Eksoplaneetat parrasvalojen tuolla puolen

Kun Paul Butler vuonna 1996 paljasti varmentaneensa historian ensimmäisen toista auringonkaltaista tähteä kiertävän planeetan löydön ja raportoi samalla lisää uusia eksoplaneettoja, hän astui tähtitieteen eturiviin ja median parrasvaloihin yhtenä ensimmäisistä modernin tähtitieteen aikakauden planeettojen löytäjistä. Butler on yksi eksoplaneettoja tutkivan tähtitieteen haaran pioneereista ja ollut löytämässä luultavasti noin puolta kaikista tunnetuista Auringon lähinaapuruston planeetoista. Olen saanut kunnian tehdä kymmeniä planeettalöytöjä Butlerin rinnalla, paljolti hänen työnsä inspiroimana. Olemme olleet parrasvaloissa yhdessä, kertomassa uusien maailmojen havainnoista lähitähtien järjestelmissä.

Mutta eksoplaneettoja havaintaan runsain mitoin median valokeilan ulkopuolella, missä niiden äärimmäisen mielenkiintoiset löydöt herättävät vain vähän huomiota suuren yleisön keskuudessa. Se on tietenkin ymmärrettävää, koska valtaosa uusista eksoplaneettojen löydöistä on rutiininomaista tuoreiden havaintojen raportointia vailla superlatiiveja. Lähimmät maailmat on jo löydetty ja vaikka mielenkiintoisia löytöjä tehdään jatkossa varmasti aivan lähiavaruudesta, suureksi osaksi tutkijat keräävät vain aineistoa ymmärtääkseen galaksimme planeettojen ja planeettakuntien yleisiä ominaisuuksia. Vain harva uusi eksoplaneetta herättää huomiota ja saa median kirjoittamaan suuria otsikoita. Sellaisia kuitenkin kirjoitetaan aina, kun tutkijat edes vihjaavat löytäneensä jollakin mittareilla maankaltaisia maailmoja tai planeettoja, joiden pinnalla saattaisi olla elämälle soveltuvat olosuhteet. Muilla tavoilla mielenkiintoiset planeetat jäävät vähemmälle huomiolle, parrasvalojen ulkopuolelle.

Suureksi osaksi tiedejournalisteille on hankalaa raportoida löydöistä, joita he vain vaivoin ymmärtävät. Kyse voi olla äärimmäisen harvinaisista havainnoista tai monimutkaisista havaintoprosesseista, joiden merkitys aukenee vain syvällisesti tieteeseen perehtyneille asiantuntijoille. Usein tutkijat raportoivatkin löydöistä vain toisilleen ja jättävät avaamatta niiden merkityksen yleistajuisella kielellä, vaikka juuri tieteen tekeminen ymmärrettäväksi ja käsinkosketeltavaksi suurelle yleisölle takaa varmimmin sen, että tutkimukseen sijoitetaan jatkossakin julkista rahaa. Ja silloin tähtitieteen moninaisten löytöjen omituisimmat kummallisuudet saattavat jäädä varjoihin, tieteen parrasvalojen tavoittamattomiin.

Tilanne on oikeastaan paradoksaalinen, koska 1990-luvulla löydetyt ensimmäiset eksoplaneetat olivat juuri niitä omituisia kummallisuuksia. Ne olivat planeettoja, joita ei sen aikakauden tietojen mukaan pitänyt olla edes olemassa. Kukaan ei aavistanut, että auringonkaltaisten tähtien kiertolaisina olisi kuumia Jupitereita, joiden massiiviset kaasukehät kiehuisivat niiden kiertäessä radallaan tähden paahteessa, aivan tähtiensä pintoja viistäen. Sellaisia ei ole omassa planeettakunnassamme, eikä niiden syntymistä aivan tähtensä lähelle pidetä edelleenkään mahdollisena. Kukaan ei kuitenkaan ollut tullut ajatelleeksi, että planeetat voivat miljoonien vuosien saatossa muuttaa lähemmäs tähteään kaukaa järjestelmän viileistä ulko-osista. Kukaan ei aavistanut millaisia maailmoja luonto muodostaa ennen kuin modernin aikakauden tähtitieteilijät ryhtyivät kartoittamaan eksoplaneettojen ominaisuuksia.

