. Auringon säteily yleensä ja radiosäteily sen mukana noudattaa noin 12 vuoden jaksollisuutta. Säteilyn purkaukset ovat tavallisesti yhteydessä auringonpilkkuihin ja niiden esiintymiseen.

Metsähovi on maailmassa johtavassa asemassa tutkittaessa Auringon koronassa esiintyviä millimetrisäteilylähteitä. Ennen Metsähovia oli alan kirjallisuudessa vain kahdessa sivulauseessa viittaus tällaisiin, yksi USA:sta ja toinen Neuvostoliitosta. Samoin Metsähovi on ensimmäisenä raportoinut lähellä Auringon napoja esiintyvät radiosäteilyn kirkastumisalueet sekä käyttänyt näitä alueita Auringon differentiaalisen pyörimisnopeuden määrittämiseen lähellä napoja. Lisäksi Metsähovissa on tutkittu Auringon värähtelyjä, koronan aukkoja, keskimääräistä hiljaisempia Auringon alueita sekä varsinkin viimeaikoina röntgensäteilyn ja radiosäteilyn yhteyksiä. Metsähovi tekee yhteistyötä kaikkien nykyisten Aurinkoa tutkivien satelliittien kanssa kuten GOES, YOHKOH, SOHO, Ulysses ja Koronas.



Kuva 7. Auringon radiosäteilykartta elokuulta 1991. Mittaustaajuus 37 GHz. Auringossa oli tuolloin kaksi voimakasta aktiivista aluetta eteläisellä puoliskolla, toinen lähellä itäreunaa ja toinen lähellä länsireunaa.

Avaruuden molekyylisäteily

Helsingin yliopiston tutkijat ovat harjoittaneet Metsähovin laitteilla avaruuden molekyylisäteilyn tutkimusta jo pitkään. Molekyylisäteilyä tulee varsinkin oman Linnunratamme keskuksen lähialueilta, jossa syntyy jatkuvasti uusia tähtiä. Avaruudesta on löydetty yli sata erilaista molekyyliä, joiden joukossa on sellaisia tarpeellisia aineita kuten vesihöyry ja muurahaishappo sekä insinööreille täysin tarpeettomia kuten häkä ja metanoli.

Avaruustutkimus

Metsähovin nykyinen toiminta perustuu paljolti satelliittien käyttöön. Metsähovi tekee yhteismittauksia satelliittien kanssa, on suunnittelemassa niillä tehtäviä tutkimuksia sekä käyttää monipuolisesti satelliittien mittaustietoja. Metsähovi hyödyntää jatkuvasti lähes kahtakymmentä satelliittia.

Henkilökunta

Metsähovissa työskentelee noin 15 henkilöä, joista 5 saa palkkansa suoraan TKK:lta ja muut ovat joko Suomen Akatemian rahoittamia tai tilaustutkimuksista saaduilla varoilla palkattuja. Henkilöistä kuudella on tohtorin tutkinto.

Koulutus

Metsähovissa suoritetaan TKK:n avaruustekniikan laboratoriotyökurssiin kuuluva tähtieteellinen osuus ja Helsingin Yliopiston tähtitieteen radioastronomian harjoitustyöt. Metsähovin tutkimus- ja laiterakennustoiminta tarjoaa opiskelijoille mahdollisuuden suorittaa eritasoisia akateemisia tutkintoja, kuva 8.

Kuva 8. Vuosittaiset tutkintomäärät Metsähovissa

Kuva 9. Vuosittaiset julkaisumäärät Metsähovissa

Julkaisut

Julkaisut ovat tutkimuslaitoksen lopputuotteita, joilla sen tuloksellisuus mitataan. Metsähovi tuottaa vuosittain noin 40 julkaisua, kuva 9.


etusivu webmaster@kurp-www.hut.fi

Päivitetty:  Monday, 24-Oct-2011 13:37:36 EEST

Takaisin Metsähovin kotisivulle