Eksoplaneetta

Eksoplaneetta on aurinkokuntamme ulkopuolella sijaitseva eli ekstrasolaarinen planeetta. Ensimmäinen varmistettu eksoplaneetta löydettiin vuonna 1992. Nasan avaruusteleskoopit TESS ja Kepler ovat havainneet vielä enemmän eksoplaneettaehdokkaita, jotka odottavat lisähavaintoja ennen löytöjen varmistamista.
Eksoplaneetat ovat planeettoja, jotka kiertävät muita tähtiä kuin aurinkokuntamme Aurinkoa. Vuonna 2012 julkaistun tutkimuksen mukaan Linnunrata-galaksissa sijaitsevilla tähdillä on kiertolaisinaan keskimäärin 1,6 planeettaa. Lisäksi Linnunradassa saattaa olla jopa 100 000 kertaa enemmän tähtienvälisiä planeettoja kuin pääsarjan tähtiä. Nämä vapaat planeetat eivät ole gravitaationaalisesti sidottuja muihin kohteisiin.
Joitakin eksoplaneettoja on löydetty kuvaamalla ne suoraan. Menetelmä on kuitenkin hankala, ja eksoplaneetat havaitaankin usein epäsuorasti tutkimalla niiden emotähteä. Yleisimmät havaintamenetelmät ovat säteisnopeusmenetelmä ja ylikulkumenetelmä. Säteisnopeusmenetelmällä havainnoidaan eksoplaneetan aiheuttamaa tähden vähäistä huojumista ja ylikulkumenetelmällä tähden kirkkauden muutosta eksoplaneetan kulkiessa sen editse.
Määritelmä.
IAU:n planeetan määritelmä koskee vain aurinkokunnassamme sijaitsevia planeettoja, joten sitä ei sovelleta aurinkokunnan ulkopuolisiin planeettoihin. Eksoplaneetalle ei siis ole olemassa yleisesti hyväksyttyä määritelmää ja näin ollen eri tahojen määritelmät, ja luvut vahvistettujen eksoplaneettojen määrästä, voivat vaihdella niiden julkaisijasta riippuen. Ainoa IAU:n eksoplaneetojen määritelmään liittyvä julkaisu on sen eksoplaneettatyöryhmän vuonna 2001 julkaisema ja 2003 päivittämä työmääritelmä. Sen mukaan:
NASAn ylläpitämän eksoplaneettatietokannan hyväksymiskriteeri on alle 30 Jupiterin massan koko. Exoplanet Encyclopaedia lukee planeetaksi lähtökohtaisesti alle 13 Jupiterin massaisen taivaankappaleen, mutta hyväksyy tietokantaansa myös alle 20 Jupiterin massaiset kiertolaiset mikäli saman tähden kiertoradalla on havaittu vähintään yksi toinen planeetta.
Havaintohistoria.
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. He onnistuivat mittaamaan spektrometrillä 51 Pegasi -tähtijärjestelmässä sijaitsevan eksoplaneetan vetovoimavaikutuksen 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. Helmikuussa 2014 Nasa julkaisi tiedon, että 715:n Kepler-avaruusteleskoopin aiemmin havaitseman eksoplaneetan olemassaolo oli varmistettu. Näin varmistettujen eksoplaneettojen määrä kasvoi noin 1 700:aan. Suurin osa näistä uusista planeetoista oli Neptunusta pienempiä. Kesäkuussa 2024 tunnettuja eksoplaneettoja oli luetteloituna .
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.
Vuonna 2019 jokainen maa sai nimetä yhden tähden ja sitä kiertävän planeetan, joiden nimet valittiin maan sisäisessä äänestyksessä. Suomelle nimettäväksi annetun, Kolmion tähdistössä sijaitsevan tähden nimeksi valittiin Horna ja sitä kiertävän planeetan nimeksi Hiisi. Planeetta on Saturnuksen kokoinen mutta hyvin kuuma.
Ominaisuudet.
Eksoplaneetojen ominaisuuksien tutkimusta on vaikeuttanut niiden kaukainen 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. Aurinkokuntamme planeettojen tapaan eksoplaneetat voidaan jakaa karkeasti kaasuplaneettoihin 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.
Vaikka varmuudella planeettojen ainekoostumusta ei voida tietää, on niiden tutkimiseksi pyritty kehitettämään erilaisia ajatuskokeita ja tutkimusmenetelmiä. Muun muassa eräältä Jupiterin kokoiselta kaasuplaneetalta on löydetty merkkejä metaanista, hiilidioksidista ja vesihöyrystä tutkimalla, kuinka tähden valo muuttuu kulkiessa planeetan kaasukehän läpi. On myös esitetty, että kokonaan veden peitossa olevat eksoplaneetat olisivat mahdollisia. Tiedetään esimerkiksi, että Neptunuksessa on vesijäätä. Veden peitossa olevia planeettoja ei ole kuitenkaan varmuudella havaittu.
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. Säteisnopeus- ja ylikulkumenetelmän avulla on löydetty suurin osa vahvistetuista eksoplaneetoista, joista noin 75 % ylikulkumenetelmän avulla (2023).
Säteisnopeusmenetelmä perustuu keskustähden spektriä tarkkailemalla selvitetyn Doppler-ilmiön perusteella tehtyyn säteisliikkeen mittaamiseen. Sen avulla havainnoidaan eksoplaneetan aiheuttamaa tähden huojumista eli säteisnopeutta. Mitä massiivisempi ja mitä lähempänä tähteä planeetta on, sitä voimakkaampaa huojuminen on. 
Ylikulkumenetelmän avulla voidaan havaita eksoplaneettoja, kun ne kulkevat keskustähtensä ja Maan välistä. Tähden kiekon yli kulkeva valo pimentää hyvin pienen osan tähdestä säännöllisin väliajoin. Ylikulkumenetelmän avulla voidaan säteisnopeusmenetelmää tehokkaammin löytämään pienimassaisia planeettoja, jotka eivät välttämättä aiheuta suurta huojuntaa emotähdessä.
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. Avaruusteleskooppien lisäksi eksoplaneettoja etsitään myös maassa olevilla laitteilla. Näistä menestynein on HARPS, joka oli vuoteen 2011 mennessä löytänyt 150 eksoplaneettaa. Nasan TESS-satelliitti etsii eksoplaneettoja ylikulkumenetelmän avulla. TESS kartoittaa lähes koko taivaankannen, ja sen odotetaan löytävän noin 14 000 uutta eksoplaneettaa. Gaia tekee vuoden 2022 lopulla valmistuvan peruskartoituksen tähtien ominaisliikkeiden pienistä heilahduksista, ja sen odotetaan löytävän noin 20 000 uutta eksoplaneettaa. PLATOn tarkoitus on löytää 2020-luvun jälkipuoliskolla maapallon kokoluokkaa olevia planeettoja.