Metalleista jättiläisplaneettoihin
Eksoplaneettojen löytöjen myötä tähtitieteilijät oppivat niitä koskevia lainalaisuuksia, jotka heijastelevat planeettakuntien syntyprosessien mekanismeja. Aurinkokunnan kappaleista ei oltu voitu vetää luotettavia yksityiskohtaisia johtopäätöksiä liittyen planeettakuntien syntyyn, mutta siitäkin saatiin jo paljon tietoa. Perustavanlaatuissena havaintona se tosiasia, että planeetat kiertävät Aurinkoa samassa tasossa ja samaan suuntaan, likimain ympyränmuotoisilla radoilla, kertoo jo paljon. Oli jo varhain ilmeistä, että aurinkokunnat syntyvät tähden muodostuessa sen ympärille rakentuvan kaasukiekon materiasta. Immanuel Kant ja Pierre-Simon Laplace kuvasivat jo 1700-luvun loppuun mennessä, miten materia muodostaa syntyvän tähden ympärille kertymäkiekon, jonka puitteissa planeetat muodostuvat. Se takaa, että planeetat päätyvät samaan tasoon ja kiertämään tähteä samaan suuntaan.
Koko planeettakuntien muodostumisen ytimessä on tähdeksi romahtavan tähtienvälisen kaasun ja pölyn keskimääräinen pyörimismäärä. Se määrittää tähden pyörähdysakselin suunnan, ja materia päätyy kiertämään tähteä akselin määräämään tasoon liikkeen vaimetessa kaikissa muissa suunnissa. Kertymäkiekko syntyy, koska luonnon pettämättömät säilymislait eivät anna sille vaihtoehtoja. Materia ei pääse lähemmäs vetovoiman keskusta liikeensä vuoksi ja jää kiertämään nuorta tähteä sitä ympäröivään kiekkomuodostemaan. Kiekon sisäinen kitka saa aineksen kuitenkin hiljalleen virtaamaan tähteen sen ydinreaktioiden vasta käynnistyessä, ja siitä kertymäkiekko on saanut nimensäkin. Kaikki sen materia ei kuitenkaan päädy tähteen, vaan planeeettojen synty pääsee käynnistymään kiekon tasossa.
Planeettojen synty kertymäkiekon sisällä ei ole suoraviivaista. Siitä kertoivat jo varhaiset havainnot siitä, että jättiläisplaneettoja on erityisen paljon sellaisissa tähtijärjestelmissä, joiden koostumukseen kuuluu enemmän raskaampia aineksia. Jo varhain, eksoplaneettalöytöjen alkuaikoina, tutkijat havaitsivat, että planeettoja sattui olemaan huomattavasti enemmän kiertämässä tähtiä, joiden kaasukehissä oli enemmän raskaita alkuaineita kuten happea, hiiltä ja rautaa. Havainto oli helppoa tehdä, koska instrumentit olivat herkkiä vain jättiläisplaneettojen löydöille, ja juuri ne ovat yleisempiä sellaisten tähtien järjestelmissä, joissa tähtitieteilijöiden kollektiivisesti metalleiksi kutsumia raskaampia alkuaineita on enemmän. Sama ei päde pieniin planeettoihin, jotka eivät ole riittävän suuria kyetäkseen keräämään vetovoimansa avulla ympärilleen paksut kaasuvaipat. Pienempiä planeettoja, erityisesti kiviplaneettoja, onkin aivan kaikkialla, ja niiden suunnattomaan yleisyyteen tähtien syntymateriaalin koostumuksella ei ole juurikaan vaikutusta.
