Koetorni synnyttää planeettoja

Maan tiedetään muodostuneen tiivistyneestä hiukkaspilvestä, mutta tapahtumien syytä ei ole osattu selittää. Nyt 146-metrinen planeettojen synnytyshuone on osoittanut, että tutulla sähköisellä ilmiöllä on osuutensa asiaan.

Maan tiedetään muodostuneen tiivistyneestä hiukkaspilvestä, mutta tapahtumien syytä ei ole osattu selittää. Nyt 146-metrinen planeettojen synnytyshuone on osoittanut, että tutulla sähköisellä ilmiöllä on osuutensa asiaan.

Claus Lunau/ZARM/Universität Bremen/Lynette Cook & Gemini Observatory/AURA/Adler Planetarium

Keskellä kylmää pimeää maailmankaikkeutta pölyhiukkanen osuu toiseen. Ne jäävät kiinni toisiinsa. Pian niihin törmää kolmas.

Kun prosessi toistuu miljardeja kertoja, lopputuloksena on "vauvaplaneetta". Se törmää vielä muihin "vauvoihin" ja kasvaa kokoa.

Maa on syntynyt näin. Teorian mukaan kaikki planeetat muodostuvat pöly- ja kaasupilvestä, jonka materia on jäänyt yli tähden muodostuessa.

Teorialla on silti ollut heikkous, sillä kun tutkijat ovat yrittäneet simuloida planeettojen syntyhetkeä laboratoriossa, pölyhiukkaset ovat yhteen kerääntymisen sijaan hylkineet toisiaan.

Nyt tilanne on saatu muuttumaan Saksassa Bremenissä 146 metriä korkeassa tornissa. Siellä lasikuulat on saatu kerääntymään yhteen samaan tapaan kuin planeettojen alut ja näin on löydetty tukea teorialle planeettojen synnystä. Koe on ratkaiseva todiste planeettojen syntyteorian puolesta.

Tulos voi myös antaa vihjeitä elämän synnystä muissa aurinkokunnissa.

Planeetat syntyvät pölypilvistä

Tähtitieteilijät ovat vuosisatoja yrittäneet keksiä, miten planeetat ovat syntyneet. Vuonna 1664 filosofi ja matemaatikko René Descartes kehitti teorian: maailmankaikkeus oli aikoinaan täynnä hiukkasvirtauksia, jotka kerääntyivät yhteen ja joista muodostuivat Aurinko, Maa ja muu Aurinkokunta.

Descartes’n perusidea osoittautui kestäväksi. Vuosien varrella eri hypoteeseja on hylätty, hiottu ja korvattu toisilla, mutta nykyisin tähtitieteilijät kannattavat enimmäkseen kasvuteoriaa.

Kasvuteorian mukaan pöly- ja kaasuhiukkaset törmäilevät toisiinsa uusia tähtiä ympäröivissä pölypilvissä.

Hiukkasmöykyt kasvavat vähitellen yhä suuremmiksi ja muodostavat vähitellen ytimen, jonka koko riippuu etäisyydestä tähteen. Mitä lähempänä tähteä planeetta muodostuu, sitä pienempi siitä tulee – juuri kuin Aurinkokunnassa.

Tanskalaistutkijat ovat osoittaneet, että Maa on muodostunut 5 miljoonan vuoden kuluessa yhteen kerääntyneistä pölyhiukkasista. Prosessi on huomattavasti nopeampi kuin aiemmin on uskottu.

© StarPlan/Globe Institute/University of Copenhagen

Planeettojen synnyn selitys on pitkälti hyvin yksinkertainen. Kun pölyhiukkaset ovat kooltaan alle 1 mm, niiden välillä vaikuttaa adheesioksi kutsuttu ilmiö, jossa aineen molekyylien sähköinen varaus vetää toisen aineen molekyylejä puoleensa.

Adheesio on sama voima, joka saa pölyn kerääntymään villakoiriksi kodin nurkkiin ja huonekalujen alle.

Kun hiukkasmöykyt ovat kasvaneet kyllin isoiksi – yleensä läpimitaltaan muutaman kilometrin mittaiseksi – niiden painovoima riittää vetämään toisiaan puoleensa ja planeetan alkujen koko alkaa kasvaa kiihtyvällä vauhdilla.

Kasvuteoriassa on ollut kuitenkin iso aukko. Kokeissa ja simulaatioissa on havaittu, että hiukkaset alkavat hylkiä toisiaan kuin törmäilevät biljardipallot, kun niiden koko kasvaa vain 1 millimetriin.

Ongelman ratkaisemiseksi saksalainen Duisburg-Essenin yliopiston tutkijaryhmä on testannut uutta hypoteesia: sen mukaan staattinen sähkö voi saada hiukkaset hylkimisen sijaan liimaantumaan toisiinsa kuin miljardit pienet magneetit.

Kun halutaan selvittää, miten aine ja esineet käyttäyvät painottomuudessa, kokeet voidaan tehdä esimerkiksi Kansainvälisellä avaruusasemalla, kaarevaa rataa lentävässä lentokoneessa tai samantyyppisissä vesisäiliöissa, joissa astronautit harjoittelevat.

©

Avaruusasemalla on painotonta

Kansainvälinen avaruusasema on vapaassa pudotuksessa matkallaan Maan ympäri.

©

Lentokone putoaa vapaasti

Lentokoneessa voidaan simuloida vapaata pudotusta, kun sillä lennetään kaarevaa rataa ylös ja alas.

©

Vesi tekee painottomaksi

Vesisäilössä painovoima ja noste kumoavat toisensa.

Lasikuulat singotaan tornin huipulle

Jos hierot ilmapalloa seinää vasten, ilmapallon molekyylit luovuttavat elektroneja seinälle ja ilmapallosta tulee positiivisesti ja seinästä negatiivisesti varautunut.

Näin syntynyt staattinen sähkövaraus saa ilmapallon "liimaantumaan" seinään.

Sama periaate pätee hiukkaspilvessä, sillä senkin hiukkaset voivat "luovuttaa" tai "vastaanottaa" elektroneja, tulla positiivisesti tai negatiivisesti varautuneiksi ja sitten kiinnittyä toisiinsa kuin pikkuruiset magneetit.

Saksalainen tutkijaryhmä sovelsi periaatetta kokeessa, jossa pyrittiin jäljittelemään planeetan syntyä. Siinä laitettiin lasikuulia, joiden läpimitta oli 0,4 mm, kapseliin, jota ravisteltiin kymmenen minuuttia käämin avulla.

Käämi oli kiedottu magneetin ympärille. Kun käämiin johdettiin sähkövirta, syntyi magneettinen kenttä, joka reagoi magneetin kanssa ja sai aikaan värähtelyjä.

Kapselin värähtelyillä jäljiteltiin törmäyksiä, joita pölyhiukkasten välillä syntyy planeettojen synnyn alkuvaiheissa. Lasipallojen törmäykset synnyttivät staattista sähköä. Osa palloista sai positiivisen ja osa negatiivisen sähkövarauksen.

Paineilma sinkosi koekapselin 120 metrin korkeuteen

Nyt tutkijoilla oli hallussaan joukko staattisesti varautuneita hiukkasia, mutta koeasetelmasta puuttui vielä yksi tärkeä osa, jotta se olisi muistuttanut planeettojen syntyolosuhteita: painovoima oli poistettava kuvioista.

Juuri tähän tarvittiin Fallturm Bremeniä eli Bremenin pudotustornia. Se on 146 metriä korkea ja sen sisällä on 120 metriä korkea kammio, jonne voidaan luoda lähes täydellinen tyhjiö.

Koetta varten rakennettiin 1,6 metrin korkuinen metallikapseli, joka voitiin hinata tornin kattoon tai singota sinne ja päästää putoamaan vapaasti alas.

Tornissa tehtävissä kokeissa painovoima on vain miljoonasosan normaalista, eli ne tehdään käytännössä painottomuudessa.

Periaate on sama kuin hypättäisiin uimahallissa ponnahduslaudalta ylös paino kiinnitettynä nilkkoihin. Jos ilmanvastus on nolla, kuten se on tornin tyhjiössä, jaloissa riippuva paino on 0 kg matkalla kohti vettä. Koska Bremenin pudotustornissa voidaan näin jäljitellä avaruuden olosuhteita, tutkijoita saapuu sinne kaikkialta maailmasta testaamaan omia painottomuuden ilmiöitä koskevia hypoteesejaan.

Duisburg-Essenin yliopiston tutkijat ampuivat lasipalloja sisältävän koekapselin Bremenin pudotustornin huipullle katapultilla. Läpimurto saavutettiin niiden kaikkiaan 9,3 sekunnin aikana, joka kapselilta kului nousta ylös ja pudota alas..

Staattinen sähkö sai lasipallot kerääntymään painottomuudessa yli 1 000 pallon kasoiksi.

Näin isot pallokasat ovat jo kyllin isoja pystyäkseen houkuttelemaan luokseen pienempiä hiukkasia painovoimallaan. Koe osoitti, että staattinen sähkö voi selittää sen, miten planeetat syntyvät, ja "biljardipallo-ongelmasta" päästään näin eroon.

Koe auttaa elämän etsinnässä

Tanskalainen tutkijaryhmä on selvittänyt, kuinka kauan planeetan alut kasvavat, ja havainnut, että ne "imevät" itseensä pölyä vielä muutaman kilometrin kokoisinakin.

Tulos on ristiriidassa sen teorian kanssa, jonka mukaan Maan kaltaiset planeetat ovat syntyneet planeettavauvojen yhteentörmäyksistä.

Havainto antaa tukea teorialle vähittäisestä kasvusta. Ja vielä kiinnostavampaa on se, että tanskalaistutkijoiden saavuttamat tulokset viittaavat myös siihen, ettei Maan syntyminen ole suinkaan ainutkertainen tapahtuma vaan että maankaltaisia planeettoja voi olla syntynyt samalla tavalla myös muissa aurinkokunnissa.

Jos planeetta syntyy samalla tavalla kuin Maa, kasvaa todennäköisyys, että sillä on myös vettä. Tämä antaa yhä vahvempia viitteitä siitä, mistä elämää kannattaa etsiä avaruudesta.