Uusia tuulia eksoplaneettarintamalla

Tuomo Salmi

Kirjoitin viime keväänä luonnontieteiden kandidaatin tutkintoon kuuluvan tutkielman siitä, miten uusimpien havaintojen myötä käsityksemme eksoplaneetoista on muuttunut. Keskityin erityisesti Corot ja Kepler -satelliittien tuloksiin. Näistä jälkimmäinen satelliitti jatkaa edelleenkin toimintaansa, tosin vuosi sitten ilmenneiden teknisten ongelmien takia alkuperäistä rajoitetummin.

Varmastikin suurin muutos, minkä Corot ja Kepler ovat saaneet aikaan, on löydettyjen eksoplaneettojen lukumäärässä. Ennen tämän parivaljakon havaintoja aurinkokunnan ulkopuolisia planeettoja tunnettiin korkeintaan muutama sata. Tällä hetkellä niitä tunnetaan jo melkein pari tuhatta. Tosin vuonna 2007 toimintansa aloittanut ranskalainen Corot-satelliitti on löytänyt uusia varmistettuja eksoplaneettoja vain parisenkymmentä, mutta sen tärkein merkitys onkin ollut ensimmäisenä aivan uudentyyppisten kohteiden löytäminen. Osaa sen havainnoista toki vielä käsitellään.

Tietokoneongelmista johtuen Corot joutui lopettamaan havaintojen tekemisen vuonna 2013. Nasan maaliskuussa 2009 laukaisema Kepler satelliitti kuitenkin jatkaa edelleen menestyksekästä toimintaansa. Uusia eksoplaneettoja se on löytänyt yli tuhat kappaletta (alkuvuodesta 2014 julkaistiin yhdellä kertaa yli 700 planeettalöytöä). Tämän ansiosta koko tutkimusala on muuttunut yksittäisten planeettojen tarkastelusta planeettakuntien tilastolliseksi analyysiksi . Kepler on löytänyt myös ensimmäisenä aidosti maapallon kokoluokkaa olevia tai jopa pienempiäkin planeettoja.

Sekä Corot että Kepler ovat käyttäneet havainnoissaan ”ylikulkumenetelmää”, eli mitanneet tähden hieman himmentynyttä kirkkautta, kun eksoplaneetta kulkee meistä nähden tähden editse. Tällaisia havaintojahan on myös Härkämäellä tehty. Toisaalta fotometrisiä mittauksia on mahdollista tehdä jo niinkin tarkasti, että myös planeetan itsensä heijastama valo voidaan havaita (saadaan toisin sanoen planeetan vaihekäyrä). Tämän perusteella voidaankin tehdä päätelmiä esimerkiksi planeetan ilmakehästä, sen pilvisyydestä ja lämpötilasta.

Yleisesti ottaen ilmakehähavaintoihin tarvitaan kuitenkin havaintoja useilla eri aallonpituuksilla, jotta planeetan oma terminen säteily ja planeetasta heijastunut säteily voidaan erottaa toisistaan. Lisäksi vain spektrin avulla saadaan tietoa ilmakehän paksuudesta ja kemiallisesta koostumuksesta. Spektri saadaan havaitsemalla planeettaa eri aallonpituuksilla ylikulun ajan. Tähden kirkkaus himmentyy eniten niillä aallonpituuksilla, jotka absorboituvat planeetan ilmakehään.

Toisaalta on myös mahdollista havaita tähden ”sekundääri himmeneminen” silloin, kun planeetta on suoraan meistä katsoen tähden takana, eikä planeetta pääse heijastamalla lisäämään kohteen kirkkautta. Tällöinkin mitattu spektri antaa tietoa ilmakehän kemiasta.

Tähän mennessä ilmakehiä on pystytty havaitsemaan vähintäänkin jo yli 50 eksoplaneetalta, ja Corot ja Kepler -satelliitit ovat auttaneet tässä äärimmäisen tarkoilla havainnoillaan. Kemiallisen koostumuksen lisäksi uutta tietoa saatu esimerkiksi planeetan eri puoliskojen lämpötilaa tasaavasta vaikutuksesta. Huomion arvoista on se, että suurin osa havaituista ilmakehistä kuuluu ”kuumille Jupitereille” eli hyvin isoille ja lähellä tähteään kiertäville planeetoille. Varmuutta ei ole muun muassa vielä siitä, että muistuttaako hieman maapalloa suurempien ”supermaapallojen” ilmakehät enemmän ”mini-Neptunuksien” vai maankaltaisten planeettojen ilmakehiä.

Lähes kaikki ensimmäisistä eksoplaneettalöydöistä olivat kuumia Jupitereita, sillä niiden löytäminen on ollut kaikista helpointa. Keplerin ansiosta planeettakunnista alkaa kuitenkin hiljalleen paljastua todenmukaisempi kuva. Uusimmissa havainnoissa suurin osa löydetyistä planeetoista on paljon Jupiteria pienempiä ja suurin prosentuaalinen kasvuvauhti on pienimpien Maan kokoluokkaa olevien kiviplaneettojen lukumäärässä. Todellisuudessa pieniä planeettoja lieneekin paljon enemmän kuin suuria. Edelleen tosin suurin osa havaituista planeetoista kiertää hyvin lähellä tähteään. Tarvitaan kuitenkin vain lisää havaintoaikaa ja ylikulkuja, jotta pidemmillä kiertoradoilla olevat planeettahavainnot saadaan varmistettua.

Yksi Keplerin päätehtävistä oli löytää maankaltaisia planeettoja auringonkaltaisten tähtien elämänvyöhykkeiltä, eli etäisyysväliltä, jolla planeetan vesi voisi pysyä nestemäisenä. Useita tällaisia planeettoja se on myös onnistunut havaitsemaan. Eräässä tutkimuksessa tilastollisella analyysillä (ja ottamalla huomioon Keplerin pienten ja kaukaisten planeettojen epätäydellinen havaintokyky) saatiin tulokseksi, että noin 22%:lla auringonkaltaisista tähdistä olisi maankaltainen planeetta kiertolaisenaan tähden elämänvyöhykkeellä. Tämän perusteella lähin tällainen planeetta voisi olla siis keskimäärin vain 12 valovuoden päässä.

Kandidaatintutkielman kirjoittaminen tästä aiheesta oli varsin mielenkiintoista. Lähinnä kirjallisuuslähteisiin ja tutkimusartikkeleihin nojaavan kirjoituksen suurimpana haasteena oli koota ajan tasalla oleva kokonaiskuva koko aiheesta. Nopeasti muuttuvan tutkimusalan vuoksi uutta tietoa on valtavasti, mutta ajankohtaisia yhteenvetoja ole kovin paljon. Seuraavaksi Turun yliopistossa edessäni on pro gradu -tutkielman tekeminen, mutta aiheena ei välttämättä ole silloin enää eksoplaneetat.

Eksoplaneetta KOI127b valokäyrämittaus Härkämäen observatoriolla 22.-23.8.2014. Kuva © Warkauden Kassiopeia.