Eksoplaneetta hukassa

Punaisten maailmojen synty

14.6.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Synty ja kehitys

Valtaosa Linnunradan ja maailmankaikkeuden tähdistä on punaisia kääpiötähtiä. Niiden ympäriltä löytyy valtaisa määrä pieniä planeettoja — keskimäärin ainakin kolme planeettaa per tähti. Se taas tarkoittaa, että kaikki planeettojen yleisyydestä kertovat tilastot ovat punaisia kääpiötähtiä kiertävien planeettojen dominoimia. Emme voi siis alkuunkaan ymmärtää eksoplaneettojen moninaisuutta, yleisyyttä ja planeettakuntien diversiteettiä tarkastelematta ensimmäisenä juuri punaisten kääpiötähtien maailmoja. Kuinka oikeastaan saavat alkunsa ne lukemattoman moninaiset maapallojen, supermaapallojen ja minineptunusten järjestelmät, joita on niin runsaasti jo aivan Aurinkokunnan lähinaapurustossa?

---

Kaikki alkaa, kun tähdet syntyvät materian pudottua oman gravitaationsa tuottamaan potentiaalikaivoon. Prototähtien ympärille muodostuu silloin kertymäkiekko, jossa aines on vajonnut keskimääräisen pyörimisakselinsa määrittämään tasoon. Silloin materian tiheys kasvaa niin suureksi, että pölyhiukkaset ryhtyvät törmäilemään toisiinsa muodostaen suurempia kappaleita ja lopulta satoja protoplaneettoja, planeettojen alkioita ja esiasteita. Kehityskulkua ei kuitenkaan tarvitse arvailla, vaan sitä voidaan simuloida asettamalla näitä protoplaneettoja kiertämään tähteään keskelle kertymäkiekkoa ja katsomalla mitä tapahtuu. Käy ilmi, että lopputuloksena on hyvinkin havaitunkaltaisia planeettakuntia.

Vaikka kyseessä onkin kaoottinen prosessi, planeettakuntien synnyn etenemiseen vaikuttavat tekijät ovat aina samoja ja lopputulos samankaltainen. Pienet kappaleet törmäilevät hanakasti ja törmäyksissä muodostuu keskimäärin suurempia kappaleita. Lisäksi kertymäkiekon kaasun ja pölyn kitka hidastaa kappaleiden ratanopeuksia ja saa ne vajoamaan syvemmälle vastasyntyneen tähden gravitaatiokaivoon, eli lähemmäs tähteä. Lopulta, kun tähden säteily ja hiukkastuuli puhaltavat kiekon kaasun ja pölyn pois järjestelmästä, törmäily lakkaa. Jäljelle jääneiden kappaleiden kiertoradat ovat silloin riittävän väljiä, koska jäljellä ovat enää planeetoiksi kutsumamme suurimmat kappaleet tiukkaan pakatussa järjestelmässä aivan tähden lähellä (Kuva 1.). Sattuma määrää kuinka monta planeettaa järjestelmään jää ja mitkä niiden täsmälliset kiertoradat ovat mutta keskimäärin ne muodostavat kuumien maapallojen, supermaapallojen ja minineptunusten planeettakuntia, joita on havaittu useita aivan lähitähtien ympäriltä. Luonnonlait hiovat satunnaisuudesta esiin järjestystä ja tuottavat samankaltaisia lopputuloksia kaikkialla.

Planeetat syntyvät kertymäkiekon pölystä mutta kiekon kaasulla on syntyprosessiin merkittävä vaikutus. Planeettojen muodostuessa ja kertymäkiekon vielä ollessa voimissaan (Kuva 1., harmaa alue), tapahtuu valtaosa kappaleiden törmäyksistä ja planeetat saavuttavat likimain lopulliset massansa. Mutta samalla kaasu päätyy planeettojen pinnoille ja syntynyt planeettakunta saa jäsenilleen vetypitoiset kaasukehänsä. Sen jälkeen planeettojen kehityskaaret ja niiden kaasukehien koostumukset eriytyvät toisistaan riippuen niiden syntypaikasta ja etäisyydestä tähdestään. Etäisyys on planeettakunnissa kaikki kaikessa. Mutta lopulliset kiertoradat eivät ilmeisesti kerro paljoakaan siitä, millä etäisyydellä tähdestä protoplaneetat ovat syntyneet — aivan kuin järjestelmä unohtaisi alkutilansa pyyhkien pois kaikki merkit historiastaan ja kehityksestään. Se on huono uutinen eksoplaneettatutkijoille. Emme voi ennustaa esimerkiksi sitä, millä etäisyydellä tähdistä esiintyy enemmän vaikkapa meriplaneettoja. Syntyprosessin kaoottisuus varmistaa sen, että vettä voi olla runsaasti — tai vain hyvin vähän — riippumatta siitä, millä etäisydellä tähdestään planeetta sattuu kiertämään.

---

Planeettojen syntyprosessin satunnaisuus voi kuitenkin olla hyväkin asia. Se varmistaa, että jokainen planeettakunta on omanlaisensa maailmojen kokoelma ja jokainen uusi planeettakunta, jonka havaitsemme, on jollakin tavalla uniikki avaruuden saarekkeensa. Jo nopea, aivan lähimpien punaisten kääpiötähtien tarkastelu osoittaa että on mahdotonta ennustaa minkälainen planeettakunta yksittäisellä tähdellä on ympärillään mutta ne kaikki ovat mielenkiintoisia kohteita tutkimukselle ja uusille havainnoille. On kirjaimellisesti mahdotonta ennustaa mitä uudet havainnot lähimmistä tähdistä, kuten Proxima Centauri ja Barnardin tähti, tuovat tullessaan mutta se on varmaa, että löytöretkemme lähiavaruuden planeettakuntiin on vasta alussa.