Eksoplaneetta Kepler-452b

Kepler-observatorion havaitsemia eksoplaneettoja taiteilijan
näkemyksen mukaan. Planeetat ovat vasemmalta oikealle:
Kepler-22b, Kepler-69c, Kepler-452b, Kepler-62f ja
Kepler-186f. Oikealla on Maa.
Kuva NASA/Ames/JPL-Caltech.

Nasan julkistama ja kolmisen vuotta tutkittu eksoplaneetta Keler-452b on ennennäkemättömän huomion tiedotusvälineissä. Lähes jokainen nettilehti on löydön uutisoinut. Tosin, uutisointi on tavallisesti jäänyt Nasan tiedotteen ja siihen liitettyjen kuvien julkaisemiseen. Hyvä näinkin, sillä eipä aivan heti tule mieleeni viime vuosilta mitään vastaavaa, vaikka muutamia hyvin uutisoituja tutkimuksia on: esimerkiksi aivan tuore New Horizons luotaimen tekemä Pluton ohilento.

Tutkimuksena ja havaintona Kepler-452b:n löytyminen ei poikkea mitenkään niistä, joita Kepler-ohjelmassa on tehty aikaisemmin. Eksoplaneetta kandidaatteja on tällä hetkellä 4 696 ja jo varmistuneita planeettoja on 1 030 [1]. Suurin osa jo varmistuneista eksoplaneetoista sijaitsee aivan muualla kuin tähtensä elämää ylläpitävällä vyöhykkeellä. Elokehällä sijaitsevia planeettoja, kooltaan enintään kaksinkertaisia maapalloon verrattuna, on vain kourallinen (12 planeettaa) ja niistäkin melkoinen osa on jotain muuta kuin maapallon kaltaisia.

Kepler-ohjelma

Kepler-avaruuskaukoputki laukaistiin avaruuteen maaliskuun 9 vuonna 2009 Cape Canaveralin avaruuskeskuksesta Floridasta. Kantorakettina oli Delta II kantoraketti. Avaruuskaukoputki sijoitettiin Aurinkoa kiertävälle radalle [2] siten, että se pystyi havaitsemaan samaa Joutsenen ja Lyyran tähdistöjen rajalla olevaa aluetta keskeytyksettä koko sen kolmen vuotta minkä luotain pääohjelman mukaisia havaintojaan teki.

Rakenteellisesti Kepler on hyvin yksinkertainen (jos avaruuteen sijoitetut tutkimuslaitteet milloinkaan ovat yksinkertaisia?) käsittäen vain 0,95 metrisen kaukoputken jonka kuva kulma on (kaukoputkeksi) laaja, peräti 12 astetta. Havaintovälineenä kaukoputkessa on 42 CCD-kameraa, jokaisen koko 50×25 mm ja pikseleitä 2 200×1 024. Valotusaika on hieman alle kolme sekuntia mutta lopputulos saatiin integroimalla (summaamalla) 30 minuutin mittaukset 6,5 tunnin ajalta.

Kepler-452-tähden sijainti tähtitaivaalla. Tähden näkemiseen 

vaaditaan keskikokoinen harrastajakaukoputki ja tarkka sijainti-

tieto tähdestä. Kuva Kari A. Kuure.

Vaikka Keplerin havaintoinstrumentteina olikin CCD-kamerat, niitä ei käytetty kuvien muodostamiseen, vaan kuvakentän jokaisesta tähdestä mitattiin sen kirkkaus. Toinen poikkeavuus kameran toiminnassa oli tavanomaiseen kaukoputkeen verrattuna: kuva oli tarkoituksellisesti epätarkka. Tähden kuvasta tuli kuvakennoilla noin 10 kaarisekunnin kokoinen läikkä, jotta kameroiden pikselien valoherkät ominaisuudet tulivat mahdollisimman hyvin hyödynnettyä.

Kepler teki pääohjelman havainnot mittaamalla havaintoalueensa 150 000 tähden kirkkautta jatkuvasti. Suunnitelman mukainen toiminta-aika oli vähintään 3,5 vuotta. Pitkähkö toiminta-aika oli tarpeen, sillä jokaiseen varmasti tunnistettavaan eksoplaneetan havainnointiin tarvittiin vähintään kolme tai neljä tähden kirkkauden himmenemistä. Auringon kokoisilla tähdillä tämä merkitsee sitä, että eksoplaneetat, jotka sijaitsevat enintään yhden au:n etäisyydellä tähdestään, voidaan havaita.

