Aavistuksen himmenevä tähti
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.
Hieno aloitus blogille!
Olen usein pähkinyt miten monta prosenttia planeetoista voitaisiin havaita ylikulkumenetelmällä, kun varsin harvan planeeten kiertorata sattuu juuri sille hiuksen hienolle tähtäysviivalle.
Lisää samanlaista t: Jussi
Noin prosentti suhteellisen lähellä tähteään kiertävistä planeetoista kulkee tähden pinnan editse ja niiden havainnointi onnistuu. Mitä kauempana planeetat kiertävät tähteään, sitä hankalampaa havaitseminen on, koska ylikulkujen todennäköisyys ja niiden määrä aikayksikköä kohti pienenevät.