Viileä mutta elinkelpoinen
Sain runsas vuosikymmen sitten yllättävää sähköpostia. Lähettäjänä oli harrastaja-astronomi Aleksander Venner, joka esitteli itsensä yhdysvaltalaisena koulupoikana. Hän oli erittäin kiinnostunut eksoplaneetoista ja niiden etsimisestä. Viestissään hän kertoi löytäneensä kiinnostavia tähtiä, joiden radiaalinopeusmenetelmällä mitattu liike näytti viittaavan planeettoihin. Suhtauduin asiaan epäillen mutta hän vaikutti tuntevan alan kirjallisuutta kertoessaan miten aiemmissa tieteellisissä julkaisuissa kohteiden planeettoja oli jäänyt raportoimatta. Vastasin kohteliaasti ja pyysin lisätietoa. Hämmästykseni oli melkoinen, kun Venner vastasi.
Hän oli käynyt läpi olemassaolevia havaintoja. Myöhemmin fysiikan Nobelin palkinnonkin saaneiden Michal Mayorin ja Didier Quelozin havaintoprojektissa Euroopan eteläisen observatorion HARPS -instrumentilla tehtyjä havaintoja olikin runsaasti, ja tiesin itsekin niissä piilevän planeettojen signaaleja, joita ei oltu vielä raportoitu missään. Venner oli ladannut arkistoista havainnot itselleen, käsitellyt ne ohjelmistolla, jonka Mayorin ja Quelozin ryhmä oli tuottanut, ja etsinyt vieläpä saamistaan radiaalinopeuksista planeettojen signaaleja. Venner oli laskenut havaintosarjojen periodogrammit. Se on perinteikäs matemaattinen työkalu jaksollisten signaalien etsinnässä ja hyvin suosittu helppokäyttöisyytensä ja suoraviivaisuutensa vuoksi. Tulkinnallisesti periodogrammit saattavat kuitenkin olla hankalia, ja Venner halusikin kysyä oliko hän tuloksineen oikeilla jäljillä.
Kaikki näytti lupaavalta. Yhdessä Hugh Jonesin kanssa teimme pikaisesti Hertfordshiren yliopistossa samojen havaintojen riippumattoman analyysin. Tulokset osoittivat, että Venner oli löytänyt signaaleja, jotka saattaisivat olla toistaiseksi tuntemattomien planeettojen tuottamia. Totesimme tuntemattoman 16-vuotiaan nuoren tehneen tieteellisesti pätevää työtä, joka olisi laadultaan riittänyt vaikkapa maisterin tutkintoon vaadittavaksi lopputyöksi melkein missä vain yliopistossa.
Tulokset eivät kuitenkaan kestäneet huolellisempaa tarkastelua, vaan niiden varmentamiseen olisi vaadittu lisähavaintoja. Kyse oli tulkinnallisista ongelmista. Kohteiden radiaalinopeuksissa havaitut muutokset saattoivat kieliä useista planeetoista tai vaihtoehtoisesti jostakin muusta jaksollisuuksia tuottavasta ilmiöstä, kuten tähden pyörimisestä tai aktiivisuussykleistä. Tulosten varmentamiseen ei tuolloin ollut mahdollisuuksia, joten ne jäivät sivuun kiinnostavampien ja kiireellisempien tutkimuskohteiden tieltä. Nuori eksoplaneettatutkijan alku ei sen sijaan jättäytynyt sivuun, vaan väitteli noin vuosikymmen myöhemmin tähtitieteen tohtoriksi.
Yksi ainoa ylikulku
Ylikulkumenetelmä on hyvin luotettava tapa havaita eksoplaneettoja ja tutkia niiden ominaisuuksia, mutta siihen sisältyy tiettyjä reunaehtoja. Ylikulkuja on voitava havaita vähintäänkin kolme, koska silloin saadaan kaksi toisistaan riippumatonta mittausta planeetan kiertoajasta tähden ympäri. Samalla voidaan varmistua, että jokainen ylikuluista tosiaankin aiheutuu saman planeetan liikkeestä tähden editse. Jos ylikulkuja nähdään vain kaksi, niiden tulkinta saman planeetan aiheuttamaksi voi jäädä täysin varmentamatta ja on epäselvää jopa kuinka monta planeettaa on havaittu. Yksi ainoa ylikulku on taatusti peräisin yksittäisen planeetan liikkeestä, mutta sen ominaisuuksien tutkiminen on huomattavan vaikeaa. Planeetan kiertoajan pituudesta ei saada suoraa tietoa, kuten ei saada myöskään sen radan ominaisuuksista. On vain hetki, kun planeetan varjo vilahtaa tähden editse, jonka jälkeen se on mennyttä. Noin 146 valovuoden etäisyydellä sijaitsevan Aurinkoa himmeämmän oranssin tähden HD 137010 editse vilahti juuri sellainen varjo mutta se tapahtui jo vuonna 2017, lähes vuosikymmen sitten.
