Pluton kivisydän

1.6.2024 klo 05.30, kirjoittaja
Kategoriat: geofysiikka , Kuiperin vyöhyke , Pluto , Törmäykset , Törmäysaltaat

Helteen piinaamien aivojen virkistykseksi on onneksi tarjolla monenlaisia vaihtoehtoja. Yksi halvimmista on siirtyä mielessään aurinkokunnan vilpoisiin ulko-osiin ja mietiskellä niin sanotun Kuiperin vyöhykkeen kappaleiden, kuten vaikkapa Pluton geologista kehitystä.

Yksi Pluton tutkimuksen suosikki-ideoista on viime vuodet ollut sen pinnan alla vellova meri. Huhtikuussa moni tiedesivusto kuitenkin kertoi merihypoteesin kannattajille hieman huolestuttavia uutisia. Uuden tietokonemallinnuksen mukaan useat Plutossa havaitut piirteet selittyvät nimittäin mainiosti myös ilman merta.

Sputnikin allas

Avaruusasioita hieman enemmän seuraava kansalainen saattaa muistaa, että Pluton pinnalla näkyy jännä sydämenmuotoinen alue. Virallisesti se tunnetaan nimellä Tombaugh Regio. Sen selväpiirteisempi läntinen osa puolestaan on nimeltään Sputnik Planitia. Se on pääroolissa, kun pohditaan Pluton meren olemassaoloa ja myös sitä, missä asennossa Pluto avaruudessa nykyisin pyörii.

Kirjoittelin Sputnik Planitian ja sitä ympäröivien alueiden geologiasta tammikuussa 2022. Siksipä nyt ei kannatakaan paneutua aiheeseen sen tarkemmin. Tähän hätään riittää, kun todetaan sen olevan lähinnä typpijäästä koostuva tasanko, joka osittain täyttää laajempaa muutaman kilometrin syvyistä Sputnikin allasta. Se taas on useimpien tutkijoiden mukaan suuren ja jokseenkin vinosti Plutoon mäjähtäneen asteroidin synnyttämä törmäysallas. Altaan läpimitta on tutkimuksesta riippuen noin 1400 km x 1200 km, 1800 km × 1000 km, tai 2000 km × 1200 km, leveämmän osan sijaitessa pohjoisessa. Joka tapauksessa kyse on koko aurinkokunnankin mittakaavassa erittäin kookkaasta törmäysrakenteesta.1 Juuri sen synnyn uusi mallinnus pääsi otsikoihin.

Tämä New Horizons -luotaimen ottama väärävärikuva Plutosta ja Charonista näyttää hyvin, kuinka etualalla olevan Pluton keskellä hieman kellertävänä soikiona näkyvä Sputnik Planitia sijaitsee sillä puolella Plutoa, joka ei koskaan näy Charoniin. Se on myös hyvin lähellä Charonia ja Plutoa yhdistävää suoraa, samoin kuin Pluton ekvaattoria. Pluton ja Charonin kuvat on käsitelty samoin, joten vaikka värit eivät vastaa todellisuutta, niiden erot heijastelevat todellisia eroja Pluton ja Charonin pintojen koostumuksissa. Pluton ja Charonin suhteelliset koot vastaavat myös todellisuutta, joskaan niiden välinen etäisyys ei. Kuva: NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute.

Sputnikin törmäyssyntyä on tietysti mallinnettu aiemminkin. Suurten törmäysaltaiden tietokonemallinnus ei vain ole aivan yksinkertaista, eikä altaiden synnyn fysiikkakaan ole niin hyvin selvillä kuin pienempien kraatterien tapauksissa. Aiemmat mallinnukset olivat kaksiulotteisia, eikä niissä huomioitu aineen lujuusominaisuuksia laisinkaan. Lujuusominaisuudet ovat kuitenkin merkittäviä etenkin Pluton tapauksessa, sillä aurinkokunnan ulko-osissa tavalliset törmäysnopeudet ovat hyvin hitaita tutumpiin maankaltaisille planeetoille kraattereita synnyttäviin nopeuksiin nähden. Hitaissa törmäyksissä, joissa törmäysnopeus on samaa suuruusluokkaa äänennopeuden kanssa, jää šokkimetamorfoosi hyvin vähäiseksi. Aineen käyttäytyminen on siksi hyvin erilaista kuin perinteisissä törmäyskraattereissa.

