Kun maailmat syntyvät

Linnunradaksi kutsutussa kotigalaksissamme on noin 200 miljardia tähteä. Niistä jokainen on syntynyt tähtienvälisen aineen kaasu- ja pölypilvien ylitettyä kriittisen tiheyden ja tiivistyttyä, jonka jälkeen gravitaatiovoima on saanut ne romahtamaan kasaan tähdiksi ja tähtien joukoiksi. Tähtien synnyn sivutuotteena syntyvät planeetat mutta niiden alkuvaiheiden suora havainnointi on ollut äärimmäisen vaikeaa, jopa mahdotonta, koska nuoret, aktiiviset prototähdet, joiden ympärillä planeetat vasta muodostuvat, ovat edelleen syvällä kaasu- ja pölypilvien sisäosissa.

Uudet infrapuna-alueen teleskoopit ja instrumentit ovat kuitenkin avanneet ikkunan planeettojen syntyprosessiin. Infrapunahavainnot antavat tietoa kuuman aineksen liikkeistä tähden lähettyvillä, koska infrapuna-alueella tähtiä ympäröivä viileämpi pöly on läpinäkyvää.

ALMA interferometri, eli teleskooppi, joka yhdistää usean pienen infrapuna-alueen teleskoopin havaintovoiman, on yksi parhaista laitteista vastasyntyneiden planeettakuntien tarkkailuun. Sen avulla on havaittu useita nuoria planeettakuntia, joissa planeetat ovat havaittavissa tähtiä kiertävillä radoilla siksi, että ne ovat vetovoimallaan raivanneet kapeita renkaanmuotoisia aukkoja tähteä ympäröivään kaasun ja pölyn kertymäkiekkoon. Mainiona esimerkkinä on noin 450 valovuoden päässä sijaitseva nuori tähti HL Tauri (1). Planeetat ovat puhdistaneet ratansa ja niiden lähiympäristöt aineksesta ja planeettakunnan kiertoradat näkyvät siten tummina renkaina tähteä ympäröivässä materiakiekossa (Kuva 1.).

Kuva 1. Tähteä HL Tauri ympäröivä kertymäkiekko ALMA interferometrin kuvaamana. Tummat renkaat ovat todennäköisesti muodostuneet vastasyntyneiden planeettojen siivottua vetovoimallaan materiaa pois kiertoratojensa lähiympäristöistä. Kuva: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).

ALMA interferometrin kuvissa planeetat ovat jo muodostuneet. Ne ovat jo vuorovaikuttaneet kertymäkiekon materian kanssa ja saavuttaneet lähes lopulliset kokonsa vetämällä gravitaation avulla kiekon materiaa itseensä. Tämä on tuttua hydrodynaamisista simulaatioista, joiden avulla planeettojen muodostumista kertymäkiekoissa on simuloitu (Kuvat 2 ja 3).

Kuva 2. Simulaatiokuva tähteä (ei kuvassa) ympäröivästä kertymäkiekosta, jossa muodostumassa oleva protoplaneetta vetää gravitaation avulla itseensä materiaa kiekon ulko- ja sisäosista, mikä näkyy karkeasti S-kirjaimen muotoisena materiamuodostelmana. Samalla planeetta avaa kiekkoon renkaanmuotoisen aukon ratansa kohdalle. Kuva: F. Masset.

Kuva 3. Simulaatiokuva, jossa planeetta on muodostanut renkaanmuotoisen aukon kertymäkiekkoon. Kuva: F. Masset.

Itse planeetat ja niiden muodostuminen ei kuitenkaan näy suoraan ALMA interferometrin kuvissa. Hydrodynaamisissa simulaatioissa havaitut renkaat muodostuvat luonnollisesti planeetan vetovoiman vaikutuksesta mutta ALMA ei ole kyennyt havaitsemaan muodostumassa ja kasvamassa olevaa nuorta planeettaa, joka vetää ainesta itseensä kertymäkiekon ulko- ja sisäosista.

Ensimmäinen havainto muodostumassa olevasta ja kasvavasta planeetasta saatiin VLT:n SPHERE instrumentilla (Kuva 4), jolla hiljattain havaittiin myös mahdollisia viitteitä lähitähtemme Proxima Kentaurin planeetasta. SPHERE:n havainnoissa vastasyntyneestä tähdestä AB Aurigae, kasvamassa oleva protoplaneetta imee itseensä materiaa simulaatioiden ennustamalla tavalla (2). Planeetta kasvaa prosessissa suunnilleen 0.3 Maapallon massan verran joka vuosi — se voi kuulostaa valtavalta määrältä mutta kyseessä on jättiläisplaneetta, joka on massaltaan 4-13 kertaa Jupiterin kokoinen. Planeetta on siis ainakin 1300 kertaa Maapalloa massiivisempi ja saattaa kasvaa prosessissa vielä kymmenientuhansien vuosien ajan.

Kuva 4. SPHERE-instumentin kuvaama kertymäkiekko tähden AB Aurigae ympärillä. Kiekon sisäosissa näkyy kirkas, karkeasti S-kirjaimen muotoinen muodostelma (valkea ympyrä), joka aiheutuu muodostuvan planeetan itseensä vetämästä materiasta. Sininen ympyrä kertoo mittasuhteista kuvaten Neptunuksen rataa samassa mittakaavassa. Kuva: ESO/Boccaletti et al.

Planeettojen synty oli pitkään hämärän peitossa ja sitä sattoi tutkia vain havaitsemalla ainoaa tunnettua esimerkkiä, Aurinkokuntaa, tai simuloimalla tähtiä ympäröivien kiekkojen kehitystä hydrodynaamisilla simulaatioilla. Eksoplaneettojen ja -planeettakuntien havainnot toivat mukaan valtavasti uusia esimerkkejä planeettojen synnyn lopputuloksista mutta itse prosessi oli edelleen hankalasti tutkittavissa. Nyt olemme saavuttaneet teknologian tason, jolla planeettakuntien ja planeettojen synty on suoraan havaittavissa.

Vaikka ensimmäiset havainnot ovat osoittaneet prosessin tapahtuvan lähes täysin simulaatioiden osoittamalla tavalla, tulevaisuus tuo varmasti mukanaan mielenkiintoisia poikkeamia, jotka kertovat lisää tähtien synnyn sivutuotteiden, planeettakuntien, synnystä, kehityksestä ja nuoruudesta.

Lähteet

1. ALMA Partnership et al. 2015. The 2014 ALMA Long Baseline Campaign: First Results from High Angular Resolution Observations toward the HL Tau Region. The Astrophysical Journal, 808, L3.
2. Boccaletti et al. 2020. Possible evidence of ongoing planet formation in AB Aurigae. A showcase of SPHERE/ALMA synergy. Astronomy and Astrophysics, 637, L5.