Löpö loppuu – Kepler alkaa olla finaalissa

Markus Hotakainen

Eksoplaneettoja sinnikkäästi etsinyt Kepler-avaruusteleskooppi on taas vaikeuksissa. Yhdeksän vuoden aikana se on kokenut kovia, mutta kekseliäillä kikoilla toimintaa on onnistuttu jatkamaan niin ohjausjärjestelmän osittaisesta vikaantumisesta kuin kosmisen säteilyn pommituksesta huolimatta.

Nyt lopullinen loppu alkaa kuitenkin olla lähellä. Teleskoopin asennonsäätöön tarvittava polttoaine vetelee viimeisiään. Kun Keplerin kolmesta gyroskoopista toinen rikkoutui vuonna 2013, alkuperäinen havaintosuunta jouduttiin hylkäämään ja tarkkailtavaa taivaanaluetta vaihtamaan kolmen kuukauden välein.

Tuolloin arvioitiin, että teleskoopin asentoa pystyttäisiin muuttamaan ehkä kymmenen kertaa. Aiemmin tässä kuussa se tehtiin jo 17. kerran eikä suotta. Alkuperäisen havainto-ohjelman aikana Kepler löysi yli 2 300 eksoplaneettaa ja jatko-ajallakin löytöjä on kertynyt jo reilut 300.

Kaikella on kuitenkin rajansa.

Sen lisäksi, että Kepleriä ei polttoaineen loputtua pystytä enää kääntämään uuteen, havaintojen kannalta sopivaan suuntaan, myös tietoliikenneyhteys katkeaa, kun antennia ei saada suunnattua Maahan. Sitä ennen on saatava imuroitua kaikki mahdollinen data Keplerin muistista.

Ongelmana on se, että teleskoopissa ei ole bensamittaria. Polttoaineen määrää joudutaan arvioimaan säiliössä vallitsevan paineen ja ohjausmoottoreiden toiminnan perusteella. Eikä kumpikaan keino anna kovin tarkkaa tietoa jäljellä olevan polttoaineen määrästä.

Sitä pitää kuitenkin olla riittävästi vielä vihoviimeiseen asennonsäätöön, jotta teleskooppi ja sen antenni ehditään suunnata Maahan vihoviimeistä tiedonsiirtoa varten. Lennonjohto joutuu olemaan lähiviikot ja -kuukaudet varpaillaan, sillä kun polttoaineesta on käytetty viimeinenkin pisara, Keplerin ohjaaminen käy mahdottomaksi.

Kepler-avaruusteleskoopin taru on siis lopuillaan, mutta se saa jatkoa toivon mukaan jo kuukauden kuluttua. 16. huhtikuuta on määrä laukaista avaruuteen TESS eli Transiting Exoplanet Survey Satellite. Toisin kuin Kepler, joka tarkkaili ensin Joutsenen tähdistön tienoilla ollutta aluetta ja sitten vajaata kahtakymmentä samankokoista palasta taivaasta aina kolme kuukautta kerrallaan, TESS käy läpi lähes koko taivaankannen ja etsii kirkkaita tähtiä kiertäviä planeettoja 300 valovuoden säteellä.

Keplerin hupenevasta polttoaineesta kerrottiin NASAn uutissivuilla.

Kuva: NASA

Supernovan väläyksen ensi hetket havaittu ensimmäistä kertaa (video)

Supernovan väläyksen ensi hetket havaittu ensimmäistä kertaa (video)

NASA tiedottaa, että Kepler-avaruusteleskooppi on "kuvannut" ensimmäistä kertaa räjähtävän tähden sokkiaallon kirkkaan välähdyksen näkyvän valon aallonpituusalueella. 

Jari Mäkinen
22.03.2016

Tiedotteen mukana on yllä oleva komea video, mutta sitä katsoessa kannattaa muistaa, että video on visualisointi siitä, miltä välähdys mahdollisesti näyttäisi. Kepler on havainnut vain tähden kirkkauden muutoksia, mutta tämän kirkkauskäyrän avulla voidaan päätellä varsin hyvin mitä tähdessä on tapahtunut.

