Pölyhiukkanen tekee historiaa

Pöly on maailmankaikkeuden rakennusainetta. Sitä kieppuu galakseissa ja niiden välisessä avaruudessa. Ilman pölyä ei olisi Maata eikä Aurinkoa. Nyt tutkijoilla on käsissään pölyhiukkanen, joka on vanhempi kuin Aurinkokunta.

Pöly on maailmankaikkeuden rakennusainetta. Sitä kieppuu galakseissa ja niiden välisessä avaruudessa. Ilman pölyä ei olisi Maata eikä Aurinkoa. Nyt tutkijoilla on käsissään pölyhiukkanen, joka on vanhempi kuin Aurinkokunta.

Shutterstock

Seitsemän miljoonaa vuotta sitten punaisen jättiläistähden uloimmissa osissa syntyi mikroskooppisen pieni pölyhiukkanen. Tähti on elinkaarensa päässä, ja kun se lopulta paloi loppuun, sen kaasu ja pöly levisivät avaruuteen.

Pitkään pölyhiukkanen leijui siellä täällä Linnunradassa, kunnes se päätyi osaksi valtavaa pöly- ja kaasupilveä, jonka romahduksesta syntyi Aurinkokunta.

Aurinkokunnassa pölyhiukkanen joutui meteoriittiin, joka osui Maahan Australiassa lähellä Murchisonin kaupunkia vuonna 1969.

Nyt hiukkanen on laboratoriossa Chicagossa.

Tutkijat irrottivat ikivanhan pölyhiukkasen meteoriitista, joka törmäsi Australiaan vuonna 1969.

© National Museum of Natural History

Aurinkokunta on täynnä jäännöksiä tähdistä, jotka ovat kuolleet ja levinneet kaasuna ja pölynä avaruuteen miljardeja vuosia sitten.

Pölyhiukkanen on kuitenkin ensimmäinen suora todiste prosessista. Chicagon yliopiston ja luonnonhistoriallisen Field-museon tutkijat ovat eristäneet hiukkasen Murchinsonin meteoriitista ja onnistuneet määrittämään sen iän.

Tammikuussa 2020 julkaistu tutkimus osoittaa, että se on yli seitsemän miljardia vuotta vanha. Aurinkokunnalla on ikää 4,6 miljardia vuotta, joten pölyhiukkanen on ikään kuin muisto ajalta, jolloin Aurinkoa ei ollut olemassa.

Yhdysvaltalaistutkimus on herättänyt suurta kiinnostusta, sillä tutkijoilla on käsissään ylivoimaisesti vanhinta tunnettua ainetta.

Pölyhiukkanen on osa Linnunradan tähtien ja planeettojen syntyä. Mitään niistä ei olisi syntynyt ilman pölyä.

Avaruuspölyä lattialla

Kun tähtitieteilijät puhuvat pölystä, he eivät ensisijaisesti tarkoita lattialla pyöriviä villakoiria mutta myös niitä. Kosmista pölyä on myös siinä pölyssä ja hiekassa, jota kertyy ikkunalaudoille ja lattioille.

Tosin avaruudesta tulevan pölyn hiukkaset ovat paljon hiekanjyväsiä pienempiä: millimetrin tuhannes- tai miljoonasosan levyisiä.

Yleensä ne koostuvat hapesta, piistä, magnesiumista, hiilestä ja raudasta, mutta ne voivat olla myös puhdasta hiiltä, kuten kynttilän polttamisesta syntyneet nokihiukkaset.

Joka päivä Maahan leijuu avaruudesta 43 tonnia pölyä, joka on peräisin kuolleista tähdistä.

Itse asiassa luonnossa kaikki koostuu atomeista, jotka ovat syntyneet miljardeja vuosia sitten tähdissä samalla tavoin kuin Murchisonin meteoriitin pöly.

Alkuräjähdyksessä syntyivät vain kaikkein kevyimmät alkuaineet, vety ja helium, ja vähän litiumia. Niitä raskaammat aineet syntyivät tähtien ytimissä, kun kevyet alkuaineet yhdistyivat yhä raskaammiksi.

Niin ovat saaneet alkunsa kaikki atomit ja alkuaineet, joista Maa ja sen asukkaat koostuvat.

Vaikka kaikki aine on pohjimmiltaan tähtipölyä, on hyvin vaikeaa löytää Maata vanhempaa pölyä.

Nuori Aurinko nimittäin kuumensi Aurinkokunnan sisäosat niin perusteellisesti, että pöly suli ja muutti muotoaan.

Maapallokin oli aluksi pelkkää sulaa laavaa, ja myöhemmin tulivuorenpurkaukset ja maankuoren liikkeet ovat muokanneet planeetan alkuperäisiä aineksia tehokkaasti.

Maa on siis syntynyt tähtipölystä, mutta ajan mittaan aineet ovat muuttuneet, eikä niitä ei enää tunnista samaksi aineeksi.

Vauvabuumi Linnunradassa

Maan päältä avaruuden pölyä pitää siis etsiä kappaleista, jotka ovat tulleet tänne äskettäin, kuten Murchisonin meteoriitti.

Tutkijat ottivat meteoriitista osan ja murskasivat sen. Murskaa tutkittiin massaspektrometrillä eli laitteella, jolla voidaan määrittää yksittäisten atomien massa

Näkyvä valo ei pääse kosmisen pölyn läpi, koska pölyhiukkaset ovat samankokoisia kuin valon aallonpituus. Siksi pölypilvien takana olevia tähtiä pitää tarkastella teleskoopeilla, jotka havainnoivat tähtien ja pölyn lähettämää infrapunasäteilyä.

©

Kosminen pöly pysäyttää näkyvän valon

Näykvä valo (sininen) absorboituu pölyhiukkasiin, ja sen matka pysähtyy pölypilveen. Infrapunasäteilyn (punainen) aallonpituus on pidempi kuin näkyvän valon, joten se kulkee pölypilven läpi. Lämpimät pölyhiukkaset lähettävät itsekin infrapunasäteilyä tai mikroaaltoja, joiden aallonpituus on vieläkin pidempi.

© Hubble/ESA/NASA

Näkyvä valo: Optinen teleskooppi näkee vain tumman pilven

Kotkasumussa noin 7 000 valovuoden päässä Maasta on valtvava pöly- ja kaasupilvi, joka on saanut nimen Luomisen pilarit. Hubble-avaruus­teleskoopin optisen kameran kuvassa näkyy vain tumma pilvi, koska pöly ei päästä takanaan olevien tähtien valoa lävitseen.

© Hubble/ESA/NASA

Infrapunasäteily: Infrapunateleskooppi näkee tähdet pilven takana

Hubblen infrapunakameralla otetussa kuvassa näkyy myös tähtiä. Mukana ovat sekä Kotkasumun takana olevat tähdet että sen sisällä syntymässä olevat tähdet. Tähtiä syntyy pilven niissä osissa, missä kaasu- ja pölymuodostelmat romahtavat.

© CfA/NSF/ESO

ALMA-teleskooppi näkee planeettojen synnyn

ALMA-teleskoopin 66 antennia havainnoivat nuoria tähtiä ympäröivän kuuman pölyn tuottamaa säteilyä. Kuvassa näkyy, miten Auringon kaltaista TW Hydrea -tähteä ympäröivästä pölystä on muodostunut planeettoja. Planeetat erottuvat tummina renkaina.

Näin murskasta löytyi hiukkanen, joka oli erilainen kuin Maasta peräisin oleva aine. Tutkijat eristivät hiukkasen ja määrittivät sen iän.

Iän määrityksessä käytettiin avuksi neonatomeja. Sinä aikana kun hiukkanen leijui itsekseen Linnunradassa, se altistui kosmiselle säteilylle, joka muutti osan sen neonatomeista.

Mittaamalla tarkasti neonin määrän tutkijat saattoivat päätellä, miten kauan hiukkanen oli harhaillut avaruudessa omin päin.

Yli seitsemän miljardia vuotta vanhan hiukkasen lisäksi Murchisonin meteoriitista löytyi useita muita pölyhiukkasia, jotka ovat peräisin kuolleista tähdistä mutta jotka ovat paljon nuorempia.

Useimmat niistä ovat 4,6–4,9 miljardia vuoden takaa, eli ne ovat ilmeisesti syntyneet tähdissä, jotka olivat elinkaarensa loppupäässä juuri ennen kuin Aurinko syntyi.

Tähtien synnystä laadittujen teoreettisten mallien mukaan piikarbidi, josta kosmiset pölyhiukkaset muodostuvat, syntyy pääasiassa tähdissä, joiden elinikä on hieman yli kaksi miljardia vuotta.

Suurin osa meteoriitin kosmisesta pölystä on siis peräisin tähdistä, jotka syntyivät noin seitsemän miljardia vuotta sitten.

Tuohon aikaan Linnunradassa näyttää olleen menossa varsinainen tähtien vauvabuumi.

Avaruudesta ropisee Maahan joka päivä 43 tonnia pölyä. Sitä on sinunkin lattiallasi.

Viime aikoina on keskusteltu siitä, onko tähtien syntytahti vakio vai onko siinä vaihteluita. Murchisonin meteriitin pölyhiukkaset viittaavat siihen, että tähtiä syntyy välillä tiuhempaan tahtiin kuin muulloin.

Murchisonin pölyhiukkaset ovat peräisin keskisuurten tähtien kuolinkouristuksista, mutta kosmista pölyä syntyy muutenkin.

Kaikkein suurimmat tähdet kuolevat supernovaräjähdyksinä, joissa leviää avaruuteen valtavia määriä pölyä.

Supernovapölyn jäljille päästiin vuonna 2014, kun tanskalaistutkijat havainnoivat SN 2010jl -supernovan jäännöksiä.

Pohjois-Chilessä toimivaan VLT-teleskooppiin kytketyllä laitteella tehty tutkimus osoitti, että supernovan jätteissä syntyi edelleen pölyä.

Niiden 868 päivän aikana, jotka tanskalaistutkimus kesti, pölyä syntyi niin paljon, että se olisi riittänyt 830 maapalloon.

Räjähtäneiden jättiläistähtien jäännöksiä päätyy myös Maahan. Vuonna 2019 saksalaiset tutkijat löysivät 20 vuotta vanhasta Antarktiksen lumesta supernovan pölyä.

Pöly tunnistettiin raudasta. Siinä oli radioaktiivista rauta-60-isotooppia, jota voi syntyä vain supernovaräjähdyksissä. Matkallaan Linnunradassa Aurinkokunta on siis kulkenut supernovan jälkeensä jättämän pölypilven läpi.

Pöly himmentää tähtiä

Tähtien välissä ajelehtiva pöly on aiheuttanut paljon päänvaivaa tähtitieteilijöille. Se nimittäin haittaa tähtien tutkimista, koska se imee itseensä näkyvää valoa.

Kosminen pöly peittää tähtiä samalla tavalla kuin ilmakehässä oleva sumu peittää Auringon. Linnunradan tähdet näkyisivät Maahan tuhat kertaa nykyistä kirkkaampina, jos kosminen pöly ei himmentäisi niiden loistoa.

1950-luvulle asti koko Linnunradan hahmottaminen oli mahdotonta pölypilvien takia. Silloin ei esimerkiksi tiedetty, että Linnunrata on pyörivä kierteisgalaksi, jossa on yli sata miljardia tähteä.

Linnunradan kartoittaminen tuli mahdolliseksi vasta, kun radioteleskoopit kehittyivät, sillä radioaaltoja eivät pölypilvet pidättele.

Suurin osa kosmisesta pölystä on galakseissa, mutta pölyä ajelehtii myös galaksien välisessä avaruudessa.

Siellä se häiritsee kaukaisten taivaankappaleiden havainnointia.

Kaukaisten galaksien ja supernovien valo pääsee kyllä ohuiden pölypilvien läpi, mutta ne himmentävät valoa niin, että on vaikea arvioida, miten kirkas valo on alun perin ollut.

Valon kirkkauden perusteella taas lasketaan, miten kaukana Maasta eri kohteet ovat ja muun muassa miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee.

Pölystä on siis tähtitieteelle sekä hyötyä että harmia. Avaruudessa leijuvat pölypilvet tekevät avaruuden tutkimisesta vaikeaa.