Nekroplanetologia

Media jaksaa kiinnostua kandidaateista eläviksi planeetoiksi mutta sillä viitataan vain planeettojen pintaolosuhteisiin, jotka mahdollistavat elävien organismien esiintymisen. Planeetat eivät itsessään ole eläviä, vaikka ne voivatkin ylläpitää elämää. Tähdet sen sijaan elävät ja kuolevat. Ne syntyvät tähtienvälisen aineen kaasusta ja pölystä ja ryhtyvät loistamaan saavutettuaan ytimissään riittävän paineen ja lämpötilan, jotta energiaa voimakkaasti vapauttavat fuusioreaktiot käynnistyvät. Tähdet syttyvät loistamaan valoa ja lämpöä mutta ne eivät loista ikuisesti. Kun ytimien ydinpolttoaine on kulutettu loppuun, ne himmenevät ja sammuvat, tarjoten toisinaan supernovaksi kutsutun ilotulituksen kuolemansa kunniaksi. Mutta jäljelle jäävillä tähtien ruumiilla on joskus planeettoja kiertolaisinaan ja joskus onnistumme havaitsemaan niitä.

Ennen Butlerin planeettalöytöjä ja fysiikan Nobelilla palkittua Michel Mayorin ja Didier Quelozin tekemää ensimmäistä kuuman Jupiterin havaintoa auringonkaltaisen tähden kiertoradalta vuonna 1995, puolalainen tähtitieteilijä Aleksander Wolszczan ja kanadalainen Dale Frail raportoivat vieläkin omituisemmasta planeetasta kiertämässä kuollutta tähteä, pulsariksi kutsuttua tähden jäännettä. Pulsareita kiertävien planeettojen olemassaoloa ei ollut osannut ennustaa kukaan, koska kyseessä ovat vinhasti pyörähtelevät neutronitähdet, jotka muodostuvat massiivisten tähtien ydinten jäänteinä niide ulko-osien räjähtäessä supernovina avaruuteen. Ilmeisesti supernovina räjähtäviä tähtiä kiertävät planeetat eivät selviydy räjähdyksestä — jos niitä edes esiintyy niin massiivisten ja lyhytikäisten tähtien kiertolaisina — vaan planeetat syntyvät räjähdyksen jälkeen jäljelle jääneestä tähteä kiertävästä materiasta. Mutta planeettoja on havaittu myös valkoisten kääpiöiden järjestelmistä. Ne taas ovat pienempien tähtien jäänteitä, jotka ovat kutistuneet tiiviiksi mutta kirkkaiksi kappaleiksi ydinpolttoaineen loputtua. Pienemmät tähdet eivät kuole näyttävään ilotulitukseen, vaan vain tiivistyvät ja kutistuvat, hiipuen lopulta hiljalleen pois näköpiiristä.

Kuva 1. Rengassumu M57, joka on syntynyt tähden kuoltua ja puhallettua ulkokerroksensa avaruuteen pallomaiseksi muodostelmaksi. Jäljelle on jäänyt sumun keskellä näkyvä valkoinen kääpiö Kuva: AURA/ STScI/NASA.