Uusista mallunnuksista ja Pluton meren mahdollisesta kuivattamisesta on päävastuussa Harry Ballantyne. Kuukausi sitten mainitsin hänen johdollaan tehdystä Marsin kahtiajakoa koskevasta tietokonemallinnuksesta. Nyt Ballantyne kollegoineen sovelsi koodiaan siis kiviplaneetan sijasta jäisiin kappaleisiin. Artikkeli Sputnik Planitia as an impactor remnant indicative of an ancient rocky mascon in an oceanless Pluto julkaistiin Nature Astronomy -lehdessä.

Ballantynen vetämän tutkimuksen pääkohdat ovat aika selkeät. Parhaan mallin Sputnikin altaasta he saivat aikaiseksi, kun Plutoon törmäsi läpimitaltaan noin 730 km:n kappale. Sen massasta suunnilleen 15 % oli kivisessä ytimessä. Ydintä ympäröi paksu jäävaippa. Kokonaismassaltaan kappale vastasi likimain nykyistä asteroidi Vestaa.

Törmäysnopeus oli alle puolitoista kilometriä sekunnissa ja nykyisestä pohjoisesta tullut törmäys tapahtui noin 60°:n kulmalla.2 Vertailun vuoksi lienee hyvä mainita, että maapallolla tyypillinen asteroidin törmäysnopeus on tuohon nähden yli kymmenkertainen eli noin 17 km/s.3 

Tällainen pliisu kolarointi johti siihen, että kiviaineksen sulamista tapahtui erittäin vähän. Törmänneen kappaleen kivinen ydin painuikin Pluton kuoren ja vaipan jäästä läpi. Se päätyi litistyneeksi möykyksi Pluton kivisen ytimen ja jäisen vaipan rajapinnalle. Ballantynen mallinnuksen mukaan möykky makaa siellä tänäkin päivänä. Törmänneen kappaleen jäinen osuus oli Pluton jäähän verrattuna kevyttä, joten se jäi pinnalle täyttämään osaltaan syntynyttä kuoppaa. Varsin nopeasti painauma alkoi kuitenkin peittyä tavallisella Pluton typpijäällä. Prosessin lopputuloksena syntyi nykyisiin tuntemamme Sputnikin soikea törmäysallas ja sen sisäosia peittävä Sputnik Planitia.

Ballantynen ryhmän muutamien mallinnuksien alkutilanteita poikkileikkauskuvina. Ylärivissä törmäävä kappale on kokonaan jäätä, keskellä kiveä, ja alarivissä jäätä ja kiveä. Vasemmassa sarakkeessa törmäys on pystysuora, keskellä törmäyskulma on geologien mukaan 60°, ja oikealla 45°. vesc on systeemin yhteinen pakonopeus eli noin 1,2 km/s, joten vasemmalla törmäysnopeus on noin 1,2 km/s, keskellä noin 1,44 km/s ja oikealla noin 1,68 km/s. Simulaatioiden lopputulokset on esitetty seuraavassa kuvassa. Kuva: Harry A. Ballantyne et al., 2024. Sputnik Planitia as an impactor remnant indicative of an ancient rocky mascon in an oceanless Pluto. Nature Astronomy / CC BY 4.0 Deed.
Ballantynen ryhmän mallinnuksien lopputuloksia kuusi tuntia törmäyksen jälkeen. Sputnikin altaan eteläosan alle päätynyt kivimöykky näkyy alarivin keskimmäisessä kuvassa. Kuva: Harry A. Ballantyne et al., 2024. Sputnik Planitia as an impactor remnant indicative of an ancient rocky mascon in an oceanless Pluto. Nature Astronomy / CC BY 4.0 Deed.

