Luvassa sulaa rautaa ja muita sadekuuroja
Eksoplaneettojen olosuhteet voivat olla todella erikoisia. Oikeammin, ne voivat olla niin hämmästyttäviä ja Maapalloon rajoittuneen kokemuspiirimme vastaisia, että niiden kaasukehille ominaiset, tavalliset sääilmiöt vaikuttavat meidän maapallokeskeisestä näkökulmastamme katsottuna uskomattoman brutaaleilta ja omituisilta. Vai miltä kuulostaisi monsuunisade, jonka aikana taivas aukenisi ja sataisi sulaa rautaa?
Yli 2400 celsiusasteen lämpötiloja, joissa rautakin höyrystyy, ei esiinny lauhkeassa ilmastossamme oman planeettamme pinnalla. Tarkalleen ottaen niitä ei esiinny myöskään planeetan WASP-76 b pinnalla, koska se on jättiläismäinen kaasuplaneetta, jolla ei ole kiinteää pintaa ja joka kiertää Aurinkoa kirkkaamman ja kuumemman F-tyypin tähtensä ympäri sen koronaa viistäen vain kahdessa päivässä. Lähellä loistava tähti on syy planeetan valtaisaan, raudankin höyrystävään kuumuuteen.
Mutta WASP-76 b on vielä tätäkin oudompi. Tähden voimakkaat vuorovesivoimat ovat saaneet planeetan pyörimisen lukkiutumaan sen kiertoaikaan. Siksi se näyttää aina saman puolensa tähdelleen kuten Kuu näyttää Maalle. Voimakkaan säteilyn armotta korventamalla puoliskolla rauta höyrystyy kaasukehässä ja ankarat kaasukehän virtaukset kuljettavat sitä planeetan pimeän puolen rajalle, jossa lämpötila ei riitä pitämään rautaa kaasumaisena. Siellä rauta sataa kaasukehän alempiin kerroksiin, joista se taas kulkeutuu virtausten mukana kuumalle puolelle höyrystyäkseen uudelleen (1).
Planeetan WASP-76 b:n olosuhteiden rinnalla, Maapallon suurinkin hurrikaani ja rankinkin sade näyttäytyvät lähinnä rauhallisen kevätpäivän tuulenvireenä ja harmittomana pikku ripotteluna.
Vesisade on ilmakehän ilmiöistä ehkäpä paras merkki planeettamme elinkelpoisuudesta. Kaikki elämä tarvitsee vettä ja sateet saavat kuivat autiomaat, arot ja savannit virkoamaan eloon ja täyteen kukoistukseensa — ainakin lyhyeksi aikaa. Sademetsät puolestaa luovat omat sadepilvensä ja järjestävät oman veden kiertonsa pysyäkseen ikuisesti kosteina. Avainasemassa on ilmakehän vesihöyry, joka näkyy parhaiten pilvinä ennen tiivistymistään sadepisaroiksi ja putoamistaan takaisin maanpinnalle. Vesihöyryä on havaittu myös planeetan K2-18 b kaasukehästä.
K2-18 b on yksi Kepler avaruusteleskoopin löytämistä eksoplaneetoista noin 120 valovuoden päässä Auringosta. Sen tähti K2-18 on pieni punainen kääpiötähti, josta ei tiedetty ennen planeetan löytymistä juuri mitään. Se kuitenkin tiedettiin, että sellaisia tähtiä kiertää keskimäärin vähintään noin kolme planeettaa (2). Tarvittiin vain se onnellinen sattuma, että planeetat kulkevat radoillaan täsmälleen tähtensä editse.
Mielenkiintoista planeetassa K2-18 b on se, että sen kaasukehässä on pilviä. Ne ovat tavallisia vesihöyrystä koostuvia pilviä (3). Kuten Maapallo, K2-18 on koostumukseltaan pääosin kiviplaneetta mutta sillä on huomattavasti Maan ilmakehää paksumpi kaasukehä. Kaasukehä koostuu suureksi osaksi vedystä, kuten hiukan suuremmilla Neptunuksen kokoisilla kaasuplaneetoilla, mutta veden merkit ovat selviä mittauksissa sen koostumuksesta.
On oikeastaan hämmästyttävää, että kykenemme tutkimaan sadan valovuoden päässä sijaitsevan ja pientä punaista tähteä kiertävän pienen kiviplaneetan kaasukehän ominaisuuksia. Se on kuitenkin mahdollista käyttämällä hyväksi sitä, mitä ei havaita: planeetan kaasukehän tähtensä valosta pois suodattamia aallonpituuksia.
Lähitähtiä kiertävien planeettojen kaasukehiä voidaan tutkia ovelalla tekniikalla. Tiedetään, että planeetan kulkiessa tähtensä pinnan yli, tähti näyttää himmenevän jokaisen ylikulun aikana. Jos tähti on tarpeeksi kirkas, voidaan katsoa sen spektriä ja tarkastella miten tähden säteily muuttuu eri aallonpituuksilla himmenemisen lisäksi.
Koska osa tähden säteilystä kulkee planeetan kaasukehän läpi sen ollessa suoraan tähden edessä, voidaan spektrin muutoksia havaitsemalla saada tietoa siitä, mistä planeetan kaasukehä on koostunut. Se mahdollistaa myös vesihöyryn havaitsemisen kaukaisten eksoplaneettojen kaasukehissä. Havainto kiinnostaa, koska vesi on elämän edellytys. Mutta voiko K2-18 b olla elinkelpoinen planeetta?
Voimme kuvitella eläviä organismeja, jotka pärjäisivät planeetan K2-18 b kaasukehän suuressa paineessa. Tähden K2-18 voimakkaiden purkausten ja ultraviolettisäteilyn tuhovoimalta ne olisivat hyvin suojattuja kaasuhehän sisällä. Seuraava askel niiden havainnoinnissa on kuitenkin ottamatta. Biologisten organismien ja niistä kertovien signaalien havaitseminen ei ole vielä teknisesti mahdollista.
James Webb avaruusteleskooppi voi kuitenkin muuttaa kaiken. Sen tarkkuus riittää jopa kivisten eksoplaneettojen suoraan havaitsemiseen, jolloin emme joutuisi tyytymään vain tarkkailemaan, miten planeetat vaikuttavat tähdestään Maahan saapuvaan säteilyyn. Voisimme ryhtyä jopa tutkimaan kivisten lähitähtiä kiertävien eksoplaneettojen sääilmiöitä. Suorat havainnot ovat mahdollisia toistaisesi vain tapauksissa, joissa lähitähtiä kiertää jättiläismäisiä kaasuplaneettoja kaukana, Saturnuksen radan tienoilla. Sellaiset planeetat taas tuskin ovat elinkelpoisia millään tuntemallamme mittarilla.
Suorat eksoplaneettahavainnot tarjoavat uuden, entistä tarkemman työkalun Auringon lähinaapuruston planeettojen ominaisuuksien kartoittamiseen. Erityisen kiinnostavia ovat tarkat havainnot kaasukehien koostumuksista ja siten planeettojen pintojen fysikaalisista ja geokemiallisista olosuhteista. Ensimmäisten kohteiden joukossa on varmasti Barnardin tähden jäinen kiviplaneetta, josta tutkimusryhmäni raportoi vuonna 2018. Silloin eksoplaneettojen tutkimus ottaa jälleen yhden jännittävän askeleen eteenpäin.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lähteet
- Ehrenreich et al. 2020. Nightside condensation of iron in an ultrahot giant exoplanet. Nature, in press.
- Tuomi et al. 2020. Frequency of planets orbiting M dwarfs in the Solar neighbourhood. AAS Journals, submitted.
- Tsiaras et al. 2019. Water vapour in the atmosphere of the habitablezone eight-Earth-mass planet K2-18 b. Nature Astronomy, 3, 1086.
- Madhusudhan et al. 2020. The Interior and Atmosphere of the Habitable-zone Exoplanet K2-18b. The Astrophysical Journal, 891, L7.
- Ribas et al. 2018. A candidate super-Earth planet orbiting near the snow line of Barnard’s star. Nature, 563, 365.
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 