Eksoplaneetta hukassa

Eksoplaneettatutkimuksen mullistava James Webb -avaruusteleskooppi

3.1.2022 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus , Havaitseminen

Auringon ja Maan muodostama kahden kappaleen järjestelmä on luultavasti parhaiten tunnetttu kahden kappaleen ongelman esimerkki. Tähtitieteessä kahden kappaleen ongelmalla tarkoitetaan kahden massallisen kappaleen liikettä muodostamansa järjestelmän gravitaatiokenttässä. Kyseessä on monimutkaisin täysin ratkaistavissa oleva järjestelmä. Jo kolmannen kappaleen lisääminen tekee järjestelmästä kaoottisen ja sen käyttäytymisestä hankalasti ennustettavaa, koska pienetkin erot kappaleiden alkutiloissa saavat aikaan suuria eroja vuosimiljoonien tai -miljardien päähän laskettuihin ennusteisiin. Silloin joudutaan turvautumaan numeerisiin ennusteisiin, jotka lasketaan nopeuttamalla ajan kulumista ja ennustamalla kappaleiden paikkoja pitkälle tulevaisuuteen. Mutta kahden kappaleen radat ovat erittäin helposti selvillä maailmankaikkeuden loppuun saakka.

Tähtitieteilijöillä onkin tapana tarkastella ympyräradalla toisiaan kiertävien kahden kappaleen järjestelmään niin sanotussa tasaisella kulmanopeudella pyörivässä koordinaatistossa, joka on asetettu siten, että molemmat kappaleet näyttävät pysyvän paikallaan tarjoten kaksi koordinaatiston kiintopistettä. Silloin kolmannen, massaltaan merkityksettömän pienen kappaleen radat ovat tarkkaan laskettavissa. Tuloksena on mielenkiintoinen diagrammi, jossa on viisi Lagrangen pisteiksi kutsuttua paikkaa. Ne ovat avaruuden kohtia, joissa äärimmäisen pienimassainen kappale pysyy paikallaan suhteessa kahteen suurempaan kappaleeseen mielivaltaisen kauan (Kuva 1.).

Jokainen nykyinen tähtitieteen opiskelija on laskenut taivaanmekaniikan peruskurssilla Lagrangen pisteiden paikat harjoitustehtävänä. Mutta ne ovat olleet tunnettuja jo kauan — ensimmäisenä pisteiden olemassaolosta sai vihiä Leonhardt Euler, 1700-luvun matemaatikko ja tieteilijä. Hän kuitenkin löysi ratkaisuiksi vain pisteitä L1, L2 ja L3 vastaavat kohdat, jotka sattuvat kahden kappaleen kautta piirretylle suoralle (Kuva 1.). Suoralta sivussa olevien pisteiden L4 ja L5 olemassaolon sai selville Joseph-Louis Lagrange vasta 1700-luvun lopulla hänen kehitettyään uusia matemaattisia tapoja formuloida tuttuja gravitaatiovoimien ja liikkeen yhtälöitä. Lagrangen löytämät ratkaisut ovat niitä kohtia avaruudessa, joissa esimerkiksi Auringon ja Jupiterin muodostamassa kahden kappaleen järjestelmässä on erityisen paljon ruuhkaa. Jupiterin L4 ja L5 -pisteet ovat nimittäin täynnä troijalaisiksi kutsuttuja asteroideja, jotka pysyvät stabiileilla radoilla Lagrangen ennustamissa paikoissa. Samanlaista ruuhkaa ei synny muihin pisteistä, koska L1, L2 ja L3 ovat labiileja — pienikin ulkopuolinen häiriö saa pisteissä sijaitsevat kappaleet lopulta poistumaan pisteiden lähetttyviltä.

