Mustat aukot synnyttävät jättiläisplaneettoja

Aurinkokuntia, joissa on monta aurinkoa, kuolleita tähtiä kiertäviä zombiplaneettoja ja planeettoja, jotka syntyvät mustista aukoista. Mitä enemmän eksoplaneettoja löydetään, sitä enemmän näyttää siltä, että oma Aurinkokuntamme on poikkeustapaus. Muiden tähtien eksoottiset kiertolaiset voivat kuitenkin auttaa ymmärtämään myös Aurinkokunnan alkua ja loppua.

Aurinkokuntia, joissa on monta aurinkoa, kuolleita tähtiä kiertäviä zombiplaneettoja ja planeettoja, jotka syntyvät mustista aukoista. Mitä enemmän eksoplaneettoja löydetään, sitä enemmän näyttää siltä, että oma Aurinkokuntamme on poikkeustapaus. Muiden tähtien eksoottiset kiertolaiset voivat kuitenkin auttaa ymmärtämään myös Aurinkokunnan alkua ja loppua.

Shutterstock

Mustan aukon ympärillä kieppuva äärimmäisen kuuma kaasukiekko lähettää voimakasta säteilyä, joka puskee pöly- ja kaasupilviä kauas avaruuteen. 10–30 valovuoden päässä mustasta aukosta on jo niin viileää, että voi syntyä jäätä ja jääkimpaleiden ympärille kerääntyneestä kaasusta ja pölystä syntyy jättiläisplaneettoja.

Kaikille tähän mennessä löydetyille eksoplaneetoille on yhteistä se, että ne ovat syntyneet tähden ympärille. Niin ei kuitenkaan välttämättä aina ole.

Japanilaisen Kagoshiman yliopiston tähtitieteilijä Keiichi Wada on kehittänyt teorian aktiivisista superraskaista mustista aukoista, jotka voivat tuottaa tuhansia planeettoja – tai blaneettoja kuten niitä on kutsuttu englanninkielisen lyhenteen mukaan (blanet, black hole planets).

Kaikki tunnetut eksoplaneetat ovat syntyneet tähtien ympärille. Uuden teorian mukaan planeettoja voi kuitenkin muodostua myös galaksien ytimissä olevien superraskaiden mustien aukkojen ympärille. Tällaiset planeetat ovat saaneet kutsumanimen blaneetta.

© Claus Lunau

1. Mustaan aukkoon syöksyvä kaasu lähettää röntgensäteilyä

Superraskaita mustia aukkoja, joiden massa on miljoonia tai miljardeja kertoja suurempi kuin Auringon, on kaikkien suurten galaksien ytimissä. Niihin imeytyvä pöly ja kaasu muodostavat kiekon, jonka lähimpänä aukkoa oleva osa säteilee suurienergiaista röntgensäteilyä.

© Claus Lunau

2. Säteilyn paine puristaa pölyn ja kaasun yhteen

Voimakkaan säteilyn paine työntää edelleen pölyä ja kaasua kauas galaksiin. Paine puristaa pölyn ja kaasun tiiviiksi kiekoksi. Kiekon laidoilla, missä on kyllin viileää, muodostuu jäätä ja jään kappaleiden ympärille kasautuu pölystä ja kaasusta planeettoja.

© Claus Lunau

3. Jatkuva pölyvirta kasvattaa planeettoja

Mustan aukon tuntumasta tuleva säteily työntää kiekkoon koko ajan uutta kaasua ja pölyä. Jatkuvan materiaalivirran seurauksena mustaa aukkoa kiertävät planeetat voivat kasvaa massaltaan 20-3 000 kertaa Maan kokoisiksi.

Blaneettojen olemassaolo on toistaiseksi pelkkä teoria. Toisaalta niiden olemassaolo vain vahvistaisi sen, mitä tähän asti löydetyt 4 300 eksoplaneettaa ovat osoittaneet: meidän Aurinkokuntamme ei suinkaan ole kaikkien maailmankaikkeuden planeettajärjestelmien perusmalli.

