Kuumien Jupiterien jäljillä
Yksi tähtitieteen monilahjakkuuksia 1900-luvun alkupuoliskolla oli baltiansaksalaiseen perheeseen syntynyt venäläinen astronomi Otto Struve. Hän opiskeli nykyisellään Venäjän imperialistisen sodan kourissa kärsivän Kharkivin yliopistossa Ukrainassa mutta pakeni maasta bolshevikien vallankaappauksen nostattaman väkivaltaisen kuohunnan vuoksi. Struven suku pelkäsi bolshevikkivainoja ja muutti ensin Sevastopoliin, josta Otto päätyi myöhemmin Turkkiin oltuaan tappiolle jääneiden valkoisten armeijassa sisällissodan pyörteissä. Pako oli varsinainen onnenpotku tähtitieteelle mutta tragedia nuorelle astronomille, joka menetti suuren osan perheestään.
Tähtitieteilijänä Struve tutki monenlaisten tähtien aallonpituusjakautumaa, eli spektriä, ja onnistui ensimmäisenä havaitsemaan tähtien pyörivän. Hän havaitsi myös pyörivien tähtien pinnan liikkeessä säännönmukaisuuksia, jotka johtuvat tähden spektriluokasta ja siten massasta. Havainto johti ymmärrykseen tähtien kehityksestä, elämästä ja kuolemasta. Struve tutki tähtien magneettikenttiä, kaasukehiä ja niiden turbulenssia, ja kuorikerroksia. Hän erikoistui kaksoistähtien tarkasteluun ja kehitti menetelmiä niiden tutkimiseen spektrihavaintojen perusteella. Struve rakensi tutkimuksiaan varten itselleen jopa teleskoopin — Austinin yliopiston McDonaldin observatorion 2.1 metrinen teleskooppi Yhdysvaltain Texasissa oli valmistuessaan vuonna 1939 maailman toiseksi suurin tähtitieteellinen havaintolaite. Struve julkaisi urallaan yli 900 tieteellistä artikkelia tai kirjaa ja oli yksi tuotteliaimmista modernien aikojen tähtitieteilijöistä.
Struve ajatteli tieteenalaansa laajasti, ja teki laajalti erilaisia huomioita tähtitieteen tutkimuksesta ja tutkimuskohteista. Yhdessä vain vähän huomiota saaneessa artikkelissaan Struve pohti eksoplaneettojenkin havaitsemista. Hän piti tärkeänä, että tähtitieteilijät ryhtyisivät pohtimaan mahdollisuuksia havaita toisia tähtiä kiertäviä planeettoja, jotta saataisiin tietoa niiden yleisyydestä lähitähtien kiertolaisina. Samalla Struve viittasi astrometrisillä havainnoilla saatuihin tuloksiin, joita oli alkanut pulpahdella pinnalle erityisesti Sproulin observatorion suunasta, Yhdysvalloista.
Vuoden 1943 artikkelissaan, yhdysvaltoihin muuttanut tanskalainen tähtitieteilijä Kaj Strand julkaisi tuloksia, joiden mukaan toista kaksoistähden 61 Cygni tähdistä kiersi näkymätön kumppani. Strandin mukaan se oli massaltaan hyvin pieni, vain kuudeskymmenesosan Auringon massasta tai noin kuusitoistakertaa Jupiteria massiivisempi. Hän ei epäröinyt sanankäänteissään, vaan ilmaisi löytämänsä ”pimeän kappaleen” olevan kirkkaudeltaan niin vähäinen, että sen kutsuminen planeetaksi tähden sijaan olisi perusteltua. Strand antoi ymmärtää kyseessä olevan ensimmäisen kerran, kun planeetan aiheuttamaa liikettä on onnistuttu havaitsemaan Aurinkokunnan ulkopuolella. Havainto tehtiin Sproulin observatoriossa, Yhdysvalloissa, jonka johtajana vaikutti tuolloin muuan Peter van de Kamp.
Strand raportoi planeetan kiertoajaksi 4.9 vuotta ja sen radan olevan muodoltaan hyvin eksentrinen, eli soikea (Kuva 1.). Havainnoissa oli kiinnostava ongelma — ei tiedetty kumpaa 61 Cygnin tähdistä havaittu planeetta kiersi, koska tähtien paikkoja taivaalla oli mitattu vain suhteessa toisiinsa. Mutta se ei estänyt näkymättömän kappaleen massan määrittämistä. Massa oli selvästi pienempi kuin minkään tuolloin tunnetun aurinkokunnanulkopuolisen kohteen.
Strandin havainto oli yksi Otto Struvea innoittanut tieteellinen tulos. Toinen oli van de Kampin vuonna 1944 julkaisema tieto (3), jonka mukaan tähden Lalande 21185 sekä Barnardin tähden liikkeessä taivaalla oli havaittu poikkeamia, jotka kertoivat liikkeen muuttuvan, mahdollisesti niitä kiertävien pienimassaisten kumppaneiden vetovoimavaikutuksesta. Niin Sarah Lippincottin tutkima Lalande 21185 kuin Barnardin tähtikin olivat havaintokohteina Sproulin observatorion kampanjassa, jonka takuumiehenä toimi Peter van de Kamp. Jokainen havainnoista osoittautui myöhemmin vääriksi, osaltaan Sproulin observatorion instrumenttien muutosten vuoksi, osaltaan tuntemattomista syistä.