Kaksoisplaneetta, meri ja maskon

Ballantynen ryhmän artikkelissa keskeistä ei ole pelkästään se, kuinka saadaan Sputnikin kaltainen allas syntymään, vaan myös se, mitä tämä vaikutti Plutoon ja mitä se kertoo Pluton sisärakenteesta. Tämän pääpiirteiseksi ymmärtämiseksi voi olla tarpeen kerrata pari perusasiaa.

Pluton ja Charon muodostavat kaksoisplaneettajärjestelmän. Sen molemmat osat kiertävät systeemin massakeskipistettä, joka sijaitsee avaruudessa niiden välissä. Vuorovesivoimien vaikutuksesta sekä Pluton että Charonin pyörimis- ja kiertoajat ovat lukkiutuneet siten, että ne näyttävät toisilleen aina saman puolen. Siksi Sputnikin puolelta ei pääse koskaan näkemään Charonia. Oleellista on, että Sputnikin allas on nimenomaan Charonista poispäin kääntyneellä puolella ja lähellä ekvaattoria.

Iso kuoppa planeetan pinnassa tarkoittaa lähtökohtaisesti massavajetta. Geofyysikoiden mukaan Sputnikin altaan kokoisen massavajeen olisi pitänyt aikojen saatossa johtaa koko planeetan keikahtamiseen siten, että allas olisi päätynyt lähimmälle navalle. Todellisuus näyttää kuitenkin aivan toiselta.

Juuri Sputnikin sijainti on ollut yksi keskeisistä perusteista Pluton merihypoteesille. Koska Sputnikin allas ei ole navalla vaan ekvaattorilla kääntyneenä Charonista poispäin, siinä täytyy olla massavajeen sijasta keskimääräistä enemmän massaa. Planeettageologiassa tällaiset ylimääräiset kilot tunnetaan maskoneina eli massakonsentraatioina. Tutuimmat maskonit sijaitsevat useimpien Kuun merien alla.

Loogisin tapa synnyttää Sputnikin altaaseen maskon on antaa tiheän suolaisen veden nousta maskonin kohdalla ylöspäin, samaan tapaan kuin Kuun maskoneissa vaipan raskas kiviaines on noussut lähemmäs pintaa. Jos vesi olisi jäätynyt tai jos alkujaan kohonnut vesimassa olisi myöhemmin lätsähtänyt takaisin (eli jos hienommin sanottuna allas olisi relaksoitunut), maskon olisi kadonnut. Tällaisessa tapauksessa Sputnikilla ei olisi mitään syytä olla siellä missä se nyt on. Vallitsevien mallien mukaan Sputnikin altaan alla on siis yhä edelleen oltava syvä ja sula suolainen meri, jotta Sputnikilla olisi maskon, jotta se sijaitsisi nykyisellä paikallaan pyörimisakseliin nähden.

Ainakin jos Ballantynen tutkimusryhmää on uskominen, vaatisi Sputnikin alaisen meren sulana pysyminen erittäin korkeaa ammoniakkipitoisuutta. He eivät kuitenkaan pidä realistisena, että Plutossa voisi olla riittävän väkevää pakkasnestettä. Sen sijaan heidän uudet törmäysmallinnuksensa ratkaisevat ongelman.

Koska hitaassa törmäyksessä ei tapahdu merkittävää sulamista, huomattava osa törmänneen kappaleen kivisestä ytimestä päätyy Pluton sisälle jää- ja kivikerrosten rajapinnalle. Parhaiten havaintoja vastaavassa 60°:n törmäyksessä kivimöykky sijaitsee Sputnikin altaan kapeamman eteläosan alapuolella. Möykky on riittävän suuri aiheuttamaan maskonin ja – mikäli Ballantyne ja kumppanit ovat oikeassa – myös ajan saatossa koko Pluton keikahtamisen nykyiseen asentoonsa.

Ballantynen ryhmän maskon siis syntyy ilman hankalaa oletusta hyvin ammoniakkipitoisesta suolavedestä. Jos meri kuitenkin välttämättä Plutoon halutaan, kuten monet tietysti tekevät, Ballantynen malli toimii, kunhan meri on korkeintaan 50 km:n syvyinen. Meikäläisiin meriin verrattuna tuokin on tietysti tolkuttoman syvä, mutta Plutoon kuviteltujen merien joukossa melko matala.

Ballantynen mallinnukset tuovat uuden mielenkiintoisen lisän keskusteluun Pluton merestä. Ei meri kuitenkaan vielä niiden perusteella kokonaan kuivahda. Sky and Telescope -lehden Javier Barbuzano harjoitti aiheen tiimoilta erinomaista tiedejournalismia: hän ei tyytynyt vain toistelemaan lehdistötiedotetta, vaan kysyi toisen ja vielä kolmannenkin tohtorin mielipidettä aiheesta.

James Tuttle Keane toimi yhtenä Ballantynen artikkelin esitarkastajana. Hän on myös ollut eräs näkyvimmistä Sputnik Planitian vaelluksen ja Pluton meren puolestapuhujista. Keane pitää Ballantynen mallinnuksia sinänsä uskottavina. Hänen huomautuksensa, ettei artikkelissa millään tavoin yritetä osoittaa, riittääkö törmänneen kappaleen kivisen ytimen synnyttämä maskon keikauttamaan Plutoa riittävästi, on kuitenkin täysin perusteltu. Ballantynen mallit viittaavat siihen, että maskon voi syntyä, mutta sen seuraukset ovat toistaiseksi pelkän idean asteella, koska niitä ei artikkelissa testattu. Jatkotutkimuksille on tilausta.

Toinen Sky and Telescopen jutussa kriittisiä äänenpainoja esittävä tutkija on 1970-luvulta saakka etenkin jäisten kappaleiden suuria törmäysrakenteita tutkinut William B. McKinnon. Hänen suurin huolenaiheensa on, etteivät Ballantyne ja kumppanit ottaneet riittävästi huomioon Sputnikin altaan ikää. Ikä on tietenkin tuntematon, mutta väkisinkin allas on hyvin vanha. Sen syntyessä vielä nuoren Pluton lämpövuo oli merkittävästi suurempi kuin nykyisin. McKinnonin mukaan Pluton venytyksestä kielivät tektoniset rakenteet osoittavat, että nuorella ja lämpimämmällä Plutolla oli meri, joka on sittemmin hiljalleen jäätynyt. Tämä on johtanut kuoren venymiseen ja ratkeiluun. Ainakin vielä muutama vuosi sitten The Pluto System After New Horizons -raamatussa McKinnon esitti yhdessä Francis Nimmon kanssa, että varhaisesta merestä on Pluton jääkuoren alla vielä tänäkin päivänä jäljellä sadan kilometrin syvyinen vesikerros. Tämä ei luonnollisestikaan sovi alkuunkaan yhteen Ballantynen jo muinoin olemattoman tai korkeintaan 50 km:n syvyisen meren kanssa.

Vaikka Ballantynen ryhmän törmäysmallit kiinnostavia ovatkin, on Pluton meri siis kaikkea muuta kuin kuivatettu. Esimerkiksi huhtikuun lopulla ilmestyi Icarus-lehdessä turhan vahvan maksumuurin takana oleva Patrick J. McGovernin ja Alex L. Nguyenin artikkeli, jonka mukaan 40–80 km paksun kuoren alla on yhä meri. Sen vesi on vain hieman suolaisempaa ja tiheämpää kuin maapallon keskimääräinen merivesi, ei siis erittäin tiheää ja suolaista kuten voisi helposti kuvitella.

Lisäksi useat tutkijat, mm. Ballantynenkin ryhmässä mukana ollut Adeene Denton, ovat viime vuosina ehdottaneet merelle merkittävästi suurempiakin syvyyksiä kuin Nimmon ja McKinnonin sata kilometriä. Tutkimukset Pluton meren olemuksesta ja syvyydestä siis jatkuvat edelleen, vaikka Ballantyne kollegoineen siitä onkin hankkiutumassa kokonaan eroon.

Aurinkokunnan laitamien tutkimuksen tulevaisuus?

Vaikka eritoten Plutoa ja Charonia tutkinut New Horizons -luotain on millä tahansa tolkullisella mittarilla mitaten kiistaton menestys, se oli kuitenkin Pluton systeemin osalta ”vain” yksi ohilento. Siksi tietomme Plutosta ja etenkin sen sisärakenteesta ovat erittäin puutteelliset. Päätelmiä joudutaan tekemään hyvinkin vajavaisten lähtötietojen pohjalta. Tämä jättää tilaa sille, että toisensa täysin poissulkevatkin mallit vaikkapa juuri Pluton merestä ovat nykytietämyksen valossa aivan mahdollisia.

Pluton ohilennosta tulee pian kuluneeksi yhdeksän vuotta, mutta uusia tutkimuksia ilmestyy koko ajan. Kiinnostus Plutoa kohtaan ei siis ole tutkijoiden parissa hiipumassa, vaikkei uusia mittaustuloksia Pluton läheltä enää saadakaan. Onkin äärimmäisen valitettavaa, ettei tällä hetkellä ole vakavammin suunnitteilla ainuttakaan luotainprojektia, joka tutkisi aurinkokunnan ulko-osia.

New Horizonsin tulokset Pluton järjestelmästä ja Arrokothista ovat osoittaneet, että kylmäksi ja kuolleeksi luullulla alueella on ollut hämmentävän eloisaa geologista toimintaa. Mitä yllätyksiä odottaakaan kääpiöplaneetoilla, joita emme ole koskaan nähneet läheltä? Esimerkiksi Eris ja soikea, renkaiden ympäröimä Haumea ovat suunnilleen Pluton kokoisia kappaleita, joista emme kuitenkaan tällä hetkellä tiedä juuri mitään. Yllätys oli melkoinen, kun viime talvena julkaistujen James Webb -avaruusteleskoopilla saatujen tulosten mukaan sekä Eris että Makemake lienevät geologisesti aktiivisia. Aktiivisuus voi olla peräisin pinnanalaisesta merestä, tai jostain ihan muusta. Oleellista on, että nyt tunnettujen kääpiöplaneettojen kokoluokkaa olevia tai vieläkin suurempia geologisesti monimuotoisia kappaleita voi Kuiperin vyöhykkeellä olla löytämättä runsaasti.

Paitsi ettemme tunne ns. Kuiperin vyöhykkeen kappaleita, emme myöskään täysin käsitä, mitä siellä tapahtuu: monet prosessit, jotka olemme luulleet ymmärtävämme aurinkokunnan sisäosien perusteella, onkin mm. aurinkokunnan ulko-osien kylmyyden ja hitaiden kiertonopeuksien vuoksi ajateltava enemmän tai vähemmän uusiksi. Törmäykset ja (kryo)vulkanismi ovat tästä hyviä esimerkkejä.

Suurten kappaleiden lisäksi myös pienet voivat yllättää. Viime talvena julkaistut, Plutolle nimen antaneen Venetia Burneyn mukaan nimetyn ja opiskelijatyönä syntyneen pölyä mittaavan laitteen tulokset osoittivat, että myös käsityksemme Kuiperin vyöhykkeen koosta saattaa olla pahasti alimitoitettu. Pölyä nimittäin löytyi enemmän kuin oletettiin, eikä kukaan tiedä, mistä se on peräisin. Tämä voi viitata laajempaan Kuiperin vyöhykkeeseen, toiseen vyöhykkeeseen sen takana, tai vaikka runsaampaan suurten törmäilevien kappaleiden joukkoon. Kuiperin vyöhykettä tutkiessamme emme näin ollen oikeastaan edes tiedä, mitä olemme tutkimassa.

Ihmeteltävää aurinkokunnan ulko-osissa siis riittää. Näkymämme sinne vain ovat valitettavan sameat. Onneksi NASA tuli viime syksynä lopulta järkiinsä ja perui aikeensa ajaa New Horizonsin planeettatutkimus alas ja jatkaa lentoa ainoastaan osana heliosfäärifysiikan tutkimusta. Se ei kuitenkaan muuta mihinkään sitä tosiasiaa, että nykyisin parhaassa iässä olevat tutkijat ovat vähintään eläkeiän kynnyksellä ennen kuin pääsemme seuraavan kerran havaitsemaan suurempia ns. Kuiperin vyöhykkeen kappaleita läheltä. Onneksi sitä odotellessa voimme nauttia vanhojen mittausten pohjalta tehdyistä uusista ja yllättävistä tulkinnoista, kuten vaikkapa Harry Ballantinen yrityksestä korvata Pluton lämmin sydän kylmällä ja kivisellä.


1Sisäsyntyisilläkin malleilla on varmasti yhä kannattajansa, mutta tutkimuksen valtavirtaa ne eivät edusta.

2Jos lukee itse artikkelin, tämä kohta voi herättää hämmennystä, sillä jutussa törmäyskulmaksi mainitaan 30°. Ongelma on siinä, että geologit ja fyysikot eivät ajattele monestakaan asiasta samalla tavalla, eivät edes siitä, kuinka kulmia mitataan. Geologitaustaisten kraatteritutkijoiden mielestä, jos kappale tömähtää pintaa vasten pystysuoraan, on törmäyskulma 90°. Fyysikoille tämä on tietenkin 0°. Fyysikoiden mielestä asia on myös niin ilmeinen ja looginen, ettei sitä tarvitse tutkimusartikkeleissa yleensä edes mainita.

3Nopeus 17 km/s tarkoittaa puoltatoista kierrosta maapallon ympäri tunnissa, tai hurautusta teitä pitkin Ursan toimistolta Oulun kauppatorille 36 sekunnissa. Ballantynen artikkeli on tosin nopeuksien osalta itsensä kanssa ristiriidassa. Artikkelissa todetaan ”…~730 km impactor striking Pluto at 30° with an impact velocity, vcoll, of 1.2vesc (~6 km s−1) produces an impactor-dominated region at the impact site…”, mutta toisaalta myös ”The impacts are slower than the speed of sound in geologic ice, ~2–4 km s−1, so shocks play a minor role.” Tunnustan, että meikäläiselle asia jää mysteeriksi. Kenties homma  selviäisi, jos perinteiseen fyysikkotapaan aloittaisi olettamalla pyöreän lehmän.

2 kommenttia “Pluton kivisydän”

  1. Pluton pakonopeus on wikipedian mukaan 1.2 km/s, joten 1.2 kertaa se on 1.45 km/s. Olisikohan tuo 6 km/s typo ja tarkoittaa 1.6 km/s, mikä tosin sekään ei ole sama kuin 1.45 mutta fyysikkomielessä lähellä kuitenkin

    1. Teemu Öhman sanoo:

      Tiedäpä häntä, on tuo tietysti täysin mahdollista. Artikkelissa nopeuksista puhuminen oli sikälikin jännää, että siinä viitattiin systeemin yhteiseen pakonopeuteen, mutta pelattiin kuitenkin ihan puhtaasti pelkän Pluton pakonopeudella 1,2 km/s. Voi tietysti hyvinkin olla, että tuon törmänneen kappaleen vaikutus pakonopeuteen katoaa pyöristykseen. Itse silti tykkään enemmän vähän pidemmän formaatin artikkeleista, joissa on mahdollista kertoa (jos kirjoittajilla siihen on halua), mistä nämä käytetyt luvut aina tempaistaan. Mielessä kajastelee muinainen kaunis ajatus tutkimusten toistettavuudesta ja siitä, että kaikki tarpeellinen tulisi jutuissa kertoa. Mutta myönnän olevani vanhan koulun miehiä. Ja vieläpä geologi.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *