Aurinkokunta

Muutama vuosi sitten tuntematon meteoriittien etsijä löysi 453-grammaisen epätavallisen kiven hiekkadyyniltä Mauritaniasta. Vuonna 2017 se myytiin alueella käyneelle tutkijalle, ja on nyt nimetty tunnuksella NWA 11119. (Sivukommentti: Se on siis järjestyksessä 11119. Luoteis-Afrikasta (North-West Africa) löydetty ja nimetty meteoriitti.)

Kivi on meteoriitiksi epätavallisen näköinen. Pinnan sulamiskuori on oliivinvihreä ja sisempi aines vaaleampaa kuin useimmissa meteoriiteissa. Kiveä täplittävät kauniin vihreät pyrokseenikiteet.

Varsinaisesti meteoriitin tekee kuitenkin erikoiseksi kaksi asiaa: sen ikä ja kivilaji. Kumpikaan ei yksinään ole kovin erikoinen asia, mutta yhdessä ne kertovat jotain ennenkuulumatonta aivan Aurinkokunnan alkuajoista.

Tutkimus aiheesta julkaistiin Nature Communications -julkaisusarjassa.

Kumpi oli ensin - tulivuori vai planeetta?

Noin 4,6 miljardia vuotta sitten Aurinkokuntamme alkoi muotoutua (tähtitieteellisesti) pienen pöly- ja kaasupilven tiivistyessä. Sen keskelle syttyi Aurinko. Ympäröivä aines painui pyöriväksi kiekoksi, jossa pöly ja ainemuruset takertuivat ja törmäilivat toisiinsa, synnyttäen aina vain suurempia kappaleita, jotka jatkoivat edelleen yhdistymisiään. Syntyi kilometrisiä "planetesimaaleja", niistä edelleen protoplaneettoja, ja lopulta planeettoja.

Sama prosessi jatkuu yhä. Kaikkein viimeisimpiä planeettojen kokoa kasvattavia hitusia ovat niiden pinnalle putoavat meteoriitit. Nyt me vain satumme olemaan täällä, tulkitsemassa hitusten mukana tulevaa tietoa muinaisesta maailmasta.

Analyysien mukaan NWA 11119 on 4,5651–4,5645 miljardin vuoden ikäinen. Se siis syntyi kymmeniä tai satoja miljoonia vuosia ennen Maata tai muita planeettoja ja edustaa näin Aurinkokunnan vanhimpia aineksia. (Sivukommentti: Se ei kuitenkaan ole juuri se kaikkein vanhin löydetty meteoriitti. Tuo titteli on tällä haavaa NWA 2364:llä, josta on mitattu vielä 3–4 miljoonaa vuotta NWA 11119:kin vanhempia ikiä.)

Monet NWA 11119:n ominaisuudet kertovat sen olevan selkeästi vulkaanista alkuperää. Kolmannes kivestä on tridymiittia, kvartsin kaltaista suuressa lämpötilassa syntyvää silikaattimineraalia. Vastaavia osuuksia tridymiittiä on tähän mennessä löydetty ainoastaan joistain Maan vulkaanisista kivistä. Kiveä täplittävä pyrokseeni taas syntyy kiteytymällä sulasta magmasta paineen pienentyessä. Kivessä on lisäksi paljon merkkejä nopeasta jäähtymisestä, mistä voi päätellä kiven päätyneen vauhdilla hyvin kuumasta hyvin kylmään. Tärkeintä kuitenkin on meteoriitin kivilaji, andesiitti.

Andesiittia syntyy tiettävästi ainoastaan monimutkaisten geologisten prosessien myötä. Emokappaleen täytyy ensinnäkin olla varsin pitkälle "differentioitunut" eli erottunut: raskaat aineet ovat vajonneet sen sisällä syvemmälle samalla kun kevyemmät aineet kelluvat pinnalla. Myöhemmin raskaamman syväaineksen täytyy nousta sulana pintaan paineen vaikutuksesta, ja matkalla osan siitä pitää kiteytyä. Magman tulee myös pystyä sulattamaan päällä olevaa silikaattista kevyttä materiaa, minkä jälkeen kivisulien tulee sekoittua, ennen pinnalle purkautumista.

Maapallolla andesiittia löytyy etenkin saarikaarten tulivuorista. Merellisen basalttisen laatan painuessa mantereisen alle se sulaa, ja magma alkaa nousta ylöspäin. Pinnalle syntyy tulivuoria, joista joistain purkautuu andesiittista laavasekoitusta.

Videolla pyöritellään palasta tutkittua meteoriittia.

Andesiittia on toistaiseksi löydetty lähinnä Maasta. Lisäksi siitä on löydetty viitteitä ainakin Marsista. Kivilajin on pitkään oletettu syntyvän vain varsin suurilla ja pitkälle kehittyneillä planeetoilla, ehkä protoplaneetoillakin

Muinaista andesiittia on kuitenkin löydetty myös meteoriiteista aiemminkin, mutta nuo kivet ovat olleet selvästi NWA 11119:ä nuorempia. Niiden emo(proto)planeetoilla oli 40 miljoonaa vuotta enemmän aikaa kasvaa ja differentioitua.

NWA 11119 on nyt kaikkein vanhin tunnettu magmakivestä koostuva meteoriitti - tai magmakivi ylipäätään. Sen materia on siis alunperin purkautunut sulana jonkin suurehkon emo(proto)planeetan syvemmistä kerroksista pinnalle. Oletetun syntyprosessin mukaan emon aines myös lieni varsin pitkälle erottunutta. Toistaiseksi ei kuitenkaan ymmärretä, kuinka riittävän suuria protoplaneettoja olisi vielä ehtinyt syntyä vain muutaman miljoonan vuoden ikäisessä Aurinkokunnassa.

Nyt tehty löytö joko työntää Aurinkokunnan syntyä hieman taaksepäin, tai antaa aiheen pohtia voisiko andesiittia syntyä muutoinkin kuin vain suurilla pitkälle kehittyneillä (proto)planeetoilla.

NWA 11119 lieneekin siis peräisin joltain aiemmin tuntemattomalta emokappaleelta, minkä kokoinen se sitten olikin - planetesimaali, protoplaneetta tai jotain muuta. Suurin osa tuosta kappaleesta on luultavasti käytetty jonkin planeetan rakennusaineeksi, tai sitten se on levinnyt avaruuteen suuren törmäyksen ansiosta. (Sivukommentti: Happi-isotoopianalyysin myös meteoriitit NWA 7235 ja Almahata Sitta saattavat olla peräisin samalta kappaleelta. Jos näin oli, ne ovat kuitenkin peräisin täysin eri alueelta sen pinnalla.)

"Tämä tutkimus on avain siihen, kuinka planeettojen rakennuspalikat muodostuivat. Olemme nyt löytäneet periaatteessa puuttuvan palasen palapeliimme. Siitä näkee, että tuliperäiset prosessit toimivat pienten masuunien tavoin ja prosessoivat suuren osan Aurinkokunnan kiinteistä aineista. Lopulta se johti planeettojenkin syntymiseen", summaa tutkimuksessa mukana ollut, Uuden Meksikon yliopiston meteoriitti-instituutin johtaja Carl Agee.

Löydön myötä vaikuttaa siltä, että vulkanismi (ja raskaiden ja kevyiden aineiden erottuminen) saattoikin käynnistyä jo paljon aiemmin ja paljon pienemmillä kappaleilla kuin on aiemmin oletettu. Kauan ennen kuin ne planeetan kokoisia kappaleita muodostui.

Lähteet: Srinivasan ja kumpp.: Silica-rich volcanism in the early solar system dated at 4.565 Ga (Nature Communications 2018); Arizonan valtionyliopiston tiedote.

Aloituskuva: ASU Center for Meteorite Studies

Tuore tutkimus antaa vihiä siitä, mistä asteroidi oli mahdollisesti peräisin. Toronton yliopiston Alan Jacksonin johtama ryhmä tarkasteli, miten ’Oumuamuan kaltainen kappale voisi sinkoutua tähtienväliseen avaruuteen.

Mallinnuksen mukaan se on paljon todennäköisempää, jos kyseessä on kaksoistähtijärjestelmä. Samalla selvisi, että kivisiä kappaleita – jollainen ’Oumuamua on – karkaa kaksoistähtiä ympäröivistä planeettajärjestelmistä yhtä tiuhaan kuin jäisiäkin.

"On tosi outoa, että ensimmäinen oman planeettajärjestelmämme ulkopuolelta tullut kappale on asteroidi, sillä komeetta olisi paljon helpompi löytää ja Aurinkokunnasta sinkoutuu paljon enemmän komeettoja kuin asteroideja", Jackson hämmästelee.

Tutkimuksessa tarkasteltiin myös kaksoistähtijärjestelmien yleisyyttä Linnunradassa. Kun tulokset yhdistettiin, kaikki viittasi siihen, että ’Oumuamua on peräisin kaksoistähtijärjestelmästä.

Kyseessä on ensimmäinen kerta, kun tähtienvälisestä avaruudesta tuleva kappale on onnistuttu havaitsemaan.

Havainnon teki Havaijilla oleva, rutiininomaisesti aurinkokunnan pienkappaleita havaitseva robottiteleskooppi Pan-STARRS 1 lokakuun 19. päivänä, joskin kappale löydettiin tarkemmin tutkittaessa jo aikaisempana päivänä otetuista havainnoista.

Sen liike oli sen verran omituista verrattuna normaaleihin aurinkokunnan pienkappaleisiin, että automaattinen havaintosysteemi ei sitä heti äkännyt.

Nimen A/2017 U1 saanut kappale on kooltaan noin 400 metriä ja liikkuu hyvin nopeasti.

Havainnon teon jälkeen useat teleskoopit ympäri maailmaa hälytettiin tekemään havaintoja kappaleesta, jotta sen alkuperä ja koostumus saataisiin selville.

"Oli selvää, ettei kappaleen liikerataa voitu selittää normaalilla Aurinkoa kiertävällä asteroidilla tai komeetalla", toteaa havainnon raakamateriaalista vahvistanut ja kappaleesta kansainväliselle Pikkuplaneettakeskukselle raportoinut Rob Weryk Nasan tiedotteessa.

Weryk otti heti asian äkättyään yhteyttä Marco Micheliin, joka sai käyttöönsä pian Euroopan avaruusjärjestön Teneriffalla olevan kaukoputken ottamia kuvia. Kaksikko pystyi varmistamaan näin kappaleen olevan peräisin tähtienvälisestä avaruudesta.

Nähtävästi A/2017 U1 tuli Lyyran tähtikuvion suunnasta lähes suoraan Aurinkokunnan tason päältä ja sen vauhti oli peräti 25,5 km/s, eli noin 91 800 km/h. Ratalaskelmien mukaan se oli lähimmillään Aurinkoa syyskuun 9. päivänä ja ohitti Maan 14. lokakuuta noin 24 miljoonan kilometrin päästä (noin 60 kertaa Maan ja Kuun välinen etäisyys).

"Tämä on eräs omituisimmista näkemistäni lentoradoista", sanoo Davide Farnocchia Aurinkokunnan pienkappaleita tutkivasta Nasan toimistosta.

"Kappale kulkee erittäin nopeasti ja on sellaisella radalla, että voimme olla aika varmoja siitä, että se on nyt menossa kovaa vauhtia ulos Aurinkokunnasta eikä tule koskaan takaisin." 

Aurinko käänsi kappaleen rataa voimakkaasti ja antoi sille lisävauhtia. Nyt se on menossa kohti Pegasuksen tähtikuviota 44 kilometrin sekuntinopeudella, eli 158 400 km/h.

Vaikka kyseessä oli ensimmäinen interstellaarisen ohittajan havainto, ei se ole varmaankaan ainutlaatuinen tapaus.

Voi hyvin kuvitella, että tällaisia tähtienvälisessä avaruudessa lentäviä kappaleita on paljonkin, mutta koska ne menevät ohitsemme näin nopeasti ja omituisilla radoilla, emme ole niitä vain aiemmin äkänneet.

Ja tietysti voi myös ajatella, että kyseessä oli tähtienvälinen avaruusalus, joka käytti Aurinkoamme hyväksi saadakseen lisävauhtia painovoimalinkouksella...

Päivitys 21.11.2017: Kerromme toisessa jutussa kappaleen tarkemmista tiedoista.

Syy on hyvin yksinkertainen: Maa ja Mars kiertävät Aurinkoa kumpikin hieman soikeilla radoilla, Maa vähemmän soikealla ja Mars enemmän soikealla, ja aika ajoin molemmat planeetat ovat samalla puolella Aurinkoa ja sattuvat olemaan radoillaan hyvin lähellä toisiaan. 

Näin tapahtuu keskimäärin kahden vuoden ja kahden kuukauden (keskimäärin 780 vuorokautta) välein, mutta ratojen soikeuksista johtuen välillä etäisyys on hieman suurempi ja toisinaan matkaa planeettojen välillä on vähemmän. Ja nyt etäisyys on varsin pieni.

Tarkalleen ottaen Maa ja Mars ovat lähimmillään toisiaan tiistaina 31. toukokuuta kello 01.30 Suomen aikaa. Silloin välimatka on tarkalleen 0,5032 tähtitieteellistä yksikköä (Maan ja Auringon välistä keskimääräistä etäisyyttä), eli 75,3 miljoonaa kilometriä.

Taivaalle katsottuna Mars on oppositiossa – siis täsmälleen vastakkaisella puolella taivasta kuin Aurinko – jo aiemmin, 22. toukokuuta. Mars on silloin Skorpionin tähdistössä, mutta liikkuu yö yötä kohti Vaa'an tähdistöä, mihin se siirtyy 28.5. Valitettavasti Mars nousee varsin valoisalla yötaivaalla vain noin 8° korkeudelle Etelä-Suomessa ja pohjoisessa vieläkin vähemmän. Se ei siis näy kätevästi heti iltatuntien aikaan, mutta keskiyön aikaan on selvästi kirkas, punainen planeetta eteläisellä taivaalla.

Marsin sijainnin taivaalla voi katsoa kätevästi mm. Ursan tähtikartasta. Jos punaista planeettaa katsoisi kaukoputkella, sen Maahan näkyvän puolen voi selvittää kätevästi Astronomy Now -lehden laskurilla.

Niin sanottu Tykoninen systeemi oli epätoivoinen yritys yhdistää Ptolemaioksen ajoilta periytyvä maakeskinen kuva Aurinkokunnasta uuteen, Nikolaus Kopernikuksen ehdottamaan aurinkokeskiseen systeemiin. 

Kirkko oli hirttäytynyt täysin maakeskiseen systeemiin, jonka mukaan maapallo on kaiken keskus, ja Aurinko, Kuu sekä muut planeetat kiertävät sitä. Oikeastaan koko ajan tätä kuvaa oli jouduttu korjaamaan eri tavoilla, sillä planeettojen liike taivaalla ei osunut juuri lainkaan yhteen sen ajatuksen kanssa, että ne kiertäisivät Maata ympyränmuotoisilla kiertoradoilla. 

Mitä tarkempia havaintoja tehtiin, ja ennen kaikkea säännöllisesti ja tieteellisen kurinalaisesti, sitä ilmeisemmäksi ristiriita todellisuuden ja maakeskisen mallin välillä kävi.

Erityisen merkittävä tämä ristiriita oli Tyko Brahen mielessä, sillä hän oli yhtäältä hyvin perinteinen tanskalaisaatelinen, mutta toisaalta myös ensimmäinen erittäin tarkkoja havaintoja tähtien ja planeettojen paikoista taivaalla tehneistä tähtitieteilijöistä. Voisi sanoa, että hän meni tähtitieteessä niin pitkälle kuin ilman kaukoputkea oli mahdollista.

Hän näki ja ymmärsi erittäin selvästi ristiriidan havaintojen ja vallitsevan maailmankuvan välillä, joten hän yritti selittää asiat parhain päin tasan 428 vuotta sitten julkaistussa kirjassaan De mundi aethorei recentioribus phaenomenis. 

Sen ydin oli tänään päivän kuvana oleva piirros, jossa Maa on edelleen kaiken keskus, mutta muut planeetat kiertäisivät Maata kiertävää Aurinkoa. Lisäksi Kuu luonnollisesti kiersi tässäkin mallissa maapalloa. Olennaista oli kuitenkin se, että Aurinko kiersi Maata, ja Merkurius, Venus, Mars, Jupiter ja Saturnus kiersivät puolestaan Aurinkoa. Tämä pystyi Brahen mukaan selittämään maailman.

Eräs epäilijöistä oli Brahen assistenttina ollut Johannes Kepler, joka myöhemmin - juuri Brahen tarkkojen havaintojen pohjalta - kehitti kuuluisat lakinsa planeettojen liikkeistä Auringon ympärillä. Muutenkin maakeskinen malli oli ajautumassa karille tuolloin 1500-luvun lopussa; viimeistään kaukoputki passitti maakeskisen mallin historiaan, sillä kaukoputken avulla voitiin nähdä mm. Venuksen vaiheet ja Jupiterin kuut, joita oli vaikea selittää perinteisten uskomusten perustella.

Aurinkoa kiertävien kahdeksan planeetan tiedetään syntyneen noin 4,5 miljardia vuotta sitten. Saattaa tuntua nurinkuriselta, mutta ensimmäisenä muotoutuivat suurimmat planeetat. Varsinaisena ongelmana on kuitenkin ollut, että Jupiteria ja Saturnusta ei pitäisi olla ollenkaan olemassa. Ainakaan jos suosittuun kehitysmalliin on luottaminen.

Ilmeisesti siihen ei kannata luottaa. Niin sanotun "ydinkertymämallin" mukaan jättimäisten kaasuplaneettojen kasautuminen olisi alkanut kiinteän, noin 10 kertaa Maata suuremman kappaleen muodostumisesta. Tämä jää- ja kivimöykky olisi sitten haalinut itseensä suuren määrän vetyä ja heliumia.  

Mallin riesana on ollut aika. Kiinteän ytimen olisi pitänyt muodostua muutamassa miljoonassa vuodessa tai vastasyntynyttä Aurinkoa ympäröivä kaasukiekko olisi ehtinyt harventua ennen kuin Jupiter ja Saturnus olisivat kasvaneet nykymittoihinsa: niille ei yksinkertaisesti olisi riittänyt rakennusainetta. 

Toisaalta Maan kasautuminen kesti vähintään 30 miljoonaa vuotta, mahdollisesti jopa 100 miljoonaa vuotta. Miten useita kertoja Maata suurempia kappaleita olisi voinut silti syntyä muutamassa miljoonassa vuodessa? 

"Oli epäselvää, miten Jupiterin ja Saturnuksen kaltaisia planeettoja saattoi ylipäätään muodostua", pohtii vastikään julkaistua tutkimusta johtanut Hal Levinson. Ratkaisu saattaa löytyä ”planetaarisesta sorasta”, jonka syntyä ja kehitystä tutkijat mallinsivat laskennallisesti. 

Sen sijaan, että jättiläisplaneettojen kiinteät ytimet olisivat muodostuneet vähitellen pienten kappaleiden kasautuessa vaiheittain yhä suuremmiksi ryppäiksi, Aurinkokunnan varhaisvuosina syntyi ensin suunnilleen koripallon kokoisia jäisiä möhkäleitä, jotka sitten kertyivät yhteen.

Kun kasautuminen pääsi alkuun, tätä hyvin karkeaa "soraa" ajautui kasvaviin kappaleisiin paitsi vetovoiman, myös niitä ympäröivän kaasun avittamana. Kun jäiset kimpaleet lähestyivät planeetta-alkioita, kaasu hidasti niiden liikettä, jolloin ne eivät päässeet karkuun vaan päätyivät kasvattamaan alkioiden massaa.

Tutkijoiden mukaan "sorakertymämalli" selittää Aurinkokunnan rakenteen sekä Jupiterin ja Saturnuksen synnyn käytettävissä olevassa ajassa edellyttäen, että prosessi tapahtui sopivalla nopeudella. Syntyvillä planeetoilla piti olla riittävästi aikaa vaikuttaa toisiinsa vetovoiman välityksellä. 

"Jos kertyminen tapahtuu liian nopeasti, tuloksena on satoja jäisiä maapalloja", arvioi Katherine Kretke. "Kasvavilla ytimillä täytyy olla aikaa singota kilpailijansa kauemmas, jolloin ne eivät enää pysty keräämään itseensä soraa. Silloin muodostuu ainoastaan pari kaasujättiläistä."

Tutkimuksesta kerrottiin SwRI:n (Southwest Research Institute) uutissivuilla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen)

Kuva: NASA/JPL-Caltech

Avaruudesta tunnetaan jo reilusti yli tuhat eksoplaneettajärjestelmää. Monilla tähdillä on useita kiertolaisia, ja niiden joukossa on niin kaasumaisia jättiläisplaneettoja kuin maankaltaisia kiviplaneettojakin. Yksikään planeettajärjestelmä ei kuitenkaan ihmeemmin muistuta omaa Aurinkokuntaamme.

Syypää kosmisen kulmakuntamme kummallisuuteen alkaa olla selvillä: Jupiter. Aurinkokunnan ylivoimaisesti suurin planeetta oli nuoruudessaan kuin Disney-animaation Räyhä-Ralf, joka pirstoi kaiken tielleen osuneen. Jupiter vaelteli ympäriinsä ja ehti tuhota sisäplaneettojen ensimmäisen sukupolven ennen karkaamistaan nykyisille sijoilleen.

Siksi Aurinkokunnassa ei ole Merkuriuksen radan sisäpuolella kiertäviä planeettoja. Monissa muissa järjestelmissä hyvin lähellä tähteä on Maata kookkaampia kiertolaisia, jopa jättiläisplaneettoja, joiden kiertoajat ovat kuukausien sijasta viikkoja tai vain vuorokausia.

Kuvan kaavioon on merkitty Kepler-avaruusteleskoopilla löytyneiden, Jupiteria pienempien eksoplaneettojen etäisyydet suhteessa Aurinkokunnan sisäplaneettojen etäisyyksiin. Planeettojen lukumäärä kussakin järjestelmässä on merkitty eri värein. Suurin osa niistä kiertää omaa tähteään lähempänä kuin Merkurius Aurinkoa, osa jopa alle kymmenen tähden säteen etäisyydellä.

Aurinkokunnan taakseen jättäneen Voyager 1 -luotaimen sekä sen sisaraluksen Voyager 2:n mukana on kullalla päällystetty ”äänilevy”, jolle on tallennettu kuvia ja ääniä Maasta, eri kulttuurien musiikkia sekä tervehdykset 55 eri kielellä. Levyn mukana on käyttöohjeet, joiden avulla luotaimen mahdollisesti löytävän vieraan sivilisaation edustajien olisi määrä pystyä muuttamaan sen sisältö kuultavaksi ja nähtäväksi. Onnistuisiko sinulta?