Arkisto

• maaliskuu 2023
• helmikuu 2023
• tammikuu 2023
• joulukuu 2022
• marraskuu 2022
• lokakuu 2022
• syyskuu 2022
• elokuu 2022
• kesäkuu 2022
• toukokuu 2022
• huhtikuu 2022
• maaliskuu 2022
• helmikuu 2022
• tammikuu 2022
• joulukuu 2021
• marraskuu 2021
• lokakuu 2021
• syyskuu 2021
• elokuu 2021
• kesäkuu 2021
• toukokuu 2021
• huhtikuu 2021
• maaliskuu 2021
• helmikuu 2021
• tammikuu 2021
• joulukuu 2020
• marraskuu 2020
• lokakuu 2020
• syyskuu 2020
• elokuu 2020
• kesäkuu 2020
• toukokuu 2020

---

Luvassa sulaa rautaa ja muita sadekuuroja

24.4.2020 klo 12.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus , Havaitseminen , Koostumus

Eksoplaneettojen olosuhteet voivat olla todella erikoisia. Oikeammin, ne voivat olla niin hämmästyttäviä ja Maapalloon rajoittuneen kokemuspiirimme vastaisia, että niiden kaasukehille ominaiset, tavalliset sääilmiöt vaikuttavat meidän maapallokeskeisestä näkökulmastamme katsottuna uskomattoman brutaaleilta ja omituisilta. Vai miltä kuulostaisi monsuunisade, jonka aikana taivas aukenisi ja sataisi sulaa rautaa?

Yli 2400 celsiusasteen lämpötiloja, joissa rautakin höyrystyy, ei esiinny lauhkeassa ilmastossamme oman planeettamme pinnalla. Tarkalleen ottaen niitä ei esiinny myöskään planeetan WASP-76 b pinnalla, koska se on jättiläismäinen kaasuplaneetta, jolla ei ole kiinteää pintaa ja joka kiertää Aurinkoa kirkkaamman ja kuumemman F-tyypin tähtensä ympäri sen koronaa viistäen vain kahdessa päivässä. Lähellä loistava tähti on syy planeetan valtaisaan, raudankin höyrystävään kuumuuteen.

Mutta WASP-76 b on vielä tätäkin oudompi. Tähden voimakkaat vuorovesivoimat ovat saaneet planeetan pyörimisen lukkiutumaan sen kiertoaikaan. Siksi se näyttää aina saman puolensa tähdelleen kuten Kuu näyttää Maalle. Voimakkaan säteilyn armotta korventamalla puoliskolla rauta höyrystyy kaasukehässä ja ankarat kaasukehän virtaukset kuljettavat sitä planeetan pimeän puolen rajalle, jossa lämpötila ei riitä pitämään rautaa kaasumaisena. Siellä rauta sataa kaasukehän alempiin kerroksiin, joista se taas kulkeutuu virtausten mukana kuumalle puolelle höyrystyäkseen uudelleen.

Planeetan WASP-76 b:n olosuhteiden rinnalla, Maapallon suurinkin hurrikaani ja rankinkin sade näyttäytyvät lähinnä rauhallisen kevätpäivän tuulenvireenä ja harmittomana pikku ripotteluna.

---

Vesisade on ilmakehän ilmiöistä ehkäpä paras merkki planeettamme elinkelpoisuudesta. Kaikki elämä tarvitsee vettä ja sateet saavat kuivat autiomaat, arot ja savannit virkoamaan eloon ja täyteen kukoistukseensa — ainakin lyhyeksi aikaa. Sademetsät puolestaa luovat omat sadepilvensä ja järjestävät oman veden kiertonsa pysyäkseen ikuisesti kosteina. Avainasemassa on ilmakehän vesihöyry, joka näkyy parhaiten pilvinä ennen tiivistymistään sadepisaroiksi ja putoamistaan takaisin maanpinnalle. Vesihöyryä on havaittu myös planeetan K2-18 b kaasukehästä.

K2-18 b on yksi Kepler-avaruusteleskoopin löytämistä eksoplaneetoista noin 120 valovuoden päässä Auringosta. Sen tähti K2-18 on pieni punainen kääpiötähti, josta ei tiedetty ennen planeetan löytymistä juuri mitään. Se kuitenkin tiedettiin, että sellaisia tähtiä kiertää keskimäärin vähintään noin kolme planeettaa. Tarvittiin vain se onnellinen sattuma, että planeetat kulkevat radoillaan täsmälleen tähtensä editse.