Kepler-ohjelman eksoplaneetat löytyvät jos tähteä kiertävän eksoplaneetan rata on sellaisessa kulmassa meihin nähden, että se kulkee ajoittain tähden kirkkaan pinnan editse. Tapahtumaa kutsutaan ylikuluksi ja sen aikana tähden kirkkaus vähenee aavistuksen verran, tyypillisesti vain muutaman promillen verran kokonaiskirkkaudesta. Muut eksoplaneetat, ne joiden radat eivät tuo sitä tähden ja meidän väliin, jäävät löytymättä.

Ohjelman päättyminen ja uuden aloittaminen

Kuten kaikilla mekaanisilla laitteilla, niin myös Kepler avaruuskaukoputkella oli rajallinen toiminta-aika. Vaikka osa sen laitteista oli kahdennettu, tämä raja tuli Keplerille vastaan toukokuussa 2013. Tällöin sen suuntaamiseen käytetyistä reaktiopyöristä vaurioitui jo toinen.  Tämä oli pääohjelman loppu, sillä observatoriota ei enää pystytty pitämään suunnattuna havaintoalueeseensa riittävän tarkasti.

Keplerissä oli vaurion jälkeen enää kaksi toimintakykyistä reaktiopyörää. Niitä käyttämällä avaruusobservatoriota pystyttiin suuntaamaan joihinkin tiettyihin, tarkasti valikoituihin alueisiin, mutta niitä piti vuoden kuluessa vaihtaa. Tutkimuksen kannalta menetelmä ei ole ollut aivan yhtä tuloksellinen kuin pääohjelma, mutta joitakin tuloksia kuitenkin on saatu: varmistettuja eksoplaneettoja K2-ohjelman aikana on löydetty 22.

Eksoplaneetta Kepler-452b

Oheisessa taulukossa on tutkimuksissa saadut tiedot ko. eksoplaneetasta. Kaikki muu, mitä planeetasta on kerrottu, on enemmän tai vähemmän arvailujen varassa.

Säde	1,63 × RÅ
Massa	ei tunnettu
Lämpötila (ilman ilmakehän vaikutusta)	265 K (maapallo noin 255 K)
Ylikulun kesto	10,63 tuntia
Kiertoaika (= vuosi)	384,843 vrk
Keskietäisyys tähdestä	1,046 au
Radan kaltevuus näkösäteeseen	89,806 °

Tähti  Kepler-452

Kepler-452 -tähteä on kuvailtu Auringon kaltaiseksi. Näin todellakin on vaikka pieniä eroja on olemassa.

	Kepler-452	Aurinko
Efektiivinen lämpötila	5778 ± 85  K	5785 K
Massa	1,037 × M☉	1,989x1030 kg
Säde	1,110 × R☉	6,69×105 km
Metallisuus [Fe/H]	+ 0,210	~ 0,2
RA	+19 h 44 m 0.89 s
DEC	+44 ° 16 ‘ 39.22 ”
Visuaallinen kirkkaus	13,426	–26,78
Luminositeetti	1,2 × L☉	3,9x1023 kW
Ikä [miljardia vuotta]	n. 6 ±2	n. 4,65
Spektriluokka	G2V	G2V
Etäisyys	n. 1400 ly (430 pc)	1 au

Huomautukset

[1] Eksoplaneettoja on varmistettu kaikkiaan 1 879 ja kandidaatteja on 5 583.

[2] Keplerin kiertoaika Auringon ympäri on 372,5 vuorokautta. Tästä syystä observatorio jää hieman jälkeen maapallosta ja oli neljän vuoden jälkeen noin 0,5 au:n etäisyydellä.

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.

Lisää ennusteita Auringon aktiivisuuden hiipumisesta

Valentina Zharkovan (& al) tutkimuksen toteutunut ja
ennuste tulevasta Auringon aktiivisuudesta. Kuva
ko. tutkimusraportista. Y-akselin asteikon suhde
auringonpilkkulukuun on suunnilleen 0,5.

