Tähtitieteilijät etsivät jatkuvasti taivaalla odottamattomia. He etsivät tiedoistaan odottamattomia epätasaisuuksia – merkkinä tähtiä kiertävästä tuntemattomasta planeettasta, uudesta tähtitieteellisten esineiden luokasta tai jopa uudesta fyysisten lakien sarjasta, joka kirjoittaa vanhat uudelleen. He ovat valmiita omaksumaan uusia ideoita, jotka voivat korvata menneiden vuosien viisauden.
Mutta sääntöön on yksi poikkeus: Earth 2.0:n haku. Täällä emme halua löytää odottamatonta, vaan odotettua. Haluamme löytää planeetan, joka on niin samanlainen kuin omamme, että voimme melkein kutsua sitä kodiksi.
Vaikka emme voikaan tarkkaan kuvata näitä planeettoja tarpeeksi yksityiskohtaisesti nähdäksemme, onko kyseessä vesimaailma, jossa on mehukkaita vihreitä kasveja ja sivilisaatioita, voimme käyttää epäsuoria menetelmiä löytääksemme 'Maan kaltaisen' planeetan - planeetan, jolla on samanlainen massa ja säteellä Maahan.
On vain yksi ongelma: nykyiset tekniikat eksoplaneetan massan mittaamiseksi ovat rajallisia. Tähän mennessä tähtitieteilijät mittaavat radiaalista nopeutta – pieniä huojuntaa tähden kiertoradalla, kun sitä vetää sen eksoplaneetan vetovoima – laskeakseen planeetan ja tähden massasuhteen.
Mutta kun otetaan huomioon, että useimmat eksoplaneetat havaitaan niiden kauttakulkusignaalin kautta – valon putoaminen planeetan kulkeessa isäntätähtensä edestä – eikö olisi hienoa, jos voisimme mitata sen massan pelkästään tällä menetelmällä? No, MIT:n tähtitieteilijät ovat löytäneet tavan.
Jatko-opiskelija Julien de Wit ja MacArthur Fellow Sara Seager ovat kehittäneet uuden tekniikan massan määrittämiseksi käyttämällä yksinomaan eksoplaneetan kulkusignaalia. Kun planeetta kulkee, tähden valo kulkee planeetan ilmakehän ohuen kerroksen läpi, joka absorboi tietyt aallonpituudet tähden valosta. Kun tähtivalo saavuttaa maan, siihen leimataan ilmakehän koostumuksen kemialliset sormenjäljet.
Niin kutsutun transmission spektrin avulla tähtitieteilijät voivat tutkia näiden vieraiden maailmojen ilmakehää.
Mutta tässä on avain: massiivisempi planeetta voi pitää kiinni paksummasta ilmakehästä. Joten teoriassa planeetan massa voitaisiin mitata pelkästään ilmakehän tai siirtospektrin perusteella.
Yksittäistä korrelaatiota ei tietenkään ole, tai olisimme ymmärtäneet tämän jo kauan sitten. Ilmakehän laajuus riippuu myös sen lämpötilasta ja sen molekyylien painosta. Vety on niin kevyttä, että se liukuu pois ilmakehästä helpommin kuin esimerkiksi happi.
Joten de Wit työskenteli vakioyhtälöstä, joka kuvaa asteikon korkeutta - pystysuoraa etäisyyttä, jolla ilmakehän paine laskee. Se, missä määrin paine putoaa, riippuu planeetan lämpötilasta, planeetan painovoimasta (alias massa) ja ilmakehän tiheydestä.
Perusalgebran mukaan: kun tiedämme mitkä tahansa kolme näistä parametreista, voimme ratkaista neljännen. Siksi planeetan gravitaatiovoima tai massa voidaan johtaa sen ilmakehän lämpötilasta, paineprofiilista ja tiheydestä – parametreista, jotka voidaan saada pelkällä läpäisyspektrillä.
Teoreettisen työn takana de Wit ja Seager käyttivät tapaustutkimuksena kuumaa Jupiter HD 189733b:tä, jonka massa on jo vakiintunut. Heidän laskelmat paljastivat saman massamittauksen (1,15 kertaa Jupiterin massa) kuin radiaalinopeusmittauksilla saatu.
Tämä uusi tekniikka pystyy luonnehtimaan eksoplaneettojen massaa pelkästään niiden kauttakulkutietojen perusteella. Vaikka kuumat Jupiterit ovat edelleen uuden tekniikan pääkohde, de Wit ja Seager pyrkivät kuvaamaan Maan kaltaisia planeettoja lähitulevaisuudessa. Kun James Webb -avaruusteleskooppi laukaistiin vuodelle 2018, tähtitieteilijöiden pitäisi pystyä saamaan paljon pienempien maailmojen massat.
Artikkeli on julkaistu Science Magazinessa, ja se on nyt ladattavissa paljon pidemmässä muodossa tässä .