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).

 

Webb kuvasi uuden eksoplaneetan 12 valovuoden etäisyydeltä

ESA

NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskooppia käyttävä kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä on kuvannut suoraan eksoplaneetan noin 12 valovuoden etäisyydeltä Maasta. Vaikka aikaisemmin oli vihjeitä planeetan olemassaolosta, sitä ei vahvistettu ennen kuin Webb kuvasi sen. Planeetta on yksi kylmimmistä tähän mennessä havaituista eksoplaneetoista.

Planeetta, joka tunnetaan nimellä Epsilon Indi Ab, on useita kertoja Jupiterin massainen ja kiertää K-tyypin Epsilon Indi A (Eps Ind A) tähteä, joka on suunnilleen Auringon ikäinen, mutta hieman viileämpi. Tiimi tarkkaili Epsilon Indi Ab:ta käyttämällä Webbin  MIRI:n ( mid-Infrared Instrument ) koronagrafia. Vain muutamia kymmeniä eksoplaneettoja on aiemmin kuvattu suoraan avaruudessa ja maassa sijaitsevilla observatorioilla.

Exoplaneetta Epsilon Indi Ab (MIRI-kuva). Eksoplaneetta on oranssi pallukka ja itse Epsilon Indi A -tähti on peitetty Webbi toimiessa koronagrafina kuvaa otetaessa. Kuva ESA.

"Tämä löytö on jännittävä, koska planeetta on melko samanlainen kuin Jupiter - se on hieman lämpimämpi ja massiivisempi, mutta muistuttaa enemmän Jupiteria kuin mikään muu planeetta, joka on kuvattu tähän mennessä", sanoi johtava kirjailija Elisabeth Matthews (Max Planckin tähtitieteen instituutti, Saksa).

"Aiemmat havainnot tästä järjestelmästä ovat olleet epäsuoria mittauksia tähdestä, mikä antoi meille mahdollisuuden nähdä etukäteen, että tässä järjestelmässä oli todennäköisesti jättimäinen planeetta, joka veti tähtiä", lisäsi ryhmän jäsen Caroline Morley (Texasin yliopisto, Austin, Yhdysvallat). "Siksi tiimimme valitsi tämän järjestelmän tarkkaillakseen sitä Webbillä."

 

Aurinkokunnan analogia?

Aikaisemmin kuvatut eksoplaneetat ovat yleensä nuorimpia, kuumimpia eksoplaneettoja, jotka säteilevät edelleen suuren osan syntyhetkessään olevasta energiasta. Kun planeetat jäähtyvät ja supistuvat kehityskaarensa aikana, ne muuttuvat huomattavasti himmeämmiksi ja siksi niitä on vaikeampi kuvata.

"Kylmät planeetat ovat hyvin himmeitä, ja suurin osa niiden säteilystä on keski-infrapunassa", Elisabeth selitti. "Web soveltuu ihanteellisesti keski-infrapunakuvaukseen, jota on erittäin vaikea tehdä Maan pinnalta. Tarvitsimme myös hyvän spatiaalisen resoluution erottaaksemme planeetan ja tähden kuvissamme, ja suuri Webb-peili on erittäin hyödyllinen tässä suhteessa.

Epsilon Indi Ab on yksi kylmimmistä suoraan havaittavista eksoplaneetoista, sen arvioitu lämpötila on 2 celsiusastetta – kylmempi kuin mikään muu Aurinkokuntamme ulkopuolella kuvattu planeetta ja kylmempi kuin kaikki paitsi yksi vapaasti kelluva ruskea kääpiö^[1] . Planeetta on vain noin 100 celsiusastetta lämpimämpi kuin Aurinkokuntamme kaasujättiläiset (Jupiter ja Saturnus). Tämä tarjoaa astronomeille harvinaisen mahdollisuuden tutkia Aurinkokunnan todellisten analogien ilmakehien koostumuksia.

 

Ei aivan kuten ennustettiin

Epsilon Indi Ab on kahdestoista lähin Maata tähän mennessä tunnettu eksoplaneetta ja lähin Jupiteria massiivisempi planeetta. Tiederyhmä päätti tutkia Eps Ind A:ta, koska järjestelmä osoitti vihjeitä mahdollisesta planeetasta käyttämällä radiaalinopeudeksi kutsuttua tekniikkaa, jossa mitataan isäntätähden edestakaisia heilahtelut näkösäteemme suhteen.

"Vaikka odotimme kuvaavamme planeetan tässä järjestelmässä, koska sen olemassaolosta oli merkkejä säteittäisnopeudesta, löytämämme planeetta ei ole se, mitä olimme ennustaneet", Elisabeth kertoi.

Se on noin kaksi kertaa niin massiivinen, että se on hieman kauempana tähdestä, ja sen kiertorata on erilainen kuin odotimme. Tämän ristiriidan syy on edelleen avoin kysymys. Myös planeetan ilmakehä näyttää olevan hieman erilainen kuin mallien ennusteet. Toistaiseksi meillä on vain muutama fotometrinen mittaus ilmakehästä, mikä tarkoittaa, että on vaikea tehdä johtopäätöksiä, mutta planeetta on odotettua himmeämpi lyhyemmillä aallonpituuksilla.

Tiimi uskoo, että tämä voi tarkoittaa, että planeetan ilmakehässä on paljon metaania, hiilimonoksidia ja hiilidioksidia, jotka absorboivat lyhyempiä valon aallonpituuksia. Se saattaa myös viitata hyvin pilviseen ilmakehään.

Eksoplaneettojen suora kuvantaminen on erityisen arvokasta karakterisoinnin kannalta. Tutkijat voivat kerätä valoa suoraan havaitulta planeetalta ja verrata sen kirkkautta eri aallonpituuksilla. Toistaiseksi tutkimusryhmä on havainnut Epsilon Indi Ab:n vain muutamilla aallonpituuksilla, mutta he toivovat voivansa havaita planeettaa uudelleen Webbillä suorittaakseen sekä fotometrisiä [2] että spektroskooppisia mittauksia. He toivovat myös pystyvänsä havaitsemaan muita samanlaisia ​​planeettoja Webbin avulla löytääkseen mahdollisia kehityskulkuja tällaisten planeettojen ja niiden ilmakehän muodostumisesta.

Huomautuksia

Tutkimus on julkaistu tiedejulkaisu Naturessa (maksumuuri) 24.7.2024.

[1] Ruskea kääpiö, joka tunnetaan nimellä Wise 0855, löydettiin vuonna 2014.

[2] Fotometria on tiedettä, joka mittaa tähdestä tulevan valon määrää.

Webbin kuvat: planetaarinen rengassumu NGC 3132

Auringonkaltaisten tähtien evoluution viimeisessä vaiheessa tähti menettää suuren osan massastaan avaruuteen. Tapahtuma ei ole vain yksi purkaus, vaan useita perättäisiä purkauksia. Avaruuteen purkautunut aine laajenee ja perättäiset purkaukset muodostavat sisäkkäisiä kuoria. Lopulta tähti luhistuu valkoiseksi kääpiöksi, joka ei enää tuota energiaa mutta säteilee jäännöslämpöä satoja miljoonia tai useita miljardeja vuosia.

---

Tämä rinnakkainen vertailu näyttää NASA/ESA/CSA Webb-teleskoopin havainnot eteläisen rengassumusta lähi-infrapunavalossa vasemmalla ja keski-infrapunavalossa oikealla.

Tämän näkymän loi valkoinen kääpiötähti – Aurinkomme kaltaisen tähden jäännös sen jälkeen, kun se oli puhaltanut avaruuteen uloimmat kerrokset ​​ja lakannut tuottamasta energiaa ydinfuusiolla. Nämä ulkokerrokset muodostavat nyt tässä kuvassa näkyvät sumun kuoret.

Near-Infrared Camera (NIRCam) -kuvassa valkoinen kääpiö näkyy kirkkaan, keskellä olevan tähden vasemmassa alakulmassa, osittain diffraktiopiikkien piilossa. Sama tähti näkyy – mutta kirkkaampana, isompana ja punaisempana – Mid-Infrared Instrument (MIRI) -kuvassa. Tämä valkoinen kääpiötähti on peitetty paksuilla pölykerroksilla, mikä saa sen näyttämään suuremmalta.

Kummankaan kuvan kirkkaampi tähti ei ole vielä luopunut kerroksistaan. Se kiertää tiukasti himmeämpää valkoista kääpiötä ja auttaa levittämään sen ulos työntymää.

Nykyään valkoinen kääpiö lämmittää kaasua sisäalueilla, jotka näkyvät sinisenä vasemmanpuoleisessa kuvassa ja punaisina oikeanpuoleisessa kuvassa. Molemmat tähdet valaisevat ulompia alueita oranssina ja sinisenä.

Kuvat näyttävät hyvin erilaisilta, koska NIRCam ja MIRI keräävät erilaisia ​​valon aallonpituuksia. NIRCam tarkkailee lähi-infrapunavaloa, joka on lähempänä silmämme havaitsemaa näkyvää aallonpituutta. MIRI menee pidemmälle infrapunaan poimimalla keski-infrapuna-aallonpituuksia. Toinen tähti näkyy selkeämmin MIRI-kuvassa, koska tämä instrumentti näkee ympärillään kiiltävän pölyn ja tuo sen selkeämmin näkyviin. Kuva NASA, ESA, CSA, STScI, and the Webb ERO Production Team.

---

Webbin ottama kuva rengassumusta NGC 3132 osittaa laajenevan kuoren kerroksellisen rakenteen erittäin selvästi. Kerroksista tutkijat voivat päätellä tähden viimeisten vaiheiden historian mutta sen lisäksi myös tähden ja sumun kemiallisen rakenteen ja sen evoluution. 

Kuvassa on sumun keskellä kaksi tähteä (kaksoistähti), joista himmeämpi on synnyttänyt tämän planetaarisen sumun. Kirkkaampi tähti on vielä kehityskaarensa aikaisemmassa vaiheessa mutta aikanaan sekin tulee tuottamaan oman sumunsa. Milloin se tapahtuu ja onko tästä nykyisestä sumusta mitään jäljellä siinä vaiheessa, on toistaiseksi arvailujen varassa. 

Planetaariset sumut laajenevat avaruuteen, menettävät kirkkauttaan ja lopulta katoavat näkyvistä. Aikaa tässä vaiheessa kuluu kymmeniä tai satojatuhansia vuosia, joten voi olla hyvinkin mahdollista, että toisen tähden muodostaessa planetaarista sumua, tästä ensimmäisestä sumusta ei enää ole mitään jäljellä. Planetaaristen sumujen aine ei kuitenkaan katoa mihinkään, vaan se voi miljardien vuosien kuluttua päätyä uuteen tähteen.

Kuvat on otettu Webbin Near-Infrared Camera (NIRCam) (vasen) ja Mid-Infrared Instrument (MIRI) (oikea) -instrumenteillä.