Osuvan termin nekroplanetologia, eli kuolleiden tähtien planeettakuntien tutkimuksen, otti käyttöön Girish Duvvuri artikkelissaan valkoista kääpiötä WD 1145+017 kiertävästä epäsäännöllisestä materiakiekosta (1). Termi on hyvin kuvaava, sillä tähti on tuhoamassa planeettakuntansa jäänteitä. Järjestelmästä lyhyeltä kiertoradalta havaittu kappale, halkaisiltaan vain noin 15% Maapallosta, on niin lähellä tähteään, että siitä vuotaa ainesta tähteen jatkuvana virtana säteilyn haihduttaessa ja voimakkaiden vuorovesivoimien irrottaessa aineksen pois kiertolaisen vetovoimakentästä. Vaikka kyse on pienestä kappaleesta materiaa, joka rinnastuu lähinnä Aurinkokunnan asteroideihin tai komeettoihin, se on osa järjestelmän planetaarista materiakiekkoa, ja kertoo osaltaan sen kehityshistoriasta. Mutta enimmäkseen se kertoo järjestelmän kuolemasta — kiertolainen WD 1145+017 b on luultavasti vain löyhästi gravitaation yhteen sitoma kasa ainesta, kuin tähteä ympäröivän kertymäkiekon hienoinen paakku, joka luultavasti hajoaa miljoonien vuosien kuluessa kokonaan ja jonka atomit saavat loppusijoituspaikkansa osana valkoisen kääpiötähden tiivistä pintaa.

Valkoiset kääpiöt ovat tyypillisesti hyvin pieniä. Ne ovat ooltaan vain suunnilleen Maapallon kokoisia mutta pieneen kokoon on pakattu lähes Aurinkoa vastaava massa. Kompaktiutensa takia valkoisten kääpiöiden editse radallaan liikkuvat planeetat tai planetoidit on kuitenkin helppoa havaita, koska niiden himmentävä vaikutus on valtaisa. Maapallon kokoluokkaa olevan kirkkaan tähden eteen liikkuva pienikin kappale aiheuttaa havaittavaa himmentymistä sellaisten huipputarkkojen instrumenttien kuten TESS-avaruusteleskooppi ottamissa kirkkausmittauksissa. Mutta toisinaan ylikulun aiheuttava kappale on valtaisa (Kuva 2.) — valkoisen kääpiön WD 1856+534 tapauksessa kiertolaisena on kooltaan jopa tähteä suurempi jättiläisplaneetta, joka on massaltaankin peräti yhdeksän kertaa Jupiteria suurempi (2). Se osoittaa jättiläisplaneettojen voivan selviytyä tähden kuolemasta, jos niiden tähtikumppani luhistuu valkoiseksi kääpiöksi.

Kuva 2. Valkoisen kääpiön WD 1856+534 himmeneminen havaittuna kahdella eri teleskoopilla jättiläisplaneetan kulkiessa sen editse. Havaittu himmeneminen on suuruudeltaan lähes 60%. Kuva: Vanderburg et al.

Epätyypilliset planeettahavainnot

Ylikulkujen havainnoinnista on tullut rutiinia ja tärkein planeettahavaintoja tuottava menetelmä sitten radiaalinopeustekniikan, jossa havaitaan doppler-ilmiöstä aiheutuvia pienen pieniä mutta jaksollisia tähden värin muutoksia planeetan heilutellessa niitä vetovoimallaan. Eksoplaneettojen merkkien havaitseminen muilla menetelmillä on paljon vaikeampaa ja vaatii osakseen runsaasti tuuria. Joskus tuuria kuitenkin on, kun jokin tähti tuhansien valovuosien päässä meistä sattuu kulkemaan galaktisella kiertoradallaan lähes täsmälleen jonkin vieläkin kaukaisemman taustataivaan tähden editse. Silloin sen gravitaatio muodostaa linssin valon taipuessa suhteellisuusteorian matemaattisten kaavojen mukaisesti hiukan matkallaan tähden ohi ja taustataivaan tähti kirkastuu muutaman päivän ajaksi valtavasti linssin voimistaessa teleskooppeihimme saapuvaa valoa. Tunnetaan yli sata tapausta, joissa linssinä toimivaa tähteä kiertävä planeetta on sattunut täsmälleen sopivaan kohtaan ja myös planeetan vetovoima toimii taustan tähteä voimistavana linssinä muutaman tunnin ajan. Voimme silloin havaita planeetan vetovoiman vaikutuksen ja selvittää sen ominaisuuksia.

