Eksoplaneetta

Ensimmäiset eksoplaneetat

On pitkään väitetty, että joidenkin tähtien ympärillä kiertää planeettoja. Esimerkiksi Peter van de Kamp väitti jo 1960-luvun lopulla, että Barnardin tähteä kiertää planeetta, joka aiheuttaa jaksollisia muutoksia Barnardin tähden paikkaan. Muut tutkijat eivät ole kyenneet todentamaan väitettä.
Ensimmäiset vahvistetut eksoplaneetat löytyivät vuonna 1992, kun Aleksander Wolszczan ja Dale Frail havaitsivat planeettoja pulsari PSR 1257+12:n ympäriltä. Planeetat aiheuttivat muutoksia millisekuntipulsarin paikkaan ja sitä kautta pulsarin lähettämien radiopulssien saapumisaikoihin. Aikaisemmin oli jo julkaistu väittämiä löydetyistä eksoplaneetoista, mutta niiden olemassaoloa ei ollut voitu vahvistaa. Yksi tällainen oli vuonna 1988 julkaistu tutkimus, jonka mukaan Gamma Cepheillä olisi planeetta. Planeetan olemassaolo vahvistettiin vuonna 2003.
Ensimmäisen auringonkaltaista tähteä kiertävän eksoplaneetan löysivät 1995 sveitsiläiset Michel Mayor ja Didier Queloz. Heidän onnistui mitata spektrometrillä 51 Pegasi -tähtijärjestelmässä sijaitsevan eksoplaneetan vetovoimavaikutus keskustähteensä. Planeetta 51 Pegasi b on kaasuplaneetta, ja se kiertää keskustähteään lähempänä kuin Merkurius Aurinkoa.

Tutkimus kehittyy

Aluksi havaittujen eksoplaneettojen kiertoradat olivat hyvin soikeita, ja ne sijaitsivat lähellä keskustähteä. Monet löydetyt eksoplaneetat olivat 51 Pegasi b:n kaltaisia kuumia jupitereita, eli karkeasti Jupiterin massaisia jättiläisplaneettoja, jotka kiertävät emotähteään hyvin lähellä. Tämän tyyppisten eksoplaneettojen uskottiin olevan yleisiä, mutta myöhemmät tutkimukset osoittivat niiden olevan huomattavasti harvinaisempia.Koska ensimmäiset eksoplaneetat löydettiin ylikulkumenetelmällä onkin luontevaa että juuri tämän kaltaisista kohteista on tehty ensimmäiset havainnot.
Ensimmäinen pääsarjaan kuuluvan tähden ympäriltä löytynyt usean planeetan järjestelmä oli Upsilon Andromedaen järjestelmä, joka vahvistettiin vuonna 1999. Ensimmäisen elinkelpoisella vyöhykkeellä sijaitsevan eksoplaneetan, Gliese 581 c:n, löytymisestä ilmoitettiin 24. huhtikuuta 2007. Ensimmäiset auringonkaltaista tähteä kiertävät maankokoiset planeetat löydettiin Keplerin keräämän aineiston avulla vuonna 2011.
Ensimmäinen suora kuva eksoplaneetasta oli lähellä infrapunavaloa olevilla taajuuksilla otettu kuva 2M1207b:stä. Ensimmäinen silmin nähtävän valon avulla valokuvattu eksoplaneetta oli pölykiekkotähti Fomalhautia kiertävä eksoplaneetta. Fomalhaut b:n kuvat julkaistiin Science-lehdessä 14. marraskuuta 2008. Ensimmäinen kartta eksoplaneetan pilvistä oli vuonna 2013 julkaistu jättiläisplaneetta Kepler-7b:n pilvikartta. Kartan muodostamisessa käytettiin Spitzerin ja Keplerin keräämiä aineistoja.
Vuoden 2014 alussa havaittujen eksoplaneettojen määrä oli kasvanut jo noin tuhanteen. 26. helmikuuta 2014 Nasa julkaisi tiedon, että 715 Kepler-avaruusteleskoopin aiemmin havaitseman eksoplaneetan olemassaolo oli varmistettu. Näin varmistettujen eksoplaneettojen määrä kasvoi noin 1 700:n. Suurin osa planeetoista oli Neptunusta pienempiä.

Yleisyys

Vuonna 2012 julkaistun Probing Lensing Anomalies NETworkin keräämän aineiston pohjalta tehdyn tutkimuksen mukaan Linnunradassa sijaitsee yli 100 miljardia planeettaa, joista yli 10 miljardia on kiviplaneettoja. Tutkimuksessa selvitettiin 0,5–10  AU:n päässä keskustähdestään kiertävien planeettojen määrää ja todettiin jokaisella tähdellä olevan keskimäärin 1,6 kiertolaista. Eri planeettatyyppien yleisyydestä todettiin 17 %:lla tähdistä olevan Jupiterin massainen kiertolainen, 52 %:lla kylmä neptunus ja 62 %:lla supermaa.
Galakseissa on tähtien kiertoradoille sidottujen eksoplaneettojen lisäksi myös tähtienvälisiä planeettoja, jotka eivät ole gravitaatiolla sidottuja mihinkään muuhun taivaankappaleeseen. Monthly Notices of the Royal Astronomical Societyssa vuonna 2012 julkaistun tutkimuksen mukaan näitä planeettoja saattaisi Linnunradassa olla jopa 100 000 kertaa enemmän kuin tähtiä.
Jättiläisplaneettoja on huomattu löytyvän yleisemmin tähdiltä, joiden metallipitoisuus on korkea. Pienempien planeettojen esiintymisen ei sen sijaan ole todettu olevan riippuvainen tähden metallisuudesta. Planeettoja omaavilla tähdillä on myös huomattu olevan yleisemmin tavallista vähemmän litiumia.

Nimeäminen

Eksoplaneettojen viralliset nimet muodostetaan lisäämällä planeetan keskustähden nimen perään pieni kirjain. Kirjaimet alkavat 'b':stä ja määrittyvät planeettojen löytöjärjestyksen mukaan. Näin ollen planeettakunnan ensimmäisenä löytynyt planeetta on 'b' ja toisena löytynyt 'c'. Planeettojen nimikkeet pysyvät samoina vaikka planeettakunnasta löydettäisiin myöhemmin lisää planeettoja. Elokuussa 2012 aakkosissa viimeinen vahvistetulle planeetalle annettu kirjain oli 'h'.
Vuonna 2009 Kansainvälinen tähtitieteellinen unioni IAU päätti työryhmänsä suosituksen perusteella olla antamatta eksoplaneetoille erillisnimiä. Eksoplaneettojen valtavan määrän vuoksi työryhmä piti niiden nimeämistä epäkäytännöllisenä. Vuonna 2013 IAU otti nimeämisen uudestaan harkintaansa ja elokuussa 2013 se ilmoitti ottavansa vastaan ehdotuksia eksoplaneettojen erillisnimiksi. Näiden erillisnimien tuli noudattaa IAU:n pikkuplaneettojen nimeämiseen asettamia sääntöjä ja rajoituksia. Joulukuussa 2015 IAU ilmoitti nimenneensä ehdotusten pohjalta 31 eksoplaneettaa. Planeetat saivat nimiään esimerkiksi tutkijoiden, uskontojen tai kulttuuriperintöjen mukaan. Suomesta ehdotettuja nimiä ei kelpuutettu.

Ominaisuudet

Eksoplaneetojen ominaisuuksien tutkimusta vaikeuttaa niiden etäisyys Maasta. Havaintomenetelmien rajoitteet ovat perinteisesti aiheuttaneet otosvääristymän, kun suuret ja lähellä keskustähteään kiertävät planeetat ovat olleet yliedustettuina.
Pienimmät löydetyt eksoplaneetat ovat massaltaan Merkuriusta pienempiä ja suurimmat yli kolmekymmentä kertaa Jupiterin kokoisia. Aurinkokunnan planeettojen tapaan eksoplaneetat voidaan jakaa karkeasti kaasujättiläisiin ja kiviplaneettoihin. Eksoplaneettojen kohdalla planeettatyyppien koot kuitenkin vaihtelevat huomattavasti enemmän kuin Aurinkokunnassa. Pienimpien kaasuplaneettojen massat ovat muutaman Maan massan suuruisia ja suurimpien kiviplaneettojen massat jopa kymmenen Maan massaa. Maata suurempia kiviplaneettoja kutsutaan supermaiksi.
Monien ylikulkumenetelmällä havaittavien planeettojen on huomattu olevan merkittävästi suurempia, kuin mitä tunnettujen fysiikan teorioiden mukaan olisi niiden massa huomioon ottaen todennäköistä. Planeettojen kiertoajat vaihtelevat alle vuorokaudesta satoihin vuosiin. Moniplaneettaiset järjestelmät ovat usein resonanssissa ja planeettojen kiertoratojen eksentrisyys voi olla korkea. Näistä johtuen Keplerin lait eivät kykene selittämään kaikkia eksoplaneetoilla havaittuja liikeratoja.

Havaitseminen

Eksoplaneettojen suora kuvaaminen on vaikeaa, koska pienemmät kohteet hukkuvat helposti kirkkaan keskustähden valoon. Havaitsemista vaikeuttavat myös tähden ilmakehän rauhattomuus ja teleskooppien huono erotuskyky. Eksoplaneettojen suoran havaitsemisen vaikeuden vuoksi niiden havaitsemiseen on kehitetty useita epäsuoria menetelmiä.

Menetelmät

Säteisnopeusmenetelmä ja ylikulkumenetelmä ovat epäsuoria menetelmiä, joiden avulla on löydetty valtaosa kaikista varmistuneista eksoplaneetoista. Molemmilla menetelmillä löydetyt planeetat sijaitsevat tyypillisesti verrattain lähellä keskustähteään. Säteisnopeusmenetelmä perustuu keskustähden spektriä tarkkailemalla selvitetyn Doppler-ilmiön perusteella tehtyyn säteisliikkeen mittaamiseen. Säteisnopeusmenetelmän avulla on löydetty yli 60 % vahvistetuista eksoplaneetoista (elokuussa 2012). Ylikulkumenetelmän avulla voidaan havaita eksoplaneettoja, kun ne kulkevat keskustähtensä ja Maan välistä. Tähden kiekon yli kulkeva valo pimentää hyvin pienen osan tähdestä säännöllisin väliajoin.
Pulsariajoituksen avulla on mahdollista jäljittää pulsaria kiertäviä taivaankappaleita. Pulsari lähettää tasaisin väliajoin radioaalloista muodostuvia pulsseja. Mahdollinen kiertolainen aiheuttaa muutoksia pulssien ajoitukseen, ja ajoituspoikkeamia voidaan käyttää eksoplaneettojen havaitsemiseen. Astrometrian avulla voidaan havaita eksoplaneetta, kun se ratajaksonsa aikana siirtelee yhteistä painopistettä kiertävää keskustähteään. Mikrolinssien avulla voidaan havaita eksoplaneettoja niiden painovoiman vuoksi taittuneiden valonsäteiden perusteella. Tällä tavalla voidaan löytää planeettoja, jotka sijaitsevat kauempana keskustähdestään kuin säteisnopeus- ja ylikulkumenetelmillä löydetyt planeetat.

Välineet

Eksoplaneettojen etsimistä varten on rakennettu useita satelliitteja ja luotaimia. Ranskan avaruusjärjestön CNESin CoRoT-satelliitti laukaistiin kiertoradalleen joulukuussa 2006 ja saattaa löytää jopa Maan kokoluokan planeettoja ylikulkumenetelmällä. Nasan Kepler-luotain etsi Maan kokoluokan planeettoja ylikulkumenetelmällä. Se laukaistiin kohti Aurinkoa kiertävää rataansa maaliskuussa 2009 ja oli toiminnassa toukokuussa 2013 tapahtuneeseen rikkoutumiseensa asti. Myös Hubble-avaruusteleskoopin ottamista suorista valokuvista on pystytty löytämään useita eksoplaneettoja. Euroopan avaruusjärjestön ESAn Gaia-luotaimen toivotaan löytävän kymmeniätuhansia eksoplaneettoja mittaamalla tähtien sijainnin ja säteisnopeuden muutoksia. Sen laukaisu on suunniteltu tapahtuvan vuonna 2013. Avaruusteleskooppien lisäksi eksoplaneettoja etsitään myös maassa olevilla laitteilla. Näistä menestynein on HARPS, joka oli vuoteen 2011 mennessä löytänyt 150 eksoplaneettaa. Nasan tulevan projektin, TESS-satelliitin, tarkoitus on etsiä eksoplaneettoja ylikulkumenetelmän avulla. Satelliitti on suunniteltu laukaistavaksi vuonna 2017.