Toistaiseksi maailmankaikkeudesta ei ole löydetty yhtään Aurinkokunnan kaltaista planeettajärjestelmää. Sen sijaan Linnunradassa on joukottain planeettoja, joita ei olisi voinut syntyä Auringon ympärille.

Eksoottiset eksoplaneetat voivat kuitenkin auttaa löytämään vastauksia myös omaa Aurinkokuntaamme koskeviin avoimiin kysymyksiin: miten Aurinkokunta syntyi ja mitä Maalle ja muille planeetoille tapahtuu, kun Aurinko aikanaan päättää päivänsä punaisena jättiläisenä.

Kaikkien planeettajärjestelmien piti olla kuin Aurinkokunta

Vuosikymmeniä tähtitieteilijät olivat vakuuttuneita siitä, että kaikkien tähtien planeetat ovat samantapaisia kuin Aurinkokunnassa. Tällä käsityksellä oli hyvät perusteet. Klassinen teoria Aurinkokunnan synnystä on nimittäin niin yksinkertainen ja looginen, että se tuntuu noudattavan lähes täydellisesti muutamaa fysiikan periaatetta.

Teoria selittää, miksi kaikki planeetat kiertävät Aurinkoa samaan suuntaan ja miksi niiden kiertorata on pyöreä ja Auringon päiväntasaajan tasolla. Kaiken tämän selittää se, että kaikki planeetat ovat ovat syntyneet litteästä kaasun muodostamasta kiekosta, joka muinoin ympäröi nuorta Aurinkoa ja pyöri sen kanssa samaan suuntaan.

Aurinkokunnan suuret kaasuplaneetat syntyivät kaukana Auringosta alueella, missä vesi muuttui jääksi ja jääytimen ympärille alkoi kerääntyä kaasua.

© Shutterstock

Teoria selittää myös sen, miksi lähinnä Aurinkoa kiertävät kiviplaneetat – Merkurius, Venus, Maa ja Mars – ovat pieniä.

Alun perin Auringon lähellä oli niin kuuma, että siellä vain raudan ja kiven kaltaiset aineet, joilla on korkea sulamispiste, saattoivat muodostaa kappaleita, joista sitten yhteentörmäyksien tuloksena syntyi planeettoja. Koska näitä aineita oli Aurinkokunnan sisäosissa suhteellisen vähän, kiviplaneetat eivät voineet kasvaa kovin suuriksi.

Jättiläisplaneetat Jupiter, Saturnus ja Neptunus syntyivät kaukana Auringosta alueella, missä oli niin kylmää, että vesi jäätyi. Siellä syntyi jään, raudan ja kiven muodostamia ytimiä, jotka painovoimallaan imivät ympärilleen valtavia määriä kaasua.

Fysiikan lait ovat samat kaikkialla maailmankaikkeudessa, ja siksi tähtitieteilijät olettivat, että muidenkin tähtien ympärillä on samanlainen planeettajärjestelmä kuin Auringon.

Kaasujättiläinen oli liian lähellä tähteään

Perinteinen teoria joutui koetukselle heti, kun ensimmäinen eksoplaneetta löydettiin vuonna 1995.

Planeetta 51 Pegasi b on Jupiterin kaltainen kaasujättiläinen, mutta se kiertää Auringon kaltaista tähteään niin lähellä, että kierros kestää vain neljä päivää. Sillä etäisyydellä on niin kuuma, että kaasuplaneetta ei ole voinut syntyä nykyisellä paikallaan.

Ensimmäinen eksoplaneetta löydettiin vuonna 1995. Nykyään niitä tunnetaan 4 300.

Sittemmin Jupiteria muistuttavia kuumia eksojättiläisiä on löydetty lisää. Niiden syntytapa on edelleen hämärän peitossa.

Yleisimmin hyväksytty teoria menee niin, että kaasujättiläiset ovat muodostuneet kauempana tähdestään alueilla, joilla on tarpeeksi viileää. Sitten muiden jättiläisplaneettojen painovoima on työntänyt ne radalle, joka on tuonut ne tähden tuntumaan.

Seuraava yllätys tuli, kun löydettiin eksoplaneettoja, joiden kiertoradat eivät ollenkaan noudattaneet samoja sääntöjä kuin Aurinkokunnassa.

Lopullisesti perinteinen teoria planeettojen synnystä osoittautui pätemättömäksi, kun löydettiin kolme planeettatyyppiä, joita ei esiinny Aurinkokunnassa. Linnunradan eksoplaneetat näyttivät olevan hyvin sekalainen joukko.

Planeetta ilman maata

Ensimmäinen outo planeettatyyppi ovat superkaasujättiläiset. Ne ovat jopa 13 kertaa Jupiterin kokoisia jättiläisplaneettoja, joiden etäisyys tähdestään on jopa 20 kertaa niin suuri kuin Jupiterin ja Auringon välimatka.

Jupiter on Aurinkokunnan suurin planeetta. Kaasujättiläinen on lähes 11 kertaa Maan laajuinen, ja sen massa on 318 kertaa niin suuri kuin Maan.

© Shutterstock

Aurinkokunnan planeetat ovat kääpiöitä

Maa ja Jupiter ovat muiden tähtien supermaapalloihin ja superkaasujättiläisiin verrattuna hyvin pieniä.

Niin kaukana tähdestä ei ole kylliksi pölyä ja jäätä, jotta jättiläisplaneetta olisi voinut syntyä jääytimen ympärille ja vetää kaasua ympärilleen. Uuden teorian mukaan tiiviit kaasukeskittymät ovat romahtaneet jättiläiskaasuplaneetoiksi samalla tavalla kuin kaasupilvistä syntyy tähtiä.

Toinen hämmennystä herättävä eksoplaneettatyyppi ovat meriplaneetat, joiden massasta neljäsosa tai puolet on vettä. Maapallon massasta veden osuus on vain 0,05 prosenttia.

Tunnetuista eksoplaneetoista jopa kolmasosa voi olla meriplaneettoja.

Meriplaneettojen uskotaan syntyneen jääplaneettoina. Ne ovat siis muodostuneet niin kylmällä alueella, että vesi on jäätynyt. Myöhemmin ne ovat kulkeutuneet lämpimämmille seuduille lähemmäksi tähteään ja iso osa jäästä on sulanut mereksi.

Yksi selitys sille, että meriplaneettoja ei esiinny Aurinkokunnassa, on se, että Jupiter ja Saturnus imivät ympäristönsä tyhjäksi jäästä.

Kolmas eksoplaneettatyyppi, joka haastaa perinteiset käsitykset planeettojen synnystä, ovat niin sanotut supermaapallot. Ne ovat Maan tavoin kiviplaneettoja mutta niiden massa on 2–10 kertaa niin suuri kuin Maan.

Supermaapalloja on eri puolilla Linnunrataa, ja monet niistä sijaitsevat elämälle mahdollisella etäisyydellä tähdestään, joka yleensä on punainen kääpiö. Aurinkokunnan sisäosissa ei olisi voinut syntyä supermaapalloa, koska täällä ei ollut sille tarpeeksi materiaa.

Kokonaan meren peittämät planeetat ovat yksi niistä erikoisista planeettatyypeistä, jotka kyseenalaistavat perinteisen teorian planeettojen synnystä.

© Henning Dalhoff/SPL

Äskettäin Nasan TESS-avaruusteleskooppi havaitsi ennätyssuuren supermaapallon, joka sai koodin TOI-849 b. Sen tiheys on sama kuin Maan, mutta sen massa on 39 kertaa ja pinta-ala 150 kertaa niin suuri kuin Maan.

Tutkijat uskovat, että jättimäinen kiviplaneetta saattaa olla entisen kaasujättiläisen ydin, joka on paljastunut, kun kaasu on haihtunut avaruuteen. Jos olettamus pitää paikkansa, eksoplaneettaa tutkimalla voidaan oppia uutta Jupiterin ja Saturnuksen ytimistä, jotka nyt ovat kaasumassojen peitossa.

Planeetta kiertää kolmea tähteä

Tähtien sota -elokuvien ystävät tietävät, että Luke Skywalker vietti lapsuutensa Tatooine-planeetalla, jonka taivaalla on kaksi aurinkoa. Todellisuus on kuitenkin viihdeteollisuuttakin ihmeellisempää. Sen osoittaa brittiläisen Exeterin ylopiston fysiikan ja tähtitieteen professorin Stefan Krausin johtaman kansainvälisen tutkijaryhmän tekemä havainto.

Tutkijaryhmä löysi Chilessä sijaitsevien ALMA- ja VLT-teleskooppien avulla taivaalta syntymässä olevan planeettakunnan, joka kiertää kolmea tähteä.

GW Orionis -nimen saanut planeettakunta sijaitsee Orionin tähdistössä 1 300 valovuoden päässä Maasta. Kolmen tähden ympärillä on kolme pöly- ja kaasurengasta, joista on muodostumassa planeettoja.

Kolmesta renkaasta sisin on selvästi kallistunut ulompiin renkaisiin nähden. Tutkijat uskovat, että kallistumisen syynä on renkaasta muodostunut planeetta. Jos renkaassa todella on planeetta, se on ensimmäinen tunnettu planeetta, joka kiertää kolmea tähteä.

KATSO 🎬 Vasta syntynyt planeetta kiertää kolmea tähteä

Tähtitieteilijät tuntevat myös planeettakuntia, jotka kiertävät kahta tähteä. Jopa kolmasosan Linnunradan tähdistä uskotaan olevan kaksoistähtijärjestelmiä. Oma Aurinkomme on syntynyt osana tähtijoukkoa, jossa sillä oli tuhansia sisaruksia. Yhdysvaltalaisen Harvardin yliopiston tutkijat Amir Siraj ja Avi Loeb ovatkin esittäneet teorian, että Aurinko nuoruudessaan oli osa kaksoistähteä.

Heidän teoriansa voi auttaa löytämään vastauksen yhteen Aurinkokunnan syntyä koskevaan isoon kysymykseen: miten Aurinkokuntaa ympäröivä Oortin pilvi on syntynyt. Oortin pilvi koostuu biljoonista jäälohkareista, jotka kiertävät Aurinkoa 2 000–100 000 kertaa niin kaukana kuin Maa.

Yleisimmin hyväksytyn selitysmallin mukaan Oortin pilven jäälohkareet ovat syntyneet Aurinkokunnan sisäosissa ja sitten jollakin vielä tuntemattomalla tavalla sinkoutuneet Aurinkokunnan ulkolaidalle.

Sirajin ja Loebin uuden teorian mukaan Oortin pilvi on syntynyt, kun nuori Aurinko ja sen naapuritähti ovat vetovoimallaan kiskoneet jäälohkareita toistensa ympäriltä.

Aurinkokuntaa ympäröivän Oortin pilven komeetat saattavat olla peräisin Auringon muinaisesta sisartähdestä.

© Claus Lunau

AURINKOKUNTA: Aurinko sai Oortin pilven sisartähdeltään

Aurinkokunnan planeettoja (vas.) ympäröi jäälohkareiden nauha (kuvassa sinisellä) eli Kuiperin vyöhyke. Kun mennään vielä kauemmaksi, vyöhyke kasvaa pallomaiseksi Oortin pilveksi, joka ympäröi Aurinkokuntaa. Uuden teorian mukaan Auringolla oli alun perin sisartähti (oik.), joka sittemmin kulkeutui omille teilleen. Oortin pilven jäälohkareet ja mahdollinen Planeetta yhdeksän olisivat teorian mukaan sisaren jäämistöä.

Jossakin vaiheessa jokin tähtijoukon tähdistä kulki niin läheltä Aurinkoa ja sen sisarta, että se kiskaisi Auringon sisaren mukaansa. Jos teoria pitää paikkansa, ainakin iso osa Oortin pilven kappaleista ja Aurinkokunnan laidalla mahdollisesti piilossa oleva yhdeksäs planeetta olisivat karkuteille lähteneen sisartähden planeettakunnan jäännöksiä.

Zombi kiertää kuollutta tähteä

Vieraiden tähtien planeettakunnat voivat antaa osviittaa myös Aurinkokunnan tulevaisuudesta. Tarkkailemalla valkoisia kääpiötähtiä, jollaiseksi Auringon kaltaiset tähdet aikanaan muuttuvat, on voitu päätellä, mitä Maalle ja muille Aurinkokunnan planeetoille tapahtuu, kun Aurinko kuolee 5–8 miljardin vuoden päästä.

Siinä vaiheessa Auringon ytimestä on loppunut vety ja Aurinko alkaa sen sijaan käyttää fuusioreaktionsa polttoaineena heliumia, jota se muuttaa hiileksi ja hapeksi. Silloin Aurinko paisuu punaiseksi jättiläistähdeksi, joka ulottuu lähes Maahan asti.

Lopulta Auringon uloimmat kerrokset hajoavat avaruuteen ja jäljelle jää pieni valkoinen kuollut kääpiötähti. Se on kuollut siinä mielessä, että fuusioreaktio sen sisällä on sammunut.

KATSO 🎬 Aurinko paisuu punaiseksi jättiläiseksi

Havainnot valkoisista kääpiöistä viittaavat siihen, että paisuessaan tähti ei pelkästään käristä planeettoja 5 000 asteen pintalämpötilallaan, vaan tähden kaasuvirrat paiskovat planeettoja päin toisiaan ja murskaavat ne.

Jos ja kun Aurinkokuntaa odottaa sama kohtalo, Maa ja muut kolme sisintä kiviplaneettaa ovat tuhoon tuomittuja. Tuore havainto muualta maailmankaikkeudesta viittaa kuitenkin siihen, että uloimmat planeetat saattavat selvitä.

Yhdysvaltalaisen Andrew Vanderburgin johtama tutkijaryhmä Wisconsinin yliopistossa on nimittäin löytänyt niin sanotun zombiplaneetan. Se on jättiläismäinen kaasuplaneetta, joka kiertää valkoista kääpiötähteä niin lähellä, että sen kiertoaika on vain 1,4 vuorokautta.

Planeettoja ilman tähteä

Sammunutta tähteä kiertävät zombit tai planeetat, joilla on kolme tähteä, eivät silti välttämättä ole oudointa, mitä maailmankaikkeudella on tarjota. Saattaa olla, että planeetan syntymiseen ei aina edes tarvita tähteä.

Näin uskoo ainakin japanilainen tähtitieteilijä Keiichi Wada, joka toimii Kagoshiman yliopistossa. Hän on kehittänyt valtavirrasta poikkeavan teorian, jonka mukaan supermassiiviset mustat aukot voivat tuottaa tuhansittain planeettoja.

Wadan teorian ydin on galaksien ytimissä olevia superraskaita mustia aukkoja ympäröivä kaasukiekko. Kiivaasti pyörivän kaasun lämpötila on miljardeja asteita.

Kuumasta kaasusta lähtee suurienergiaista röntgensäteilyä juuri ennen kuin kaasuvirta syöksyy mustaan aukkoon. Voimakkaan säteilyn paine työntää kiekon kaasua ja pölyä kauas avaruuteen.

Päästyään 10–30 valovuoden päähän mustasta aukosta pöly ja kaasu asettuvat renkaaksi, jossa pöly ja jää alkavat muodostaa kokkareita. Vähitellen yhteentörmäilevistä kokkareista syntyy suurempia kappaleita, jotka imevät puoleensa kaasua ja muodostavat planeettoja. Tällaisia mustaa aukkoa kiertäviä planeettoja sanotaan myös blaneetoiksi (black hole planet).

Loistava kaasukiekko aktiivisen mustan aukon ympärillä lähettää säteilyä, joka ehkä voi puristaa pölyn ja kaasun planeetoiksi.

© ESO

Supermassiiviset mustat aukot voivat imeä itseensä kaasua satoja miljoonia vuosia yhteen menoon. Koko sen ajan niistä virtaa jatkuvasti kaasua ja pölyä planeettoja tuottavaan renkaaseen.

Jatkuvan materiavirran ansiosta mustan aukon planeetat voivat kasvaa massaltaan jopa 3 000 kertaa Maan kokoisiksi. Ne voivat siis olla lähes sata kertaa niin raskaita kuin Jupiter. Yhden supermassiivisen mustan aukon ympärillä voi kiertää 10 000 planeettaa.

Otollinen paikka etsiä mustan aukon planeettoja on galaksi M87:n ytimessä sijaitseva supermassiivinen musta aukko. Se sijaitsee 53 miljoonan valovuoden päässä Maasta.

Mustien aukkojen synnyttämät planeetat voivat olla 3 000 kertaa niin raskaita kuin Maa.

Vuonna 2019 maailmanlaajuisen radioteleskooppiverkoston yhteistyössä ottama valokuva paljasti M87:n ytimen mustan aukon ympärillä kirkkaasti loistavan kaasukiekon. Siinä voisi olla niin suuri säteilypaine, että planeettoja voisi syntyä, jos teoria pitää paikkansa.

Auringon kaltaista etsimässä

25 vuoden aikana eksoplaneettojen ja planeettakuntien kirjo on kasvanut kasvamistaan. Vielä ei kuitenkaan ole löydetty planeettakuntaa, joka muistuttaisi Aurinkokuntaa. Tutkijat ovatkin alkaneet epäillä, että Aurinkokunta on poikkeustapaus Linnunradan planeettakuntien joukossa.

Toisaalta voi olla niinkin, että ne menetelmät, joilla nykyisin tunnetut 4 300 eksoplaneettaa on löydetty, eivät vain sovellu Aurinkokunnan kaltaisen järjestelmän havainnointiin.

Eksoplaneettojen havaitseminen perustuu useimmiten joko tähden huojuntaan, kun planeetta kiertää sitä, tai tähden kirkkauden vaihteluun, kun eksoplaneetta kulkee Maasta katsottuna tähtensä editse. Näillä menetelmillä on vaikea havaita esimerkiksi Marsin kokoista kiviplaneettaa, joka kiertää suhteellisen kaukana tähdestään.

Tilanne voi kuitenkin muuttua piankin. Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, 2020-luvun puolivälissä Nasa lähettää Maata kiertävälle radalle Nancy Grace Roman -avaruusteleskoopin, joka etsii eksoplaneettoja niin sanottujen mikrogravitaatiolinssien avulla.

Nancy Grace Roman -avaruusteleskoopin avulla voidaan löytää omamme kaltaisia aurinkokuntia.

© NASA

Uuden menetelmän pitäisi olla niin tarkka, että sillä voidaan havaita myös Marsia vähän pienemmät vieraita tähtiä kiertävät kiviplaneetat. Nancy Grace Romanin luvataan näkevän kaikki eksoplaneetat, joiden etäisyys tähdestään on vähintään sama kuin Venuksen ja korkeintaan vähän suurempi kuin Pluton etäisyys Auringosta.

Nancy Grace Romanin odotetaan löytävän 2 500 uutta eksoplaneettaa. Jos Linnunradassa on Aurinkokunnan kaltainen planeettakunta, senkin luvataan paljastuvan.