Kilpajuoksu kohti punaisia aurinkokuntia

Saksalainen maisema on junan ikkunasta katsottuna varsin vaihteleva. Näyttää siltä kuin maa olisi peltojen, metsien ja sievien pikkukylien loppumaton tilkkutäkki tuulimyllyineen, jokineen ja viinitiloineen. Illuusio kuitenkin särkyy nopeasti, kun saapuu Hampurin suurkaupungin meteliin. Metsätkin olivat vain radan reunaan istutettuja plantaaseja ja näkösuojia, jotka estävät huomaamasta miten viljaa viljellään valtavissa monokulttuureissa, biodiversiteettiä halveksuvilla teollisilla tuotantoalueilla. Kehitys on vienyt mukanaan saksalaisen maaseutuidyllin ja tuonut tilalle tehomaatalouden ja alhaisten yksikkötuotantokustannusten tieltä hävitetyn luonnon.

Maan metsät eivät voi sen paremmin — lehtimetsän aikanaan kattama germaanisten heimojen asuttama alue on vaihtunut pelloiksi kauttaaltaan ja alkuperäiset metsät on jo kauan sitten hakattu pois häiritsemästä maatalouden kasvavia tuotantovaatimuksia. Vaikka noin kolmannes saksan maapinta-alasta on metsää, kyseessä ovat puuplantaasit lukuunottamatta joitakin kansallispuistojen rauhaan jätettyjä metsikköjä ja Schwarzwaldin vuoristoalueen havumetsiä.

Jatkan matkaa Hampurista etelään, kohti Göttingenin pientä kaupunkia Ala-Saksin osavaltiossa. Vuosi on 2011 ja olen matkalla tapaamaan toista nuorta tähtitieteilijää, Guillem Anglada-Escudea, joka on kutsunut minut vierailemaan Göttingenin yliopistolla kertomassa tutkimuksestani ja tulevaisuuden suunnitelmistani liittyen työskentelyyn eksoplaneettojen parissa. Yhteistyömme tuottaakin historiallisia tuloksia kulminoituen Aurinkokuntaa lähimmän eksoplaneetan, Proxima b:n löytöön, mutta en tietenkään tiedä sitä vielä.


Vuoden 2011 tapaamisemme keskittyi Doppler-spektroskopisen eksoplaneettojen havaitsemiseen sovelletun menetelmän tarkkuuden parantamiseen. Keskellä Werner Heiselbergin, Max Bornin, Paul Diracin, Max Planckin, Wolfgang Paulin ja muiden suurten 1900-luvun teoreettisen fysiikan nobelistien kotikaupunkia, suunnittelimme maankaltaisten planeettojen havaitsemiseen vaadittavan tarkkuuden saavuttamista puhtaasti data-analyysin keinoin. Ajatuksenamme oli yhdistää kaksi lähestymistapaa parantaa tarkkuutta eksoplaneettojen aiheuttamien signaalien havaitsemisessa. Guillem oli kehittänyt algoritmin tähden spektrien tehokkaampaan hyödyntämiseen laskettaessa tähtien näkösäteen suuntaista heilumista niitä kiertävien planeettojen vaikutuksesta. Minä taas olin kehittänyt entistä herkempiä menetelmiä planeettojen aiheuttaman heilahtelun erottamiseen tähden aktiivisuudesta ja teleskoopin ja instrumentin tuottamasta havaintoihin aiheutuvasta taustakohinasta. Tiesimme, että havaintoaineistoja käytetään tehottomasti. Tähtitieteilijät saattoivat käyttää satoja miljoonia uusiin teleskooppeihin mutta jättivät sijoittamatta muutamaan henkilötyövuoteen, jotta saataisiin lähes vastaava hyöty parantamalla ja tehostamalla havaintoaineistojen analyysimenetelmiä.

