Rajoitteita eksokuille
Keväinen Artemis II -avaruuslento, jonka tarkoituksena oli testata uusia taivaallisia menopelejä, teki Kuun jälleen käsinkosketeltavaksi kiertolaiseksi kokonaiselle sukupolvelle avaruudesta kiinnostuneita nuoria. Vaikka lennon perimmäiset tarkoitusperät olivatkin tiedettä raadolllisempia, sisältäen osaltaan jonkinlaista uuden aikakauden suurvaltojen pullistelua, tuskin kukaan jäi kylmäksi uusista kuvista, joissa Maa nousee näkyviin Kuun reunan takaa. Kuu on Maan lisäsi ainoa taivaankappale, jolla ihmiset ovat ottaneet askeleita, ja sellaisena se vielä toistaiseksi pysyykin. Se on kuitenkin merkittävässä roolissa niin mytologioissamme kuin vakauttamassa Maan pyörähdysakselia ja siten ilmastoa. Planeettamme olisi kovin toisenlainen ilman ainoaa luonnollista kiertolaistaan.
Kuu on outo. Se on massaltaan melko suuri, yli prosentin Maan massasta. Kooltaan Kuu on kuitenkin peräti neljänneksen Maasta, mikä tekee siitä suhteessa suuremman kuin yksikään toinen aurinkokunnan kuista. Jos kuu kiertäisi Aurinkoa Maan radalla yksinään, se luokiteltaisiin planeetaksi. Nyt se ei voi olla planeetta, koska se on päätynyt kiertämään omaa kotimaailmaamme satelliittina. Kuita syntyy herkästi jättiläisplaneettojen kiertoradoille mutta niin suuren kuun muodostuminen kiviplaneetan kumppaniksi on harvinaista. Vastaavia kiertolaisia ei löydy valtaosalta kivisiä eksoplaneettoja, koska vaatimuksena on kahden protoplaneetan sopiva törmäys planeettakunnan muodostumisen loppuvaiheissa. Vastaavia suuria kuita voi kuitenkin olla olemassa toisilla kiviplaneetoilla. Ja jos niin on, niiden havaitseminen on myös mahdollista käyttäen tarkimpia ihmiskunnan rakentamia instrumentteja.
James Webb -avaruusteleskopin huikaiseva tarkkuus riittää kuunkokoisten kappaleiden havaitsemiseen niiden liikkuessa tähtensä editse. Aivan samoin kuin havaitsemme rutiininomaisesti planeettojen varjoja niiden liikkuessa radallaan tähtiensä edestä, myös niiden seuralaisina liikkuvat kuut jättäisivät pienet merkkinsä tähtien kirkkausmittauksiin. JWST on niin tarkka, että voisimme erottaa Maahan verrattuna noin kymmenyksen kooltaan olevien kiertolaisten himmentävän vaikutuksen. Sillä tarkkuudella Aurinkokunnan kuista vasta Pluton kiertolainen Charon jäisi havaitsematta mutta sitä suuremmat kuut olisi mahdollista nähdä. Voisimme siten periaatteessa nähdä Jupiterin kiertolaisista Ion, Europan, Ganymedeen ja Calliston, Saturnuksen Titanin, Rhean ja Iapetuksen, sekä Uranuksen Titanian ja Oberonin. Oma kuumme voitaisiin myös havaita mainiosti, jos se kulkisi tarkkailtavan tähden editse.
