Planeettajärjestelmä löydetty lähitähdeltä

Tiivistelmä

Astronomit ovat löytäneet planeettajärjestelmän Barnardin tähden kiertoradoilta, joka on lähin yksittäinen tähti Maahan nähden. Gemini North -teleskoopin ja MAROON-X-instrumentin avulla on löydetty todisteita neljästä Maata pienemmästä eksoplaneetasta, jotka kiertävät tätä punaista kääpiötähteä. Löytö sisältää pienimmän eksoplaneetan, joka on koskaan löydetty radiaalinopeustekniikalla, mikä on merkittävä edistysaskel pienempien planeettojen havaitsemisessa lähellä olevien tähtien kieertoradoilta.

Astronomit käyttivät radiaalinopeustekniikkaa havaitakseen Barnardin tähden hienovaraisen huojunnan, jonka aiheuttaa sen eksoplaneettojen gravitaatio. Yhdistämällä MAROON-X:n tietoja aiempiin tutkimuksiin he vahvistivat neljän kiviplaneetan olemassaolon, joista jokainen on noin 20 – 30 % Maan massasta ja kiertää hyvin lähellä tähteään.

Tämä löytö on läpimurto sadan vuoden etsinnän jälkeen planeettojen löytämiseksi Barnardin tähden ympäriltä, ja se korostaa uusien instrumenttien, kuten MAROON-X:n, tarkkuutta. Näiden pienempien eksoplaneettojen löytäminen voi tarjota näkemyksiä planeettojen muodostumisesta ja elinkelpoisuudesta.

 

Noirlab2510 – Science Release — National Science Foundation ja NSF NOIRLAbin operoimat tähtitieteilijät ovat löytäneet neljä Maata pienempää eksoplaneettaa, jotka kiertävät Barnardin tähteä [1]. Yksi planeetoista on vähiten massiivinen eksoplaneetta, joka on koskaan löydetty säteisnopeustekniikalla, mikä osoittaa uuden vertailuarvon pienempien planeettojen löytämiseksi läheisten tähtien ympärillä.

Havainnekuva Barnadin tähteä kiertävän eksoplaneetan pinnalta. Tähden neljä eksoplaneettaa ovat kaikki luultavasti kiviplaneettoja, joskaan täyttä varmuutta tutkimusten tässä vaiheessa ei ole. Kuva International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld.

Tähtitieteilijät ovat tutkineet jo vuosisadan ajan Barnadin tähteä toivoen löytävänsä planeettoja sen kiertoradoilta. Tähden havaitsi ensimmäisenä E. E. Barnard  Yerkesin Observatoriossa vuonna 1916. ja se osoittautui olevan Maata lähin yksittäinen tähtijärjestelmä [1]. Barnardin tähti on luokiteltu punaiseksi kääpiötähdeksi, jotka ovat hyvin pienimassaisia tähtiä.  Näillä tähdillä voi olla usein monia kiviplaneettoja kiertoradoillaan. Punaisia kääpiöitä on maailmankaikkeudessa hyvin paljon, ehkä enemmän kuin muita tähtiä yhteensä.

Tutkijat käyttivät MAROON-X instrumenttia, joka on suunniteltu erityisesti etsimään punaisten kääpiötähtien kiertoradoilla olevia eksoplaneettoja. MAROON-X on asennettu Gemini North teleskooppiin

MAROON-X metsästää eksoplaneettoja havaitsemalla tähtien säteisnopeutta, siis tähden vähäisen edestakaisen huojunnan. Huojunta aiheutuu eksoplaneettojen gravitaatiosta, kun järjestelmän massakeskipiste ei sijaitse tähden keskipisteessä.  Huojunta näkyy spektriviivojen vähäisenä Doplersiirtymänä sen mukaan, mihin suuntaa tähti on siirtymässä havaintosuuntamme suhteen. Kohti tuleva tähti lyhentää spektriviivojen aallonpituutta (sinisiirtymä) ja poispäin suuntautunut liike puolestaan pidentää aallonpituutta (punasiirtymä).

Kalibroituaan ja analysoituaan tarkasti 112 yön aikana kolmen vuoden aikana otettuja tietoja, tutkimusryhmä löysi vankat todisteet kolmesta Barnardin tähden ympärillä olevasta eksoplaneetasta, joista kaksi luokiteltiin aiemmin ehdokkaiksi. Tiimi myös yhdisti MAROON-X: n tiedot vuoden 2024 tietoihin tutkimuksesta, joka tehtiin ESPRESSO instrumentti Euroopan eteläisen observatorion (ESO) VLT observatoriossa Chilessä. Yhdistetyt tiedot vahvistivat neljännen eksoplaneetan olemassaolon.

“Se on todella jännittävä löytö — Barnardin tähti on kosminen naapurimme, ja silti tiedämme siitä niin vähän) sanoo Ritvik Basant, tohtoriopiskelija Chicagon yliopistossa ja tutkimusraportin ensimmäinen kirjoittaja, joka julkaistiin Astrophysical Journal Letters -tiedejulkaisussa. “Se merkitsee läpimurtoa edellisten sukupolvien uusien instrumenttien tarkkuudella”

Vasta löydetyt planeetat ovat mitä todennäköisimmin kiviplaneettoja. Tätä on kuitenkin vaikea varmuudella selvittää, sillä Maasta havaintosuunnan vuoksi planeetat eivät kulje tähden editse. Ylikulku on tavanomainen menetelmä eksoplaneettojen koostumuksen määrittämiseksi. Mutta muiden tähtien kiertoradoilla olevien samankaltaisten planeettojen tietojen avulla ryhmä pystyy tekemään parempia arvioita niiden ominaisuuksista. Tutkijoiden mukaan yksikään näistä uusista eksoplaneetoista ei sijaitse Barnadin tähden elokehällä.

Neljä planeettaa, joista kukin on vain noin 20 – 30% Maan massasta, ovat niin lähellä tähteään, että niiden kiertoajat ovat vain muutamien vuorokausien mittaisia. Neljäs planeetta on vähiten massiivinen planeetta, joka on tähän mennessä löydetty säteisnopeustekniikalla. Tiimi toivoo, että tämä käynnistää uuden aikakauden vähemmän massiivisten eksoplaneettojen etsimisessä.

Useimmat tähän mennessä löydetyt kiviplaneetat ovat paljon Maata massiivisempia, ja ne näyttävät olevan melko samanlaisia koko Linnunradassa. Mutta on syytä ajatella, että vähemmän massiivisilla eksoplaneetoilla on laajemmin vaihtelevia koostumuksia. Kun tutkijat löytävät enemmän niitä, he voivat alkaa kerätä lisää tietoa siitä, miten nämä planeetat muodostuvat ja mikä tekee niistä todennäköisesti elinkelpoisia olosuhteita.

MAROON-X on edelleen Gemini Northin vieraileva laitteisto. Koska se on erinomainen suorituskyky ja suosio käyttäjäyhteisön kanssa, sitä ollaan parhaillaan muuttamassa pysyvän laitoksen instrumentiksi.

 

Huomautuksia

[1] Meitä lähin tähtijärjestelmä on Proxima Centauri. Se on kolmesta toisiaan kiertävästä tähdestä koostuva järjestelmä.

Mitä Gaia tekee?

Taiteiljan näkemys Gaiasta
sijoituspaikassaan L2-pisteessä.
Kuva ESA.

Euroopan avaruusjärjestön Gaia-observatorio[1] on päässyt matkaan kohti Lagrangen L2-pistettä. Piste sijaitsee maapallon yöpuolella noin 1,5 miljoonan kilometrin etäisyydellä. Sijoituspaikka on erityinen, sillä siellä olevat laitteet voivat pysytellä alueella hyvin vähäisellä ohjaustarpeella. Syynä tähän on Auringon ja maapallon yhteinen gravitaatiokenttä, joka kumoaa luotaimeen kohdistuvan keskipakoisvoiman[2].

Gaia-observatorion tehtävänä on määrittää tähtien tarkat paikat, etäisyydet, radiaalinopeudet ja ominaisliikkeen. Näiden tietojen perusteella tutkijat kykenevät hahmottamaan osan Linnunratamme rakenteesta 3D:nä. Tutkijat arvioivat, että Gaian mittauskyvyn tarkkuudella saamme edellä luetellut tiedot noin miljardin tähden osalta. Linnunradassa arvioidaan olevan noin 400 miljardia tähteä, joten Gaian tekemä kartoitus on vasta alkua hyvin laajalle ja vaativalle kartoitukselle.

Gaiain tekemä etäisyysmittaukset perustuvat tähtien parallaksien määrittämiseen. Parallaksi tarkoittaa tähden (yleisemmin jonkin kohteen) suuntakulman muuttumista jos tarkastelupiste siirtyy toiseen paikkaan[3]. Gaian tapauksessa suuntakulma muuttuu maapallon liikkeestä kiertoradalla. Puolen vuoden kuluessa havaintopisteiden välinen etäisyys on noin 300 miljoona kilometriä. Tätä etäisyyttä kutsutaan parallaksimittauksen kannaksi. Kun kannan pituus ja suuntakulman muutos tunnetaan, yksinkertaisella trigonometriaan perustuvalla laskelmalla saadaan määritettyä tähden etäisyys.

Havainnekuva parallaksin
määrittämisestä. Kuva ESA.

Monet Gaian tekemistä mittauksista perustuvat spektroskopiaan. Tähdestä tuleva valo sisältää tietoa valonlähteen kemiallisesta koostumuksesta, lämpötilasta ja liikkeen tilasta. Erityisesti viimeksi mainitut tiedot ovat sellaisia, joita hyödynnetään Gaian viiden vuoden aikana keräämästä mittausdatasta paljastamaan tähtien kiertoradoilla olevien eksoplaneettojen olemassa olo. 

Tähtien spektri paljastaa myös tähtien säteisnopeuden. Säteisnopeus on tähtien suhteellinen liike näkösäteen suunnassa: tähti liikkuu joko meistä poispäin tai meihin päin. Tähden nopeus paljastuu spektrissä tapahtuvasta spektriviivojen siirtymisestä (Doppler-ilmiö), joka on verrannollinen nopeuteen; mitä suurempi nopeus sitä suurempi siirtymä. Lisäksi siirtymän suunta kertoo meille mihin suuntaan tähti etenee meidän suhteemme. Jos tähti kulkee meistä poispäin, siirtymä on kohti pitempiä aallonpituuksia (punasiirtymä) ja jos tähti tulee meitä kohti, siirtymä on lyhempiin aallonpituuksia kohti (sinisiirtymä).

Gaian suuri tarkkuus tähtien sijaintimäärityksessä mahdollistaa tähtien liikkeen määrittämisen (ominaisliikkeen) taivaankannella. Mittaus ei kerro ainoastaan tähden suuntaa ja nopeutta, vaan se paljastaa myös mahdollisten eksoplaneettojen aiheuttaman huojunnan tähden keskimääräisen liikeradan suhteen.

Tähtien ominaisliikkeen löysi Edmund Halley vuonna 1718. Hän vertasi aikansa tähtien paikkoja pari tuhatta vuotta vanhaan Hipparchosin tähtiluetteloon ja havaitsi, että jotkin kirkkaat tähdet olivat siirtyneet paikoiltaan. Suurin ominaisliike on Barnadin tähdellä, joka vaeltaa muiden tähtien suhteen peräti 10,3 kaarisekuntia vuodessa. Vauhti on sen verran kova, että Kuun halkaisijan verran (0,5°) kulkemiseen kuluu aikaa vain noin 174 vuotta.

Kaikki edellä kerrotut tähtien liikkeistä kertova mittausdata paljastaa tutkijoille paljon tähtien liikkeestä Linnunradassa ja Auringon liikkeestä lähitähtien suhteen. Tokihan osa näistä tiedoista jo tunnetaan, mutta Gaian mittaukset siirtävät pilkunpaikkaa merkittävästi tarkempaan suuntaan ja tarkasti tunnetun alueen laajenemista valtavasti.

Huomautukset

[1] Gaian tehtävästä voit lukea blogiartikkelini ”Miljardintähden tähtiluettelo”

[2] Keskipakoisvoima on näennäinen voima, joka syntyy kappaleeseen sen liikkuessa pakotettua kaarevaa rataa pitkin. Perimmäinen syy keskipakovoiman syntyyn on massan hitaus, sillä jos pakottava voima yhtäkkiä poistuisi, kappale jatkaisi matkaansa suoraan samalla nopeudella kuin mitä sen kehävauhti oli ennen pakottavan voiman katoamista.

Tavallisin keskipakoisvoiman ilmenemismuoto on esimerkiksi naruun kiinnitettyä esinettä pyöritettäessä. Tällöin pakottavana voimana on naru ja keskipakovoima ilmenee narun jännitystilana. narun jännitys kohdistaa kappaleeseen yhtä suuren mutta vastakkaisen voiman kuin kappaleeseen kohdistuva keskipakoisvoima on.  Gaian tapauksessa ”naru” on Auringon ja maapallon yhdessä muodostama gravitaatiokenttä. 

[3] Voit havainnollistaa parallaksin synty itsellesi siten, että ojennat kätesi ja yhden sormen sekä suljet toisen silmäsi. Tällöin näet sormesi jonkin taustalla olevan kohteen kohdalla. Pidä sormesi samassa paikkaa ja vaihda katseluun käytettyä silmää. Tällöin sormesi paikka taustaan nähden näyttää siirtyneen.