Toisaalta ilman pölyä tutkittavaa olisi paljon nykyistä vähemmän. Nykytiedon mukaan nimittäin esimerkiksi Aurinkoa ei olisi voinut syntyä ilman pölyä.

Ei tähtiä ilman pölyä

Tähdet syntyvät valtavasta pöly- ja kaasupilvestä, joka romahtaa kasaan oman painonsa alla.

Sitä mukaa kuin pilvi romahtaa, se myös kuumenee, kun kaasumolekyylit alkavat törmäillä toisiinsa yhä tiheämpään tahtiin.

Painovoima vetää pilven aineksia yhteen, mutta samalla kaasumolekyylit pyrkivät kauemmas toisistaan, minkä seurauksena pilvi laajenee.

Ennen pitkää pilven vetäytyminen kokoon pysähtyisi kokonaan, ellei pölyä olisi.

Pölyhiukkaset nimittäin johtavat kaasun lämpöä pois pilvestä muuttamalla sen lämpösäteilyksi, joka pääsee pilven läpi avaruuteen.

Vasta sitten pilveen voi syntyä kyllin iso ainekertymä, jotta syntyy prototähti ja sen ytimessä vety voi alkaa fuusioitua heliumiksi.

Kun fuusioreaktio alkaa, tähti syntyy. Tähteä ei siis voi syntyä ilman pölyä, ja pöly on lähtöisin kuolleista tähdistä.

Yhdesta supernovasta levisi 2,5 vuodessa 830 kertaa Maan massan kokoinen pölymäärä.

Tämä selitysmalli jättää vaille vastausta kysymyksen, mistä ensimmäiset tähdet syntyivät, kun ei ollut vielä pölyä.

Tähän asti selitykseksi on esitetty, että maailmankaikkeuden ensimmäiset tähdet olivat paljon Aurinkoa suurempia jättiläisiä, jotka syntyivät niin isoista kaasupilvistä, että niissä painovoima kumosi kuuman kaasun laajenemispyrkimyksen.

ALMA näkee tähtien synnyn

Tähden ja sitä kiertävien planeettojen synty on tähän asti ollut harvinainen näky juuri siksi, että tähdet syntyvät suurten kaasu- ja pölypilvien keskellä.

Pöly taas estää näkyvää valoa pääsemästä lävitseen. Siksi tavallisesta optisesta kaukoputkesta ei ole iloa tähtien ensimmäisten hetkien tutkimisessa.

Kuuma pöly lähettää kuitenkin muunlaista sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on suurempi kuin näkyvän valon.

Infrapuna- eli lämpösäteilyä ja mikroaaltosäteilyä voidaan havainnoida muun muassa Chilessä toimivan kansainvälisen ALMA-observatorion laitteilla.

ALMA eli Atacama Large Millimeter/submillimeter Array sijaitsee viiden kilometrin korkeudessa Atacaman aavikolla Pohjois-Chilessä. Se tarkkailee avaruutta 66 parabolisen antennin avulla.

ALMAn laitteilla on mahdollista nähdä paitsi pölypilvien kylmät hiukkaset myös vastasyntyneitä tähtiä ympäröivä kuuma pölykiekko.

Pölykiekossa näkyy myös aukkoja niissä kohdissa, missä pöly on kasaantumassa planeettojen aihioiksi.

ALMAn havainnot ovatkin vahvistaneet tutkijoiden teoriat siitä, miten tähtiä kiertävästä pölystä syntyy asteittain yhä suurempia kokkareita ja möhkäleitä eli planetesimaaleja ja niistä lopulta varsinaisia planeettoja.

Sen jälkeen, kun kosminen pöly on kasaantunut planeetoiksi ja niitä kiertäviksi kuiksi, näiden pinnalla muodostuu toisenlaista pölyä.

Pienet kappaleet, joilla ei ole kaasukehää, ovat jatkuvan meteoriittipommituksen kohteena. Kun avaruudesta ropisevat murikat murskaavat kivipintaa, syntyy pölyhiukkasia, jotka muistuttavat mikroskooppisen pieniä lasinsiruja.

Esimerkiksi Kuuta peittävä paksu pölykerros on muodostunut tällä tavalla.

Kiviplaneetoilla, joilla on kaasukehä, pöly syntyy toisella tavalla. Siellä tuulen mukana liikkuvat hiukkaset rapauttavat vähitellen kallioita hiekaksi ja pölyksi.

Näin tapahtuu muun muassa Marsissa, missä riehuu tuon tuostakin planeetan laajuisia hiekkamyrskyjä. Joka vuosi pinnalta nousee kaasukehään ja laskeutuu taas pinnalle 2,9 miljardia tonnia pölyä.

Yhdysvaltalais-kanadalainen tutkijaryhmä selvitti vuonna 2018, mistä iso osa Marsin pölystä on peräisin.

Tutkijat vertasivat eri marsmönkijöiden tekemiä mittauksia niihin mittaustuloksiin, joita Marsia kiertävä Mars Odyssey -satelliitti on lähettänyt Maahan vuodesta 2001 lähtien.

Marsin pölyssä on tavallisesti runsaasti klooria ja rikkiä, ja tutkijat havaitsivat, että samanlainen kemiallinen koostumus on Medusae Fossae -nimisessä muodostelmassa Marsin päiväntasaajan lähellä.

Medusae Fossae on syntynyt räjähdysmäisissä tulivuorenpurkauksissa yli 3,5 miljardia vuotta sitten. Silloin vulkaaninen tuhka peitti puolen Euroopan kokoisen alueen.

Siitä lähtien tuuli on rapauttanut tuhkakivimuodostelmaa. Nyt siitä on jäljellä kaksi miljoonaa neliökilometriä, noin viidesosa Euroopan pinta-alasta. Muodostelman paksuus on keskimäärin 600 metriä.

Kuupöly vahingoittaa dna:ta

Kuun ja Marsin pöly on iso ongelma, kun suunnitellaan näiden taivaankappaleiden tutkimusta ja mahdollista asutusta. Paitsi että pöly tunkeutuu kaikkialle ja tekee pahaa jälkeä avaruuspuvuissa, koneissa, mittalaittessa ja aurinkopaneeleissa, se on myös terveysriski astronauteille.

Apollo-lennoilla Kuussa olleet astronautit ovat kertoneet, että kuukävelyiltä avaruuspukujen mukana alukseen tullut pöly sai heidät aivastelemaan ja silmät vuotamaan.

Lisäksi vuonna 2018 tehty yhdysvaltalaistutkimus osoitti, että kuupöly voi vahingoittaa ihmisen solujen dna:ta.

Jos Kuuhun tai Marsiin aiotaan perustaa pysyviä tukikohtia, on keksittävä keino, jolla estetään pölyä pääsemästä sisälle tukikohtaan tai aluksiin.

Ratkaisu voi olla, että astronautit käyvät aina suihkussa ennen kuin he riisuvat avaruuspuvun.

Toisaalta pöly on myös arvokas raaka-aine. Sekä Kuun että Marsin pöly sisältää paljon happea, jota voidaan ottaa talteen johtamalla pölyyn sähköä, jolloin muihin aineisiin sitoutunut happi vapautuu.

Happea voidaan käyttää paitsi hengitysilman myös rakettipolttoaineen valmistukseen. Pölystä voidaan tehdä myös rakennusaineita.

Lupaavia tuloksia on saatu muun muassa testeissä, joissa on jäljitelty Kuun ja Marsin pölyä ja tehty siitä massaa, josta voidaan tehdä rakennelmia 3D-tulostuksen avulla.

Planeetat syntyivät pölystä, ja Maakin muuttuu takaisin pölyksi, kun Auringon vetypolttoaine loppuu ja se paisuu punaiseksi jättiläiseksi, joka nielaisee Maan.

Näin käy noin viiden miljardin vuoden kuluttua. Silloin Aurinko levittää Linnunrataan valtavia määriä kaasua ja pölyä, joista sitten voi syntyä uusia tähtiä ja planeettoja.

Ehkä tulevaisuudessa tutkijat lukevat pölyhiukkasesta Aurinkokunnan historiaa samalla tavalla kuin Chicagossa nyt tutkitaan Linnunradan menneisyyttä seitsemän miljardia vuotta vanhasta pölyhiukkasesta.