Merkkejä kiviplaneetan kaasukehästä elinkelpoisella vyöhykkeellä
Olemme jo pitkään haaveilleet löytävämme eksoplaneetan, jonka pinnalla voi olla elämää. Siihen tarvitaan kivinen planeetta, joka ei ole liian kylmä tai liian kuuma. Planeetan on sijaitava lämpötilan suhteen tähden elinkelpoisella vyöhykkeelä mutta se ei yksinään riitä. Kivisen pinnan peittona on oltava kaasukehä. Kaasukehättömien planeettojen pinnoilla mikään ei tasaa lämpöä valaistun ja pimeän puoliskon välillä, mikä johtaa elämälle katastrofaalisiin lämpötilaeroihin. Myöskään vesi ei voi virrata ilman sopivaa kaasukehän painetta, joka mahdollistaa sen pysymisen nestemäisessä olomuodossaan ja soveltuvana elämän eliksiiriksi. Kaasukehät sääntelevät ilmastoa ja suojaavat tähden säteilyltä. Ne mahdollistavat elämän tai vievät puuttuessaan mukanaan sen edellytykset. Siksi niiden havaitseminen on yksi eksoplaneettatutkimuksen kiinnostavimpia osa-alueita.
Voimme kuvitella maankaltaisen maailman, jonka kaasukehässä on meille tuttuja kaasuja typestä happeen ja hiilidioksidista metaaniin. Sen vesihöyry voisi muodostaa pilviä ja mahdollistaa veden kiertokulun sekä planeetan pinnan eroosion. Mutta emme vielä edes tunne maankaltaisia planeettoja auringonkaltaisten tähtien kiertolaisina kuin vain kourallisen ja niitäkään emme kykene havaitsemaan tarkemmin. Kaasukehien koostumuksesta toisilla kivisillä planeetoilla voidaan siksi tehdä vain valistuneita arvauksia. Paremmat mahdollisuudet havainnoille on punaisten kääpiötähtien järjestelmissä, joissa elinkelpoisen vyöhykkeen planeetat kiertävät tähtensä vain joidenkin päivien tai kymmenien päivien aikana tarjoten runsaat mahdollisuudet havaita planeettojen ylikulkuja. Niidenkin suhteen havainnot ovat vain olleet kiusallisen hankalia ja kaasukehistä ei ole saatu tietoa niiden joko puuttuessa tai ollessa hyvin ohuita. Kivisistä maailmoista vain kuumien laavaplaneettojen kaasukehien havainnointi on onnistunut, ja sekin vain epäsuoralla tavalla.
Tuoreet 6.5 metrisellä Magellan Clay teleskoopilla tehdyt havainnot planeetasta LHS 1140 b tarjoavat kuitenkin ensi kertaa esimerkin kivisen planeetan kaasukehästä tähtensä elinkelpoisella vyöhykkeellä. Mutta kuten on eksoplaneettatutkimukselle tyypillistä, havainnot ovat jokseenkin outoja. Kyse ei ole millään tavalla maankaltaisesta tai edes muilta aurinkokunnan planeetoilta tutusta kaasukehästä, vaan jostakin aivan muusta. Tähti LHS 1140 on punainen kääpiötähti ja poikkeaa siksi Auringosta merkittävällä tavalla, joten täysin maankaltaisia olosuhteita tuskin kukaan saattoi edes odottaa. Havainnot pakottavat kuitenkin pohtimaan tarkemmin minkälaisia kiviplaneettojen kaasukehät voivat olla.
Avaruuteen vuotava helium
Tarkkojen ylikulkuhavaintojen perusteella planeetasta LHS 1140 b tuli ensimmäinen elinkelpoisen vyöhykkeen kiviplaneetta, jonka kaasukehästä on saatu havaintoja. Tutkijat raportoivat julkaisussaan, että planeetan havaittiin vuotavan heliumia avaruuteen vuoden 2024 aikana, kun taas vuonna 2025 vuotoa ei enää kyetty näkemään. Heliumin havaittiin muodostavan planeetalle vanan, joka on planeetan edellä sen liikkuessa radallaan. Se ei ole tavatonta, vaan vastaavia edistäviä kaasuvanoja on havaittu jättiläisplaneetoilla ja ne aiheutuvat tähtituulen ja tähden sekä planeetan magneettikenttien yhteisvaikutuksesta. Havainto kuitenkin tarkoittaa, että planeetalla on oltava suhteellisen paksu primitiivinen kaasukehä, joka on kerrostunut voimakkaalla tavalla vedyn karattua kaasukehän yläosista havaintojen tavoittamattomiin. Raskaampien molekyylien oletetaan esiintyvän kaasukehän alaosissa, lähempänä planeetan pintaa.
