Kuumien jupiterien jäljillä, osa 3
Planeettojen daavidit ja goljatit
Vanhoja havaintoaikahakemuksia on joskus hauskaa selailla jälkeenpäin. Niistä käy ilmi tieteen asteittainen eteneminen, koska hakemuksia voi kirjoittaa vain huomioiden se, mitä niitä kirjoitettaessa tiedetään ja mitä ei. Yksittäisen hakemuksen tieteellisistä perusteista saa helposti kattavan läpileikkauksen tieteenalan tilasta tiettynä ajanhetkenä. Hakemuksia on lisäksi tehtailtava jatkuvasti, jotta on mahdollista saada maailman parhaita instrumentteja käyttöönsä, joten läpileikkauksia tulee kirjoitettua säännöllisesti erilaisiin havaintoprojekteihin.
Havaintoaikahakemusten hyväksyminen puolestaan määrittää voimakkaasti sitä, mitä tieteellisiä projekteja voidaan koskaan toteuttaa ja mitä ei. Monet lupaavatkin projektit kaatuvat jatkuvasti siihen, että niille ei myönnetä havaintoaikaa ja siksi ne eivät koskaan oikeastaan edes käynnisty. Esimerkki sellaisesta on vuoden 2013 havaintoaikahakemuksemme, jossa yhdessä chileläistyneen skotlantilaisastronomin, James Jenkinsin, ja muutaman muun tutkijan kanssa halusimme havaita kuumien jupiterien planeettakumppaneita.
Hakemuksessa oli taustalla kylmän tieteellinen logiikkansa. Kuumien jupiterien planeettakumppaneita ei tunnettu, joten niiden etsintä vaikutti erittäin merkittävältä selvitettäessä planeettakuntien muodostumismekanismeja. Oli oikeastaan hyvin hämmentävää, että sellaisia havaintoja ei oltu koetettu radiaalinopeusmenetelmällä — aina, kun kuuma jupiter löytyi, kyseinen tähti tavallisesti vain pudotettiin pois havaittavien kohteiden listalta ajanhukkana. Aivan kuin kohteesta olisi jupiterin löytymisen myötä saavutettu täydelinen ymmärrys, ja lisähavaintoihin ei olisi ollut enää tarvetta. Taustalla oli ajatus siitä, että kuumat jupiterit suistivat kaikki muut planeetat radoiltaan muuttaessaan tähtiensä lähelle, joten vaikutti loogiselta käyttää niukat havaintoresurssit sellaisiin kohteisiin, joista voisi tehdä uusia planeettalöytöjä. Halusimme kuitenkin ”Projekti goljatiksi” otsikoimassamme hakemuksessa testata asiaa perustuen havaintoihin pelkkien oletusten sijaan. Koko kuumien jupiterien olemassaolo kun oli osoittanut, miten luonto jaksaa jatkuvasti osoittaa testaamattomien oletustemme perusteet vääriksi.
Hakemuksessamme goljateiksi kutsuttiin kuumia jupitereita, jotka heilauttivat tähtiään valtavalla tavalla — niin valtavalla, että niiden havaitseminen oli suorastaan helppoa jo 1990-luvun instrumenteilla. Daavidit olivat sitten pienempiä planeettoja, jotka olivat taistelleet olemassaolostaan jupiterien muutaessa tähtensä lähelle. Daavidit, jos niitä siis oli edes olemassa, olivat välttäneet törmäykset tähtensä ja jupiterinsa kanssa, sekä sinkoutumisen ulos koko planeettakunnasta kahden järjestelmää määrittävän suuremman kappaleen vetovoimien vaikutuksesta. Ne kertoisivat omaa kieltään järjestelmän mahdollisista muodostumismekanismeista, ja joka tapauksessa sulkisivat löytyessään pois sen vaihtoehdon, että järjestelmän kuuma jupiteri olisi syntynyt tyypin II migraation seurauksena oltuaan ensin äärimmäisen soikealla kiertoradalla.
