Kuinka monta planeettaa kiertää Proxima Kentauria?

Planeettoja on vaikeaa laskea. Toisin kuin tarjoiluvadissa istuvat omenat, emme voi vain käyttää sormiamme ja tarkistaa planeettakunnassa olevien planeettojen määrää. Laskettaessa planeettakuntien planeettojen lukumäärää, eri tutkimusryhmät saavat ajoittain erilaisia tuloksia. Tilanne ei ole lainkaan yllättävä ottaen huomioon, ettemme ole päässeet yhteisymmärrykseen edes Aurinkokunnan planeettojen määrästä tai määritelmästä.

Jotta voitaisiin ymmärtää kuinka vaikeaa Proxima Kentauria kiertävien planeettojen lukumäärän laskeminen on, on otettava esimerkiksi toinen lähitähti, Gliese 581. Olen itsekin osallistunut aktiivisesti tähteä kiertävien planeettojen lukumäärän selvittämiseen.

Tähden Gliese 581 planeettakunta

Proxima Kentaurin tapaan, Gliese 581 on pieni punainen kääpiötähti — se sijaitsee Auringon lähinaapurustossa, noin 20.6 valovuoden päässä Auringosta. Sitä kiertävä planeetta, Gliese 581 b, löytyi vuonna 2005 ja se oli tuolloin vasta viides tunnettu planeetta punaisen kääpiötähden kiertoradalla (1).

Löytöä olivat tekemässä myöhemmin Nobelin palkinnonkin saaneet sveitsiläiset Michel Mayor ja Didier Queloz.

Kuva 1. Taiteilijan näkemys tähteä Gliese 581 kiertävistä planeetoista. Kuva: ESO/L. Calçada.

Planeetta Gliese 581 b kiertää radallaan tähtensä runsaassa viidessä päivässä ja sen minimimassaksi on arvioitu noin 17 Maan massaa. Se on siis Neptunuksen kokoinen planeetta mutta niin lähellä tähteään, että lämpenee pinnaltaan polttavaan noin 150 Celsiusasteeseen tähden kuumottaessa vieressä. Kutsumme tällaisia planeettoja ”kuumiksi Neptunuksiksi”.

Gliese 581 b havaittiin radiaalinopeusmenetelmällä, mikä tarkoittaa, että olemme havainneet pelkän tähden jaksollisen heilumisen ja tunnemme vain planeetan massan alarajan ja sen radan ominaisuudet. Mutta vuonna 2005 löytö oli merkittävä — vasta toinen tunnettu kuuma, neptunuksenkaltainen eksoplaneetta.

Mielenkiintoisemmaksi Gliese 581 kävi, kun vuonna 2007 tähden kiertoradoilta havaittiin kaksi muutakin planeettaa, ulommat maailmat Gliese 581 c ja Gliese 581 d (2). Niitä kutsutaan supermaapalloiksi, koska suhteellisen pienet minimimassat viittaavat kiviseen pintaan, jota peittää suhteellisen ohut kaasukehä. Kappaleiden koostumusta ei tunneta mutta kyseessä on tiivis järjestelmä, joka ei voi pysyä stabiilina, jos planeettojen massat — ja siten keskinäiset vetovoimat — ovat runsaasti havaittuja minimejä suurempia.

Kaikki näytti olevan kunnossa kunnes koitti vuosi 2009 ja järjestelmästä löytyi vielä neljäskin planeetta — tällä kerralla kyseessä oli planeettakunnan kaikkein pienin ja sisimmäisin kappale, Gliese 581 e, minimimassaltaan vain vajaat kaksi kertaa Maapalloa suurempi (3).

Kuinka pitkä on vuosi?