Oma ensiarvioni nähdessäni Kuvan 1. havainnot oli se, että tuloksen tilastollinen merkitsevyys ei ole riittävä havaintojen vähäisen määrän vuoksi ja jaksolliselta näyttävät variaatiot aiheutuvat siksi puhtaasta sattumasta. Muutaman minuutin havaintojen analysointi riittikin varmentamaan intuitioni oikeaksi. Havainnoissa näkyy mainiosti kaksoistähtien toisiinsa kohdistama vetovoima (Kuvassa 1. se on poistettu häiritsemästä) muttei sitten mitään muuta. Jos olettaa Strandin arvioineen havaintojensa virheet täysin oikein, ja että ylimääräisiä virhelähteitä ei ole, voi havainnoista tosiaan huomata jaksollisen 4.9 vuoden periodin, mutta silloinkaan se ei aivan ole tilastollisesti riittävän merkitsevä, jotta sitä voitaisiin pitään minkäänlaisena havaintona. Harvoin sitä kuitenkaan käsittelee likimain satavuotiasta havaintosarjaa, jonka ensimmäiset havainnot on tehty jo vuonna 1914.
Nykyajan kontekstissa Strandin julkaisussa on silmiinpistävää, että hän ei tehnyt tiedettään yksin, vaikka hän esiintyykin ainoana artikkelin kirjoittajana. Artikkelin lopussa on maininta, että suuren osan laskelmista on tehnyt neiti Virginia Burger, joka toimi myös havaintojen käsittelijänä tehden tähtien paikkamittaukset kaikkiin Sproulin observatorion valokuvauslevyihin. Nykyisellään artikkelin kirjoittajina mainittaisiin ehdottomasti Strand ja Burger, mutta 80 vuotta sitten käytännöt olivat toisenlaiset. Virginia Burger esiintyy samalla tavalla myös muiden Strandin tieteellisten artikkeleiden tekijänä ja hän oli palkattuna assistentiksi Sproulin observatoriota ylläpitäneen Swarthmoren yliopiston opiskelijana. Käytännöt olivat armasti erilaiset mutten sittenkään voi olla ajattelematta, että tuolloin naisille jäi vähäpätöisempi rooli myös tieteessä — tai ainakin kunniaa jaettiin hiukan eri kriteerein.
Havaittavina kuumat jupiterit
Otto Struve totesi sopivien havaintojen voivan paljastaa toisia tähtiä kiertävien planeettojen olemassaolon. Hän suhtautui skeptisesti astrometriseen tähtien paikan mittaamiseen taivaalla, ja aavisteli sen hyödylliseksi vain rajatuissa tapauksissa, joissa voidaan tutkia riittävän kaukana toisistaan yhteistä massakeskipistettään kiertäviä kaksoistähtiä. Niiden liike voisi Kaj Strandin havaintojen tapaan paljastaa jompaa kumpaa tai molempia kiertävien planeettojen olemassaolon. Se ei kuitenkaan auttaisi jupiterinmassaisten planeettojen havaitsemiseen, joten astrometriaan ei ehkäpä kannattaisi luottaa, jos aikoo löytää jupitereja kiertämässä tähtiään kaukaisilla radoilla.
Kriittistä on juuri puhe kaukaisista radoista. Strandin planeettahavainnot kertoivat kohteesta verrattaen kaukana tähdestä, vaikkei hänen olettamansa näkymätön kiertolainen ollutkaan niin kaukana tähdestään kuin Jupiter on Auringosta. Mutta miksei massiivisia planettoja voisi esiintyä aivan tähtiensä lähelläkin? Struve otti tieteellisen lähestymistavan ja kirjoitti, että olisi kiinnostavaa koettaa havaita aivan tähtiensä lähellä kiertäviä jättiläisplaneettoja jo siksi, että saataisiin selville onko niitä vai ei. Jos kaksoistähdet saattoivat olla erittäin lähellä toisiaan, kiertäen toisensa vain muutamien päivien aikaskaalassa, mikseivät planeetatkin voisi kiertää tähtiään aivan yhtä lyhyillä kiertoradoilla? Struve teki karkeita laskelmia siitä, minkälaisia radiaalinopeussignaaleja kuumat jupiterit voisivat aiheuttaa. Hän arvioi tähtien radiaalinopeuden voivan muuttua luokkaa 0.2 km/s, mikä olisi saattanut tuolloin olla juuri ja juuri havaittavissa parhailla spektrografeilla. Jos kuumia Jupitereita siis oli olemassa, ja etenkin jos osa niistä oli paljon Jupiteria massiivisempia, niiden havaitseminen oli mahdollista.
Vaikka Struve ei puhunutkaan kuumista jupitereista, koska sellaista terminologiaa ei ollut vielä olemassa, on selvää, että hän spekuloi juuri sellaisilla planeetoilla, joiden löydöt 1990-luvulla tekivät eksoplaneettatutkimuksesta todellisen, vakavastiotettavan tieteenalan muutamien astronomien hatarien haihatteluiden sijaan. Struve pohti myös ylikulkujen havaitsemisen mahdollisuuksia ja arvioi, että suurikokoisimpien eksoplaneettojen ylikulut aiheuttaisivat noin 2% heikkenemisen tähdestä saapuvaan valoon. Myös se oli mahdollista havaita 1950-luvun instrumenteilla, mutta Struven arvion mukaan havaintojen tarkkuus olisi radiaalinopeusmenetelmää heikompaa.
Ensimmäinen osa kolmiosaisesta kirjoituksesta liittyen kuumien jupitereiden havaitsemiseen ja yrityksiin ymmärtää miten ne muodostuvat. Kirjoitukseen innoitti Juliette Beckerin teksti ”Bizarre ‘Hot Jupiter’ Planets Keep Surprising Astronomers”, Scientific American -lehdessä.
Sidellähän niitä kuumia Jupiereita on.-
Entä sitten ?
Koska saamme nähdä tenhokkaiden teloskooppiemme tuloksia eksoplaneettojen kasvillisuudesta?Heikki Väisänen