Kepler Kakkonen – eksoetsijän jatkoaika

Toistaiseksi menestyksekkäin eksoplaneettojen etsintäohjelma on ollut Kepler. Havaintolaitteena on avaruuteen sijoitettu teleskooppi, jossa on 1,4 metrin läpimittainen peili. Teleskoopin aukko on rajattu 95 senttimetriin, jolloin näkökentän halkaisija on 12 astetta, siis yli 20-kertainen Kuun näennäiseen läpimittaan verrattuna.

Koska Kepler-avaruusteleskoopilla ei ole tarkoitus ottaa mahdollisimman tarkkoja kuvia, sen muodostama näkymä on hieman epätarkka. Tähdet eivät ole pistemäisiä vaan pieniä kiekkoja. Silloin teleskoopin päätehtävä eli tähtien kirkkauden mittaaminen on helpompaa ja tarkempaa.

Tähtien kirkkauksia tarkkaillaan instrumentilla, jossa on kaikkiaan 42 ccd-ilmaisinta. Periaatteessa samanlaista kennoa kuin digikameroissa. Kooltaan ne ovat kuitenkin paljon suurempia ja muodostavat noin puolimetriä kanttiinsa olevan 95 megapikselin ”kameran”. Näin tehokkaan ilmaisimen keräämä tietomäärä on niin suuri, että sen lähettäminen teleskoopista radioteitse suoraan ja reaaliaikaisesti Maahan on mahdotonta.

Havaintoaineistosta karsiutuvat ensin pois kaikki tähdet, joiden kirkkaus on pienempi kuin 16 magnitudia (himmeimmät paljain silmin näkyvät tähdet ovat magnitudia kuusi), sitten tiedot tallennetaan tietokoneen muistiin ja kerran kuussa Kepler lähettää tekemänsä havainnot datapakettina Maahan.

Avaruusteleskooppi laukaistiin keväällä 2009 radalle, jolla se kiertää Aurinkoa hieman Maan radan ulkopuolella. Kiertoaika on 373 vuorokautta, joten Kepler jää jatkuvasti hieman jälkeen Maasta. Näin varmistettiin, että oma kotiplaneettamme ei häiritse vetovoimallaan eikä heijastamallaan valolla teleskoopin toimintaa.

12 asteen läpimittainen näkökenttä suunnattiin kohti Joutsenen, Lyyran ja Lohikäärmeen tähdistöjä. Siten Kepler tarkkaili tähtiä, jotka ovat Linnunrataa kiertävän Aurinkokunnan suhteen menosuunnassa. Näin näkökenttään saatiin tähtiä, jotka ovat Linnunradan tasossa ja suunnilleen samalla etäisyydellä sen keskustasta kuin Aurinko. Joidenkin teorioiden mukaan sillä saattaa olla merkitystä planeettojen elinkelpoisuuden kannalta.

Keplerin tarkkailemalla alueella on noin 150 000 tähteä, jotka ovat pääsarjassa eli kehityksensä rauhallisessa ja pitkäaikaisimmassa vaiheessa. Eksoplaneettojen etsintä perustuu siihen, että tähden editse kulkiessaan ne peittävät pienen osa tähdestä taakseen, jolloin sen valo himmenee hiukan: Maan kokoluokkaa olevan planeetan tapauksessa prosentin sadasosan verran.

 

Keplerin ylivoimaisena etuna on, että se tarkkaili kaikkia 150 000 tähteä samanaikaisesti ja jatkuvasti. Menetelmän rajoituksena puolestaan on, että planeetan ratatason on oltava lähellä suuntaa, josta tähteä tarkastellaan. Jos oletetaan, että auringonkaltaisella tähdellä on maankaltainen planeetta, joka kiertää sitä samalla etäisyydellä kuin Maa kiertää Aurinkoa, rata on planeetan löytymisen kannalta sopivassa asennossa noin puolen prosentin todennäköisyydellä.

Havaittavienkin eksoplaneettojen löytymistä puolestaan hidastaa se, että ylikulun aiheuttama tähden kirkkauden himmeneminen on mitattava kolmeen otteeseen, jotta löytö voidaan varmistaa. Lähempänä tähteä kiertävä planeetta kulkee sen editse lyhyemmin väliajoin, joten niiden olemassaolon varmistaminen onnistuu nopeammin. Jos otetaan jälleen vertailukohdaksi Maa, samankokoisen ja samanlaisella radalla kiertävän planeetan olemassaolo varmistuisi vasta kolmen vuoden havaintojen tuloksena.   

Menetelmän rajoituksista huolimatta Keplerin ensimmäiset havainnot kesältä 2009 osoittivat avaruusteleskoopin toimivan odotusten mukaan: se varmisti aiemmin löytyneen eksoplaneetan olemassaolon ja löysi muutamassa viikossa viisi ennestään tuntematonta planeettaa. Varsinaisen havainto-ohjelmansa aikana Kepler listasi yli 3 800 eksoplaneettakandidaattia, joista liki tuhat on jo varmistettu.