Maapallolla vuosi kestää 365 vuorokautta ja noin neljännespäivän päälle. Vuosi, se aika, joka planeetallamme kestää kiertää Auringon ympäri, on pituudeltaan aivan riippumaton vuorokauden pituudesta, vaikka olisikin hurjan kätevää, jos vuodessa olisi päiviä tarkalleen 365. Nyt joudumme jatkuvasti muokkaamaan kalenteria lisäämällä karkauspäiviä joka neljänteen vuoteen, paitsi joka sadas vuosi, kun emme lisää, ja joka neljässadas vuosi, kun taas lisäämme.

Myös eksoplaneetan vuoden määrittää se aika, jossa se kiertää tähtensä ympäri. Vuonna 2007 planeetan Gliese 581 d vuoden pituudeksi määritettiin 83.4 Maan päivää.

Vuoden pituus havaitaan tutkimalla havaittuja radiaalinopeusmittauksia periodogrammiksi kutsutulla matemaattisella työkalulla. Se on keino havaita taajuuksia f, jotka sitten tulkitaan planeettojen rataperiodeina P tunnetun yksinkertaisen määritelmän mukaisesti: f = 1/P.

Mutta tähtitieteellisiä havaintoja ei voida tehdä ympäri vuorokauden ja jokaisena vuodenaikana. Päivisin Aurinko estää tähtitaivaan kohteita näkymästä ja osan vuodesta ne voivat olla horisontin takana piilossa. Silloin havaintoihin tulee säännöllisiä aukkoja yhden päivän ja yhden vuoden jaksoissa. Se taas tuottaa omat ongelmansa.

Jokainen voi varmistaa yksinkertaisella taajuuksien yhteenlaskulla, että 83 päivää vastaava taajuus ja 365 päivän havaintoaukkojen taajuus tuottavat yhdessä kolmannen taajuuden suunnilleen 67 päivän kohdalle. Juuri niin kävi myös Gliese 581 d:n aiheuttaman heilahtelun jaksollisuuden kanssa. Tilanne vain oli näennäisen omituinen, koska uudet havainnot osoittivat planeetan kiertävän tähtensä 66.7 päivässä. Havaintosarjassa olevat vuotuiset aukot olivat saaneet ensimmäisen arvion planeetan kiertoajasta menemään pieleen.

Planeetan vuoden pituuden määrittäminen — ehkäpä kaikkein yksinkertaisin planeetan radasta kertova tekijä — voi siis mennä päiväkaupalla metsään. Se on hyvä pitää mielessä, kun tähtitieteilijät raportoivat uusista dramaattisista planeettalöydöistä.

Lisää planeettoja?

Samana vuonna Paul Butler ja Steven Vogt yhdistivät Mayorin ja muiden sveitsiläisten havainnot omaan Keck teleskoopilla keräämäänsä havaintosarjaan. He julkaisivat pian löytäneensä viidennen ja kuudennen planeetan, nimiltään Gliese 581 g ja f, kiertämässä tähteä yhdessä neljän aiemmin havaitun kanssa.

Muistan, kun kaikki puhuivat uudesta kappaleesta Gliese 581 g, jonka sanottiin kiertävän tähteään sen elinkelpoisella vyöhykkeellä, jossa nestemäinen vesi voisi virrata planeetan pinnalla. Kyseessä olisi ollut sensaatiomainen löytö, mahdollinen elinkelpoinen planeetta kiertämässä lähitähteä aivan Aurinkokunnan naapurissa. En kuitenkaan pitänyt tulosta uskottavana, koska olin kehittänyt tehokkaampia ja luotettavampia jaksollisten signaalien esiin kaivamiseen soveltuvia menetelmiä, enkä ollut Vogtin ja Butlerin kanssa samaa mieltä.

Julkaisin tulokseni vuonna 2011 (5). Niiden mukaan havainnoissa oli todistusaineistoa vain neljän planeetan olemassaolosta. Sen vahvisti toinenkin samoihin aikoihin julkaistu analyysi. Miten oli mahdollista, että eri tutkimukset päätyivät erilaisiin tuloksiin jopa koettaessaan laskea kuinka monen planeetan olemassaolon puolesta samoissa mittauksissa oli todistusaineistoa?

