Tähtitieteilijät ovat löytäneet puuttuvan linkin Aurinkokunnan vedelle

 eso2302fi — Tutkimustiedote

Tähtitieteilijät ovat Atacama Large Millimeter/submillimeter Array eli ALMA:n avulla havainneet kaasumaisessa muodossa olevaa vettä tähden V883 Orionis ympärillä olevasta planeettoja muodostavasta kiekosta. Veden mukana kulkevan kemiallisen merkin avulla voidaan selvittää, miten vesi kulkeutuu tähtiä muodostavista kaasupilvistä planeettoihin. Havainnot tukevat ajatusta, jonka mukaan Maassa oleva vesi on jopa Aurinkoamme vanhempaa.

Tämä taiteilijan näkemys esittää tähden V883 Orionis ympärillä olevaa planeettoja muodostavaa kiekkoa. Kiekon uloimmassa osassa vesi jäätyy jääksi, minkä vuoksi sitä ei ole helppo havaita. Tähdestä tuleva energiapurkaus lämmittää sisälevyn sellaiseen lämpötilaan, jossa vesi on kaasumaista ja tähtitieteilijät voivat havaita sitä.

Kuvan sisäpuolisessa pikkukuvassa näkyvät kiekosta tutkitut kahdenlaiset vesimolekyylit: Tavallinen vesi, jossa on yksi happiatomi ja kaksi vetyatomia, ja raskaampi vesi, jossa toinen vetyatomi on korvattu deuteriumilla, joka on vedyn raskaampi isotooppi.

Kuva: ESO/L. Calçada

"Voimme nyt jäljittää veden alkuperää aurinkokunnassamme aikaan ennen auringon muodostumista", John J. Tobin, tähtitieteilijä National Radio Astronomy observatoriolta Yhdysvalloista ja tänään Naturessa julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja sanoi.

Tämä löytö tehtiin tutkimalla veden koostumusta V883 Orionis -tähden ympäriltä. Tähti sijaitsee noin 1 300 valovuoden etäisyydellä Maasta. Kun kaasu- ja pölypilvi romahtaa, sen keskelle muodostuu tähti. Kaasupilven materiasta muodostuu tähden ympärille myös kiekkomainen rakenne. Muutaman miljoonan vuoden aikana kiekon aine kasaantuu yhteen muodostaen komeettoja, asteroideja ja lopulta planeettoja. Tobin ja hänen tiiminsä käyttivät ALMAa, jossa Euroopan eteläinen observatorio (ESO) on mukana kumppanina, mittaamaan veden kemiallisia jälkiä, ja sen kulkeutumista tähtiä muodostavasta pilvestä planeettoihin.

Vesi koostuu yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista. Tobinin tutkimusryhmä tutki hieman raskaampaa veden versiota, jossa yksi vetyatomeista on korvattu deuteriumilla, joka on vedyn raskaampi isotooppi. Koska tavallinen ja raskas vesi muodostuvat eri olosuhteissa, niiden suhdelukua voidaan käyttää veden muodostumisajankohdan ja -paikan jäljittämiseen. Esimerkiksi joissakin Aurinkokunnan komeetoissa tämän suhteen on osoitettu olevan samanlainen kuin maan vedessä, mikä viittaa siihen, että komeetat ovat saattaneet tuoda mukanaan vettä Maahan.

Veden kulkeutumista pilvistä uusiin tähtiin ja myöhemmin komeetoista planeettoihin on havaittu aikaisemminkin, mutta tähän asti tähtien ja komeettojen välinen yhteys on ollut kateissa. "V883 Orionis toimii tässä puuttuvana lenkkinä", Tobin sanoi. "Kiekoissa veden koostumus on hyvin samanlainen kuin oman aurinkokuntamme komeetoissa. Tämä vahvistaa ajatusta siitä, että planeettajärjestelmissä oleva vesi muodostui miljardeja vuosia sitten tähtienvälisessä avaruudessa jo ennen Aurinkoa. Vesi on sitten periytynyt sekä komeettoihin että maapallolle suhteellisen muuttumattomana."

Veden havaitseminen osoittautui kuitenkin hankalaksi. "Suurin osa planeettoja muodostavien kiekkojen vedestä jäätyy jääksi, joten se on yleensä piilossa meidän havainnoiltamme", eräs tutkimuksen kirjoittajista, Margot Leemker, Leidenin observatorion tohtoriopiskelija Alankomaista sanoi. Kaasumaisessa muodossa oleva vesi voidaan havaita molekyylien lähettämän sähkömagneettisen säteilyn ansiosta, kun ne pyörivät ja värähtelevät. Kun vesi on jään muodossa, tilanne on monimutkaisempi, koska molekyylien liike on rajoittunutta. Kaasumaisessa muodossa olevaa vettä löytyy kiekon keskustan alueelta tähden läheisyydestä, jossa on lämpimämpää. Nämä keskusalueet ovat kuitenkin itse pölykiekon kätkössä, ja ne ovat myös liian pieniä, jotta niitä voitaisiin havaita teleskooppien avulla.