Osa lopuista ehdokkaista saattaa osoittautua virhehavainnoiksi, mutta yli 90 prosentin arvellaan kuitenkin olevan todellisia planeettoja. Niiden olemassaolo varmistuu myöhemmin avaruudesta tai maanpinnalta tehdyillä havainnoilla. Jos planeetan kiertoaika on useita vuosia, Kepler ehti neljän vuoden aikana ”nähdä” ainoastaan yhden ylikulun. Sen toiminta nimittäin päättyi alkuperäisessä muodossaan vuonna 2013.

Keplerin suuntaukseen käytettiin gyroskooppeja, joita tarvitaan kolmen suunnan hallintaan kolme. Usein avaruusaluksiin asennetaan varmuuden vuoksi neljä gyroskooppia, niin myös Kepleriin. Onneksi, sillä yksi niistä rikkoutui jo kesällä 2012. Kun toinenkin gyroskooppi meni epäkuntoon keväällä 2013, teleskoopin tarkka suuntaus ei enää onnistunut, joten havainto-ohjelma jouduttiin keskeyttämään.

 

Tutkijat eivät jääneet toimettomina manailemaan huonoa tuuria, vaan suunnittelivat uuden ohjelman, josta Kepler suoriutuisi rampanakin. Sen sijaan, että teleskooppi tuijottaisi vuosikausia täsmälleen samaan suuntaan ja tarkkailisi tähtien kirkkauksia yhdellä ainoalla taivaanalueella, se siirtää säännöllisin väliajoin katsettaan pitkin Maan ratatasoa eli ekliptikaa. Sen suunnassa teleskoopin kääntely onnistuu kahden yhä toimivan gyroskoopin turvin.

Kun tarkkaa suuntausta ei voida enää tehdä ja ylläpitää mekaanisesti, Kepler käännetään sellaiseen asentoon, että se pysyy vakaana Auringon säteilypaineen ansiosta. Avaruusteleskoopin aurinkopaneelit muodostavat sen toiselle puolelle harjakattomaisen rakenteen. Kun teleskooppi käännetään kiertoratansa tason suuntaiseksi ja ”katonharja” suoraan kohti Aurinkoa, säteilypaine jakautuu paneeleihin tasaisesti ja pitää teleskoopin tukevasti samassa asennossa.

Uuden menetelmän ansiosta Kepler voi tuijottaa samaan suuntaan kerrallaan noin 2,5 kuukauden ajan. Sitten sitä on käännettävä uudestaan, jotta Aurinko ei pääse paistamaan suoraan teleskooppiin ja kärventämään sen herkkiä ilmaisimia. Ensimmäinen 75 vuorokauden havaintojakso alkoi toukokuussa ja kahden vuoden aikana on tarkoitus toteuttaa 9–10 samanpituista jaksoa.

Lyhyt havaintoaika yhtä aluetta kohti pienentää todennäköisyyttä löytää uusia ja etenkin maankaltaisia planeettoja auringonkaltaisilta tähdistä. Uusien planeettojen kiertoaika voi olla korkeintaan kolmisen viikkoa, jotta ylikulkuja kertyy varmaan havaintoon vaaditut kolme kappaletta.

Siksi Kepler tekee K2-ohjelman aikana eksoplaneettojen etsinnän lisäksi havaintoja eri-ikäisistä tähdistä, supernovista, tähtijoukoista ja aktiivisista galakseista. Samalla saadaan listattua lupaavia kohteita tuleville avaruusteleskoopeille, esimerkiksi vuonna 2018 laukaistavalle Webb-avaruusteleskoopille, jota on tarkoitus käyttää myös eksoplaneettojen metsästykseen.

Varsinaisten havaintojen aloittamista edelsi puolentoista kuukauden testijakso, jonka aikana improvisoitu suuntausmenetelmä osoittautui hyvin tarkaksi. Keplerin näkökentän todettiin vaeltavan ainoastaan yhden pikselin verran kuudessa tunnissa. Tekemällä ohjausraketeilla aika ajoin pientä hienosäätöä päästään liki samaan tarkkuuteen kuin varsinaisen havainto-ohjelman aikana. Polttoaineen kulutuskin on niin vähäistä, että sen lasketaan riittävän kolmen vuoden jatkoaikaan.

Havaintojakson ensimmäisen puolentoista viikon aikana Kepler löysi jo kolme eksoplaneettaehdokasta, jotka kaikki ovat kooltaan Jupiterin luokkaa. Tutkijat odottavat, että K2-ohjelmalla saadaan haaviin maankaltaisten ja jättiläisplaneettojen välimaastossa olevia kiertolaisia sekä vasta syntymässä olevia planeettoja, jotka piileksivät osittain protoplanetaaristen kiekkojen sisällä. Niiden myötä saataisiin tietoa myös planeettajärjestelmien synnystä ja varhaisista kehitysvaiheista.


Juttuja samasta aiheesta