Tutkijat ovat löytäneet Barnadin tähden kiertoradalta eksoplaneetan

Tähtitieteilijät ovat löytäneet Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopin (ESO:n VLT) avulla eksoplaneetan, joka kiertää Barnardin tähteä ^[3]. Nyt löydetyn eksoplaneetan massa on vähintään puolet Venuksen massasta, ja vuosi kestää vain hieman yli kolme Maan vuorokautta. Tutkimusryhmän havainnot antavat myös vihjeitä kolmen muun eksoplaneetan olemassaololle, jotka kiertävät tähteä omilla radoillaan.

Tässä taiteilijan tekemässä kuvassa näkyy Barnard b, eli Barnardin tähteä kiertävä Maata pienempimassainen planeetta, joka on juuri löydetty. Siihen liittyvä havainto tehtiin ESO:n VLT-teleskoopin ESPRESSO-instrumentilla, ja tähtitieteilijät pystyivät vahvistamaan sen olemassaolon muiden instrumenttien tiedoilla. Aiempaa vuonna 2018 tehtyä lupaavaa havaintoa saman tähden kiertoradalla olevasta planeetasta ei voitu vahvistaa. Tämän juuri löydetyn eksoplaneetan massa on vähintään puolet Venuksen massasta, mutta se on liian kuuma nestemäisen veden ylläpitämiseen. Planeetan vuosi kestää vain hieman yli kolme Maan vuorokautta.

Kuva ESO/M. Kornmesser.

Barnardin tähti sijaitsee vain kuuden valovuoden etäisyydellä meistä, ja se on toiseksi lähin tähtijärjestelmä Alfa Kentaurin kolmoistähtijärjestelmän jälkeen. Se on meitä lähin yksittäinen tähti. Läheisyytensä vuoksi se on ensisijainen kohde Maan kaltaisten eksoplaneettojen etsinnässä. Vuonna 2018 tehdystä lupaavasta havainnosta huolimatta Barnardin tähteä kiertävää planeettaa ei tähän mennessä oltu vahvistettu.

Tänään Astronomy & Astrophysics -lehdessä julkaistussa artikkelissa kerrotun uuden eksoplaneetan löytyminen on viimeisten viiden vuoden aikana Paranalin observatoriossa Chilessä sijaitsevalla ESO:n VLT-observatoriolla tehtyjen havaintojen tulos. ”Vaikka tämä kesti kauan, olimme koko ajan varmoja, että voisimme löytää jotain”, sanoi Jonay González Hernández, espanjalaisen Instituto de Astrofísica de Canarias -instituutin tutkija ja artikkelin pääkirjoittaja. Tutkimusryhmä etsi signaaleja mahdollisista eksoplaneetoista, jotka sijaitsevat Barnardin tähden elinkelpoisella tai lauhkealla vyöhykkeellä, joka on alue, jossa planeetan pinnalla voi olla nestemäistä vettä. Tähtitieteilijät tutkivat usein Barnardin tähden kaltaisia punaisia kääpiötähtiä, koska niissä pienimassaisten kiviplaneettojen löytäminen on helpompaa kuin isompien Auringon kaltaisten tähtien ympäriltä ^[1].

Barnard b ^[2] kiertoradan keskietäisyys on alle 3 miljoona km etäisyydellä tähdestään. Etäisyys vastaa vain 1/20 Merkuriuksen etäisyydestä Aurinkoon. Planeetta kiertää tähden ympäri 3,15 Maan vuorokaudessa, ja sen pintalämpötila on noin 125 °C. ”Barnard b on yksi pienimassaisimmista tunnetuista eksoplaneetoista, ja se on yksi harvoista tunnetuista, joiden massa on Maan massaa pienempi. Planeetta on kuitenkin liian lähellä tähteä, ja sijaitsee elinkelpoista vyöhykettä lähempänä”, González Hernández kertoi. ”Vaikka Barnadin tähti on noin 2 500 astetta Aurinkoamme viileämpi, planeetalla on liian kuumaa, jotta pinnalla voisi olla nestemäistä vettä”.

Tässä tähtikartassa on Käärmeenkantajan tähdistö, joka sijaitsee taivaan päiväntasaajan toisella puolella. Kartassa Barnardin tähden sijainti on merkitty, ja siinä näkyy suurin osa tähdistä, jotka näkyvät paljain silmin kirkkaana pimeänä yönä. 

Kuva ESO, IAU and Sky & Telescope.

Ryhmä käytti havainnoissa ESPRESSOa, erittäin tarkkaa laitetta, joka on suunniteltu havaitsemaan yhden tai useamman planeetan painovoiman aiheuttamat häiriöt, jotka näkyvät tähden heilahteluna. Havaintojen tulokset vahvistettiin myös muilla eksoplaneettojen etsimiseen erikoistuneilla instrumenteilla: ESO:n La Sillan observatoriossa sijaitsevalla HARPS:illa , HARPS-N:llä ja CARMENES:illa. Uudet tiedot eivät kuitenkaan anna todisteita vuonna 2018 raportoidun eksoplaneetan olemassaololle.

Nyt varmennetun planeetan lisäksi kansainvälinen ryhmä löysi vihjeitä myös kolmesta muusta eksoplaneettakandidaatista, jotka kiertävät Barnadin tähteä. Näiden ehdokkaiden vahvistaminen edellyttää kuitenkin lisähavaintoja ESPRESSO:lla. ”Meidän on nyt jatkettava tähden havaitsemista vahvistaaksemme muiden ehdokkaiden signaalit”, sanoi Alejandro Suárez Mascareño, tutkija, joka työskentelee myös Instituto de Astrofísica de Canarias -laitoksessa ja on yksi tutkimuksen kirjoittajista. ”Mutta tämän planeetan löytyminen yhdessä muiden aiempien löytöjen, kuten Proxima b:n ja d:n, kanssa osoittaa, että kosminen takapihamme on täynnä pienimassaisia planeettoja”.

ESO:n rakenteilla oleva ELT (Extremely Large Telescope) tulee muuttamaan eksoplaneettojen tutkimusta. ELT:n ANDES-instrumentin avulla tutkijat pystyvät havaitsemaan enemmän näitä lähitähtien lauhkealla vyöhykkeellä sijaitsevia pieniä kiviplaneettoja, jotka ovat nykyisten teleskooppien havaintojen ulottumattomissa. ELT:n avulla pystytään tutkimaan myös niiden ilmakehän koostumusta.

Tämä tutkimus on esitelty artikkelissa nimeltään “A sub-Earth-mass planet orbiting Barnard’s star”, joka julkaistaan Astronomy & Astrophysics -lehdessä (https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202451311).

 

Huomautukset

[1] Tähtitieteilijät havaitsevat viileitä tähtiä, kuten punaisia kääpiöitä, koska niissä lauhkean lämpötilan alue on paljon lähempänä tähteä kuin kuumemmilla tähdillä, kuten Auringolla. Siten niiden tapauksessa lauhkealla vyöhykkeellä kiertävien planeettojen kiertoaika tähden ympäri on lyhyempi, jolloin tähtitieteilijät voivat seurata niitä useiden päivien tai viikkojen ajan vuosien sijaan. Lisäksi punaiset kääpiöt ovat paljon vähemmän massiivisia kuin Aurinko, joten niitä ympäröivien planeettojen gravitaatio häiritsee niitä enemmän, ja ne heilahtelevat siten enemmän.

[2] Tähtitieteessä eksoplaneetat nimetään yleensä niiden päätähden nimellä, johon on lisätty pieni kirjain, jolloin ”b” tarkoittaa ensimmäistä tunnettua planeettaa, ”c” seuraavaa ja niin edelleen. Barnard b -nimi annettiin siis myös Barnardin tähden aiemmin epäillylle planeettaehdokkaalle, jonka olemassaoloa tutkijat eivät pystyneet varmistamaan.

[3] Barnadin tähti sijaitsee Käärmeenkantajassa, noin 6 valovuoden etäisyydellä. Se on pieni punainen kääpiötähti, jonka visuaalinen kirkkaus on vain m_v= 9,53. Huomion tähteen kiinnitti Edward Emerson Barnad vuona 1916 sen suuren ominaisliikkeen (10,4” vuodessa) vuoksi. Suuri ominaisliike johtuu siitä, että tähti lähestyy Aurinkokuntaamme 139 km/s nopeudella. Lähimmillään se on vuoden  11 800 aikoihin, jolloin sen etäisyys on vain 3,8 valovuotta.

Barnadin tähden pintalämpötila on noin 3 170 K, luminositeetti 0,0035 L_☉ ja halkaisija vain noin 20 % Auringon halkaisijasta (noin 280 000 km). Vaikka tähti pyörähtää itsensä ympäri hitaasti, yksi kierros kestää noin 130 vuorokautta, niin tähdellä on magneettikenttä. Sillä esiintyy pilkkuja ja flarepurkauksia, joiden aiheuttamien kirkkauden muutosten vuoksi tähti on luokiteltu muuttujaksi ja se tunnetaan merkinnällä V2500 Ophiuchi. Erittäin voimakas flarepurkaus havaittiin vuonna 1998, jolloin purkauksen lämpötilaksi määriteltiin noin 8 000 K. Suhteellisen voimakkaiden flarepurkausten esiintyminen punaisissa kääpiötähdissä on hyvin yleistä. Flarepurkauksista johtuen punaisten tähtien elokehällä olevien planeettojen elämän esiintymisen mahdollisuuksia pidetään pieninä tai jopa mahdottomana.

Neptunuksen lämpötilassa yllättäviä muutoksia

eso2206fi — Tutkimustiedote  — 11. huhtikuuta 2022

Kansainvälinen tähtitieteilijöiden ryhmä on seurannut Neptunuksen ilmakehän lämpötiloja 17 vuoden aikana. Havainnoissa on käytetty useita maanpäällisiä teleskooppeja, Euroopan eteläisen observatorion Very Large Telescope (ESO:n VLT) mukaan lukien. He ovat havainneet Neptunuksen yleisessä lämpötilassa yllättävän pudotuksen, jota seurasi etelänavan dramaattinen lämpeneminen.

Tämä yhdistelmäkuva esittää Neptunuksesta vuosina 2006-2020 otettuja lämpökuvia. Kolme ensimmäistä kuvaa (2006, 2009, 2018) on otettu VISIR-instrumentilla ESO:n VLT-teleskoopilla, kun taas vuoden 2020 kuva otettiin COICS-instrumentilla Subaru-teleskoopilla (VISIR ei ollut toiminnassa vuoden 2020 puolivälissä pandemian vuoksi). Planeetan asteittaisen viilenemisen jälkeen etelänapa näyttää lämpenevän dramaattisesti viime vuosina, kuten Neptunuksen alaosassa oleva valopiste osoittaa vuosien 2018 ja 2020 kuvissa. © ESO/M. Roman, NAOJ/Subaru/COMICS.

”Tämä oli odottamaton muutos”, Michael Roman sanoi. Hän on tutkijatohtori Leicesterin yliopistosta, Yhdistyneestä Kuningaskunnasta, ja tänään The Planetary Science Journal -lehdessä julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja. ”Koska havaitsimme Neptunusta sen varhaisen eteläisen alkukesän aikana, odotimme lämpötilojen hitaasti kasvavan, eikä pienentyvän”.

Kuten Maassa, myös Neptunuksessa koetaan vuodenajat planeetan kiertäessä Auringon ympäri. Neptunuksen vuodenaika kestää kuitenkin noin 40 vuotta, ja yksi Neptunuksen vuosi on noin 165 Maan vuotta. Neptunuksen eteläisellä pallonpuoliskolla on ollut kesä vuodesta 2005 lähtien, ja tähtitieteilijät odottivat innokkaina, miten lämpötilat muuttuvat eteläisen kesäpäivänseisauksen jälkeen.

Tähtitieteilijät tarkastelivat lähes sataa Neptunuksen infrapunakuvaa, jotka oli otettu 17 vuoden aikana. Tämän avulla he selvittivät planeetan lämpötilan yleiset muutokset tarkemmin kuin koskaan ennen.

Nämä tiedot osoittivat, että eteläisen kesän alkamisesta huolimatta suurin osa planeetasta oli vähitellen jäähtynyt kahden viime vuosikymmenen aikana. Neptunuksen globaali keskimääräinen lämpötila putosi 8 °C:lla vuosina 2003—2018.

Tähtitieteilijät kuitenkin yllättyivät havaitessaan Neptunuksen etelänavan dramaattisen lämpenemisen havaintojen kahden viime vuoden aikana, jolloin lämpötilat nousivat nopeasti 11°C välillä 2018—2020. Vaikka Neptunuksen lämmin polaarinen pyörre on ollut tiedossa jo vuosia, tällaista nopeaa polaarista lämpenemistä ei olla koskaan aikaisemmin havaittu.

”Havaintomme kattavat alle puolet Neptunuksen vuodenajasta, joten kukaan ei odottanut näkevänsä suuria ja nopeita muutoksia”, yksi tutkimuksen kirjoittajista Glenn Orton, Caltechin Jet Propulsion laboratoriosta (JPL) Yhdysvalloista, sanoi.

Tähtitieteilijät mittasivat Neptunuksen lämpötilaa lämpökameroilla, jotka havaitsevat tähtitieteen havaintokohteista tulevaa infrapunavaloa. Tutkimusryhmä yhdisti analyysissään kaikki Neptunuksen kuvat, jotka on kerätty kahden viime vuosikymmenen aikana maanpäällisten teleskooppien avulla. He mittasivat Neptunuksen stratosfääriksi kutsutun ilmakehän kerroksesta tulevaa infrapunasäteilyä. Tämän ansiosta ryhmä sai muodostettua kuvan Neptunuksen lämpötilajakaumasta ja sen vaihteluista Neptunuksen eteläisen kesän aikana.

Koska Neptunus on noin 4,5 miljardin kilometrin päässä Maasta, se on hyvin kylmä. Planeetan keskilämpötila on noin –220° C, eikä lämpötilan mittaaminen Maasta käsin ole helppo tehtävä. ”Tämän tyyppistä tutkimusta voidaan tehdä vain VLT:n kaltaisten suurten teleskooppien tarkkojen infrapunakuvien avulla, joissa Neptunus erottuu selvästi. Näitä on ollut saatavilla vain viimeisen 20 vuoden ajan”, yksi tutkimuksen kirjoittajista, Leigh Fletcher, joka on Leicesterin yliopiston professori, sanoi.

Noin kolmasosa kaikista otetuista kuvista oli VLT Imager and Spectrometer for Mid-InfraRed (VISIR) -instrumentista, joka on Chilen Atacaman autiomaassa ESO:n VLT-kaukoputkessa. Kaukoputken peilin koon ja sijaintipaikan korkeuden vuoksi teleskoopin kuvien resoluutio ja laatu ovat erittäin korkeita. Siksi sen avulla saadaan selkeimmät kuvat Neptunuksesta. Tutkimusryhmä käytti myös NASAn Spitzer-avaruusteleskoopilla ja Chilessä sijaitsevalla Gemini South -teleskoopilla otettuja kuvia, sekä lisäksi Subaru-teleskoopilla, Keck-teleskoopilla ja Gemini North -teleskoopilla otettuja kuvia, jotka kaikki kolme sijaitsevat Havaijilla.

Koska Neptunuksen lämpötilan vaihtelut olivat niin odottamattomia, tähtitieteilijät eivät vielä tiedä, mikä tämän olisi voinut aiheuttaa. Vaihtelut voivat johtua Neptunuksen stratosfäärin kemiassa tapahtuvista muutoksista, tai satunnaisista sään vaihteluista, tai jopa auringonpilkkujakson vaiheesta. Tulevina vuosina tarvitaan lisää havaintoja, jotta vaihteluiden syyt saadaan selville. Tulevat maanpäälliset teleskoopit, kuten ESO:n Erittäin suuri teleskooppi (Extremely Large Telescope, ELT), pystyvät havaitsemaan tällaisia lämpötilan muutoksia vielä tarkemmin, kun taas NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskooppi tuottaa ennennäkemättömiä uusia karttoja Neptunuksen ilmakehän kemiasta ja lämpötilasta.

”Mielestäni Neptunus on itsessään hyvin kiehtova planeetta, koska tiedämme siitä vielä niin vähän”, Roman sanoi. ”Tämä kaikki osoittaa, että Neptunuksen kaasukehä on huomattavan monimutkainen, ja se muuttuu ajan myötä”.

Lisätietoa

Tämä tutkimus on esitelty artikkelissa: “Sub-Seasonal Variation in Neptune’s Mid-Infrared Emission”, joka on julkaistu tänään The Planetary Science Journal (doi:10.3847/PSJ/ac5aa4) -julkaisussa.