vuorovesivoimat

Tässä tapauksessa "tiivis" tarkoittaa, että kaksi tähteä kiertää toisiaan hyvin lähekkäin. Ne ovat lyhytjaksoisia eli niiden kiertoaika on vain vuorokausien luokkaa.

Vaikka eksoplaneettoja on löydetty jo melkein 4 000 ja niitä etsittäessä on katsastettu tuhansia tiiviitä kaksoistähtijärjestelmiä, vain harvoja eksoplaneettoja on bongattu kaksoistähtiä kiertäviltä radoilta.

Tässä tapauksessa tutkimuksen kohteena olivat erityisesti pimennysmuuttujina tunnetut kaksoistähdet, joiden kiertoratojen taso on suuntautunut kohti Maata. Silloin tähdet näyttävät vuorotellen peittävän toisensa, jolloin kokonaiskirkkaus pienenee hetkeksi.

David Flemingin johtamassa tutkimuksessa selvitettiin, millaisia vaikutuksia lähekkäin kiertävien tähtien gravitaatiolla on paitsi toisiinsa, myös järjestelmän muihin mahdollisiin jäseniin – siis planeettoihin.

"Tietokonesimulaatioiden perusteella vuorovesivoimat siirtävät tähtien pyörimisliikkeen impulssimomenttia eli pyörimismäärää niiden kiertoliikkeeseen. Silloin tähtien pyöriminen hidastuu ja kiertoaika toistensa ympäri pitenee", Fleming selittää.

Samalla kiertoratojen muoto muuttuu soikeasta ympyriäiseksi. Pitkän ajan kuluessa tähtien pyörimisliike lukkiutuu siten, että ne kääntävät aina saman puolen toisiaan kohti – täsmälleen samoin kuin esimerkiksi Pluto ja sen suurin kuu Kharon.

Tai sitten ei. Diego Rubiera-Garcian johtama ryhmä on tutkinut asiaa tarkemmin. Jo aiemmin ryhmä on päätynyt tulokseen, että vailla singulariteettia olevan mustan aukon keskellä on pallomainen madonreikärakenne, jonka ulottuvuudet ovat jotain muuta kuin pistemäisen singulariteetin nollamitat.

Nyt ryhmä on pohtinut, mitä ihmiselle tai mille tahansa aineelliselle kappaleelle tapahtuisi, jos se päätyisi tällaiseen madonreikään. Lähtökohtana oli, että kappaletta tarkasteltiin joukkona pisteitä, joita pitävät koossa fysikaaliset ja kemialliset vuorovaikutukset.

"Jokainen havaitsijan hiukkanen kulkee pitkin geodeettista viivaa, jonka gravitaatiokenttä määrittää. Kunkin viivan kohdalla gravitaatiovoima on hieman erisuuruinen, mutta kehon hiukkasten väliset vuorovaikutukset pystyvät kuitenkin pitämään kehon kasassa", selittää Rubiera-Garcia.

Suhteellisuusteorian mukaan mustaa aukkoa lähestyvä kappale rutistuu yhdessä suunnassa ja venyy toisessa. Jos madonreiän halkaisija on nollasta poikkeava, kappale rutistuu vain madonreiän kokoa vastaavasti. Geodeettiset linjat eivät kohtaa yhdessä pisteessä, vaan jatkavat rinnakkain madonreiän läpi.

Tutkimuksessa tarkasteltiin myös valonsäteen kulkuaikaa kappaleen eri osien välillä ja se osoittautui äärelliseksi. Siten hiukkasten väliset vuorovaikutukset säilyvät, ja syyn sekä seurauksen suhde pysyy samana myös madonreiän tuolla puolen.

Madonreikiä voitaisiin siten käyttää tieteistarinoiden tapaan kaukaisten kosmoksen kolkkien koluamiseen.

Tutkimuksesta kerrottiin Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaçon uutissivuilla ja se on julkaistu Classical and Quantum Gravity -tiedelehdessä.

Kuva: Alain r/CC BY-SA 2.5

Ei tosin ihan vielä eikä kovin nopeasti, mutta parinkymmenen kilometrin läpimittaisen, muodoltaan epäsäännöllisen kuun kohtalo on jo sinetöity.

Phoboksen pinnalla kulkevat pitkät, matalat uurteet ovat todennäköisesti halkeamia, jotka johtavat lopulta koko kuun hajoamiseen.

Phobos kiertää Marsia lähempänä kuin yksikään toinen Aurinkokunnan kuu omaa planeettaansa: sen etäisyys punaisen planeetan pinnasta on vain noin 6 000 kilometriä.

Etäisyys kuitenkin pienenee kaiken aikaa. Marsin vetovoima kiskoo kuuta lähemmäs kahden metrin verran vuosisadassa. Phoboksen arvioidaan hajoavan kokonaan 30–50 miljoonan vuoden kuluessa.

"Phobos on todennäköisesti alkanut jo hajota ja ensimmäinen merkki siitä on näiden uurteiden syntyminen", toteaa Terry Hurford NASAn Goddardin avaruuslentokeskuksesta.

Pitkään Phoboksen uurteiden arveltiin syntyneen, kun kuuhun iskeytyi Stickney-kraatterin synnyttänyt kappale. Törmäys olisi ollut niin raju, että Phobos lähestulkoon hajosi saman tien. 

Sittemmin kuitenkin todettiin, että uurteet eivät tule säteittäisesti kraatterin kohdalta, vaan ainoastaan sen läheisyydestä. Uuden mallin mukaan ne olisivatkin syntyneet Phoboksen muodon muuttuessa, kun Marsin vetovoima saa aikaan siinä vuorovesivoimia.

Samanlaiset vuorovesivoimat aiheuttavat Maa-Kuu-järjestelmässä maapallolla – nimensä mukaisesti – vuorovesien vaihtelun ja Kuun venymisen aavistuksen pitkulaiseksi. 

Selitys esitettiin alkujaan jo 1970-luvulla, kun Viking-luotaimet välittivät kuvia Phoboksesta. Silloin kuun kuitenkin arveltiin olevan kauttaaltaan kiinteä kappale, joten vuorovesivoimien laskettiin olevan liian heikkoja, jotta ne olisivat saaneet sen halkeilemaan.

Nykyisin Phobosta pidetään pidemminkin hädin tuskin koossa pysyvänä sorakasana, jonka pinta on noin sadan metrin paksuudelta puuterimaista regoliittia, meteoriittitörmäysten murentamaa kiviainesta.

Tällaisen kappaleen sisäosissa voi tapahtua muodonmuutoksia, joiden seurauksena myös ulkokerrokset muokkautuvat uuteen uskoon. Tutkijat arvelevat, että Phoboksen pintaosat ovat joustavat, mutta rakenteellisesti niin heikot, että niihin syntyy helposti halkeamia.

Silloin vuorovesivoimat pystyvät vaivatta rikkomaan pintakerroksen. Uuden mallin mukaan tehdyt laskelmat sopivat hyvin yksiin Phoboksen pinnalla havaittujen uurteiden kanssa. Selitys istuu myös siihen, että uurteet näyttävät olevan eri-ikäisiä. Se viittaa niitä synnyttävän prosessin olevan käynnissä kaiken aikaa. 

Neptunuksen Triton-kuulle voi käydä ennen pitkää samalla tavalla kuin Phobokselle. Myös se lähestyy hitaasti planeettaa ja sen pinnalla on havaittu halkeamia. Phoboksen tutkimus saattaa antaa viitteitä joidenkin eksoplaneettojen kohtalostakin.

"Emme saa näistä kaukaisista planeetoista kuvia, joista näkisimme, mitä siellä on tapahtumassa, mutta uusi tutkimus auttaa meitä ymmärtämään niitä paremmin. Jos planeetta on lähestymässä tähteään, se saattaa olla hajoamassa samalla tavalla", arvelee Hurford.

Uudesta mallista kerrottiin NASAn uutissivuilla.

Kuva: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

Kuuta vuodesta 2009 alkaen kiertänyt NASAn Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) on tuottanut suuren määrän kiinnostavia ja hyvin tarkkoja kuvia luontaisen kiertolaisemme pinnasta.

Kuvissa näkyy esimerkiksi ylityöntösiirroksista kertovia harjanteita. Ne ovat ovat syntyneet puristumisen aikaansaamana, kun pintamaterian lohkot ovat liikkuneet varsin reippaasti toistensa suhteen.

Harjanteita löytyy ympäri Kuuta, myös sen ylänköalueilta. Eräs ehdotettu syy niiden synnylle on pitkään ollut Kuun supistuminen: kiertolaisemme kun on mallien mukaan aikojen saatossa jäähtynyt ja samalla pienentynyt.

Lokakuun Geology-lehdessä ilmestyneen jutun mukaan pääsyyllinen niiden syntyyn saattaakin olla Maan vetovoimallaan aiheuttama vuorovesivoima. Tai vähintäänkin se ohjaa suuntia, johon kutistuvan Kuun pinta romahtelee.

Tässä ei sinällään ole mitään uutta. Samaan tapaan kuin Kuu saa aikaan maapallon pinnalla aikaan vuorovesi-ilmiöitä – siis merenpinnan ja muiden vesistöjen pinnan nousemisen ja laskemisen – vaikuttaa Maa vetovoimallaan myös Kuuhun. Uutta on sen sijaan se, että tämä saa aikaan näkyviä merkkejä Kuun pinnassa.

“Maa muokkaa edelleen Kuun pintaa”, tiivistää planetologi Thomas Watters asian. Watters on työssä Smithsonian-instituutin alaisuudessa olevassa Yhdysvaltain kansallisessa ilmailu- ja avaruusmuseossa, ja hän toimi ryhmän vetäjänä. Pääkaupunki Washingtonissa olevassa museossa ei siis vain puunata vanhoja lentokoneita ja raketteja, vaan tehdään myös tutkimusta.

Siirrosten aikaansaamia harjanteita on erittäin paljon. Tutkijaryhmä on löytänyt LRO:n kuvista yli 3200 siirroslinjaa Kuun pinnalta. Harjanteet ovat tyypillisesti viitisentoista metriä korkeita ja noin 10 kilometriä pitkiä.

Näitä on havaittu Kuun pinnalta jo aikaisemminkin, ja muun muassa Apollo-kuulentoja valmisteltaessa niitä kartoitettiin paljonkin. Silloin kuitenkin niiden iäksi arvioitiin noin 50 miljoonaa vuotta, mutta nyt ne ovat paljastuneet nuoremmiksi.

Uuden tutkimuksen mukaan siirrokset saattavat olla kaikkea muuta kuin ikivanhoja. Ne voivat hyvinkin olla yhä aktiivisia.

Iso osa tunnetuista eksoplaneetoista kiertää tähteään melko lähellä, jolloin niihin kohdistuu voimakas säteilyvuo ja hiukkasvirta. Olosuhteet ovat tappavan karut elämän synnyn, kehittymisen ja säilymisen kannalta.

Uuden tutkimuksen mukaan pieniä tähtiä kiertävillä maankaltaisilla planeetoilla on kuitenkin magneettikenttä, joka muodostaa suojan avaruuden pommitusta vastaan – samaan tapaan kuin Maalla.

Sen lisäksi, että magneettikenttä suojelee mahdollista elämää, se varmistaa olosuhteiden säilymisen suotuisina. Ilman magneettikenttää tähdestä puhaltava hiukkastuuli raastaisi kaasukehän avaruuteen. Ja vailla kaasukehää planeetta olisi väistämättä kuollut kiertolainen.

Pienimassaiset tähdet ovat maailmankaikkeudessa hyvin yleisiä. Niitä kiertäviä planeettoja on helpompi löytää ja tutkia, koska kulkiessaan tähtensä editse planeetta peittää siitä suuremman osan taakseen – edellyttäen, että se sattuu kulkemaan Maasta katsottuna tähtensä editse. 

Pienet tähdet ovat kuitenkin myös himmeitä, joten niitä ympäröivä elinkelpoinen vyöhyke, jolla kiertävän planeetan pinnalla voi esiintyä nestemäistä vettä, on melko lähellä. 

Silloin mahdolliseen planeettaan kohdistuu voimakas vetovoima, joka voi aiheuttaa pyörimisliikkeen lukkiutumisen: planeetta kääntää aina saman puolen kohti tähteä kuten Kuu kääntää aina saman puolen kohti Maata.

Vetovoima aiheuttaa myös vuorovesivoimia, jotka saavat planeetan sisuksen lämpenemään. Planeetan eri osiin kohdistuva vetovoima vaihtelee hieman, jolloin sen muoto muuttuu kaiken aikaa ja aineen sisäinen kitka vapauttaa lämpöä.

Peter Driscollin johtama tutkijaryhmä kävi selvittämään, miten vuorovesivoimat vaikuttavat planeetan magneettikenttään. Simulaatiossa tarkasteltiin planeettoja, joiden kiertämien tähtien massa vaihteli Auringon massasta kymmenesosaan siitä. 

Aikaisemmin vallitseva käsitys on ollut, että pyörimisliikkeeltään lukkiutuneella planeetalla ei todennäköisesti voi olla suojaavaa magneettikenttää. Näyttää siltä, että olettamus on väärä.

Sen sijaan, että vuorovesivoimat estäisivät magneettikentän muodostumisen, ne ilmeisesti edistävät sen syntyä. Samalla ne parantavat mahdollisuuksia elämän esiintymiselle. 

Syynä on se, että vuorovesivoimien ansiosta planeetan vaippakerros luovuttaa tehokkaammin lämpöä, jolloin ydin jäähtyy. Ja vaikka se tuntuu nurinkuriselta – ainakin osittain sula ydin on magneettikentän perusedellytys – jäähtyminen edesauttaa kentän syntyä.

Tietokonesimulaatioiden perusteella lukkiutuneille planeetoille syntyvä magneettikenttä on myös pysyvä: se säilyy koko planeetan elinajan, joka on miljardeja vuosia. 

"Oli jännittävää nähdä, että vuorovesivoimien aiheuttama kuumentuminen voi itse asiassa pelastaa planeetan, sillä se jäähdyttää ydintä", kertoo tutkimukseen osallistunut Rory Barnes.

Pienet ja vähämassaiset tähdet ovat aktiivisia erityisesti kehityksensä alkuvaiheissa eli olemassaolonsa ensimmäisten vuosimiljardien aikana, joten "magneettikenttiä saattaa esiintyä juuri silloin, kun elämä kaipaa niitä kipeimmin".

Simulaatiot osoittivat myös, että vuorovesivoimien aiheuttama kuumentuminen on voimakkaimmillaan, jos planeetta kiertää elinkelpoisella vyöhykkeellä hyvin pientä tähteä, massaltaan alle puolet Auringosta.

Jos planeetta on alunperin soikealla radalla, vuorovesivoimien ansiosta rata muuttuu ankarimman kuumennuksen aikana yhä pyöreämmäksi. Kun rata on pyöreä eli planeetan etäisyys tähdestään pysyy koko ajan samana, kuumentumista ei enää esiinny.

Tutkimuksesta kerrottiin Washingtonin yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Astrobiology-tiedelehdessä.

Kuva: Danielle Futselaar/SETI Institute