Vaikka yksittäinen havainto onkin kovin epätodennäköinen, gravitaatiolinsseinä toimivia planeettoja on löydetty jo niin monta, että on voitu varmentaa planeettojen yleisyydestä Auringon lähinaapurustossa tehtyjen havaintojen pätevän myös kauempana galaksissamme. Havainto on mahdollista vain suuntaamalla teleskooppi johonkin taivaan alueeseen, jota se saa tarkkailla hievahtamatta kuukausien ajan. On havaittava valtavaa joukkoa tähtiä, jotta edes yksi gravitaatiolinssi saadaan näkyviin. Mutta yhdestäkin havainnosta saadaan paljon tietoa hetken verran. Havaitun kirkastumisen suuruus ja kesto paljastavat niin planeetan massan kuin sen kiertoradankin ominaisuuksia, jolloin voidaan saada kokonaiskuva havaitun planeetan tyypistä ja karkeista ominaisuuksista. Havainto on kuitenkin vain ohimenevä mahdollisuus, koska samaa planeettaa ei voida havaita enää koskaan tulevaisuudessa . Se ei satu enää koskaan kulkemaan yhtä tarkasti toisen tähden editse emmekä voi sitä nähdä enää muillakaan keinoin, koska jo sen etäisyydessä meistä on tuhansien valovuosien epävarmuudet.

Planeettojen havaitsemisessa gravitaatiolinssi-ilmiön avulla on hyvät ja huonot puolensa. Kyky havaita kaukaisempia kohteita kuin muilla menetelmillä tarjoaa tietenkin mahdollisuuden tutkia planeetoja muuallakin kuin aivan Auringon lähiympäristössä mutta gravitaatiolinssihavainnot tarjoavat mahdollisuuden havaita myös planeettoja, jotka ovat kauempana tähdestään. Ylikulku- ja radiaalinopeusmenetelmä ovat herkimmillään lähellä tähtiä kiertävien planeettojen havainnoinnissa mutta gravitaatiolinssimenetelmä on parhaimmillaan, jos planeetat ovat kauempana, usean AU:n etäisyydellä tähdistään. Itse asiassa, planeetta saattaa olla jopa sinkoutunut ulos planeettakunnasta, jossa se syntyi. Näiden tähdettömien, omia reittejään galaksimme keskustan ympäri vaeltavien planeettojen määrä on luultavasti todella suuri ja nekin ovat havaittavissa toimiessaan gravitaatiolinsseinä taustataivaan tähdille. Vähintän Jupiterin kokoisia tähtienvälisiä planeettoja on galaksissamme arvioiden mukaan karkeasti yhtä paljon kuin tähtiä, joten ne tarjoavat kokonaan omanlaisen, erikoisen tutkimuskohteen ja ikkunan siihen, minkälaisia planeettoja maailmankaikkeus pitää sisällään.

Tähtienvälisten planeettojen olemassaolo on jo sinällään eräänlainen tähtitieteen mysteeri. Tiedetään, että planeetat saattavat sinkoutua keskinäisten vetovoimiensa vuoksi pois syntyjärjestelmistään, muuttuen hetkessä tähtienvälisiksi planeetoiksi. Se onkin luultavasti tapa, jolla valtaosa tähtienvälisistä planeetoista syntyy — ne ovat kuten muutkin tähtiään kiertävät planeetat mutta jossakin vaiheessa planeettakunnan kaoottisten syntyvaiheiden aikana ne kokivat lähiohituksia planeettakumppaniensa kanssa ja päätyivät tähtensä vetovoimakentän ulkopuolelle ikuiseen pimeyteen ja yksinäisyyteen. Vaihtoehtoisesti jättiläisplaneetat saattavat kuitenkin syntyä myös yksin, jolloin ne ovat tavallaan kuin pienikokoisia epäonnistuneita tähtiä, jotka jäivät aivan liian keveiksi kyetäkseen käynnistämään ydinreaktiot ytimissään. Ei ole lainkaan selvää pitäisikö sellaisia kappaleita edes kutsua planeetoiksi — planeetat kun määritellään tavallisesti tähtien kiertolaisiksi aivan kuten kuut ovat planeettojen kiertolaisia. Mutta tähtitieteilijät kyllä tavallisesti kutsuvat tähtienvälisiä, massaltaan planeettoihin vertautuvia kappaleita planeetoiksi. Ehkäpä kiertoradan ominaisuuksien ei tarvitsekaan vaikuttaa kappaleiden luokitteluun — onhan tähtiäkin yksinäisinä, pareittain, tai jopa hierarkisissa usean tähden monimutkaisissa järjestelmissä.

Kuva 3. Mustalla ympyrällä merkitty kirkas piste on todennäköisesti tähtienvälinen planeetta (3). Kuva: Delorme et al.

Tähtienvälisten planeettojen havaitsemisessa tarvitaan kärsivällistä laajan taivaan alueen havaitsemista silmääkään räpäyttämättä. Sitä tekee tulevaisuudessa Nancy Grace Roman -avaruusteleskooppi, jonka odotetaan löytävän jopa 400 tähtienvälistä planeettaa. Mutta uuden avaruusteleskoopin suunnitellussa havaintoprojektissa tähtienväliset planeetat ovat vain yksi sivujuonne. Teleskoopin arvioidaan näkevän peräti 100000 planeetan ylikulut ja se kykenee niin suureen tarkkuuteen, että on ensimmäistä kertaa mahdollista havaita rutiininomaisesti lähitähtiä kiertäviä Marsin kokoisia, pieniä kiviplaneettoja. Parasta on kuitenkin Roman -avaruusteleskooppiin suunniteltu koronografiksi kutsuttu tähdenvarjo, jolla havaittavan tähden valo voidaan suodattaa pois ja sen alta saadaan esiin suorat havainot lähitähtiä kiertävistä planeetoista. Lukuunottamatta joitakin kandidaatteja eläviksi planeetoiksi, ja muutamia mielenkiintoisia suoraan kuvattuja kappaleita, Roman -teleskoopin havainnot jäävät luultavasti valtaosaltaan pimentoon, median kiinnostuksen tavoittamattomiin, numeroiksi tilastoissa, joiden pohjalta päättelemme kuinka yleisiä eri kokoiset planeetat ovat erilaisilla radoilla galaksissamme. Tähtitieteilijöille kyseessä on kuitenkin eksoplaneettatutkimuksen aarreaitta, jonka ovien avautumista alan tutkijat jo odottavat vesi kielellä.

Planeetan nimeen

On täysin totta, että eksoplaneetat varmasti saisivat enemmän huomiota, jos niillä olisi oikeita tavallisten ihmisten vaivatta luettavissa ja äännettävissä olevia nimiä pelkkien luettelokoodien ja numerosarjojen sijaan. Gravitaatiolinssi-ilmiön avulla havaittu OGLE-2017-BLG-0482L b ei vaikuta kovinkaan helposti lähestyttävältä tavaankappaleelta hirviömäisine nimineen. Vaikka nimi on tähtitieteilijöille ymmärrettävä ja informatiivinen, se jää auttamatta huomiossa toiseksi sellaisten eksoplaneettojen rinnalla, jotka on nimetty tähdistöjen mukaan. Esimerkiksi ensimmäinen havaittu toista auringonkaltaista tähteä kiertävä planeetta on nimeltään 51 Pegasi b. Vastaavasti, kaksi muuta Paul Butlerin vuonna 1996 raportoimaa planeettaa tunnetaan nimillä 47 Ursae Majoris b ja 70 Virginis b — kaikki nämä nimet ja numerot viittaavat eri tähtikuvion tähtien kirkkausjärjestykseen ja sen tietyllä sijalla olevaa kohdetta kiertävään ensimmäiseen kappaleeseen, johon viitataan b-kirjaimella. Mutta kansanvälinen tähtitieteen unioni IAU on antanut planeetoille myös triviaalinimiä. Planeetta 47 UMa b tunnetaan myös nimellä Taphao Thong ja 51 Pegasi b on ssaanut nimen Dimidium mutta tällaisten uusien nimien vakiintuminen vie luultavasti vuosikymmeniä — en ainakaan ole nähnyt yhdenkään tähtitieteilijän koskaan käyttävän näitä nimityksiä tuttujen 51 Peg b ja 47 UMa b sijaan.

