Plutolla yllättävä ilmiö: JWST vahvistaa usvan viilentävän vaikutuksen

KAK – Kaukainen kääpiöplaneetta Pluto on jälleen kerran yllättänyt tutkijat. Vuosikymmenen vanha arvoitus sen ilmakehän kylmyydestä on saanut ratkaisun, kiitos James Webb -avaruusteleskoopin (JWST) tarkkojen havaintojen. Tuore Nature Astronomy -lehdessä julkaistu tutkimus vahvistaa teorian vuodelta 2017: Pluton usvainen huntu ei ainoastaan lämmitä, vaan toimii myös tehokkaana jäähdyttimenä, joka selittää planeetan hyytävät olosuhteet.

Pluto New Horizons -luotaimen kuvaamana suunnilleen sellaisena kuin jos me näkisimme sen omin silmin. Kuva NASA/New Horizons.

Kaikki alkoi heinäkuussa 2015, kun NASAn New Horizons -luotain lensi Pluton ohitse ja lähetti Maahan ensimmäiset tarkat kuvat ja mittaustulokset tästä jäisestä maailmasta. Yksi suurimmista yllätyksistä oli Pluton ilmakehä. Se oli odotettua huomattavasti kylmempi.

Ilmakehämallien mukaan auringonvalon osuessa Pluton typpi- ja metaanipitoiseen kaasukehään sen olisi pitänyt lämmetä noin 100 kelviniin (noin –173 °C). New Horizonsin mittaukset paljastivat kuitenkin todellisen lämpötilan olevan vain noin 70 kelviniä (–203 °C). Jokin mekanismi siis poisti ilmakehästä lämpöä tehokkaammin kuin osasimme odottaa. Mutta mikä?

Vuonna 2017 tutkijat Xi Zhang, Darrell F. Strobel ja Hiroshi Imanaka esittivät Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissaan selityksen. Heidän teoriansa mukaan avainasemassa ovat Pluton ilmakehän monimutkaiset hiilivety-yhdisteistä koostuvat usvahiukkaset – samat hiukkaset, jotka antavat Pluton ilmakehälle sinisen hohdon.

Pluton usvainen ilmakehä näkyy tässä osittain vastavaloisessa kuvassa. Kuva NASA/ New Horizons.

Teoria oli kaksijakoinen ja hieman paradoksaalinen:

1. Lämmitys: Kuten aiemmin oli ajateltu, usvahiukkaset imevät itseensä Auringon ultraviolettisäteilyä. Tämä prosessi lämmittää ilmakehän yläosia. Tämä oli odotettu osa yhtälöä.
2. Jäähdytys (uusi oivallus): Zhangin ja kollegoiden mullistava idea oli, että nämä samat usvahiukkaset säteilevät absorboimaansa energiaa erittäin tehokkaasti takaisin avaruuteen, mutta tekevät sen keski-infrapunan aallonpituuksilla. Tämä infrapunasäteily pääsee karkaamaan avaruuteen lähes esteettä, kuljettaen mukanaan valtavan määrän lämpöenergiaa.

Heidän mallinsa mukaan tämä jäähdytysmekanismi oli niin voimakas, että se ylitti reilusti hiukkasten aiheuttaman lämmitysvaikutuksen. Lopputuloksena oli ilmakehä, joka oli juuri niin kylmä kuin New Horizons oli mitannut. Teoria oli vakuuttava, mutta siltä puuttui vielä suora havaintotodiste – kukaan ei ollut havainnut tätä ennustettua infrapunahehkua.

Tässä kohtaa tarinaan astuu mukaan James Webb -avaruusteleskooppi. Sen MIRI-instrumentti (Mid-Infrared Instrument) on suunniteltu havaitsemaan juuri niitä keski-infrapunan aallonpituuksia, joilla Pluton usvan ennustettiin säteilevän.

Juuri julkaistussa Nature Astronomy -artikkelissa "Evidence of haze control of Pluto’s atmospheric heat balance from JWST/MIRI thermal light curves" tutkijaryhmä raportoi havainnoista, jotka osuvat naulan kantaan. JWST mittasi Pluton lämpökäyrää – eli sitä, miten planeetan lämpösäteily vaihtelee sen pyöriessä.

Havainnot paljastivat, että Pluton ilmakehä todellakin säteilee voimakkaasti keski-infrapuna-alueella, juuri kuten Zhangin ja kumppaneiden malli vuodelta 2017 ennusti. Tämä on suora todiste siitä, että usvahiukkaset toimivat Pluton ilmakehän termostaattina ja hallitsevat sen lämpötasapainoa. Usvan jäähdyttävä vaikutus on todellinen ja merkittävä.

Pluton arvoituksen ratkeaminen on merkittävä saavutus, jolla on laajempia vaikutuksia. Se osoittaa, että usvahiukkasilla voi olla yllättävän monimutkainen ja hallitseva rooli planeettojen ilmakehien energiataseessa. Tämä on otettava huomioon, kun tutkimme muita usvaisia kohteita Aurinkokunnassamme, kuten Saturnuksen kuuta Titania.

Mutta havainnon vaikutukset ulottuvat laajemmallekin kuin vain meidän Aurinkokuntaamme. Monet kaukaisista eksoplaneetoista voivat olla usvan peitossa! Pluton tapaus antaa meille uuden työkalun ja ymmärryksen siitä, miten näiden vieraiden maailmojen ilmastot voivat toimia. Usvainen ilmakehä ei välttämättä tarkoita lämmintä, vaan se voi päinvastoin viitata tehokkaaseen jäähdytykseen.

Tämä tarina on myös täydellinen esimerkki tieteellisestä prosessista toiminnassa: ensin arvoituksellinen havainto (New Horizons), sitten selittävä teoria ja ennuste (Zhang et al. 2017), ja lopulta teorian vahvistava ja ratkaiseva havainto (JWST 2025).