Alku kuin tähdillä — osa planeetoista syntyy romahtavista kaasupilvistä
Puhuttaessa planeettojen synnystä, tutkijoilla on pitkään ollut oleellisesti kaksi erilaista, ajoittain kilpailevaa näkemystä siitä, millä mekanismeilla synty tapahtuu. Oleellista on, aloitetaanko mittakaava-asteikon ala- vai yläosasta. ”Alhaalta ylös” -mekanismilla tarkoitetaan planeettojen muodostumista pienemmistä kappaleista. Aluksi pölyhiukkaset törmäilevät ja takertuvat toisiinsa nuorta tähteä ympäröivässä kertymäkiekoksi kutsutussa rakennelmassa, ja kasvavat hiljalleen lopulta kilometrien kokoisiksi kunnes niiden omat vetovoimat ryhtyvät vaikuttamaan viereisillä radoilla oleviin vastaaviin kappaleisiin. Törmätessään kappaleet muodostavat protoplaneettoja, joista suurimmat voivat saavuttaa jopa noin 10 Maan massan koon ja ryhtyä vetovoimansa avulla imuroimaan ratansa ympäristön kaasua itseensä. Prosessissa syntyvät niin jättiläisplaneetat kuin pienemmät kiviplaneetatkin, sekä läjäpäin kaikenkokoisia pikkukappaleita asteroideista komeettoihin.
Vaihtoehtoisesti planeettojen muodostuminen voi noudattaa ”ylhäältä alas” -mekanismia. Sen mukaan, tähteä ympäröivään kertymäkiekkoon muodostuu tiheysaaltoja, joista jokin tai jotkin saavuttavat kriittisen tiheyden ja koko kiekko muuttuu epästabiiliksi luhistuen lopulta oman vetovoimansa vaikutuksesta tähteä kiertäväksi planeetaksi tai planeetoiksi. Jättiläisplaneetat muodostuvat silloin yhdessä rysäyksessä epävakaan kiekon materiasta, jonka jälkeen pienempien planeettojen muodostuminen voi jatkua ”alhaalta ylös” -mekanismilla.
Pohtiessaan näiden kahden mekamismin herkkyyttä tuottaa planeettoja suhteessa tunnettuun jättiläisplaneettojen populaatioon, tähtitieteilijät näyttävät kuitenkin unohtaneen yhden tieteen perusperiaatteista: kyseenalaista kaikki. Uudet tulokset osoittavat, että on turhaa ajatella kaikkien jättiläisplaneettojen syntyvän tähtien kertymäkiekoista tähtien synnyn sivutuotteina, kun niitä voi muodostua aivan mainiosti ilmankin. Uusi James Webb -avaruusteleskoopilla tehty joukko löytöjä kertoo planeettojen syntyvän myös kolmannella tavalla: kuin tähdet, suoraan tähtienvälisen kaasu- ja pölypilven materiasta, sen romahtaessa kasaan oman vetovoimansa vaikutuksesta. Käsillä on vapaiden planeettojen vallankumous.
Tutkijat kertovat löytäneensä peräti 540 planeettojen massaluokkaan kuuluvaa kappaletta läheisestä Orionin sumusta otetuista infrapuna-alueen kuvista (Kuva 1.). Sillä tarkoitetaan kappaleita, jotka eivät massaltaan ylitä 13 Jupiterin massan rajaa, joka katsotaan veteen piirretyksi viivaksi planeettojen ja ruskeiden kääpiötähtien luokitusten välillä. Lukema on valittu siksi, että noin 13 Jupiterin massaa riittää kappaleen ytimen paineeseen, joka saa deuteriumin, vedyn raskaamman isotoopin, fuusioitumaan heliumiksi ja vapauttamaan samalla energiaa. Siksi rajan alapuolella olevat kappaleet loistavat kyllä syntynsä ylijäämälämpöä ja aineksensa differentioitumisesta vapautuvaa energiaa mutteivät kykene tuottamaan tähtien tapaan fuusioenergiaa ytimessään.
Sinällään ei siis ole yllättävää, että juuri lämpösäteilyä havaitseva JWST on tehnyt uudet löydöt. Sen pitikin kyetä näkemään nuoria, vastasyntyneitä planeettoja perustuen niiden vapauttamaan infrapunasäteilyyn. Uuden löydön tekee kuitenkin odottamattomaksi se, että yhdeltä tähtiensynnyn alueelta löytyy niin suuri määrä vapaina vaeltavia planeettoja. Vieläkin odottamattomampaa on se, että peräti 9% planeetoista on avaruudessa pareittain, kumppaninaan vain toinen vastaavankokoinen planeetta (Kuva 1.). Planeetat siis syntyvät usein kahden tasa-arvoisen planeetan pareina, jääden avaruuden pimeään, ikuiseen paritanssiinsa toistensa ympäri, vuosimiljardeiksi, vaille tähden valoa ja lämpöä. Kyse on varsin yllättävästä planeettakuntien tyypistä — planeetat ovat kaukana pareistaan, noin 25-400 AU:n etäisyydellä, joten ne eivät pääse merkittävästi häiritsemään toistensa ympärille muodostuneita pienempien kappaleiden joukkoja. Niillä on kuita likimain varmasti — planeettojen syntyessä kuin tähdet, niiden kiertoradoille muodostuu vääjäämättä kokoelma pienempiä kiertolaisia, joita kutsumme kuiksi.
Olemme tienneet vapaiden planeettojen olemassaolosta jo vuosia, mutta ne vaikuttavat jo tämän yksittäisen tuloksen perusteella olevan paljon yleisempiä kuin olemme osanneet aavistella. Ei ole silti alkuunkaan yksinkertaista arvioida mitä tuoreet löydöt merkitsevät arvioille niiden kokonaismäärästä galaksissamme. Uusista havainnoista saa kuitenkin runsaasti vinkkejä suurten planeettojen ja pienten tähtien muodostumiseen. Esimerkiksi kaukaiset kaksoisplaneetat, joissa kappaleiden etäisyys on ainakin 100 AU:n verran, ovat yleisempiä kuin vastaavat ruskeiden kääpiötähtien muodostelmat mutta vähemmän yleisiä kuin punaisten kääpiötähtien parit — puhumattakaan auringonkaltaisista tähdistä, joista valtaosa on kaksoistähti- tai vieläkin moninkertaisemmissa järjestelmissä. On siksi kiinnostavaa selvittää tulevaisuudessa miksi planeetat syntyvät ruskeita kääpiöitä herkemminin pareittain. On lisäksi kiinnostavaa tutkia kuinka suuri osa vapaista planeetoista syntyy tähtien kiertoradoilla ja päätyy tähtijärjestelmän ulkopuolelle tähtikumppaneiden kaoottisten vetovoimavaikutusten heittämänä ja kuinka suuri osa syntyy kokonaan yksin.
Sen vaikuttaa joka tapauksessa selvältä, että kaksoisplaneettojen olemassaolo on äärimmäisen vaikeaa selittää muutoin kuin niiden itsenäisenä syntynä suoraan tähtienvälisestä pölystä ja kaasusta. Se taas herättää ilmeisiä kysymyksiä siitä, mikä oikeastaan on se kappaleiden luokka, jota kutsumme sanalla planeetta.
Tulisiko planeettapareja sitten ensinkään kutsua planeetoiksi, sillä termi planeetta on tyypillisesti varattu vain tähtiä kiertäviin oman vetovoimansa pyöreäksi pusertamiin mutta silti tähtiä keveämpiin kappaleisiin? Jos niitä ei kutsuta planeetoiksi, mitä nimitystä niistä tulisi käyttää? Ja jos päädymme luokittelemaan tähden tapaan syntyneet planeetan massaluokan kappaleet joksikin muuksi kuin planeetoiksi, miten erotamme vaikkapa yksittäisestä kolmen Jupiterin massaisesta kappaleesta onko se tähtensä kiertoradalta avaruuteen sinkoutunut planeetta vai itsenäisesti syntynyt epäplaneetta? Näihin kysymyksiin on nyt pakko ottaa kantaa, koska on varmaa, että jokin nimitys näille vapaille, itsenäisesti syntyneille kappaleille vakiintuu. Oma näkemykseni on, että niitä tulisi kutsua planeetoiksi geofysikaaliseen määritelmään nojaten, kuten kaikkia muitakin vapaita tai tähtijärjestelmiin vetovoiman avulla sidottuja planeettoja mukaan lukien Aurinkokunnan arviolta 36 planeettaa.
Olenkin pienessä mielessäni miettinyt, että eihän planeettaa (tai muuta sellaisen massaista kökkärettä) kiinnosta, millä tapaa se on tullut olemaan. Jos tähtienvälisen pilven romahtaessa tulee noin suunnilleen kaiken kokoisia tähtiä ja pienimassaisia eniten, niin miksipä rajoituttaisiin vain ruskeisiin kääpiöihin? Eihän pilvi varmaan vedä liinoja kiinni, kun saavutetaan 13 Jupiterin massa. (Ok, omana opiskeluaikanani omassakin alkavassa tutkimuksessa kummitteli nk. Initial Mass Function, eli että mikä ihme rajaa syntyvän tähden massan.) Luonto ei käyttäytyne siististi ja valitse tasan yhtä tapaa kokkailla planeettoja.
Kyllä nää on musta kaikki planeettoja. Planeetan massan alarajasta voidaan tietty keskustella.
Kaiken kaikkiaan homma näyttää riemukkaasti sekavammalta kuin muinoin kuviteltiin. Komeettamaisesti käyttäytyviä asteroidejakin! Hävytöntä!
Tässä on vielä ylimääräisiä komplikaatioita, joita en edes tekstissä maininnut.
Jos nyt siis hyväksymme, että havaitut kaksoisplaneetat ovat tosiaan planeettoja, ja että syntymekanismi, liiketila ja se, missä gravitaatiopotentiaalissa kappale sattuu olemaan, ei vaikuta sen statukseen planeettana, olemme vääjäämättä planeettojen geofysikaalisen määritelmän äärellä. Silloin planeetan kokoiset kappaleet kiertämässä toisia planeettoja ovat planeettojen luokkaan kuuluvia kappaleita muuallakin, eikä ole mitään syytä olla kutsumatta vaikkapa suuria kuita sekundäärisiksi planeetoiksi, eli siis planeettojen ilmeisen laajaan luokkaan kuuluviksi kappaleiksi. Planeetta voi siis olla kuin kuu, toisen planeetan kiertoradalla, tai kuin tähti, oman järjestelmänsä keskuksena avaruudessa.
Jep! Tää onkin kiinnostavaa.
Ja sitten toisaalta itse kappaleet ei tietty muutu miksikään, vaikka niiden pintaan lätkäistäisiin mikä nimilappu tahansa.
Tietenkin. Suosikkivertaukseni on, että tuoli on aina tuoli, se ei muutu epätuoliksi, jos sen lähettää tähtienväliseen avaruuteen. Samoin on planeettojen laita.
Voisiko taivaankappaleet määritellä seuraavasti:
– TÄHTI on pallomainen, omavaloinen taivaankappale
– PLANEETTA on pallomainen taivaankappale, joka ei ole omavaloinen
– KUU on taivaankappale, joka kiertää planeettaa