Tähtitieteilijät raportoivat tänään löytäneensä vinossa olevan planeettajärjestelmän, jossa kahden planeetan radat ovat jyrkässä kulmassa toisiinsa nähden. Tämä yllättävä havainto vaikuttaa teorioihin siitä, miten moniplaneettaiset järjestelmät kehittyvät, ja se osoittaa, että jotkin väkivaltaiset tapahtumat voivat häiritä planeettojen kiertoratoja sen jälkeen, kun planeettajärjestelmä on muodostunut, sanovat tutkijat.
”Löydökset merkitsevät sitä, että eksoplaneettojen järjestelmien tutkiminen on tulevaisuudessa monimutkaisempaa. Tähtitieteilijät eivät voi enää olettaa, että kaikki planeetat kiertävät emotähteään yhdessä tasossa”, sanoo Barbara McArthur Teksasin yliopiston Austinin McDonald Observatoriosta.
McArthur ja hänen ryhmänsä käyttivät Hubble-avaruusteleskoopin, jättiläismäisen Hobby-Eberly-teleskoopin ja muiden maanpäällisten teleskooppien tuottamaa dataa yhdistettynä laajaan mallinnukseen löytääkseen vyöryn informaatiota läheistä tähteä ympäröivästä planeettajärjestelmästä.
McArthur kertoi näistä havainnoista lehdistötilaisuudessa, joka pidettiin tänään Miamissa American Astronomical Societyn 216. kokouksessa, yhdessä yhteistyökumppaninsa Fritz Benedictin kanssa, joka on myös McDonald Observatorion työntekijä, ja Rory Barnesin kanssa Washingtonin yliopistosta. Työ julkaistaan myös Astrophysical Journal -lehden 1. kesäkuuta ilmestyvässä numerossa.
Hieman yli vuosikymmenen ajan tähtitieteilijät ovat tienneet, että kolme Jupiter-tyyppistä planeettaa kiertää keltavalkoista tähteä Upsilon Andromedae. Upsilon Andromedae muistuttaa ominaisuuksiltaan Aurinkoamme ja sijaitsee noin 44 valovuoden päässä. Se on hieman nuorempi, massiivisempi ja kirkkaampi kuin Aurinko.
Yhdistelemällä periaatteessa erilaisia, mutta toisiaan täydentäviä tietoja Hubble- ja maateleskoopeista McArthurin ryhmä on määrittänyt kahdelle kolmesta tunnetusta planeetasta, Upsilon Andromedae c:lle ja d:lle, tarkat massat. Paljon hätkähdyttävämpää on kuitenkin heidän havaintonsa siitä, että kaikki planeetat eivät kiertele tätä tähteä samassa tasossa. Planeettojen c ja d kiertoradat ovat 30 astetta vinossa toisiinsa nähden. Tämä tutkimus on ensimmäinen kerta, kun kahden toista tähteä kiertävän planeetan ”keskinäinen kaltevuus” on mitattu. Ryhmä on myös löytänyt viitteitä siitä, että neljäs planeetta, e, kiertää tähteä paljon kauempana.
”Todennäköisesti Upsilon Andromedae on muodostunut samalla tavalla kuin oma aurinkokuntamme, vaikka myöhäisessä muodostumisessa on saattanut olla eroja, jotka ovat synnyttäneet tämän poikkeavan evoluution”, McArthur sanoo. ”Planeettojen evoluution oletuksena on tähän asti ollut, että planeettajärjestelmät muodostuvat kiekossa ja pysyvät suhteellisen samassa tasossa, kuten oma järjestelmämme, mutta nyt olemme mitanneet merkittävän kulman näiden planeettojen välillä, mikä viittaa siihen, että näin ei aina ole.”

Vakiintuneen käsityksen mukaan suuri kaasupilvi luhistuu alas muodostaen tähden, ja planeetat ovat luonnollista sivutuotetta jäljelle jääneestä materiaalista, joka muodostaa kiekon. Aurinkokunnassamme on jäänteitä tuosta luomistapahtumasta, koska kaikki kahdeksan suurta planeettaa kiertävät lähes samassa tasossa. Uloimmat kääpiöplaneetat, kuten Pluto, ovat kallistuneilla kiertoradoilla, mutta Neptunuksen painovoima on muokannut niitä, eivätkä ne ole syvällä Auringon painovoimakentässä.
Upsilon Andromedae:n yllättävän kallistuneet kiertoradat voivat johtua useista erilaisista gravitaatioskenaarioista. ”Mahdollisuuksiin kuuluvat vuorovaikutukset, jotka johtuvat planeettojen siirtymisestä sisäänpäin, muiden planeettojen sinkoutumisesta järjestelmästä planeetta-planeetta-sironnan kautta tai emotähden kaksoistähden, Upsilon Andromedae B:n, kumppanitähden aiheuttamista häiriöistä”, McArthur sanoi.
Barnes, joka on asiantuntija ekstrasolaaristen planeettajärjestelmien dynamiikassa, lisäsi: ”Dynaaminen analyysimme osoittaa, että kaltevat kiertoradat ovat luultavasti syntyneet planeettajärjestelmän alkuperäisen jäsenen sinkoutumisen seurauksena. Emme kuitenkaan tiedä, pakottiko kaukainen tähtitaustainen kumppani tämän ulosheittymisen vai muodostuiko itse planeettajärjestelmä siten, että jotkut alkuperäiset planeetat heittäytyivät ulos. Lisäksi havaitsemme, että muodostunut kokoonpano on edelleen aivan epävakauden partaalla: planeetat vetävät toisiaan niin voimakkaasti, että ne melkein pystyvät heittämään toisensa ulos järjestelmästä.”
Tässä tutkimuksessa yhdistettiin kaksi erityyppistä aineistoa, jotka olivat Hubble-avaruusteleskoopin suorittama astrometria ja maanpäällisistä teleskoopeista saadut säteittäisnopeudet.
Astrometria mittaa taivaankappaleiden sijainteja ja liikkeitä. McArthurin ryhmä käytti tehtävään yhtä Hubble-teleskoopin hienoohjausantureista (Fine Guidance Sensors, FGS). FGS-anturit ovat niin tarkkoja, että ne voivat mitata neljännesosan leveyden Denverissä Miamin näköalapaikalta. Juuri tätä tarkkuutta käytettiin jäljittämään tähden liikettä taivaalla, joka aiheutui sitä ympäröivistä – ja näkymättömistä – planeetoista.
Radiaalinopeudella mitataan tähden liikettä taivaalla Maahan päin ja Maasta poispäin. Nämä mittaukset on tehty 14 vuoden aikana maanpäällisillä teleskoopeilla, joista kaksi on McDonaldObservatoriossa ja toiset Lick-, Haute-Provence- ja WhippleObservatoriossa. Radiaalinopeus tarjoaa pitkän perustan kiertoratahavainnoille, mikä mahdollisti lyhyemmän ajanjakson, mutta tarkemmat ja täydellisemmät Hubble-havainnot, joiden avulla voitiin paremmin määritellä kiertoratojen liikkeet.
Se, että ryhmä määritteli planeettojen cand d kiertoratojen kaltevuudet, mahdollisti sen, että he pystyivät laskemaan näiden kahden planeetan tarkat massat. Uudet tiedot kertoivat, että käsitystämme siitä, kumpi planeetta on painavampi, on muutettava. Aiempien säteittäisnopeustutkimusten perusteella määritettyjen planeettojen vähimmäismassojen mukaan planeetta c:n vähimmäismassa oli 2 Jupiteria ja planeetta d:n vähimmäismassa oli 4 Jupiteria. Astrometrian avulla löydetyt uudet tarkat massat ovat 14 Jupiteria planeetalle c ja 10 Jupiteria planeetalle d.
”Hubble-tiedot osoittavat, että radiaalinopeus ei ole koko tarina”, Benedict sanoi. ”Se, että planeettojen massat todella vaihtuivat, oli todella söpöä.”
Ryhmän kokoama 14 vuoden säteittäisnopeustieto paljasti viitteitä siitä, että neljännen, pitkän jakson planeetan kiertorata voi olla kolmen nyt tunnetun planeetan ulkopuolella. Tuosta planeetasta on vain vihjeitä, koska se on niin kaukana, että sen luoma signaali ei vielä paljasta radan kaarevuutta. Toinen puuttuva palapelin osa on sisimmän planeetan, b:n, kaltevuus, mikä vaatisi 1 000 kertaa Hubblea tarkempaa astrometriaa, joka on saavutettavissa interferometriaan optimoidulla avaruuslennolla.
Ryhmän Hubble-tiedot vahvistivat myös Upsilon Andromedaen aseman abinaarisena tähtenä. Seuratähti on punainen kääpiö, joka on vähemmän massiivinen ja paljon Aurinkoa himmeämpi.
”Meillä ei ole aavistustakaan, mikä sen kiertorata on”, Benedict sanoi. ”Se voi olla hyvin eksentrinen. Ehkä se tulee silloin tällöin hyvin lähelle. Se voi kestää 10 000 vuotta.” Toissijaisen tähden niin läheinen ohitus voisi gravitaatiohäiriön vuoksi häiritä planeettojen kiertoratoja.