Eteläisen taivaan alla

Lentokone tärisee ja poukkoilee valtavasti turbulenssin kourissa sen ylittäessä maapallon pisintä vuoristoketjua, Andien vuoristoa. En kuitenkaan purista istuimen käsinojia tai pelkää kohtaavani loppuani koneen syöksyessä kohti Aconcaguan lähes seitsemänkilometristä huippua, vaan katson kuin naulittuna ikkunasta kuinka Andien lumipeite on huomattavan heikkoa ja puuttuu osalta huipuista kokonaan, vaikka on vielä kevät.

Kone kaartaa etelään, kohti Santiagoa, joka saa lähes kaiken vetensä Andien mahtavan vuoriston sulamisvirroista.

Ilmastokatastrofi näkyy brutaalilla tavalla eteläisellä pallonpuoliskolla. Chile kärsii tuhoisista tulipaloista, kun loppukesän kuiva kausi ja armottoman kuuma Aurinko saavat puut pudottamaan lehtensä jättäen erilaiset kaktukset ja muut kuivaa kestävät kasvit ainoiksi maiseman viherpilkuiksi. Samaan aikaan kastelu- ja juomavetenä käytetyt joet hiipuvat ensin puroiksi ja kuivuvat sitten kokonaan, koska Andien jäätiköt, joiden sulamisvedestä ne saavat alkunsa, kutistuvat kaiken aikaa, eikä vettä enää riitä kaikkiin joenuomiin. Ilmastokatastrofi uhkaa vakavalla tavalla Chilen vesihuoltoa.

Calanin observatoriosta on vaikuttavat näkymät keskustaan. Se on rakennettu matalalle vuorelle kaupungin itäpuolelle mutta kaupunki on vuosikymmenten saatossa nielaissut vuoren kokonaan ja ympäröi nyt observatoriota joka puolelta. Kaupungin savusumu ei onneksi ylety Calaniin asti, vaikka ilmanlaatu ei täytäkään eurooppalaisia standardeja edes keskusta-alueen ulkopuolella. Santiagon hengitysilman laatu kärsii valtavasti niin raskaasta liikenteestä ja puun ja hiilen poltosta kuin tuulen mukanaan kuljettamasta metsäpalojen savusta.

Kuva 1. Calanin pieni vuori ja observatorio, Santiago. Kuva: Guy Wenborne, Gentileza Fundación Cerros Isla.

Tähtitiedettä Chilessä

Kävin ensimmäistä kertaa Santiagossa vuonna 2014. Nyt, vuonna 2019, vierailen jo neljättä kertaa ja tilanne on sama kuin aina aiemminkin. Rahoitukseni Englannissa, Hertfordshiren yliopistossa on katkennut, joten hyvä ystävä ja kollega, professori James Jenkins, on tarjonnut kuukauden kestävää pestiä eteläisen taivaan alla eksoplaneettatutkimuksen parissa. Se on akateemisen pätkätyöläisen arkea.

Chile on tähtitieteellisen maailman keskipiste. Maassa sijaitsee yli 70% maapallon tähtitieteellisestä valonkeräyskapasiteetista, eli teleskooppien peilipinta-alasta, ja lukema on vain kasvamassa, kun uuden sukupolven jättiläisteleskoopit (kuten ELT) saadaan valmiiksi. Omalta kannaltani on kiinnostavampaa, että Chilen tähtitieteilijät saavat kokonaisen 15% kiintiön Euroopan Eteläisen Observatorion (ESO) havaintoajasta. Siksi saan aina tarvittaessa chileläisiltä kollegoiltani arvokasta dataa tutkimukselleni keskeisistä kohteista.

Olen erikoistunut planeettojen havainnointiin kiertämässä Auringon lähinaapuruston punaisia kääpiötähtiä. Erityisesti, osaan erotella planeettojen aiheuttamat heikot signaalit mittausten kohinasta kenties paremmin kuin kukaan alan tutkijoista (1). Sellaisen signaalin olin löytänyt läheisen tähden Gliese 357 havainnoista.

Oikeastaan olin löytänyt kolme erillistä signaalia, jotka antoivat viitteitä siitä, että tähden Gliese 357 ympärillä saattaisi olla kokonainen kolmen planeetan järjestelmä mutta olimme erityisen kiinnostuneita planeettakunnan sisimmästä kiertolaisesta.

