Lähin Kentauri

Esko Valtaoja on ensimmäinen nimi, joka tulee mieleen, kun suomalaisia pyydetään nimeämään tähtitieteilijä tai ylipäätään tutkija. Valtaoja on emeritusprofessori, Tieto-Finlandialla palkittu kirjailija, kokenut tutkija ja tähtitieteen asiantuntija. Valtaoja on myös niin tunnettu mediakasvo, että pahasti pimentoon jääneille muille tutkijoille on koetettu jopa saada näkyvyyttä Vaihtoehto Eskolle -kampanjalla.

Siksi olikin hämmentävää, kun Valtaoja kertoi löytämäni (1,2) piskuisen planeetan voivan olla ainoa asia, joka meidän elinvuosistamme muistetaan 2500 vuoden kuluttua. On tietenkin totta, että Proxima b on kaikkein lähin eksoplaneetta, eli planeetta, joka kiertää jotakin toista tähteä. Tämä on selvää, koska Proxima Kentauri on Aurinkoa lähinnä sijaitseva tähti. Lähimmän eksoplaneetan voi puolestaan löytää vain kerran historian saatossa. Mutta tutkimuksen teko on usein jännittävämpää kuin vain saadut tulokset. Joskus planeetan löytäminen vaatii runsaasti tuuria ja sen, että sopiva tutkija sattuu osumaan sopivien mittausten äärelle.

Alla oleva teksti on muokattu vuoden 2016 kirjoituksestani ”How we found a planet orbiting Proxima Centauri” Physics Today -julkaisussa (1).

Kuinka löysimme planeetan kiertämässä Proxima Kentauria

Niin jännittävää kuin oikean planeetan löytäminen onkin, joskus on yhtä tärkeää selvittää minkälaisia planeettoja tähtien kiertoradoilla olisi voitu havaita muttei havaittu. Se oli tutkimusprojektini tavoite Hertfordshiren yliopistossa vuonna 2013. Tutkin Auringon lähinaapurustossa sijaitsevien punaisten kääpiötähtien radiaalinopeusmittauksia tarkoituksena arvioida minkälaisia mahdollisuuksia olisi havaita eri kokoisia ja eri kiertoradoilla tähtiään kiertäviä planeettoja.

Chilessä sijaitsevan ESO:n La Sillan observatorion 3.6 metrinen teleskooppi on varustettu HARPS instrumentilla, millä tähtitieteilijät löysivät planeetan kiertämässä Proxima Kentauria. Kuva: Y. Beletsky (LCO)/ESO/ESA/NASA/M. Zamani

Yksi kohteena olleista punaisista kääpiötähdistä oli Aurinkoa lähinnä sijaitseva tähti, Proxima Kentauri. Analysoimalla arkistoitua dataa, joka oli saatu kahdella eri instrumentilla (UVES ja HARPS) La Sillan observatoriossa, ryhdyin arvioimaan minimikokoa planeetoille, joiden löytämiseen havaintojen tarkkuus riittäisi erilaisilla kiertoradoilla. Havaitsin silloin jotakin kiinnostavaa: potentiaalisia merkkejä planeetan tai planeettojen aiheuttamista jaksollisista signaaleista suunnilleen kolmensadan ja kahdentuhannen päivän jaksojen kohdalla (3).

Merkitsin tuolloin Proxima Kentaurin muistiin kiinnostavana lähitähtenä mutta huomioni kohdistui muualle. Olin samoihin aikoihin tarkastelemassa havaintoja tähdestä Gliese 163 ja raportoimassa niiden pohjalta, että tähden kiertoradoilla on jopa neljä planeettaa (4).

Palasin Proxima Kentaurin havaintojen pariin vasta kuukausia myöhemmin. Suunnitelmanani oli ollut selvittää voisiko planeetan vetovoiman aiheuttama tähden heilahtelu aiheuttaa havainnoissa näkemäni heikot jaksollisuudet. Ajattelin, että jos löytämieni jaksollisten signaalien aiheutuminen pelkästä taustakohinasta olisi epätodennäköistä, niiden tarkempi tutkiminen olisi vaivan arvoista.

Jaksollisuuksia ei kuitenkaan oltu havaittu molemmilla instrumenteilla. UVES-instrumentin data osoitti niiden olevan olemassa mutta HARPS-instrumentin mittaukset eivät. Tällainen ristiriita voi aiheutua vain siitä, että havaitut jaksollisuudet eivät olleet Proxima Kentaurin, vaan UVES-instrumentin ominaisuus. Jotakin siis täytyi olla pielessä UVES-instrumentilla vuosien 2000 ja 2009 välillä tehdyissä havainnoissa. Kaikeksi onneksi tuolloisen tutkimusryhmäni jäsen Guillem Anglada-Escude selvitti nopeasti ongelman syyn: UVES-instrumentin mittauksissa oli kalibrointivirhe. Ryhmä, joka oli tehnyt havainnot vuosia aiemmin, ei ollut ottanut Maapallon rataliikettä riittävän tarkasti huomioon laskiessaan kohteena olleen tähden liikettä.

Korjattuamme kalibrointivirheen, huomasin välittömästi miten HARPS ja UVES-instrumenttien havainnoissa näkyi tilastollisesti merkitsevä 11.2 päivän jaksollinen signaali. Signaali oli suuruudeltaan niin pieni, että saatoimme todeta havainneemme 1 m/s jaksollisen nopeusmuutoksen tähden liikkeessä. Olimme onnistuneet mittaamaan tavallista kävelynopeutta vastaavan jaksollisen muutoksen 4.2 valovuoden päässä sijaitsevan Jupiteria hiukan suuremman plasmapallon liikkeessä.

Pienillä robottiteleskoopeilla tehdyt kirkkaushavainnot osoittivat samaan aikaan, että Proxima Kentaurin pyörähdysaika oli noin 83 päivää, joten löytämäni radiaalinopeussignaali ei voinut liittyä tähden pyörimiseen. Vuoden 2013 kesällä lähetinkin lähimpien kollegoideni kanssa kirjoittamani artikkelin julkaistavaksi. Artikkelissa sanottiin, että olimme luultavasti löytäneet planeetan kiertämässä Proxima Kentauria. Artikkelia ei koskaan hyväksytty julkaistavaksi.

Yksi ongelma oli, että vaikka löytämäni signaalin tilastollinen merkitsevyys oli korkea, se ei ollut riittävän korkea, jotta tulosta ei olisi voinut enää kiistää. Emme myöskään tienneet paljoakaan Proxima Kentaurin pinnan aktiivisuudesta. Vaarana on, että tähtien erilaiset magneettiset syklit tai tähdenpilkut voivat ajoittain aiheuttaa planeetan aiheuttamiksi signaaleiksi tulkittavissa olevia jaksollisuuksia. Mutta sellaiset jaksollisuudet eivät ole pysyviä, eikä itse jakso ole vakaata, vaan ne muuttuvat epäsäännöllisesti tähden muuttuvan aktiivisuuden mukana.

Lisähavainnot olivat ainoa kuviteltavissa oleva ratkaisu. Käynnistimme Guillem Anglada-Escuden johdolla ”kalpea punainen piste” -nimisen kampanjan (Pale Red Dot Campaign), jonka ensisijaisena tarkoituksena oli tehdä uusia havaintoja ja varmistua havaitsemani 11.2 päivän signaalin luonteesta. Suunnitelmamme mukaan, samanaikaiset radiaalinopeushavainnot ja tähden kirkkausmittaukset kertoisivat lähes varmasti oliko signaali tähden aktiivisuuden vai planeetan aiheuttama. Signaalin varmistaminen varmistaisi samalla sen olevan muuttumaton, kuten tähtiä kiertävien planeettojen aiheuttamien signaalien kuuluukin olla. Kaikki mitä tarvitsimme, oli uusi havaintosarja, joka kattaisi muutaman ratakierroksen.

Saimme viimein HARPS-instumentilta aikaa havaintojen tekoon vuoden 2016 keväällä.

Tieteessä havaintojen kohteet eivät aina käyttäydy oletetulla tavalla. Proxima Kentaurin uusissa havainnoissa näkyi runsaasti merkkejä aktiivisen pinnan purkauksista, mikä vaaransi havaintojemme tarkkuuden ja kalibroinnin. Onnistuimme kuitenkin näkemään tähden pinnan purkaukset selvästi sen kirkkausmittauksissa, jolloin oli mahdollista tunnistaa ja hylätä yksittäiset voimakkaimpien purkausten sotkemat radiaalinopeusmittaukset. Suunnitelmamme toimi täydellisesti: jo noin puolet kuudenkymmenen havaintoyön kampanjastamme riitti signaalin tilastollisen merkitsevyyden varmistamiseen. Olimme viimeinkin riittävän varmoja planeettalöydöstämme.

Kuva 2. Tämä Proxima Kentaurin radiaalinopeusmittausten ”periodogrammi” osoittaa, että mittauksissa on todistusaineistoa jaksollisen 11.2 päivän signaalin olemassaolosta. Kuva: Pale Red Dot

Tiedämme nyt, että Proxima Kentauria kiertää planeetta. Mutta mitä voimme sanoa sen ominaisuuksista? Koska planeetan ratataso on tuntematon, tiedämme vain sen minimimassan, joka on noin 30% Maan massaa suurempi. On siis mahdollista, että Proxima b on Maata huomattavasti massiivisempi. Vaikka vastaavanlaisia pieniä punaisia kääpiötähtiä kiertävät planeetat ovat tyypillisesti massaltaan pieniä, voimme sanoa vain, että mitä todennäköisimmin Proxima b ei ole massaltaan Neptunusta suurempi. Mutta sekään ei ole täysin varmaa.

Tiedämme myös, että Proxima b kiertää tähteään vain 0.05 AU:n etäisyydellä. Siihen kohdistuvat siksi tähden voimakkaat vuorovesivoimat, jotka pyöristävät planeetan radan täydelliseksi ympyräksi ja lukitsevat sen pyörimisen siten, että planeetta kääntää aina saman puoliskon kohti tähteään. Vaikka Proxima b olisi sunnilleen Maapallon kokoinen massaltaan, se näyttäisi aivan vieraalta paikalta planeetan toisen puolen kylpiessä ikuisessa punertavassa valossa ja toisen puolen ollessa ikuisessa yössä.

Emme toistaiseksi tunne juurikaan yksityiskohtia Proxima b:n ominaisuuksista mutta on hämmästyttävää miten pieni jaksollinen signaali voi kertoa meille niin paljon tähdestä ja planeetasta 4.2 valovuoden etäisyydellä Aurinkokunnasta. Tiedämme lisäksi, että Proxima Kentauria saattaa kiertää toinenkin planeetta. Sen varmistaminen on kuitenkin aivan oma seikkailunsa.

Lähteet

1. Tuomi 2016. How we found a planet orbiting Proxima Centauri. Physics Today, DOI:10.1063/PT.5.2048.
2. Anglada-Escude et al. 2016. A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri. Nature, 536, 437.
3. Tuomi et al. 2014. Bayesian search for low-mass planets around nearby M dwarfs — estimates for occurrence rate based on global detectability statistics. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 441, 1545.
4. Tuomi & Anglada-Escude 2013. Up to four planets around the M dwarf GJ 163. Sensitivity of Bayesian planet detection criteria to prior choice. Astronomy and Astrophysics, 556, A111.