James Webb -avaruusteleskooppi on tehnyt havaintoja kiviplaneetan kaasukehästä

Toisia tähtiä kiertävien pienten, kivisten planeettojen elinkelpoisuuden määrittämisessä on ehdottoman tärkeässä roolissa se, että saamme tietoa niiden kaasukehän koostumuksesta. Menetelmänä voi olla suora kuvaaminen, jolla olisi mahdollista yksinkertaisesti vain havaita planeetan kaasukehän vapauttamaa säteilyä ja päätellä sen aallonpituuksjakautumasta, eli spektristä, mistä molekyyleistä sen kaasukehä koostuu. Koostumuksen perusteella voisi puolestaan arvioida niitä fysikaalisia ja kemiallisia olosuhteita, joita planeetan kaasukehässä ja pinnalla esiintyy. Olisi jopa mahdollista saada selville vaikuttaako olosuhteisiin ja planeetan kemiaan kenties elämäksi kutsuttu itseään kopioivien ja evoluutiota kokevien biokemiallisten järjestelmien aineenvaihdunta.

Koska pienten, kivisten eksoplaneettojen suoraan kuvaamiseen vaadittavaa laitteistoa ei vielä ole onnistuttu rakentamaan, on turvauduttava toiseen, hiukan kekseliäämpään tapaan havaita vieraiden planeettojen kaasukehien ominaisuuksia. Transmissiospektroskopialla tarkoitetaan niinikään planeetan kaasukehän koostumuksen tutkimista, mutta epäsuorin keinoin. Kun planeetta kulkee radallaan tähtensä editse, se estää pientä osaa tähden valoa saapumasta mittalaitteisiimme. Voimme siten havaita planeetan ylikulkuja, jotka näkyvät tähden pienenä näennäisenä ja jaksottaisena himmenemisenä aina planeetan peittäessään osan sen pintaa. Menetelmällä on onnistuttu löytämään jo tuhansia toisia tähtiä kiertäviä planeettoja, niiden joukossa satoja kiviplaneettoja.

Jos planeetan ylikulkuja tarkkaillaan eri aallonpituuksilla, voidaan planeetan näennäisen koon arvioiksi saada hiukan toisistaan poikkeavia lukemia. Kysymys ei kuitenkaan ole planeetasta, jonka koko muuttuu, vaan vain yksinkertaisesta kaasukehän kemian seurauksesta. Joillekin tähden säteilyn aallonpituuksille planeetan kaasukehä on läpinäkymätön, koska kaasukehän molekyylit virittyvät korkeampiin energiatiloihin sopivan aallonpituuskaistan säteilystä. Toisilla aallonpituuksilla kaasukehä on puolestaan lähes täysin läpinäkyvä, ja säteily pääsee sen läpi esteettä saaden planeetan näyttämään hoikemmalta. Eri molekyylit tekevät kaasukehästä läpinäkymättömän eri aallonpituuksilla mutta asiassa on sittenkin aste-eroja. Myös molekyylien pitoisuus kaasukehässä vaikuttaa. Valon kulku kaasukehän läpi heikkenee sitä enemmän mitä suurempi molekyylien pitoisuus ja koko kaasukehän paksuus on. Siten ylikulkuja tarkkailemalla voidaan saada tietoa planeetan kaasukehän paksuudesta, koostumuksesta, ja muista ominaisuuksista.

Kiviplaneettojen kaasukehistä on kuitenkin hyvin hankalaa onnistua saamaan tietoa edes parhailla mahdollisilla teleskoopeilla. James Webb -avaruusteleskooppi, tähtitieteen tämän hetken tarkin ja merkittävin lippulaiva, on ollut kovassa käytössä, kun tutkijat ovat koettaneet havaita merkkejä TRAPPIST-1 -järjestelmän kiviplaneettojen kaasukehistä. Vaikka havainnoissa ei ole vielä onnistuttu, todennäköisesti siksi, että järjestelmän sisimmillä planeetoilla ei ole kaasukehiä, on JWST nyt suunnattu uuteen kohteeseen, lähitähteen 55 Cancri.

Yksi 55 Cancrin järjestelmän planeetoista, sisin kuuma supermaapallo 55 Cancri e, on havaittavissa sen ylikulkujen perusteella. Planeetta on kaikkea muuta kuin elinkelpoinen. Se kiertää tähtensä ympäri vain noin 18 tunnissa ja kylpee tähden voimakkaassa säteilyssä, joka kuumentaa planeetan pinnan peräti 3500 celciusasteen lämpötilaan. Planeetta on yksi kuumimmista tunnetuista, ja sitä on kuvailtu laavaplaneettana, jonka olosuhteissa kivi ja monet metallit ovat sulana ja jopa osin höyrystyneenä planeetan kaasukehään. Planeetta on luultavasti myös geologisesti aktiivinen ja sen pinta on aktiivisten tulivuorten täplittämä.

Kuva 1. Eksoplaneetan 55 Cancri e kaasukehämallien vertailu suhteessa havaintoihin antaa viitteitä kaasukehän koostuvan helposti kaasuuntuvista hiilen, vedyn, hapen ja typen yhdisteistä ja on paksuudeltaan muutaman prosentin verran planeetan säteestä. Kaasuuntuneiden silikaattien eli kiven muodostama kaasukehä on voitu sulkea pois mahdollisena selitysmallina. Kuva: Hu et al.

Tuoreet tulokset kuitenkin osoittavat ajatusten planeetan 55 Cancri e luonteesta olevan osittain vääriä (1). James Webb -avaruusteleskoopin havainnot osoittavat vääjäämättä, että planeetan kaasukehä koostuu keveämmistä kaasuista höyrystyneen kiviaineksen sijaan. Todennäköisesti sen kaasukehä on pääosin hiilidioksidia ja hiilimonoksidia. Tutkijoiden arvion mukaan planeettaa peittävät laavakentät, joiden purkaukset uudistavat kaasukehää jatkuvasti hiilidioksidilla ja -monoksidilla. Kyse on silti vain arviosta — tarkkaa kaasukehän koostumusta on mahdotonta arvioida, koska havainnot ovat yhteensopivia useiden erilaisten mallien kanssa. On silti selvää, että planeetan kaasukehästä on nyt saatu infrapuna-alueen havaintoja, jotka osoittavat kiistatta sen koostuvan omankin planeettakuntamme planeettojen kaasukehistä tutuista helposti kaasuuntuvista yhdisteistä.

Kuva 2. Taiteilijan näkemys planeetan 55 Cancri e pinnasta kuvitteellisen matkatoimiston mainosjulisteen muodossa. Kuva: NASA/JPL-CalTech Artist J. Harris

Jos onnistuisimme matkaamaan vierailulle 55 Cancri e:n pinnalle, näkisimme valtavat laavakentät (Kuva 2.) ja ehkäpä pinnan tulivuoia, joiden ajoittaiset purkaukset vapauttaisivat runsaasti pölyä planeetan kaasukehään ja jopa avaruuteen sen kiertoradalle tähtensä ympäri. Laavakenttien purkaukset vapauttaisivat kaasuja ja pitäisivät siten yllä planeetan kaasukehää, joka on tähden voimakkaalle säteilylle alttiina ja karkaa siksi avaruuteen verrattaen nopeassa tahdissa. Planeetalla saattaisi olla pilvenmuodostusta, kun laavakentiltä vapautuvat ainekset tiivistyisivät korkeammalla kaasukehässä. Joka tapauksessa planeetta on vuorovesilukkiutunut ja näyttää siten tähdelleen ainoastaan toisen puolensa. Se aiheuttaa valtaisia lämpötilaeroja planeetan valoisan ja pimeän puoliskon välille, mikä puolestaan tuottaa voimakkaita kaasukehän virtauksia, kun lämpö pyrkii tasaantumaan. Kyse ei ole siksi vain kuumasta laavaplaneetasta, vaan suoranaisesta tulimyrskyjen maailmasta, jonka olosuhteissa ihmisenkaltaiset elävät organismit eivät voi koskaan edes vierailla.

Mikään ei kuitenkaan ole täysin varmaa. Kivisten eksoplaneettojen kaasukehät ovat ohuita, ja niiden tutkiminen ylikulkujen avulla, transmissiospektroskopian keinoin, on erittäin haastavaa. Vain pieni murto-osa tähden säteilystä kulkee planeetan kaasukehän läpi jättäen säteilyspektriin kaasukehän koostumuksesta kertovat hiuksenhienot poikkeamat. Tulevat, tarkemmat ja kattavammat havainnot saattavat siten tuottaa suuriakin yllätyksiä ja muuttaa planeettojen luonteesta ja koostumuksesta tehtyjä tulkintoja. Se kuuluu kuitenkin normaaliin tieteellisen tiedonhankinnan etenemiseen ja on vain hyväksyttävä osana tieteen toimintaa.

Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.