Professori Valentina Zharkova (Northumbira University) työryhmineen [1] on esittänyt vakuuttavia tutkimustuloksia odotettavissa olevasta Auringon aktiivisuuden hiipumisesta. Nykyinen auringonpilkkujakso 24 on aktiivisuusmaksimiltaan vain noin 2/3 edellisestä ja Zharkovan ennusteen mukaan jakso 25 tulee olemaan vielä heikompi.

Ennusteen mukaan auringonpilkkujakso 26 jää käytännössä väliin lähes kokonaan, joitakin pieniä aktiivisuushyppäyksiä lukuun ottamatta. Ennuste ei ulotu tämä pidemmälle mutta ”rivien välistä” voi päätellä, että jaksot 27 ja 28 eivät kovin voimakkaiksi muodostu.

Auringon aktiivisuuden ennustaminen on ollut äärimmäisen vaikeaa, lukuisista yrityksistä huolimatta. Monet ennusteet pohjautuvat Auringon magneettiseen sykliin, jonka pituus on noin 22 vuotta. Tähän jaksoon sisältyy kaksi auringonpilkkujaksoa, joiden aikana magneettikentän suunta on vastakkainen.

Auringon aktiivisuusjaksot 18–24.

Toistaiseksi parhain malli Auringon magneettikentälle on kaksi komponenttinen: magneettikenttä muodostuu konvektiokerroksen pohjalla takokliinissä syntyvästä napojen suuntaisesta (poloidisesta) ja ylempänä olevasta ekvaattorin suuntaisesti sulkeutuvasta toroidikentästä. Malli on kuitenkin liian yksinkertainen ja sitä sotkee etenkin Auringon pinnan tuntumassa tapahtuva ekvaattorilta navoille suuntautuva meridionaallinen virtaus. Virtauksen vaikutus täytyy ottaa huomioon, sillä virtaava aine on plasmaa, joka sitoo magneettikentän itseensä (ja päinvastoin)! Havaitulla meridionaaalisella virtauksella on pyritty selittämään Auringon magneettikentän suunnan muutokset noin 22 vuoden jaksoissa.

Meridionaallisesta virtauksesta on esitetty useita erilaisia teorioita, esimerkiksi vuonna 2006 Mausumi  Dikpati tutkimusryhmineen pyrki osoittamaan meridionaalisen virtauksen muistuttavan maapallon suur-ilmakehässä tapahtuvaa kolmeosaista virtausta (Hadleyn, Ferrelin ja Polaarisolut).

Vuonna 2013 tutkija Junwei Zhao (Stanford University) tutkimusryhmineen julkaisi tutkimuksensa, jonka mukaan Auringon seismiset värähtelyt voidaan tulkita niin, että meridionaalisia virtauksia on kaksi eri kerroksissa. Jos havainto osoittautuu oikeaksi, Auringon magneettikentän synty ja magneettinen jaksollisuus on entistä vaikeammin selitettävissä.

Meridionaallisen virtauksen todellisen rakenteen selvittäminen on kuitenkin vielä nykypäivän tavattoman vaikeaa, sillä emme pysty tekemään Auringon sisäisiä rakenteita selvittäviä havaintoja kovinkaan tarkasti. Tästä syystä joudumme turvautumaan vain hyvin yksinkertaistettuihin (ad hoc-)malleihin, joiden tarkkuus on enemmän tai vähemmän huono pidemmällä aikavälillä.

Zharkovan mallissa poloidisen ja toroidisen kentän jaksot poikkeavat hieman toisistaan. Silloin kun magneettikentät ovat samanvaiheisia, ne vahvistaisivat toisiaan ja Auringon aktiivisuus olisi näinä jaksoina voimakasta. Kun magneettiset dynamot joutuvat vastakkaisiin vaiheisiin, niiden kentät kumoavat toisensa ja Auringon aktiivisuus jää hyvin matalalle tasolle.

Auringon aktiivisuutta seuranneilla Zharkovan malli ei hämmästytä. Nykyisessä jaksossa 24 pohjoinen pallonpuolisko saavutti auringonpilkkumaksimin jo vuonna 2012 ja eteläinen pallonpuolisko noin kaksi ja puolivuotta myöhemmin. Kaikenlisäksi eteläisen pallonpuoliskon maksimi oli kolmanneksen voimakkaampi kuin pohjoisen.

Zharkova on pyrkinyt todistamaan teoriansa soveltamalla sitä kolmen jo päättyneen aktiivisuus jaksoon. Tulokset ovat vakuuttavia: lähes 97 % yhdenmukaisuus toteutuneeseen aktiivisuuteen verrattuna. Sen sijaan jakson 24 (nykyinen jakso) maksimin ennuste sijoittaa vuoteen 2011, kun se todellisuudessa oli 2012 (pohjoisella pallonpuoliskolla) ja 2014 eteläisellä pallonpuoliskolla. Myös jakson 24 toteutunut aktiivisuus on selkeästi ennustetta heikompi.

Tutkimusryhmä tekee ennusteen, jonka mukaan jakso 25 saavuttaa vain noin 80 % ja jakso 26 noin 40 % jakson 24 aktiivisuudesta. Tämä merkitsee auringonpilkkulukuina hieman yli 60 ja noin 30. Jos ennusteen antamat erot ovat samassa suhteessa eroavia kuin jakson 24 kohdalla, jaksot 25 ja 26 tulevat olemaan todella heikkoja ja jälkimmäinen jää todennäköisesti kokonaan väliin.

Auringon aktiivisuus ja ilmasto

Auringon aktiivisuuden ja ilmaston välistä yhteyttä olen käsitellyt aikaisemmin tämän blogin artikkelissa

http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2013/11/uusi-maunderin-minimiko.html

 Huomautukset

[1] Simon J. Shepherd, Sergei I. Zharkov, and Valentina V. Zharkova; PREDICTION OF SOLAR ACTIVITY FROM SOLAR BACKGROUND MAGNETIC FIELD

VARIATIONS IN CYCLES 21–23; The Astrophysical Journal, 795:46 (8pp), 2014 November 1

Nix ja Hydra

New Horizons otti Pluton ohituksen aikana kuvia myös Pluton pienistä kuista. Tässä Nasan julkaisemat ja aikaisempaa erotuskykyisemmät kuvat.  

Nix-kuusta otettu kuva on värikuva ja tässä versiossa sen värejä on vahvistettu. Kuva on otettu heinäkuun 14. päivänä noin 165 000 km etäisyydeltä Nix-kuusta. Kuun mitat ovat noin 42×36 km ja yksityiskohdat noin 3 km kokoisia.

Hydrasta otettu kuva on monokromaattinen. Se otettiin myös heinäkuun 14. päivänä, jolloin luotaimen etäisyys kuusta oli 231 000 km. Kuu on 55 km pitkä ja pienimmät yksityiskohdat kuun pinnalla on noin 1,2 km kokoisia.

Kuva NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.

Pentakvarkki löytynyt?

Piiros © Kari. A. Kuure.

Professori Sheldon Stone’n (Physics in Syracuse University's College of Arts and Sciences, UK) johtama tutkimusryhmä on ehkä löytänyt pentakvarkit CERNissä tehdyssä tutkimuksessa. Löytö ei vielä ole aivan varma, mutta tutkimustulokset näyttävät olevan niin todistusvoimaisia, että käytännössä pentakvarkkien löytyminen on tosi.

Vuonna 1964 tutkijat[1] ehdottivat, että protonit ja neutronit (yhteiseltä nimeltään baryonit) muodostuvat alkeishiukkasista joita kutsutaan kvarkeiksi. Tavallisimmin baryonit muodostuvat kolmesta erilaisesta kvarkista[2] mutta on täysin mahdollista, että baryoni voi muodostua myös neljästä kvarkista. Näin pitäisi olla pentakvarkin kohdalla.

Pentakvarkkia ei hiukkaskokeissa ole havaittu ennen vuotta 2004. Silloin joukko tutkijoita oli päätynyt tulokseen, jonka mukaan he olivat todenneet pentakvarkin hajoamistuotteita. Tulos ei kuitenkaan kestänyt lähempää tarkastelua ja sitä pidetään yleisesti vääränä. Pentakvarkin hajoamistuotteita näyttää tässä kokeessa löytyneen mutta ei riittävästi.

Stone’n johtama tutkimusryhmä työskentelee CERNissä suureen hadronitörmäyttimeen (LHC) asennetulla LHCb-ilmaisimella. Samaisessa LHC-törmäyttimessä on asennettu Higgsin bosonin löytöön johtaneet ATLAS ja CMS- ilmaisimet.

LHCb-ilmaisimella havaitaan suhteellisen hitaasti tapahtuvia törmäyksiä, jotka johtuvat b-kvarkin sisältämien hiukkasten ominaisuuksista. Hidas jakautuminen mahdollistaa neljän luonnon perusvoiman välittäjähiukasten osallistuvan tapahtumaan.  Tällöin on myös mahdollista havaita toistaiseksi tuntemattomien voimien vaikutukset ja mahdollisesti johtaa pentakvarkin löytymiseen.

Vuonna 1974 löytyi mesoni[3], joka sai nimekseen kummallisen kaksoisnimen J/y ja se koostuu c-kvarkista ja sen antihiukkasesta (anti-c-kvarkista). C-kvarkit ovat paljon massiivisempia kuin esimerkiksi protonin muodostamat kevyet u- ja d-kvarkit. Stone’n tutkimusryhmä keskittyi J/y-mesonin ja parin muun hiukkasen hajoamisessa syntyvän b-mesonin havaitsemiseen.

Törmäyttimissä hiukkasten hajoaminen on ”likaista”, sillä hajoamistuotteita (kevyempiä hiukkasia) on runsaasti. Etsittyjä hajoamistuotteita on vaikea erottaa suuresta määrästä dataa ja sivutuotteena tulevien hiukkasten suuri määrä voi jopa peittää tai kätkeä tärkeää dataa. Näin kävi tässäkin tapauksessa: Lb-baryoni sisältää b-, u- ja d-kvarkit (protoni 2 u- ja d-kvarkit) ja se hajoaa J/y-mesoniksi ja protoniksi (p) sekä negatiivisesti varautuneeksi kaoniksi (K^-)[4]. Ongelma vain on siinä, että kyseistä hajoamista ei ole milloinkaan aikaisemmin havaittu.

Tutkimusryhmässä tohtorinväitöskirjaa valmistelevaa opiskelijaa pyydettiin tutkimaa, josko kyseinen jakautuminen olisi kätkeytynyt taustamateriaaliin? Ja olihan se, hän oli löytänyt erittäin voimakkaan signaalin! Datasta paljastui myös todella yllättävä asia: suurin osa hajoamisista oli sitä mitä tutkijat olivat osanneet odottaakin, mutta noin 10 % hajoamisista näytti aiheutuneen J/y-mesonin hajoamisesta. Jos tämä tulos on oikea, se merkitsee että pentakvarkin hajoaminen on havaittu.

Tutkimusryhmä päätti tehdä aikaisempaa tarkemman analyysin kerätylle datalle. Tulos oli hämmästyttävä: osoittautui, että pentakvarkkitiloja olikin kaksi, joilla oli erilaiset massat ja ominaisuudet. Ne edustavat kahta aineen tilaa, jollaisia ei aikaisemmin ole havaittu.

Tutkimusryhmän johtaja Sheldon Stone korostaa, että työ ei vielä ole päätöksessä, vaan on vielä valtavasti asioita, joita täytyy tehdä. Työ vaatii vielä runsaasti myös uusia QCD-teorioita.

Huomautukset

[1] tutkijat Murray Gell-Mann ja George Zweig.

[2] kvarkkeja on kuusi ja niiden anti-kvarkit: u (up, ylös), d (dawn, alas), c (charm, lumo), s (starnage, outo), t (top, huippu) ja b (bottom, pohja). Näistä t-kvarkki löydettiin viimeisenä vuonna 1994.

[3] mesoni on yhdistelmähiukkanen, jonka muodostavat kvarkki ja antikvarkki. Kaikki mesonit ovat epästabiileja ja hajoavat spontaanisti kevyemmiksi hiukkasiksi.

[4] kaonit ovat mesoneihin kuuluvia hiukkasia, joita on kaksi sähkövarattua ja kaksi neutraalia hiukkasta: K⁺, K^-, K⁰ ja anti-K⁰. Kaikkien kaoninen massat ovat hieman alle 500 MeV.