Eksoplaneetta hukassa

Taivaan kaksi aurinkoa

8.12.2020 klo 12.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Synty ja kehitys

Auringot leikkivät taivaalla omaa tasaista piirileikkiään. Niitä on kaksi ja ne valaisevat planeetan pintaa, kumpikin omalla ominaisella säteilyllään. Päivällä tähdet pyörähtelevät toistensa ympäri aikansa, tanssien halki taivaankannen, ja painuvat sitten mailleen yhdessä, toisiaan seuraten. Niitä yhdistää näkymätön kahle, gravitaatiovoima, joka pitää tähdet ikuisesti yhdessä. Gravitaatio varmistaa myös sen, että planeetat pysyvät radoillaan parin ympärillä. Niiden pinnoilla auringonlaskut ovat eri värisiä — vuoroin oranssin kääpiötähden, vuoroin sen punaisemman kumppanin valaisemia. Mutta päivät ovat polttavan kuumia, kun aurinkoja loistaa taivaalla hiukan eri suunnissa kaksi ja varjoa ei löydy juuri mistään.

Kahden auringon taivas kuulostaa eksoottiselta, oudolta paikalta, koska Aurinkokunnan monosolaariseen rakenteeseen tottuneille havaitsijoille kaikki tutusta ja turvallisesta poikkeava on väistämättä huomiotaherättävän erikoista ja saa aikaan ihmettelyä. Asetelmaa onkin käytetty luomaan pelottavaa, uhkaavaa vieraan ympäristön tunnelmaa tieteiskirjallisuudessa ja ehkäpä tunnetuimmin Star Wars -elokuvien fiktiivisen universumin Tatooine-planeetalla. Usean auringon järjestelmät eivät kuitenkaan ole harvinainen poikkeus, vaan suhteellisen yleinen tapa järjestää aurinkokuntien organisaatio galaksissamme.

Kaksi tähteä voi kiertää toisiaan stabiileilla, muuttumattomilla radoilla koko elinikänsä, kunnes ne ovat käyttäneet ytimensä ydinpolttoaineen loppuun ja kuolevat. Tavallisilla keltaisilla auringonkaltaisilla tähdillä siihen kuluu kymmenisen miljardia vuotta mutta esimerkiksi punaiset kääpiötähdet palavat säästöliekillä ja loistavat lähes muuttumattomina jopa satoja miljardeja vuosia. Avainasemassa on kuitenkin se, että tähtiä on vain kaksi. Kolmen tai useamman tähden järjestelmät ovat epästabiileja, kaoottisia kokonaisuuksia, joiden stabiileja erikoistapauksia on vain kourallinen. Tyypillinen lopputulos on yhden tai useamman tähden singahtaminen ulos järjestelmästä tähtien keskinäisten gravitaatiovoimien vaikutuksesta, jolloin jäljelle jäävät yksittäiset tähdet tai tähtiparit voivat aloittaa rauhallisen elämänsä kiertoradalla galaksin keskustan ympäri yksin tai parin kanssa. Tilanne tunnetaan tähtitieteilijöiden parissa hyvin ja sitä kuvastaa se, että kahden tähden radat voidaan määrittää matemaattisen tarkasti Johannes Keplerin jo 1600-luvulla muotoilemien liikelakien avulla mutta vaikkapa kolmen tähden muodostamalle järjestelmälle ei ole olemassa edes kaikenkattavaa matemaattista ratkaisua, joka kuvaisi radat pitkälle tulevaisuuteen. Kaikki riippuu järjestelmän tarkasta rakenteesta.

Leluesimerkki kolmen kappaleen kaoottisesta järjestelmästä osoittaa, että satunnaiset kolmen tähden järjestelmät ovat yleensä epästabiileja, kaoottisia tähtijärjestelmiä. Kolme tähteä voi olla vakailla, muuttumattomilla radoilla kiertämässä toisiaan vain siinä erikoistapauksessa, että kaksi tähdistä muodostaa tiiviin parin, jota kolmas tähti kiertää huomattavasti kauempana. Sellainen järjestelmä on esimerkiksi Aurinkoa lähin tähtijärjestelmä alpha Kentauri, jossa kahden auringonkaltaisen tähden paria kiertää piskuinen punainen kääpiötähti Proxima Kentauri. Alpha Kentaurin auringonkaltaiset tähdet kiertävät toisensa 80 vuodessa mutta Proximan kierros niiden ympäri kestää peräti puoli miljoonaa vuotta.

Samalla tavalla neljä tähteä voi muodostaa järjestelmän, jossa kaksi tähtiparia kiertää toisiaan ja tähtiä on havaittu jopa viiden tai useamman tähden stabiileina, hierarkisina järjestelminä. On kuitenkin huomionarvoista, että kahden tähden kiertäessä toisiaan lähekkäin, kolmas tähti voi olla vain selvästi kauempana, pitkällä kiertoradalla tiiviin parin ympäri, jotta järjestelmä ei hajoaisi kaoottisuuteensa. Se mahdollistaa myös planeettakunnat tähtiparien ympärillä — järjestelmissä ei voi olla kolmatta tähteä, joka tulisi niin lähelle, että se suistaisi planeetat radoiltaan, koska muutoin koko järjestelmä olisi epästabiili.

Esimerkin tarjoaa Kepler-avaruusteleskoopin havaintokentästä löydetty Kepler-16. Järjestelmässä on saturnuksenkokoinen kaasuplaneetta, joka kiertää kahden Aurinkoa pienemmän tähden ympäri ympyräradalla aina 228 päivässä. Tähdet muodotavat tiiviimmän parin, ja kiertävät toisensa kerran 41 päivässä näkyen planeetan Kepler-16 b taivaalla parhaimmillaan noin 17 asteen kulmaetäisyydellä toisistaan. Vaikka Kepler-16 b on hiukan Saturnusta pienempi jättiläisplaneetta, sen olemassaolo osoittaa kiistatta, että tähtiparia kiertäviä planeettoja voi olla olemassa. Kepler-avaruusteleskoopin havaintokentässä Kepler-16 b kulki molempien tähtiensä editse ja sen matka kummankin tähden editse onnistuttiin myös havaitsemaan tähtien pienenä himmenemisenä. Aivan samoin havaittiin miten tähdet peittävät vuorotellen toisiaan, mikä näkyi suurempina säännöllisinä himmenemisinä aina 41 päivän välein. Pahaksi onneksi järjestelmän kappaleiden radat muuttuvat vuosien saatossa hiukan ja ratalaskelmien mukaan planeetan ylikulut eivät ole havaittavissa uudelleen ennen vuotta 2042.

Pienemmät, maapallonkokoiset planeetat voisivat aivan hyvin kiertää tähtiparia jopa elinkelpoisella vyöhykkeellä. Vaikka sellaisia planeettoja ei olekaan vielä havaittu, ei ole ainuttakaan syytä olettaa, ettei niitä ole olemassa.

---

Planeettojen synty useamman kuin kahden tähden järjestelmissä on myrskyisää. Kolmen tähden järjestelmissä kertymäkiekko, jonka materiasta planeetat syntyvät, häiriintyy tähtien vetovoimien vaikutuksesta, eikä pysy enää yhdessä tasossa. Silloin planeettojen muodostuminenkin estyy etäisyyksillä tähdistä, joilla häiriöt ovat suurimpia. Kolmoistähtien hajottua, planeetat pääsevät siten muodostumaan rauhassa mutta niiden kiertoradat noudattavat vääntyneen kertymäkiekon tasoa. Planeetat voivat kiertää kaksoistähden ympäri lähes missä suunnassa tahansa — syynä ovat järjestelmän nuoruusaikojen kaoottiset häiriöt.

Se, minkälaiselle radalle planeetat lopulta päätyvät kaksoistähteä kiertäessään, riippuu paljolti sattumasta ja siitä, oliko järjestelmässä sen nuoruudessa useampiakin tähtikumppaneita. Absoluuttisen rajoittavana tekijänä on kuitenkin kaksoistähden komponenttien kiertorata toistensa ympäri — tähtien vetovoimien häiriöt suistavat planeetan radaltaan liian lähellä tähtiparia. Kauempana se voi kiertää kaksoistähden rauhassa. Jos parin kiertoaika toistensa ympäri on päiviä tai joitakin kymmeniä päiviä, planeettojen olemassaolo sen ympärillä on mahdollista elämän vyöhykkeellä. Se kuitenkin edellyttää, että ainakin toinen tähdistä on auringonkaltainen tähti. Punaisista kääpiöistä koostuvan parin ympärillä elämän vyöhyke on niin lähellä tähtiä, että sen alueella ei ole stabiileja ratoja.

ALMA-teleskoopilla tehtiin hiljattain havainto nuorta kolmoistähteä GW Orionis ympäröivistä pölyrenkaista. Ne ovat eri tasoissa johtuen kolmoistähden aiheuttamista häiriöistä (Kuva 4.). Planeetat voivat kuitenkin muodostua järjestelmässä ja niitä luultavasti löytyykin pölyrenkaiden väleistä paimentamassa ainesta ja siivoamassa ratansa puhtaaksi kaasusta ja pölystä. Se tarkoittaisi samalla, että planeettoja voi kiertää myös kolmoistähteä mutta vain kaukana, alueella, jossa tähtien vetovoimat eivät häiritse kiertoratoja.

Planeetat siis todistetusti syntyvät kaikenlaisiin tähtijärjestelmiin — riippumatta siitä kuinka monta tähteä järjestemässä oikeastaan on. Vaikka usean tähden järjestelmissä kaikki radat eivät ole stabiileja, planeetoilla on paljon tilaa muodostua ja kehittyä siellä, missä tähtien lähiohitukset eivät suista niitä radoiltaan. On olemassa runsaasti planeettakuntia, joissa taivaalla loistaa yhden tähden sijaan kaksi tai useita erilaisia aurinkoja. Joissakin järjestelmissä maankaltaiset planeetat voivat kiertää kahden tähden muodostamaa paria. Jotkut niistä voivat olla jopa otollisia elämän synnylle, evoluutiolle ja kukoistavalle biodiversiteetille. Siksi kaksoistähtien planeettoja kannattaa koettaa havaita tulevaisuudessakin. Yksittäiset auringot eivät ole ainoita mahdollisia paikkoja, joista maankaltaisia eläviä planeettoja voi löytää.