6. lokakuuta 1995 kahdessa sveitsiläisessä astronomissa tekivät Firenzessä, Italiassa pidetyssä tiedekonferenssissa ilmoituksen, joka muutti käsityksemme aurinkokunnan ulkopuolella olevasta maailmankaikkeudesta .
Michel Mayor ja hänen jatko-opiskelijansa Didier Queloz Geneven yliopistosta ilmoittivat löytäneensä planeetan, joka kiertää aurinkoa poikkeavaa tähteä.
Kyseinen tähti, 51 Pegasi, sijaitsee noin 50 valovuoden päässä meistä, Pegasuksen tähdistössä.
Sen kumppani, joka sai nimen 51 Pegasi b, ei ollut lainkaan samanlainen kuin oppikirjoissa kuvatut planeetat.
Se oli kaasujättiläinen, jonka massa oli vähintään puolet Jupiterin massasta ja joka kiertää tähtensä ympäri hieman yli neljässä päivässä. Se oli niin lähellä tähteä, että sen ilmakehä oli kuin kuuma uuni, jonka lämpötila oli yli 1000 °C.
Löytö tehtiin Elody-spektrografin avulla, joka oli asennettu kaksi vuotta aiemmin Ylä-Provencen observatorioon Etelä-Suomessa.
Suomalaisen tiimin kehittämä Elody-teleskooppi hajottaa tähtien valon eri värien spektriksi, paljastaen ohuen tumman viivojen sateenkaaren. Näitä viivoja voidaan pitää ”tähtien viivakoodina”, joka sisältää tietoa muiden tähtien kemiallisesta koostumuksesta.
Mayor ja Kelo havaitsivat, että 51 Pegasin viivakoodi liukui rytmisesti edestakaisin tällä spektrillä 4,23 päivän välein, mikä on varma merkki siitä, että tähti heilahtelee näkymättömän kumppanin painovoiman vaikutuksesta tähden kirkkauden vuoksi.
Hylättyään huolellisesti muut selitykset, astronomit päättivät lopulta, että muutosten syy on läheisellä kiertoradalla oleva kaasujättiläinen.
Nature-lehden kannessa, jossa hänen artikkelinsa julkaistiin, oli otsikko: ”Planeetta Pegasuksessa?”
Löytö hämmensi tutkijoita, ja Nature-lehden kannessa oleva kysymysmerkki heijasti alkuperäistä skeptisyyttä.
Oletettavasti kyseessä oli jättiläisplaneetta lähellä tähtiään, mutta ei ollut tiedossa yhtään mekanismia, jolla tällainen maailma olisi voinut muodostua niin kuumassa ympäristössä.
Tuhansia ja tuhansia
Vaikka signaali vahvistettiin muiden tiimien toimesta muutaman viikon kuluessa, epäilykset sen syystä jatkuivat lähes kolme vuotta, ennen kuin ne lopullisesti suljettiin pois.
51 Pegasi b ei ollut vain ensimmäinen planeetta, joka löydettiin aurinkokuntamme ulkopuolella aurinkoa muistuttavan tähden kiertoradalta, vaan se edustaa myös täysin uutta planeettatyyppiä.
Myöhemmin näitä planeettoja kuvaamaan keksittiin termi ”kuuma Jupiter”.
Löytö osoittautui oven halkeamaksi, joka avautuessaan aiheutti tulvan.
Siitä lähtien 30 vuoden aikana on luetteloitu yli 6000 eksoplaneetta (termi, joka tarkoittaa planeettoja aurinkokuntamme ulkopuolella) ja potentiaalisia eksoplaneettojen ehdokkaita.
Niiden monimuotoisuus on hämmästyttävä: ei vain kuumia Jupiter-planeettoja, vaan superkuumia, joiden kiertoaika on alle vuorokausi; maailmoja, jotka eivät kiertele yhden, vaan kahden tähden ympäri, kuten Tatooine Tähtien sodassa; outoja, erittäin paksuja kaasujättiläisiä, jotka ovat Jupiteria suurempia, mutta joiden massa on vain pieni osa sen massasta; ketjuja pieniä kivisiä planeettoja, jotka kaikki ovat tiiviissä kiertoradoissa.
51-Pegb:n löytäminen oli mullistava, ja vuonna 2019 Mayor ja Kelo saivat Nobelin palkinnon.
Nyt voimme päätellä, että useimmilla tähdillä on planeettakuntia; kuitenkin tuhansista löydetyistä eksoplaneetoista emme ole vielä löytäneet planeettakuntaa, joka olisi samanlainen kuin meidän.
Etsintä maapallon kaksoiskappaleesta kannustaa edelleen nykyajan tutkijoita, kuten meitä, etsimään uusia eksoplaneettoja.
Retkemme eivät ehkä sisällä vaativia vaelluksia ja matkoja, kuten legendaaristen menneiden aikojen maapallon tutkijoiden, mutta vierailemme upeissa observatorioissa vuorten huipuilla, jotka sijaitsevat usein syrjäisillä alueilla ympäri maailmaa.
Olemme jäseniä kansainvälisessä planeettojen metsästäjien konsortiossa, joka on rakentanut, käyttää ja huoltaa Harps-N-spektrografin, joka on asennettu Galileo-kansalliseen teleskooppiin kauniilla La Palman saarella Kanariansaarilla.
Tämä monimutkainen laite antaa meille mahdollisuuden keskeyttää tähtien valon matka, joka voisi levitä esteettä 1,08 miljardin km/h nopeudella vuosikymmenten tai jopa vuosituhansien ajan.
Jokainen uusi signaali voi potentiaalisesti tuoda meidät lähemmäksi ymmärrystä siitä, kuinka yleisiä (tai harvinaisia) planeettakunnat, kuten omamme, voivat olla.
Sen taustalla on mahdollisuus, että jonain päivänä löydämme vihdoin toisen Maata muistuttavan planeetan.
Eksoplaneettojen tutkimuksen alku
1990-luvun puoliväliin asti aurinkokuntamme oli ainoa ihmiskunnalle tunnettu planeettakunta.
Kaikki teoriat planeettojen muodostumisesta ja evoluutiosta perustuivat näihin yhdeksään uskomattoman läheiseen datapisteeseen (joiden määrä väheni kahdeksaan, kun Pluto siirrettiin toissijaiseksi vuonna 2006, kun Kansainvälinen tähtitieteellinen liitto sopi uudesta planeetan määritelmästä).
Kaikki nämä planeetat kiertävät yhtä tähteä, joka on yksi noin 100 miljardista tähdestä, jotka muodostavat Linnunradan galaksin.
Se tosiasia, että universumissa on todennäköisesti vähintään 100 miljardia galaksia, paljastaa entistä enemmän tietämättömyytemme.
Aivan kuin avaruusolennot yrittäisivät määrittää ihmisen luonnetta ja käyttäytymistä tutkimalla yhdessä samassa talossa asuvia opiskelijoita.
Mutta se ei estänyt historian suurimpia mieliä pohtimasta, mitä meitä odottaa mahdollisen rajan takana.
Suuri filosofi Epikuros (341–270 eKr.) kirjoitti Herodotokselle kirjeessä: ”On olemassa ääretön määrä maailmoja, joista jotkut ovat samanlaisia kuin tämä, toiset taas tämän kaltaisia.”
Tämä väite ei perustunut mihinkään tähtitieteellisiin havaintoihin, vaan hänen atomistiseen filosofiateoriaansa. Jos maailmankaikkeus koostuu äärettömästä määrästä atomeja, hänen mielestään muiden planeettojen on pakko olla olemassa.
Hän ymmärsi myös selvästi, mitä tämä voi tarkoittaa elämän kehittymisen mahdollisuuksien kannalta muissa paikoissa: ”Emme saa olettaa, että maailmat ovat välttämättä samanlaisia”, hän sanoi. ”Yhdessä maailmassa voivat olla siemeniä, joista syntyvät eläimet, kasvit ja kaikki muu, mitä näemme, kun taas toisessa maailmassa niitä ei voi olla.”
Sitä vastoin suunnilleen samaan aikaan hänen kollegansa, kreikkalainen filosofi Aristoteles (384–322 eKr.), esitti geosentrinen mallinsa maailmankaikkeudesta, jonka keskipisteessä oli liikkumaton Maa ja jonka ympärillä Kuu, Aurinko ja tunnetut planeetat kiertelivät.
Aristoteleen mukaan aurinkokunta oli itse asiassa koko maailmankaikkeus. Teoksessaan ”Taivaasta” (350 eKr.) hän väitti: ”Tästä seuraa, että maailmaa voi olla vain yksi.”
Ajatus siitä, että planeetat ovat harvinaisia maailmankaikkeudessa, säilyi 2000 vuoden ajan.
Sir James Jeans, yksi maailman johtavista matemaatikoista, vaikutusvaltainen fyysikko ja tähtitieteilijä 1900-luvun alussa, esitti vuonna 1916 vuorovesihypoteesinsa planeettojen muodostumisesta.
Tämän teorian mukaan planeetat muodostuivat, kun kaksi tähteä lähestyi toisiaan niin paljon, että törmäyksen seurauksena avaruuteen heitettiin tähtien kaasupilviä, jotka myöhemmin tiivistyivät planeetoiksi.
Tällaisen läheisen kosmisia kohtaamisten harvinaisuus äärettömän avaran kosmoksen avaruudessa johti Jeansin ajatukseen, että planeetat ovat harvinaisia tai jopa, kuten hänen muistokirjoituksessaan todettiin, ”että aurinkokunta voi olla ainutlaatuinen universumissa”.