Mutta pisteistä L2 on nyt ajankohtainen, koska James Webb -avaruusteleskooppi on saatettu matkaan kohti juuri sitä. Teleskooppi suuntaa Kuun radan tuolle puolelle, kiertolaistamme noin viisi kertaa kauemmaksi, missä Maan ja Auringon vetovoimat aikaansaavat radan, jossa teleskooppi voi viettää pitkiä aikoja vain minimaalisin ratakorjauksin, polttoainettaan säästäen. Webb kääntää Aurinkoa ja samalla meitä kohti valtaisat, tenniskentän kokoiset aurinkosuojansa, jotka estävät hajavaloa pääsemästä havaintolaitteisiin ja pitävät instrumentit matalassa lämpötilassa. Sen ohjausmoottorit varmistavat jatkuvasti, että teleskooppi kiertää hitaasti L2-pisteen ympäri radalla, jossa se pysyy poissa niin Maan kuin Kuunkin varjoista, mikä takaa aurinkopaneelien jatkuvan toiminnan ja havaintokampanjan toteuttamisen keskeytyksettä. Jos kaikki menee hyvin, Webbin vuosikymmenen pituinen kampanja saadaan käyntiin ensi heinäkuun aikana.

Uuden sukupolven instrumentti

Webb on aivan uudenlainen havaintolaite. Toisin kuin edeltäjänsä Hubble -avaruusteleskoopin raskas yksiosainen peili, Webbin peili on hiottu 18 kuusikulmaisesta kevytrakenteisesta palasesta, jotka asetetaan oikeaan muodostelmaan vasta teleskoopin lähestyessä asemapaikkaansa Kuun tuolla puolen. Samalla avataan myös valtava, monikerroksinen aurinkosuoja, ja käännetään apupeili paikalleen ohjaamaan pääpeilistä heijastuva valo laitteen sisällä kylmyydessä pidettäviin instrumentteihin. Lukuisat liikkuvat osat tekevät Webbin operaatiosta riskialttiin mutta sen on oltava kokoontaitettava, koska suurikokoinen laite ei olisi muutoin millään mahtunut Euroopan Avaruusjärjestön luotettavan kuormajuhdan, Ariane 5 -raketin kyytiin.

Webbin kuusikulmaisista palasista kootun peilimosaiikin pinta-ala on runsaat kuusi kertaa Hubblen pääpeiliä suurempi, mikä tarkoittaa samalla kertoimella suurempaa kykyä kerätä valoa kaukaisista kohteista. Suurempi peili tuottaa myös paremman erotuskyvyn — Webb voi erottaa noin kertoimella kolme toisiaan lähempänä olevia kohteita, jotka Hubble näkee vain yhtenä pistemäisenä valonlähteenä. Webb ei kuitenkaan ole vain edeltäjäänsä Hubblea suurempi. Sen instrumentit rekisteröivät infrapunavaloa laajalla skaalalla ja kykenevät siksi havaitsemaan huomattavasti Hubblea tehokkaammin esimerkiksi kaukaisia galakseja, joiden valo on punasiirtynyt maailmankaikkeuden laajenemisen myötä näkyvän valon aallonpituuskaistan ulkopuolelle. Samalla tavalla Webb on parhaimmillaan eksoplaneettojen havaitsemisessa, koska ne loistavat voimakkaimmin infrapunasäteilyn aallonpituuksilla. Mutta Webbillä on vielä yksi ässä hihassaan: infrapunasäteily läpäisee tähtienväliset pölypilvet mainiosti ja antaa mahdollisuuden tarkkailla niiden sisällä olevia nuoria, vasta syntymässä olevia planeettakuntia. Esimakua Webbin kyvyistä nähdä pölypilvien läpi antaakin juuri Hubble, jonka kapea ikkuna lähi-infrapunaan tarjoaa jo sekin mahdollisuuden tarkkailla esimerkiksi tähtien syntysijoja (Kuva 2.).

Webb mullistaa lähitähtiä kiertävien eksoplaneettojen tutkimuksen. Vaikka se ei olekaan kyllin tarkka kuvaamaan suoraan lähimpiä kandidaatteja eläviksi planeetoiksi kuten vaikkapa Proxima b, se kykenee tekemään suoria havaintoja suuremmista planeetoista kiertämässä tähtiään kauempana. Sopiva kohde voisi olla vaikkapa Proxima c ja monet muut lähitähtien jättiläisplaneetat, jotka sijaitsevat vähintäänkin muutaman AU:n etäisyydellä tähdestään. Webb on varustettu varjostimella, koronagrafilla, jolla keskustähden valo saadaan eliminoitua valtaosaltaan ja sitä kertaluokkia himmeämmät planeetat saadaan näkyviin. Suora kuvaaminen puolestaan mahdollistaa valtavan määrän uutta tiedettä koostumuksen tutkimisesta aina vuodenaikaisvaihteluiden ja sääilmiöiden tarkkailuun.

