Esitelmä maankaltaisista eksoplaneetoista

Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa on vuorossa fil. maist. Samuli Kotiranta, jonka aiheena on Maapallon sisaret - maankaltaiset eksoplaneetat. Esitelmä pidettiin tiistaina 15.2. Kirkkonummen  koulukeskuksen auditoriossa. Esitelmä järjestettiin yhdessä Kirkkonummen Kansalaisopiston kanssa. Esitelmällä oli 56 kuulijaa.

Oman aurinkokuntamme ulkopuolisia planeettoja tunnetaan jo yli viisisataa ja määrä kasvaa lähes viikoittain. Useimmat tunnetut planeetat ovat kuumia kaasujättiläisiä, mutta entä millaisia ovat ja millaisia voisivat olla vieraiden aurinkokuntien pienemmät, maankaltaiset planeetat? Entä millaisia ovat niiden tutkimuksen uusimmat tulokset ja koska saattaisi löytyä ensimmäinen vieras elinkelpoinen planeetta?

FM Samuli Kotiranta on vieraisiin planeettakuntiin erikoistunut tohtorikoulutettava Turun yliopiston Tuorlan observatoriossa.

Klikkaa kuvaa!
FM Samuli Kotiranta esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Seppo Linnaluoto.

Eksoplaneetat

Esitelmäpäivänä, 15. helmikuuta 2011, tunnettiin 528 aurinkokunnan ulkopuolista planeettaa. Useimmat niistä ovat oman aurinkokuntamme jättilaisplaneettojen kaltaisia kaasujättiläisiä, mutta yhä pienempien planeettojen määrä kasvaa kiihtyvällä vauhdilla.

Planeetat ovat pieniä, eivät tuota omaa valoa ja sijaitsevat täältä katsottuna todella lähellä keskustähteään. Siksi niiden havainnointi on vaikeaa. Eksoplaneettoja voidaan silti etsiä monella eri menetelmällä. 11 planeetasta on jo saatu suora kuva!

Useimmat eksoplaneetat on havaittu säteisnopeusmenetelmällä. Muita menetelmiä ovat astrometria, ylikulkumenetelmä, ylikulkujen ajoitus, pulsarien ajoitus, gravitaatiolinssit ja aukko esiplanetaarisessa kiekossa.

Kaikki planeetat voidaan luokitella hyvin karkeasti kahteen pääluokkaan: kaasuplaneetat ja maankaltaiset planeetat. Maankaltaisella planeetalla tarkoitetaan planeettaa, joka muodostuu pääasiassa kiinteästä aineesta. Ongelmana on että useimmista planeetoista tunnetaan oikeasti vain massan alaraja. Tämä siksi, että mittaus tehdään tähden näkösäteen suuntaisesta liikkeestä, eikä planeetan ratatasoa tunneta. Ylikulkuhavainnoilla saadaan luotettava arvio myös ylärajasta. Ylikulkuhavainnoilla voidaan selvittää läpimitta. Ylikulkuhavainnot antavat luotetettavan tiedon planeetan rakenteen arviointiin.

Jos planeetta ei muodostu enimmäkseen kaasusta jäljelle jää muutama vaihtoehtoinen rakenne. Ensinnäkin on valtameriplaneetta. Sen ydin on metallia tai kiveä, vaippa kiveä ja/tai jäätä. Sen pinnalla on paksu, koko planeetan peittävä valtameri. Meren pinta saattaa olla jäässä. Ne ovat tunnistettavissa verraten alhaisen tiheytensä ansiosta. Aivan varmoja valtameriplaneettoja ei tunneta, mutta osa aurinkokuntamme kuista on rakenteeltaan samanlaisia. Eksoplaneetta HD 1214 b on vaikea selittää, ellei se ole merkittävässä määrin vettä.

Toiseksi on hiiliplaneetta. Se on ollut tähän asti täysin hypoteettinen planeettatyyppi. Sen ydin on metallia, pintakerrokset hiiltä ja hiiliyhdisteitä. Ne syntyvät luultavasti happiköyhästä mutta hiilipitoisesta esiplanetaarisesta kiekosta. Niitä on melko vaikea tunnistaa.

Klikkaa kuvaa!
Samuli Kotirannan esitelmää kuunteli 56 henkeä. Kuva Seppo Linnaluoto.

Joulukuussa 2010 julkaistiin uutinen, että eksoplaneetta Wasp-12 b on luultavasti jonkinlainen hiiliplaneetta. Se on löydetty vuonna 2008. Sen massa on 1,4 Jupiterin massaa ja säde 1,8 Jupiterin sädettä. Se ei siis ole maankaltainen. Se on hyvin lähellä keskustähteään ja siksi erittäin kuuma.

Kolmanneksi on silikaattiplaneetta. Ne ovat maankaltaisten planeettojen perustapauksia. Niiden ydin on metallia, pintakerrokset silikaatteja eli kiveä. Ne syntyvät pii- ja happipitoisesta esiplanetaarisesta kiekosta.

Omassa aurinkokunnassamme ainakin Venus, Maa ja Mars ovat silikaattiplaneettoja. Merkurius saattaa muodostaa oman alatyyppinsä.

Pieni planeetta voi olla myös liian lähellä keskustähteään kiertäneen kaasuplaneetan ydin. Sellainen syntyisi, kun tähden kuumuus ja säteilypaine olisivat aikaa myöten aiheuttaneet koko kaasukehän karkaamisen avaruuteen. Tällaisesta hypoteettisesta kohteesta käytetään nimitystä ktooninen planeetta. Ehkä myös pulsareiden planeetat voisivat olla tällaisia. Kuitenkaan ei tunneta varmoja ehdokkaita. Ne ovat oletettavasti hyvin metallipitoisia, mutta muuten vaikeita tunnistaa.

Miten planeetan koostumuksen voi tunnistaa?

Planeetan rakennetta yritetään selvittää vertaamalla matemaattista mallia planeetan rakenteesta ylikulkuhavainnoista saatuun tietoon planeetan massasta ja sen läpimitasta.

Toistaiseksi useimmat maankaltaiset planeettakandidaatit ovat niin kutsuttuja supermaapalloja. Tämä johtuu tietenkin havaintokyvystämme. Yleisesti supermaapallo on 1-10 kertaa Maan maassainen planeetta. Tällainen kohde on liian pieni muodostumaan enimmäkseen kaasusta. Ovatko ne sitten luonteeltaan pieniä neptunuksia vai isoja maapalloja? Ne löytyvät verraten huonosti säteisnopeusmittauksilla, mutta melko mukavasti ylikulkuhavainnoilla ja mikrolinssi-ilmiöllä. Siksi niiden lukumäärä on alkanut lisääntyä nopeasti.

Olosuhteet supermaapalloilla

Suuren massansa vuoksi supermaapallot jäähtyvät muodostumisensa jälkeen hitaasti. Lisäksi kuorikerros jää ohueksi. Seurauksena niillä on luultavasti aktiivista laattatektoniikkaa sekä voimakas magneettikenttä.

Klikkaa kuvaa!
Kuva Seppo Linnaluoto.

Molempia piirteitä pidetään elämälle suotuisina, tektoniikkaa joskus jopa välttämättömänä. Jos kemialliset olosuhteet ja etäisyys keskustähdestä ovat sopivat, supermaapallot saattavat olla hyvinkin suotuisia elämän asuinsijoiksi! Toisaalta nyt tunnetut supermaapallot ovat yleensä vuorovesilukkiutuneita. Useimmat toistaiseksi löydetyt supermaat lienevät silikaattiplaneettoja.

Keskustähden läheisyys aiheuttaa suuren pintalämpötilan (esim. 2000 astetta). Eksoplaneetat Gl 1214 b ja Gl 581 d lienevät valtameriplaneettoja. Jos niissä on vuoroveden ja/tai radioaktiivisuuden aiheuttamaa geotermistä energiaa, niin niissä voi olla jään alla ehkä sulaa vettä? Lämpimällä valtameriplaneetalla on paksu kaasukehä, voimakas kasvihuoneilmiö ja luultavasti melkoisia myrskyjä.

Entä elinkelpoisuus?

Planeetan elinkelpoisuus edellyttää riittävää lämpötilaa ja sopivaa kemiaa. Hiiliplaneetat ovat erittäin pelkistäviä ympäristöjä. Ne tuskin tuskin tarjoavat edellytyksiä elämälle. Silikaatti- ja valtameriplaneetat ovat sopivampia, jos lämpötila sen sallii.

Keskeisenä ehtona pidetään nestemäistä vettä. Geoterminen energia voi mahdollistaa nestemäisen veden muuallakin kuin varsinaisella elokehällä. Ongelma on, että auringonkaltaisen tähden elämän vyöhykkeellä planeetan kiertoaika on pitkä (useita kuukausia tai vuosia). Havaitseminen vaatii tosi pitkää aikasarjaa.

Mahdollinen elinkelpoisuus ei kuitenkaan välttämättä tarkoita elämän läsnäoloa planeetalla. Sitä varten täytyy etsiä ns. biosignatuureja. Tällainen on esim. kemiallinen signaali, jonka vain elämä voi aiheuttaa. Tällaisia ovat esim. metaani, happi ja otsoni. Vesi ja hiilidioksidi saattavat olla vihjeitä.

Muutaman vuoden kuluttua lähetettävä James Webb -avaruusteleskooppi pystynee tekemään havaintoja supermaapallojen ilmakehistä, joskin havaintoaikaa on oltava silloinkin paljon. Etsityt biosignatuurit ovat "maakeskeisiä", koska vaihtoehtoja ei tunneta.

Kepler-avaruusteleskooppi laukaistiin 2009. Se etsii eksoplaneettoja ylikulkumenetelmällä. Se on 0,95/1,4 metrin Schmidt-teleskooppi. Kuva Nasa.

Avaruudessa eksoplaneettoja etsivän Kepler-avaruusteleskoopin on ilmoitettu löytäneen jo yli 1200 planeettakandidaattia, joista ensimmäiset julkaistiin tammikuussa 2010, lisää syyskuussa ja uusimmat helmikuussa 2011. Helmikuussa 2011 julkaistut kohteet ovat yllättävän mielenkiintoisia, sillä joukossa on Maan kokoluokan planeettoja, jotka kiertävät keskustähtensä elämänvyöhykkeellä.

Seppo Linnaluoto