Indianassa olevan Notre Damen yliopiston tutkijan Peter Garnavichin johtama tutkijaryhmä on jahdannut tällaista jo pitkään: he ovat keränneet eksoplaneettoja päätoimenaan etsivän Kepler-teleskoopin havaintoja 30 minuutin välein 500 kaukaisesta galaksista, joissa on yhteensä noin 50 miljoonaa miljoonaa tähteä.

Tutkimus julkaistiin juuri Astrophysical journal -lehdessä.

Näistä havainnoista he ovat löytäneet nyt kaksi supernovaa, vanhan tähden kuolinkouristusta, ja näistä toisen perusteella voidaan ensimmäistä kertaa päätellä miltä 20 minuuttia kestävä supernovaräjähdyksen ensimmäinen, valtavasti energiaa vapauttava välähdys näyttää.

Väläys on vähän sama kuin ydinpommin räjähdyksen ensiväläys, jonka jälkeen tulipallo alkaa laajeta ja sienipilvi nousta. Tähden tapauksessa tietysti kyse on paljon suuremmasta tapahtumasta, tosin tähden mittakaavassa 20 minuuttia kestänyt väläys on silmänräpäyksellinen.

Tapahtumassa tähden sisusta romahtaa neutronitähdeksi, jolloin vapautuva energia ponnahtaa ylös tähdestä ulospäin jopa 40 000 kilometriä sekunnissa laajenevana kuumana kaasuna.

Juuri tällöin räjähdyksessä syntyy myös uusia raskaita alkuaineita, joita ei synny normaalisti tähden toimiessa. Siksi havainto on todella kiinnostava myös sen kannalta, että voimme jäljittää paremmin tapahtumaketjua meissäkin ja ympärillämme olevien raskaiden (kuten nikkeli, kupari, kulta) alkuaineiden takana.

Havaitut tähdet ovat – tai olivat – punaisia jättiläisiä, jotka räjähtivät vuonna 2011. KSN 2011a on noin 300 Aurinkoa halkaisijaltaan oleva tähti noin 700 miljoonan valovuoden päässä Maasta. KSN 2011d on puolestaan noin 1,2 miljardin valovuoden päässä ja on kooltaan noin 500 Auringon kokoinen.

Video esittää havainnollistuksena miltä KSN 2011d:n ns. tyypin II supernova voisi näyttää. Tähti oli aluksi noin 20 000 kertaa Aurinkoa kirkkaampi punainen jättiläinen, mutta välähdyksen aikaan supernova oli yli 130 miljoonaa kertaa Aurinkoa kirkkaampi. Huippunsa kirkkaus saavutti 14 vuorokautta ensimmäisen väläyksen jälkeen, jolloin kirkkaus oli noin miljardi kertaa Aurinko.

Video: NASA Ames/W. Stenzel

 

Kylmän kääpiön kaasukehässä myrskyää

W1906+40-kääpiötähti
Markus Hotakainen

Lyyran tähdistön suunnassa noin 53 valovuoden etäisyydellä on kääpiötähti W1906+40, jonka viileässä kaasukehässä on käynnissä melkoinen myllerrys: tähden pohjoisilla napaseuduilla riehuu valtaisa pyörremyrsky.

"Tähti on Jupiterin kokoinen ja myrsky on Jupiterin Suuren punaisen pilkun kokoinen", arvioi John Gizis Delawaren yliopistosta. "Tiedämme myrskyn riehuneen vähintään kahden vuoden ajan, todennäköisesti pidempäänkin."

Tähtien kaasukehät ovat tunnetusti rauhattomia paikkoja, mutta kääpiötähdet ovat yleensä varsin vilpoisia eikä niissä esiinny yhtä voimallisia ”sääilmiöitä” kuin kuumemmissa tähdissä. 

W1906+40:n pintalämpötila on vain 2 000 celsiusastetta, joten se luokittuu vaivoin tähdeksi. Sen sisuksissa tapahtuu kuitenkin ydinreaktioita ja se säteilee, joten se kuuluu niin sanottuihin L-kääpiötähtiin sen sijaan, että olisi ruskea kääpiö eli "epäonnistunut tähti".

W1906+40 löytyi alun perin WISE-avaruusteleskoopilla (Wide-field Infrared Survey Explorer), mutta tähti sijaitsee sattumoisin taivaanalueella, johon eksoplaneettoja etsivä Kepler-avaruusteleskooppi tuijotti neljän vuoden ajan. 

Keplerin tekemien havaintojen perusteella tähden kirkkaus muuttui tavalla, joka viittasi suureen tähdenpilkkuun, vastaavanlaiseen ilmiöön kuin oman päivätähtemme auringonpilkut. Valonvaihtelussa on yhdeksän tunnin jakso, joka vastaa tähden pyörähdysaikaa.

Kun tähteä tarkkailtiin myös Spitzer-infrapunasatelliitilla, kävi ilmi, ettei kyse olekaan magneettisesta ilmiöstä vaan valtavasta, kolme kertaa Maata suuremmasta pilvipyörteestä. Tähden pintalämpötila on niin alhainen, että sen kaasukehässä muodostuu pilviä, jotka koostuvat erilaisista mineraaleista.

Aiemminkin kääpiötähtien kaasukehissä on havaittu myrskyjä, mutta ne ovat olleet paljon lyhytikäisempiä, kestoltaan vain joitakin tunteja tai korkeintaan päiviä. 

"Emme tiedä, ovatko tällaiset tähtien myrskyt harvinaisia vai yleisiä, emmekä tiedä, miksi tämä on jatkunut niin pitkään", Gizis toteaa. Jatkossa tutkijoiden onkin tarkoitus tutkia muita samankaltaisia tähtiä ja etsiä merkkejä niiden kaasukehissä mahdollisesti riehuvista pyörremyrskyistä.

Kääpiötähden myrskystä kerrottiin NASAn uutissivuilla ja tutkimus julkaistaan Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/JPL-Caltech (piirros)

NASAn suuri eksoplaneettauutinen paljastui ennenaikaisesti: tästä on kyse

Jari Mäkinen

Päivitys klo 19:05

Kyseessä on NASAn tiedotteen mukaan todellakin pitkälti Maan kaltainen planeetta, joka kiertää pitkälti Auringon kaltaista tähteä etäisyydellä, millä vesi voisi olla sopivissa olosuhteissa nestemäistä planeetan pinnalla ja periaatteessa voisi esiintyä elämää. 

KiertoradatPlaneetta on saanut nimen Kepler-452b ja se on 60% suurempi halkaisijaltaan Maahan verrattuna. Otsikkokuvassa (aiempi on vaihdettu tähän uutisen julkistamisen jälkeen) on planeetta taiteilijan hahmottelemana oikealla verrattuna vasemmalla olevaan maapalloon. 

Planeetan tähti, G2-luokkaan kuuluva Kepler-452, on arviolta kuusi miljardia vuotta vanha, eli puolitoista miljardia vuotta Aurinkoa vanhempi, ja se on noin 20% Aurinkoa kirkkaampi ja 10% suurempi halkaisijaltaan. Löydetty planeetta kiertää tähteään 5% kauempana kuin Maa Aurinkoa, joten se on mukavasti ns. elokehällä (ks. piirros oikealla). Myös Aurinko kuuluu spektriluokkaan G2.

Kepler-452 sijaitsee noin 1400 valovuoden päässä Joutsenen tähtikuviossa.

Tämän varmistetun löydön myötä Kepler-avaruusteleskoopin löytämien, varmistettujen eksoplaneettojen määrä on nyt 1030.

Kaikkiaan eksoplaneettoja on nyt löytynyt Eksoplaneetta-arkiston mukaan varmuudella 1879. Lisäksi Keplerin löytämiä ehdokkaita on 4696. New York Timesin nettisivuilla on erinomainen animoitu visualisaatio Kepler-eksoplaneetoista.

Aiempi juttumme aiheesta muokattuna:

Tiedetuubin saamien tietojen mukaan NASA julkistaa tänään illalla uutisen hyvin maankaltaisen eksoplaneetan löytymisestä. Kuten kerroimme aiemmin tänään taustajutussamme, oli entistäkin enemmän Maan tyyppisen, pitkälti Aurinkoa vastaavaa tähteä kiertävän planeetan julkistaminen varsin todennäköinen syy "mullistavaan uutiseen".

