Eksoplaneet: maailm, mille mass on kaks korda suurem kui Maal, kuid suurus nagu Saturnil

Kepler-51b mass on ligikaudu kaks korda suurem kui Maal, ent see paisub peaaegu Saturni suuruseks – planeediks, mis kaalub sada korda rohkem kui Maa. Just selline mittevastavus massi ja suuruse vahel ongi põhjus, miks eksoplaneedid, maailmad, mis tiirlevad muude tähtede kui Päikese ümber, jätkuvalt üllatavad neid uurivaid astronoome.

Vaid kolm aastakümmet tagasi polnud keegi kinnitanud ühtegi planeeti väljaspool meie päikesesüsteemi. Tänaseks on kataloogitud tuhandeid ning see arv kasvab jätkuvalt, kuna kosmoseteleskoobid ja maapealsed vaatlused otsingut üha täpsustavad. See ülevaade koondab avastused, peaaegu-avastused ja füüsika, mis teevad eksoplaneetidest ühe astronoomia elavamaid valdkondi.

Esimesed kinnitatud eksoplaneedid ei olnud need mugavad, Maa-sarnased maailmad, mida ulme oli lubanud. Need olid kaks Maa-massiga planeeti, mis leiti tiirlemas millisekundpulsari ehk kokkuvarisenud ja kiiresti pöörleva surnud tähe jäänuki ümber; avastus kuulutati välja 1992. aastal Aleksander Wolszczani ja Dale Fraili poolt. Pulsarid kiirgavad raadioimpulsse nii kellavärgitäpselt, et pisikesed ajastuse kõikumised reetsid nähtamatute kaaslaste gravitatsiooni.

Kolm aastat hiljem tuli avastus, mis tundus juba tuttavlikum. 1995. aastal leidsid astronoomid esimese kinnitatud eksoplaneedi, mis tiirleb Päikese-sarnase peajada tähe, 51 Pegasi ümber tihedal neljapäevasel orbiidil. Teadlased tuvastasid selle spektroskoobiga, mis oli piisavalt täpne, et püüda tähe valguses kiiruse muutusi umbes 70 meetrit sekundis – seda tekitab tiirleva planeedi nõrk gravitatsiooniline tõmme, mis kisub tähte edasi-tagasi. Just see instrumentaalne täpsus, mis suudab tuvastada aeglasemat võnkumist kui hoogne sörkjooks, muutis eksoplaneetide otsimise spekulatsioonist korratavaks teaduseks.

Mitte iga eksoplaneet ei mahu korrastatud kategooriatesse, mille astronoomid on loonud meie enda kaheksa planeedi põhjal. Kepler-51b mass on vaid umbes kaks korda suurem kui Maal, kuid selle maht paisub peaaegu Saturni suuruseks – planeediks, mis on sada korda raskem. Nii paisunud planeet peab oma massi kohta olema erakordselt madala tihedusega, mis viitab atmosfäärile, mis on nii laiaulatuslik ja kerge, et see hoiab end vaevu koos.

Massi ja suuruse mittevastavus toimib mõlemas suunas. NASA Exoplanet Archive'i kannetest ei kaalu ükski üle HR 2562 b, mille mass ulatub umbes 30 Jupiteri massini – Jupiter on juba niigi meie oma päikesesüsteemi raskeim planeet. Teises äärmuses leidis laiem tuhandete eksoplaneetide uuring mustri hoopis nende liikumises, mitte suuruses: suured planeedid kalduvad asuma ellipsikujulistele orbiitidele, samas kui väiksemad planeedid eelistavad ringilähedasemaid teekondi. Keegi ei kavanda päikesesüsteemi sel moel; see on lihtsalt see, mida gravitatsioon ja allesjäänud prügi miljardite aastate jooksul tekitavad.

Mõned eksoplaneedid mitte ainult ei tiirle oma tähe ümber, vaid lagunevad aeglaselt selle silme all. Üks selline hukule määratud maailm, mille avastas Kepler, teeb ühe tiiru oma peremeestähe ümber vaid 16 tunniga ja veab endaga kaasas komeedisarnast tolmusaba, mis on aurustunud tema enda pinnalt. Astronoomid avastasid selle ainult tänu sellele, et see tolmupilv nõrgendab mööda liikudes perioodiliselt tähevalgust – signatuur, mis erineb terve planeedi puhtast ja korduvast heleduse langusest.

Sellises seisundis planeedi tabamine nõudis tohutu hulga tähtede korraga jälgimist, milleks Kepler täpselt ehitatigi: teleskoop jälgis samaaegselt üle 145 000 tähe, otsides lühikest ja väikest heleduse langust, mis viitab eksoplaneedi transiidile. Enamik sel moel avastatud planeete käitub tavapäraselt. See planeet paistis silma just seetõttu, et ei käitunud.

Kepleri avastuste seas teenis Kepler-452b oma hüüdnime igati ära. Planeet on umbes 60 protsenti suurem kui Maa ja tiirleb G2-tüüpi tähe ümber, mis kuulub samasse laia klassi kui Päike – ainult et see täht on juba kogunud 6 miljardit aastat, tervelt 1,5 miljardit rohkem kui meie enda täht on siiani näinud. Kepleri andmeanalüüsi juht Jon Jenkins nimetas seda "Maa vanemaks ja suuremaks nõbuks", mis võimaldab teadlastel "mõista ja mõtiskleda Maa muutuva keskkonna üle".