Outoa havainnossa on se, että avaruuteen vuotavaa heliumia on aiemmin havaittu vain kaasumaisilta jättiläisplaneetoilta, joiden kaasukehä ja vaippa koostuvat pääosaltaan vedystä ja heliumista. Tähtensä kuumuudessa niiden kaasua, helium mukaan lukien, voi vuotaa avaruuteen toisinaan jopa niin voimakkaasti, että planeetoille muodostuu karkaavan kaasun pyrstöt tähtiensä lähellä. LHS 1140 b on kuitenkin lämpötilaltaan noin 25 celciusastetta Maata viileämpi. Siksi sen helium ei karkaa kuumuuden vuoksi, vaan koska planeetta on niin kevyt ettei se kykene pitämään kaasustaan kiinni. Karkaamiseen riittää pienikin ulkoinen tekijä, jonka tarjoaakin tähden korkeaenerginen röntgen- ja ultraviolettisäteily. Planeetta on massaltaan lähes kuusinkertainen Maahan verrattuna, mikä tekee siitä tyypillisen supermaapallon. Sen 70% Maata suurempi koko puolestaan varmistaa kokonaisuuden olevan koostumukselta suunnilleen maankaltainen, ehkäpä hiukan paksummalla kaasukehällä varustettuna.
Vaikka supermaapallon heliumpitoinen, primitiivinen kaasukehä on varsin outoa planeetalle kiertämässä yli viisi miljardia vuotta vanhaa tähteä, se ei ole täysin odottamatonta. Teoreettiset laskelmat osoittavat, että primitiivinen vedyn ja heliumin kaasukehä muokkautuu hiljalleen heliumin dominoimaksi, kun kevyt vety karkaa kaasukehän yläosista avaruuteen. Jos heliumia on alkujaan ollut riittävän suuri määrä ja kaasukehä on ollut alkujaan riittävän paksu, kaikki helium ei pääsisi karkaamaan edes miljardeissa vuosissa jättäen jälkeensä heliumin kyllästämän kaasukehän. Suuren osan heliumista on kuitenkin täytynyt myös poistua planeetalta. Muutoin sen kaasukehä olisi niin paksu, että se olisi havaittu James Webb -avaruusteleskoopin tarkoissa havainnoissa jo aiemmin.
Planeetan LHS 1140 b kaasukehä tarjoaa tärkeän kiintopisteen määritettäessä yleisellä tasolla mitkä planeetat onnistuvat pitämään kiinni kaasukehistään ja mitkä eivät. Elinkelpoisuuden suhteen LHS 1140 b on kuitenkin edelleen mysteeri. Sen kaasukehässä olevasta heliumin määrästä ei ole varmuutta, eikä kaasukehän muista ominaisuuksista tiedetä vielä juuri mitään. Heliumipitoisen yläkaasukehän alapuolella voisi mainiosti olla tavanomaisempi, raskaampien molekyylien muodostama tiheämpi alaosa, joka saattaisi muistuttaa meille tutumpia maailmoja kuten Venus tai Mars. On kuitenkin merkittävää, että punaisten kääpiötähtien elinkelpoisen vyöhykkeen kiviplaneetoilla voi olla kaasukehä. Se tarkoittaa, että joillakin niistä edellytykset elämän synnylle ja esiintymiselle ovat hyvät. Punaisten kääpiötähtien hiukkastuuli, säteily ja purkaukset eivät riistä kaikilta elämän vyöhykkeen kiviplaneetoilta niiden kaasumaista suojakerrosta.