Gliese 357 c kiertää tähtensä ympäri nopeasti, tähden pintaa viistäen, vain vaivaisessa 3.9 päivässä. Se on suhteellisen pienikokoinen, kuuma kiviplaneetta, massaltaan vain noin kaksi kertaa Maata suurempi. Samankaltaisia planeettoja on lähitähtiemme kiertolaisina valtavasti. Niitä kutsutaan supermaapalloiksi, koska Maan tapaan ne ovat kivisiä mutta niiden massa on suurempi kuin Maalla. Tiesin kuitenkin aluksi vain planeetan massan alarajan, mikä on ainoa planeetan koosta kertova tieto, jonka saamme radiaalinopeusmenetelmällä tehdyillä havainnoilla.

Sitten koitti vuoden 2018 huhtikuu ja taivaalle laukaistu TESS (Transitin Exoplanet Survey Satellite) muutti kaiken. Tai oikeammin, chileläiset ilmoittivat intoa täynnä löytäneensä Gliese 357 c:n ylikulun TESSin tuoreista havainnoista, kun tähti vihdoin osui satelliitin havaintokenttään vuonna 2019. Planeetan ratataso oli siis meistä katsottuna sellainen, että se sattui kulkemaan radallaan täsmälleen tähtensä editse. Tiesimme välittömästi kaksi asiaa: planeetan minimimassa olisi yhtä suuri kuin sen todellinen massa ja voisimme lisäksi määrittää planeetan koon ja siten tiheydenkin, saaden tietoa tämän läheisen supermaapallon koostumuksesta (2).

Uudet maailmat

Kokonaisen uuden planeettakunnan tarkastelu on työlästä ja aluksi on aina kyettävä vastaamaan kahteen kysymykseen. Ensinnäkin, on selvitettävä voisivatko havaitut radiaalinopeussignaalit johtua tähden pinta-aktiivisuuden tuottamista jaksollisuuksista. Toiseksi, on varmistettava, että havainttujen signaalien tulkinta planeettakunnaksi on fysikaalisesti mahdollinen ja planeettojen välinen vetovoima ei saa järjestelmää kaaokseen ja sen kiertolaisia suistumaan radoiltaan. Olemassaolevan planeettakunnan kiertoratojen on oltava stabiileja, koska muutoin se ei voisi olla olemassa ja emme sitä koskaan voisi havaita.

Tähden Gliese 357 tapauksesa oli selvää, että radiaalinopeuksmittauksista havaittu 3.9 päivän jaksollisuus oli todellakin planeetan aiheuttama — aiheuttaja nimittäin löydettiin myös ylikulkumenetelmällä. Kun planeetan signaali on kyetty näkemään kahdella toisistaan riippumattomalla havaintomenetelmällä, se katsotaan ”varmistetuksi” löydöksi. Mutta toiset kaksi signaalia, joiden jaksot olivat 9.1 ja 56 päivää, saattoivat silti olla tähden aktiivisuuden tuotosta ja niiden tulkinta planeettojen aiheuttamiksi siten virheellinen.

Kaikeksi onneksi tiesimme tähden aktiivisuusmittauksista, että GJ 357 pyörähtää itsensä ympäri noin 74 päivässä. Tällainen suhteellisen pitkä pyörähdysaika tarkoittaa, että tähti on vanha ja sen aktiivisimmat elinvaiheet ovat kaukana takana päin. Tärkeämpää oli kuitenkin, että kumpikaan havaituista signaaleista ei voinut olla tähden pyörimisen, ja sen pinnalla näkyviin ja piiloon pyörähtävien tähdenpilkkujen tuottamia. Olimme siis turvallisilla vesillä. Tähden aktiivinen pinta tuskin aiheutti havaittuja jaksollisuuksia. Mutta olisiko signaaleja vastaava kolmen planeetan järjestelmä stabiili?

Planeettakuntien stabiiliutta tarkastellaan aina ennustamalla niiden ratojen evoluutiota kauas tulevaisuuteen ja katsomalla esiintyykö järjestelmässä merkittäviä määriä kaoottisuutta. Gliese 357:n planeettojen tapauksessa tulos oli hyvin selvä: planeetat muodostivat stabiilin järjestelmän, eivätkä planeettojen keskinäiset vetovoimat saaneet niitä suistumaan radoiltaan (2). Olimme siis löytäneet kokonaisen planeettakunnan.

Mutta ratalaskennan perusteella saimme toisenkin tärkeän tuloksen: kahden uloimman planeetan ratatasot eivät voineet poiketa sisimmän vastaavasta kovinkaan paljon, koska muutoin ne olisivat olleet havaittua minimimassaansa huomattavasti suurempia ja aiheuttaneet voimakkaita muutoksia toistensa ratoihin, mikä olisi tehnyt järjestelmästä epästabiilin. Se taas tarkoitti, että onnistuimme määrittämään uloimpien planeettojen massoille myös ylärajat ja kykenimme osoittamaan, että koko planeettakunta kiertää todennäköisesti tähteään suunnilleen samassa tasossa aivan kuten Aurinkokunnankin planeetat tekevät (2).

Saatuamme arvion järjestelmän sisimmän planeetan halkaisijalle ylikulkujen perusteella, tarjolla oli vielä yksi yllätys. Laskimme planeetan tiheyden olevan noin 40% suurempi kuin Maapallolla, mikä tarkoitti, että kyseessä on lähinnä raudasta ja nikkelistä koostuva pallo, jolla on vain ohut silikaattien, eli kiven, muodostama vaippa ympärillään. Maapallon rauta-silikaattivaippa on noin 3000 kilometriä paksu mutta Gliese 357 c:n vaippa olisi tätä huomattavasti ohuempi. Planeetan geologia poikkeaisi siis huomattavalla tavalla Maapallon geologiasta. Kaiken lisäksi Gliese 357 c on radallaan niin lähellä tähteään, että tähden valtaisat vuorovesivoimat ovat saaneet planeetan kiertoajan lukkiutumaan pyörimisaikaan siten, että se näyttää tähdelleen aina saman puoliskon pinnastaan. Planeetan pinnalla ei siis ole vuorokausivaihteluita, vaan vain joko ikuinen päivä tai yö.

Vesi mahdollistaa elämän

Vailla uloimman planeetan ylikulkuhavaintoja emme ole onnistuneet arvioimaan sen tiheyttä ja tutkimaan antaisiko koostumus viitteitä esimerkiksi merien olemassaolosta planeetan pinnalla. Tiedämme kuitenkin, että Gliese 357 d:n pintalämpotila on riittävän alhainen siihen, etteivät sen meret kiehu pois, vaan vesi pysyy planeetan pinnalla. Jos planeetalla on vettä, joka on yksi maailmankaikkeuden yleisimmistä yhdisteistä, se pysyy nestemäisenä planeettaa peittävän jääkuoren alla.

Nestemäinen vesi mahdollistaa elämän siinä muodossa kuin olemme sen Maapallolla opineet tuntemaan. Veden puute taas on elämälle tuhoisaa, kuten voi nopeasti havaita katsomalla ympärilleen Atacaman autiomaassa, jonka ylängölle maailman suurimmat observatoriot on rakennettu. Alueella ei kasva juuri mikään, koska siellä ei sada vettä juuri koskaan. Ja juuri siksi tähtitieteilijät ovat valinneet paikan suurten observatorioidensa kodiksi.

Ironisesti, suurin este tähtitieteelle maan pinnalla on vesi, jota ilman elämää ja siten ihmissivilisaatiota ja tähtitiedettä ei olisi. Pilvet tekevät tähtitaivaan kohteiden tarkkailusta mahdotonta ja pelkkä yläilmakehän vesihöyrykin heikentää havaintotarkkuutta ja estää laajoja aallonpituuskaistoja näkyvää valoa ja erityisesti infrapunasäteilyä saapumasta maahan asti. Vesi saa tähtitieteilijät rakentamaan teleskooppinsa vuorten huipuille, korkealle pilvimassojen ulottumattomiin ja paikkoihin, joissa ilmankosteus on mahdollisimman vähäistä.

Veden puute taas tuottaa ongelmia ihmisille. Niitä ongelmia voimistaa ilmastokatastrofi, joka sulattaa vuoristojen jäätiköt ja ehdyttää niiden sulamisvirroista riippuvaiset joet.

---

Allaoleva twiittiketju kertoo yksityiskohtaisemmin vuoden 2017 Chilen reissun tapahtumista.

A tale of @UniofHerts astronomer doing #science in Chile in one thread. Follow the tag #ScienceInChile! #exoplanets #astronomy

— Mikko Tuomi (@mustapipa) January 5, 2017

Lähteet

1. Dumusque et al. 2017. Radial-velocity fitting challenge. II. First results of the analysis of the data set. Astronomy and Astrophysics, 598, A133.
2. Jenkins et al. 2019. GJ 357: a low-mass planetary system uncovered by precision radial velocities and dynamical simulations. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 490, 5585.