Yksittäisestä ylikulusta ei saa paljoakaan irti, joten tähtitieteilijöiden tavallinen strategia on ollut etsiä vain toistuvien ylikulkujen merkkejä. Koska havaintoja tehdään robotisoiduilla avaruusteleskoopeilla sadoistatuhansista tähdistä, niiden läpikäymiseen on pakko käyttää automaattisia algoritmeja. Ja jos algoritmi etsii jaksollisuuksia, yksittäinen himmeneminen jää vääjäämättä näkemättä. Tähtitieteilijät ovat sellaisille sokeita, ellei sitten muokata algoritmia sellaiseksi, että se pyrkii vain tunnistamaan havainnoista ylikulkua muistuttavia muutoksia. Vaihtoehtona on katsoa havaintoja silmämääräisesti. Se on työlästä, mutta ihmissilmä on erinomainen havaitsemaan tietynlaisia muutoksia aikasarjamuotoisissa havainnoissa. Venner näki kouluajoistaan asti harjaantuneella silmällään jotakin tähden HD 137010 havainnoissa, ja päätti tarkistaa tieteellisen huolellisesti mistä oli kyse. Kun tietää mitä etsiä, yksittäinenkin ylikulku voi hypätä havainnoista esiin hyvinkin selvästi, vaikka se olisi suuruudeltaan vain kahden kymmenestuhannesosan suuruinen (Kuva 1.).
Kun kyseessä on oranssi kääpiötähti, se on kooltaan hiukan Aurinkoa pienempi. Arvioitu koko on noin 71% Auringosta ja kahden kymmenestuhannesosan himmeneminen tarkoittaa sitä, että planeetta voi peittää tähdestään vain sen verran säteilyä. Silloin geometria antaa planeetan kooksi 6% Maata suuremman lukeman. Kyse on siten lähes maankokoisesta planeetasta mutta toisten ylikulkuhavaintojen puutteessa, planeetan kiertoaika ja siten etäisyys tähdestään ovat tuntemattomia. Niitä voi kuitenkin koettaa arvioida ja siinä auttaa ylikulun kesto.
Uusi eksoplaneettatuttavuus HD 137010 b liikkuu tähtensä ohitse noin kymmenessä tunnissa (Kuva 1.). Tarkka ylikulun keston määritys on hankalaa, koska tähden kiekon kirkkaus sen reuna-alueilta ei ole tarkasti tiedossa. Suurempia epävarmuuksia tuottaa kuitenkin se, ettemme tiedä missä kohtaa tähden näkyvää kiekkoa ylikulku tapahtuu. Jos se sattuu keskellä, kesto viittaa nopeampaan liikkeeseen kuin jos se sattuisi lähellä tähden kiekon reunaa, jolloin matka tähden editse olisi lyhyempi ja planeetta saattaisi siten olla paljon kauempana tähdestään. Epävarmuudet voi kuitenkin ottaa huomioon, ja tutkijat ovatkin tehneet mainiota työtä saadakseen selville planeeetan kiertoajan selville mahdollisimman luotettavasti epävarmuuksineen.
Planeetta vaikuttaa lämpötilaltaan viileältä, pinnaltaan jäiseltä maailmalta (Kuva 2.). Se kiertää tähtensä kerran noin 350 päivässä asettuen elinkelpoisen vyöhykkeen ulkoreunalle. Vaikka lukema on varsin epävarma, se on sitä enimmäkseen ylöspäin. Arvioiden virheen huomioiden, planeetta saattaa olla jopa keskellä tähtensä elinkelpoista vyöhykettä, mikä tekisi siitä Maata viileämmän mutta hyvinkin elinkelpoiselta vaikuttavan paikan. Jos sen ylikulku kuitenkin sattuu tähden kiekon reunan lähettyvillä, se saattaa olla huomattavasti pidemmällä radalla, jopa tuhannen päivän kiertoradalla — sekin olisi vielä juuri ja juuri yhteensopivaa havaintojen kanssa. Mitä luultavimmin planeetan kiertorata ei ole noin 500 päivää pidempi, joten kyse tuskin on ulkoplaneettakunnan maailmasta, joka on kylmyyden vuoksi täysin elinkelvoton. Asiaa havainnollistaa planeetan pinnalleen saaman säteilyn määrä (Kuva 2.). Sitä lämmittää vain karkeasti kolmannes Maan radallaan saamasta säteilystä mutta vieläkin matalammat lukemat ovat mahdollisia. HD 137010 b vaikutttaakin olevan pinnaltaan hiukan viileämpi kuin Mars, mutta sen Maata suurempi koko tuo mukanaan mielenkiintoisia mahdollisuuksia.
Elinkelpoinen jään peittämä planeetta?