Tuolloin ymmärrys universumin laajuudesta oli kuitenkin vähitellen muuttumassa.
Vuoden 1920 suuressa keskustelussa, joka käytiin Smithsonianin luonnontieteellisessä museossa Washingtonissa, Columbian piirikunnassa, amerikkalaiset astronomit Harlow Shapley ja Heber Kirtz olivat eri mieltä siitä, onko Linnunrata koko maailmankaikkeus vai vain yksi monista galakseista.
Todisteet alkoivat viitata jälkimmäiseen, kuten Curtis oli väittänyt.
Tietoisuus siitä, että maailmankaikkeus koostuu paitsi miljardeista tähdistä myös miljardeista galakseista, joista jokainen sisältää miljardeja tähtiä, alkoi järkyttää jopa pessimistisimpiä planeetan levinneisyyden ennustajia.
1940-luvulla kaksi tekijää johti radikaaliin muutokseen tieteellisessä konsensuksessa.
Ensinnäkin Jeansin vuorovesihypoteesi ei kestänyt tieteellistä kritiikkiä: vallitsevat teoriat pitivät planeettojen muodostumista luonnollisena sivutuotteena tähtien muodostumisesta, mikä avasi mahdollisuuden, että kaikilla tähdillä on planeettoja.
Vuonna 1943 ilmestyi ilmoituksia planeettojen olemassaolosta, jotka kiertävät tähtiä 70 Ophiuchus ja 61 Cygnus C – kahta suhteellisen lähellä olevaa tähtijärjestelmää, jotka ovat näkyvissä paljaalla silmällä.
Myöhemmin osoitettiin, että molemmat tulokset olivat vääriä positiivisia, todennäköisesti johtuen tuolloin mahdollisten teleskooppihavaintojen epätarkkuudesta.
Tämä kuitenkin vaikutti valtavasti planeettoja koskevaan ajatteluun. Yhtäkkiä miljardien planeettojen olemassaolo Linnunradalla alkoi tuntua todelliselta tieteelliseltä mahdollisuudelta.
Meille mikään ei kuvaa tätä ajattelutavan muutosta paremmin kuin vaikutusvaltaisen amerikkalaisen astronomin Henry Norris Russellin heinäkuussa 1943 Scientific American -lehdelle kirjoittama artikkeli.
Vaikka kaksi vuosikymmentä aiemmin Russell oli ennustanut, että planeetat ”ovat todennäköisesti harvinaisia tähtien joukossa”, hänen artikkelinsa nimi oli nyt ”Antropokeskeisyyden romahdus”. Ensimmäinen lause oli: ”Uudet löydöt viittaavat siihen, että galaksissamme on todennäköisesti tuhansia asuttavia planeettoja”.
Yllättävää kyllä, Russell ei ennustanut vain jonkinlaista muinaista planeettaa, vaan asuttavia planeettoja.
Keskeinen kysymys oli: missä ne olivat? Kesti vielä puoli vuosisataa, ennen kuin alettiin selvittää sitä.
Kuinka löytää eksoplaneetta
Katsellessamme lukemattomia tähtiä Galileo-teleskoopilla La Palman saarella on hämmästyttävää tajuta, kuinka pitkälle olemme edenneet siitä, kun Mayor ja Quelon ilmoittivat 51 Pegasi b:n löytymisestä vuonna 1995.
Nykyään voimme mitata tehokkaasti paitsi Jupiterin kaltaisten planeettojen massan, myös tuhansien valovuosien päässä sijaitsevien pienten planeettojen massan. Harps-N-projektin puitteissa olemme olleet pienten eksoplaneettojen tutkimuksen eturintamassa vuodesta 2012 lähtien.
Toinen merkkipaalu tässä historiassa tapahtui neljä vuotta 51 Pegasi b:n löytämisen jälkeen, kun kanadalainen Harvardin yliopiston jatko-opiskelija David Charbonneau löysi tunnetun eksoplaneetan kauttakulun: toisen kuuman Jupiterin, joka tunnetaan nimellä HD209458b ja joka sijaitsee myös Pegasuksen tähdistössä noin 150 valovuoden päässä Maasta.
Transit kuvaa planeetan kulkua tähtensä edessä havainnoijan näkökulmasta, minkä seurauksena se hetkellisesti himmenee.
Eksoplaneettojen löytämisen lisäksi transit-menetelmän avulla voimme mitata planeetan säteen mittaamalla sen kirkkauden useita kertoja ja odottamalla sen himmenemistä planeetan kulun seurauksena. Tähtien valon peittymisen aste riippuu planeetan säteestä: esimerkiksi Jupiter himmentää Aurinkoa vain 1 % ulkoavaruuden tarkkailijoille, kun taas Maassa tämä vaikutus on sata kertaa heikompi.
Yhteensä tämän transit-tekniikan avulla on löydetty neljä kertaa enemmän eksoplaneettoja kuin ”viivakoodi”-tekniikalla, joka tunnetaan nimellä säteilyvauhti ja jota sveitsiläiset astronomit käyttivät ensimmäisen eksoplaneetan löytämiseen 30 vuotta sitten.
Tätä menetelmää käytetään laajalti myös nykyään, jopa meidän keskuudessamme, koska sen avulla voidaan paitsi löytää planeetta, myös mitata sen massa.
Nykyiset laitteet, joita käytämme, ovat todellinen insinööritaidon saavutus, vaikka ne eivät vielä ole riittävän herkkiä todellisen Maan kaksoiskappaleen löytämiseksi.
Toistaiseksi tämä säteilyvoimakkuuden mittausmenetelmä on kuitenkin rajoitettu maassa sijaitseviin observatorioihin ja sen avulla voidaan tarkkailla vain yhtä tähteä kerrallaan, kun taas transitomenetelmää voidaan käyttää avaruusteleskoopeissa, kuten suomalaisissa Corot- (2006–2014) ja Kepler- (2009–2018) sekä NASA:n Tess (2018–nykyhetki) -missioissa.
Yhteensä ne ovat löytäneet tuhansia eksoplaneettoja hyödyntämällä sitä, että voimme mitata tähtien kirkkautta helposti avaruudesta käsin, ja monia tähtiä samanaikaisesti.
Molemmat menetelmät kehittyvät edelleen. Niiden avulla voidaan määrittää planeetan säde ja massa, mikä avaa uusia mahdollisuuksia sen koostumuksen tutkimiseen.
Työ on vielä kehitysvaiheessa, mutta universumi hemmottelee meitä suurella planeettojen monimuotoisuudella.
Olemme nähneet todisteita hajonneista kivisistä maailmoista ja outoista planeettojen sijoitteluista, jotka viittaavat menneisiin törmäyksiin. Planeettoja on löydetty koko galaksistamme, Sweeps-11b:stä sen keskiosissa (lähes 28 000 valovuoden päässä meistä, yksi kaukaisimmista koskaan löydetyistä) planeettoihin, jotka kiertävät lähintä tähtinaapuriamme, Proxima Centauri, joka sijaitsee ”vain” 4,2 valovuoden päässä meistä.
Pyhä Graal tutkijoille
Kolmen vuosikymmenen havainnoinnin jälkeen on löydetty suuri määrä erilaisia planeettoja.
Vaikka ensimmäiset tusina löydettyjä eksoplaneettoja olivat kuumia jupitereita, tiedämme nyt, että ne ovat itse asiassa hyvin harvinaisia.
Olemme löytäneet uuden luokan planeettoja, joiden koko ja massa ovat maan ja Neptunuksen välillä. Emme ole kuitenkaan vielä löytäneet aurinkokuntaamme todella muistuttavia järjestelmiä tai maata todella muistuttavia planeettoja.
On houkuttelevaa päätellä, että olemme ainutlaatuinen planeetta ainutlaatuisessa järjestelmässä. Vaikka tämä voi olla totta, se on epätodennäköistä.
Järkevin selitys on, että huolimatta kaikesta tähtiteknologiamme kehittyneisyydestä, kykymme löytää Maata muistuttavia planeettoja on edelleen hyvin rajallinen näin valtavassa maailmankaikkeudessa.
Monille eksoplaneettojen tutkijoille, myös meille, pyhä graali on edelleen tämän todellisen Maan kaksoisplaneetan löytäminen: planeetta, jonka massa ja säde ovat samanlaiset kuin Maan, joka kiertää Aurinkoa muistuttavaa tähteä ja joka on samassa etäisyydessä Auringosta kuin meidän planeettamme.
Vaikka maailmankaikkeus on rikas ja monimuotoinen ja siinä on lukuisia planeettoja, jotka eroavat omastamme, todellisen maapallon kaksoisplaneetan löytäminen olisi paras lähtökohta etsiä elämää sen nykyisessä muodossa.
Kolmekymmentä vuotta tämän Nobel-palkitun löydön jälkeen planeettojen tutkimuksen edelläkävijä Didier Queloz johtaa ensimmäistä erikoistunutta kampanjaa, jossa mitataan säteilyvauhteja etsittäessä Maata muistuttavaa planeettaa.
Suuri kansainvälinen yhteistyöhanke tähtää erityisen Harps3-laitteen kehittämiseen, joka asennetaan tänä vuonna Isaac Newtonin teleskooppiin La Palman saarella.
Laiteen ominaisuudet huomioon ottaen uskomme, että kymmenen vuoden ajalta kerättyjen tietojen pitäisi riittää ensimmäisen Maata vastaavan planeetan löytämiseen.
