Aamu-usvaa eksoplaneetoilla
Maan vaalea ja ajoittain tummanharmaa pilvipeite on tullut monelle taivaan tarkkailijalle tutuksi lukemattomina iltoina. Pilvet peittävät näkyvyyden tähtitaivaalle niin kovin herkästi, mutta niiden olemassaolo on vain hyväksyttävä. Elävällä planeetalla kuten Maa on oltava pilviä, koska veden on päästävä kiertämään ilmastojärjestelmässä höyrystyen kaasukehään ja tiivistyen sitten pisaroiksi, jotka satavat takaisin planeetan pintaan. Ilman veden ikiaikaista kiertokulkua ei olisi eroosiota tai se olisi vain hyvin heikkoa, ja hiilidioksidi ei pääsisi reagoimaan uuden kiviaineksen kanssa tai liukenemaan meriin sitoutuakseen sedimentteinä maankuoreen. Silloin tulivuoret puskisivat hiilidioksidin osuutta kaasukehässä aina vain ylöspäin johtaen planeetan voimistumaan kuumenemiseen ja elinkelvottomuuteen. On hyvä, että on pilviä, koska ilman niitä meitäkään ei olisi.
Monilla planeetoilla on kaasukehässään pilviä. Venuksen paksu pilvipeite estää tehokkaasti näkemästä planeetan pintaa muutoin kuin tutkan avulla ja kaasuplaneetat ovat paksujen pilviverhojen ikiaikaisessa syleilyssä. Myös Saturnuksen kuulla Titanilla on pilvinen kaasukehä, joka mahdollistaa kuun pinnalla sateet. Siellä sateet vain eivät koostu vedestä kuten Maassa, vaan nestemäisestä Metaanista, mikä on mahdollista kuun erittäin matalissa lämpötiloissa.
Myös lukemattomilla eksoplaneetoilla on pilvinen kaasukehä. Niistä vain on hankalaa saada systemaattisia havaintoja käytettävissä olevilla tutkimusmenetelmillä. Syy on varsin yksinkertainen. Pääasiallinen havaintomenetelmä, ylikulkumenetelmä, ei tarjoa helppoja mahdollisuuksia pilvien erottamiseen. Pilvikerros voi vain saada valoa läpäisemättömänä planeetan näyttämään aavistuksen kookkaamalta kuin se muutoin olisi. Pilvet myös estävät tähden säteilyä läpäisemästä niiden alapuolista osaa kaasukehästä, mikä tekee planeettojen kaasukehien havainnoista hankalampia. Pilvet ovat eksoplaneettatutkijoille kiusallinen hidaste, joka sotkee ja sumentaa lähitähtien ylikulkevista planeetoista saatavaa tietoa merkittävällä tavalla. Toisaalta, jos pilvistä itsestään saataisiin tietoa, ne auttaisivat kertomaan minkälaisia olosuhteita ja ilmiöitä planeettojen kaasukehissä esiintyy. Oleellista tietoa on se, mistä yhdisteestä pilvet koostuvat ja miten ne muodostuvat ja haihtuvat planeetan olosuhteissa.
Usvainen havainto
Miten saataisiin tarkkaa tietoa kaukaista tähteä kiertävän eksoplaneetan pilvistä? Lähtökohtaisesti se ei onnistukaan ellei ole käytössä tarkimpia mahdollisia instrumentteja, joita ihminen on rakentanut. James Webb -avaruusteleskooppi on jo nyt ollut tähtitieteilijöille huikea tietolähde ja sen avulla on saatu selville uusia puolia useista tunnetuista eksoplaneetoista. Siksi Brittiläisen Johns Hopkinsin yliopiston tutkijoiden johtolla tähtitieteilijät suuntasivat JWST:n kohti nimellä WASP-94A tunnettua järjestelmää, jonka kiertoradalta on aiemmin löydetty jättiläisplaneetta hyvin läheltä tähteä.
Ajatuksena oli tutkia planeetan kaasukehän pilvisyyyttä kiinnittämällä huomiota eroihin, joita havaitaan planeetan saapuessa tähden eteen ja poistuessa edestä. Planeetan saapuminen tähden eteen tuo varhaisen aamun puoliskon tähden eteen ensimmäisenä, kun taas sen poistuminen tähden edestä jättää iltahämärän kokevan osan planeettaa viimeisenä tähden pinnan eteen. Tilanne ei kuitenkaan ole aivan niin suoraviivainen, koska planeetta on pyörimisensä suhteen lukkiutunut näyttämään aina toisen puoliskonsa tähdelleen. Tarvitaankin kaasukehän virtauksia, jotka tuovat aamun puolelta viileää kaasua valaistulle puolelle ja vastaavasti siirtävät vastakkaisella puolella kuumaa kaasua pimeälle puolelle.
Havainnot osoittivat planeetan eri puolten olevan olosuhteiltaan selvästi erilaisia. Aamun puoli oli viileämpi, koska kaasu jäähtyy luonnollisella tavalla pimeällä puolella ollessaan suojassa tähden säteilyltä. Illan puoli taas oli kuumempi siellä näkyvän kaasun oltua tähden voimakkaassa paahteessa. Eroa havaittiin kuitenkin myös puoliskojen pilvisyydessä. Aamun puolella esiintyy pilviä, jotka koostuvat magnesiumsilikaateista, mikä on tyypillinen Maan kallioperän mineraali — tutummalta nimeltä magnesiumsilikaatien hydraatteja kutsutaan talkiksi. Illan puolella taas havaittiin pilvetön kaasukehä pilvien haihduttua päivän kuluessa tähden säteilyssä. Planeettaa peittää siten epäsymmetrinen pilviverho, joka noudattaa sen kaasukehän lämpötilajakautumaa.
Tutkijoiden selvityksen mukaan havainnoille on kaksi mahdollista selitysmallia. Voimakkaat tuulet saattaisivat puskea magnesiumsilikaattipilviä korkealle kaasukehään planeetan pimeällä ja viileämmällä puolella ja vastaavasti alaspäin valoisan puoliskon kuumuudessa. Silloin pilvet olisivat havaintojen tavoittamattomissa, kaasukehän syvyyksissä iltahämärän puolella planeetan kaasukehää. Ajatusta tukee mainiosti tietomme vastaavien kuumien jupiterien ominaisuuksista. Niiden pinta kuumeneen yli tuhanteen celciusasteeseen valaistulla puolella, mikä tuottaa voimakkaita tuulia ja myrskyvirtauksia lämpötilaerojen pyrkiessä tasoittumaan valaistun ja pimeän puoliskon välillä.
Toisen selitysmallin mukaan kyse ei olisi vain pilvien pystysuuntaisesta liikkeestä, vaan muodostumisesta ja haihtumisesta. Aamun puoliskolla olisi siten havaittavissa pimeällä puolella muodostunutta pilvisyyttä, kuin aamuisena sumuna, joka sitten haihtuisi tähden säteilyn tuottamassa kuumuudessa ja poistuisi päivän mittaan. Silloin sitä ei enää näkyisi illan puolella.
Tutkijat ennakoivat voivansa mitata eroja aamu- ja iltapuoliskojen lämpötiloissa, mutta mutta sen lisäksi he saivatkin yksityiskohtaista tietoa planeetan ilmastojärjestelmästä, sekä pilvien jakautumasta ja koostumuksesta. Sellainen mahdollisuus tutkia sääilmiöitä on toistaiseksi hyvin harvinaista herkkua eksoplaneettatutkimuksessa. Aiemmin ei ole ollut mahdollista saada yksityiskohtaista tietoa pilvipeitteistä, koska vastaavia eroja planeettojen puoliskojen välillä ei ole havaittu yhtä selvästi. Planeettojen säteilyspektrejä havaitsemalla on voitu vain tutkia niiden kaasukehien koostumuksia, mikä on paljastanut pilvisyyttä tuottavia yhdisteitä. Todennäköinen pilvimuodostelman havainto on kuitenkin huomattavasti tarkempaa tietoa ja onnistuu vain, koska planeetan illan puoliskolla vastaavia pilviä ei esiinny. Havaintojen epäsymmetria on tutkijoiden apuna.
Havainnolla on merkittäviä seurauksia, kun tutkitaan vastaavien kuumien jupiterien koostumusta. Aiemmin, kun eroja pilvisyydessä ei ymmärretty ottaa huomioon, planeetta WASP-94A b vaikutti sisältävän peräti satoja kertoja suuremman pitoisuuden alkuaineista happea ja hiiltä verrattuna Jupiteriin. Kyse oli kuitenkin osittaisen pilvisyyden aiheuttamasta harhasta havainnoissa, ja lukema saatiin korjattua noin viisinkertaiseksi huomioimalla pilvien epätasainen jakautuma planeetan kaasukehässä. Se on huomattavasti luotettavampi tulos, ja heijastaa sitä, että kuumia jupitereita sekä muita viileämpiä jättiläisplaneettoja syntyy sitä herkemmin mitä suurempi raskaampien aineiden pitoisuus on siinä aineksessa, josta ne saavat tähtensä mukana alkunsa.