Vaikka uuden planeettatuttavuuden ominaisuudet eivät ole täysin selvillä, se on ehdottomasti kiinnostava kohde jatkotutkimuksia silmällä pitäen. Niiden suhteen tiedossa vain on lukuisia vaikeuksia. Planettaa ei ole helppoa havaita millään käytössä olevalla menetelmällä.
HD 137010 b:n massa ei ole tiedossa, koska tähteä on havaittu radiaalinopeusmenetelmällä vain vähän ja planeetta on hyvin hankala havaittavaksi. Mayorin ja Quelozin havaintoprojektissa kohde on ollut matalan prioriteetin tähti ja siksi siitä on karttunut runsaassa kahdessa vuosikymmenessä havaintoja vain kourallinen. Pieni määrä havaintoja ei riitä planeetan massan määrittämiseen perustuen sen vetovoimavaikutukseen tähteensä, ja siksi arvioita keskitiheydestäkään ei ole saatavilla. Lisäksi, HARPS ei ole riittävän tarkka instrumentti, jotta karkeasti maanmassaisen planeetan vetovoimavaikutus voitaisiin määrittää sen kiertäessä vain kolmanneksen Aurinkoa keveämpää tähteä Maan radan etäisyydellä tai jonkin verran kauempana. Planeetan olemassaolo voitaisiin ehkä varmentaa ja sen massa määrittää noin kymmenen kertaa tarkemmalla toisella spektrografilla nimeltään ESPRESSO. Ei kuitenkaan ole varmaa, että se onnistuisi, koska tähden kirkkausvaihtelut viittaavat aktiivisuuteen ja niiden tuottamat variaatiot saattaisivat peittää planeetan signaalin näkyvistä.
Emme siis tunne HD 137010 b:n keskitiheyttä emmekä voi siksi arvioida sen koostumusta kuin vain karkeasti. Elinkelpoisuuden kannalta kriittisintä on veden määrä planeetan pinnalla. Pienet määrät vettä olisivat luultavasti umpijäässä planeetan olosuhteissa. Vaikka suolaisuutensa vuoksi nestemäisen veden taskuja voisi esiintyä paksujen jäätiköiden alla, elämän edellytysten täyttyminen vaikuttaa haastavalta. Tilanne olisi kuitenkin toinen, jos vettä olisi huomattavia määriä.
Useiden kilometrien paksuinen vesikerros planeetan pinnalla jäätyisi herkästi noin kilometrinpaksuiseksi jääkuoreksi. Sen alla voisi kuitenkin olla syvä globaali valtameri, joka muodostaisi planeetalle valtavan suuren vetisen elinympäristön. Siksi HD 137010 b voi olla ensimmäinen havaittu maapallonkokoinen, pinnaltaan jäätynyt valtameriplaneetta. Ennen kaikkea, se on yksi harvoja tunnettuja mahdollisesti elinkelpoisia planeettoja, joka on välttynyt vuorovesilukkiutumiselta. Planeetta on niin kaukana tähdestään, että tähden vuorovesivoimat eivät tuota vuorovesilukkiutumista miljardienkaan vuosien aikaskaalassa.
HD 137010 b vaikuttaa olevan viilein toistaiseksi löydetty elinkelpoisen vyöhykkeen planeetta. Sen pinnalla voi kuitenkin olla nestemäistä vettä, koska realistiset hiilidioksidipitoisuudet sen kaasukehässä riittäisivät lämmittämään planeetan suotuisaksi nestemäisen veden esiintymiselle. Planeetan kaasukehän havaitseminen on tosin toistaiseksi teleskoopiemme ulottumattomissa, koska emme osaa ennustaa milloin planeetan ylikulku saattaisi tapahtua. Tarvittaisiin kattava havaintokampanja, jotta ylikulkuja voitaisiin havaita ja määrittää planeetan tarkka ratajakso. Vasta sen jälkeen olisi mahdollista koettaa käyttää hyväksi läpäisyspektroskopian menetelmää ja saada tietoja planeetan kaasukehän koostumuksesta. Se olisi kuitenkin huomattavan hidasta, koska ylikulkuja olisi havaittava useita, ehkä useita kymmeniä, ja niiden tekemiseen kuluisi siten aikaakin kymmeniä vuosia.
Tulevaisuudessa ainoa toimiva tapa saada merkittävästi uutta tietoa planeetasta saattaakin olla suora kuvaaminen. Edes 2040-luvulla avaruuteen laukaistavaksi kaavailtu ja elinkelpoisten planeetojen kuvaamiseen suunniteltu HWO-avarusteleskooppi ei kuitenkaan ehkä kykene näkemään planeettaa sen kaukaisuuden vuoksi. Selvää on joka tapauksessa se, että HD 137010 b on kiinnostava planeetta astrobiologisessa mielessä. Kestää vain varmuudella vuosikymmeniä ennen kuin saamme siitä uutta tietoa ja kykenemme arvioimaan sen elinkelpoisuutta ja muita ominaisuuksia.
Löydöstä uutisoi myös Tähdet ja avaruus verkkosivullaan.