Jopa maankaltaisten, elinkelpoisten planeettojen olemassaolo oli teoreettisesti mahdollista kuumien jupiterien järjestelmissä. Tietokonesimulaatiot osoittivat, että sisemmän planeettakunnan kiviplaneetat joutuivat kaaoksen kouriin ja niistä valtaosa tuhoutui jättiläisplaneetan migraation seurauksena, mutta jotkut päätyivät stabiileille radoille kuuman jupiterin radan ulkopuolelle. Pienten kiviplaneettojen oli jopa mahdollista jäädä tähtensä elinkelpoiselle vyöhykkeelle, jossa ne voisivat viettää miljardeja vuosia vakaalla radalla ehtien tarjota olosuhteet elämän synnylle, kehitykselle ja kukoistukselle. Ehdotimme etsivämme sellaisia planeettoja tunnettujen kuumien jupiterien järjestelmistä, mutta jäimme ilman havaintoaikaa, koska aika on yksi tärkeimmistä tieteellisistä resursseista ja sitä annetaan vain parhaista parhaille havaintoprojekteille. Aikaa liikenee vain aniharvoin sellaisille havainnoille, jotka perustuvat pelkkään spekulaatioon, ja siiihen, että edessämme on tieteen ja tuntemattoman rajapinta.
Apuun saapui kuitenkin sattuma. Kuten niin kovin usein tieteessä, onnettomat sattumukset muuttavat havaintoprojekteja ennalta arvaamattomilla tavoilla. Havaintoprojektit voivat mennä pieleen monella tapaa. Ehkäpä instrumentti ei toimi tai sattuu sairastuminen, ja koko projektia ei voida käynnistää. Monenlaiset sääilmiöt, kuten pilvet tai tuuli voivat estää havainnot täysin ennustamattomalla tavalla. Ehkäpä teleskooppi on rakennettu tuliperäiselle alueelle, jolloin läheinen tulivuorenpurkaus tekee havainnoista mahdottomia, kuten joskus käy vaikkapa La Palman observatoriolla Kanariansaarilla. Tai ehkä taivasta peittää sankka metsäpalojen tuottama savu, joka estää tähtitaivaan havaitsemisen kokonaan. Joskus teleskoopin suuntauksessa voi olla ongelmia tai sen kupu voi jumittua niin, että kaavailtuja havaintoja ei voida suorittaa. Silloin saatetaan havaita B-suunnitelmana joitakin toisia kohteita taivaalla. Kepler -avaruusteleskoopin kanssa kuumien jupiterien tutkijat olivat kuitenkin vieläkin onnekkaampia.
Kepler -avaruusteleskoopin gyroskooppien pettäessä tähtitieteilijöille oli selvää, että sen havaintoprojekti oli tullut päätökseen. Teleskoopilla oli havaittu samaa 150 000 tähden täplittämää kaistaletta taivasta, mutta gyroskooppien petettyä instrumenttia ei enää voitu suunnata vakaasti samaan kohtaan taivasta. Gyroskoopit ovat oikeastaan varsin yksinkertaisia laitteita. Ne ovat akselinsa ympäri pyöriviä hyrriä, joiden pyörittäminen yhteen suuntaan saa teleskoopin itsensä kääntymään hitaasti vastakkaiseen suuntaan johtuen pyörimismäärän säilymisestä. Kun käytössä on kolme kohtisuoraan toisiaan vastaan pyörivää gyroskooppia, teleskooppia voi kääntää halutessaan saumattomasti mihin tahansa suuntaan, ja se voidaan esimerkiksi pitää suunnattuna yhteen tiettyyn pisteeseen taivaalla pitkiä aikoja. Vuonna 2012 yksi Keplerin neljästä gyroskoopista kuitenkin rikkoutui. Vain vuotta myöhemmin toinenkin lakkasi toimimasta, jolloin teleskoopin suuntaus ei enää onnistunut.
Ratkaisuna oli vaihtaa havaintostrategiaa ja hylätä aikeet tarkkailla samaa tähtien joukkoa. Nimellä K2 tunnettu uusi havaintoprojekti perustui siihen, että ei edes pyritty tarkkailemaan samaa taivaan kaistaletta, vaan havaittavaa taivaan kohtaa vaihdettiin aina noin kolmen kuukauden välein. Havainnot kärsivät tarkkuudesta, koska teleskooppia ei voitu pitää suunnattuna samaan kohtaan yhtä hyvällä tarkkuudella kuin kolmen gyroskoopin ollessa käytössä, mutta vastapainoksi saatiin havaintosarjoja uusista osista taivasta. Kuumien jupiterien havaitsemiseen tarkkuuden heikkeneminen taas ei juurikaan vaikuttanut, joten tuloksena oli satoja uusia löytöjä, jotka antoivat runsaasti tietoa kuumien jupiterien moninaisuudesta ja yleisyydestä erilaisten tähtien kiertolaisina. Eräs kiinnostava löytö tehtiinkin vuonna 2015, kun K2 teki havaintoja siitä kohdasta taivasta, jossa sijaitsi tunnettu kuuma jupiter WASP-47 b.