Taustalla on luonnollisesti planeettojen syntymekanismi, joka tuottaa erilaisia lopputuloksia erilaisista alkutilanteista käsin. Kun tähti syntyy raskaampia alkuaineita runsaasti sisältävästä aineksesta, sen kertymäkiekkoon päätyy vastaava raskaampien aineiden yliedustus. On runsaasti raskaamman aineksen muodostamaa pölyä, ja planeettojen ytimet kasautuvat vauhdilla kasvaen nopeassa tahdissa Maapalloa suuremmiksi. Niiden saavutettua Maahan verrattuna kymmenkertaisen massan, vetovoima riittää kertymäkiekon kaasun haalimiseen paksuksi vaipaksi, ja tuloksena on jättiläisplaneetta. Vastaavasti, jos raskaita alkuaineita on vain vähän, ei massiivisia kaasuplaneettojen ytimiä ehdi kasaantumaan riittävän nopeasti, ja planeetat jäävät pieniksi. Silloin kertymäkiekko lopulta haihtuu tähden käynnistyneen säteilyntuotannon myötä avaruuteen ennen jättiläisplaneettojen muodostumista, ja niiden aika ei koskaan koita. Kun on paljon metalleja, voidaan saada jättiläisplaneettoja. Kun metalleja on vähän, saadaan planeettakunnan täydeltä vain pienempiä kiertolaisia. Se tarkoittaa samalla, että pieniä planeettoja on kaikkialla, kun taas jättiläisplaneetat ovat harvinaisia.
Planeettojen syntymekanismien lainalaisuuksilla on muitakin havaittavissa olevia seurauksia. Eräs piirre liittyy syntyvien planeettakuntien kehitykseen vuosimiljoonien kuluessa syntynsä jälkeen. Jos jättiläisplaneetoja pääsee syntymään, sillä on merkittäviä seurauksia koko planeettakuntaan. Kyse ei ole vain siitä, että järjestelmä saa muutaman suurikokoisemman kiertolaisen, vaan koko järjestelmän dynamiikka muuttuu. Jättiläisplaneettojen vetovoima on niin suurta, että niiden vetovoimavaikutus ei rajoitu vain ratojensa lähettyville, vaan sillä on kauaskantoisia seurauksia kautta koko planeettakunnan.
Pohjimmiltaan jättiläisplaneetat laajentavat vaikutuspiiriään kahdella tavalla. Ne voivat muuttaa lähemmäs tähteä kuumiksi jupitereiksi (kirjoituksen toinen ja kolmas osa on julkaistu erikseen) tai toisinaan jopa kauemmaksi, ja ne voivat saada toistensa radat epästabiilin kaoottisiksi vakavin seurauksin. Jo Aurinkokunnassa arvellaan tapahtuneen molempia. Jupiter syntyi varhain, ja muutti kertymäkiekon vaikutuksesta sisemmäksi estäen planeettojen synnyn asteroidivyöhykkeelle ja jättäen Marsin pienikokoiseksi. Jupiter on saattanut vaikuttaa vetovoimallaan niin merkittävästi, että koko sisäplaneettakunta jäi vaille supermaapalloja ja minineptunuksia, jotka ovat muutoin erittäin yleisiä planeettatyyppejä mutta puuttuvat Aurinkokunnasta. Saturnuksen synnyttyä Jupiterin kiertoradan ulkopuolelle, planeetat sitten muuttivat vetovoimavuorovaikutuksensa avulla takaisin ulommaksi, mikä jätti tilaa ja mahdollisuuden sisäplaneettojen synnylle.
Joidenkin arvioiden mukaan Aurinkokuntaan syntyi myös kolmas jääjättiläinen, Uranuksen ja Neptunuksen tapaan paksun kaasuvaipan omaava planeetta. Sille kävi kuitenkin huonosti Jupiterin ja Saturnuksen liikuttua jälleen ulommaksi. Silloin kolmannen jääjättiläisen ajatellaan ajautuneen Jupiterin ja Saturnuksen vetovoimien riepottelemana kaoottiselle radalle, jonka soikeus kasvoi merkittäväksi. Lopulta se sinkoutui pois Aurinkokunnasta ehtien kuitenkin ennen lähtöään vaikuttaa planeettojen syntyyn Neptunuksen radan ulkopuolella. Soikealla radallaan kolmas jääjättiläinen saattoi siivota ulomman Aurinkokunnan planeettojen syntyyn tarvittavaa materiaa pois saatavilta, jolloin sinne ei päässyt muodostumaan kääpiöplaneettoja suurempia kiertolaisia. Ajatus kuulostaa villiltä, mutta se sopii erinomaisesti tietoihin Aurinkokunnan nykyisestä rakenteesta.
Jättiläisplaneetat vaikuttavat samoilla mekanismeilla myös eksoplaneettojen järjestelmissä, joskin vaikutukset saattavat olla paljon dramaattisempia kuin Aurinkokunnan historiassa. Jos jättiläisplaneettoja pääsee syntymään, ne saattavat muuttaa läpi koko sisäplanettakunnan, jyräten koko planeetta-alkioiden joukon läpi ja estäen niitä koskaan kasvamasta varsinaisiksi planeetoiksi, jos edes välttyvät törmäämästä tähteä kohti liikkuvaan planeettaan. Toinen vaihtoehto on, että jättiläisplaneettoja on useita, ja ne päätyvät kaoottiseen muodostelmaan. Silloin jokin tai jotkut jättiläisplaneetoista sinkautuvat planeettakunnan ulko-osiin tai sattuu valtavia törmäyksiä, ja se jättää jälkensä loppuihin planeettoihin. Jäljelle jäävät jättiläisplaneetat päätyvät todennäköisesti hyvin soikeille radoille ja edustavat havaittua eksentristen jupiterien joukkoa. Niistä kaikki ovat kokeneet kosmista väkivaltaa ja päätyneet soikeille radoille merkkinä järjestelmiensä epävakaudesta kaaoksen käsissä. Monet eksentriset jupiterit saattavat lisäksi päätyä lähelle tähteään, kun tähden vuorovesivoimat hiljalleen syövät niiden liike-energiaa lähiohitusten aikana, ja rata pyöristyy ympyräradaksi tähden lähettyville.
Tuoreen tutkimuksen mukaan (Kuva 1.) pienten planeettojen järjestelmät jäävät keskimäärin vakaiksi planeettakunniksi, ja jatkavat erittäin todennäköisesti tähtiensä kiertämistä ympyräradoilla miljardeja vuosia. Jos planeetat kuitenkin kasvavat Neptunuksen kokoisiksi tai suuremmiksi, ainakin noin 3.5 kertaa Maapallon kokoisiksi, niiden vuorovaikutukset pääsevät tuottamaan eksentrisiä kaasuplaneettoja. Suurten planeettojen syntyyn taas tarvitaan metallipitoisia tähtiä, joiden kertymäkiekoissa on ollut runsaasti raskaita aineksia planeettojen massiivisten ydinten rakennusaineiksi. Planeettakunnat siis muodostuvat ikään kuin kaksilla eri asetuksilla. Joko jättiläisplaneettojen kanssa tai ilman.
Ei kuitenkaan ole automaattista, että jättiläisplaneettoja syntyy edes korkean metallipitoisuuden tähtiä ympäröivistä kertymäkiekoista. Keskimääräistä korkeampi metallipitoisuus vaikuttaa olevan vaatimuksena niiden synnylle, muttei yksinään riitä. Siitä ovat todistusaineistona lukuisat planeettakunnat, joissa jättiläisplaneettoja ei koskaan syntynyt, vaikka metallipitoisuus onkin korkealla tasolla. Lisäksi, havaitut lainalaisuudet ovat vain tilastollisia, eivätkä tarkoita paljoakaan yksittäisen planeettakunnan kohdalla. Sattumalla on valtava rooli planeettojen synnyn taustalla, ja syntymekanismeissa on paljon tuntemattomia tekijöitä, joita voi kyllä tutkia tietokonesimulaatioilla mutta joille saattaa olla hankalaa saada tukea tähtitieteellisistä havainnoista. Siksi voimme olla varmoja, että paljon on vielä selvittämättä ja planeettojen muodostumismekanismit tuovat paljastuessaan taatusti mukanaan suuriakin yllätyksiä tulevaisuudessa. Niitä kuitenkin kannattaa tutkia, koska se auttaa kartoittamaan kuinka yleisiä maankaltaiset, elävät planeetat ovat maailmankaikkeudessa.