Toisin kuin asteroidien tai komeettojen tapauksessa, tähtitieteilijät eivät voi halutessaan antaa virallisia nimiä eksoplaneetoille. Siksi heidän keskinäisessä kommunikaatiossaan käyttämiä lempinimiä eri planeetoille ei käytetä julkaisuissa tai planeettakatalogeissa. IAU antaa kuitenkin ajoittain eniten tutkituille eksoplaneetoille nimiä, tyypillisesti perustuen eri alkuperäiskansojen jumaltarustoihin tai perinteisiin. Hiljattain IAU järjesti jokaiselle planeettamme valtiolle mahdollisuuden järjestää äänestys yhden eksoplaneetan nimeämiseksi. Helsingin yliopisto otti Suomessa vastuun äänestyksestä, jossa päätettiin uusi nimi tähdelle HAT-P-38 ja sitä kiertävälle kuumalle jättiläisplaneetalle HAT-P-38 b. Tiukan äänestyksen jälkeen nimiksi valittiin Horna ja Hiisi, joten perinteestä käyttää tarustoja apuna eksoplaneettojen nimeämisessä pidettiin vahvasti kiinni. Omat ehdotukseni, pohjoissaamenkieliset Lievla ja Áhcagastin, eli suomeksi Höyry ja Hehku, sijoittuivat äänestyksen kärkipäähän mutteivät aivan selvinneet voittajiksi.

Osaltaan tähtitieteilijöiden loppumaton jääräpäisyys estää helpompia planeettojen nimiä vakiintumasta ja auttaa osaltaan pitämään monet jännittävät maailmat suurelta yleisöltä piilossa. Tunnustan syyllistyneeni siihen itsekin käyttäessäni julkaisuissani muutamalle tutuimmalle planeetakunnalle vain koodinimiä ’551’, ’699’ aj ’191’. Ne ovat Gliesen luettelon punaisten kääpiötähtien järjestysnumeroita. Tähdet tunnetaan paremmin nimillä Proxima Centauri, Barnardin tähti ja Kapteynin tähti, joiden jokaisen planeettakuntia olen ollut löytämässä ja tutkimassa. Tähdet on nimetty läheisyytensä (Proxima) tai löytäjiensä mukaan mutta niitä kiertäviin planeettoihin viitataan vain pienillä kirjaimilla b tai c. Mieleen vuosien saatossa pinttyneitä nimityksiä on kuitenkin hankalaa muuttaa ja siksi numerokoodit pysyvät varmaankin tähtitieteilijöiden käytössä vielä pitkään jopa aivan kaikkein tutuimmillekin kohteille. Kaikeksi onneksi näille huippukiinnostaville lähiavaruuden aurinkokunnille on hiukan helpommatkin nimet kuin vain pelkät numerokoodit ja kosmiset puhelinnumerot, joiden lukeminen tekee jopa kokonaisten uusien maailmojen tutkimisesta raskasta aivan kenelle hyvänsä tottumattomalle tähtitieteen harrastajalle.


Tekstin kirjoittamiseen inspiroi Damond Benningfield kirjoituksellaan ”Exoplanets in the Shadows”, EOS Science News. Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Aiheesta lisää

Lähteet

  1. Duvvuri et al. 2020. Necroplanetology: Simulating the Tidal Disruption of Differentiated Planetary Material Orbiting WD 1145+017. The Astrophysical Journal, 893, 166.
  2. Vanderburg et al. 2020. A giant planet candidate transiting a white dwarf. Nature, 585, 363.
  3. Delorme et al. 2012. CFBDSIR2149-0403: a 4–7 Jupiter-mass free-floating planet in the young moving group AB Doradus? Astronomy and Astrophysics, 548, A26.

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: