Eksoplaneetta: maailma, jonka massa on kaksinkertainen Maahan verrattuna mutta koko Saturnuksen luokkaa

Kepler-51b painaa suunnilleen kaksi kertaa Maan verran, mutta paisuu silti lähes Saturnuksen kokoiseksi – planeetan, joka on massaltaan satakertainen Maahan verrattuna. Juuri tällainen ristiriita massan ja koon välillä selittää, miksi eksoplaneetat, muita tähtiä kuin Aurinkoa kiertävät maailmat, jatkuvasti yllättävät niitä tutkivat tähtitieteilijät.

Vain vajaat kolme vuosikymmentä sitten kukaan ei ollut vahvistanut yhtäkään planeettaa oman aurinkokuntamme ulkopuolella. Nykyään niitä on luetteloitu tuhansia, ja määrä kasvaa jatkuvasti, kun avaruusteleskoopit ja maanpäälliset kartoitukset tarkentavat etsintää. Tämä opas kokoaa yhteen löydöt, läheltä piti -tapaukset ja fysiikan, jotka tekevät eksoplaneetoista yhden tähtitieteen vilkkaimmista tutkimusaloista.

Ensimmäiset vahvistetut eksoplaneetat eivät olleet niitä tuttuja, maapallon kaltaisia maailmoja, joita kaunokirjallisuus oli luvannut. Ne olivat kaksi maankaltaisen massaista planeettaa, jotka löydettiin kiertämästä millisekuntipulsaria – romahtaneen, huimaa vauhtia pyörivän kuolleen tähden jäännöstä – ja jotka Aleksander Wolszczan ja Dale Frail julkistivat vuonna 1992. Pulsarit lähettävät radiopulsseja niin kellotarkasti, että pienet ajoituksen häiriöt paljastivat näkymättömien kumppanien painovoiman.

Kolme vuotta myöhemmin tehtiin löytö, joka tuntui tutummalta. Tähtitieteilijät löysivät vuonna 1995 ensimmäisen vahvistetun eksoplaneetan aurinkoa muistuttavan pääsarjan tähden kiertoradalta – tiiviiltä, neljän päivän kiertoradalta 51 Pegasin ympäriltä. Tutkijat havaitsivat sen spektroskoopilla, joka oli tarpeeksi tarkka havaitakseen tähden valossa noin 70 metrin sekuntinopeuden muutokset – kiertävän planeetan heikon painovoimavedon, joka nykii tähteä edestakaisin. Juuri tämä laitteiston tarkkuus, joka pystyi havaitsemaan reipasta lenkkeilyvauhtia hitaamman heilahtelun, muutti eksoplaneettojen metsästyksen spekuloinnista toistettavaksi tieteeksi.

Kaikki eksoplaneetat eivät sovi niihin siisteihin luokkiin, jotka tähtitieteilijät ovat rakentaneet omien kahdeksan planeettamme pohjalta. Kepler-51b:n massa on vain noin kaksinkertainen Maahan verrattuna, mutta sen koko paisuu lähes Saturnuksen kokoiseksi – planeetan, joka on satakertaa raskaampi. Massaansa nähden noin pöhöttyneen planeetan täytyy olla tiheydeltään poikkeuksellisen matala, mikä viittaa niin laajaan ja kevyeen ilmakehään, että se tuskin pysyy koossa.

Massan ja koon väliset ristiriidat esiintyvät molempiin suuntiin. NASAn eksoplaneetta-arkiston merkinnöistä yksikään ei ylitä massaltaan HR 2562 b:tä, joka painaa noin 30 kertaa Jupiterin verran – ja Jupiter on jo itsessään oman aurinkokuntamme raskain planeetta. Toisessa ääripäässä laajempi tutkimus tuhansista eksoplaneetoista löysi kaavan niiden liikkeessä koon sijaan: suuret planeetat asettuvat yleensä elliptisille kiertoradoille, kun taas pienemmät suosivat lähempänä ympyrää olevia ratoja. Kukaan ei suunnittele aurinkokuntaa tällä tavoin – se on yksinkertaisesti sitä, mitä painovoima ja jäljelle jäänyt aines tuottavat miljardien vuosien kuluessa.

Jotkin eksoplaneetat eivät vain kierrä tähteään, vaan hajoavat hitaasti sen edessä. Yksi tällainen tuhoon tuomittu maailma, jonka Kepler havaitsi, kiertää emotähtensä ympäri vain 16 tunnissa ja jättää jälkeensä komeetan tapaisen pölypyrstön, joka on höyrystynyt sen omalta pinnalta. Tähtitieteilijät havaitsivat sen vain siksi, että tämä pölypilvi himmentää säännöllisesti tähden valoa ohittaessaan sen – jälki, joka poikkeaa ehjän planeetan puhtaista, toistuvista himmenemisistä.

Tällaisessa tilassa olevan planeetan kiinnisaaminen vaati valtavan määrän tähtiä seuraamista samanaikaisesti, mihin Kepler juuri rakennettiin: teleskooppi tarkkaili samanaikaisesti yli 145 000 tähteä etsien lyhyttä, matalaa himmenemistä, joka paljastaa ohikulkevan eksoplaneetan. Useimmat tällä tavoin löydetyt planeetat käyttäytyvät normaalisti. Tämä erottui joukosta juuri siksi, ettei se käyttäytynyt.

Keplerin löydöistä Kepler-452b sai lempinimensä syystä. Planeetta on noin 60 prosenttia Maata suurempi ja kiertää G2-tyypin tähteä – samaa laajaa luokkaa kuin Aurinko – paitsi että tämä tähti on ehtinyt 6 miljardin vuoden ikään, peräti 1,5 miljardia vuotta enemmän kuin oma tähtemme. Keplerin data-analyysia johtanut Jon Jenkins kutsui sitä "Maan vanhemmaksi, suuremmaksi serkuksi", jonka avulla tutkijat voivat "ymmärtää ja pohtia Maan muuttuvaa ympäristöä".

Kepler-452b:n kiertorata on merkittävä siinä, kuinka tavalliselta se näyttää planeetan suuremmasta koosta huolimatta: täysi kierros kestää 385 päivää, vain 5 prosenttia enemmän kuin Maa tarvitsee yhteen kiertoon Auringon ympäri. Näin paljon suuremman planeetan voisi olettaa sijaitsevan paljon kauempana tähdestään, mutta luvut osuvat yllättävän lähelle tuttua – muistutus siitä, että koko ja kiertoradan etäisyys eivät automaattisesti skaalaudu yhdessä.

Planeetan sisuksen ymmärtäminen on vaikeampaa kuin sen havaitseminen ylipäätään, koska mikään teleskooppi ei näe planeetan pilvien läpi. Laboratoriokokeet täyttävät tämän aukon jäljittelemällä kaasujättiläisten syvyyksissä vallitsevia murskaavia paineita. Kun vetyä, deuteriumin muodossa, puristetaan noin 150 gigapascalin paineeseen, se muuttuu läpinäkyvästä läpinäkymättömäksi – kynnysarvo, joka on merkityksellinen mallinnettaessa, mitä tapahtuu massiivisten kaasujätti-eksoplaneettojen ja niiden aurinkokunnan serkkujen sisällä. Tällaiset tulokset antavat tähtitieteilijöille mahdollisuuden kääntää planeetan mitatun massan ja säteen perustelluksi arvioksi sen sisäisestä rakenteesta, sillä kahdella planeetalla, joilla on identtiset ulkoiset ominaisuudet, voi olla hyvin erilaiset sisukset.

Auringon lähin tähti osoittautui isännäksi omalle planeetalleen. Proxima Centauri b, joka löydettiin kiertämästä tätä naapuritähteä, kiertää sen ympäri 11,2 maapäivän välein noin 0,04848 AU:n etäisyydeltä – tiiviimmällä radalla kuin Merkurius Auringon ympärillä. Juuri tämä läheisyys tähteensä pitää planeetan riittävän lämpimänä ollakseen kiinnostava, vaikka se kiertääkin Aurinkoa paljon himmeämpää tähteä.

Hieman kauempana lähialueen planeettajärjestelmien etsinnässä TRAPPIST-1 tarjosi erilaisen löydön. Sen planeettajärjestelmä löydettiin vuonna 2016 belgialaisen tähtitieteilijän Michael Gillonin johtaman ryhmän toimesta La Sillan observatorion havaintojen avulla Chilessä, mikä paljasti tiiviin planeettaperheen pienen, viileän tähden ympärillä. Kokonaisen järjestelmän löytäminen yhdellä havaintokampanjalla yhden planeetan sijaan muutti tapaa, jolla tähtitieteilijät suunnittelevat tulevia kartoituksia.

Kaikki tähän mennessä käsitellyt eksoplaneetat kuuluvat omaan galaksiimme. Tämä raja piti, kunnes tutkijat yhdistivät NASAn Chandra-röntgenobservatorion mikrolinssitekniikkaan ja tarkkailivat kaukaista kvasarigalaksia etsien sen valoa taivuttavien näkymättömien planeettojen jälkiä. Analyysi löysi todisteita noin 2 000 galaksien ulkopuolisesta planeetasta jokaista Linnunradan ulkopuolista tähteä kohden. Se oli ensimmäinen aineisto, joka viittasi siihen, että oma galaksimme on vain yksi saari eksoplaneettojen joukossa, joiden määrä ylittää biljoonan, kun katsotaan sen ulkopuolelle – luku niin suuri, että se muuttaa yksittäiset planeetat tilastolliseksi taustahurinaksi sen sijaan, että ne olisivat erillisiä, yksi kerrallaan luetteloitavia kohteita.

Instrumentteja, jotka on rakennettu havaitsemaan yksittäisen värähtelevän tähden tai yksittäisen himmenevän valokäyrän, ei koskaan suunniteltu biljoona planeettaa silmällä pitäen. Se, että samat havaitsemisperiaatteet – pienet painovoima- ja optiset vääristymät – skaalautuvat yksittäisestä tähtijärjestelmästä kokonaisen galaksin verran planeettoja kattavaksi, kertoo yhtä paljon menetelmien kekseliäisyydestä kuin siitä, kuinka yleisiä planeetat todellisuudessa ovat.

Keplerin oma laitteisto havainnollistaa, kuinka paljon tarkkuutta tämä metsästys vaatii. Sen pääpeili oli halkaisijaltaan 1,4 metriä, eikä yhdelläkään muulla Maan ilmakehän ulkopuolella lentävällä teleskoopilla ollut Keplerin laukaisuhetkellä sitä suurempaa peiliä – ennätys, jonka Herschel-avaruusobservatorio otti haltuunsa vain muutamaa kuukautta myöhemmin. Näin suuren instrumentin rakentaminen ja sen suuntaaminen samaan taivaankohtaan vuosien ajan oli hinta siitä, että pystyttiin havaitsemaan heikot, toistuvat ohikulut, jotka paljastavat Maan kokoisen planeetan.

Jokainen eksoplaneettatieteen sukupolvi on rakentunut edellisen varaan: pulsariajoitus väistyi tähtien heilunnan tieltä, tähtien heilunta väistyi ohikulkufotometrian tieltä, joka tarkkailee satoja tuhansia tähtiä samanaikaisesti, ja ohikulkufotometria ulottuu nykyään aina oman galaksimme ulkopuolisiin galakseihin asti. Seuraava yllätys – olipa se Kepler-51b:tä oudompi planeetta tai todiste, joka muokkaa käsitystämme siitä, kuinka yleisiä planeetat todella ovat – lepää todennäköisesti jo aineistossa odottamassa analysointia.

• ScienceDaily: Paineen alla vety heijastaa jättiläisplaneettojen sisusta
• NASA: Kepler-tehtävä löytää Maan suuremman, vanhemman serkun
• Phys.org: Haihtuva eksoplaneetta nostattaa pölyä
• National Geographic: Uusi löytö viittaa siihen, että eksoplaneettoja voi olla Linnunradan ulkopuolella
• Wikipedia: Eksoplaneetta
• Wikipedia: 51 Pegasi b
• Wikipedia: Kepler-avaruusteleskooppi
• Wikipedia: Proxima Centauri b
• Wikipedia: TRAPPIST-1