Planeetta voi syntyä, kun kiinteää ainetta, kuten pölyä, soraa ja jäätä, kertyy jatkuvasti kasvavaksi palloksi. Tämä on ollut vallitseva käsitys planeettojen muodostumisesta viimeiset 50 vuotta. Aurinkokunnan ulkopuolella on kuitenkin isoja eksoplaneettoja, jotka eivät sovi tähän käsitykseen.
Tutkijat ovat löytäneet 15 vuoden aikana yli 300 niin sanottua superkaasujättiläistä, joiden massa on jopa 13 kertaa Jupiterin massa ja jotka kiertävät keskustähteä niin kaukana, että ne tuskin ovat voineet muodostua edellä esitetyllä tavalla.
Kymmenen vuotta sitten joukko astronomeja rakensi teorian, jonka perusoletuksiin kuuluu, että superkaasujättiläinen voi syntyä yhdessä humauksessa hieman siihen tyyliin kuin tähti kehittyy.
Todisteet ovat kuitenkin puuttuneet.
Tilannetta muuttaa se, että Japanin tähtitieteelliseen tutkimuslaitokseen kuuluvassa Havaijin observatoriossa työskentelevä yhdysvaltalainen Thayne Currie on kollegoidensa kanssa kuvannut kaukaisen superkaasujättiläisen syntymän. Näin on saatu näyttöä siitä, että planeetta voi muodostua toisellakin tavalla.
Kiertorata kulkee kaukana tähdestä
Valtaosa tähän mennessä löydetyistä 5 125 eksoplaneetasta on paikannettu ylikulkumenetelmällä: kun planeetta kulkee tähden editse, planeetta vaikuttaa hieman tähden kirkkauteen varjostamalla valoa. Jotkin eksoplaneetat on kuitenkin voitu kuvata suoraan.
Kuvaamiseen käytetään koronagrafilla varustettuja teleskooppeja. Lisälaite on levy, joka peittää tähden voimakasta säteilyä. Kun kirkasta valoa himmennetään, planeetan heikompi heijastus voidaan erottaa.
AB Aurigae b -nimisen superkaasujättiläisen syntymää havainnoitiin ensin Havaijilla toimivalla japanilaisella Subaru-teleskoopilla. Avaruusteleskooppi Hubble on sittemmin vahvistanut tapahtuman.
Menetelmä sopii hyvin superkaasujättiläisten etsintään, sillä niiden koko ja kaukana keskustähdestä kulkeva kiertorata helpottavat kahden eri valonlähteen pitämistä erillään. Toisin sanoen planeetan kajastus erottuu.
Vuonna 2016 löydettiin läpimitaltaan 8,2-metrisellä Subaru-teleskoopilla vasta kaksi miljoonaa vuotta vanha AB Aurigae -tähti. Ensimmäisissä ilman koronagrafia otetuissa kuvissa nuorta tähteä ympäröi pyörivä pöly- ja kaasukiekko.
Kun tähden valoa himmennettiin koronagrafilla, näytti siltä, että tähteä kiersi valtava, vain vähän aikaa olemassa ollut kaasuplaneetta. Nimekseen AB Aurigae b saanut planeetta oli 93 kertaa niin kaukana tähdestä kuin Maa on Auringosta.
Teleskooppi kuvasi synnytyslaitoksen
1. Planeetta hukkuu tähden valoon
Vasta kaksi miljoonaa vuotta vanha tähti näkyy suodattamattomissa kuvissa kirkkaana pisteenä. Koska tähti säteilee voimakkaasti, sen valo peittää aurinkokunnan laidalla kiertävän ison AB Aurigae b -kaasuplaneetan heijastuksen näkyvistä.
2. Este himmentää tähden valoa
Teleskooppi voidaan varustaa koronagrafiksi kutsutulla laitteella, joka rajoittaa valon saapumista. Himmennyksen tai varjostuksen ansiosta AB Aurigae b kajastaa kuvan alaosassa. Koska superkaasujättiläinen kiertää tähteä hyvin kaukana, kumpikin valonlähde on erotettavissa.
3. Etäisyys tähteen on liian suuri
AB Aurigae b:n rata kulkee peräti 13,95 miljardin kilometrin päässä tähdestä. Välimatka on kolme kertaa niin pitkä kuin Auringon ja sitä kauimpana kiertävän planeetan eli Neptunuksen (sisempi kehä) välinen etäisyys. Vallalla olevan käsityksen mukaan planeettoja ei pitäisi syntyä niin kauas.
Tähtitieteilijät eivät kuitenkaan olleet täysin varmoja löydöstään. Asia varmistui vasta sitten, kun avaruusteleskooppi Hubble oli tarkentanut kameransa tähteen ja eri havainnot oli yhdistetty toisiinsa.
Näin oli päästy ensimmäisen kerran todistamaan superkaasujättiläisen syntyminen hyvin kauaksi keskustähdestä. Löydössä oli kuitenkin yksi iso mutta: planeetta oli muodostunut mahdottoman etäälle – ainakin vanhojen teorioiden mukaan.
Eksoplaneetat sotkevat järjestyksen
Tähtitieteilijät luulivat siihen asti, kun ensimmäiset Aurinkokunnan ulkopuoliset planeetat löydettiin melkein 30 vuotta sitten, että Aurinkokunnan rakennetta koskevat tiedot pätevät muuallakin. Sen mallin mukaan Maan kaltaiset kiviplaneetat ovat aina aurinkokunnan sisäosassa, Jupiterin kaltaiset kaasujättiläiset keskiosassa ja Neptunuksen kaltaiset jääplaneetat ulko-osassa.
Yleistys osoittautui virheelliseksi hyvin nopeasti.
5 125 eksoplaneettaa oli löydetty elokuun 2022 loppuun mennessä.
On paikannettu tuhansien asteiden lämpöisiä Jupiterin kaltaisia planeettoja, joiden etäisyys tähteen on hyvin pieni. Isot kaasuplaneetat eivät ole voineet syntyä sen paahteessa, vaan niiden on pitänyt siirtyä paikalleen aurinkokunnan viileämmästä ulko-osasta.
Lisäksi on löydetty runsaasti planeettoja, jotka sijoittuvat massaltaan Auringon ja Neptunuksen väliin. Ne ovat esimerkiksi sellaisia isoja supermaapalloja, vesiplaneettoja ja pieniä kaasuplaneettoja, jollaisia Aurinkokuntaan ei olisi voinut koskaan ilmestyä.
Eksoplaneettoja ja Aurinkokunnan kahdeksaa planeettaa yhdistää kuitenkin se, että ne ovat muodostuneet vanhan teorian mukaisella tavalla kiinteästä aineesta, kuten pölystä, kivestä ja jäästä, kertymällä jatkuvasti kasvaviksi palloiksi, jotka kiertävät tähteä omia ratojaan pitkin.
Siihen asti, kun ensimmäiset superkaasujättiläiset löydettiin, oletettiin, että kaikki planeetat ovat syntyneet kertymällä kiinteästä aineesta, kuten pölystä, kivestä ja jäästä.
AB Aurigae b ja muut superkaasujättiläiset kyseenalaistavat vanhan käsityksen. Ne nimittäin vaikuttavat muodostuneen aurinkokunnan ulko-osassa, missä planeetan kasvun vaatimaa pölyä ja kaasua on melko vähän.
Pidetään epätodennäköisenä, että jättiläiset ovat syntyneet tähteä ympäröivän kaasukiekon tiheässä sisäosassa ja että muut isot planeetat ovat singonneet ne jossain vaiheessa ulommas painovoimallaan. Syynä on se, että superkaasujättiläiset kiertävät tähteä kiekon tasossa ympyrärataa – niin kuin yleensä ne planeetat, jotka ovat pysyneet kutakuinkin syntymäpaikallaan.
Jotta tutkijat osaisivat selittää, kuinka superkaasujättiläinen voi syntyä ohuesta kaasusta kaukana tähdestä, heidän pitäisi hallita painovoima.
Painovoima kokosi kaasujättiläisen
Tähden syntymä aiheuttaa rajuja muutoksia ympäröivään kaasukiekkoon. Ne voivat saada painovoimakentän vaihtelemaan kiekon laidalla niin, että yhtäällä kenttä on heikko ja toisaalla vahva.
Thayne Currien ja muiden planeettatutkijoiden tuoreimman teorian mukaan alue, jonka painovoimakenttä on vahva, puristaa ohutta kaasua isoksi tiiviiksi pilveksi. Jossain vaiheessa pilvestä tulee niin raskas ja epävakaa, että se luhistuu. Tällöin syntyy superkaasujättiläinen.
Kaasupilvestä syntyy superkaasujättiläinen
1. Ohut kaasu kiertää kaukana
Nuorta tähteä ympäröi pyörivä pöly- ja kaasukiekko. Vallalla olevan käsityksen mukaan planeettoja syntyy kiekon tiheässä sisäosassa ja ulko-osa on niin harva-aineista, ettei siellä voi muodostua superkaasujättiläistä.
2. Epävakaa kaasu tiivistyy
Ohuen kaasukiekon painovoimakenttä vaihtelee nuoren ja kaoottisen aurinkokunnan muutosten vuoksi. Yhtäällä painovoimakenttä on heikko, toisaalla vahva. Suuren painovoiman alueella iso, epävakaa kaasupilvi puristuu kokoon.
3. Planeetta imee itselleen ytimen
Kaasupilvi luhistuu yhtäkkiä, ja syntyy täysimittainen superkaasujättiläinen. Planeetan keskiosa vetää puoleensa pölyhiukkasia, ja ne sulautuvat isoksi, raskaaksi ytimeksi, joka kiskoo ympäristöstä lisää ainetta.
4. Superkaasujättiläinen paisuu
Tähteä kiertäessään uusi planeetta kerää itseensä ainetta ja kasvaa jatkuvasti. Kun se on puhdistanut suuren osan kiekosta, sen massa voi olla jopa 13 kertaa Jupiterin massa.
Tapahtumasarja muistuttaa tähtien syntyprosessia ja osoittaa, että nimenomaan painovoima saa tavalla tai toisella tähteä ympäröivän aineen kerääntymään planeetoiksi.
”Luonto on fiksu, eikä se tee pelkkiä Aurinkokunnan kopioita, vaan se tuottaa mitä moninaisimpia planeettakuntia. Ja superkaasujättiläisen järjestelmä on tunnetuista kaikkein erikoisimpia”, toteaa Thayne Currie.
Superkaasujättiläisiä on miljardeja
Superkaasujättiläiset ovat harvinaisia, ja niiden osuus kaikista Linnunradan planeetoista on arviolta alle prosentti. Niinpä niitä voi olla kotigalaksissamme kaikkiaan 46 miljardia. Ehkä ne kaikki ovat syntyneet täysin valmiina niin kuin AB Aurigae b.
”Luonto on fiksu, eikä se tee pelkkiä Aurinkokunnan kopioita, vaan se tuottaa mitä moninaisimpia planeettakuntia.” Thayne Currie, yhdysvaltalainen tähtitieteilijä
Asia on selvitettävissä mittaamalla nuorten planeettojen lämpötila.
Jos superkaasujättiläinen on syntynyt luhistuneesta isosta kaasupilvestä, se on erittäin kuuma, sillä kaikki se lämpö, joka vapautuu kaasun puristuessa nopeasti kokoon, jää planeetan sisään. Planeetta jäähtyy hitaasti, mutta vielä miljoonienkin vuosien kuluttua se on hyvin lämmin.
Siinä tapauksessa, että superkaasujättiläinen on kasvanut tavalliseen tapaan keräämällä hitaasti kaasua ensin pölystä ja jäästä kasautuneen ison ytimen ympärille, syntyy vastakkaissuuntaisia paineaaltoja kaasun osuessa ytimeen.
Paineaallot liikkuvat sitten saapuvan kaasun läpi ja hidastavat sen liikettä. Kun kaasu menettää nopeutta, se säteilee suuren osan energiastaan lämpönä matkallaan kohti ydintä.
Toisin sanoen superkaasujättiläinen, joka on kasvanut imuroimalla kaasua lähiympäristöstään, on selvästi kylmempi kuin suoraan luhistuneesta kaasupilvestä syntynyt planeetta.
Avaruusteleskooppi paljastaa syntytavan
Lämpötilaero säilyy huomattavana satoja miljoonia vuosia. Kun planeettojen syntymästä on kulunut kauemmin, esimerkiksi miljardia vuosia, mittaustuloksella ei ole enää merkitystä syntyprosessin selvittämisen kannalta.
Voidaan onneksi odottaa, että AB Aurigae b:n kaltaisia nuoria superkaasujättiläisiä löydetään lisää. Siten on hyvinkin mahdollista saada selville, juontuvatko tällaiset planeetat aina, yleensä vai harvoin luhistuvasta kaasupilvestä.
Tutkimusvälineeksi sopii Nasan jokin aika sitten lähettämä James Webb -avaruusteleskooppi, jonka näöntarkkuus on huippuluokkaa ja joka on varustettu paljon paremmilla koronagrafeilla kuin sen edeltäjä, Hubble.
Plussaa on sekin, että James Webb -avaruusteleskooppi pystyy havainnoimaan infrapunasäteilyä toisin kuin Hubble, joka ottaa vastaan näkyvää valoa. Koska lämpösäteily on enimmäkseen infrapunasäteilyä, nuorten superkaasujättiläisten lämpötila voidaan mitata.
Uusi työkalu auttaa tähtitieteilijöitä selvittämään, onko AB Aurigae b kummajainen ja poikkeus, joka vahvistaa säännön. Jos se ei ole, maailmankaikkeuden suurimpien planeettojen syntymä on raju kosminen tapahtuma.