Gliese 581 oli ensimmäinen punainen kääpiötähti, jota onnistuttiin havaitsemaan niin kattavasti, että massaltaan Maan kokoisten planeettojen löytäminen sen kiertoradoilta tuli mahdolliseksi. Samalla saavutettiin havaintotarkkuus, joka mahdollisti tähden aktiivisen pinnan aiheuttaman näennäisen huojumisen tutkimisen mutta tähtitieteilijät eivät olleet vielä ymmärtäneet, että tällöin myös planeetoiksi tulkitut virhehavainnot tulivat todellisiksi ongelmiksi.

Ensimmäinen esimerkki sellaisesta oli planeetaksi Gliese 581 g tulkittu jaksollinen signaali. Sitä ei ole kyetty havaitsemaan uudestaan, joten voidaan olla lähes varmoja, että signaali ei ollut planeetan aiheuttama. Myös planeetaksi Gliese 581 d tulkittu 67 päivän jakson omaava signaali on kyseenalaistettu mutta sen olemassaolosta havainnoissa ei ole epäilystä ja sen aiheuttaja on luultavasti aivan oikea eksoplaneetta.

Proxima Kentaurin planeetat

Planeetan aiheuttamaksi tulkittiin myös Proxima Kentaurin radiaalinopeusmittauksista vuonna 2020 esiin puristettu noin kahdentuhannen päivän jaksollisuus (6). Havaitsin saman signaalin jo vuonna 2013 (7) mutta arvioin sen todennäköiseksi alkuperäksi tähden magneettisen aktiivisuussyklin.

Kuva 2. Taiteilijan näkemys tähteä Proxima Kentauri ympäröivästä pölykiekosta, jota mahdollinen planeetta Proxima c paimentaa vetovoimallaan. Kuva: ESO/M. Kornmesser.

Signaalin tulkinta planeetan aiheuttamaksi on kuitenkin luultavasti puhtaan subjektiivinen. Jokainen voi todistusaineistoa punnittuaan arvioida itse, onko Proxima Kentauria kiertämässä yksi vai kaksi planeettaa. Laskemalla emme pääse eteenpäin.

Itse arvioin, että on liian aikaista sanoa. Jos 2000 päivän, eli yli viiden vuoden, signaali toistaa itsensä vielä kymmenen vuoden ajan samanlaisena, sen tulkinta planeetan aiheuttamana saa vahvistusta, koska planeettojen radat eivät muutu vuosien saatossa mutta tähtien magneettinen aktiivisuus vaihtelee. Sitä ennen on hyväksyttävä, että planeettojen määrän laskeminen on vaikeaa ja osin jopa subjektiivistakin.

Lähteet

1. Bonfils et al. 2005. The HARPS search for southern extra-solar planets. VI. A Neptune-mass planet around the nearby M dwarf Gl 581. Astronomy and Astrophysics, 443, L15.
2. Udry et al. 2007. The HARPS search for southern extra-solar planets. XI. Super-Earths (5 and 8 M_⊕) in a 3-planet system. Astronomy and Astrophysics, 469, L43.
3. Mayor et al. 2009. The HARPS search for southern extra-solar planets. XVIII. An Earth-mass planet in the GJ 581 planetary system. Astronomy and Astrophysics, 507, 487.
4. Vogt et al. 2009. The Lick-Carnegie exoplanet survey: A 3.1 M_⊕ planet in the habitable zone of the nearby M3V star Gliese 581. The Astrophysical Journal, 723, 954.
5. Tuomi 2011. Bayesian re-analysis of the radial velocities of Gliese 581. Evidence in favour of only four planetary companions. Astronomy and Astrophysics, 528, L5.
6. Damasso et al. 2020. A low-mass planet candidate orbiting Proxima Centauri at a distance 1.5 AU. Science Advances, 6.
7. 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.