Lähteissä vinkattu ja toisestakin lähteestä todennäköisesti varmistettu tähti oli Kepler-kandidaatti KOI-4878.01, mutta se olikin K07016.01, joka sai näin uuden nimen.

Eksoplaneettojen maankaltaisuutta määrittämään käytetään ESI-indeksiä (Earth Similarity Index), missä otetaan huomioon mm. planeetan arvioitu massa, halkaisija, tiheys, pakonopeus pinnalta ja pintalämpötila. Lämpötilaan vaikuttaa mm. tähti, jota planeetta kiertää, ja kiertoradan etäisyys, sekä mahdollinen planeetalla oleva kasvihuoneilmiö. Nolla tarkoittaa erittäin erilaista planeettaa ja arvolla 1 merkitään täsmälleen Maata muistuttava planeetta. Kyseessä olleen eksoplaneetta-kandidaatin indeksi on 0,98 – mikä on varsin hyvä, kun sitä verrataan vaikkapa Marsiin, jonka indeksi on 0,697. Jos KOI-4878.01 varmistuu aikanaan todelliseksi eksoplaneetaksi, on tiedossa vieläkin merkittävämpi uutinen kuin tämänpäiväinen!

Kepler-452b:n indeksiä ei ole vielä julkaistu, mutta se ei lienee 0,9:n tienoilla. Tätä ennen meitä eniten muistuttavien planeettojen, Kepler-69c:n ja Kepler-62e:n indeksit ovat 0,82. Mitä enemmän eksoplaneettoja on löydetty, sitä enemmän niistä on löytynyt erilaisin mittapuin mitattuna Maata muistuttavia planeettoja. 

Alla ovat vielä tätä ennen eniten maankaltaiset löytyneet eksoplaneetat yhteiskuvassa:

Kuvassa vasemmalta oikealle: Kepler-69c, Kepler-62e (indeksi 0,82), Kepler-62f (0,69) ja maapallo. Vain Maasta on oikea kuva, muut ovat taiteilijan näkemyksiä.

Lue lisää uutisen taustasta: Mikä on NASAn mullistava eksoplaneettauutinen illalla?

Mikä on NASAn mullistava eksoplaneettauutinen illalla?

Kepler-teleskooppi
Jari Mäkinen

NASA aikoo tiedottaa tänään uusista Kepler-avaruusteleskoopin tekemistä eksoplaneettalöydöistä, ja nähtävästi mukana on jotain erinomaisen kiinnostavaa. 

Kyseessä ei ole ensimmäinen kerta, kun Keplerin tuloksista on aihettakin kertoa laajemmin: kyseessä on historian tehokkain ja paras eksoplaneettojen löytäjä, ja on löytänyt vuodesta 2009 alkaen yli 2740 muuta tähteä kuin Aurinkoa kiertävää planeettaa tai todennäköistä sellaista. Näistä yli tuhat on jo varmistettuja tapauksia.

Löydöistä on tiedotettu säännöllisin väliajoin vuodesta 2009 alkaen, jolloin tämä noin tonnin painoinen avaruusteleskooppi varmisti ensi töikseen erään aiemmin epäillyn eksoplaneettakandidaatin (HAT-P-7b) olemassaolon.

Sen jälkeen uusista löydöistä on tiedotettu epäsäännöllisen säännöllisesti pari kertaa vuodessa, ja edellinen kerta oli tämän vuoden tammikuussa. Maankaltaisia planeettoja Kepler on löytänyt jo monta, ja niistä usea kiertää myös Auringon tyyppisen tähden ympärillä. Olisiko kyseessä jälleen uuden, "vieläkin enemmän Maan kaltaisen" eksoplaneetan löytäminen? Tai aiemman löydön varmistaminen?

Tämä on todennäköisin vaihtoehto, sillä tänään illalla klo 19 Suomen aikaa olevan lehdistötilaisuuden puhujien joukossa on mm. eksoplaneettojen löytämisen pioneeri Didier Queloz ja heikkojen planeetoista kertovien valonvaihtelusignaalien erikoistuntija Jeffrey Goughlin.