Kuiden havaitsemisessa on kuitenkin harmillisia astrofysikaalisia esteitä. Niiden ylikulkuhavainnot ovat sitä helpompia mitä lähempänä tähteään ne planeettoineen kiertävät. Se taas tuottaa ongelmia niin kuiden synnylle kuin vakaudellekin. Lähellä tähteä kiertävien planeettojen ympärillä ei ole vakaita ratoja suurille kuille, eivätkä ne pysty oikein pitämään kiinni pienemmistäkään pitkiä aikoja, koska tähden voimakkaat vuorovesivoimat heittävät vuosituhansien ja miljoonien saatossa kuut radoiltaan. Aivan lähellä tähtiään kiertävien planeettojen radoille kuut eivät edes voisi muodostua. Havaintojen suhteen taas on edellytyksenä, että voidaan havaita useita ylikulkuja. Se tarkoittaa planeettoja, jotka kiertävät tähtiään aivan niiden lähellä. Vaikuttaa siksi siltä, että kuiden havaitsemiseen ylikulkumenetelmällä vaaditaan joko ominaisuuksiltaan mahdottomia kuita — tai havaintoja, joita ei vielä voida tehdä. Se ei kuitenkaan ole estänyt tähtitieteilijöitä yrittämästä.
Joitakin potentiaalisia kuiden ylikulkuhavaintoja on jo onnistuttu tekemään, vaikka niiden varmentamisessa ei olekaan vielä onnistuttu. Tarkoista havainnoista voidaan kuitenkin sanoa jotakin, vaikka kuut jäisivät kokonaan havaitsematta. Voitaisiin ainakin sanoa minkälaiset kuut voidaan sulkea pois planeettojen kiertolaisina. Juuri niin on tehty tuoreessa tutkimuksessa planeetan LP 890-9 c kuiden suhteen.
Ei suuria kuita ei ole kaikkialla
Yrityksiä havaita eksokuita on toistaiseksi johtanut britannialaistutkija David Kipping, joka on koettanut nähdä kuista merkkejä vailla luotettavia positiivisia tuloksia jo yli vuosikymmenen ajan. Uudessa julkaisussaan hän on ottanut käsittelyynsä nimellä LP 890-9 c tunnetun kaksi kertaa Maan kokoisen eksoplaneetan kiertämässä pientä punaista kääpiötähteä, joka on kooltaan vain 15% Auringosta. Järjestelmä tarjoaa ainutlaatuisen mahdollisuuden koettaa eksokuiden etsintää, koska kohteena oleva tähti on niin pieni.
Ilmeisin ongelma kohteeksi valitussa planeetassa LP 890-9 c on se, että sen ratajakso on vain runsaat kahdeksan päivää. Se siis kiertää hyvin lähellä tähteään, etäisyydellä, joka vastaa vain neljää prosenttia Maan rataetäisyydestä. Niin lähellä kuiden kiertoradat ovat epävakaita, ja ne eivät voisi selvitä planeetan kiertoradalla miljardeja vuosia. Tähti on myös vanha, yli 7 miljardin vuoden ikäinen. Sillä ei siten voisi olla kuita kuin siinä suunnattoman epätodennäköisessä tilanteessa, että planeeta olisi osallistunut kypsällä iällään suureen kosmiseen, kuun muodostavaan törmäykseen. Sellaiseen taas on vanhoissa planeettakunnissa vain häviävän pienet mahdollisuudet.
Harjoituskohteeksi LP 890-9 c sen sijaan sopii enemmän kuin mainiosti, koska sen kiertämä tähti on niin pieni ja rauhallinen, että ylikulkutapausten pienimmätkin yksityiskohdat on mahdollista erottaa tarkasti. Kipping raportoikin JWST:n avulla havaittujen kahdentoista ylikulun kertovan planeetan koon ja radan ominaisuuksista suurella tarkkuudella. Kuista vain ei näy havainnoissa merkkiäkään. Silloin on kuitenkin mahdollista arvioida minkälaisia kuita planeetalla voisi olla havainnot huomioiden. Havaintotarkkuuden puitteissa planeettaa mahdollisesti kiertävien kuiden koolle voidaan asettaa yläraja — jos kuut olisivat rajaa suurempia, niiden merkit olisi jo nähty käsillä olevien havaintojen avulla. Käytännössä raja asettuu, käytetystä mallinnuksesta hiukan riippuen, kokoon 10% Maan koosta, mikä vastaa säteeltään noin 600 km kokoisia kuita (Kuva 1.). Raja tarkoittaa, että kaikki Aurinkokunnan suuret kuut olisivat tulleet havaituiksi varsin selvästi, ja vasta suunnilleen Charonin kokoa pienempien kuiden olemassaolo voisi edelleen olla mahdollista. Raja on häkellyttävän matalalla.
Avainasemassa on mahdollisimman monen ylikulun havainnot. Planeetan yksittäisen ylikulun ympäristössä, ennen, jälkeen tai samanaikaisesti, voi näkyä kuun signaaliksi tulkittavissa oleva ylimääräinen himmentymä. Kun kuvaan tulee toinen planeetan ylikulku, kuun aiheuttamat himmentymät eivät enää voikaan olla satunnaisissa paikoissa suhteessa planeetan ylikulkuun, vaan niiden on noudatettava kuun kiertoradan mukanaan tuomaa säännöllisyyttä. Kuun merkkien on oltava tietyssä paikassa jokaisessa ensimmäisen jälkeen havaitussa ylikulussa. Kahdentoista ylikulun tarkastelu tuottaa siten hyvin tiukat rajat mahdollisten kuiden ominaisuuksille ja radoille. Se parantaa kuuhavaintojen herkkyyttä hämmästyttävästi ja mahdollistaa pientenkin kiertolaisten havaitsemisen. Samalla käy ilmi, että JWST:n rutiininomaisilla ylikulkuhavainnoilla voisi mainiosti havaita omaa kuutamme vastaavia kappaleita, jos kohteena oleva tähti vain on riitävän rauhallinen.
Tähtiään lähellä kiertävät planeetat ovat kuiden havaitsemiseen epätodennäköisiä kohteita, mutta tilanne muuttuu tarkasteltaessa kauempana tähdistään kiertäviä planeettoja. Kaukaisemmilta kaasuplaneetoilta havaintoja voidaan koettaa jo nyt, mutta kiviplaneettoja tunnetaan riittävän kaukana tähdestään vain kourallinen. Kuiden havainnot odottavat siten uusien kohteiden löytöjä, sekä JWST:n ja muiden nykyisten ja tulevien huippurtarkkojen teleskooppien käyttöä niiden ylikulkujen havaitsemiseen. Eikä sittenkään ole takeita siitä, että havainnoissa onnistuttaisiin. Jupiterinkaltaisilta planeetoilta ei toistaiseksi ole oikein mahdollisuuksia havaita ylikulkuja ensinkään, koska niiden ylikulut ovat niin äärimmäisen harvinaisia. Maankaltaisillekin planeetoille havainnot ovat erittäin haastavia. Kohteiksi jäävät monet supermaapallot ja minineptunukset, jos ne vain eivät kierrä tähtiään liian lähellä tai liian kaukana.
Eksokuut muodostavat siksi tietynlaisen enigman. Me tiedämme, että niitä on taatusti olemassa, ja voimme jo koettaa havaitakin niiden merkkejä, muttemme sieltä, missä niitä todennäköisesti voisi löytää. Olemme kuin vanhassa vitsissä etsimässä kadonneita autonavaimia katulampun alta, vaikkemme avaimia sinne hävittäneetkään, koska se on ainoa paikka, jossa valoa on riittävästi. Valoa saadaan kuitenkin levitettyä laajemmalle, ja etsintöjen mahdollisuudet paranevat koko ajan. Tarvitsemme vain uusia innovaatioita niin instrumenttien käyttöön kuin niiden tuottamien numeroidenkin käsittelyyn. Ja sitten lopulta, saamme uusia ja aiempaa tehokkaampia instrumentteja seuraavan sukupolven tähtitieteen moottoreiksi.
Ei mene enää kauaa siihen, kun ensimmäiset kiistattomat eksokuiden merkit havaitaan. Vuosikymmen on tähtitieteessä lyhyt aika ja sen kuluessa olemme jo hyvin lähellä maalia, ellemme sitten ole jo saavuttaneet sitä.