Jaan Pelt: lähiaastatel avastatakse vähemalt tuhat uut planeeti

Planeet Number Üheksa – kuigi otseselt pole keegi teda veel näinud, näeb ta kunstniku nägemuses välja just selline. Foto: Reuters/ScanPix

Gaia astromeetriline programm, milles osalevad ka Tartu observatooriumi astronoomid, võimaldab avastada lähimate aastate jooksul vähemalt tuhat uut planeeti, kirjutab astronoom Jaan Pelt Sirbis.

Maailmaruumis on väga palju tähti ja nendest paljude ümber tiirutab planeete. Kuidas aga neid avastada, ja kui võimalik, siis näha? Selleks on rida meetodeid, lihtsaim nendest ongi varjutamiste otsimine.

Merkuuri üleminek kui hea õppetund

Selle aasta 9. mail kogunes üksjagu rahvast Tallinna linnahalli katusele, Tõravere observatooriumi vaatlusväljakule ja mõnessegi muusse paika vaatlema planeet Merkuuri üleminekut Päikese kettast. Spetsiaalsete teleskoopide abil nähti meie eluandja pinnal väikest, teravate servadega täppi, mis aja jooksul liikus ketta ühest servast teise. Ka mõned päikeseplekid olid nähtavad, nende kujutised olid aga mõnevõrra hägusemad.

Planeedil Maa elavad astronoomiahuvilised olid sellel päeval õnnelikus olukorras. Päike, Merkuur ja Maa rivistusid ühele joonele ja nad ei olnud üksteisest liiga kaugel. Naabertähtedel elavad vaatlejad olid aga tunduvalt viletsamas olukorras. Päike oli nende teleskoopides ainult väike hele punkt ja kui ka oleks neil õnn asuda samal vaatluskiirel, oleks Merkuuri poolt esile kutsutud heleduse vähenemine olnud imepisikene. Selline olukord on muidugi väga tuntud ka Maa astronoomidele, seda muidugi siis, kui juttu tuleb nn eksoplaneetidest.

Merkuuri puhul oli asi lihtne: me teame, et ta on olemas, ja teame, kuidas ta liigub. See võimaldab ette arvutada, millal kolme taevakeha joondumine toimub. Sündmus ise on suhteliselt harv ja toimub umbes 13 korda sajandis. Varjutuse aeg sõltub ülemineku kohast ja võib olla 7–8 tundi pikk. Oluline on ka see, et Maa ja Merkuuri orbiidid asuvad väikese nurga all. Kui me aga ei tea, kus planeet asub ja kuidas me tema teekonda näeme, on varjutuse nägemise tõenäosus väga väike. Nagu loteriide puhul, aitab siin suurema arvu piletite ostmine. Tuleb vaadelda väga suurt arvu tähti, teha seda kaua ja mõõta nende heledust väga täpselt. Seda astronoomid ka teevad.

Kõige tuntum planeete jahtiv teleskoop kannab nime Kepler (tuntud astronoomi, mitte kirjaniku järgi). See teleskoop on paigutatud tiirlema orbiidile ümber Päikese ja on pikaajaliselt suunatud ühele ja samale taevaalale. See võimaldab jälgida suurt hulka tähti pikema aja jooksul. Vaatluste esimese perioodi tulemiks oli näiteks 150 000 tähe heleduse muutumise pikaajalised kõverad, mis olid mõõdetud näiva heleduse suhtelise täpsusega 0,01%. Selline täpsus on maapealsete vaatluste puhul kättesaamatu.

Just päev pärast Merkuuri üleminekut Päikese kettast (10. mail) avaldasid Kepleriga seotud astronoomid teate 1284 uue eksoplaneedi registreerimisest. Tavaliselt laekuvad teated avastuste kohta ühekaupa, kuid sellel juhul oli tegemist tulemusega, mis oli saadud automaatse valideerimisprogrammi abil. Kokku on Kepleri mõõdetud tähe heleduskõverate automaatne ja käsitsi uurimine viinud 2330 eksoplaneedi avastamiseni. Artikli lugemise hetkeks on neid kindlasti juba rohkem. Tuletame siinkohal meelde, et 1992. aasta algul tundsime ainult Päikese perekonna planeete.

Nagu tantsupaar

Tänu just toimunud Merkuuri üleminekule oli meil varjutusmeetodit lihtne kirjeldada. Kuid see ei ole ainuke planeetide avastamise võimalus. Järgmise kahe meetodi kirjeldamiseks tuleb meil appi võtta kujutlusvõime.

Oletame, et meil on kaks rahvatantsijat. Üks on suur eesti tõugu mees ja teine väiksem kleenuke naine. Neil palutakse sisse võtta tuntud kätest kinni poos ja tiirutada suure hooga. Selge see, et meie õbluke naine lendab siis nagu õletuust, aga mees püsib peaaegu samal kohal. Just peaaegu, sest lähemal vaatlusel selgub, et ka mees teeb tegelikult tiire. Väiksema raadiusega, aga siiski. Täpselt sama lugu on tähe ja planeediga. Nii täht kui ka planeet tiirutavad ümber nende ühise massikeskme. Kaugelt vaataja ei näe muidugi planeeti, see on liiga väikene ja tume. Hele täht on aga vaadeldav ja tema spektris kajastub ka tsükliline kaugest vaatajast kaugenemine ja lähenemine. Nii nagu lähenev rong vilistab lähenedes kõrgema tooniga kui kaugenedes, on ka tähelt meieni saabuv valgus ajas muutuv – spektrijoontes vaheldub nn sininihe perioodiliselt punanihkega. Need muutused spektrijoonte asukohas on väga väikesed. Juhul kui aluseks võtta hulga spektrijoonte andmed, on statistiliste meetodite abil siiski võimalik välja lugeda spektrite ajalise muutuse tsüklilisus ja sealt ka häiriva planeedi olemasolu ja tema tiirlemise periood. Sellist planeedi avastamise viisi nimetatakse radiaalkiiruste meetodiks.

Kasutades kirjeldatud meetodit avastasidki Michel Mayor ja Didier Queloz 1995. aastal esimese tavalise tähe (mitte pulsari) ümber tiirleva hiidplaneedi. Just seda avastust peetakse uue astronoomiaharu sünnimomendiks.

Mõnel juhul võib planeeti omava tähe tiirlemine olla nähtav ka tähe asukoha väga väikestes muutustes, mida mõõdetakse eriti täpsete maaväliste instrumentidega. Selle meetodi (astromeetria) originaalne, maapealne variant, on tegelikult kõige vanem klassikaline planeedi otsimise viis. Juba Wilhelm Struve aegadel ja natuke enne seda mõõdeti aeg-ajalt tähepositsioonide ajalisi muutusi ja avastati nendes süstemaatilisi komponente. Kahjuks aga on tegelikud positsioonimuutused nii väikesed, et tollased tehnilised võimalused ei olnud piisavad tegelike eksoplaneetide avastamiseks. Alles 2002. aastal mõõtis Hubble’i kosmoseteleskoop tähe positsioonimuutusi, mida sai kasutada varem tehtud planeedi avastamise kinnitamiseks. Aga just praegu toimuv Gaia astromeetriline programm, milles osalevad ka Tartu observatooriumi astronoomid, võimaldab avastada lähimate aastate jooksul vähemalt tuhat uut planeeti. Andmeid uute planeetide kohta kogutakse kogu missiooni vältel ja tulemusi kirjeldatakse eksperimendi jooksul koostatud kataloogides.

Vaikne vesi ja mitte nii sügav põhi

Päikesepaistelise ilma ja vaikse tuule korral oleme kõik imetlenud kauneid veealuseid mustreid, mis tekkivad madala veekogu või mereranna põhjal. Valguse murdumine veepinna lainetes tekitab põhjal mustri, kus heledamad jooned vahelduvad tumedamate laikudega. Samasuguse nähtusega on meil tegemist taevanähtuste puhul. Neid nimetatakse gravitatsioonilisteks läätsedeks. Juhul kui kaugemal asuvalt tähelt saabuv valgus möödub riivamisi tema teele ette sattunud teisest tähest, siis tema valgus teeb läbi samalaadse (gravitatsioonilise) murdumise nagu päikesevalgus veelaines. Kahjuks ei saa seda kaunist pilti otse vaadelda, kuna see jaotub laiali väga suurele ruumipinnale. Küll aga võime koos oma Maaga sõita nagu kosmoselaevaga risti üle murtud kiirte tihenemiskoha. Sellisel juhul kaugema tähe vaadeldav heledus järsku kasvab (võimendub) ja kohe ka langeb. Selline ülesõit võib kesta kuni mitu nädalat. Foonil asuva kauge tähe tegelik heledus jääb muidugi samaks, ainult vahel asuva tähe gravitatsiooniline väli (nii nagu laine vee pinnal) moonutab meile jõudvat pilti. Oluline on see, et mõõdetud heleduse muutus on väga iseloomuliku kujuga ja astronoomid oskavad sellest välja lugeda läätseefekti tekitava tähe parameetreid.

Huvitavaks läheb olukord siis, kui vahepeal asuva tähe ümber tiirutab suurem planeet. Sellisel juhul foonitähe heleduse võimenduskõver moonutub ja selle kaudu on meil võimalik teada saada ka planeedi olemasolust.

Selline planeedi avastamise meetod nõuab paljude asjaolude õnnelikku kokkulangemist. Ometi on nii avastatud juba ligi nelikümmend planeeti. See räägib sellest, et eksoplaneete peab olema küllalt palju, nii et neid jätkub ka sellisteks harva esinevateks taevasteks rivistusteks (foonitäht, täht-kiiremurdja koos oma planeediga ja Päike-Maa).

Diagnoos: teil on planeet!

Meie sõsarplaneet Neptuun avastati teatavasti siis, kui püüti seletada h äireid teise planeedi – Uraani – liikumises. Põhimõtteliselt võib ju ka eksoplaneete nii avastada. Paraku peame siis alustuseks mõnda sama süsteemi planeeti enne hästi tundma. Aga planeet võib häirida ka oma ematähte või tema kaaslast.

Eksoplaneetide tegelik avastamislugu algas paradoksaalselt. Külmal talveajal 1990. aastal avastas poola astronoom Aleksander Wolszczan pulsari (neutrontähe, mis kiirgab hästi suunatud kiirtevihke). Pulsar pöörles, nagu sellistele väikestele ja väga tihedatele objektidele kombeks, metsiku kiirusega 9650 pööret minutis. Tollal ei olnud see avastus enam midagi erilist. Natukese aja pärast tuli üllatus. Pulsaril olid rütmihäired! Kui tavaliselt on pulsarid täpsed nagu maailma täpseimad kellad, siis see kell jäi vahel järele, vahel aga ruttas ette. Juba 1992. aastaks sai selgeks, et selliseid häireid saavad esile kutsuda ainult pulsari nähtamatud kaaslased. Arvutuste abil leiti, et pulsari ümber tiirutab kogunisti kolm planeeti (tegelikult võib neid ka rohkem olla) ja väiksem neist on poole kergem kui meie Kuu. See miniplaneet on seniajani jäänud ka kõige väiksemaks teadaolevaks eksoplaneediks.

Pulsarid ise tekivad tähe plahvatamisel supernoovana ja see pauk on nii võimas, et hävitab tõenäoliselt kõik tähe ümbruses olevad planeedid. Seega on esimesena avastatud kolme planeedi päritolu ebaselge. Kas pärast plahvatust jääb järele piisavalt ainet uute planeetide kokkupanekuks või tuleb neid kuskilt mujalt haarata – see on huvitav uurimisteema.

Häirituse uurimine on viinud astronoomid ka nüüdseks juba kuulsaks saanud üheksanda planeedi olemasolu postuleerimiseni. See, tõenäoliselt Maast kümme korda raskem planeet, kuuluks (pärast vaatluslikku kinnitust) Päikese perekonda … Aga ei, üllatus, üllatus! – meil võib tegemist olla eksoplaneediga. Nimelt näitasid Lundi ülikooli astronoomid alles hiljuti arvutisimulatsioonide abil, et see planeet on tõenäoliselt pärit kuskilt kaugelt ja meie kodusüsteemi üle tõmmatud ehk siis lihtsalt varastatud. Tähed sünnivad täheparvedes, mis koosnevad paljudest tähtedest ega ole harvad juhud, kui üks täht möödub lähedalt teisest. Eks siis saigi see temp tehtud. „Oleme nii palju vaeva näinud ja raha kulutanud eksoplaneetide otsimisele sadade valgusaastate kauguselt, aga siin on üks meie enda tagahoovis vedelemas,“ olevat rootsi astronoom Alexander Mustill selle kohta öelnud (autori fantaasiarikas tõlge).

Planeete ka uskmatule Toomale

Kõik seni kirjeldatud meetodid on mingis mõttes kaudsed. Kas aga on võimalik kauget planeeti otse näha? Esmapilgul on meil tegemist täiesti võimatu projektiga. Tähtede heledused ületavad planeetide heledusi tuhat kuni kümme miljardit korda ja planeetide kaugused oma tähtedest on tühised võrreldes nende kaugusega Maast. Ometi on astronoomid otse vaadelnud juba vähemalt kahtekümmend planeediga tähte. Selleks kasutatakse maailma parima kujutisega teleskoope ja spetsiaalseid vaatlusvõtteid. Näiteks adaptiivse optika abil elimineeritakse tähevirvendused, koronograafilistes süsteemides kaetakse kinni peatähe kujutis ja mõõdetakse tähe-interferomeetrites mitme teleskoobiga korraga.

Mis on aga kõige tähtsam: mitmekordsete vaatluste abil on jäädvustatud ka planeetide orbiidilõike ümber peatähe ja selle abil arvutatud nende tiirlemisperioode. Galileo jaoks oli Jupiteri kaaslaste avastamine kõige tugevamaks argumendiks Koperniku maailmasüsteemi kasuks, nüüd oleme jõudnud siis aega, kus vaatleme reaalajas teisi planeedisüsteeme.

Nimekirja ei ole lihtne pääseda

Kirjutamise hetkel oli NASA eksoplaneetide arhiivis registreeritud 3272 planeeti (avastatud: varjutustest 2572, radiaalkiirustest 586, kujutiste kaudu 41, mikroläätsefekti põhjal 37, muude meetoditega 36). Sellesse nimekirja sattuda polegi nii lihtne. Isegi kui planeet on teatud meetodiga avastatud, tuleb tavaliselt tulemuse kinnituseks teha järelvaatlusi. Varjutusmeetodi puhul tuleb kindlasti koguda rohkem kui kaks varjutust, selleks et veenduda nende perioodilisuses.

Asja teeb keeruliseks ka see, et planeetide ja untsu läinud tähtede, nn pruunide kääbuste vahel puudub selge vahe.1 Planeetide massi ülempiir ja kergemate kääbuste massid kattuvad, tähe juurest ära kistud planeedid võivad vabalt ringi uidata ja sarnaneda kääbustega. Teoreetiliselt peaks vahe tulema planeetide ja kääbuste erinevast ehitusest, kuid seda on väga raske kindlaks teha. Sellepärast on juhtunud ka seda, et mõni juba registreeritud planeet on hiljem nimekirjast välja visatud.

Avastatud planeedile tuleb anda ka nimi. Juhul kui ta avastatakse tiirutamas nimega tähe ümber, siis antakse talle nimeks tähe nimi pluss väiketäht alates b-st. Näiteks kõige esimene normaalse tähe ümber tiirutav eksoplaneet sai nimeks 51 Peg b. Juhul kui tähel nime ei ole, siis kasutatakse mõne tähe- või missioonikataloogi nime kombineerituna tähe numbriga, millele siis jälle lisatakse väiketäht. Näiteks HD 109271 c on Henry Draperi kataloogis toodud tähe ümber tiirutav teine avastatud planeet, Kepler 142 d on aga kolmas planeet Kepleriga avastatud 142 planetaarsüsteemis.

Selleks et vähemalt osale ehk kõige huvitavamatele eksoplaneetidele suupärasemaid nimesid anda, algatas Rahvus­vaheline Astronoomiaunioon (IAU) 2014. aastal nimede andmise kampaania (NameExoWorlds). See koosnes mitmest etapist. Kõigepealt valisid astronoomid välja 15 planeetidega tähte. Selle järel pakkusid paljud organisatsioonid ja klubid üle terve maailma nimesid nii tähtedele kui ka nende planeetidele. Nimed pidid vastama kindlatele nõuetele, näiteks ei tohtinud pakkuda lemmikloomade nimesid või tuntud brändidega seotud tähekombinatsioone. Lõplik valik pakutud 274 nime hulgas aga tehti avaliku rahvusvahelise veebihääletuse abil. Sellest võttis osa üle poole miljoni hääletaja. Viimaks pidi astronoomiaunioon võitnud nimed ametlikult kinnitama. Ta tegigi seda, kuid jättis kinnitamata ühe tähe ja tema ümber tiirutava planeedi. Tegemist oli tähega tau Boötis ja tema ümber tiirleva planeediga. Selle objekti suurima hulga hääli saanud nimed olid: täht – Shri Ram Matt, planeet – Bhagavatidevi. IAU ei kommenteerinud oma otsust ja teatas, et täht osaleb järgmistes nimekampaaniates. Suure tõenäosusega sai nimedele saatuslikuks seos „sõjalise, poliitilise või usulise tegevusega“ (IAU reeglitest).

Nüüd aga mõni näide uute nimede kohta. Meile juba tuntud pulsar (PSR 1257+12), mille ümber avastati esimesed eksoplaneedid, kannab nüüd nime Lich ja kolm tema planeeti on Draugr, Poltergeist ja Phobetor. Esimene päris planeediga täht 51 Peg on nüüd Helvetios ja tema planeet Dimidium. Kaksiktähe 55 Cancri planeedid said aga nimedeks Galileo, Brahe, Lippershey, Janssen ja Harriot. Maailmakuulsate astronoomide nimesid kandvad planeedid asuvad meist 41 valgusaasta kaugusel.

Maksumaksja kratsib kukalt

Planeedijaht on üks kõige kallimaid astronoomide ettevõtmisi ja õigustatult kerkib küsimus: milleks seda kõike vaja on ja veel sellises mahus?

Alustame astroloogidest. Selge on see: kaheksa koduplaneeti on liiga vähe, et kirjeldada 6–7 miljardi inimese eluteed, ennustada nende tulevikku ja anda neile häid nõuandeid. Paratamatult kipuvad horoskoobid korduma, muutuvad igavaks ja väheinformatiivseks. Kuigi eksoplaneedid mõjutavad meid tegelikult sama vähe kui koduplaneedid, muudab nende taevaste positsioonide arvessevõtmine horoskoobid palju mitmekesisemaks ja loodetavasti lõbusamaks (kvaliteetsema sisu tootmine).

Astronoomidele on aga kauged planeedid veel tähtsamad. Ainult üks oluline näide: meile pole praegu kuigi selge, kuidas meie kodune Päiksesüsteem tekkis ja arenes. Ainult teiste süsteemide, mis asuvad eri arengufaasides (ja/või) moodides, uurimine võimaldab meil aru saada planeetide tekke ja arengu üksikasjadest. Lõppude lõpuks tahame ju teada saada, kas oleme midagi unikaalset või ainult tühine tükike reeglipärasest korduvusest.

Astronoomia on teatavasti kesk­konna­teadus. Tarvitseb vaid vaadata Kuu armilist nägu, et aru saada: kosmos on ohtlik paik. Sellepärast on juhuslikele asteroididele ja komeetidele pühendatud uurimisprogrammidele2 suhteliselt lihtne rahastust saada. Kuna avalik huvi eksoplaneetide vastu on viimasel ajal kasvanud (tänu teaduslikule fantastikale, UFO- ja SETI-kärale) ja maksumaksjagi küllalt lahke, siis ei tee paha eesti lugeja ette tuua üks ilus killuke minevikust, mis on seotud küll teise teadusalaga, aga ometi …

Ammu enne eksoplaneetide jahi algust 1990. aastatel algas samuti väga kallis jaht elementaarosakestele. Sellest ajast on hästi tuntud fragment Ameerika Ühendriikide senati aatomienergia komisjoni protokollist, kus arutlevad eesistuja John Pastore ja Fermilabi tollane direktor Robert R. Wilson:3

Eesistuja Pastore: Kas selle kiirendiga kaasneb ka teatav lootus ühel või teisel viisil mõjutada meie maa julgeolekut?

Dr Wilson: Ei, härra, seda ma küll ei usu.

Eesistuja Pastore: Mitte vähimalgi määral?

Dr Wilson: Mitte vähimalgi määral.

Eesistuja: Selles mõttes pole tal siis mingit väärtust?

Dr Wilson: Mõte on üksnes austuses, millega üksteisesse suhtume, inimlikus väärikuses, meie armastuses kultuuri vastu. Sõjalise jõuga pole tal midagi tegemist. Vabandust.

Eesistuja Pastore: Ärge sellepärast siis vabandage.

Dr Wilson: Ma ei kahetsegi, aga tal tõepoolest pole ühtki vastavat rakendust.

Eesistuja Pastore: On siin ehk midagi, mis annab meile võidurelvastumises venelaste ees teatava edumaa?

Dr Wilson: Ainult pikemas perspektiivis, tehnoloogia arengu mõttes. Teisisõnu on asi pigem selles, kas me oleme head maalikunstnikud, head skulptorid, suured luuletajad. Pean silmas kõike seda, mida me oma maal tõeliselt au sees hoiame ja millesse suhtume patriotismiga.

Selles mõttes on vastne teadmine vahetult seotud meie au ja meie maaga, küll aga mitte otseselt maa kaitsevõimega, peale selle, et see aitab kaasa, et meie maa oleks kaitsmist väärt.*

Vahel mulle ameeriklased väga meeldivad.

* Tõlkinud Doris Kareva

1 J. Pelt, Untsu läinud tähed. Tähetorni kalender 2014, lk 86.

2 J. Pelt, Maakera saab nägijaks. Tähetorni kalender 2016, lk 49.

3 http://history.fnal.gov/testimony.html