Pieni alaston eksoplaneetta
Katson ulos ikkunasta, jossa lumihiutaleet viilettävät vinhaa vauhtia viistosti kohti maata. Niitä on kertynyt valkoiseksi peitteeksi jo yli kolmenkymmenen sentin paksuudelta, enkä voi välttyä siltä ajatukselta, että pian on lähdettävä lapioimaan niitä pois ovien edestä ja kulkuväyliltä. En kuitenkaan malta ihan vielä, koska ajatukseni ovat kirjaimellisesti muissa maailmoissa lukiessani uusimpia tutkimustuloksia lähitähtien eksoplaneetoista. En myöskään malta olla ajattelematta mitä ikkunasta tekemäni havainto kertoo planeetasta nimeltään Maa. Ainakin sen lämpötila ja kaasukehän paine mahdollistavat vesihöyryn kertymisen kaasukehään sekä sen tiivistymisen alas sataviksi jääkiteiksi, joita kutsumme lumihiutaleiksi. Selvästi planeetan pintalämpötila on ainakin paikallisesti niin alhainen, että vesi jäätyy. Kaasukehä on myös liikkeessä, mikä näkyy hiutaleiden sivuttaisena liikkeenä. Ilmeisesti planeetalla on lämpötilaeroja, jotka pyrkivät tasautumaan ja tuntuvat tuulena. Niitä voi aiheuttaa vaikkapa yön ja päivän vaihtelu planeetan pyörähtäessä oman akselinsa ympäri.
Eksoplaneetoista on ollut toistaiseksi mahdotonta saada näin yksityiskohtaista tietoa, koska emme pääse paikan päälle tekemään tarkkoja havaintoja. James Webb -avaruusteleskoopin myötä tilanne on kuitenkin muuttumassa nopeasti.
Tuorein JWST:n havainto koskee pientä planeettaa TRAPPIST-1 b, joka on noin 10% Maata suurempi ja 40% massiivisempi kiviplaneetta kiertämässä punaista kääpiötähteä vain noin 40 valovuoden päässä Aurinkokunnasta. Se on yksi seitsemästä tunnetusta kappaleesta järjestelmässään, ja niistä sisin, jonka kiertoaika tähtensä ympäri on vain puolitoista Maan vuorokautta. Planeetan on arvioitu olevan liian kuuma elinkelpoiseksi planeetaksi, mutta sen pintalämpötilaa on voitu arvioida vain tekemällä oletuksia sen kaasukehästä. Vuorovesilukkiutunut kiviplaneetta olisi viileämpi valoisalta puoliskoltaan ja lämpimämpi pimeältä puoleltaa, jos sillä olisi kaasukehä tasaamassa yön ja päivän puoliskojen lämpötilaeroa. Vaihtoehtoisesti planeetalla saattaisi olla paksu hiilidioksidipitoinen kaasukehä kuten Venuksella, ja sen voimakas kasvihuoneilmiö voisi tehdä kappaleesta kauttaaltaan helvetilisen pätsin, jonka kuumuudessa lyijykin sulaisi. Mutta miten JWST voisi saada tietoa kaukaista tähteä kiertävän pienen planeetan kaasukehästä?
Yksi mahdollisuus on transmissiospektroskopia, eli tähden valon tarkkailu eri aallonpituuksilla, kun se suodattuu planeetan kaasukehän läpi ylikulun aikana. Menetelmällä on tehty tarkkoja havaintoja useiden jättiläisplaneettojen kaasukehien koostumuksista. Havaintoa koetettiin aikaisemmin mutta merkkejä kaasukehän läpi suodattuneesta säteilystä ei saatu. Tutkijat onnistuivat sulkemaan pois sen mahdollisuuden, että planeetalla TRAPPIST-1 b olisi paksu vetypitoinen kaasukehä mutta muitakaan merkkejä kaasukehästä ei raportoitu ja asiasta ei vuoden 2022 joulukuussa julkaistu tutkimusraporttia. Tutkijoilla on kuitenkin muitakin valtteja hihassaan.
Jos eksoplaneetta kulkee radallaan tähtensä editse aiheuttaen ylikulun, jolloin sen olemassaolo voidaan todeta yksinkertaisella tavalla tarkkailemalla tähden kirkkautta, on selvää, että planeetan ja tähden liike toistensa ympäri tapahtuu täsmälleen kohtisuorassa taivaankannen määrittämää tasoa vastaan. Kiertoradan geometria tarkoittaa silloin sitä, että planeetta liikkuu radallaan myös täsmälleen tähden takaa. Kulkiessaan tähden takaa planeetan meitä kohti näkyvä puolisko on tähden kirkkaasti valaisema ja kuumentama. Kuumentunut puoli taas lähettää lämpösäteilyä, eli infrapuna-alueen säteilyä, jolla JWST tekee havaintojaan. On siis mahdollista havaita tähden ja planeetan muodostaman järjestelmän näennäinen himmeneminen infrapuna-alueella planeetan kulkiessa tähden takaa. Kyse on hyvin heikosta efektistä, mutta JWST:n valtaisa herkkyys juuri infrapuna-alueella tekee havainnon mahdolliseksi (Kuva 1.).
Sekundäärisen ylikulun havainnossa on kyse suorasta planeetan säteilemän valon havainnoinnista. Jos tähden ja planeetan muodostama järjestelmä näyttää himmenevän havaittavasti planeetan kulkiessa tähden takaa, voimme määrittää tähden tarkan kirkkauden ja planeetan siihen tuottaman lisäyksen sen valaistun puoliskon näkyessä eri tavalla radan eri vaiheissa. Planeetta tietenkin säteilee tähdestään saamaansa energiaa, mutta säteilystä voidaan määrittää sen pintalämpötila. Pintalämpötilaa taas voidaan verrata laskennalliseen lämpötilaan tehden erilaisia oletuksia kaasukehän koostumuksesta ja paksuudesta — tai olettaen koko kaasukehän puuttumisen. On siten mahdollista selvittää minkälainen kaasukehä planeetalla on perustuen pelkkään hiuksenhienoon himmenemiseen havaitussa infrapuna-alueen mittaussarjassa.
TRAPPIST-1 b:n tapauksessa havaittu lämpötila selittyy mainiosti sillä, että planeetan kaasukehä on vain hyvin harva tai puuttuu kokonaan kuten Merkuriuksella, jolloin lämmönsiirtoa planeetan valoisan ja pimeän puoliskon välillä ei tapahdu lainkaan. Siten TRAPPIST-1 b on kuin jättiläismäinen versio Merkuriuksesta — kuuma ja karu kiviplaneetta, jonka mahdollisuuksien ylläpitää elämää voidaan katsoa nyt menneen. Sen valoisan puolen pintalämpötila on noin 230 celsiusastetta, mikä tekee pinnasta Merkuriusta kuumemman ja kaasukehän puute takaa sen, että planeetalla ei voi virrata elämän olemassaolon mahdollistavaa nestemäistä vettä.
JWST on vihdoinkin mahdollistanut TRAPPIST-1 tähden planeettojen ominaisuuksien tarkastelun. Vaikka on tavallaan hienoinen pettymys, että ensimmäiset havainnot paljastavat järjestelmän sisimmän planeetan olevan kuuma ja karu, kaasukehätön kappale, se on kuitenkin ensimmäisiä konkreettisia havaintoja planeettakunnan jäsenten todellisista ominaisuuksista. Toistaiseksi olemme onnistuneet määrittämään vain planeettojen koot ja massat, mikä antaa ainoastaan epäsuoraa tietoa niiden koostumuksesta keskitiheyden avulla. Mahdollisuus havaita yhdenkin planeetan pintalämpötila suoraan on aiempaan verrattuna valtava harppaus eteenpäin.
Uudet havainnot ovat kiinnostavia myös siksi, että kiertäessään tähtiään hyvin lähellä, pienten punaisten kääpiötähtien kiviset planeetat ovat alttiina tähtiensä voimakkaalle hiukkastuulelle ja purkauksille. Planeetan TRAPPIST-1 tapauksessa purkaukset ja suurienerginen säteily ovat saattaneet hävittää planeetan kaasukehän vuosimiljardien saatossa, mikä ei lupaa hyvää myöskään muiden järjestelmän planeettojen elinkelpoisuudelle. Ne ovat kuitenkin nyt JWST:n tarkan silmän alla, ja saamme mitä todennäköisimmin tietoa myös niiden kaasukehistä vielä kuluvan vuoden aikana. Järjestelmän kiviplaneettojen tutkimus auttaa joka tapauksessa arvioimaan minkälaisia mahdollisuuksia elämällä on syntyä ja kehittyä pienten punaisten tähtien järjestelmissä, joissa valtaosa universumimme planeetoista sijaitsee. Maapallolta tuttujen yhteyttämään kykenevien elämänmuotojen mahdollisuus esiintyä niiden pinnoilla näyttää joka tapauksessa kapealta.