Kepler -avaruusteleskoopin tarkkuus mahdollisti pienempienkin planeettojen löydöt. Oli silti yllättävää, että WASP-47 b ei ollutkaan kiertoradallaan yksin, vaan sen kumppanina oli ulompi neptunuksenkokoinen planeetta, joka kiersi tähden vain yhdeksässä päivässä. Se oli siten radallaan hyvin lähellä tähden vain runsaassa neljässä päivässä kiertävää kuumaa jupiteria. Toinen planeetta löytyi sisemmältä radalta — WASP-47 e on vain hiukan Maata suurempi kiviplaneetta, joka kiertää tähden aivan sen pintaa viistäen, vain noin 19 tunnissa. Järjestelmä vaikutti hämmästyttävältä, eikä ollut alkuunkaan selvää miten se oli voinut muodostua. Asiaan ei tuonut helpotusta neljäs planeetta, joka oli sekin jättiläisplaneetta mutta kauempana tähdestä, noin 1.4 AU:n etäisyydellä ja hiukan soikealla radalla. Kuumalle jupiterille tarvittiin siis muodostumismekanismi, joka ei edesauttanut sen sisemmän ja ulomman planeettakumppaniin suistumista radaltaan, ja joka oli mahdollinen toisenkin jättiläisplaneetan ollessa järjestelmässä kauempana tähdestään.
Havaintoa selittämään kehitettiin kolmas muodostumismekanismi. Jos jättiläisplaneetan ydin muodostui kauempana tähdestä, oli mahdollista että migraatioprosessi käynnistyi ennen kuin se kasvoi kaasujättiläiseksi. Silloin planeetta olisi päätynyt tähden lähelle ennen muuttumistaan jättiläiseksi ja kerännyt sitten lopulta vain kaasua itseensä planeettakunnan sisäosissa. Järjestelmän kaksi Daavidia olisivat siten onnistuneet jollakin tavalla välttämään jättiläismäisen kumppaninsa aiheuttaman tuhon. Ehkäpä sisempi, kuuma supermaapallo oli muodostunut varhain ja päätynyt niin lähellä tähteään, että oli säästynyt kaoottisilta radan muutoksilta. Ulompi neptunus taas oli saattanut sekin muodostua jo varhain mutta sen pienemmän ytimen ympärille oli kertynyt vain vähän kaasumaista ainesta massiivisemman naapurinsa kerättyä valtaosan materiasta.
Todennäköisemmältä vaikuttaa kuitenkin planeettojen eriaikainen synty. Jos kaasujättiläiset syntyivät ensin ja päätyivät lähelle nykyisiä sijojaan jo varhain, olisi pienempien planeettojen synty niiden lomaan ollut edelleen mahdollista. Samalla jättiläisplaneettojen mukana kulkeutunut kaasu olisi voinut edesauttaa neptunuksenmassaisen kappaleen syntyä radalle kaasujättiläisten kiertoratojen välissä. On joka tapauksessa selvää, että kaikki kolme syntyprosessia ovat olleet osaltaan tuottamassa sitä havaittujen kuumien jupiterien populaatiota, joka on havaittu lähitähtien kiertoradoilta. Kaikki riippuu vain yksityiskohdista, kuten käsillä olevasta kaasun ja pölyn määrästä, kaasukiekon eliniästä tähden ympärillä, sekä siitä, mitkä protoplaneetat saavuttavat ensimmäisinä riittävän koon haaliakseen itselleen merkittävän kaasuvaipan vetovoimansa avulla. Luultavasti luonto tuottaa kokonaisen jatkumon erilaisia tapoja muodostaa kuumia jupitereita, aivan kuten planeettojen synnyn lopputuotteena on valtaisa kirjo erilaisia planeettoja erilaisissa planeettakunnissa.
Lisää vastaavanlaisia planeettakuntia löytyy edelleen TESS -avaruusteleskoopin suunnattomasta datavirrasta. Vaikka maankaltaisten planeettojen löydöt kuumien jupiterien järjestelmistä tuskin realisoituvat vielä pitkiin aikoihin, on kuitenkin varmaa, ettemme voi aliarvioida mitä luonto nähtäväksemme tuottaa. Vain se tosiasia, ettemme ole havainneet tietynlaisia planeettoja tai planeettakuntia, ei tarkoita, ettei niitä olisi olemassa. Muutoinhan emme olisi koskaan löytäneet sen kummemmin näitä eksoplaneettojen goljatteja kun daavideitakaan.
Viimeinen 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.