Eksoplaneetta hukassa

Kuva läheisestä eksoplaneetasta Epsilon Indi Ab

6.8.2024 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen

Läheinen, vain vajaan 12 valovuoden etäisyydellä Aurinkokunnasta sijaitseva Epsilon Indin järjestelmä on kiinnostava tähtijärjestelmä. Sen kirkkain tähti, Epsilon Indi A, on oranssi kääpiötähti, joka loistaa hiukan himmeämpänä kuin Aurinko. Sitä kiertää kahden ruskean kääpiön muodostama pari noin 1500 AU:n etäisyydellä mutta tähdellä on myös läheisempi kiertolainen — Epsilon Indi Ab on jättiläismäinen kaasuplaneetta, joka kiertää tähtensä noin 45 vuodessa. Se on toiseksi lähin tunnettu eksoplaneetta, joka on jupiterinkaltainen kaasujättiläinen. Planeetta on ollut henkilökohtaisesti minua kiinnostanut kohde, koska tutkimusryhmäni oli ensimmäisenä määrittämässä sen ominaisuuksia vuonna 2019. Nyt planeetasta on onnistuttu myös saamaan suoria kuvia — James Webb -avaruusteleskoopilla saadut uudet havainnot paljastavan planeetan kuvaamisen onnistuneen, aivan kuten julkaisussamme vuonna 2019 arvioimmekin.

Yhtenä lähimmistä tähdistä, Epsilon Indi on luonnollisesti ollut monien tutkimusryhmien ja havaintokampanjoiden kohteena. Tähteä on esimerkiksi havaittu vuosikymmeniä radiaalinopeusmenetelmällä, ja jo kaksi vuosikymmentä sitten arveltiin, että tähteä kiertää jonkinlainen verrattaen masiivinen kumppani. Syy on siinä, että jo tuolloin havaittiin tähden olevan avaruudessa kiihtyvässä liikkeessä, jota voi aiheuttaa vain jonkin toistaiseksi tuntemattoman, näkymättömän kumppanin vetovoima. Kumppanin luonnetta ei kuitenkaan voitu saada selville, ja se olisi aivan yhtä hyvin voinut olla suuri planeetta kuin hyvin pienimassainen tähtikin.

Tähden jatkuva tarkkailu radiaalinopeusmenetelmällä ei vain tuonut valaistusta kiertolaisen luonteeseen, vaan tarvittiin täydentäviä havaintoja toisilla menetelmillä. Tuolloisen tutkimusryhmämme nuorin jäsen Hertfordshiren yliopistossa, vastaväitellyt kiinalaistutkija Fabo Feng keksikin ajatuksen koettaa puristaa informaatiota Gaia -avaruusteleskoopin havainnoista. Gaia oli laukaistu avaruuteen vuonna 2013, mutta sen avulla ei oltu voitu saada riittävän pitkää havaintosarjaa, jotta kiertolaisen luonteen paljastava tähden näennäinen heilahtelu taivaalla voitaisiin saada mitattua. Vuosikymmenten pituisella kiertoradalla oleva kiertolainen jää auttamatta havaitsematta tällä astrometriaksi kutsutulla menetelmällä, jos havaintoja ei ole niin ikään kertynyt vuosikymmenten ajalta. Feng löysi nerokkaan vaihtoehdon saadaksemme planeetan radan ja siten massan määritettyä.

Gaia -avaruusteleskoopin havainnoista kävi selväksi tähden ominaisliike, eli sen suoraviivainen kulku avaruudessa. Gaian havaintoprojektin päätavoite oli määrittää lähimpien muutaman miljoonan tähden tarkat paikat ja liikkeet taivaalla, jotta saisimme ikään kuin dynaamisen tähtikartan kosmisesta naapurustostamme. Mutta Epsilon Indin liikettä oli mitattu aiemminkin. Hipparcos -satelliitin avulla oli tehnyt aivan vastaavaa paikan- ja liikkeenmääritystyötä jo kaksi vuosikymmentä aiemmin, vaikkakin paljon vaatimattomammalla tarkkuudella. Olimme enemmän kuin innoissamme todettuamme Hipparcos -satelliitin havainnoista määritetyn Epsilon Indin ominaisliikkeen poikkeavan Gaia -satelliitin vastaavasta. Se merkitsi sitä, että tähti oli vuosikymmenten saatossa kokenut kiihtyvää liikettä, jonka suunnan ja suuruuden kykenisimme nyt määrittämään. Tulos auttoi määrittämään tähteä kiertävän planeetan Epsilon Indi Ab radan ja toteamaan kyseessä olevan runsaat kolme kertaa Jupiterin massainen planeetta.

Olimme havainneet Aurinkokuntaa toiseksi lähimpänä avaruudessa sijaitsevan eksoplaneetan, joka voitiin luokitella jupiterinkaltaiseksi kaasujättiläiseksi. Kyseessä on samalla yksi lähimmistä järjestelmistä, joissa ulomman jättiläisplaneetan radan sisäpuolella on mainiosti tilaa maankaltaisille kiviplaneetoille.

Epsilon Indin eksoplaneetta avaruusteleskoopin kuvaamana

Epsilon Indi Ab on monella tapaa erityislaatuinen jättiläisplaneetta suoran kuvaamisen kohteeksi. Se sijaitsee avaruudessa aivan lähellämme, mikä on aina edullista tähtitieteessä. Planeetta on radallaan tähtijärjestelmänsä ulko-osissa, ja sen etäisyys tähdestä on suurempi kuin Jupiterin etäisyys Auringosta, mikä helpottaa kuvaamista. Itse tähtikin on Aurinkoa himmeämpi, ja planeetta loistaa Jupiteria voimakkaammin infrapuna-alueella, joten James Webb -avaruusteleskoopilla oli suotuisat mahdollisuudet onnistua planeetan kuvaamisessa. Eroista huolimatta, Epsilon Indi Ab on kaikin puolin jupiterinkaltaisin maailma, jota tähtitieteilijät ovat toistaiseksi onnistuneet kuvaamaan (Kuva 1.). Olemme ensimmäistä kertaa ottamassa valokuvia jonkin toisen, paljolti auringonkaltaisen vanhan tähden jättiläisplaneetasta, jonka radan sisäpuolella kiviplaneetoilla on mahdollisuus kiertää tähteään kaikessa rauhassa.

Huolimatta James Webb -avaruusteleskoopin ennennäkemättömästä tarkkuudesta ja herkkyydestä, planeettojen kuvaaminen on äärimmäisen vaativaa. Prosessissa tarvittiin teleskoopin koronografia, eli tähden valon havainnoista poistavaa suodatinta, joka jättää jälkeensä vain aivan tähden vieressä loistavan planeetan. Oleellista on kuitenkin, että havainnoissa on merkkejä vain yhdestä planeetasta. Epsilon Indin järjestelmässä ei siis ole useampia yhtä massiivisia jättiläisplaneettoja.

Kyseessä on viilein toistaiseksi kuvattu jättiläisplaneetta. Epsilon Indin järjestelmä planeettoineen on vanha, arviolta vähintäänkin noin 3.5 miljardin vuoden ikäinen ja siten vain hiukan Aurinkokuntaa nuorempi. Samalla on selvää, että järjestelmän planeetta ei ole enää asettumassa tasapainotilaan prosessissa, jossa planeetat kutistuvat, kun raskaampi materia vajoaa pohjaan keveimmän vedyn noustessa pinnalle. Kyse on voimakkaasti lämpöä vapauttavasta prosessista, joka saa nuorten planeettakuntien planeetat loistamaan niin kirkkaina, että niiden havaitseminen on ollut mahdollista jo maanpäällisin teleskoopein. Epsilon Indi Ab ei kuitenkaan ole enää nuori ja hohda kirkkaana infrapunasäteilyn aallonpituuksilla, joten sen havaitseminen vaati Webbin suunnatonta herkkyyttä ja kapasiteettia. Noin kahden celciusasteen lämpötilassa planeetta on hyvinkin tarkkaan sellainen kuin sen massa ja ikä antavat odottaa kaasuplaneettojen fysikaalisten mallien perusteella.

Havainnot eivät kuitenkaan olleet vailla yllätyksiä. Planeetan massaksi saatiin noin kaksi kertaa suurempi arvo kuin aiemmin arvioitiin perustuen radiaalinopeushavaintoihin ja astrometriaan. Planeetta on aiemmin arvioitua kauempana tähdestään, mikä saattaa tarkoittaa virhettä aiemmissa tuloksissa. Ei kuitenkaan välttämättä. Radiaalinopeustekniikalla ja astrometrialla kyetään määrittämään vain tähden liike ja kiihtyvyys avaruudessa. Menetelmillä liikkeestä päätellään, todennäköisyyslaskentaan perustuen, minkälainen kiertolainen voisi vetovoimallaan selittää havainnot. On sekin mahdollisuus, että planeetta ei ole yksin, vaan sillä on sisempi kumppani, joka on liian pieni, jotta se näkyisi Webbin havainnoissa mutta kyllin suuri, jotta se selittäisi tulosten väliset erot.

Tuoreessa julkaisussaan tutkijat kuitenkin onnistuivat mallintamaan sekä kuvaamalla saadut tiedot planeetasta että sen tähteensä aiheuttamat kiihtyvyydet kohtuullisen uskottavalla tavalla, eikä ole täysin selvää, että havaintojen selittämiseen tarvittaisiin toista planeettaa. Se on kuitenkin mahdollisuus, jota taatusti tutkitaan lähitulevaisuudessa. Erityisesti tähden astrometria kertoo karua kieltään siitä, että yhden planeetan malli ei sovi havaintoihin kunnolla, vaikkei ole mitään syitä epäillä havaintojen tarkkuutta ja laatua. Toisen planeetan olemassaolon varmistamisessa voi vierähtää vuosikymmeniä, koska ulkoplaneettojen liike tähden ympäri kestää niin kovin kauan. Se ei kuitenkaan ole este kuin vain yksittäisen tutkijan ja ihmiselämän näkökulmasta. Tieteellä on aikaa odottaa.