Mielenkiintoista planeetassa K2-18 b on se, että sen kaasukehässä on pilviä. Ne ovat tavallisia vesihöyrystä koostuvia pilviä. Kuten Maapallo, K2-18 on koostumukseltaan pääosin kiviplaneetta mutta sillä on huomattavasti Maan ilmakehää paksumpi kaasukehä. Kaasukehä koostuu suureksi osaksi vedystä, kuten hiukan suuremmilla Neptunuksen kokoisilla kaasuplaneetoilla, mutta veden merkit ovat selviä mittauksissa sen koostumuksesta.

On oikeastaan hämmästyttävää, että kykenemme tutkimaan sadan valovuoden päässä sijaitsevan ja pientä punaista tähteä kiertävän pienen kiviplaneetan kaasukehän ominaisuuksia. Se on kuitenkin mahdollista käyttämällä hyväksi sitä, mitä ei havaita: planeetan kaasukehän tähtensä valosta pois suodattamia aallonpituuksia.

Lähitähtiä kiertävien planeettojen kaasukehiä voidaan tutkia ovelalla tekniikalla. Tiedetään, että planeetan kulkiessa tähtensä pinnan yli, tähti näyttää himmenevän jokaisen ylikulun aikana. Jos tähti on tarpeeksi kirkas, voidaan katsoa sen spektriä ja tarkastella miten tähden säteily muuttuu eri aallonpituuksilla himmenemisen lisäksi.

Koska osa tähden säteilystä kulkee planeetan kaasukehän läpi sen ollessa suoraan tähden edessä, voidaan spektrin muutoksia havaitsemalla saada tietoa siitä, mistä planeetan kaasukehä on koostunut. Se mahdollistaa myös vesihöyryn havaitsemisen kaukaisten eksoplaneettojen kaasukehissä. Havainto kiinnostaa, koska vesi on elämän edellytys. Mutta voiko K2-18 b olla elinkelpoinen planeetta?

---

Voimme kuvitella eläviä organismeja, jotka pärjäisivät planeetan K2-18 b kaasukehän suuressa paineessa. Tähden K2-18 voimakkaiden purkausten ja ultraviolettisäteilyn tuhovoimalta ne olisivat hyvin suojattuja kaasuhehän sisällä. Seuraava askel niiden havainnoinnissa on kuitenkin ottamatta. Biologisten organismien ja niistä kertovien signaalien havaitseminen ei ole vielä teknisesti mahdollista.

James Webb -avaruusteleskooppi voi kuitenkin muuttaa kaiken. Sen tarkkuus riittää jopa kivisten eksoplaneettojen suoraan havaitsemiseen, jolloin emme joutuisi tyytymään vain tarkkailemaan, miten planeetat vaikuttavat tähdestään Maahan saapuvaan säteilyyn. Voisimme ryhtyä jopa tutkimaan kivisten lähitähtiä kiertävien eksoplaneettojen sääilmiöitä. Suorat havainnot ovat mahdollisia toistaisesi vain tapauksissa, joissa lähitähtiä kiertää jättiläismäisiä kaasuplaneettoja kaukana, Saturnuksen radan tienoilla. Sellaiset planeetat taas tuskin ovat elinkelpoisia millään tuntemallamme mittarilla.

Suorat eksoplaneettahavainnot tarjoavat uuden, entistä tarkemman työkalun Auringon lähinaapuruston planeettojen ominaisuuksien kartoittamiseen. Erityisen kiinnostavia ovat tarkat havainnot kaasukehien koostumuksista ja siten planeettojen pintojen fysikaalisista ja geokemiallisista olosuhteista. Ensimmäisten kohteiden joukossa on varmasti Barnardin tähden jäinen kiviplaneetta, josta tutkimusryhmäni raportoi vuonna 2018. Silloin eksoplaneettojen tutkimus ottaa jälleen yhden jännittävän askeleen eteenpäin.

---

Aavistuksen himmenevä tähti

17.4.2020 klo 15.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Koostumus

Henry Draperin valtaisan tähtiluettelon kohde numero 95338 himmeni äkkiä hetkeksi. Aivan hitusen verran. Sen kirkkaus putosi seitsemän tunnin ajaksi vajaat kaksi promillea ennen palaamistaan takaisin normaaliksi, noin puoleen siitä kirkkaudesta, jolla Aurinko loistaa. Se olisi himmentynyt uudelleen, täsmälleen samalla tavalla, aina 55 päivän välein, mutta kukaan ei kyennyt tarkkailemaan tähteä niin pitkään. Maata kiertävä TESS avaruusteleskooppi tuijotti samaa tähtitaivaan aluetta vain 27 päivän ajan, kunnes kääntyi tarkkailemaan aikataulunsa mukaisesti seuraavaa aluetta, joten sen havainnot rekisteröivät vain yhden ainoan himmenemisen.