Osoittaaksemme menetelmien mukanaan tuoman herkkyyden paranemisen ja sen, että kykenisimme löytämään entistä pienempiä, jopa maapallonkaltaisia planeettoja, tarvitsimme esimerkkikohteen. Proxima Centaurin aineiston analysointi ei ollut vielä käynyt edes mielessä, vaan Guillem ehdoti testikohteeksi lähitähteä Gliese 676A, jota oli havaittu vuosien ajan HARPS-instrumentilla. Tähteä kiertämästä oli juuri raportoitu massiivinen kaasujättiläinen (1) mutta Guillemin mukaan tähden havainnoissa oli viitteitä muustakin.

”Kuin pyydystäisimme kaloja katiskasta.”

Ulkoplaneetat ja sisäplaneetat

Gliese 676A on osana kaksoistähteä, jonka komponentit, kaksi punaista kääpiötähteä, kiertävät toisensa noin 20 000 vuodessa. Komponentti A on tähdistä massiivisempi, noin 75% Auringosta ja sen kiertoradalta havaittiin vuonna 2009 valtaisa, noin viisi kertaa Jupiteria suurempi jättiläisplaneetta (1). Havainnoissa oli kuitenkin muutakin. Ne osoittivat muutoksia tähden nopeudessa — kiihtyvyttä, joka osoitti tähden liikkuvan jonkin toisenkin massiivisen kappaleen vetovoiman vaikutuksesta. Tähteä havainnut sveitsiläis-ranskalainen Thierry Forveillen tutkimusryhmä raportoi sen liikkeessä kiihtyvyyttä, jonka selittäisi sitä kiertävä toinen massiivinen planeetta tai ruskea kääpiötähti. Selittävänä tekijänä ei voinut olla kaksoistähden komponentti B, joka oli havaittavaa kiihtyvyyttä aiheuttaakseen aivan liian kaukana.

Huomasimme nopeasti, että Gliese 676A:n kiihtyvyys ei ole tasaista, vaan kasvavaa (Kuva 1. oikealla ylhäällä). Se tarjosi mahdollisuuden tutkia minkälainen kappale voisi vetovoimineen aikaansaada havaittua kiihtyvyyden kasvua. Keplerin lakien mukaisesti, Gliese 676A vaikutti liikkuvan avaruudessa kahden jättiläisplaneetan vetovoiman vaikutuksesta. Kävi ilmi, että tähteä heiluttavat valtavat kaasuplaneetat, jotka ovat molemmat massaltaan noin seitsemän Jupiterin kokoisia. Ne kiertävät tähtensä noin 1000 ja 7000 päivän kuluessa (2). Kuin Jupiter ja Saturnus, Gliese 676A:n ympärillä on ulkoplaneettojen järjestelmä — planeetat vain olivat tuttuja oman aurinkokuntamme kaasujättiläisiä huomattavasti massiivisempia ja lähempänä tähteään.

Kuva 1. Tähteä Gliese 676A kiertävien planeettojen radiaalinopeussignaalit havainnollistettuna näyttämällä tähden näkösäteen suuntainen liike kunkin planeetan vetovoiman vaikutuksesta. Kuva: M. Tuomi.

Huolellisen havaintomateriaalin analyysin jälkeen paljastui lisää. Saimme selville, että järjestelmän sisäosissa on kaksi pienempää planeettaa, noin neljä kertaa Maata massiivisempi kuuma supermaapallo ja toinen minineptunukseksi luokiteltava kuuma, luultavasti paksun kaasuvaipan omaava planeetta (Kuva 1.). Olimme onnistuneet osoittamaan analyysimenetelmiemme tehon tekemällä merkittäviä löytöjä Forveillen ryhmän keräämästä datasta. Tehokkaammilla menetelmillämme onnistuimme saamaan datasta selville kokonaisen planeettakunnan olemassaolon yhden jättiläisplaneetan sijaan.