Kerroit TRAPPIST-1 b eksoplaneetasta, joka kiertää
”punaista kääpiötähteä vain noin 40 valovuoden päässä Aurinkokunnasta.”
Uusin Tieteen Kuvalehti 6/2023 sivulla 17:
”Kaksi Maan kaltaista planeettaa löytyi elämän vyöhykkeeltä” —
”Vain 16 valovuoden päästä Aurinkokunnastamme”: —
”Ne kiertävät — punaista kääpiötähteä GJ 1002:ta.” (J-kirjain hieman epäselvänä).
— ”Eksoplaneetat ovat saaneet nimet GJ 1002b ja GJ 2001c.
Ne kiertävät punaista kääpiötähteä, jonka massa vastaa kahdeksasosaa Auringosta.”
— Em. ym. ”tunnemme nyt seitsemän planeettajärjestelmää lähellä Aurinkoa.”
Itselleni epäselvää: ovatko em. eksoplaneettojen merkinnät oikein.
Niissä on oudosti numerot 1002 ja tähdestä poikkeava 2001,
eksoplaneetat oikein b lähinnä ja c etäämpänä,
mutta onko myös em. numerot oikein tai olisiko kenties kyse kaksoistähdistä 1 ja 2
tai numero 2001 väärin lehteen merkittynä (yleensä vain kirjaimilla eksoplaneetat).
Kyse on ilmeisestä kirjoitusvirheestä. Tähti on Gliese 1002, mikä lyhennetään usein muotoon GJ 1002. Planeetat ovat nimeltään GJ 1002 b ja GJ 1002 c.
Kun planeetta on noinkin iso, ehkä vesi, hiilidioksidi ja ammoniakki löytyvät jäätyneinä planeetan yöpuolelta, ja vety ja helium ovat karanneet. Vapaata typpeä ei ole välttämättä ollutkaan jos typpi on ollut sitoutuneena ammoniakkiin, tai sitten typpeä on ollut ylipäätään vähän noin lähellä keskustähteä.
Tuollainen skenaario vaikuttaa ihan mahdolliselta. Se on kuitenkin pelkkää valistunutta spekulointia huomioiden, ettemme ole saaneet kunnollisia havaintoja, ja koostumukset sekä syntyhistoriat ovat lähes täysin hämärän peitossa.
Onko niin että joku Marsin-ohuinen ilmakehä olisi konsistentti havainnon kanssa kuitenkin?
Marsin CO2-ilmakehä on käsittääkseni sellaisessa dynaamisessa tasapainossa että kaasua härmistyy navoille talven aikana yhtä paljon kuin kesä jaksaa sitä haihduttaa. Jos jokin ilmiö nostaisi ilmakehän painetta, sublimaatiolämpötila myös nousisi, jolloin navalle härmistyisi talven aikana paksumpi kerros hiilidioksidia (koska säteilyjäähtymisteho on verrannollinen lämpötilan neljänteen potenssiin), kun taas kesän aikana haihtuisi sama kerros kuin ennenkin. Eli hiilidioksidivaippa navoilla paksunisi, jolloin kaasukehän paine palautuisi nykyiselleen.
Mutta tuon eksoplaneetan tapauksessa geoterminen lämpövuo viimeistään asettaa minimin kuinka kylmäksi yöpuoli voi mennä. Ehkä myös järjestelmän muista planeetoista heijastuvalla valolla voi olla merkitystä. Varsin kylmä siellä kuitenkin saattaa olla, joten ilmakehä voisi mennä ohuemmaksikin kuin Marsissa.
Ilmeisesti on dikotomia että ilmakehä on joko niin paksu että se pystyy tasaamaan lämpötilaerot jotta mikään sen kaasuista ei ala härmistyä, tai sitten varsin ohut kuten tässä näyttäisi käyneen. Tai näin ainakin jos ilmakehä on lähinnä hiilidioksidia. Eli joko ”Venus” tai ”Mars”/”Merkurius”. Ehkä välimuotojakin on, mutta ei välttämättä.
Ehkä tuon ”Venus” -tapauksen pystyisi vastaavasti tunnistamaan siitä että päiväpuolen pilvet paistavat kirkkaan valkoisena optisessa?
Julkaisusta käy ilmi, että kaasukehän paine 0.1 bar olisi vielä sopusoinnussa havaintojen kanssa mutta Maan ilmanpainetta vastaava kaasukehä voidaan sulkea pois. Kaasukehä voisi siis mainiosti olla jopa kymmenen kertaa Marsin kaasukehää paksumpi ja se ei olisi havaittavissa. Venusta muistuttava kaasukehä taas on voitu sulkea pois.