Saamme varmasti tietoa myös osasta niitä lähitähtien planeettoja, jotka ovat parhaita kandidaatteja elinkelpoisiksi planeetoiksi. Webbin laajakaistaiset havainnot infrapuna-alueella mahdollistavat ylikulkevien planeettojen kaasukehien tarkkailun ennennäkemättömällä tarkkuudella. Mittaamalla planeetan kaasukehän läpi suodattuvaa valoa eri aallonpituuksilla, Webb voi määrittää hyvinkin tarkasti ylikulkevien planeettojen kaasukehän koostumuksia. TRAPPIST-1 -järjestelmä tarjoaa yhden lähikohteen, jolle havainnot ovat erityisen hedelmällisiä. Voimme käyttää tähteä kiertävän planeettaseitsikon ylikulkuja hyväksemme mitataksemme ensimmäistä kertaa monin tavoin maankaltaisten ja -kokoisten, elämän vyöhykkeen planeettojen ominaisuuksia. Voimme selvittää niiden kaasukehien paksuudet ja havaita merkkejä hiilidioksidista, sekä veden olemassaolosta kielivästä vesihöyrystä planeettojen kaasukehissä. Saatamme saada selville merkkejä metaanista, kertoen mahdollisesta geologisesta aktiivisuudesta tai jopa ensimmäisiä havaintoja biokemiallisten prosessien aikaan saamasta kemiallisesta epätasapainotilasta ja siten, välillisesti, elämästä.

Kykenemme jo nykyisellään havaitsemaan erilaisia molekyylejä eksoplaneettojen kaasukehissä. Webb kuitenkin parantaa havaintojen tarkkuutta niin paljon, että on mahdollista saattaa yksi tieteellinen aikakausi päätökseen. Jos jonkin lähitähden pieni kivinen planeetta ylläpitää elämää, joka on muokannut sen kaasukehän kemiaa ja jos se kulkee radallaan tähtensä editse, saatamme saada käsiimme ensimmäiset konkreettiset havainnot maanulkopuolisesta elämästä. Kyse on aluksi kiistanalaisista, monitulkintaisista erilaisten molekyylien pitoisuuksista jonkin planeetan kaasukehässä mutta havaittavissa olevaan asiaan saadaan lopulta tieteellinen konsensus.

Voi olla, että Webb siirtää viimeisenkin Kopernikaanisen periaatteen poikkeaman historian romukoppaan. Galaksimme ei ole maailmankaikkeudessa minkäänlaisessa erityisasemassa, kuten ei Aurinkokuntakaan ole mitenkään poikkeuksellinen planeettojen muodostelma. Aivan samoin Maa ei ole millään mittarilla erityinen, eikä siksi voida ajatella planeettamme elämänkään olevan erityisasemassa, vaikka meille erityistä onkin. Tarvitaan vain se ensimmäinen havainto maanulkoisesta elämästä, jotta voimme todeta ajatuksen Maan uniikista luonteesta elävänä planeettana olevan virheellinen ja siirtyä ensimmäistä kertaa vertailemaan elämänmuotojen moninaisuutta eri biosfäärien välillä. Sen havainnon Webb voi tarjota. Mutta vasta aika näyttää mitä fantastisia tuloksia saamme historian parhaimmalla astronomisella instrumentilla.

---

Toistaiseksi James Webb -avaruustelekoopin alkutaival on ollut ruusuinen. Ariane 5 saattoi sen oikealle radalleen niin tarkasti, että teleskoopin ohjausrakettien polttoainetta säästyi merkittäviä määriä. NASA:n mukaan säästö kasvattaa teleskoopin arvioitua käyttöikää peräti muutamia vuosia kaavaillun kymmenen vuoden lisäksi. Myös teleskoopin aurinkosuojien avaaminen on edennyt suunnitellusti ja ongelmia ei ole ilmennyt, joten näyttää vahvasti siltä, että Webb aloittaa tieteelliset havaintonsa suunnitellusti heinäkuussa.

Koko tähtitieteen tutkijayhteisö odottaa Webbin saattamista toimintakuntoon lähes henkeään pidätellen.