Edellisen kerran havaintotietoja annettiin kansainväliselle tutkijayhteisölle vapaasti käytettäväksi tammikuussa 2012. Mahdollisesti seuraava suuren havaintosatsin vapauttaminen on nyt ainakin osa suurta uutista.

Keplerin työtahti on kuitenkin hidastunut olennaisesti alkuajoista, sillä sen asennonsäädöstä huolehtivat vauhtipyörät ovat vuosien saatossa hajonneet. Teleskoopilla on neljä vauhtipyörää, joista ensimmäinen rikkoontui jo kesällä 2012 ja toinen keväällä 2013, jolloin havainnot jouduttiin keskeyttämään. Sen jälkeen lennonjohdossa keksittiin tapa suunnata teleskooppi kahden vauhtipyörän avulla, mutta tarkkuus ei ole sama kuin aiemmin.

Tämän vuoksi Keplerin rahoitus oli vaakalaudalla, kunnes sen tehtävää muutettiin virallisesti ”vain” tähtien kirkkauksien mittaamiseen. Sen on havainnut planeettoja nimen omaan tähtien kirkkaudessa olevien pienenpieniä muutoksia mittaamalla, mutta nyt se keskittyisi vähemmän tarkkaan fotometriaan. Se siis tutkisi supernovaräjähdyksiä ja aurinkokunnassa olevien asteroidien sekä komeettojen kirkkauksia. 

Onneksi kuitenkin se on pystynyt myös planeettametsästykseen, tosin sen rahoitus on koko ajan vaakalaudalla. Onkin mahdollista, että suurin syy mahtavaan tiedostustilaisuuteen onkin huomion kiinnittäminen siihen, että teleskoopin työtä haluttaisiin jatkaa ja poliitikoilta Yhdysvalloissa halutaan siihen rahaa.

Olisiko siis tilaisuuden pihvinä uuden teleskoopin tekeminen? Ollaanhan samaan aikaan jo muualla suunnittelemassa parempia laitteita, kuten esimerkiksi tulevaa PLATO-eksoplaneettateleskooppia.

Kuva: Kepler löytää eksoplaneettoja mittaamalla tarkasti tähden kirkkauden vaihtelua planeetan kulkiessa sen edestä.

Kepler on historian tärkein eksoplaneettalöytäjä

Jo nyt Keplerin julkistettujen tulosten perusteella voidaan arvioida, että tuhannen valovuoden etäisyydellä meistä voisi olla 30 000 asuinkelpoista planeettaa. Linnunradassa niitä saattaisi olla 500 miljoonaa kaikkiaan noin 50 miljardista planeetasta.

Kenties kolmella prosentilla Auringon kaltaisista tähdistä voisi olla maankaltaisia planeettoja, jotka kiertävät tähteään sellaisella etäisyydellä, että niillä on elämälle otollisen olosuhteet.

Tammikuussa 2012 kansainvälinen tutkijaryhmä arvioi, että Linnunradassa olisi jokaisella tähdellä keskimäärin 1,6 planeettaa. Keplerin havaintoja tutkivien tähtitieteilijöiden mukaan tähdistä 5,4 prosentilla voi olla Maan kokoisia planeettoja ja ylipäänsä planeettoja on noin 17 prosentilla tähdistä.

Kaikkiaan Keplerin löytämistä planeetoista ja toistaiseksi varmistamattomista, mutta todennäköisistä planeetoista 207 on jotakuinkin Maan kokoisia, 608 hieman Maata suurempia, 1181 Neptunus-planeetan kokoisia, 203 Jupiterin kokoisia ja 55 on vieläkin suurempia.

Näistä 48 näyttää kiertävän elinkelpoisella alueella tähteään.

Kiinnostavimpia eksoplaneetoista ovat ensimmäisinä löydetyt jotakuinkin Maan kokoiset Kepler-20e ja Kepler-20f, jotka kiertävät Auringon kaltaista tähteä Kepler-20; Kepler-62:n ympärillä olevat Kepler-62e ja Kepler-62f, joissa saattaa olla myös vettä; ensimmäinen lähes täsmälleen Maan kokoinen eksoplaneetta Kepler-186f; sekä kaksi Maan kaltaista kiviplaneettaa Kepler-438b ja Kepler-442b.

Kenties nyt tulossa oleva julkistus liittyy vieläkin enemmän Maan kaltaisen planeetan löytämiseen, joskin hyvin samantyyppisiä tapauksia on siis jo löytynyt.

Tätä juttua päivitetään heti kun tietoa on saatavilla. Niitä odotellessa voi katsoa alla olevia infografiikoita kaikista tähän mennessä löytyneistä maankaltaisista eksoplaneetoista – muutkin kuin Kepler ovat niitä löytäneet!

Huomaa, että piirroksissa planeettojen kuvat ovat kuviteltuja; niistä ei ole saatu kuvia ja niiden koko-, tiheys- ja koostumustiedot on päätelty epäsuorasti.

Kuvalähteet: Planetary Habitability Laboratory, UPR Arecibo

Päivitys klo 16:14:
Jutun alussa ollut mediakriittinen aloitus on jätetty pois. Se ei kuulunut asiaan, mutta se on silti edelleen asiallinen ("tiedostusvälineissä tupataan kertomaan NASAn tiedottamista asioista ilman sen suurempaa kritiikkiä, mutta harvoin käy niin, että tulossa olevasta tiedotustilaisuudesta tehdään jo suuria otsikoita").

Päivän sää: Selkenevää ja tuhat astetta varjossa

Markus Hotakainen

Suomen vaihtelevat kelit herättävät etenkin kesäisin kiihkeää keskustelua, mutta varsinaiseen valittamiseen meillä ei oikeastaan ole aihetta. Joillakin eksoplaneetoilla mikä tahansa meikäläinen keli olisi ihan kelvollinen.

Ray Jayawardhanan johtama kansainvälinen tutkijaryhmä on onnistunut selvittämään kuuden eksoplaneetan säätilan vaihteluita sikäläisen vuorokauden mittaan. Havainnot perustuvat Kepler-avaruusteleskoopin mittauksiin.

Ryhmä kävi läpi havaintoja, jotka Kepler teki noin neljän vuoden mittaisen päätutkimusjaksonsa aikana. Aineistossa on kaikkiaan 14 eksoplaneettaa, joiden kirkkaudessa näkyy vaiheen muutoksen aiheuttamia vaihteluja.

Kun eksoplaneetta kiertää tähteään, Maahan näkyy toisinaan kapea sirppi, toisinaan pulleampi osa valaistusta puoliskosta – samaan tapaan kuin Merkuriuksesta ja Venuksesta niiden kiertäessä Aurinkoa Maan radan sisäpuolella.

Planeetoista vajaalla puolella eli kuudella nähtiin merkkejä myös sään aiheuttamista vaihteluista. Neljällä planeetalla aamut ovat pilvisiä, kahdella muulla planeetalla puolestaan iltapäivät ovat pilvettömiä ja tukahduttavan kuumia. 

Nyt tutkitut planeetat ovat paljon Maata suurempia, suunnilleen Jupiterin kokoluokkaa, ja niiden pintalämpötilat yli 1 600 celsiusastetta.

Nykyisillä havaintolaitteilla ei vielä pystytä tarkastelemaan maankaltaisten planeettojen vaiheita ja kirkkaudenvaihteluita. Siihen vaaditaan tulevien tutkimussatelliittien kuten TESSin (The Transiting Exoplanet Survey Satellite) ja PLATOn (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) suurempaa tarkkuutta ja erotuskykyä.

Kaukaisista kelihavainnoista kerrottiin Yorkin yliopiston uutissivuilla ja tutkimus julkaistiin Astrophysical Journal -lehdessä 12. toukokuuta.

Kuva: Yorkin yliopisto

 

 

Avaruudessa tuulee

Avaruus on tyhjää täynnä. Tai sellainen on yleinen ja vallitseva käsitys sen olemuksesta. Monien muiden selviöinä pidettyjen asioiden tavoin se ei ole totta.

Maanpäällisiin olosuhteisiin verrattuna avaruudessa on toki vähemmän ainetta kuin parhaimmissakaan laboratorioissa luoduissa tyhjiöissä, mutta silti siellä on jotain: säteilyä, magneettikenttiä ja hiukkasia.

Suurin osa hiukkasista – kuten säteilystäkin – on lähtöisin Auringosta. Päivänkehrän pintakerroksissa tapahtuvat purkaukset syytävät kaiken aikaa avaruuteen sähköisesti varattuja hiukkasia.

Kaikkein voimallisimmat räjähdykset synnyttävät suunnattomia koronan massapurkauksia, joiden myötä hiukkasia voi päätyä Maan ilmakehään saakka. Ja tunnetusti silloin napaseuduilla leimuavat kirkkaat revontulet.

Auringosta puhaltava hiukkastuuli ei ole ainoa avaruudessa vaikuttava voima. Tyhjässä (okei, melkein tyhjässä) ja painottomassa tilassa säteilykin saa aikaiseksi tuntuvan paineen, joka kohdistuu kaikkeen aineelliseen. Se vaikuttaa komeetoista irronneeseen pölyyn ja kaasuun, mutta myös massiivisempiin kappaleisiin kuten avaruusaluksiin.

Avaruuspurjeita on kaavailtu jo pitkään ekologiseksi etenemiskeinoksi avaruudessa. Neliökilometrien laajuiseen kevyeen materiaaliin kohdistuva säteilypaine aiheuttaa työntövoiman, joka on vähäinen, mutta sitäkin sinnikkäämpi. Aurinkopurjeella varustetun aluksen vauhti kiihtyisi hitaasti, varmasti ja jatkuvasti.

Säteilypainetta voidaan hyödyntää myös innovatiivisemmin ja jopa tavoilla, joita ei ole edes ajateltu siinä vaiheessa kun avaruudessa matkaavaa alusta on alkujaan suunniteltu. Hyvä esimerkki on Kepler-avaruusteleskooppi.

Gyroskooppiensa ansiosta se tuijotti järkähtämättä kohti Joutsenen, Lyyran ja Lohikäärmeen tähdistöjen rajaseutuja, ja tarkkaili herkeämättä 150 000 tähden kirkkautta neljän vuoden ajan. Kun vauhtipyöristä oli toimintakunnossa enää kaksi, teleskoopin ohjaus ja suuntaus kävi mahdottomaksi. Havainto-ohjelma jouduttiin keskeyttämään.

Kepler-tiimi ei jäänyt raastamaan epätoivoissaan hiuksiaan vaan kehitti ongelmaan ratkaisun, jonka turvin teleskooppi saatiin uudelleen käyttöön. Kahden gyroskoopin avulla sen suuntaa voitiin edelleen säädellä ja ylläpitää Maan ratatasossa – ja kolmanteen ulottuvuuteenkin löytyi lääke: säteilypaine.

Kepler-avaruusteleskoopin aurinkopaneelit muodostavat sen toiselle puolelle harjakattomaisen rakenteen. Kun teleskooppi käännettiin siten, että "katonharja" osoittaa suoraan Aurinkoon, säteilypaine kohdistaa yhtä suuren voiman kumpaankin lappeeseen – ja pitää aluksen vakaasti halutussa asennossa.

Aurinkoa kiertäessään Kepler ei enää pysty tuijottamaan jatkuvasti samaan kohtaan taivaalla, mutta havaintosuuntaa ei kuitenkaan tarvitse muuttaa kuin 2,5 kuukauden välein. Uudistettu etsintä on ollut käynnissä toukokuusta 2014 lähtien. Ensimmäiset "K2-ohjelman" eksoplaneettaehdokkaat löytyivät jo puolentoista viikon havaintojen jälkeen ja ensimmäisestä varmistetusta löydöstä kerrottiin joulukuussa. Kiitos tiimin innovatiivisuuden ja Auringon säteilypaineen.

Mikään ei olekaan niin viisas kuin ihminen. Paitsi…

Teksti on julkaistu myös Ursan Avaruustuubissa.

 

blogi
markus hotakainen
aurinkotuuli
säteilypaine
Kepler
K2

Kepler Kakkonen – eksoetsijän jatkoaika

Markus Hotakainen

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.

Tilaa aihepiirin Kepler RSS-syöte