Eksoplaneettoja metsästämässä

Eksot paljastuvat harrastajille ylikulkiessaan tähden editse.
Tapahtuma himmentää hieman tahden kirkkautta ja toistuessaan
se on merkki olemassa olevasta planeetasta.

Teksti Matti Koskinen

Tiedämme, että planeetat ovat yleisiä muillakin tähdillä kuin Auringolla. Niitä ei kuitenkaan ole erityisen helppo havaita. Ensimmäinen todistettu havainto on vuodelta 1992. Sittemmin lähetettiin Kepler-luotain nimenomaan niitä etsimään. Sen saalis vuosilta 2009 – 2013 on tällä hetkellä noin 3000 todennäköistä planeettaa siltä pieneltä osalta taivasta, mitä se on tutkinut. Samaan aikaan myös maanpäälliset observatoriot ovat löytäneet suuren määrän ”eksoja”. Varmoja havaintoja on nyt yhteensä 1700.

Eksoplaneettoja havaitaan useammalla tavalla. Harrastajille helpoin niistä on ylikulkujen havaitseminen. Menetelmässä havaituksi tulee sellainen planeetta, joka kiertää tähteään aika tarkasti juuri siinä tasossa, jossa myös maapallo on. Jos planeetta on vielä kyllin suuri, se himmentää tähden kirkkautta juuri ja juuri havaittavasti silloin, kun se on meistä katsoen tähden edessä. Jos ylikulku toistuu säännöllisesti, ei se oikein voi olla muu kuin planeetta. Meidän harrastajien kannalta on kiinnostavaa, että ylikulkuhavaintoja on mahdollista tehdä käytössämme olevilla laitteilla.

Alkuperäinen kuvakenttä jossa tutkittava tähti on merkitty
nuollella. Kuva Matti Koskinen.

Eksot kiinnostavat tamperelaisia

Eksojen havainnointiin on maailmalle muodostunut ryhmiä, jotka julkaisevat tunnetuista planeetoista luetteloja ja aikatauluja. Kattava luettelo löytyy sivustolta ETD – Exoplanet Transit Database ^[1].

Taulukoista nähdään, että 12. maaliskuuta 2015 Tampereella oli itäisellä taivaalla Joutsenessa nähtävissä tähti, jonka Trans-Atlantic Exoplanet Survey -yhteisö on nimennyt TrES-5:ksi. Tähden editse kulkee planeetta TrES-5b, jonka ylikulun ajat ovat tiedossa. Planeetan aiheuttama himmennys tähden kirkkauteen on 0,0215 magnitudia ja sen kiertoaika on 1,48 vuorokautta. Mainittakoon, että TrES-ryhmän käyttämät teleskoopit ovat halkaisijaltaan 10 cm ja silti ryhmä on havainnut 5 aikaisemmin tuntematonta eksoa.

Tampereen Ursan työryhmä otti juuri tämän planeetan ensimmäiseksi harjoituskohteekseen. Samana yönä olisi ollut muutama muukin mahdollinen kohde, mutta etelässä haittaa vesitornin katolla oleva radiomasto ja kuvun luukkujen ongelma taas esti länsitaivaan käyttämisen. Sittemmin selvisi, että valittu kohde ei ollut ollenkaan helpoin mahdollinen: tähti on 1 000 valovuoden päässä ja kirkkaudeltaan vain 13,7^m.

Alkuillasta havaintokohdetta ideoimassa ja Jounia kannustamassa oli Tomi Hyvönen, Kari Nyman ja Matti Koskinen. Jouni Raunio se sitten tietysti yön pimeinä tunteina otti omilla laitteillaan kuvasarjan, jossa 2 minuutin valotukset seurasivat toisiaan noin minuutin välein. Kuvauslaitteisto muodostui putkesta EdgeHD 800, jalustasta NEQ6, seurannan korjauksesta kameralla SX Lodestar (OAG) ja valosaastesuodattimesta Astronomik CLS-CCD. Varsinainen kuvaus tapahtui kameralla SX-694. Data on yhdistetty (binnattu) kertoimella 2, jolloin pikselien kokoama signaalin voimakkuus nelinkertaistuu ja tiedostojen koko putoaa neljäsosaan. Tällaisella arsenaalilla saatiin sitten tarkoitukseen hyvin kelpaava data. Nyt tästä 74 kuvan muodostamasta sarjasta piti yrittää todentaa ylikulku.

Tutkittava tähti on merkitty vihreällä renkaalla ja
verrokit punaisella. Kuva Matti Koskinen.

Kuvankäsittelyä

Tarkoitukseen tarjoutuu useampikin ihan ilmainen tietokoneohjelma, joista käyttöön valikoitui AstroImageJ (AIJ). Aluksi tähtikuva on tunnistettava sopivalla ohjelmalla, jotta koordinaatit saadaan kiinnitetyiksi ja kohdetähti yleensä löytyy. AIJ turvautuu tässä Astrometry.net – palveluun^[2]. 

Flattikorjattuun^[3] kuvasarjaan asetetaan AIJ-ohjelmassa sopivan kokoinen pyöreä apertuuri. Aukon ympärille asetetaan valinnaisen matkan päähän sopivan kokoinen rengas taustakirkkauden vähentämistä varten. Tällainen hiukan kokardia muistuttava havaintoikkuna asetetaan tutkittavan tähden ja sen lähiympäristöstä valittujen kymmenen tai kahdenkymmenen verrokkitähden päälle.

Sitten päästetään töihin ohjelma, joka poimii ja tulostaa taustakorjatut kirkkauskäyrät kaikista valituista tähdistä. Erityisesti ohjelma laskee sellaisen käyrän, jossa kuvataan havaittavan tähden kirkkauden suhdetta kaikkien verrokkitähtien keskiarvokäyrään. Käyttämällä juuri suhdekäyrää yritetään päästä eroon sellaisista kuvaukseen vaikuttavista häiriöistä, jotka vaikuttavat ympäristön kaikkiin tähtiin samalla tavalla. Sellaisia voisivat olla kuvauslaitteiston itsensä aiheuttamat kirkkaudenvaihtelut, ohi kulkevat pilviharsot, ilmakehän paksuus, vaihteleva taustakirkkaus ja joitakin muita vähäisempiä häiriöitä. Kun lasketaan suhde, vaikuttaa sekä osoittajaan että nimittäjään aika tarkoin sama virhekerroin, joka supistuu laskuissa pois. Näin saadaan vakautettua laskentaa. Tässä laskentatavassa ei kyllä suoraan saada selville kirkkauksia.

Kuvassa on AIJ-ohjelman tulostus ylikulusta, jossa toden totta näkyy syvennys. Käyrässä on toki paljon signaaliin mukaan päässyttä kohinaa, mutta jo ihan silmämääräisesti nähdään, että kyllä siinä kuoppa on. AIJ-ohjelma tarjoaa ylimääräisenä apuneuvona käyränsovituksen teoreettiseen pimennysfunktioon. Sovituksestamme voidaan arvioida karkeasti ylikulun kestoksi 108 min. Tuloksessa on iso virheraja sillä oikea tulos olisi 111,3 minuuttia.

TrES-5 – tähden kirkkauskäyrä yöllä 12.3.2105 paljastaa eksoplaneetan. Vahva kohina johtuu ennen muuta tähden himmeydestä. Kuvankäsittely Matti Koskinen.

Miten jatketaan

Tarkoitus on tarkentaa analyysi kvantitatiiviseksi ja laskea tähtien kirkkaudet. Tulevaisuudessa teemme lisää havaintoja myös muista tunnetuista eksoista. Tällä alalla on Suomessa useita mestareita, joiden seuraan meillä on pitkä mutta mielenkiintoinen matka.

Tähtiä ja planeettoja on paljon. Voisivatko harrastajat löytää jokin ennen tuntemattoman planeettaehdokkaan? Se ei välttämättä ole kiinni laitteista, mutta muita haasteita tehtävässä on. Vaikka kameran kuvakentässä todella olisikin planeetallinen tähti, pitää ylikulun osua siihen muutaman tunnin pimeään hetkeen, jolloin kuvasarja on otettu. Samasta kohdasta taivasta pitäisi siis ottaa kuvia monena yönä. Ja ylikulku on aina voinut tapahtua päivällä. Suomalaisten pilvilauttojen alla vaikeusaste kertautuu. Jos ennen tuntematon ylikulku havaitaan, se olisi sitten todennettava uudelleen, mutta nuo jatkotyövaiheet voidaan sitten jättää ammattilaisille.

Huomautukset ja linkit

[1] http://var2.astro.cz/ETD/

[2] http://astrometry.net/

[3] Flat field -kuva (flatti) on kuvankorjaukseen käytetty kuva, jolla poistetaan kuvista useita eri virheellisyyksiä, jotka johtuvat kamerasta ja käytetystä kaukoputkilaitteistosta.