Havainnot paljastivat tähden Gliese 676A olevan erittäin poikkeuksellisen planeettakunnan ympäröimä. Järjestelmä muistuttaa Aurinkokuntaa, koska se on samalla tavoin hierarkinen — Gliese 676A:n ulommat kaasuplaneetat kiertävät tähteä rauhallisilla radoilla, suhteellisen kaukana, järjestelmän viileissä ulko-osissa. Pienemmät sisäplaneetat taas ovat radoillaan lähempänä tähteä. Aurinkokunnan näkökulmasta on kuitenkin omituista, että kaikki planeetat ovat 5-10 kertaa suurempia kuin vastineensa, Aurinkokunnan sisä- ja ulkoplaneetat, mutta kiertämässä Aurinkoa pienempää tähteä. Lisäksi, punaisten kääpiötähtien jättiläisplaneetat ovat harvinaisia — keskimäärin punaisia kääpiöitä kiertää vähintään kolme planeettaa mutta jättiläisplaneettoja on vain noin yhdessä järjestelmässä kahdestakymmenestä (3).

Yhteistyöni Guillemin kanssa oli alkanut menestyksekkäästi mutta se oli vasta alussa. Olimme osoittaneet, että havaintojen tarkkuutta — ja siten niistä saatavan tiedon määrää — oli mahdollista kasvattaa puhtaasti matemaattisin, tilastollisin ja laskennallisin keinoin. Keskittymällä entistä tehokkaampaan havaintojen analysointiin oli jopa mahdollista havaita planeettoja, joita havainnot tehneet tutkijat itse eivät olleet nähneet. Päätimme kuitenkin testata menetelmiämme kattavammin. Hankin käsiini toisen läheisen punaisen kääpiötähden Gliese 163:n Doppler-spektroskooppiset havainnot, jotta voisimme koettaa menetelmiemme toimivuutta vielä toisenkin esimerkin kanssa. Harmiksemme tähden havainnoista vain noin 35% oli julkaistu — loput materiaalista oli vielä rajattu, tyypilliseen tapaan, vain tähteä havainnoineen saman sveitsiläis-ranskalaisen tutkimusryhmän käyttöön Euroopan Eteläisen Observatorion havaintoarkistossa. Päätimme silti selvittää mihin menetelmämme pystyisivät ja ryhdyimme aikaa vievään, vaivalloiseen datan analysointiin.

Tiukkaan pakatut planeettakunnat

Gliese 163:n järjestelmän eksoplaneetta sai löytyessään runsaasti julkisuutta. Se herätti huomiota, koska kyseessä on supermaapalloksi kutsuttu Maata massiivisempi planeetta, joka kiertää tähteään sen elinkelpoisella vyöhykkeellä. Vaikka Gliese 163 c on yli seitsemän kertaa Maata massiivisempi, se saattaa silti olla kiinteän pinnan omaava kiviplaneetta, ja löytö huomioitiin nopeasti kandidaattina eläväksi planeetaksi.

Kuva 2. Taiteilijan näkemys tähteä Gliese 163 kiertävästä supermaapallosta. Kuva: J. Gallagher.

Planeetan Gliese 163 c löytö raportoitiin poikkeuksellisesti tähtitieteen konferenssissa vuoden 2012 syyskuussa ja tehdyistä havainnoista tai siitä, mitä tarkalleen oli löydetty, ei ollut tarjolla muuta kuin esitelmä muille tähtitieteilijöille. Tieteellistä artikkelia, dokumenttia, joka vaaditaan, jotta muut tähtitieteilijät voivat varmistua havainnon olevan tieteellisesti hyvin perusteltu, ei ollut olemassa. Yhdessä Guillemin kanssa ymmärsimme, että olimme myöhässä — olimme saaneet arkistoiduista havainnoista planeetan olemassaolon selville jo heinäkuussa mutta suunnittelemamme tieteellinen artikkeli oli vasta alkutekijöissään. Emme voineet enää raportoida uutta planeettaa, koska sen olemassaolo oli jo julkista tietoa. Kiirehdimme silti analyysiemme kanssa ja kirjoitimme artikkelin valmiiksi, jotta voisimme julkaista tuloksemme. Siitä alkoi yksi kiusallisimmista julkaisuprosesseista, joissa olen tieteellisen urani aikana ollut mukana.


Tieteessä varmistetaan uusien tutkimustulosten oikeellisuus käyttämällä vertaisarvioinniksi kutsuttua menetelmää. Ajatuksena on, että uudet tulokset lähetetään arvioitaviksi alan asiantuntijoille, jotka päättävät joko suositella tulosten ja niistä kirjoitetun artikkelin julkaisemista tai hylkäämistä. Arvioijat voivat myös suositella muutoksia ja korjauksia artikkeliin, jotta se saadaan muokattua heidän mielestään julkaisukelpoiseen kuntoon. Tällä tavalla voidaan varmistaa, että uudet tutkimukset on tehty tieteellisen metodin edellyttämällä huolellisuudella, olemassaoleva tieteellinen tieto huomioiden ja toimivia menetelmiä käyttäen. Virheet, epätarkkuudet tai huolellisuuden puute havainnoinnissa, niiden käsittelyssä ja johtopäätösten teossa, tulevat silloin armotta esiin, kun tavallisesti yhdestä kolmeen asiantuntijaa koettaa etsiä tutkimuksesta heikkouksia, jotka estäisivät julkaisemisen. Prosessin läpäissyt tiede ei välttämättä ole lopulta kaikilta osiltaan oikein, mutta epätieteellinen roska ja räikeät virheellisyydet karsiutuvat julkaistavien tulosten joukosta erittäin tehokkaasti.

Arvioijien valinnasta päättävät tieteellisten julkaisusarjojen toimittajat, jotka valjastavat alan parhaat asiantuntijat tarkastelemaan uusien tulosten laatua. Toimittajat ovat julkaisijan palkkalistoilla mutta arvioijat ovat tekemässä vapaaehtoistyötä — he eivät saa vaivannäöstään minkäänlaista korvausta, vaikka vastaavat julkaisusarjoille elintärkeästä laaduntarkastuksesta ja takaavat niiden luotettavuuden. Julkaisusarjat, usein kaupallisia, voittoatavoittelevia toimijoita, taas myyvät valmiit tieteelliset julkaisut lukijoilleen runsasta korvausta vastaan. Joskus arvioijat itsekin (tai heidän yliopistonsa) maksavat absurdisti pääsystä lukemaan tieteellisiä julkaisuja, joita ovat itse olleet arvioimassa.

Tieteentekijöiden hyväksikäyttö on institutionalisoitu liiketoimintamalli, jolle ei ole mitään kestäviä perusteita. Mutta julkaisupolitiikka on sekin subjektiivista ja toisinaan ongelmallista, joskus inhimillisistä vioista ja ominaisuuksista kärsivää toimintaa, josta pyrkimys objektiivisuuteen on kaukana. Joskus esiintyy jopa suoranaista epärehellisyyttä, kun kilpajuoksu merkittävistä löydöistä käy kuumimpana.

Havaitsimme tämän julkaistessamme Gliese 163:n planeettakunnasta raportoivaa artikkelia. Arvioija, jolle työmme oli lähetetty, viivytti sen julkaisua kaikissa käänteissä ja koetti estää sen julkaisun epätieteellisiin syihin vedoten ja maalitolppia siirrellen. Vikoja itse tutkimuksessa, menetelmissä tai tuloksissa ei ilmennyt. Viivyttelyn syy selvisi, kun otimme sen puheeksi julkaisun toimittajan kanssa. Arvioijamme oli kilpailevan tutkimusryhmän jäsen, sen saman ryhmän, jonka edustaja oli puhunut järjestelmän planeetoista syyskuisessa konferenssissa. Toimituksessa kuitenkin ymmärrettiin välittömästi syntynyt eturistiriita ja artikkelimme hyväksyttiin julkaistavaksi mutta vahinko oli jo tapahtunut. Gliese 163:n planeettakunnasta kertova kilpailevan ryhmän artikkeli oli hyväksytty julkaistavaksi samassa julkaisusarjassa omaamme ennen. Toimitus myönsi räikeän virheensä ja katsoi tarpeelliseksi varmistaa, että molemmat artikkelit ilmestyisivät samanaikaisesti. Ne julkaistiinkin rinta rinnan vuoden 2013 elokuussa (4,5), ja kunnia planeettakunnan löytämisestä jakautui lopulta tasan, molemmille tutkimusryhmille. On jälkikäteen tarkasteltuna erikoista, että arvioija ei missään vaiheessa suositellut artikkelimme julkaisua mutta se läpäisi silti vertaisarvioinnin. Tuolloin emme kuitenkaan asiasta välittäneet.

Julkaisussamme onnistuimme havainnollistamaan menetelmiemme toimivuuden ennenkuulumattomalla tavalla. Vaikka saimme käsiimme vain murto-osan tehdyistä havainnoista, kykenimme saamaan selville kokonaisen planeettakunnan olemassaolon aivan samalla varmuudella kuin kilpaileva tutkimusryhmä, jolla oli havaintoaineistoa lähes kolminkertainen määrä. Se ei tarkoita, että havaintoja olisi tarvittu vähemmän, vaan sitä, että tähtitieteilijät eivät kuulustelleet kallisarvoisia havaintojaan lähellekään tarpeeksi intensiivisesti saadakseen kaiken mahdollisen tiedon havaitsemastaan kohteesta. Ilmeisesti kilpailevassa ryhmässä ymmärrettiin, että olimme useita askeleita edellä havaintojen käsittelyn menetelmissä ja siksi artikkelimme julkaisua koetettiin viivytää epärehellisin keinoin.


Tähden Gliese 163 planeettakunta ja monet muut vastaavat löydökset osoittavat, miten supermaapallot ja minineptunukset muodostavat tyypillisesti verrattaen tiukkaan pakattuja planeettakuntia punaisten kääpiötähtien ympärille. Järjestelmässä on ainakin kolme planeettaa — kuuma minineptunus, lämmin supermaapallo, ja kylmä neptunuksenkokoinen planeetta. Näiden lisäksi on viitteitä yhdestä tai kahdesta muustakin kiertolaisesta mutta niiden olemassaolo ei ole täysin varmaa. Järjestelmässä on kuitenkin erilaisia planeettoja erilaisilla radoilla ja se tarjoaa mielenkiintoisen esimerkin monimuotoisesta planeettakunnasta, joka ei muistuta omaamme juuri miltään osin.

Tutkimuksessamme osoitimme, että Gliese 163:n järjestelmä on vain juuri ja juuri stabiilissa tilassa. Planeetat ovat pakkautuneet niin lähelle toisiaan, että niiden keskinäiset vetovoimat suistaisivat yhden tai useampia kappaleita radoiltaa, jos planeettojen etäisyydet olisivat hiukankin pienempiä tai niiden radat hiukan soikeampia. Se on tietenkin odotettavissa — planeettakuntaa ei voi havaita tilassa, joka on epästabiili, koska silloin se olisi jo kauan sitten hajonnut omaan mahdottomuuteensa. Mutta pelkkä sattuma ei tuota järjestelmiä, jotka ovat stabiiliutensa rajoilla. Ratkaisun täytyy löytyä fysiikan julmista, muuttumattomista laeista.

Mahdollinen selitys tiukkaan pakattujen planeettakuntien yleisyydelle on se, että Jupiterin ja saturnuksen kokoiset jättiläisplaneetat ovat harvinaisia punaisten kääpiötähtien kiertoradoilla. Kun tähden synnyssä yli jäävä kaasu ja pöly ei pääse kasautumaan yhdeksi tai kahdeksi jättiläisplaneetaksi, se muodostaa suuren määrän pienempiä kappaleita, aina Maapalloa pienemmistä kiviplaneetoista Neptunuksen kokoluokan kaasuplaneettoihin. Syntyvät lukuisten, verrattaen pienikokoisten planeettojen järjestelmät asettuvat sitten hiljalleen stabiiliin tilaan vuosimiljoonien ja -miljardien saatossa. Järjestelmien ollessa nuoria, tapahtuu planeettojen lähiohituksia ja niitä seuraavia väkivaltaisia törmäyksiä — jotkut planeetoista sinkoutuvat jopa tähtienväliseen avaruuteen, planeettakuntien ulkopuolelle. Jäljelle jääneet kappaleet ovat niitä, jotka pysyvät vakailla, tiukkaan pakatuilla radoilla — kaikki liian lähellä toisiaan olleet planeetat puuttuvat. Tilanne on lähinnä tautologinen. Planeettojen radat ovat stabiileja, koska epästabiileilla radoilla olleet planeetat ovat hävinneet jo kauan sitten.

Oikeastaan tähtien Gliese 676A ja Gliese 163 järjestelmät kuvastavat vain saman kolikon kahta eri puolta. Molemmat järjestelmät ovat omalla tavallaan tiukkaan pakattuja planeettakuntia. Kummassakaan ei ole juurikaan tyhjiä ratoja, joilla toistaiseksi tuntemattomat planeetat voisivat pysyä stabiileilla radoilla. Toisessa on jättiläismäisiä kaasuplaneettoja, joiden valtaisa vetovoima tyhjentää ratojensa ympäristöt pienemmistä kappaleista mutta toisessa ne voivat kiertää tähteään aivan vieri vieressä. Ero saattaa selittyä sillä, että Gliese 676A:n kertymäkiekossa oli planeettojen syntyvaiheessa enemmän materiaa, jolloin jättiläisplaneettojen synty oli mahdollista.


Tiedostimme yhdessä Guillemin ja monien muiden kollegoiden kanssa M-spektriluokan punaisten kääpiötähtien olevan runsaiden planeettakuntien saarekkeita jo lähes vuosikymmen sitten. Tiedon karttuessa näkemys on vain vahvistunut — tiedämme, että käytännössä jokaisen punaisen kääpiön ympärillä on planeettakunta ja että niistä valtaosa on tiukasti pakattuja järjestelmiä. Planeettoja on keskimäärin ainakin kolme jokaisessa järjestelmässä, luultavasti vielä sitäkin paljon enemmän. Planeettakuntia on myös aivan lähimpien punaisten kääpiöiden järjestelmissä. Vuonna 2011 emme sitä tienneet mutta tutkimuksemme johti lopulta kahden lähimmän eksoplaneetan löytöihin Proxima Centaurin ja Barnardin tähden järjestelmistä. Se on kuitenkin vain yksi suurista tieteellisistä tuloksista, joka sai tavallaan alkunsa Göttingenin historiallisessa kaupungissa.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Forveille et al. 2011. The HARPS search for southern extra-solar planets. XXVI. Two giant planets around M0 dwarfs. Astronomy and Astrophysics, 526, A141.
  2. Anglada-Escude et al. 2012. A planetary system with gas giants and super-Earths around the nearby M dwarf GJ 676A. Optimizing data analysis techniques for the detection of multi-planetary systems. Astronomy and Astrophysics, 548, A58.
  3. Tuomi et al. 2019. Frequency of planets orbiting M dwarfs in the Solar neighbourhood. AAS Journals, submitted.
  4. Tuomi et al. 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.
  5. Bonfils et al. 2013. The HARPS search for southern extra-solar planets XXXIV. A planetary system around the nearby M dwarf GJ 163, with a super-Earth possibly in the habitable zone. Astronomy and Astrophysics, 556, A110.

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: