Arkisto

• maaliskuu 2023
• helmikuu 2023
• tammikuu 2023
• joulukuu 2022
• marraskuu 2022
• lokakuu 2022
• syyskuu 2022
• elokuu 2022
• kesäkuu 2022
• toukokuu 2022
• huhtikuu 2022
• maaliskuu 2022
• helmikuu 2022
• tammikuu 2022
• joulukuu 2021
• marraskuu 2021
• lokakuu 2021
• syyskuu 2021
• elokuu 2021
• kesäkuu 2021
• toukokuu 2021
• maaliskuu 2021
• helmikuu 2021
• tammikuu 2021
• joulukuu 2020
• marraskuu 2020
• lokakuu 2020
• syyskuu 2020
• elokuu 2020
• kesäkuu 2020
• toukokuu 2020
• huhtikuu 2020

---

Planeetta, jonka ilmaa emme voi hengittää

20.4.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Koostumus , Synty ja kehitys

Alussa oli vain kaasua ja pölyä. Mutta pölyhiukkaset eivät siedä avaruuden yksinäisyyttä, vaan takertuvat toisiinsa herkästi törmätessään, muodostaen suurempia ja suurempia kappaleita. Lopulta aines oli kasautunut niin isoiksi kimpaleiksi, että gravitaatiovoima otti vallan ja ja syntyi protoplaneetta, jonka pinnalle satoi materiaa ympäröivästä pöly- ja kaasupilvestä. Raskaimpina aineina rauta ja nikkeli, joista Maapallon ydin muodostuu, putosivat pohjalle planeetan saavutettua hydrostaattisen tasapainotilan ja muotouduttua pallomaiseksi. Sen päälle jäivät keveämmät alkuaineet ja hapen, piin, alumiinin ja monen muun aineen muodostama silikaattivaippa ja kuori. Maapallon alussa oli sulaa laavaa ja pääosin vedystä ja sen yksinkertaisista yhdisteistä muodostunut kaasukehä mutta pian kuori jähmettyi muodostaen kiinteän pinnan, jota kutsumme maankamaraksi. Sen jälkeen biogeokemialliset prosessit ottivat vallan ja muuttivat kaiken.

Primitiivinen vedystä ja sen yhdisteistä kuten vedestä, metaanista ja ammoniakista koostunut pelkistävä kaasukehä syntyi tietenkin planeettamme synnyn sivusuotteena, koska planeetat syntyvät keskellä tähteään ympäröivää, pääosin kaasumaisen vedyn ja heliumin muodostamaa kertymäkiekkoa. Vetyä on silloin kaikkialla ja vaikka se keveänä molekyylinä karkaakin helposti avaruuteen maankaltaisen kiviplaneetan pinnalta, sen hapen, hiilen ja typen kanssa muodostamat tutut yhdisteet pysyvät raskaampina planeettamme gravitaatiokaivossa. Pian primitiivinen kaasukehä kuitenkin korvautui voimakkaan tulivuoritoiminnan vapauttamilla kaasuilla. Vety hävisi ja tilalle tuli hiilidioksidin ja typpimolekyylien muodostama kaasuseos. Silloin alkoi myös hiilen geologinen kiertokulku, kun kaasukehän hiili liukeni ensin meriin ja sitoutui merenpohjien karbonaateiksi ja siten osaksi maankuorta, josta tulivuoret vapauttivat sen taas kaasukehään vuosimiljoonien kuluessa.

Lopulta syntyivät elävät solut ja niistä tuli voima, joka muokkasi Maan kaasukehää geologisten aikakausien saatossa. Ne oppivat yhteyttämään ja tuottivat vapaata happea, joka sitoutui aluksi hanakasti rautaoksideiksi ruostuttaen planeettamme kauttaaltaan. Lopulta happea oli kuitenkin liikaa, joten se jäi kaasukehään ja muodosti yhden tärkeän komponentin myöhempien eliöiden tehokkaampaan aineenvaihduntajärjestelmään. Maan ilmakehä ei ole ollut samanlainen aina, vaan se on ollut jatkuvassa muutoksessa. Eksoplaneetoilla tuskin on toisin.

Pienten, koostumukseltaan kivisten eksoplaneettojen ominaisuuksien kartoittaminen ja tutkimus on vasta lapsenkengissään, koska havaintojen tekeminen kaukaisia tähtiä kiertävien kivenmurikoiden ominaisuuksista on niin tavattoman vaikeaa olemassaolevilla instrumenteilla. Uudet lähitähtien eksoplaneettalöydöt kuitenkin tarjoavat lupaavia kandidaatteja planeetoiksi, joiden kaasukehää voidaan tulevaisuudessa havaita. Vain runsaan 26 valovuoden päässä sijaitsevaa planeettaa Gliese 486 b ehdittiinkin jo kuvaamaan kiviplaneettojen Rosettan kiveksi, yhdeksi parhaista kiviplaneetoista, joiden kaasukehien tutkiminen olisi mahdollista avaten kokonaan uuden planeettatutkimuksen haaran — koostumukseltaan maankaltaisten kiviplaneettojen kaasukehätieteen. Toinen aiemmin löydetty planeetta Gliese 1132 b ehti kuitenkin edelle. Sen kaasukehän koostumuksesta onnistuttiin tekemään havaintoja Hubble-avaruusteleskoopilla.

---

Gliese 1132 on aivan tavanomainen punainen kääpiötähti, jota kiertää järjestelmä pieniä planeettoja, kuten luultavasti likimain jokaista vastaavankaltaista pientä tähteä Auringon galaktisessa naapurustossa. Sen planeettakunnan sisin kiertolainen, Gliese 1132 b, on kuitenkin yksi niistä harvoista lähitähtien planeetoista, joka kulkee radallaan säännöllisesti tähtensä editse mahdollistaen ylikulkujen havaitsemisen. Havaintojen perusteella tiedetään kyseessä olevan noin 16% Maata kookkaampi planeetta, joka on massaltaan noin 70% Maata suurempi. Siten kyseessä on samalla keskimäärin Maata hiukan tiheämpi kappale, joka on takuulla kiviplaneetaksi luokiteltava kiertolainen. Planeetalla tosin on todennäköisesti aavistuksen Maata suurempi rautanikkeliydin ja suhteessa ohuempi silikaattivaippa. Gliese 1132 b ei kuitenkaan ole millään muulla muotoa maankaltainen, koska sen kiertorata aivan tähtensä pintaa viistäen tekee planeetasta liian kuuman esimerkiksi nestemäisen veden esiintymiselle. Laskennallinen pintalämpötila 140 celciusastetta on liikaa jopa Maan sitkeimmille kuumaa kestämä än erikoistuneille mikrobeille, ekstremofiileille.

Kuuman kiviplaneetan ylikulkua voidaan kuitenkin tarkastella transmissiospektroskopialla. Se on menetelmä, jossa mitataan kuinka paljon planeetta tähtensä editse kulkiessaan heikentää tähdestä saapuvaa valoa eri aallonpituuksilla. Vaikka pallomainen kiviplaneetta tietenkin peittää saman osuuden tähden pinnasta tarkasteltiin sitä millä aallonpituusalueella hyvänsä, planeetan ohuen kaasukehän suhteen on toisin. Planeetan Gliese 1132 b kaasukehä imee itseensä joitakin aallonpituuksia paremmin kuin toisia, joten tähti näyttää himmenevän joillakin aallonpituuksilla enemmän kuin toisilla — se tarkoittaa, että planeetalla on kaasukehä. Eri kaasukehän molekyylit sitovat eri aallonpituuskaistojen säteilyä, joten riittävän tarkoilla havainnoilla voidaan selvittää erilaisten molekyylien, kuten vaikkapa yksinkertaisten hiilen yhdisteiden vetysyanidin ja metaanin olemassaoloa kaasukehässä (Kuva 2.). Juuri niitä havaittiinkin Gliese 1132b:n kaasukehästä tehdyissä havainnoissa.

Kun sopivan energian fotoni osuu planeetan kaasukehään, se virittää kehän molekyylejä korkeampiin energiatiloihin. Jokaisella molekyylillä on ominaiset energiansa ja siten säteilyn aallonpituudet, joilla ne virittyvät ja suodattavat vastaavan säteilyn pois meitä kohti saapuvasta valosta. Esimerkiksi yksinkertaisen vedystä, hiilestä ja typestä koostuvan vetysyanidin virittää infrapunavalo 1.5 ja 1.6 mikrometrin aallonpituuksien välillä, jolloin tähti näyttää himmenevän hiukan enemmän niillä aallonpituuksilla. (Kuva 2.). Havainnosta vedetyt johtopäätökset ovat kuitenkin mielenkiintoisia.

Ilmeisesti planeetta on menettänyt alkuperäisen vedystä ja heliumista koostuneen kaasukehänsä. Maan tavoin, Gliese 1132 b ei ole tarpeeksi massiivinen, jotta sen vetovoima riittäisi pitämään kiinni pienistä ja vikkelistä vedyn ja heliumin molekyyleistä. Pelkkä lämpöliike saa niiden nopeudet ylittämään planeetan pakonopeuden ja ne vuotavat miljoonien vuosien saatossa avaruuteen. Uuden, raskaampia molekyylejä sisältävän kaasukehän on siksi täytynyt muodostua planeetan syntyaikojen jälkeen. Silloin havainto kaasukehän vetysyanidista ja metaanista on merkki tulivuoritoiminnasta planeetan pinnalla — valtavat laavakentät voisivat vuotaa tuliperäisiä kaasuja planeetan kaasukehään havaittavia määriä. Havaitsemalla pienten kiviplaneetojen kaasukehiä saamme siis tietoa niiden geologiasta, kehityksestä ja muodostumisesta, mikä auttaa ymmärtämään galaktista planeettapopulaatiota ja sen syntyä entistä paremmin.

Havainto on mielenkiintoinen. On ajateltu, että kuumat supermaapallot muodostuvat, kun neptunuksenkaltaiset planeetat ajautuvat liian lähelle tähteään ja tähden säteily ja voimakas hiukkastuuli riisuu niiden kaasukehät pois jättäen jäljelle vain karrelle palaneen kivisen pinnan. Mutta se ei ole loppu, vaan planeetan geologinen aktiivisuus voi tuottaa sille uuden kaasukehän tehden siitä täysin uudenlaisen kappaleen, joita emme tienneet olevan olemassakaan. Kuumat neptunukset voivat siten muuttua kuumiksi supermaapalloiksi, jotka muistuttavat lähinnä Danten helvettiä laavakenttineen ja myrkyllisine kaasukehineen. Niiden ilmaa me emme voi hengittää mutta ne voivat tarjota meille runsain mitoin tietoa yhden yleisen planeettaluokan, kuumien kiviplaneettojen synnystä, kehityksestä ja ominaisuuksista. Tutkimusmatkamme on vasta alussa.

---

Universumin vanhimmat maailmat

6.4.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Synty ja kehitys

Maailmankaikkeus on noin 13.8 miljardia vuotta vanha. Se ei ole ollut olemassa aina, vaan sillä on ollut alku, jota kutsumme leikkisästi ”alkuräjähdykseksi” tietäen hyvin, että mikään ei todellisuudessa räjähtänyt. Koko universumillamme, materialla, ajalla ja jopa itse avaruudella on siis ollut alku — ajanhetki, jota ennen mitään niistä ei ollut olemassa. Siksi on varmaa, että tähtiäkään ei ole ollut aina. Ensimmäiset tähdet muodostuivat, kun maailmankaikkeus oli laajennut ja jäähtynyt riittävästi, noin 0.1-0.3 miljardia vuotta alun jälkeen, mutta tuolloin oli olemassa alkuaineista vain vetyä ja heliumia, sekä ripaus litiumia ja ensimmäisten tähtien ympärille ei luultavasti syntynyt kovinkaan paljon planeettoja.

Kaikki muuttui, kun ensimmäiset massiiviset tähdet räjähtelivät supernovina vapauttaen raskaampia alkuaineita tähtienväliseen avaruuteen. Silloin planeettojen synty tähtien synnyn sivutuotteena käynnistyi ja miljardien maailmojen synty kävi mahdolliseksi. Räjähtäneiden tähtien pölystä syntyivät myöhemmin planeettojen lisäksi kaikki ne tutut asiat, jota maailmoista ainoan elinkelpoiseksi tiedetyn pinnalta tunnemme, kuten vaahterat, peruskalliot, meret ja ihmiset.

Mutta oma planeettamme Maa on vain 4.5 miljardia vuotta vanha. Sitä ennen tähdet planeettakuntineen ovat syntyneet ja kuolleet jo miljardien vuosien ajan ja osa varhaisen maailmankaikkeuden synnyttämistä planeetoista on edelleenkin havaittavissa, aivan Aurinkokunnan lähiavaruudessa.

Helsingin Sanomat kirjoitti tuoreesta eksoplaneettalöydöstä nimeltään TOI-561 b. Se on 561. TESS-avaruusteleskoopin löytämä eksoplaneettakandidaatti, ja sitä kuvattiin ”yhdeksi vanhimmista löydetyistä kiviplaneetoista.” On helppoa olla samaa mieltä siitä, että 10 miljardia vuotta vanha eksoplaneetta tosiaankin saattaa olla yksi maailmankaikkeuden vanhimmista, onhan se syntynyt hulppeat 5.5 miljardia vuotta ennen Maata, maailmankaikkeuden ollessa vain noin neljänneksen nykyisestä iästään. Mutta miten oikeastaan tiedämme kaukaisen kiviplaneetan iän?

---

Tähdet ja niitä kiertävät planeetat syntyvät suunnilleen samoihin aikoihin massiivisten tähtienvälisen aineen pilvien romahtaessa oman gravitaationsa vaikutuksesta prototähdiksi ja niitä ympäröiviksi kertymäkiekoiksi, joita kansoittamaan muodostuvat protoplaneetoiksi kutsutut kappaleet. Planeettojen ja tähtien yhteinen synty takaa myös sen, että ne ovat aina likimain samanikäisiä. Planeettojen verrattaen tarkkaan iänmääritykseen riittää siis tähden iän määrittäminen, mikä voidaankin tehdä käyttämällä hyväksi tähtien asettamista fysikaalisten ominaisuuksiensa perusteella oikeaan kohtaan niiden elinkaarta. Tähdet nimittäin muuttuvat — Aurinkokin kirkastuu hiljalleen ja säteilee lopulta niin voimakkaasti, että noin miljardin vuoden kuluttua Maan meret ja kaasukehä kiehuvat avaruuteen ja tekevät planeetastamme elinkelvottoman autiomaan. Aurinko kuitenkin kirkastuu aivan samoin kuin muutkin yhtä massiiviset keltaiset kääpiötähdet. Asettamalla tähtiä niiden massan ja kirkkauden mukaisesti järjestykseen, voidaan tähtien elinkaarta mallintamalla arvioida kuinka kauan tähdet ovat loistaneet (massan arviointi on sekin varsin kompleksinen prosessi). Sivutuotteena saadaan planeettakuntien ikä.

Tällä tekniikalla arvioitiin myös TOI-561:n ikää ja saatiin tulokseksi, että se on noin 10 miljardia vuotta vanha. Hitaasti muuttuvien vanhojen tähtien iän määrittäminen on kuitenkin hyvin epätarkkaa, joten ikäarvion epävarmuus on noin 3 miljardia vuotta kumpaan tahansa suuntaan. Se taas tarkoittaa, että tähti voi olla syntynyt aivan universumimme alkuaikoina tai vain noin 2.5 miljardia vuotta Aurinkoa ennen — mikä tahansa ikä tältä väliltä on arvion epävarmuuksien rajoissa. Tunnemme kuitenkin tätäkin vanhempia planeettakuntia ja niistä yksi sijaitsee aivan Auringon galaktisessa lähinaapurustossa.

---

Tutkimusryhmäni raportoi vuonna 2014 mielenkiintoisesta planeettakunnasta, kahden supermaapallon muodostamasta järjestelmästä läheisen punaisen kääpiötähden, Kapteynin tähden ympärillä (2). Kyseessä on ikivanha tähti. Kapteynin tähden iäksi on arvioitu noin 11.5 miljardia vuotta — arvion alaraja on 10 ja yläraja noin 12, joten tähti on todennäköisesti vieläkin vanhempi kuin TOI-561. Tiedämme siksi, että jo noin 2.3 miljardia vuotta vanhassa maailmankaikkeudessa muodostui kivisiä planeettoja kiertämään varhaisen maailmankaikkeuden tähtikaartia. Iänmääritys on kuitenkin ongelmallinen. Vaikka Kapteynin tähti on kiistatta vanha — se on itse asiassa syntynyt Linnunradan pienessä seuralaisgalaksissa, joka vuosimiljardien saatossa sulautui omaan galaksiimme — iänmäärityksessä on epävarmuuksia, koska vakaasti loistavat punaiset kääpiöt tarjoavat määritykseen vain vähän havaittavissa olevaa informaatiota. Yksi tapa arvioida ikää onkin se tosiasia, että Kapteynin tähti on osa Omega Centauriksi kutsuttua vanhojen tähtien joukkoa — jäljellä olevaa hajanaista kokoelmaa tähtiä, joka kiertää Linnurataa tyypillisestä poikkeavilla radoilla ja jonka tähdet ovat syntyneet suunnilleen samoihin aikoihin, suunnilleen 11.5 miljardia vuotta sitten.

Mutta edes Kapteynin tähden järjestelmä ei ole vanhin paikka, josta planeettoja on havaittu. Tunnetaan vieläkin muinaisempi planeetta, omituinen PSR B1620−26 b, joka kiertää kahden kuolleen tähden, pulsarin ja valkoisen kääpiötähden muodostamaa paria. Planeetta on vajaat kolme kertaa Jupiteria massiivisempi mutta sen arvioitu ikä on peräti 12.7 miljardia vuotta. Ikä tunnetaan, koska PSR B1620−26 on osa pallomaista tähtijoukkoa yli 12 000 valovuoden päässä Aurinkokunnasta. Joillekin joukon tähdistä iänmääritys on onnistunut ja sen perusteella, että joukoissa kaikki tähdet ovat tyypillisesti hyvin saman ikäisiä, on voitu päätellä myös tämän omituisen, kahdesta kuolleesta tähdestä ja jättiläisplaneetasta koostuvan kolmikon ikä.

Kapteynin tähden planeetat ovat kuitenkin vanhimpia tunnettuja kandidaatteja eläviksi planeetoiksi. Planeetan Kapteyn b pinta on luultavasti paksun jääkuoren peitossa lämpötilan ollessa kymmeniä celciusasteita pakkasen puolella. Jääkuoren alla, vuorovesivoimien lämmittämässä valtameressä elämä voi kuitenkin kukoistaa ja on voinut tehdä niin jo yli kaksi kertaa yhtä kauan kuin elämää on esiintynyt oman kotiplaneetamme pinnalla. Muinaisilla planeetoilla myös elämä voi olla ikivanhaa perua. Kukapa tietää minkälaisia elämänmuotoja maailmankaikkeudessamme on ehtinyt kehittyä jo niiden vuosimiljardien kuluessa, kun omaa aurinkoamme ja planeettakuntaamme ei ollut vielä edes olemassa.