Brutaaleja fysikaalisia lainalaisuuksia ja muutama kosminen pölyhiukkanen
Tähdet syntyvät tähtienvälisen aineksen pilvistä. Samassa prosessissa, satunnaisena sivutuotteena, syntyvät niitä kiertävät planeetat ja ympäröivät planeettakunnat — sellaiset kuin Aurinkokunta ja monet muut erikoiset kokoelmat erilaisia kappaleita erilaisten tähtien kiertoradoilla. Planeetat muodostuvat yhtä vääjäämättä kuin tähdetkin. Ne ovat materian luonnollinen olotila, johon asettua, ja jossa säilyä pitkiä aikoja, vuosimiljoonia ja -miljardeja. Siksi planeettoja on kaikkialla missä vain on tähtiäkin.
Syntyprosessi sisältää väkivaltaa suurienergisten planeettoja tuhoavien törmäysten ja polttavan säteilyn muodossa. Se on kaoottinen tapahtumaketju, jonka lopputulosta on mahdotonta ennustaa tarkasti. Silti, lainalaisuuksia on paljon, koska fysiikan lait toimivat aivan samalla tavalla kaikkialla ja kaikkina aikoina. Ja jokainen syntyvä planeettakunta noudattaa fysikaalisia reunaehtoja orjallisen tarkasti.
Kauan sitten, Aurinkokunnan kohdalla oli vain tähtienvälistä kaasua ja kosminen kourallinen pölyhiukkasia.
Kertymäkiekot ovat litteitä muodostelmia, jotka koostuvat pääasiassa kaasusta. Samasta aineksesta, josta niitä vetovoimallaan paimentavat nuoret prototähdet ovat syntyneet. Maailmankaikkeuden yleisimmät alkuaineet ovat luonnollisesti hyvin edustettuina — kertymäkiekon massasta ylivoimainen valtaosa on molekulaarista vetyä ja heliumia. Mutta joukossa on aina epäpuhtauksia, ripaus tähtitieteilijöiden geneerisesti ”metalleiksi” kutsumia aineita. Se tarkoittaa kaikkia heliumia raskaampia aineita olivat ne sitten maanläheisemmässä kemiallisessa mielessä metallisia tai eivät.
Litteät kertymäkiekot saavat alkunsa yksinkertaisesta pyörimismäärän säilymislaista. Tähdet syntyvät massiivisista tähtienvälisen aineksen molekulaarisista pilvistä, joissa esiintyy pyörteitä ja kaoottista turbulenssia. Pilvet ovat dynaamisia, alati muuttuvia muodostelmia, joissa aineksen tiheys vaihtelee ulkoisten ja sisäisten voimien vaikutuksesta. Läheisten tähtien säteily ja hiukkastuuli työntää ja kuumentaa kaasua ja siihen muodostuu shokkirintamia supernovaräjähdysten seurauksena. Mutta pilvet ovat myös valtavan massiivisia ja niiden oma gravitaatio muokkaa niiden muotoa. Joskus pilven jokin osa saavuttaa kriittisen tiheyden ja alkaa kehityskulku, jota mikään ei voi enää estää: pilvi fragmentoituu ja romahtaa oman gravitaationsa vaikutuksesta tiivistymiskeskuksia kohti. Niistä jokaisesta muodostuu uusi tähti.
Kaasu tiivistyy ja putoaa kohti sen oman gravitaatiogradientin osoittamaa suuntaa, paikallista tiheyskeskittymää. Mutta kaikki aines ei liiku samalla tavalla. Osa kaasusta ja muusta aineksesta putoaa keskustan ohi ja jää sitä kiertävälle radalle. Kaasumolekyylit ja atomit törmäilevät keskenään kaoottisessa prosessissa mutta lopputulos on vääjäämätön. Osa kaasusta jää kiertämään samaan tasoon, joka määräytyy koko romahtavan kaasupilven keskimääräisen pyörimismäärän mukaisesti. Tiivistyessä minimaalisen pieni, satunnainen alkutilan pyöriminen voimistuu moninkertaiseksi ja syntyy vihnasti pyörivä prototähti, jonka ytimessä fuusioreaktiot käynnistyvät sen saavutettua kriittisen massan ja ytimen paineen ja lämpötilan.
Vaikka kaasu liikkuu aluksi satunnaisesti, kaasun kitka ja viskositeetti saa liikkeen vaimenemaan. Kertymäkiekon tasossa materia jää Keplerin lakien mukaisesti syntyneen prototähden kiertoradalle, valuen kitkan vuoksi hiljalleen prototähteen kasvattaen sen massaa. Kaikki kiekon tasoa vastaan oleva liike vaimenee ja kertymäkiekko litistyy, tiivistyy ja muotoutuu tähden päiväntasaajan tasoon. Fysiikan armottomat säilymislait johtavat automaattisesti litteän planeettakunnan esiasteen, kertymäkiekon syntyyn.
Ajatus tähtienvälisestä kaasusta syntyvistä tähdistä ja planeettakunnista esitettiin jo 1700-luvun puolessa välissä. Sitä hahmotteli ruotsalainen Emanuel Swedenborg ja sen puki tieteelliseksi hypoteesiksi saksalainen filosofi Immanuel Kant. Kant kuvasi miten tähtienvälisen kaasun pilvet pyörähtelevät hitaasti ja lopulta romahtavat gravitaationsa vaikutuksesta litteiksi kiekkomaisiksi rakennelmiksi, tähtien ja planeettojen syntysijoiksi.
Samaan lopputulokseen päätyi ilmeisen riippumattomasti myös kuuluisa ranskalainen matemaatikko Pierre-Simon Laplace, jonka nimi elää kaikkien yliopistolla matematiikkaa opiskelevien kurssimateriaaleissa Laplace-muunnoksissa ja Laplace-jakaumissa. Vaikka monet yksityiskohdat olivat ratkaisematta ja osa Kantin ja Laplacen ajatuksista oli vääriä, heidän esittämänsä planeettakuntien syntyprosessi on karkeasti ottaen paikkansapitävä. Kertymäkiekkojen muodostuminen on prosessissa oleellisessa osassa ja kiekot määrittävät planeettakuntien ratatason.
Kaasun joukossa olevilla metalleilla on ratkaiseva rooli. Ne muodostavat pölyhiukkasia, pikkuruisia planeettojen siemeniä.
Pölyn määrä vaikuttaa siihen, miten planeettojen synty etenee kertymäkiekon sisäosissa. Pöly koostuu vetyä ja heliumia raskaammista aineista, joten se asettuu kaasua tarkemmin kertymäkiekon tasoon. Silloin pölyhiukkaset alkavat törmäillessään takertumaan toisiinsa. Lähellä tähteä pölyhiukkaset koostuvat raskaimmista aineista, raudasta, nikkelistä ja muista metalleista — kaikki muut alkuaineet pysyvät kaasumaisessa muodossa tähden sytyttyä loistamaan ja kuumentaessa kiekon sisäosia säteilyllään. Hiukan kauempana myös silikaatit, eli piin ja hapen yhdisteet, joita kutsumme tutummin kiveksi, pysyvät kiinteinä ja kykenevät muodostamaan pölyhiukkasia.
Noin kolmen AU:n etäisyydellä auringonkaltaisesta tähdestä pölyhiukkasten määrä kokee dramaattisen muutoksen. Vesi, maailmankaikkeuden yleisin yhdiste, osallistuu pölyhiukkasten muodostumiseen, koska lämpötilat ovat riittävän matalia, jotta vesi ei höyrysty. Etäisyyttä kutsutaan osuvasti ”jäärajaksi”, koska sen ulkopuolella on ikuinen talvi ja vesi pysyy jäässä muodostaen Aurinkokunnastakin tuttuja komeettoja ja jäisiä asteroideja.
Pöly asettuu kiekon tasoon sen tarkemmin mitä suuremmista hiukkasista on kyse. Hiukkaset kuitenkin myös kasvavat — pölyhiukkaset takertuvat toisiinsa hanakasti kohdatessaan avaruudessa. Syntyy aina vain suurempia hitusia, murusia, murikoita ja lohkareita, kun aines kasautuu kertymäkiekon tasossa miljardeiksi pieniksi kappaleiksi. Hiukkasten kokojakauma litistyy ja levenee — pienimmät hiukkaset voivat vain kasvaa mutta vaikka suuremmat kappaleet saattavat myös pirstoutua ja hajota lukuisissa törmäyksissä, keskimäärin kappaleiden koko jatkaa kasvuaan. Prosessia ei pysäytä mikään, vaan aineksen kasautuminen jatkuu ja muodostuu protoplaneettoja, noin 1000-2000 km kokoluokan kappaleita, jotka muodostavat syntyneen planeettakunnan kiertolaisten siemenet.
Pölyn määrä pienenee tasaisesti siirryttäessä kauemmaksi prototähdestä. Suuremmissa tiheyksissä kertymäkiekon sisäosissa pölyhiukkasten kasautuminen voi olla nopeampaa mutta etäisyydellä on toinenkin vaikutus. Kauempana tähdestä pölyä mahtuu samalle kiertoradalle enemmän, koska kiertorata on pidempi. Näin suuremmaksi kasvaneet kappaleet voivat kerätä radallaan itseensä enemmän materiaa. Saavutettuaan protoplaneettojen kokoluokan, kappaleiden vetovoimat ryhtyvät häiritsemään sisemmillä ja ulommilla radoilla tähteä kiertävien toisten kappaleiden liikettä. Se taas saa aikaan väkivaltaisia kosmisia törmäyksiä ja kiihdyttää suurimpien kappaleiden kasvua. Protoplaneettojen kasvua rajoittaa vain niitä ympäröivän materian määrä.
Lopulta protoplaneettoja on joitakin satoja tai tuhansia. Niistä suurimmat jatkavat kasvuaan ja saavuttavat usean Maapallon massan. Erityisesti jäärajan takana hitaasti tähden ympäri kiertävä materia tiivistyy suuriksi ytimiksi, jotka ryhtyvät vetämään puoleensa kaasua harvenevasta kertymäkiekosta. Silloin jättiläiset saavat alkunsa.
Jättiläisplaneetat vuorovaikuttavat aktiivisesti kertymäkiekon kaasun kanssa. Tarkimmat infrapuna– ja millimetrialueen instrumentit, kuten Atacaman autiomaan ALMA-interferometri, ovat kuvanneet syntyvien planeettakuntien kertymäkiekkoja saaden tietoa niissä piilottelevista vastasyntyneistä jättiläisplaneetoista. Oikeastaan syntyviä planeettoja ei ole havaittu suoraan mutta niiden vuorovaikutuksesta kertymäkiekon kaasun ja pölyn kanssa on häkellyttävän selkeitä merkkejä (Kuva 2.).
Suuret protoplaneetat ovat kuin valtaisia kosmisia imureita. Ne vetävät puoleensa kertymäkiekon ainesta, joka kieppuu spiraaleina planeetan pinnalle kasvattaen sen massaa ja voimistaen sen vetovoimaa. Mutta kaasu vaikuttaa myös planeettojen ratoihin. Sen kitka saa niiden radat muuttumaan ja kasvavat jättiläisplaneetat voivat lipua hiljalleen lähemmäs tähteään. Niistä joidenkin radat muuttuvat dramaattisin seurauksin.
Jos kertymäkiekossa on tarpeeksi kaasua jättiläisplaneetan muodostuttua, kaasun kitkavoimat vähentävät planeetan liike-energiaa hidastamalla sen nopeutta, jolloin planeetta vajoaa syvemmälle tähden gravitaatiokentän potentiaalikaivoon. Planeetta siis siirtyy lähemmäksi tähteään ja vaikuttaa prosessissa kaikkien muidenkin planeettojen ja protoplaneettojen ratoihin. Aurinkokunnassa Jupiter ja Saturnus ovat lipuneet hiljalleen lähemmäksi Aurinkoa mutta niiden keskinäinen vuorovaikutus on todennäköisesti hidastanut liikettä ja saanut jättiläiset jäämään nykyisille radoilleen, kauas Aurinkokunnan sisäosista. Ilmeisesti Saturnus on isällisin ottein estänyt meitä päätymästä Jupiterin syömiksi. Se on ollut meidän onnemme.
Joissakin tapauksissa jättiläisplaneettojen muuttoliikkeen pysäyttää vasta kertymäkiekon sisäreuna ja ne päätyvät kiertämään tähtiään hyvin lyhyille kiertoradoille, joilla ne suorastaan viistävät tähden pintaa. Nämä kuumat Jupiterit kiertävät tähtensä vain muutamassa päivässä — vertailun vuoksi, Jupiter kiertää Auringon noin 11 vuodessa. Kuumia Jupitereja ei ole voinut olla omassa aurinkokunnassamme, koska silloin emme olisi täällä tekemässä tähtitieteellisiä havaintoja — koko planeettaamme ei olisi olemassa, koska muuttaessaan ohi kulkenut jättiläisplaneetta olisi häirinnyt Maan rataa tuhoisin seurauksin singoten sen ulos koko järjestelmästä tai maailmanloppua tarkoittavalle törmäyskurssille. Vaihtoehtoisesti, protoplaneetat, joiden törmäyksissä Maa on saanut alkunsa, olisivat tuhoutuneet ja koko planeettamme ei olisi edes syntynyt.
Koska kuumat jupiterit olisivat tuhonneet planeettamme Aurinkokunnassa, kukaan ei osannut olettaa sellaisia olevan edes olemassa. Kyse on heikon antrooppisen periaatteen versiosta. Voimme olla havaitsemassa universumin lainalaisuuksia vain, koska olosuhteet sattuivat olemaan sellaiset, että Maapallo on saanut kiertää stabiililla radallaan Aurinkoa mahdollistaen elämän kehityksen ja hominidi-suvun ihmisapinoiden kukoistuksen. Yleisemmin, on vaikeaa kuvitella olosuhteita, joissa ihmisiä ei olisi koskaan syntynyt, koska emme ole sellaisia voineet kokea.
Planeettakuntien kehitys ei lopu jättiläisplaneettojen syntyyn, vaan protoplaneetat jatkavat kasvuaan niin kauan kuin materiaa riittää niiden ratojen lähiympäristössä. Miljoonien vuosien kuluessa niiden vetovoimat vaikuttavat toistensa ratoihin ja viimeiset maailmoja tuhoavat törmäykset jättävät jälkeensä planeettakunnan, joka pysyy stabiilina ja jossa planeetat kiertävät tähteään rauhallisesti, erillisillä radoillaan ja häiritsemättä vakavasti toistensa liikettä. Planeettakunnat syntyvät kaaoksesta, väkivallasta ja fysikaalisista lainalaisuuksista. Mutta ne syntyvät aina kun tähdetkin saavat alkunsa, tähtien synnyn vääjäämättöminä sivutuotteina.
Olemme tähtienvälisen pölyn lapsia, tähtisumusta tehtyjä. Mutta mikään ei viittaa siihen, että olisimme siinäkään suhteessa erityisasemassa universumissamme ja galaksissamme.
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 