planeettojen synty

Tuore tutkimus antaa vihiä siitä, mistä asteroidi oli mahdollisesti peräisin. Toronton yliopiston Alan Jacksonin johtama ryhmä tarkasteli, miten ’Oumuamuan kaltainen kappale voisi sinkoutua tähtienväliseen avaruuteen.

Mallinnuksen mukaan se on paljon todennäköisempää, jos kyseessä on kaksoistähtijärjestelmä. Samalla selvisi, että kivisiä kappaleita – jollainen ’Oumuamua on – karkaa kaksoistähtiä ympäröivistä planeettajärjestelmistä yhtä tiuhaan kuin jäisiäkin.

"On tosi outoa, että ensimmäinen oman planeettajärjestelmämme ulkopuolelta tullut kappale on asteroidi, sillä komeetta olisi paljon helpompi löytää ja Aurinkokunnasta sinkoutuu paljon enemmän komeettoja kuin asteroideja", Jackson hämmästelee.

Tutkimuksessa tarkasteltiin myös kaksoistähtijärjestelmien yleisyyttä Linnunradassa. Kun tulokset yhdistettiin, kaikki viittasi siihen, että ’Oumuamua on peräisin kaksoistähtijärjestelmästä.

Kun eksoplaneettoja löytyy kaiken aikaa lisää, voidaan yrittää selvittää, onko tietynlaisilla tähdillä tietynlaisia planeettoja. Jos jonkinlaista säännönmukaisuutta löytyy, eksojen metsästys helpottuu ja tehostuu.

Koska tähti ja sitä mahdollisesti kiertävät planeetat syntyvät samasta kaasu- ja pölypilvestä, tähden kemiallinen koostumus kertoo myös planeettojen ominaisuuksista. 

Jo aikaisemmissa tutkimuksissa on todettu, että jättiläisplaneettoja syntyy yleisimmin rautapitoisten tähtien ympärille. Pienemmät kiviplaneetat sen sijaan eivät vaadi erityistä runsautta raudan osalta.

Uudessa tutkimuksessa tarkastelua on laajennettu myös muihin alkuaineisiin. Sen mukaan tähdet, joilla on ympärillään Maan kokoluokkaa olevia kiviplaneettoja, ovat pääpiirteissään koostumukseltaan samanlaisia kuin tähdet, joilla on Neptunuksen kokoisia kiertolaisia tai ei lainkaan planeettoja. Kaasujättiläisten kiertämistä tähdistä ne kuitenkin poikkeavat selvästi.

Tutkijaryhmä keskittyi seitsemään tähteen, joilla on ainakin yksi Maata muistuttava kiviplaneetta, ja tarkasteli 19 eri alkuaineen runsauksia niiden koostumuksessa. 

Tulosten mukaan maankaltaisia planeettoja ei yleensä ole tähdillä, joissa on runsaasti esimerkiksi rautaa ja piitä. Se on yllättävää, sillä kiviplaneettojen yleisimpiä alkuaineita ovat juuri rauta ja pii.

"Planeettojen syntyyn liittyvistä tähtien ominaisuuksista käydään kiivasta kiistelyä", toteaa tutkimusta johtanut Simon Schuler. "Meidän tuloksemme tukevat teoriaa, jonka mukaan pieniä kiviplaneettoja syntyy kemialliselta koostumukseltaan hyvin vaihteleville tähdille."

"Se tarkoittaa, että pienet kiviplaneetat voivat olla vielä oletettuakin yleisempiä", lisää tutkimusryhmään kuulunut Johanna Teske.

Kun planeettoja syntyy nuorta tähteä ympäröivästä kaasu- ja pölykiekosta, on mahdollista, että planeetoiksi kasautuva aine on pois tähden koostumuksesta. Jos niin todella on, paranevat mahdollisuudet löytää uusia eksoplaneettoja, sillä niiden kiertämissä tähdissä tiettyjä alkuaineita olisi silloin tavallista vähemmän. 

Tutkituista seitsemästä tähdestä yhdessäkään ei kuitenkaan näkynyt merkkejä tiettyjen alkuaineiden vähentymisestä planeettojen syntyprosessissa. 

"Pienten planeettojen löytäminen on haasteellista, joten on hienoinen pettymys, ettemme saaneet selvää vihjettä niiden kiertämien tähtien tunnistamiseksi", Teske valittelee.

"Tuloksemme on silti tosi jännittävä, koska sen mukaan pienet planeetat ovat hyvin yleisiä ja kemialliselta koostumukseltaan vaihtelevia."

Tutkimuksesta kerrottiin Carnegie-instituutin uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: NASA Ames/JPL-Caltech/Tim Pyle (Taiteilijan näkemys Kepler-62f-eksoplaneetasta, joka on ”super-Maa”. Se kiertää Aurinkoa pienempää ja viileämpää tähteä noin 1 200 valovuoden etäisyydellä.)

Nuorten tähtien ympärillä esiintyy usein kaasu- ja pölykiekkoja, niin sanottuja protoplanetaarisia kiekkoja, joissa voi olla parhaillaan syntymässä tai jo syntynyt planeettoja. Tähän saakka on pidetty jokseenkin varmana merkkinä planeetan olemassaolosta kiekossa havaittuja "aukkoja", samankaltaisia tummia kohtia kuin Cassinin jako Saturnuksen renkaissa.

Ajatuksena on, että tähteä kiertävä planeetta "auraa" kiekkoon rataansa myötäilevän tyhjän alueen. Uuden tutkimuksen mukaan kyse voi kuitenkin olla joissakin tapauksissa pelkästä havaintoharhasta, jolla ei ole mitään tekemistä planeettojen esiintymisen kanssa.

"Jos emme havaitse kiekosta sirottunutta valoa, se ei välttämättä tarkoita, etteikö sillä kohtaa olisi jotain", toteaa tutkimusta johtanut Til Birnstiel.

Tutkijat tarkastelivat kiekkoja, jotka säteilevät näkyvän valon alueella tai lähi-infrapuna-aallonpituuksilla sirottunutta valoa. Sironta johtuu pienistä pölyhiukkasista, niin pienistä, että ne muistuttavat lähinnä tupakansavua. Alkujaan hiukkaset ovat levittäytyneinä koko kiekkoon, mutta pilvessä tapahtuu aikaa myöten muutoksia.

Hiukkaset kasautuvat yhteen ja muodostavat yhä suurempia kappaleita, lopulta jopa planeettoja. Toisinaan syntyneet kappaleet kuitenkin hajoavat törmäyksissä. Hiukkaset voivat myös vaeltaa kiekossa joko lähemmäs tähteä tai kauemmas siitä. Tätä kaikkea on mallinnettu Smithsonian-instituutissa Hydra-supertietokoneklusterilla.

"Kappaleiden kasvulla, vaeltelulla ja hajoamisella on selviä, havaittavia vaikutuksia", arvioi tutkimusryhmään kuulunut Sean Andrews. "Niiden seurauksena kiekkoon voi syntyä näennäinen aukko, kun valoa sirottavat pienet hiukkaset katoavat, mutta suuremmat kappaleet ovat siellä edelleen."

Miten on sitten mahdollista erottaa planeetan raivaama aukko alueesta, jonka soraa muistuttava aines on puhdistanut pölystä? Tekemällä havaintoja pidemmillä aallonpituuksilla, joilla sora on mahdollista erottaa.

Teoriaa on tarkoitus testata havaitsemalla TW Hydrae -nimistä tähteä ympäröivää kiekkoa ALMA-teleskoopilla (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). Jos kiekossa olevassa aukossa "nähdään" soraa ja kivenkappaleita, sillä kohtaa ei todennäköisesti ole planeettaa. Sen sijaan jos aukko näyttää tyhjältä myös radiohavaintojen perusteella, silloin aukon kohdalla on mahdollisesti tähteä kiertävä planeetta.

Tutkimuksesta kerrottiin CfA:n (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Meillä on ollut tuuria. Maa on syntynyt hyvin varhaisessa vaiheessa, jos tarkastellaan koko maailmankaikkeuden kehitystä. Kun Aurinkokunta tiivistyi tähtienvälisestä kaasu- ja pölypilvestä noin 4,6 miljardia vuotta sitten, ainoastaan kahdeksan prosenttia elämän kannalta suotuisista, koko maailmankaikkeuden eliniän aikana syntyvistä planeetoista oli olemassa. 

Tutkimus, jossa tähän tulokseen on päädytty, on teoreettinen, mutta se perustuu havaintoaineistoon, joka on koottu Hubble- ja Kepler-avaruusteleskoopeilla.

"Päätavoitteenamme oli ymmärtää Maan asema suhteessa koko muuhun maailmankaikkeuteen", sanoo Peter Behroozi, toinen tutkimuksen tekijöistä. "Verrattuna kaikkiin planeettoihin, jotka vielä muodostuvat maailmankaikkeudessa, Maa on syntynyt itse asiassa hyvin varhain."

Hubble-avaruusteleskoopin avulla on pystytty katsomaan kauas sekä ajassa että avaruudessa, ja sillä tehdyt havainnot muodostavat galaksien perhealbumin. Siitä voi nähdä, miten tähtien syntytahti on muuttunut galaksien ikääntyessä ja kasvaessa kokoa.

Havaintojen mukaan maailmankaikkeudessa syttyi 10 miljardia vuotta sitten tähtiä hyvin nopeasti, mutta syntyprosessissa oli mukana vain murto-osa kaikesta vedystä ja heliumista. 

Nykyisin tilanne on päinvastainen. Tähtiä syntyy huomattavasti verkkaisemmin, mutta kaasua on tarjolla niin runsaasti, että prosessi – sekä tähtien että planeettojen synty – jatkuu hyvin pitkään.

"Alkuräjähdyksen jäljiltä on vielä niin paljon materiaalia, että tulevaisuudessa planeettoja syntyy paljon enemmän niin Linnunradassa kuin muuallakin", toteaa tutkimuksen toinen tekijä Molly Peeples.

Kepler-avaruusteleskoopin tekemien löytöjen perusteella maankaltaisia planeettoja, jotka kiertävät tähteään elinkelpoisella vyöhykkeellä – jolloin planeetan pinnalla voi olla nestemäistä vettä – on ympäri Linnunrataa. Arvioiden mukaan Maan kokoluokkaa olevia planeettoja, joista huomattava osa on kivisiä, on Linnunradassa noin miljardi. 

Tulevaisuudessa maankaltaisia planeettoja voi syntyä elinkelpoisille vyöhykkeille vielä lukemattoman paljon. Todennäköisimmin niitä muodostuu jättimäisissä galaksijoukoissa, mutta toisaalta myös kääpiögalakseissa. Niissä on runsaasti kaasua, josta tiivistyy sekä uusia tähtiä että niitä kiertäviä planeettoja.

Olemme onnekkaita myös siksi, että maailmankaikkeuden varhaisvaiheissa – joita kaikesta huolimatta vielä elämme – pystymme tarkastelemaan tehokkailla kaukoputkilla kehityskulkua alkuräjähdyksestä galaksien muodostumisen alkuvaiheisiin.

Koska maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä vauhdilla, triljoonan vuoden kuluttua emme pystyisi enää tekemään havaintoja kosmisen kehityksen ensimmäisistä vuosimiljardeista: valo ja muu sähkömagneettinen säteily ei enää saavuttaisi havaintolaitteitamme. 

Kaukaisessa tulevaisuudessa kehittyvillä sivilisaatioilla ei olisi aavistustakaan, miten maailmankaikkeus on syntynyt ja kehittynyt. 

Tutkimuksesta kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivuilla ja se on julkaistu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/ESA/G. Bacon (STScI)

Tähtitieteilijät ovat löytäneet ESOn VLT-teleskoopilla (Very Large Telescope) ja Hubble-avaruusteleskoopilla otetuista kuvista lähitähteä AU Microscopii ympäröivästä pölykiekosta suurella nopeudella eteneviä, aaltoja muistuttavia rakenteita.

AU Microscopii -tähti on 32 valovuoden etäisyydellä Maasta ja sillä on ikää ainoastaan 12 miljoonaa vuotta. Tähteä ympäröi laaja pölykiekko, jossa saattaa olla parhaillaan käynnissä planeettojen syntyprosessi.

Kiekosta on etsitty merkkejä tihentymistä tai taipumista, sillä ne voisivat paljastaa mahdollisten planeettojen sijainnin. Vuonna 2014 etsintöjä tehtiin VLT-teleskooppiin vastikään asennetulla SPHERE-instrumentilla, jolla saavutetaan huippuluokan kontrasti. 

"Havaintomme paljastivat jotain odottamatonta", kertoo tutkijaryhmää vetänyt Anthony Boccaletti. "SPHERE-instrumentin kuvissa näkyy selittämättömiä kiekon yksityiskohtia, jotka muistuttavat rakenteeltaan kaaria tai aaltoja. Mitään vastaavaa ei ole havaittu aiemmin.”

Kuvissa erottuu eri etäisyyksillä tähdestä viisi aaltomaista kaarta, jotka näyttävät vedenpinnan aaltoilulta. Kun ryhmä tutki Hubble-avaruusteleskoopilla vuosina 2010 ja 2011 otettuja kuvia, omituiset rakenteet näkyivät niissäkin. Lisäksi yksityiskohtien todettiin liikkuneen – vieläpä hyvin nopeasti.

"Käsittelimme uudelleen Hubblella otetut kuvat ja saimme riittävästi informaatiota, jotta saatoimme seurata outojen yksityiskohtien liikettä neljän vuoden aikana", selostaa ryhmään kuulunut Christian Thalmann. "Totesimme kaarten etääntyvän tähdestä jopa 40 000 kilometrin tuntinopeudella!”

Kauempana tähdestä olevat yksityiskohdat näyttävät liikkuvan nopeammin kuin lähempänä olevat. Ainakin kolme kaarta etääntyy niin suurella nopeudella, että ne voivat hyvinkin olla pakenemassa tähden gravitaatiokentästä. 

Suuret nopeudet tekevät mahdottomaksi, että kyse olisi tavanomaisista rakenteista, joita tähteä kiertävät planeetat voisivat saada aikaan ainekiekossa. Taustalla täytyy olla jotain muutakin, joka on saanut aaltojen vauhdin kiihtymään.

"Kaikki tähän löytöön liittyvä on ollut melkoisen yllättävää!" toteaa ryhmään kuulunut Carol Grady. "Koska mitään tällaista ei ole aiemmin havaittu tai ennustettu teoreettisesti, voimme vain arvailla, mitä oikein näemme ja miten se on syntynyt.”

Tutkijaryhmä ei pysty varmuudella sanomaan, mikä on saanut aikaan tähteä ympäröivät mystiset aallot. Yhtenä mahdollisuutena on pohdittu kahden massiivisen, asteroidia muistuttavan kappaleen törmäystä, jossa olisi vapautunut suuria määriä pölyä. Toisena vaihtoehtona on ollut esillä, että järjestelmän gravitaatiokentässä esiintyvät häiriöt olisivat synnyttäneet spiraalimaisia aaltoja.

Nämä selitykset on kuitenkin jouduttu hylkäämään. 

"Yksi outojen rakenteiden selitys kytkee ne tähden flare- eli roihupurkauksiin. AU Mic on tähti, jossa niitä esiintyy paljon – usein sen pinnalla tai pinnan läheisyydessä tapahtuu valtaisan suuri, äkillinen energiapurkaus", selittää ryhmään kuulunut Glenn Schneider. 

"Tällainen roihupurkaus on kenties aiheuttanut jollakin planeetalla – mikäli tähdellä on planeettoja – esimerkiksi aineen nopeaa karkaamista avaruuteen, jolloin se kulkeutuisi nyt kiekossa ulospäin roihupurkauksen voimasta."

Ryhmän on tarkoitus jatkaa AU Mic -järjestelmän tutkimista SPHERE-instrumentin lisäksi myös muilla havaintolaitteilla, kuten ALMA-radioteleskoopilla, jotta arvoitukselliselle ilmiölle löytyisi selitys.

Tutkimuksesta kerrottiin sekä ESOn että Hubblen uutissivuilla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: ESO/ESA/NASA

Alle 200 valovuoden etäisyydeltä on löydetty nuoria punaisia kääpiöitä, jotka muuttavat käsityksiä planeettakunnan syntyprosessista. Tähdillä on ikää ainoastaan 30–40 miljoonaa vuotta ja kahdella niistä on edelleen ympärillään tiheä ainekiekko, josta on mahdollisesti tiivistymässä planeettoja. 

"Muilla tämänikäisillä tähdillä ei yleensä ole enää kiekkoa. Punaisten kääpiöiden ainekiekot näyttävät pitkäikäisemmiltä kuin Auringon kaltaisilla kuumemmilla tähdillä. Emme vielä ymmärrä miksi", pohdiskelee tutkimusryhmää johtanut Simon Murphy.

Nuorten tähtien "vanhojen" kiekkojen löytyminen kyseenalaistaakin nykyiset teoriat planeettojen synnystä. "Planeettojen muotoutuminen saattaa kestää paljon pidempään kuin aiemmin arveltiin", toteaa tutkimusryhmään kuulunut Warrick Lawson.

Punaisia kääpiöitä ympäröivät kiekot paljastuivat niiden infrapunasäteilyn perusteella. Vaikka kiekkoja ei havaittu suoraan, tutkijoiden mukaan on mahdollista, että riittävän tehokkailla kaukoputkilla ne on mahdollista kuvata.

Aurinkoa kiertävien kahdeksan planeetan tiedetään syntyneen noin 4,5 miljardia vuotta sitten. Saattaa tuntua nurinkuriselta, mutta ensimmäisenä muotoutuivat suurimmat planeetat. Varsinaisena ongelmana on kuitenkin ollut, että Jupiteria ja Saturnusta ei pitäisi olla ollenkaan olemassa. Ainakaan jos suosittuun kehitysmalliin on luottaminen.

Ilmeisesti siihen ei kannata luottaa. Niin sanotun "ydinkertymämallin" mukaan jättimäisten kaasuplaneettojen kasautuminen olisi alkanut kiinteän, noin 10 kertaa Maata suuremman kappaleen muodostumisesta. Tämä jää- ja kivimöykky olisi sitten haalinut itseensä suuren määrän vetyä ja heliumia.  

Mallin riesana on ollut aika. Kiinteän ytimen olisi pitänyt muodostua muutamassa miljoonassa vuodessa tai vastasyntynyttä Aurinkoa ympäröivä kaasukiekko olisi ehtinyt harventua ennen kuin Jupiter ja Saturnus olisivat kasvaneet nykymittoihinsa: niille ei yksinkertaisesti olisi riittänyt rakennusainetta. 

Toisaalta Maan kasautuminen kesti vähintään 30 miljoonaa vuotta, mahdollisesti jopa 100 miljoonaa vuotta. Miten useita kertoja Maata suurempia kappaleita olisi voinut silti syntyä muutamassa miljoonassa vuodessa? 

"Oli epäselvää, miten Jupiterin ja Saturnuksen kaltaisia planeettoja saattoi ylipäätään muodostua", pohtii vastikään julkaistua tutkimusta johtanut Hal Levinson. Ratkaisu saattaa löytyä ”planetaarisesta sorasta”, jonka syntyä ja kehitystä tutkijat mallinsivat laskennallisesti. 

Sen sijaan, että jättiläisplaneettojen kiinteät ytimet olisivat muodostuneet vähitellen pienten kappaleiden kasautuessa vaiheittain yhä suuremmiksi ryppäiksi, Aurinkokunnan varhaisvuosina syntyi ensin suunnilleen koripallon kokoisia jäisiä möhkäleitä, jotka sitten kertyivät yhteen.

Kun kasautuminen pääsi alkuun, tätä hyvin karkeaa "soraa" ajautui kasvaviin kappaleisiin paitsi vetovoiman, myös niitä ympäröivän kaasun avittamana. Kun jäiset kimpaleet lähestyivät planeetta-alkioita, kaasu hidasti niiden liikettä, jolloin ne eivät päässeet karkuun vaan päätyivät kasvattamaan alkioiden massaa.

Tutkijoiden mukaan "sorakertymämalli" selittää Aurinkokunnan rakenteen sekä Jupiterin ja Saturnuksen synnyn käytettävissä olevassa ajassa edellyttäen, että prosessi tapahtui sopivalla nopeudella. Syntyvillä planeetoilla piti olla riittävästi aikaa vaikuttaa toisiinsa vetovoiman välityksellä. 

"Jos kertyminen tapahtuu liian nopeasti, tuloksena on satoja jäisiä maapalloja", arvioi Katherine Kretke. "Kasvavilla ytimillä täytyy olla aikaa singota kilpailijansa kauemmas, jolloin ne eivät enää pysty keräämään itseensä soraa. Silloin muodostuu ainoastaan pari kaasujättiläistä."

Tutkimuksesta kerrottiin SwRI:n (Southwest Research Institute) uutissivuilla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen)

Kuva: NASA/JPL-Caltech

Linnunradan käsikirja liftareille kertoo muinaisesta Margratheasta, myyttisestä maailmasta, jonka vientituotteena olivat käsityönä tehdyt luksusluokan mittatilausplaneetat. Samaisen legendaarisen hakuteoksen "enimmäkseen harmittomaksi" luokittelemalla maapallolla ei ole vielä päästy yhtä pitkälle, mutta laboratoriokokeet on jo aloitettu.

Planeettojen syntyprosessi tunnetaan pääpiirteiltään, mutta yksi monista arvoituksista on sen alkuvaiheet: miten tähtienvälisen aineen kasautuminen pääsee käyntiin? Syntymässä olevia tähtiä ympäröivissä ainekiekoissa oleva pöly muistuttaa hienojakoisuudeltaan suunnilleen savua. Tästä usvasta pitäisi saada aikaan monenkirjavia, niin kivisiä kuin pääosin kaasusta koostuvia planeettoja. 

Tutkijat ovat jo pitkään arvelleet, että sähköstaattiset vuorovaikutukset saattavat auttaa toisiinsa törmäileviä hiukkasia pysymään yhdessä sen sijaan, että ne kimpoilisivat eri suuntiin. 

Chicagon yliopistossa on nyt ensimmäisen kerran onnistuttu tarkastelemaan yksityiskohtaisesti, miten hiukkasryppäät lähtevät kasvamaan pitkän kantaman sähköstaattisten vuorovaikutusten avittamien sieppausten seurauksena. Näin syntyy "raemolekyylejä", jotka muistuttavat rakenteeltaan yksinkertaisia kemiallisia yhdisteitä. 

Vapaassa putoamisliikkeessä olevan hiukkasvirran avulla tutkijat simuloivat liki painotonta tilaa, missä sähköisesti varattujen hiukkasten väliset veto- ja hylkimisvoimat vaikuttavat vastaavalla tavalla kuin avaruuden tyhjyydessä. Hiukkasia seurattiin huippunopealla videokameralla, joka oli myös vapaassa pudotuksessa.

"Tutkimuksella on merkitystä planeettojen synnyn kaikkein varhaisimpien vaiheiden kannalta. Prosessin uskotaan käynnistyvän tähtienvälisten pölyhiukkasten keskinäisistä törmäyksistä", arvioi tutkijaryhmään kuulunut Heinrich Jaeger. 

Yksittäisissä nokkakolareissa ei kuitenkaan vapaudu riittävästi energiaa, jotta hiukkaset takertuisivat toisiinsa, mutta sähköisistä voimista näyttää löytyvän selitys – kuten arveltiinkin.

Tuoreet tulokset eivät tuo selvyyttä ainoastaan planeettojen syntyyn, vaan sillä arvellaan olevan sovelluksia niin biofysiikassa ja termodynamiikassa kuin proteiinien ja nukleiinihappojen rakenteen tutkimuksessakin.

Laboratoriokokeista kerrottiin Chicagon yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/JPL-Caltech