Mitättömältä vaikuttanut himmeneminen johtui kiertoradallaan vaeltavasta planeetasta HD 95338 b, joka sattui kulkemaan tähtensä editse. Pelkästään yden ylikulun perusteella ei kuitenkaan olisi voinut päätellä mitä edes havaittiin.

Eksoplaneettojen havainnoinnissa ylikulkumenetelmän idea on ehkäpä helpoin ymmärtää. Ajatuksena on tarkkailla kohteena olevaa tähteä niin tiiviisti kuin mahdollista koettaen nähdä himmeneekö se hiukan sen editse radallaan kulkevien planeettojen estäessä murto-osan tähden säteilyä saapumasta Maahan ja teleskooppeihimme. Kuulostaa helpolta mutta käytännössä planeettojen etsintä ylikulkujen avulla on hämmästyttävän vaikeaa, koska emme tiedä minkä tähtien planeetat ovat oikeanlaisella radalla ja milloin ne kulkevat radallaan tähtensä editse. Yhdenkin havainnon tekoa varten on kyettävä havaitsemaan tuhansia tähtiä samanaikaisesti päivien ja kuukausien ajan. Sellainen onnistuu vain avaruusteleskooppien avulla.

Jos planeetta on kooltaan kymmenesosan tähdestä, sen ylikulku himmentää tähteä noin sadasosan. Maapallo on kooltaan noin prosentin Auringosta. Jos jonkin vierasta tähteä kiertävällä planeetalla asuvan sivilisaation tutkija tarkkailisi teleskoopillaan Aurinkoa havaiten Maan ylikulun, se tarkoittaisi kykyä nähdä Auringon himmeneminen noin promillen kymmenesosan verran. Tuhansia planeettoja löytäneelle Kepler avaruusteleskoopille sellainen tarkkuus oli mahdollista, joten tekniset sivilisaatiot kyllä kykenevät havaitsemaan Maan ylikulun — jos vain tarkkailevat Aurinkoa suunnasta, josta katsottuna Maa kulkee radallaan Auringon editse.

Kun havaitaan vain yksittäinen ylikulku, ei voida tehdä päätelmiä siitä, mitä on havaittu. Kyseessä voi olla suuri yksittäinen tähden pilkku tai niiden ryhmä taikka jonkin himmeän taustataivaan kaksoistähden tuottama efekti. Periaatteessa vaaditaan kaksi ylikulkuhavaintoa, jotta voidaan määrittää niiden välinen aika ja siten planeetan kiertoradan jakso — planeetan vuosi. Jotta vieraan sivilisaation tutkija voisi mitata Maan vuoden pituuden, hänen tulisi tarkkailla herkeämättä Auringon kirkkautta ylikulkujen varalta vähintään vuoden ajan. Käytännössä vieläkin pidempään.

Vaikka havaittaisiin kaksi ylikulkua, ne eivät välttämättä ole saman planeetan aiheuttamia. Ne voivat aiheutua kahdesta erillisestä suunnilleen saman kokoisesta planeetasta, jolloin kahden pienen himmenemisen rekisteröinti havaintoinstrumentin digitaalikameralla ei vielä riitä. Tarvitaan kaksi mittausta planeetan ratajaksosta, eli vähintään kolmen ylikulun havainnointi, jotta voidaan selvittää planeetan radan ominaisuuksia tai arvioida planeetan kokoa.

Maankaltaisen planeetan havaitsemiseen vaaditaan siis jatkuvaa auringonkaltaisen tähden kirkkauden havainnointia keskeytyksettä parin vuoden ajan. Sellainen ei voi olla mahdollista planeettamme pinnalta käsin. Maanpäällisillä teleskoopeilla voimme havaita tähtiä vain öisin, ja tyypillisesti vain osan vuodesta, jolloin havaintojen tekoon tarvitaan käytännössä paljon enemmän aikaa kuin kaksi ratajaksoa. Jos ylikulku sattuu väärään vuodenaikaan tai päivällä, se jää armotta havaitsematta. Siksi silmää räpäyttämättä taivasta tuijottavat avaruusteleskoopit, sellaiset kuin Kepler tai TESS, ovat parhaita instrumentteja eksoplaneettojen ylikulkujen havainnointiin ja niiden ominaisuuksien tutkimiseen.

Tähden HD 95338 tapauksessa ylikulkuja kuitenkin havaittiin vain yksi. Se oli onnellinen sattuma, koska TESS avaruusteleskooppi tuijotti tähden sisältämää taivaan aluetta vain 27 päivää. Yksittäinen seitsemäntuntinen ylikulku olisi aivan hyvin saattanut jäädä osumatta havaintojaksoon. Tiesimme kuitenkin etsiä planeetan merkkejä HD 95338:n havainnoista, koska olimme selvillä sen olemassaolosta jo entuudestaan.

---

HD 95338 sijaitsee 37 parsekin päässä Auringosta ja on siksi yksi Auringon lähinaapuruston tavallisista spektriluokan K oransseista kääpiötähdistä. Se ei loista niin kuumana kuin Aurinko, eikä ole aivan yhtä suuri massaltaan tai halkaisijaltaan, mutta se kuuluu galaksimme tavallisiin kääpiötähtiin, joden ympärillä on runsaasti tähden synnyn sivutuotteena muodostuneita planeettoja. Käytännössä voidaan olettaa, että jokaista tähteä kiertää planeetta tai planeetoja. Kysymys on vain siitä, voidaanko niitä havaita.

Teimme havaintoja kohteesta HD 95338 kahdella eri teleskooppeihin asennetulla spektrometrillä, joiden tarkoituksena on mitata tähden huojumista näkösäteen suunnassa planeetan vetovoiman vaikutuksesta. Yhdessä Calanin observatoriossa Santiagossa työskentelevien Matias Diazin ja James Jenkinsin sekä useiden muiden tutkijoiden kanssa, olimme havainneet tähteä HARPS-instrumentilla La Sillan observatoriossa sekä Las Campanasin observatorion PFS-instrumentilla.

Tiesimme havaintojen perusteella, että tähteä kiertää vähintäänkin kaksi kertaa Neptunusta massiivisempi planeetta 55 päivän kiertoradalla. Muuta emme tienneet ja planeetta näytti olevan vain yksi monista tavanomaisista kaasuplaneetoista kiertämässä lähitähtiä. Olimme keskustelleet löydön julkaisemisesta mutta se ei vaikuttanut niin kiinnostavalta, että kenenkään kannattaisi käyttää viikkoja tieteellisen julkaisun huolelliseen valmisteluun.

Sitten TESS muutti kaiken.

Radiaalinopeushavainnoista saa selville vain planeetan minimimassan, koska sen ratatason kallistuskulma jää tuntemattomaksi. Jos kuitenkin havaitaan planeetan ylikulku, radan kallistuskulma selviää hetkessä — se on silloin noin 90 astetta taivaan tasoon nähden, koska rata kulkee täsmälleen tähden ja havaitsijan välistä. Selvisi, että HD 95338 b oli massaltaan lähes täsmälleen kaksi kertaa Neptunusta suurempi ja siten luultavasti suhteellisen tyypillinen kaasuplaneetta.

Mutta ylikulusta selvisi myös planeetan halkaisija, joka osoitti sen olevan Neptunuksen kanssa saman kokoinen. Kahden Neptunuksen massa oli siis pakkautunut vain yhden Neptunuksen kokoiseksi planeetaksi.

Toisin kuin Neptunus, jonka koostumuksesta suunnilleen 20% on kaasumaista vetyä ja heliumia, HD 95338 b on koostunut likimain kokonaan vetyä ja heliumia raskaammista aineksista. Havainnot planeetan koosta ja massasta on selitettävissä parhaiten kappaleella, joka koostuu jäästä. Olemme siis löytäneet valtaisan, noin 40 kertaa Maapalloa massiivisemman, lumipallon kiertämässä tähteä 120 valovuoden päässä meistä.

Se ei tosin muistuta lainkaan tavanomaisia lumipalloja, sillä planeetan vetovoima on valtaisa ja jää on kovassa paineessa hyvin erilaista kuin Maapallon lauhkeissa olosuhteissa. Lisäksi, noin 130 celsiusasteen lämpötilassa planeetta ei voi olla jäässä pinnaltaan — eikä niin massiivisella kappaleella voi Neptunuksen tapaan edes olla kiinteää pintaa.

HD 95338 b ei ole aivan tavaton tunnettujen eksoplaneettojen joukossa, mutta on vaikeaa selittää, miten jokin kappale voisi kasata 40 Maapallon edestä jäätä itseensä keräämättä vetovoimansa avulla ympärilleen paksua vedyn ja heliumin vaippaa, kuten Jupiter ja Saturnus. Emme osaa selittää miten jättiläismäiset lumipallot syntyvät. Se kuvastaa sitä, miten puutteellisia tietomme planeetoista, niiden synnystä ja kehityksestä ovat.

Mutta HD 95338 b:n löytöprosessi kuvastaa myös toista asiaa. Se kertoo, että puhtaalla tuurilla on edelleen merkittävä osuus tähtitieteessä. Koskaan ei voi tarkkaan tietää mitä onnistumme havaitsemaan. Emme todellakaan odottaneet törmäävämme massaltaan 40 Maapallon suuruiseen lumipalloon kaukana avaruudessa.