Kepler-452b orbiiti teeb tähelepanuväärseks see, kui tavaline see näib, hoolimata planeedi suuremast mõõtmest: üks täisring võtab aega 385 päeva, vaid 5 protsenti rohkem, kui Maal kulub ühe tiiru tegemiseks ümber Päikese. Nii palju suuremat planeeti võiks oodata palju kaugemal oma tähest, ent arvud jäävad üllatavalt lähedale sellele, mis on meile tuttav – see meenutab, et suurus ja orbiidi kaugus ei kasva automaatselt käsikäes.

Planeedi sisemust on raskem mõista kui teda üldse avastada, sest ükski teleskoop ei suuda näha läbi planeedi pilvede. Laborikatsed täidavad selle lünga, taasluues muljetavaldavaid rõhke, mis valitsevad sügaval gaasihiiglaste sisemuses. Vesiniku, deuteeriumi kujul, kokkusurumine umbes 150 gigapaskali rõhuni muudab selle läbipaistvast olekust läbipaistmatuks – see on lävi, mis on oluline modelleerimaks, mis toimub massiivsete gaasihiiglastest eksoplaneetide ja nende päikesesüsteemi nõbude sisemuses. Sellised tulemused võimaldavad astronoomidel tõlkida planeedi mõõdetud massi ja raadiuse põhjendatud oletuseks selle sisemise struktuuri kohta, kuna kahel sarnaste väliste näitajatega planeedil võivad olla väga erinevad sisemused.

Selgus, et Päikesele lähim täht peidab enda ümber tiirlevat planeeti. Proxima Centauri b, mis avastati tiirlemas selle naabertähe ümber, teeb ühe tiiru iga 11,2 Maa päeva järel, vaid umbes 0,04848 AÜ kaugusel – see on lähemal kui Merkuuri tiir Päikese ümber. Just see lähedus oma tähele hoiab planeeti piisavalt soojana, et olla huvipakkuv, hoolimata sellest, et see tiirleb Päikesest palju hämarama tähe ümber.

Pisut kaugemal lähedaste planeedisüsteemide otsingus pakkus TRAPPIST-1 hoopis teistsuguse leiu. Selle planeedisüsteemi avastas 2016. aastal Belgia astronoomi Michael Gilloni juhitud meeskond, kasutades La Silla observatooriumi vaatlusi Tšiilis, paljastades kompaktse planeetide pere, mis koondub väikese ja jaheda tähe ümber. Terve süsteemi leidmine ühe kampaaniaga, mitte planeet-planeedi haaval, muutis viisi, kuidas astronoomid tulevasi vaatluskampaaniaid kavandavad.

Kõik seni käsitletud eksoplaneedid kuuluvad meie oma galaktikasse. See piir püsis, kuni teadlased ühendasid NASA Chandra röntgenobservatooriumi mikrolääts-tehnikaga, jälgides kauget kvasargalaktikat, otsides nähtamatute planeetide sõrmejälgi, mis kõverdavad selle valgust. Analüüs leidis tõendeid umbes 2 000 galaktikavälise planeedi kohta iga tähe kohta väljaspool Linnuteed. See oli esimene andmestik, mis viitas, et meie oma galaktika on vaid üks saar hulgas eksoplaneetides, mille arv ületab triljoni, kui vaadata sellest kaugemale – nii suur number, et see muudab üksikud planeedid pigem statistiliseks taustamüraks kui üksikobjektideks, mida ükshaaval kataloogida.

Instrumendid, mis on ehitatud tabama üksikut võnkuvat tähte või üksikut heleduse langust, ei olnud kunagi loodud mõeldes triljonile planeedile. See, et samad avastamispõhimõtted – pisikesed gravitatsioonilised ja optilised moonutused – laienevad üksikust tähesüsteemist terve galaktika planeetideni, ütleb sama palju meetodite leidlikkuse kui planeetide tegeliku sageduse kohta.

Kepleri enda riistvara näitab, kui suurt täpsust see jaht nõuab. Selle peapeegli läbimõõt oli 1,4 meetrit ning Kepleri starditamise ajal polnud ühelgi teisel Maa atmosfäärist väljaspool lendaval teleskoobil suuremat peeglit – see rekord läks Herscheli kosmoseobservatooriumile üle vaid mõne kuu pärast. Nii suure instrumendi ehitamine ja selle suunamine aastateks samale taevalapile oli hind, mida tuli maksta, et tabada nõrku ja korduvaid transiite, mis paljastavad Maa-suuruse planeedi.

Iga eksoplaneetide teaduse põlvkond on toetunud eelmisele: pulsarite ajastuse mõõtmine andis teed tähtede võnkumisele, tähtede võnkumine andis teed transiitfotomeetriale, mis jälgib korraga sadu tuhandeid tähti, ning transiitfotomeetria ulatub nüüd kuni meie omast kaugemate galaktikateni. Järgmine üllatus – olgu selleks Kepler-51b-st veidram planeet või tõendid, mis muudavad arusaama sellest, kui tavalised planeedid tegelikult on – peitub tõenäoliselt juba andmetes, oodates analüüsimist.

• ScienceDaily: rõhu all peegeldab vesinik hiidplaneetide sisemust
• NASA: Kepleri missioon avastab Maa suurema ja vanema nõbu
• Phys.org: auruv eksoplaneet keerutab tolmu üles
• National Geographic: uus avastus viitab, et eksoplaneedid võivad eksisteerida väljaspool Linnuteed
• Vikipeedia: eksoplaneet
• Vikipeedia: 51 Pegasi b
• Vikipeedia: kosmoseteleskoop Kepler
• Vikipeedia: Proxima Centauri b
• Vikipeedia: TRAPPIST-1