Webbin tekemät havainnot ensimmäisestä eksoplaneetastaan

Tutkijat ovat vahvistaneet[1] eksoplaneetan olemassaolon NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskoopin avulla ensimmäistä kertaa. Tunnuksen LHS 475 b saanut planeetta on lähes täsmälleen samankokoinen kuin omamme, sen halkaisija on noin 99 % Maan halkaisijasta.

Taiteilijan näkemys eksoplaneetasta. Kuva NASA/ESA/CSA.

Tutkimusryhmää johtavat Kevin Stevenson ja Jacob Lustig-Yeger, molemmat Johns Hopkinsin yliopiston sovelletun fysiikan laboratoriosta Laurelissa, Marylandissa. Tiimi päätti tarkkailla tätä kohdetta Webb-teleskoopilla tarkistettuaan huolellisesti NASAn Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) -satelliitin tiedot, jotka vihjasivat planeetan olemassaoloon. Webbin lähi-infrapunaspektrografi (NIRSpec) havaitsi planeetan helposti ja selkeästi vain kahdella ylikulkuhavainnolla. "Ei ole epäilystäkään siitä, että planeetta on olemassa, Webbin tarkat tiedot vahvistavat sen”, Lustig-Yager sanoi.

"Nämä ensimmäiset havaintotulokset Maan kokoisesta kiviplaneetasta avaavat oven monille tulevaisuuden mahdollisuuksille tutkia kiviplaneettojen ilmakehää Webbin kanssa", myönsi Mark Clampin, NASAn Washingtonin päämajan astrofysiikan osaston johtaja. "Web tuo meidät yhä lähemmäksi uutta ymmärrystä Maan kaltaisista maailmoista Aurinkokunnan ulkopuolella, ja tehtävä on vasta alkamassa."

Webbin havaintojen perusteella laadittu tähden kirkkauskäyrä, jossa näkyvä "kuoppa" paljastaa planeetan ylikulun, sekä sen halkaisijan. Kiertoaika puolestaan voidaan määrittää toistuvien ylikulkujen perusteella. Tähden massan ja kiertoajan perusteella voidaan laskea planeetan etäisyys tähdestä ja planeetan massa. Kuva NASA/ESA/CSA.

Kaikista toimivista kaukoputkesta vain Webb pystyy karakterisoimaan Maan kokoisten eksoplaneettojen ilmakehän. Ryhmä yritti arvioida, mitä planeetan ilmakehässä on analysoimalla sen siirtospektriä. Vaikka tiedot osoittavat, että tämä on Maan kokoinen kiviplaneetta, he eivät vielä tiedä, onko sillä ilmakehää. "Observatorion tiedot ovat kauniita", sanoi Erin May, myös Johns Hopkinsin yliopiston soveltavan fysiikan laboratoriosta. "Kaukoputki on niin herkkä, että se havaitsee helposti useita molekyylejä, mutta emme voi vielä tehdä lopullisia johtopäätöksiä planeetan ilmakehästä."

Vaikka tiimi ei voi päätellä tarkasti, mitä on havaittu, he voivat ehdottomasti sanoa, mitä ei ole. "Voimme sulkea pois joitain ilmakehätyyppejä", Lustig-Yager selitti. "Sillä ei voi olla paksua metaani-ilmakehää, joka on samanlainen kuin esimerkiksi Saturnuksen kuulla Titanilla."

Webb ei havainnut havaittavaa määrää mitään alkuainetta tai molekyyliä. Spekrihavainnot (valkoiset pisteet) ovat yhdenmukaisia ​​sellaisen planeetan ominaisuuksettoman spektrin kanssa, jolla ei ole ilmakehää (keltainen viiva). Violetti viiva edustaa puhdasta hiilidioksidi-ilmakehää, eikä sitä voi erottaa ilmakehättömästä nykyisellä tarkkuudella. Vihreä viiva edustaa puhdasta metaani-ilmakehää, joka ei kuitenkaan ole todennäköinen, koska metaanin, jos sitä on, odotetaan estävän enemmän tähtien valoa 3,3 mikrometrin aallonpituudella. Kuva NASA/ESA/CSA.

Ryhmä toteaa myös, että vaikka on mahdollista, että planeetalla ei ole ilmakehää, on joitakin ilmakehätyyppejä, joita ei ole suljettu pois, kuten puhdas hiilidioksidi-ilmakehä. "Vastaintuitiivisesti 100-prosenttinen hiilidioksidi-ilmakehä on niin paljon kompaktimpi, että sen havaitseminen on erittäin haastavaa", Lustig-Yager sanoi. Vielä tarkempia mittauksia tarvitaan, jotta tiimi erottaisi puhtaan hiilidioksidi-ilmakehän usean kaasun muodostamasta ilmakehästä. Tutkijoiden on tarkoitus hankkia lisää spektrejä lisähavainnoilla tulevana kesänä.

Webb paljasti myös, että planeetta on muutama sata astetta lämpimämpi kuin Maa, joten jos pilviä havaitaan, se voi saada tutkijat päättelemään, että planeetta on Venuksen kaltainen, jolla on hiilidioksidi-ilmakehä ja joka on jatkuvasti paksujen pilvien peitossa. "Olemme eturintamassa pienten, kivisten eksoplaneettojen tutkimisessa", Lustig-Yager sanoi. "Olemme tuskin alkaneet raapia pintaa siitä, millainen heidän ilmakehä planeetalla voisi olla."

Tutkijat vahvistivat myös, että planeetan kiertoaika on noin kaksi vuorokautta. Tämä tieto paljastui lähes välittömästi Webbin tarkasta valokäyrästä. Vaikka LHS 475 b on lähempänä tähteään kuin mikään Aurinkokunnan planeetta, sen punainen kääpiötähden lämpötila on alle puolet Auringon lämpötilasta, joten tutkijoiden mukaan planeetta voisi silti ylläpitää ilmakehää.

Tutkijoiden löydökset ovat avanneet mahdollisuuden paikantaa Maan kokoisia planeettoja, jotka kiertävät pienempiä punaisia ​​kääpiötähtiä. "Tämä kiviplaneetan vahvistus korostaa tehtävän instrumenttien tarkkuutta", Stevenson sanoi. "Ja se on vasta ensimmäinen monista löydöistä, jotka se tekee." Lustig-Yager oli samaa mieltä: "Tämän teleskoopin avulla kiviset eksoplaneetat ovat uusi raja."

LHS 475 b on suhteellisen lähellä, vain 41 valovuoden päässä, Oktantin tähdistössä.

Viittaukset

[1] Ryhmän tulokset esiteltiin American Astronomical Societyn (AAS) lehdistötilaisuudessa keskiviikkona 11. tammikuuta 2023.

Exomars saapuu Marsiin

Taiteilijan näkemys TGO ja Schiaparellin lähestymisesta
Marsiin. Kuva ESA.

Euroopan avaruusjärjestö (ESA) uusi marsluotain Exomars^[1] saapuu  perille Marsiin 19. lokakuuta. Exomars koostuu kahdesta luotaimesta: Trace Gas^[6] Orbiter (TGO)^[2] asettuu Marsia kiertävälle radalle, ja toinen luotain on Marsiin laskeutuva Schiaparelli, joka irtoaa 16. lokakuuta ja tekee kuusi minuuttia kestävän laskeutumisen Meridiani Planumiin 19.lokakuuta.

TGOn tietieelliset^[4] havainnot alkava vasta joulukuussa 2017 ja kestävät luotaimen toiminta-ajan loppuun. Luotaimen tehtävän on kartoittaa Marsin ilmakehän kaasuja kuten jalokaasuja, metaania ja pyrkiä keräämään havaintoja, joiden perusteella tutkijat pystyvät ratkaisemaan mistä lähteestä (geologinen vai biologinen) Marsin ilmakehässä aikaisemmin havaittu metaani on peräisin.

Vuoden 2017 aikana TGO tekee sarjan ilmajarrutuksia^[7], joiden tuloksen luotaimen rata muuttuu ympyräradaksi. Luotaimen on tarkoitus toimia myös vuoden 2020 Marsiin laskeutuvan Exomars 2020 Roverin radiolinkkinä sen kulkiessa Marsin pinnalla.

Schiaparelli puolestaan kokeile useita erilaisia laskeutumismenetelmiä laskeutumisen aikana. Ensimmäisessä vaiheessa sen saapuessa Marsin ohueen ilmakehään luotaimen suojana on lämpökilpi. Vauhdin hidastuttua merkittävästi laskeutujan laskuvarjo avautuu, ja lämpökilpi irrotetaan. 

Laskuvarjon varassa luotain leijuu alemmaksi ilmakehään. Ennen Marsin pinnan saavuttamista laskuvarjo irrotetaan ja käyttöön otetaan jarrumoottorit, jotka hidastavat laskeutumisnopeuden nollaan muutaman metrin korkeudessa pinnasta.

Tässä vaiheessa otetaan täysin uusi laskeutumisjärjestelmä käyttöön. Schieparelliin on nimittäin rakennettu ilmatyyny ja muotoaan muuttavia suojarakenteita, jotka luhistuvat kasaan luotaimen pudotessa vapaasti viimeiset parin metrin matka Marsin pinnalle samalla vaimentaen törmäysiskua.

Schiaparelli ei ole pelkästään kokeiluluontoinen laskeutumisalus, vaan sen mukana Marsiin viedään pieni tieteellisten havaintojen instrumenttipaketti^[5]. Laskeutuja tekee havaintoja tuulennopeudesta, kosteudesta, ilmanpaineesta ja lämpötilasta laskeutumispaikalla. Luotaimessa on myös sähkökenttiä mittaava laitteisto, jolla pyritään selvittämään Marsissa silloin tällöin koko planeetan kattavien ja paikallisten pölymyrskyjen syntymistä.

Yllä oleva video havainnollistaa Schiaparelli-luotaimen laskeutumisen eri vaiheita. Video ESA.

Huomautukset

[1] Exomars laukaistiin kohti Marsia venäläisellä Proton-M-kantoraketilla  Baikonurista Kazakstanista heti laukaisuikkunan avauduttua maaliskuun 14 päivänä 2016.

[2] TGO kokonaismassa Marsin kiertoradalla on 3732 kg, josta tieteellisiä instrumentteja on 113,8 kg. Luotaimen koko on 3,5×2× m, aurinkopaneelien pituus on 17,5 m.

[3] Schiaparelli kokonaismassa on 600 kg ja halkaisija 1,65 m.

[4] TGOn istrumentit ovat: Ilmakehän kemian tutkimuslaitteisto (ACS), kamerajärjestelmä (CaSSIS), erotuskykyinen epitermisten neutronien ilmaisin (FREND) ja Marsin nadiiri ja peittymistutkimuslaitteisto (NOMAD)

[5] Schiaperellin havaintolaitteet ovat: Ilmakehän laskeutumisaikainen tutkimus- ja analyysilaitteisto (AMELIA), Aerothermaalinen ja radiometrinen sensori paketti (COMARS+), laskeutumiskamera (DeCa), laskeutumislasermittalaitteisto (INRRI), Marsin pinnan pöly- ja ympäristöanalysaattori (DREAMS).

[6] Trace Gas (kaasujäljet) muodostuvat Marsin ilmakehässä olevista kaasuista, joiden kokonaismäärä on alle 1 %. Merkittävin kaasuista on metaani, jota on Marsin ilmakehässä vain 10 miljardisosaa (ppb). Muita kaasuja ovat vesihöyry, typpidioksidi ja asetyleeni.

Metaani on selvästi hieman ongelmallinen kaasu, sillä se pitäisi hävitä Marsin ilmakehästä tyystin noin 400 vuodessa. Näin ollen sitä täytyy vapautua jostakin lähteestä pieniä määriä jatkuvasti, tutkijat vain eivät tunne tätä lähdettä. Metaania syntyy kahdenlaisissa prosesseissa: geologisesti erilaisten vulkaanisten ilmiöiden yhteydessä tai sitten biologisissa prosesseissa kuten bakteerien aineenvaihdunnan tuotoksena.

Mars on kuitenkin ajateltu olevan geologisesti passiivinen planeetta, joten jos kaasulähteeksi paljastuu ei-biologinen alkuperä, tutkijat joutuvat muuttamaan käsitystään planeetan geologian suhteen. Jos taas metaanin lähteenä ovat biologiset prosessit, niin tilanne muuttuu entistä mielenkiintoisemmaksi ja Marsin tutkimus saa uutta puhtia purjeisiin.

[7] TGO asettuu aluksi Marsin kiertoradalle, jonka lähin piste on 250 km korkeudessa Marsin pinnasta ja etäisin piste 100 000 km etäisyydellä.  Kiertoaika tällä radalla on 4 vuorokautta. Tammikuun puolivälissä (2017) TGOn radan inklinaatiota muutetaan 74 asteeseen, jolloin tieteelliset havainnot kattavat käytännöllisesti katson koko planeetan.  

Seuraava vaihe on radan muuttaminen pyöreäksi. Se vaatii satakunta ilmajarrutusta Marsin tiheimpiin ilmakehän osiin ja lopullinen ympyrärata tulee olemaan noin 400 km korkeudella.

Hiilivetyutua ja tholinia

Utukerroksia Pluton ilmakehässä.

Nasa julkaisi uusimpia tutkimustuloksia joita on tehty New Horizons -luotaimen tuottamasta datasta. Merkittävämpänä löytönä voidaan pitää Pluton aina 130 km korkeudella ilmakehässä leijuvaa utua, joka on kerrostunut kahdeksi tiheämmäksi kerrokseksi 80 km ja 50 km korkeuksiin.

Utu on kemiallisesti hiilivetyjä, jotka ovat syntyneet ultraviolettivalon vaikutuksesta metaanista. Metaani  (CH₄) pilkkoutuu uv-fotonin osuessa siihen ja sitoutuu kemiallisesti toisien pilkkoutumistuotteiden kanssa monimutkaisemmiksi hiilivedyiksi kuten etyleeniksi (C₂H₄) ja asetyleeniksi (C₂H₂). Raskaampina molekyyleinä nämä hiilivedyt laskeutuvat alemmaksi Pluton ilmakehässä ja tiivistyvät erittäin kylmissä olosuhteissa uduksi. Ultraviolettivalo jatkaa edelleen näissä kerroksissa molekyylien muokkaamista vielä monimutkaisimmiksi hiiliyhdisteiksi, tholiniksi, joka puolestaan laskeutuu lopulta Pluton pinnalle ja antaa tälle sen punertavan sävyn.

Tutkijat osasivat odottaa utukerroksen esiintymistä, mutta aikaisemmat laskelmat osoittivat ilmakehän olevan liian lämmin yli 30 km korkeudella udun syntymiseen.  Tutkijat joutuvatkin kehittelemään tai ainakin hiomaan olemassa olevia malleja selittäessään nyt tehdyt havainnot.

Tutkimukset Charonin ilmakehästä ei vielä ole onnistuneet        
osoittaamaan sen olemassa oloa.

Pluton ilmankehän paine pinnalla ei vielä osoita ”romahtamisen” merkkejä, pikemminkin päinvastoin. Pluto oli ratansa perihelissä vuonna 1989 ja ilmakehästä on tehty havaintoja sen jälkeen 2000-luvun alkupuolella. Silloin havainnot osoittivat ilmanpaineen kohonneen. Nyt New Horizons -luotaimella tehdyt havainnot osoittavat edelleen korkeampaa ilmanpainetta. Havainnot ilmanpaineesta muodostavat nousevan suoran, joka ei vielä ole taittunut. Luonnollisesti Pluton etääntyessä aina vain kauemmaksi Auringosta, sen ilmakehänpaineen nousu täytyy taittua laskevaksi aivan lähivuosina.

New Horizons lensi myös Charonin takaa Auringosta katsottuna, jolloin luotain teki havaintoja myös mahdollisesta Charonin ilmakehästä. Toistaiseksi kaikkea mittausdataa ei ole saatu vielä Maahan, mutta ensimmäiset tulokset eivät osoita ilmakehän olemassa oloa.

Tästä kuvasta voi helposti erottaa Sputnik-tasangon virtaavan
jäätikön.

Tombaugh Region  Sputknik-tasangon virtaava jää muistuttaa virtaavia jäätikköjä Maassa.  Sputnik-alueella on jäätä, joka on muodostunut typestä, hiilimonoksidista ja metaanista. Toistaiseksi tutkijoilla ei ole selkeää käsitystä mikä saa jään virtaamaan ja mistä se saa energiansa. Lämpötila alueella on 46 K (-227 °C). Virtaava jää peittää alleen alueen reunoilla vanhempaa ja samalla karkeampaa pintaa. Ilmiö näkyy selkeästi korkean erotuskyvyn kuvissa.

Kaikki kuvat: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

Ei metaania Marsissa

Panorama Curiosityn maisemassa.
Kuva NASA, JPL-Caltech, MSSS -
 Panorama by Andrew Bodrov.

Viikon uutinen on ollut Curiosity-luotaimen tekemät mittaukset Marsin ilmakehästä ja erityisesti se, että metaania ei ole löytynyt. Tästä on vedetty suora johtopäätös, että Marsissa ei ole elämää. Elämän esiintyminen nykyisessä Marsissa olisikin suuri uutinen, joten metaanin puutteen osoitus elämän puuttumisesta pitäisi tietysti olla ei-uutinen. Sitä se ei kuitenkaan ole, sillä aikaisemmat havainnot metaanista Marsissa ovat olleet sen verran johdonmukaisia, että uusimmat tulokset ovat todella hämmästyttäviä.

Metaani (CH₄) on mahdollisimman yksinkertainen hiilivety. Maapallolla sitä syntyy biologisissa prosesseissa (=mätäneminen ja suolistoissa tapahtuva ravinnon sulatuksen sivutuotteena) ja epäorgaanisesti vulkaanisissa prosesseissa. Suurin osa Maan ilmakehän metaanista on biologista alkuperää. Pieni osa metaanista syntyy vulkaanisissa prosesseissa, joissa hiili yhdistyy vedyn kanssa metaaniksi suuressa lämmössä ja paineessa. Metaania vapautuu aina tulivuorien purkautuessa, mutta sitä vuotaa ilmakehään tulivuorista myös muina aikoina ja maaperän siirroslinjoista.

Merien pohjasedimenteissä tapahtuu luonnollisesti mätänemistä. Kuollutta orgaanista ainetta laskeutuu merenpohjalle ja lopulta hautautuu kiintoaineksen alle. Mätänemisprosessi ei kuitenkaan pääty vaikkakin hidastuu sillä pohjalla lämpötila on aina lähellä 0 °C tietämillä tai suolaisessa vedessä etenkin napa-alueilla jopa hieman sen alapuolella. Merenpohjassa syntynyt metaani muodostaa kylmässä ja suuressa paineessa veden kanssa metaanihydraattia. Metaanihydraatti muistuttaa ulkonäöltään jäätä ja sitä on varastoitunut mannerjalustojen pohjakerroksiin hyvin suuria määriä. Sieltä sitä vapautuu silloin tällöin ja metaania pääsee purkautumaan ilmakehään suhteellisen säännöllisesti.

Ilmakehään joutunut metaani hapettuu suhteellisen nopeasti hiilidioksidiksi (CO₂) ja vedeksi (H₂O). Jos kaikki metaanin tuotanto loppuisi, maapallon ilmakehässä ei olisi jälkeäkään metaanista muutaman sadan vuoden kuluttua. Tällä hetkellä Maan ilmakehässä on noin 1,8 miljoonasosaa (ppm) metaania, pohjoisella pallonpuoliskolla enemmän kuin eteläisellä.

Marsin ilmakehän mittauksia on tehty perinteisesti maanpinnalla olevilla observatorioilla. Näiden tulosten yhteisenä piirteenä on ollut metaanin suuri ja nopea vaihtelu. Näiden lisäksi Marsin metaania on kartoitettu Marsin kiertoradalla olevilla luotaimilla (Mars Global Surveyor ja Mars Express) ja havaintojen mukaan metaania olisi 15–30 miljardisosaa. Metaania olisi myös vaihtelevasti Marsin eri osissa ja huippuarvot mittauksissa ovat olleet jopa 45 miljardisosaa. Näin suuri metaanipitoisuus merkitsisi lähes 100 % varmuudella biologiasta alkuperää.

Mikään tunnettu prosessi ei saa aikaan nopeita ja merkittäviä metaanipitoisuuksien vaihtelua globaalisti. Marsin ilmakehässä metaani hapettuu suunnilleen yhtä hitaasti kuin maapallollakin, joten biologista alkuperää olevan metaanin määrä vaihtelisi vain hyvin vähän vuodenaikojen mukaan. Vuodenajat eivät siis selitä mitattuja vaihteluita.

Curiosityn tekemät mittaukset on tehty paikan päällä, joten niitä voitaneen pitää luotettavina. Lisäksi mars-kulkijan metaaninmittauslaitteisto on kehittynein ja tarkin mitä ihmiskunta nykyisellä tekniikallaan pystyy rakentamaan, joten mittaustuloksia ei suikaan voida aliarvioida. Aivan tarkkaan ottaen Curiosityn mittaustuloksia käsitelleet JPL:n tutkijat ilmoittivat havainnoksi, että metaania ei ole enempää kuin 1,3 miljardisosaa. Arvo on vain kuudesosa aikaisemmista mittauksista.

Curiosityn mittaustulos on 0,18 miljardisosaa ja virheraja on ±0,67 mijardisosaa, joten se sopii hyvin ilmoitetun ylärajan puitteisiin. Käytännössä mittauksen virheraja on sen verran suuri verrattuna mitattuun arvoon, että todellisuudessa Curiosityn mittauksissa metaania ei havaittu lainkaan.

Voidaan tietysti sanoa, että mittaukset on tehty Marsissa vain yhdestä kohdasta (Cale-kraatteri) ja sattumalta sillä alueella ei metaania ilmakehässä olisi mittauksen virherajojen yli olevaa määrää. Kritiikki on perusteltua ja mittauksia tullaankin varmasti jatkamaan niin Marsin pinnalta kuin kiertoradalta.

Curiosityn mittauksilla on toinenkin vaikutus. Viimeaikoina minusta on tuntunut siltä, että jokainen astrobiologiaa tutkinut tutkija on päätynyt tulokseen, että elämä syntyi alun perin Marsissa ja on sieltä siirtynyt Maahan. Onhan se ollut mahdollista, mutta minkäänlaisia todisteita tämän väitteen tueksi ei ole ollut esittää. Niin kauan kun emme ole päässeet kaivelemaan Marsin syvempiä kerroksia ja mahdollisesti löydämme elämää sieltä, mielestäni on aivan turha spekuloida elämän siirtymisellä Marsista Maahan.  Arvoltaan sellainen on lähinnä scifi-kirjallisuuden luokkaa.