Eksoplaneetan "suora" havainnointi

[Zatal]

Idea on hyvin yksinkertainen, kunhan sitä vain tulee ajatelleeksi.
Aloitetaan havaitsemalla eksoplaneetan kiertorata ja kiertoaika mahdollisimman tarkasti.
Tämän jälkeen pinotaan ekson oletettu sijainti kuvina päällekkäin mahdollisimman monta kertaa.
Koska kiertorata ja -aika ovat hieman epätarkkoja, niin pyritään parantamaan jokaisen pinotun kuvan paikkaa kokonaisuudessa.
Kuvasta voi poistaa kaiken muun, paitsi eksoplaneetan tiedot, koska muiden kohteiden paikaa tai havaintoja ei edes haluta syntyneeseen kuvaan ja ne eivät ole lainkaan tarkkoja. Jos muuta tietoa halutaan, niin se voidaan tuoda vaikkapa vain yhden kuvan kokonaisuutena viimeisenä pinottavaan kuvaan. Tai kaikki muutkin kohteet voidaan havainnoida vastaavasti.

Kun kohtuullisen hyviä havaintoja on pinottu vaikkapa tuhansia päällekkäin, niin ekso voi jo näkyä kuvissa. Kuvia voi pinota rajattomasti, jolloin kuvanlaatu ja tarkkuus paranee. (Vrt. Hubble Deep Field...) Tämä ei ole ongelmaton menetelmä, mutta mahdollisesti toteutettavissa ennen parempia teleskooppeja, kuten James Webb...

Kuvanlaatua voisi parantaa ottamalla kuvia "tidally locked" -tyyppisistä eksoista, jolloin ekson sama puoli on aina tähteään kohti. Tällöin ekson kuvat voidaan kiertää aina mahdollisimman tarkalleen päällekkäin. Mahdollisesti ekson "päivän" pituuden tuntemalla voitaisiin pinota kuvia sopivasti päällekkäin. Esim. maapallosta kuvia otettaisiin 24h välein.

Tämä voisi toimia parhaiten sellaisilla eksoilla, jotka on havainnoitu tähden huojunnan avulla, koska tällöin planeetan etäisyys ja siitä johtuva havaittava koko ei vaihtele  yhtä paljon kuin ylityksistä havaituilla eksoilla. Vaikkapa ekso, jonka rata on suorassakulmassa meistä katsottuna sopisi ensimmäisiin havaintoihin mainiosti.

Hmm... Mitenköhän tuo mahtaa toimia? 

[Horus]

Lähdetään ensin siitä, että eksoplaneettojen radat ja kiertoajat tunnetaan loppujen lopuksi todella huonosta. Mm. Härkämäellä on "havaittu" eksoplaneettaa ihan "oikeaan aikaan", mutta mitään ei näkynyt datassa...kunnes oli kulunut noin tunti ennakoidusta ylikulun alusta ja valokäyrässä alkoi näkymään ylikulku. Lisäksi mm. CoRoT:n läytämistä eksoista osa on "hävinnyt". Ts. niistä ei ole pystytty tekemään tarpeeksi havaintoja ja näin ollen niiden kiertoajat ja -radat ovat erittäin epätarkasti tiedossa. Itseasiassa harrastajia onkin pyydetty mukaan havaitsemaan näitä "kadonneita" tai katoamassa olevia eksoja jotta niiden parametrit saataisiin mahdollisimman tarkasti tietoon ja etteivät ne "katoa" kokonaan.

Sitten kun vielä muistetaan se, että ylikulun aikana eksoplaneetta himmentää emotähden valoa millimagnituditasolla. Oheisen linkin takana on selvä esimerkki Härkämäen havainnosta [Linkki] jossa himmeneminen on maksimissaan "jopa" noin 21.5 mmag. Tässä tapauksessa ylikulku on selvästi nähtävissä. Härkämäellä voidaan havaita jopa noin 5 mmag ylikulkuja. Kun miettii asiaa, niin tollainen muutos kirkkaudessa on todella pieni. En oikein usko, että mikään pinoamistekniikka saisi planeettaa esille kuvista, varsinkin kun planeetta liikkuu tähden kiekon yli ja yhdestä "mittauspisteestä" ei saada periaatteessa kuin yksi kuva.

Lopuksi on tietty hyvä muistaa se, että jos edes periaatteessa voitaisiin saada kuva eksoplaneetasta (Maan päältä kuvattuna), niin pitäisi olla niin hyvä kaukoputki jolla saataisiin emotähdestä todella suurella suurennoksella ja todella hyvällä erottelukyvyllä kuva. Tähän jo koko homma tyssäisi. Tarvittaisiin nimittäin todella suuri putki. Se tekniikka mitä nykyään mm. Härkämäellä käytetään jotta saadaan havaittua eksojen ylikulkuja, poistaa täydellisesti mahdollisuuden valokuvata itse ekson. Nimittäin yleisesti käytetty tekniikka fotometriassa (mm. eksojen ylikulkujen havainnointi) on kuvata kohteena olevaa tähteä tms. hieman epätarkkana. Kun kohde, eli emotähti, on epätarkka se "leviää" useammalle pikselille CCD-kameran kennolla ja tällöin voidaan helpommin havaita kirkkauden muutokset. Luonnollisesti, kun kuva on epätarkka, niin mitään yksityiskohtaa ei voida kuvata. Taas jos kuva olisi tarkka, niin silloin tähden valo jakaantuisi vain muutamalle tai jopa yhdelle pikselille ja eipä silloinkaan ole mahdollisuutta havaita kohdetta joka on pikselin osia. Tietysti jos olisi CCD-kamera jossa olisi järkyttävän paljon pikseleitä, niin periaatteessa ekson voisi havaita. Käytännössä tälläinen kamera on kuitenkin aika kaukana tulevaisuudessa.

[Kaizu]

Tarkoittikohan Zatal eksoplaneetan kuvaamista kun se ei ole tähden "päällä"?
Vähänkään tarkempia kiertoratatietoja saadaan vain niistä planeetoista jotka kulkevat emotähtensä ja maan välistä. Vain lähellä emotähteään kiertävistä on ollut mahdollista mitata riittävästi ylikulkuja että tiedetään kuinka monta planeettaa kiertää ja mikä milläkin jaksolla. Jos kiertorata on lähellä ympyrää tulevat ylikulutkin säännöllisin välein mutta jos rata on soikea ellipsi, tilanne mutkistuu. Pahimmillaan joudutaan odottelemaan että periheli on tehnyt täyden kierroksen, ennen kuin meillä on tarkkaa tietoa kiertoradasta. Ylikulut eivät suoraan anna tietoa planeettakunna ratatasosta eikä kiertosuunnasta.
Lähitähdeltä voitaisiin havaita meidän aurinkokunnastamme vaikkapa Jupiter. Radan määrittelemiseksi ja varmistamiseksi pitäisi saada 4-5 ylikulkuhavaintoa. Jupiterin kohdalla näitä pitää odotella 55-66 vuotta.
Havaitut eksoplaneetat tuppaavat kiertämään lähempänä, johtuen siitä että sieltä ne helpommin löytyvät. Ekson kuvaaminen taas onnistuisi paremmin kauempan emotähdestä koska silloin emotähti voitaisiin helpommin maskata pois häiritsemästä. Tietämäni mukaan tällä lailla maskaamalla on joku planeetta jo onnistuttukin kuvaamaan (IR:lla).
Pintakuvia tähdistä, niin että niistä voitaisiin ylikulku kuvata, ei ole vielä pystytty ottamaan. Betegeuzesta olen nähnyt interferometrillä otetun pintakuvan mutta senkään resoluutio ei riitä ylikulkuhavaintoon.

Kaizu

[Zatal]

Tarkoittikohan Zatal eksoplaneetan kuvaamista kun se ei ole tähden "päällä"?

Havainnon voisi tehdä silloin, kun eksoplaneetan rata on mahdollisimman etäällä tähdestään meidän suunnasta katsottuna. Tällöin tähden valon voisi maskata pois. Kuten jo mainitsinkin, niin kaikki muut kohteet voidaan maskata kokonaan pois eksoa lukuunottamatta. Jos tämä tilanne tapahtuu silloin, kun ekso on 90 asteen kulmassa meidän, tähden ja ekson välillä, niin on oletettavaa, että ekson pinnasta puolet on lähitähtensä valaisemana. Joissain tutkimuksissa on viitattu planeetan kaasukehän polarisoivan heijastamansa säteilyn, mikä voisi helpottaa havaintojen saamista, sekä ajoitusta. (En muista onko kyseessä ylikulkussa tapahtuva havainnointi vai käyvätkö kaikki tilanteet...)

Mikäli teoriaa saadaan hiottua kohdilleen, niin mikä estää käyttämästä vaikkapa Hubblen ottamia tarkkoja kuvia tai Keplerin dataa havaintojaksojen saamiseen? Tietty, nykyisellä tekniikalla rajoitteena on että tähti näkyy yleensä muutaman pikselin kokoisena, jolloin sitä seuraava planeetta on vieläkin pienempi kohde. Maanpäällisen havainnoinin ongelmana on myös ilmakehän väreily, joka saattaa olla esteenä todella tarkoille havainnoille. Tässä on kuitenkin viime vuosien aikana edistytty huimasta. Kun mietin näitä asioita en takerru siihen miten asia on nykyään tehty, vaan pyrin miettimään mikä on mahdollista. Kuitenkin epätarkkojen kuvien ottaminen heikentää ajatuksen soveltamista kaikkiin mahdollisiin havaintoihin.

Hieman ajatusta pyöritellen täydellinen elliptinen rata on paras mahdollinen kuvaus kohde. Miksi? Koska, jos elliptinen rata on meitä kohti, niin ellipsin pisimmillä "litistyneillä" sivuilla ekso viettää pitkän havaintoajan. Vaikka tuo paikka ja suhteellinen ekson koko muuttuvat hieman, niin ajan ja paikan määritys voivat helpottua tällöin huomattavasti. Suurempi ongelma on elliptisen radan muutokset ajankuluessa ja erityisesti radan tason kiertyminen pois optimaalisesta havaintokulmasta.

Ympyräradallakin planeetan siirtymä, meidän suunnastamme nähtynä, on nopeimmillaan juuri ylitysten aikana, joten parempi kuvaushetki on silloin, kun planeetan pinnasta on valaistuna noin puolet (se 90 asteen kulma). Tällöin havaintotarkkuutemme asettamiin pikselien muutoksiin menee moninkertainen aika verrattuna ylityksen aikaan. Tämä rajaa huomattavasti mahdollisten kuvien määriä. Tällöin vodaani poistaa ratatason määrittämisen vaiva ja kiertosuunnan antaman paikan voi arvata 50% todennäköisyydellä. Ratataso ei kuitenkaan saa kiertyä merkittävästi havaintosuuntamme suhteen tai sitä on kompensoitava kallistelemalla paikkaa ympyrän kehällä (meitä vastaan 90 astetta). Myös kuvan kiertäminen paikoilleen jää suurelta osin pois tällä tavalla. Havaintoajan suhteen kohde on havaintoikkunassa pidemmän aikaa... Tämä voi myös sallia kiertoradan unohtamisen ja vain kiertoajan mahdollisimman tarkan määrittämisen, koska kuvat tulevat 1/4 ja 3/4 ylityksen jälkeen laskettuna kiertoajasta ja planeetta pinoutuu kuvissa kahteen pisteeseen tähden vieressä...

Siispä kooste mahdollisten havaintojen helpottamiseksi:
1) Ekso tekee ylikulkuja tarkemman kiertoradan ja -ajan määrityksen takia.
2) Ekson rata on mahdollisimman lähellä ympyrää. (Tarkempi ajoitus ja paikka.)
3) Pinottavat kuvat otetaan silloin, kun ekson radan kierros on 1/4 ja 3/4 ylityksen jälkeisestä hetkestä laskettuna. (Useita etuja, mutta vain pieni osa kuvaushetkistä on käytettävissä. Osa 1 ja 2 kohdan rajoituksista voi hävitä tai vähentyä. Kiertoajanmääritys tehtävä tarkasti. Hmm... Entäpä 2/5 suuremman heijastuvan säteilyn vuoksi... Ja jälleen mahdollisuus kuvankiertämiseen ja pinoamiseen, ainakin heikon havainnon jälkeen... 1/4 & 3/4 & 2/5... )
4) Kuvat otetaan mahdollisimman tarkalla tekniikalla. (Planeetta voisi olla enemmän kuin 1 pikseli...)
5) Erityisesti lähitähti maskataan pois kuvasta.