Kaukainen tähti, miksi kirkastut?

Ylikulkumenetelmä on toistaiseksi menestyksekkäin tapa havaita eksoplaneettoja kiertämässä Auringon lähinaapuruston tähtiä. Kyse on periaatteessa vain planeetan varjon havaitsemisesta — tarkoituksena on määrittää kuinka paljon kohteena oleva tähti himmenee planeetan kulkiessa säännöllisesti sen editse. Menetelmä on epäsuora ja siinä havaitaan vain planeetan aiheuttamaa muutosta tähdestä havaintolaitteeseen tulevaan valoon, ei itse planeettaa. Karkeasti ajateltuna, kyseessä on planeetan varjon suora havaitseminen, vaikka joskus voidaankin havaita myös tähden valoa, joka suodattuu planeetan kaasukehän läpi. Menetelmä on tehokkaimmillaan, kun kohteena olevat tähdet ovat kymmenien tai korkeintaan joidenkin satoje valovuosien päässä mutta joskus planeettoja voi havaita tarkkailemalla paljon kaukaisempia tähtiä ja planeettojen aiheuttamia muutoksia niiden säteilemään valoon. Silloin havaitulla planeetalla ja tarkkailtavalla tähdellä ei ole mitään tekemistä toistensa kanssa — ne saattavat jopa olla tuhansien valovuosien etäisyydellä toisistaan. Miten se on mahdollista?

Kuva 1. Tunnettujen eksoplaneettojen sijainnit Linnunradassa. Punainen alue Aurinkokunnan ympärillä kuvastaa lähitähtien eksoplaneettoja, ja kauemmas ulottuva punainen ”keila” sisältää Kepler-avaruusteleskoopin planeettahavainnot. Keltaiset pisteet ovat mikrolinssimenetelmällä tehtyjä havaintoja. Kuva: NASA/JPL-Caltech.

Tarvitaan astronomisen epätodennäköinen sattumus. Kun kolme tähteä asettuu lähes täsmälleen samalle suoralle, valo ensimmäisestä saapuu kolmanteen kulkien aivan tähdistä toisen vierestä. Tilanne ei kuulosta kovin erikoiselta, koska galaksimme sadat miljardit tähdet kiertävät galaktisen keskuspullistuman ympäri likimain samassa tasossa ja niiden keskinäiseen asemaan liittyvät sattumukset ovat varsin tavallisia. Mutta kolmannen tähden on oltava juuri Aurinko ja ensimmäisen tähden on oltava riittävän kirkas, jotta Maan astronomit voivat havaita sen valoa keräävillä laitteillaan. Sellaiset sattumukset ovat harvinaisia mutta tähtitieteilijät osaavat kuitenkin havaita niitä tarkkailemalla samanaikaisesti satoja tuhansia, jopa miljoonia tähtiä. Tavallisesti teleskoopit suunnataan Linnunradan keskuksen suuntaan, koska siellä on näkyvissä eniten kaukaisia tähtiä. Sattumukset tarjoavat mahdollisuuden havaita planeettoja hyvin erikoisella tavalla.


Ensimmäinen kokeellinen varmennus Albert Einsteinin visioimalle suhteellisuusteorialle saatiin tarkkailemalla miten tähtien valo taipuu Auringon painovoimakentässä. Vuoden 1919 auringonpimennys tarjosi mahdollisuuden mitata Auringon vieressä näkyvien tähtien tarkkaa paikkaa taivaalla. Pimennyksen aikana, Arthur Eddington ja Frank Dyson onnistuivat havainnoissaan ja varmistivat valon todellakin taipuvan gravitaatiokentässä Einsteinin ennustamalla tavalla. Astronomit olivat matkanneet Afrikan rannikolle ja Brasiliaan havainnoimaan auringonpimennystä kahdella eri paikkakunnalla ja heidän kokeelliset tuloksensa valon taipumisesta tekivät suhteellisuusperiaatteesta hyväksytyn fysikaalisen teorian yhdessä hetkessä. Mutta valo ei vain taivu. Katsoessamme tähden painovoimakentässä kulkevaa valoa sopivalta etäisyydeltä, olemme tähden muodostaman gravitaatiolinssin polttopisteessä ja näemme linssin voimistavan kaukaisen tähden valoa hetkeksi. Tilannetta kutsutaan mikrolinssi-ilmiöksi.

Havaittavan kohteen ja havaitsijan välissä oleva massiivinen kappale voi siis voimistaa kohteen kirkkautta toimimalla gravitaatiolinssinä. Esimerkiksi OGLE-projektin havainnoissa raportoitiin vuonna 2017 erään tähden kirkastuneen noin 16 kertaiseksi normaalista kirkkaudestaan (1). Kirkastuminen johtui pienestä punaisesta kääpiötähdestä, joka sattui kulkeutumaan juuri oikeaan kohtaan toimiakseen linssinä ja voimistaakseen taustan kohteen valoa. Itse linssinä toimiva tähti ei tule himmeytensä vuoksi näkyviin, vain sen voimistamaa taustataivaan kohteen valoa voidaan havaita. Mutta havannoissa tapahtui muutakin. OGLE-teleskoopin havaittua orastavaa kirkastumista, joka lopulta kesti kymmenien päivien ajan, kohdetta ryhdyttiin tarkkailemaan muillakin teleskoopeilla. Tuloksena oli havaito pienestä mutta merkittävästä lisäkirkastumisesta, ohikiitävän hetken verran (Kuva 2.). Joitakin tunteja kestänyt ylimääräinen kirkastuminen johtui tähteä kiertävän eksoplaneetan OGLE-2017-BLG-0482L b vaikutuksesta. Valo siis taipui planeetan vetovoiman vaikutuksesta hiukan, tehden planeetasta gravitaatiolinssin muutaman tunnin ajaksi. Se kirkasti taustataivaan tähdestä saapuvaa valoa vain aavistuksen verran, mutta kuitenkin riittävästi, jotta havainto oli mahdollinen.

Kuva 2. Mikrolinssikohteen OGLE-2017-BLG-0482L valokäyrä. Hienoinen vajaan vuorokauden lisäkirkastuminen johtuu eksoplaneetan toimimisesta minikokoisena gravitaatiolinssinä. Kuva: Han et al.

Kyseessä on häkellyttävä tapa löytää planeettoja. Kirkastumisen perusteella, linssinä toiminut järjestelmä OGLE-2017-BLG-0482L koostuu punaisesta kääpiöstä, joka on massaltaan noin 20% Auringosta, ja sitä kiertävästä supermaapallosta, joka puolestaan on massaltaan noin yhdeksän kertaa Maata suurempi. Havainnoista voi määrittää myös planeetan 1.8 AU:n etäisyyden tähdestään mutta siinä on likimain kaikki, mitä tiedämme tai voimme saada selville. On varmaa, että havaintoa ei voi koskaan enää toistaa ja emme kykene tekemään uusia havaintoja planeetan emäntätähdestä sen kaukaisuuden ja himmeyden vuoksi. Edes kohteen etäisyys ei ole tiedossa kuin vain hyvin likimääräisesti — se on meistä karkeasti 5.8 kiloparsekin tai 19000 valovuoden päässä. Arvion epävarmuus on suunnilleen 6000 valovuotta kumpaankin suuntaan. Voimme havaita uudelleen vain linssin hetkeksi kirkastamaa tähteä, joka ei enää koskaan kerro sen ja meidän välissä kerran käväisseestä salaperäisestä planeettakunnasta.

Gravitaatiolinssimenetelmällä eksoplaneettoja etsivien astronomien työ on ehkäpä turhauttavinta tutkimusta, jota astronomit voivat harjoittaa. He havaitsevat kaukaisia planeettoja vain yhden ainoan kerran, tietäen, etteivät kykene havaitsemaan samaa planeettakuntaa toista kertaa. Heidän työnsä perusteella kuitenkin tiedämme, että galaksissamme on enemmän planeettoja kuin tähtiä. Kaukainen, massaltaan yhdeksän kertaa Maan kokoinen kiertolainen OGLE-2017-BLG-0482L b on nyt havaittu ja luetteloitu, mutta sitä ei päästä tutkimaan uudestaan enää koskaan.


Astronomien nimeämiskäytännöt turhauttavat varmasti kaikkia alaa seuraavia, jotka eivät jaksa katsella monimutkaisia numerosarjoja ja luettelokoodeja kuten OGLE-2017-BLG-0482L. Koodit saa kuitenkin tuntumaan siedettäviltä, kun perehtyy niiden merkitykseen. Esimerkin koodinimessä ”OGLE” viittaa havainnon tehneeseen teleskooppiin (Optical Gravitational Lensing Experiment) Chilen Las Campanasin observatoriossa ja ”2017” viittaa vuoden 2017 havaintokauteen. ”BLG” puolestaan kertoo, että kyseessä on kohde galaksimme keskuspullistuman (BuLGe) suunnassa ja numero ”0482” tarkoittaa havainnon järjestysnumeroa havaintokauden aikana. Kirjain ”L” kertoo kyseessä olevan gravitaatiolinssi. Helpompaa nimeä ei valitettavasti ole luvassa, sillä kansainvälinen tähtitieteen unioni IAU nimeää vain varmistettuja eksoplaneettalöytöjä ja kaikki mahdollisuudet saada kohteesta OGLE-2017-BLG-0482L minkäänlaisia lisähavaintoja ovat nyt ikuisesti menneet.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lähteet

  1. Han et al. 2018. OGLE-2017-BLG-0482Lb: A microlensing super-Earth orbiting a low-mass host star. The Astronomical Journal, 155, 211.

Avainsanat: , , , , ,

About Mikko Tuomi

Tähtitieteilijä, tutkija, Proxima b:n, Barnard b:n ja kymmenien muiden planeettojen löytäjä. Tähtisumusta tehty.

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggaajaa tykkää tästä: