Onko tällä eksoplaneetalla seuralainen samalla kiertoradalla?

eso2311fi — Tutkimustiedote / suom. FT Pasi Nurmi

 

Tässä kuvassa, joka on muodostettu ALMA-teleskoopin (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array) kokoamasta aineistosta, näkyy nuori planeettakunta PDS 70, joka sijaitsee lähes 400 valovuoden päässä Maasta. Järjestelmän keskellä on tähti, jota kiertää planeetta PDS 70 b (merkitty kuvaan keltaisella ympyrällä). Tähtitieteilijät ovat havainneet samalla kiertoradalla kuin PDS 70b materiapilven (ympyröity keltaisella katkoviivalla), joka voi olla uuden planeetan rakennusmateriaa, tai jo muodostuneen planeetan jäänteitä. Kuvaa hallitseva rengasmainen rakenne on tähteä ympäröivä materiakiekko (circumstellar disc), josta muodostuu planeettoja. Tässä järjestelmässä on toinenkin planeetta PDS 70c, joka näkyy kuvassa kello kolmen suunnassa aivan kiekon sisäreunan vieressä.

Kuva: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) /Balsalobre-Ruza et al.

Tähtitieteilijät ovat löytäneet ALMA-teleskoopilla (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array) kaukaista tähteä kiertävälle planeetalle mahdollisen seuralaisen (troijalaisen ^[1]). Tutkimusryhmä on havainnut materiakasaantuman, joka saattaa olla samalla kiertoradalla planeetan kanssa. Tämä voi heidän mukaansa olla uuden planeetan rakennusmateriaa tai jo muodostuneen planeetan jäänteitä. Jos havainto varmennetaan, niin se olisi vahvin todiste sille, että kaksi eksoplaneettaa voivat olla samalla kiertoradalla.

"Kaksi vuosikymmentä sitten ennustettiin, että teoriassa saman massaisten planeettojen parit saattavat olla samalla kiertoradalla. Nämä ovat niin sanottuja troijalais- tai saman kiertoradan planeettoja. Olemme ensimmäistä kertaa löytäneet todisteita tämän ajatuksen puolesta", kertoi Astronomy & Astrophysics -lehdessä tänään julkaistun tutkimusartikkelin tutkimusta johtanut Olga Balsalobre-Ruza Madridin astrobiologiakeskuksesta Espanjasta.

Troijalaiset, jotka ovat kivisiä kappaleita samalla kiertoradalla kuin planeetta, ovat omassa aurinkokunnassamme yleisiä. Tunnetuin esimerkki ovat Jupiterin troijalaiset asteroidit (yli 12 000 kivistä kappaletta), jotka ovat samalla kiertoradalla Auringon ympäri kuin itse planeetta. Tähtitieteilijät ovat ennustaneet, että troijalaisia ja erityisesti troijalaisplaneettoja, voi olla myös muiden tähtien kuin Aurinkomme kiertoradoilla, mutta todisteet niistä ovat vähäisiä. "Eksotroijalaiset (Aurinkokunnan ulkopuolella olevat troijalaisplaneetat) ovat tähän mennessä olleet kuin yksisarviset. Niitä on teoriassa olemassa, mutta kukaan ei ole koskaan havainnut niitä", sanoi astrobiologiakeskuksen vanhempi tutkija Jorge Lillo-Box.

Kansainvälinen tutkijaryhmä on nyt käyttänyt ALMA:a, jossa ESO on kumppanina, saadakseen tähän mennessä parhaimman havaintotodisteen siitä, että troijalaisia voisi olla olemassa PDS 70 -järjestelmässä. Tiedetään, että tällä nuorella tähdellä on kaksi jättiläismäistä Jupiterin kaltaista planeettaa: PDS 70b ja PDS 70c. Analysoimalla arkistoissa olevia tämän järjestelmän ALMA:n tekemiä havaintoja tutkimusryhmä havaitsi PDS 70b:n kiertoradalla olevan materiapilven alueella, jossa troijalaisten oletetaan olevan.  

Troijalaiset sijaitsevat niin sanotuilla Lagrangen-vyöhykkeillä, jotka ovat kaksi laajaa aluetta planeetan kiertoradalla, ja joille tähden ja planeetan yhteinen gravitaatio voi kaapata materiaa. Tutkiessaan näitä kahta PDS 70b:n kiertoradan aluetta tähtitieteilijät havaitsivat heikon signaalin toisesta niistä. Tämä viittaa siihen, että siellä saattaisi olla materiapilvi, jonka massa on jopa kaksi kertaa Kuun massan suuruinen.

Tutkimusryhmä uskoo, että tämä materiapilvi voisi olla tämän järjestelmän troijalaiset, tai se voisi olla muodostumassa oleva planeetta. "Kuka voisi kuvitella, että olisi kaksi maailmaa, joiden vuoden pituus olisi sama ja samat mahdollisuudet elämälle? Havaintomme on ensimmäinen todiste siitä, että tällainen maailma voisi olla olemassa", Balsalobre-Ruza sanoi. "Voimme kuvitella, että planeetta voi jakaa kiertoratansa tuhansien asteroidien kanssa kuten Jupiterin tapauksessa, mutta on hurjaa ajatella, että planeetat voisivat olla samalla kiertoradalla".

"Tutkimuksemme on ensimmäinen askel saman kiertoradan planeettojen etsimisessä niiden muodostumisen hyvin varhaisessa vaiheessa", sanoi astrobiologiakeskuksen vanhempi tutkija Nuria Huélamo. "Tämä avaa troijalaisten muodostumisessa uusia kysymyksiä, kuten kuinka ne kehittyvät ja kuinka yleisesti niitä eri planeettajärjestelmissä esiintyy?", lisäsi Itziar De Gregorio-Monsalvo, ESO:n Chilen tiedetoimiston johtaja, ja yksi tutkimuksessa mukana olleista.

Saadakseen lopullisen varmistuksen havainnoille tutkimusryhmän on odotettava ainakin vuoteen 2026, jolloin he pyrkivät käyttämään ALMA:a nähdäkseen liikkuvatko sekä PDS 70b, että sen sisaruspilvi kiertoradallaan tähden ympäri merkittävästi. "Tämä olisi läpimurto eksoplaneettojen havainnoissa", sanoi Balsalobre-Ruza.

"Tämän aiheen tulevaisuus on hyvin jännittävä, ja odotamme innolla vuodelle 2030 suunniteltuja laajennettuja ALMA:n havainto-ominaisuuksia. Ne parantavat merkittävästi teleskoopin mahdollisuuksia havaita monien muiden tähtien ympärillä olevia troijalaisia", totesi De Gregorio-Monsalvo lopuksi.

 

Huomautukset

[1] Kun Jupiterin kiertoradalla olevia asteroideja löydettiin ensimmäisen kerran, niin niille annettiin nimiä Troijan sodan sankarien mukaan. Nykyisin nimi troijalaiset kuvaa näiden kohteiden joukkoa.

 

Lisätietoa

Videopodcast

Tässä esitelty tutkimus on julkaistu Astronomy & Astrophysics -lehden artikkelissa.

 

Lucy laukaistiin kohti Jupiterin troijalaisia

NASA laukaisi lauantaina 16. lokakuuta kello 12.34 Suomen aikaa uuden luotaimen kohti Jupiterin kiertoradalla kiertäviä pieniä asteroideja, jotka tunnetaan yhteisellä nimellä troijalaiset [1]. Troijalaiset ovat asteroidien kaltaisia jäänteitä aurinkokuntamme alkuajoilta.

Taiteilijan näkemys Lucy-luotaimen tekemästä troijalaisen ohilennosta. Lucy saa energiansa valtavista aurinkokeinnoista, joiden koko selittyy sillä, että Jupiterin radalla ja kauempanankin Lucyn radalla auringonvalon voimakkuus on alle 4 % siitä, mitä maapallon radalla. Kuva NASA.

Luotain on nimetty Lucyksi ihmiskunnan esi-isäksi nimetyn fossiilisen luurangon mukaan. Fossiilin löydyttyä se on muokannut ihmisen kehityshistoriaa aivan uusille urille ja näin toivotaan käyvän nyt Aurinkokunnan kohdalla. Tutkijat toivovat saavansa entistä tarkemman kuvan siitä, kuinka järjestelmämme on syntynyt ja kehittynyt.

Luotaimen matka tulee olemaan pitkä; ensimmäinen vaihe, joka sisältää kaksi ohilento maapallon kanssa tapahtuu hyvin elliptisellä Aurinkoa kiertävällä radalla. Toisen kierroksen aikana Lucy kohtaa pääasteroidivyöhykkeen asteroidin, joka tunnetaan nimellä Donaldjohansson, huhtikuun 22 päivänä vuonna 2025. Helmikuun 1. päivänä 2027 luotain saavuttaa Jupiterin radan, vaikka planeetta onkin aivan toisaalla. 

Lycy asettuu hyvin soikealle Aurinkoa kiertävälle radalle, joka vie sen useamman troijalaisen läheisyyteen.Tässä kuvaprojektiossa rata näyttää olevan kahdeksikko, mutta se johtuu siitä, että kuvan koordinaatisto on kiinnitetty Aurinko — Jupiter -akseliin  Kuva NASA.

Kesäkuun 13. — syyskuun 8. vuonna 2027 Lucy on Eurybates nimisen troijalaisen läheisyydessä tehden siitä havaintoja. Hyvin pian tämän jälkeen luotain havaitsee Polymele nimistä troijalaista syyskuun 17. — joulukuun 12. 2027. Seuraavan vuorossa on Leucus marraskuun 21. 2027 — kesäkuun 16. 2028, Orus 12.lokakuuta 2028 — 7. tammikuuta 2029. Tämän jälkeen luotaimen matka suuntautuu jälleen kohti maapalloa, jonka se ohittaa jouluun 26. päivänä vuonna 2030.

Tästä alkaa luotaimen tutkimusmatkan toinen vaihe sillä se suuntaa kulkunsa Jupiterin perässä kiertävään troijalaisalueelle. Helmikuu 2. päivä vuonna 2033 Lucy lähestyy Patroclus/Menoetius kaksoisasteroidia ja tekee havaintoja järjestelmästä huhtikuun 30. päivään vuonna 2033.

Toistaiseksi NASA ei ole julkaissut lennon jatkosuunnitelmia vuoden 2033 jälkeiselle ajalle. Jos laitteet pysyvät toimintakuntoisina ja luotaimen ohjauspolttoainetta on riittävästi, niin on hyvinkin mahdollista, että luotain saa uusia tehtäviä. Sopivia asteroideja löytynee hyvinkin helposti.

Huomautukset

[1] Troijalaiset ovat joukko asteroideja, jotka kiertävät planeettojen radan tuntumassa Aurinkoa ja ovat nopin 60 asteen etäisyydessä planeetastaan Auringosta katsottuna. Tunnetuimmat troijalaiset ovat Jupiterilla, joita tunnetaan (27.9.2021) noin 6 506 (L4) ja 4006 (L5). Ne ovat siis jakaantuneet kahteen ryhmään Lagrangen pisteitä L4 ja L5 kiertävälle soikealle radalle. 

Lagrangen pisteet Aurinko — planeetta järjestelmässä. Kuva Wikimedia Commons.

Troijalaisten jakautumien näiden pisteiden tuntumaan muodostaa siis hyvin soikean alueen, joka voi olla 30 — 90 astetta pitkä planeetan läheisyydessä. Vaikka troijalainen voi lähestyä planeetta, varsinaista törmäysvaaraa ei ole, sillä liikerata palauttaa asteroidien takaisin noin 30 asteen etäisyydeltä.

Normaalitilanteessa planeetan radalla ei voi olla pienemmille asteroideille pysyviä ratoja, mutta L4 ja L5 ovat poikkeus, sillä Auringon ja planeetan gravitaatiot yhdessä mahdollistavat näissä sijainneissa olevat kiertoradat. Periaatteessa myös sellainen soikea rata on mahdollinen, jossa asteroidi kiertää molempien (L4 ja L5) pisteiden kautta, jolloin radasta tulee hevosenkengän muotoinen Auringon taitse Lagrangen L3 pisteen kautta. 

Jupterin troijalaiset muodostavat suuren parven asteroideja planeetan radalle. Kuva Wikimedia Commons.

Jupiter ei ole ainoa planeetta, jolla on troijalaisia samalla radalla. Maapallolla on tällä hetkellä yksi tunnettu (2010 TK7) (23.5.2019), Marsilla 9 (8 L5 ja 1 L4 pisteissä) ja Neptunuksella 26 (L4) ja 4 (L5) (27.9.2021).

Saturnuksella e tunneta omia troijalaisia, mutta kahdella sen kuulla on teroijalaisi: Tethys:llä on 2 (Telesto ja Calypso) ja Dieone:lla kaksi (Helene ja Polydeuces).

Avaruuskaukoputki Herschelin toiminta päättyi

Herschel-avaruusobservatorio teki havaintoja
kaukopuinfrapunaisilla aallonpituuksilla.
Kuva ESA.

Infrapuna- ja submillimetriaalltoja havainnut Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Herschel-avaruuskaukoputken toiminta on päättynyt. Sen viimeinen heliumpisara tuli käytettyä 29. päivänä ja sen jälkeen kaukoputken kriittiset ovat alkaneet lämmetä. Lämpiämisen seurauksena kaukoputki ei pysty enää ”näkemään” kohteitaan, joten sille ei enää ole käyttö tieteellisissä havainnoissa.

Herschel laukaistiin avaruuteen yhdessä Planck-observatorion kanssa toukokuun 14. päivänä vuonna 2009. Avaruuteen päästyään, observatoriot vapautettiin kantoraketistaan ja ne matkasivat kumpikin erikseen Lagangen pisteeseen¹ L2 maapallon yöpuolella. Piste sijaitsee noin 1,5 miljoonan kilometrin etäisyydellä maapallosta. Lagrangen pisteitä on kaikkiaan viisi Maa–Aurinko-järjestelmässä. Pisteiden erikoisuuksia on se, että niiden läheisyydessä luotaimet voivat kiertää ns. haloradalla² ilman, että tarvitsee käyttää suuria määri ohjauspolttoaineita.

Herschelin instrumentit on sijoitettu jättimäiseen termospulloon, jonka sisältöä jäähdytettiin aktiivisesti nestemäisellä heliumilla. Heliumin haihtuessa se sitoo havaintoinstrumenttien tuottaman lämmön ja näin se piti ne lämpötilaltaan lähes absoluuttisessa nollapisteessä. Jäähdyttäminen oli tarpeen, sillä muutoin avaruusobservatorio ei olisi pystynyt valokuvaamaan maailmankaikkeutta kaukoinfrapunaisen ja submillimetrisäteilyn aallonpituuksilla.

Heliumin loputtua (sitä oli kaikkiaan 2 900 litraa) laitteisto ei pysy lämpötilaltaan vaaditulla alhaisessa arvossaan, vaan kohoaa hyvinkin nopeasti elektroniikan tuottamasta lämmöstä johtuen. Vaikka laitteisto sinällään olisikin toimintakuntoinen, kohonnut lämpötila estää havainnot, sillä havaintolaiteet itsessään tuottavat säteilyä juuri havaintojen aallonpituudella.

Herschelin käyttöhenkilökunta tekee lähipäivinä valmisteluja observatorion siirtämiseksi Aurinkoa kiertävälle radalle. Radalla se lähestyy maapalloa vasta useiden satojen vuosien kuluttua. Siirto on välttämätön, sillä Lagrangen pisteiden tarjoama luonnonvara on hyvin vähäinen, haloradoille on mahdollista sijoittaa vain muutama observatorio samanaikaisesti.

Herschell on ollut toiminta-aikanaan suurin avaruuteen sijoitettu observatorio. Sen pääpeilin halkaisija on 3,5 metriä ja se sekä apupeili on valmistettu piikarbidista. Piikarbidi on erittäin kestävä ja muotonsa säilyttävä keraaminen materiaali, joka soveltuu erittäin hyvin peilien pohjamateriaaliksi. Mielenkiintoista on se, että molemmat Herschelin peilit on kiillottanut Opeteon Suomesta. Yrityksen toimitilat sijaitsevat Tuorlassa lähellä Turkua.

Internetistä Herschelistä löytyy lisää aineistoa tästä linkistä.

---

[1] Lagrangen pisteet ovat seurausta tähtitieteessä tunnetusta ns. kolmen kappaleen probleemasta. Nämä kolme kappaletta ovat tässä tapauksessa Aurinko, Maa ja avaruusluotain. Pisteitä on kaikkiaan viisi, joista kolme (L1–L3) on Aurinko–Maa suoralla ja kaksi (L4 ja L5) Maan radalla siten, että niissä oleva luotain muodostaa tasasivuisen kolmion Auringon ja Maan kanssa. Pisteiden numerointi voi poiketa alan kirjallisuudessa tässä esitetystä.

Pisteet L1–L3 ovat epävakaita, joten pienikin gravitaatiohäiriö voi suistaa sinne sijoitetun kappaleen pisteistä pois. Tästä syystä pisteisiin L1 ja L2 sijoitettua luotainta täytyy jonkin verran ohjata, jotta se pysyisi radallaan.

Pisteet L4 ja L5 ovat vakaita ja niihin sijoittuneet kappaleet pysyvät sijoituspaikassaan. Näihin pisteisiin on myös kertynyt luonnollisia kiertolaisia, joita kutsutaan troijalaisiksi. Erityisesti Jupiterin troijalaiset ovat tunnettuja asteroideja, mutta muillakin planeetoilla on ainakin jonkinlaisia kivenlohkareita vastaavissa pisteissä.

Maapallon L1- ja L2-pisteet ovat edullisia avaruusobservatorioiden sijoituspaikkoja. L1-pisteessä Maan ja Auringon välissä on sijoitettuna aurinko-observatoriot SOHO ja SDO. Maapallon yöpuolelle olevaan L2-pisteeseen on vielä tällä hetkellä sijoitettu Herschel- ja Plank-observatoriot, mutta myöhemmin sinne sijoitetaan Nasan JWST-observatorio.

[2] Halorata on ympyrän tai ellipsin muotoinen rata, jonka keskipisteessä ei ole mitään kappaletta jota keinotekoinen luotain kiertäisi. Haloradat ovat mahdollisia vain Lagrangen pisteiden läheisyydessä.