Kun tähtitiede loikkaa eteenpäin
Monen tähtitieteen tutkijan aamurutiineihin kuuluu sähköisten ennakkojulkaisujen arkiston arXivin tuoreiden julkaisujen silmäily aamukahvin lomassa. Se on ilmaiseksi selattavissa oleva arkisto, johon likimain jokainen tähtitieteen alan tutkimus tallennetaan tyypillisesti sen tultua hyväksytyksi julkaistavaksi jossakin tieteellisessä julkaisusarjassa. Tuorein tiede saatetaan siis kaikkien vapaasti luettavaksi ennen kuin sen varsinainen julkaisu monesti huomattavasti hitaammin toimivissa tiedeellisissä sarjoissa on ehtinyt tapahtua. Kyse on tieteen avoimuudelle ja saatavuudelle valtavan hyödyllisestä palvelusta ja menettelytavasta, ja suoraan sanoen ihmettelen miten niinkin moni kaupallinen julkaisija sietää palvelun olemassaoloa.
Tällä viikolla ei ole kuitenkaan mennyt päivääkään niin, että kahvi ei olisi ehtinyt jäähtymään jäätyäni aamuvarhaisella selaamaan tuoreita tutkimustuloksia. Muutoinkin nopeasti etenevässä eksoplaneettatutkimuksessa viikko on ollut aivan huikeaa uuden tiedon tykitystä ja vaikka jokainen tieteellinen artikkeli tuokin mukanaan vain jonkin pienen murusen uutta tietoa, tuntuu kuin olisimme tällä viikolla edistyneet vähintäänkin jonkinlaisen harppauksen verran tieteenalallamme.
Proxima b vaikuttaa elinkelvottomalta
Aiemmat arviot Proxima Centauria kiertävän elinkelpoisen vyöhykkeen eksoplaneetan Proxima b mahdollisesta elinkelvotomuudesta ovat saaneet lisää tukea. Uudessa tutkimuksessa (1) arvioitiin planeetan pintaan osuvaa suurienergisen hiukkas- ja sähkömagneettisen säteilyn voimakkuutta. Ollessaan elinkelpoisella vyöhykkeellä, jossa nestemäistä vettä voi lämpötilan puolesta esiintyä, punaisia kääpiötähtiä kiertävät planeetat ovat hyvin lähellä tähteää ja kiertävät ne vain muutamassa tai korkeintaan muutamassa kymmenessä päivässä. Silloin ne altistuvat suurille annoksille säteilyä, jos tähti sattuu olemaan aktiivinen nuoruutensa tai muiden tekijöiden vuoksi.
Proxima Centaurilla on muiden kaltaistensa pienten tähtien tapaan magneettikenttä, jonka voimakkuutta voi arvioida mallintamalla sitä tietokoneella. Mallintaminen taas on mahdollista, koska magneettikentästä on tehty havaintoja Zeeman-Doppler -kuvantamisella. Periaate on yksinkertainen. Tähden säteilyn spektriviivat jakautuvat Zeeman-ilmiön vuoksi useaan osaa, jotka voidaan erottaa toisistaan tarkoilla spektrimittauksilla — oleellisesti kyseessä ovat samanlaiset spektrihavainnot, kuin millä havaitaan tähden radiaalinopeuden jaksollisia vaihteluita ja siten planeettoja. Havainnoista saadaan siten selville tähden magneettikentän rakenne ja voimakkuus ja sitä mallintamalla voidaan arvioida sitä sähkömagneettista dynamoa, joka kentän aiheuttaa. Dynamot taas perustuvat siihen, että liikkuva varaus aiheuttaa magneettikentän — tähden sisuksissa kyse on sähköisesti varatun plasman liikkeistä tähden pyöriessä ja kuumemman plasman virratessa pintaa kohti.
Tuoreiden tutkimustulosten mukaan, tähtituuli puhaltaa Proxima b:n radan etäisyydellä noin 100-300 kertaa voimakkaampana kuin Maapallolla. Tähden ollessa aktiivisimmillaan, tähtituulen voimakkuus voi kasvaa jopa monituhatkertaiseksi. Se taas tarkoittaa, että Proxima b ei välttämättä kykene pitämään kiinni kaasukehästään, puhumattakaan nestemäisestä vedestä, joten planeetan luonne kandidaattina elinkelpoiseksi planeetaksi on vähintäänkin kyseenalainen. On kuitenkin mahdollista, että Maata massiivisempana Proxima b:n oma magneetikenttä voisi olla Maan kenttää huomattavasti voimakkaampi ja tarjota suojaa vihamieliseltä tähdeltään. Se on kuitenkin vain spekulaatiota, koska havaintoja ei ole ollut mahdollista tehdä.
Uusia elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja
Vaikka Proxima b vaikuttaakin elinkelvottomalta, uudet lähitähteä Gliese 1002 kiertävät kiviplaneetat eivät ehkä ole sitä (2). Tuoreiden havaintojen mukaan, tähteä kiertää kaksi arviolta Maan massaista planeettaa etäisyydellä, jossa niiden pinnoilla on sopivat lämpötilaolosuhteet nestemäisen veden esiintymiselle. Tähti sijaitsee vain 16 valovuoden etäisyydellä, joten se tarjoaa uuden esimerkin Auringon lähinaapuruston elinkelpoisen vyöhykkeen planeetoista. Tunnemme jo peräti seitsemän lähijärjestelmää, joissa on ainakin yksi elinkelpoisen vyöhykkeen kiviplaneetta. Ne ovat siten hyvin yleinen planeettatyyppi, vaikkakin kaikki esimerkit ovat punaisten kääpiötähtien järjestelmissä.
Tutkijoiden uusi löytö ei kuitenkaan tullut aivan helpolla siitäkään huolimatta, että heidän käytössään oli maailman tarkimmat havaintolaitteet, mukaan lukien Euroopan Eteläisen Observatorion ESPRESSO -instrumentti, joka on asennettu 10 metrin teleskoopille nimeltään VLT. Havaintoja häiritsi tähden pinnalla oleva pilkkurakenne, joka tuottaa havaintoihin jaksollisia vaihteluita noin 115 päivän jaksoissa. Tutkijat kuitenkin onnistuivat suodattamaan tähdenpilkkujen aiheuttamat vaihtelut pois havainnoistaan, mikä riitti planeettojen olemassaolon paljastumiseen.
Vetisiä maailmoja
Kepler -avaruusteleskoopin havainnoista löydetyt lukuisat planeetat eivät ole unohtuneet tähtitieteilijöiltä, vaan niiden jatkotutkimukset ovat käynnissä ja tuottavat jatkuvasti uusia tietoja planeettoen ominaisuuksista. Nyt tutkijat ovat saaneet tarkempaa tietoa neljän planeetan järjestelmästä tähden Kepler-138 ympärillä. Kaksi planeetoista on saatu punnittua tekemällä havaintoja radiaalinopeusmenetelmällä ja massojen avulla on voitu arvioida planeetojen keskitiheyttä ja siten koostumusta.
Planeettojen Kepler-138 c ja d tutkimus paljasti, että ne koostuvat aineksesta, joka on keveämpää kuin kivi mutta raskaampaa kuin neptunuksenkaltaisten planeettojen vedystä ja heliumista koostuva kaasuvaippa. Ainoaksi realistikseksi vaihtoehdoksi jää silloin vesi, jota on jopa puolet planeettojen kaikesta massasta. Aiemmin on ajateltu, että vastaavat noin 50% Maata suuremmat supermaapallot ovat koostumukseltaan maankaltaisia planeettoja, joilla on vain ohut kaasukehä peittämässä silikaattivaippaa ja metalleista koostuvaa ydintä. Tähden Kepler-138 supermaapalloilla on kuitenkin pinnallaan tuhansien kilometrien paksuinen meri, jonka pohjalla vesi muuttuu kovassa paineessa eksoottiseksi jääksi, jonka fysiikkaa ei ole voitu tutkia kovinkaan tarkasti maapallon olosuhteissa.
Vaikka meriplaneettojen olemassaoloa onkin ehdotettu perustuen siihen, miten yleisiä vedestä (jäästä) koostuvat kappaleet ovat omassa planeettakunnassamme, näinkin pienten supermaapallojen vetinen koostumus oli silti tutkijoille yllätys. Se kuitenkin alleviivaa vanhaa totuutta, jonka mukaan luonto ei ole vain ihmeellisempi kuin kuvittelemme, vaan ihmeellisempi kuin edes voimme kuvitella. Havaitut eksomeret eivät kuitenkaan ole elinkelpoisia, koska planeetat ovat niin lähellä tähteään, että kuumuus tekee niiden vetisestä pinnasta kiehuvan painekattilan, jossa elämän edellytyksiä ei ole. Elämän esiintyminen meriplaneettojen olosuhteissa voisi kuitenkin olla mahdollista, jos niiden lämpötila on sppiva ja elämän synty ei ole estynyt meren valtavan syvyyden vuoksi.
Uusia havaintoja James Webb -teleskoopilta
James Webb -avaruusteleskooppi on jo kirjaimellisesti ehtinyt mullistaa tähtitieteen. Emme ole kuitenkaan vielä nähneet mitä sen havainnot kertovat tasapainon reunalla keikkuvan TRAPPIST-1 järjestelmän planeettaseitsikosta. Havaintoja on tehty jo runsaasti, mutta niiden analysointi on edelleen kesken ja tuloksia ei ole julkaistu tutkijayhteisön nähtäville kokonaisuudessaan.
Tiedon murusia on kuitenkin jo ehditty paljastaa. TRAPPIST-1 järjestelmän planeettojen koostumus ei ole vielä tiedossa mutta tiedämme, että JWST kykeneen tekemään havaintoja niiden kaasukehien ominaisuuksista — jos niitä vain peittävät sopivan paksut kaasukehät. Tiedämme jo sen, että järjestelmän uloimmalla ylikulkevalla supermaapallolla TRAPPIST-1 g ei ole suojanaan paksua vedystä ja heliumista koostuvaa primitiivistä kaasukehää, joka peittää lukuisia minineptunuksia ja Neptunuksen kokoluokan planeettoja. Kyse on planeettakunnan suurimmasta planeetasta, joka sattuu sijaitsemaan tänden elinkelpoisella vyöhykkeellä. Primitiivisen vetypitoisen kaasukehän puute taas tarkoittaa sitä, että planeetta on luultavasti tyypillinen kiviplaneetta ja siten monella tapaa maankaltainen maailma. Koska kaasukehä ei ole vetypitoinen ja siten paksu ja helposti JWST:n havaittavissa, sen on oltava koostumukseltaan sellainen, jossa on suuria määriä painavampia molekyylejä kuten esimerkiksi hiilidioksidia. Vaikka koostumus ei olekaan vielä tiedossa, siitä julkistetaan varmasti lisää tietoa, kun havaintojen työläitä analyyseja saadaan valmiiksi lähitulevaisuudessa. Vastaavia viitteitä on saatu myös lämpimästä sisäplaneetasta TRAPPIST-1 b, jonka kaasukehältä niinikään puuttuu vetypitoiselle kaasukehälle tyypillinen paksuus ja ominaisuudet.
Tutkijat kuitenkin kertovat, että ensi vuoden puolella järjestelmän planeetoista saadaan kattavampaa tietoa, ja voimme ryhtyä tarkastelemaan niiden elinkelpoisuutta perustuen suoriin havaintoihin kaasukehien koostumuksista ja ominaisuuksista, eikä pelkästään laskennalliseen pintalämpötilaan ja tietokonesimulaatioihin.
Luvassa on kiinnostava tuleva vuosi eksoplaneettatutkimuksen saralla ja uskon, että mielenkiintoisten tutkimustulosten tulva jopa kasvaa lähitulevaisuudessa, kun esimerkiksi JWST:n thavaintojen käsittelystä tulee uutuuden sijaan rutiinia. Aion henkilökohtaisesti osallistua niin eksoplaneettatutkimukseen kuin tulosten popularisointiinkin, joten kannattaa seurata tapahtumia tällä kanavalla.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
- Garraffo et al. 2022. Revisiting the Space Weather Environment of Proxima Centauri b. ApJ, 941, L8.
- Suárez Mascareño et al. 2022. Two temperate Earth-mass planets orbiting the nearby star GJ 1002. Astronomy and Astrophysics, accepted.
- Piaulet et al. 2022. Evidence for the volatile-rich composition of a 1.5-Earth-radius planet. Nature Astronomy.
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 