LUENTO 29.11.2016 Kyösti Ryynänen ELÄMÄLLE RIITTÄÄ PAIKKOJA UNIVERSUMISSA 1 ENSIMMÄISET LÖYDETYT EKSOPLANEETAT 1992 ENSIMMÄINEN NEUTRONITÄHDEN (PSR 1257+12) YMPÄRILTÄ 1995 ENSIMMÄINEN AURINGONKALTAISEN TÄHDEN (51 PEGASI) YMPÄRILTÄ 2 1
EKSOPLANEETAT EKSOPLANEETAT (EXTRA SOLAR SYSTEM PLANETS) OVAT HAVAINTOKOHTEINA ERITTÄIN VAIKEITA EKSOPLANEETAT OVAT KAUKANA, PIENIKOKOISIA, PIENIMASSAISIA, EIVÄT ITSE SÄTEILE VALOA, MUTTA SIJAITSEVAT KUITENKIN LÄHELLÄ MASSIIVISTA KIRKASTA (HÄIKÄISEVÄÄ) KESKUSTÄHTEÄ 3 HAVAITTAVUUSTEKIJÖITÄ KESKUSTÄHDEN KIRKKAUS (SPEKTRIN RIITTÄVÄ KIRKKAUS) JA ATMOSFÄÄRIN STABIILISUUS (MITTAUSTARKKUUS) EKSOPLANEETAN ETÄISYYS KESKUSTÄHDESTÄ EKSOPLANEETAN LÄMPÖSÄTEILY JA ALBEDO (HEIJASTUSKYKY) KESKUSTÄHDEN JA EKSOPLANEETAN MASSOJEN SUHDE (HEILUTTAAKO KESKUSTÄHTEÄ) EKSOPLANEETTASYSTEEMIN ORIENTAATIO (NÄHDÄÄNKÖ ESIM. SUORAAN SIVULTA) EKSOPLANEETTASYSTEEMIN KOKOONPANO RATOJEN EKSENTRISYYS 4 2
HAVAITTAVUUSTEKIJÖITÄ EKSOPLANEETAN KIERTOAIKA EKSOPLANEETAN SIJAINTI RADALLAAN HAVAINTOSUUNNAN EKSTINKTIO (ABSORBTIO + SIRONTA) EKSOZODIAKAALINEN VALO (EKSOPLANEETTASYSTEEMIN KAASUN JA PÖLYN MÄÄRÄ) KÄYTETYN LAITTEISTON TARKKUUS HAVAINTOGEOMETRIA (OTOLLISET SUUNNAT MAAPALLOLTA) HAVAINTO-OHJELMA (HAVAINTO-IKKUNAT) 5 HAVAINTOMENETELMÄT SÄTEISNOPEUSMITTAUS (SPEKTROMETRIA) ASTROMETRIA SAMANAIKAINEN SPEKTROMETRIA JA ASTROMETRIA EKSOPLANEETAN YLIKULKU (TRANSIT) GRAVITAATIOLINSSI (MIKROLINSSI) PULSARIN EPÄSÄÄNNÖLLISYYS (TIMING) PÖLYKIEKON TIHEYSJAKAUMA JA MUOTO SUORA EKSOPLANEETAN HAVAINNOINTI (IMAGING) RADIOSÄTEILY POLARIMETRIA 6 3
SÄTEISNOPEUSMITTAUS- MENETELMÄ TOISTAISEKSI MENESTYKSEKKÄIN MENETELMÄ EKSOPLANEETTOJEN LÖYTÄMISEKSI LAITTEISTO MITTAA TÄHDEN SPEKTRIN DOPPLER-SIIRTYMÄÄ VERTAILUSPEKTRI SAADAAN TELESKOOPIN JÄLKEEN VALON KULKUREITILLE ASETETUN KAASUSYLINTERIN AIKAANSAAMISTA ABSORBTIOVIIVOISTA (EDUSTAVAT NOLLANOPEUTTA) VERTAILUSPEKTRI VOIDAAN TUOTTAA MYÖS KALIBROINTILAMPUN AVULLA 7 SÄTEISNOPEUSMITTAUS EKSOPLANEETTA JA KESKUSTÄHTI KIERTÄVÄT YHTEISEN MASSAKESKIPISTEEN YMPÄRI TÄLLÖIN KESKUSTÄHTI LIIKKUU EKSOPLANEETAN RADAN KANSSA SAMANMUOTOISTA, MUTTA PALJON PIENEMPISÄTEISTÄ RATAANSA (REFLEKSIOLIIKE) MITTAAMALLA (MONTA KERTAA) KESKUSTÄHDEN NÄKÖSÄTEENSUUNTAINEN NOPEUSKOMPONENTTI, PYSTYTÄÄN TÄHDEN RATA LASKEMAAN JA EDELLEEN MÄÄRITTÄMÄÄN MINKÄLAINEN EKSOPLANEETTA TÄHDEN YMPÄRILLÄ TÄYTYY OLLA MENETELMÄLLÄ SAADAAN SELVILLE EKSOPLANEETAN MINIMIMASSA, KIERTOAIKA, RADAN EKSENTRISYYS JA PLANEETAN PAIKKA 8 4
LAITTEISTON TARKKUUS EKSOPLANEETTASYSTEEMIEN KESKUSTÄHTIEN SÄTEISNOPEUKSIIN AIHEUTTAMAT VAIHTELUT OVAT PIENIÄ JA SIKSI VAIKEASTI HAVAITTAVISSA ESIM. OMAN AURINKOKUNTAMME SUURIN PLANEETTA JUPITER AIHEUTTAA AURINGON LIIKKEESEEN MAKSIMISSAAN 12,4 m/s SÄTEISNOPEUSMUUTOKSEN, MAAN VAIKUTUS AURINGON LIIKKEESEEN ON 0,09 m/s SÄTEISNOPEUSMITTAUKSEN TARKKUUS MÄÄRÄÄ MINKÄMASSAISET EKSOPLANEETAT VOIDAAN HAVAITA, NYKYTARKKUUDELLA 1 m/s (JOPA 0.6 m/s) PYSTYTÄÄN HAVAITSEMAAN JUPITERIN MASSAISIA EKSOPLANEETTOJA, MUTTA EI MAAN MASSAISIA PLANEETTOJA MAANPINNALTA HAVAITTAESSA ILMAKEHÄN TURBULENSSI VÄHENTÄÄ TARKKUUTTA (RAJOITTAA EHKÄ NEPTUNUKSEN KOKOISTEN LÖYTÄMISEEN) 9 EKSOPLANEETAN KIERTOAIKA SÄTEISNOPEUSMITTAUS-MENETELMÄ EDELLYTTÄÄ HAVAINTOJA KOKO EKSOPLANEETAN KIERTOAJALTA (MENETELMÄN HEIKKOUS) ESIM. JUPITERIN KIERTOAIKA ON VAJAA 12 VUOTTA ESIM. MERKURIUKSEN KIERTOAIKA ON 1/4 VUOTTA PISIMPÄÄN JATKUNEET HAVAINTO- OHJELMATKIN VASTA VUOSIKYMMENEN PITUISIA (RIITTÄVÄLLÄ TARKKUUDELLA) 10 5
ASTROMETRIA PERUSTUU SAMOIN KESKUSTÄHDEN REFLEKSIOLIIKKEESEEN ASTROMETRIASSA MITATAAN TÄHDEN TARKKAA PAIKKAA (NÄKÖSÄTEEN SUHTEEN POIKITTAISESSA TASOSSA) TOISTUVISTA PAIKANMITTAUKSISTA SAADAAN SELVILLE TÄHDEN LIIKE JA EDELLEEN EKSOPLANEETAN LIIKE SAADAAN KAKSI NOPEUTTA (TASOSSA), JOLLOIN EKSOPLANEETAN RATAELEMENTIT VOIDAAN LASKEA TARKKAAN 11 YHDISTETTY MENETELMÄ TELESKOOPPIIN ON ASENNETTU INSTRUMENTTI, JOKA MITTAA SEKÄ TÄHDEN SÄTEISNOPEUDEN ETTÄ TÄHDEN PAIKAN TÄHDEN LIIKE SAADAAN MÄÄRITETTYÄ KOLMESSA AVARUUS-ULOTTUVUUDESSA YHDISTÄÄ SÄTEISNOPEUSMITTAUS-MENETELMÄN PARHAAT PUOLET (HERKKYYDEN KUN PLANEETTASYSTEEMI NÄKYY SIVULTA) JA ASTROMETRISEN MENETELMÄN PARHAAT PUOLET (HERKKYYDEN KUN PLANEETTASYSTEEMI NÄKYY YLÄ- TAI ALAPUOLELTA) 12 6
TRANSIT EKSOPLANEETAN YLIKULKU AIHEUTTAA TÄHDEN VALOKÄYRÄÄN PUDOTUKSEN (JUPITER 1%, MAA 0.01%) VALOKÄYRÄSTÄ NÄHDÄÄN EKSOPLANEETAN KOKO (SUUREMPI PLANEETTA PEITTÄÄ ENEMMÄN TÄHTEÄ) JA KIERTOAIKA (HIMMENEMISEN TOISTUVUUS) ATMOSFÄÄRIN OLEMASSAOLO VOIMISTAA ABSORBTIOTA RATATASON TIEDETÄÄN NÄKYVÄN SIVULTA, KOSKA EKSOPLANEETTA PYSTYY HIMMENTÄMÄÄN TÄHDEN VALOA USEAMMASTA TRANSIT-HAVAINNOSTA SAADAAN RATA-TASO, LÄMPÖTILA JA SPEKTRI TARKAAN MÄÄRITELTYÄ EKSOPLANEETTOJA HAVAITTU NÄIN HARRASTAJIENKIN LAITTEILLA 13 GRAVITAATIOLINSSI ETUALAN TÄHTI PEITTÄÄ TOISEN TÄHDEN TAAKSEEN ETUALAN TÄHDEN MASSA KAAREUTTAA YMPÄRILLÄÄN AVARUUTTA MUODOSTAEN LINSSIN, JOKA KERÄÄ JA TAITTAA TAKANAOLEVAN TÄHDEN VALOA LISÄTEN HAVAITTUA KIRKKAUTTA JOS ETUALAN TÄHTEÄ KIERTÄÄ SOPIVASSA PAIKASSA EKSOPLANEETTA, NIIN SEN MASSA AIKAANSAA VIELÄ LYHYTAIKAISEN LISÄKIRKASTUMISEN HAVAITTUUN VALOKÄYRÄÄN 14 7
PULSARIN EPÄSÄÄNNÖLLISYYS PERUSTUU NEUTRONITÄHDEN REFLEKSIOLIIKKEESEEN (EKSOPLANEETAN AIHEUTTAMAAN HUOJUNTAAN) PYÖRIVISTÄ NEUTRONITÄHDISTÄ (MILLISEKUNTIPULSARIT) TULEVIEN RADIOPULSSIEN TULOAJAT VAIHTELEVAT, KUN NEUTRONITÄHTI LIIKKUU NÄKÖSÄTEEN SUUNNASSA PULSARIEN KOMPAKTI RAKENNE JA SITEN PYÖRIMISEN SÄÄNNÖNMUKAISUUS (VERRATTUNA PÄÄSARJAN TÄHTIIN) MAHDOLLISTAA PIENIMASSAISTEN PLANEETTOJEN LÖYTÄMISEN 15 PÖLYKIEKKO PÖLYKIEKOT HAVAITAAN HELPOMMIN KUIN PLANEETAT (VALTAOSALLA NUORISTA TÄHDISTÄ MITATTU YLIMÄÄRÄ IR-SÄTEILYÄ) TÄHTIEN YMPÄRILTÄ KUVATTUJEN PÖLYKIEKKOJEN MUODOSTA VOIDAAN PÄÄTELLÄ MUODOSTUMASSA OLEVAN EKSOPLANEETTASYSTEEMIN OMINAISUUKSIA PÖLYKIEKON TIHEYSJAKAUMAN (EPÄSYMMETRINEN) MUOTO PÖLYKIEKOSSA OLEVAT TYHJÄT ALUEET (PLANEETAT KERÄNNEET KAASUN JA PÖLYN LISÄMASSAKSEEN) 16 8
RADIOSÄTEILY KESKUSTÄHDEN VOIMAKAS INFRAPUNASÄTEILY OSUESSAAN EKSOPLANEETAN VESIHÖYRY- PITOISEEN ATMOSFÄÄRIIN AIKAANSAA VESIMOLEKYYLIEN EKSITOITUMISTA (VIRITTYMISTÄ) JA PURKAUTUMISTA RADIOALUEEN MASER-LÄHTEINÄ 17 POLARIMETRIA KIINTEÄPINTAISEN PLANEETAN PINNALTA HEIJASTUNUT KESKUSTÄHDEN VALO ON POLARISOITUNUTTA POLARISOITUNEEN KOMPONENTIN INTENSITEETIN JA DOPPLER- SIIRTYMÄN EROTTAMINEN KESKUSTÄHDEN STABIILISTA VALOSTA 18 9
IMAGING EKSOPLANEETAN SUORA VALOKUVAAMINEN ERI AALLONPITUUKSILLA TÄHTIEN SÄTEILYN MAKSIMI OSUU USEIMMITEN NÄKYVÄN VALON ALUEELLE, KUN TAAS NIIDEN SÄTEILYLLÄÄN LÄMMITTÄMIEN EKSOPLANEETTOJEN SÄTEILYN MAKSIMI OSUU INFRAPUNA-ALUEELLE PLANEETAN JA TÄHDEN KIRKKAUKSIEN SUHDE ESIM. NÄKYVÄSSÄ ~1:1 000 000, MUTTA IR:ssä ~1:100 000 (JOPA 1:1000, 1:200) TAVOITTEENA VÄRILLINEN KUVA, JOSSA NÄKYISI EKSOPLANEETAN PINTA (PILVIÄ, MANTEREITA JA MERIÄ) NYKYRESOLUUTIOLLA PLANEETTA PEITTÄÄ MUUTAMAN PIKSELIN OWL (PEILIN HALKAISIJA 100m) PYSTYISI SUORAAN KUVAAMAAN LÄHITÄHTIEN PLANEETTOJA 19 SUORA HAVAINTO EKSOPLANEETAN VALON EROTTAMINEN KESKUSTÄHDEN VALOSTA KORONAGRAFILLA PEITETÄÄN KESKUSTÄHDEN VALO KESKUSTÄHDEN VALO KOMPENSOIDAAN VASTAKKAISESSA VAIHEESSA OLEVALLA SAMAN TÄHDEN VALOLLA (NULLING INTERFEROMETRY), JOLLOIN VAIN EKSOPLANEETASTA LÄHTÖISIN OLEVAN VALO HAVAITAAN EKSOPLANEETAN VALOSSA NÄKYY SEN RATALIIKKEEN AIHEUTTAMA DOPPLER-SIIRTYMÄ (MITÄ KESKUSTÄHDEN VALOSSA EI OLE) EKSOPLANEETASTA HEIJASTUNEEN KESKUSTÄHDEN VALON SPEKTRISSÄ NÄKYISI EKSOPLANEETAN ATMOSFÄÄRIN AIHEUTTAMAT ABSORBTIO-VIIVAT EKSOPLANEETAN ATMOSFÄÄRIN KOOSTUMUKSESSA VOISI OLLA POIKKEUKSELLISEN PALJON VESIHÖYRYÄ, METAANIA, HIILIDIOKSIDIA TAI OTSONIA, JOTKA VIITTAISIVAT ELÄMÄN OLEMASSAOLOON VAIKEUTENA, ETTÄ ELOTTOMATKIN PROSESSIT SEKÄ ESIM. ISKEYTYNEET METEORIITIT AIKAANSAAVAT JA VAPAUTTAVAT SAMOJA AINEITA EKSOPLANEETAN ATMOSFÄÄRIIN 20 10
PLANEETTASYSTEEMIN OMINAISUUDET SYSTEEMIN STABIILISUUS 2:1 resonanssi (>20%:lla systeemeistä) miltei puolella systeemeistä jokin resonanssi, joka pysäyttää migraation stabiileja ratoja myös moninkertaisten tähtien ympärillä etsitään systeemejä, jotka olleet miljardeja vuosia riittävän stabiileja, jotta elämä on ehtinyt kehittyä noin 15% systeemeistä epästabiileja (400 miljoonan vuoden kriteerillä) noin 25% systeemeistä on melko stabiileja (Aurinkokunta) massiivisten planeettojen radat melko stabiileja, mutta pienempien planeettojen radat kehittyvät kaoottisesti (maankaltaiset), esim. Merkurius voi törmätä Venukseen muutaman miljardin vuoden kuluessa, toisissa simulaatioissa Venus tai Mars voisi törmätä Maahan planeettojen pyörimisakselin kulman muutosten vaihteluvälit 600 miljoonaa vuotta sitten Maan vuorokausi 22 (pyörimisaika) oli 21 tuntia pitkä PLANEETTASYSTEEMIN OMINAISUUDET HAVAITUT RADAT TULOSTA AIKAISEMMISTA TÖRMÄYKSISTÄ JA SIIRTYMISTÄ (MIGRAATIO) YLI VIIDESOSA KUUMISTA JUPITEREISTA PYÖRII OMAN AKSELINSA YMPÄRI RETROGRADISESTI RATOJEN ELLIPTISYYS 80%:lla yli 10% elliptisyys 25%:lla yli 50% elliptisyys Maan kaltaiset lähes ympyräradat epätavallisia 23 11
PLANEETTOJEN OMINAISUUKSIA VIELÄ SULIA KIVIPLANEETTOJA VULKAANISET MAAILMAT VESIMAAILMAT SUPER-EARTHS (melkein Neptunuksen kokoluokkaa) HYVIN YLEISIÄ MAATA-VASTAAVIA (koko 0.5 4 x Maa) ELÄMÄN VYÖHYKKEELLÄ PELKÄSTÄÄN LINNUNRADASSA ARVIOLTA 20 (jopa 40) MILJARDIA EKSOPLANEETTOJEN VALTAVA KEMIALLINEN JA GEOFYSIKAALINEN KIRJO 24 LÖYDETYT EKSOPLANEETAT 28.11.2016 mennessä löydetty 3544 eksoplaneettaa (853 eksoplaneettaa per 4.12.2012) 597 usemman planeetan systeemiä (126 per 4.12.2012) Paljon vahvistamattomia (4696 per 28.11.2016) eksoplaneettakandidaatteja, Nasan Kepler Space Telescope löydetyt planeetat eivät ole edustava otos olemassaolevista eksoplaneetoista löydetään lähellä keskustähteään kiertävät suurimassaiset planeetat, joiden ratataso sattuu näkymään riittävän pienellä inklinaatiolla pienimassaisia planeettoja on nykymenetelmillä erittäin vaikea havaita pitkäperiodisia planeettoja on nykymenetelmillä erittäin vaikea havaita löydetyt planeetat lähellä keskustähtiään (Rochen raja 2,5x tähden säde, a<0.06au keskustähti pakottaa ympyräradalle ja synkroniseen pyörimiseen) 25 12
LÖYDETYT EKSOPLANEETAT Useita alle 2 M Maa planeettoja Kymmeniä alle 10 M Maa Kepler-20e (21.12.2012) ensimmäinen Maata pienempi planeetta (transitmenetelmä) Ensimmäiset kaksoistähtijärjestelmän eksoplaneetat löydetty 2011 määritetty ekso-atmosfäärin spektrejä 26 EKSOPLANEETAT ERAKKAOPLANEETTA KARKULAISENA YKSIN AVARUUDESSA HAVAITTU NIMETTY CFBDSIR2149 100 vv päässä NYKYHAVAINTOJEN PERUSTEELLA VÄHINTÄÄN PUOLELLA TÄHDISTÄ EKSOPLANEETTOJA 13
UUSIA EKSOPLANEETTOJEN HAVAINTOLAITTEITA COROT (laukaistu 2006 Ranska), ylikulku (transit)- menetelmällä jopa maankokoluokan planeettoja Kepler (NASA) laukaistiin maaliskuussa 2009 GAIA (ESA) 2012 James Webb Space Telescope (JWST) eli uudelleennimetty entinen NGST (Next Generation Space Telescope) ~2014 Darwin (ESA) ~2015 TPF (Terrestrial Planet Finder, NASA) ~2015 Plato (ESA) ~2017 (Earths in HZ, transit) 28 SUPERSIVILISAATIOT SIVILISAATIOIDEN LUOKITTELUA (NIKOLAI KARDASHEV 1964) 1. ASTEEN SIVILISAATIO (MEIDÄN KALTAINEN, PLANEETAN RESURSSIT) 2. ASTEEN SIVILISAATIO (VALJASTANUT KESKUSTÄHDEN ENERGIAN, DYSONIN RENKAAT TAI KUORI TÄHDEN YMPÄRILLÄ) 3. ASTEEN SIVILISAATIO (VALJASTANUT GALAKSIN ENERGIAN) 29 14
LÄHDEKIRJALLISUUS Fred Adams: Elämää multiversumissa, Like, 2004 (2002) AAS 207th Meeting, 8-12 January 2006, abstracts Barrie W. Jones, P. Nick Sleep, and David R. Underwood, 2006, Habitability of Known Exoplanetary Systems Based on Measured Stellar Properties, The Astrophysical Journal, 649, p.1010-1019 George H. A. Cole; Wandering Stars, About Planets and Exo-Planets, An Introductory Notebook, 2006 C.G. Tinney, R. Paul Butler, Geoffrey W. Marcy, et.al.; The 2:1 resonant exoplanetary system orbiting HD 73526, arxiv:astro-ph/0602557v1 25 Feb 2006 Kyösti Ryynänen: Eksoplaneettojen havaittavuustekijät; säteisnopeusmittausmenetelmä, Pro Gradu, HY, 2003 Caleb Scharf: The Copernicus Complex, Penguin Books 2015 Peter Ward; Tuntematon elämä, Ursa, 2006 (2005) Hoehler, Tori M., Amend Jan P. and Shock, Everett L., 2007, A Follow the Energy Approach for Astrobiology, artikkeli Astrobiology-lehdessä 6/2007 Exoplanets: Discovering and characterizing Earth like planets, SummerSchoolAlpbach 2009 lectures, www.summerschoolalpbach.at www.avaruus.fi 30 15