Onneksi juuri tehdyssä tutkimuksessa V883 Orionis -kiekon osoitettiin olevan poikkeuksellisen kuuma. "Tähden dramaattinen energianpurkaus kuumentaa kiekon lämpötilaan, jossa vesi ei ole enää jään muodossa, vaan se on kaasua, ja pystymme havaitsemaan sitä", Tobin sanoi.

Havaitessaan V883 Orionis tähden kaasumaista vettä tutkimusryhmä käytti Pohjois-Chilessä sijaitsevaa radioteleskooppien ALMA-verkostoa. Sen vuoksi, että laite on erittäin herkkä ja se pystyy havaitsemaan pieniä yksityiskohtia, he pystyivät sekä havaitsemaan itse veden, että määrittämään sen koostumuksen. Tämän lisäksi he pystyivät kartoittamaan sen jakautumisen kiekon sisällä. Havaintojen mukaan kiekossa on vähintään 1 200 kertaa niin paljon vettä kuin kaikissa Maan merissä yhteensä.

Tutkimusryhmä toivoo tulevaisuudessa voivansa käyttää ESO:n tulevaa Erittäin suurta kaukoputkea (Extremely Large Telescope, EELT) ja sen ensimmäisen sukupolven METIS-instrumenttia. Tämä keski-infrapuna alueella havaitseva instrumentti pystyy erottamaan veden eri tilat tämän tyyppisissä kiekoissa vahvistaen ymmärrystämme veden kulkeutumisesta aina tähtiä muodostavista pilvistä planeettakuntiin saakka. "Saamme siten paljon täydellisemmän kuvan planeettoja muodostavien kiekkojen jäästä ja kaasusta", Leemker totesi lopuksi.

Lisätietoa

Tämä tutkimus on esitety artikkelissa “Deuterium-enriched water ties planet-forming disks to comets and protostars”, joka julkaistaan Nature (doi: 10.1038/s41586-022-05676-z) julkaisusarjassa.

 

Einsteinin suhteellisuusteoria edelleen paikkakansa pitävä

Taitilijan näkemys
toisiaan kiertävästä
pulsarista ja valkoisesta
kääpiöstä. Kuva NRAO.

Albert Einsteinin vuonna 1915 julkaisema yleinen suhteellisuusteoria on edelleen käyttökelpoinen työkalu, vaikka jotkin sen osat eivät olekaan aivan samassa linjassa hieman myöhemmin syntyneen kvanttiteorian kanssa. 

Lisäksi on olemassa kilpailevia gravitaatioteorioita, joista jotkut tutkijat odottavat tarkempia tuloksia kuin yleinen suhteellisuusteoria antaa. Niinpä tiedeyhteisössä onkin muodostunut tapa kilpailevien gravitaatioteorioiden vertaileminen nimenomaan Yleisen suhteellisuusteorian kanssa. Toistaiseksi Einsteinin teoria, vaikka ei olekaan kvanttiteoria, on pitänyt hyvin paikkansa kovassa kilpailussa.

Ehkä kaikkein vaativin Yleisen suhteellisuusteorian testi on toisiaan kiertävien suurimassaisten kohteiden radan säteen lyheneminen ja kiertonopeuden kasvaminen. Yleinen suhteellisuusteorian mukaan tällainen järjestelmä menettää energiaansa nimenomaan gravitaatioaaltoina.

Yhdysvaltalainen National Radio Astronomy Observatoryn (NRAO) tutkijat ovat testanneet Yleisen suhteellisuusteorian toimivuutta. Heidän kohteenaan oli noin 7 000 valovuoden etäisyydellä oleva pulsari PSR J0348 +0432, jolla on massaa noin kahden auringonmassan verran. Sen kumppanina on tavallinen valkoinen kääpiö. Kohde löydettiin Green Bank teleskoopilla, ja sitä on tutkittu sen jälkeen näkyvän valon aallonpituudella Uudessa Meksikossa olevalla Apache Point -teleskoopilla, ESOn VLT -teleskoopilla, William Herchel -teleskoopilla La Palmalta (Kanariansaaret). Lisäksi havaintoja tehtiin Arecibon radioteleskoopilla Puerto Ricosta ja Effelberg kaukoputkella Saksasta.

Tähtiparin kiertoaika pystytään määrittämään hyvin tarkasti havaitsemalla pulsarin emittoimia radiopulsseja ja niissä tapahtuvia äärimmäisen vähäisiä muutoksia. Ratamuutosten havaitseminen vaatii lisäksi myös pitkäaikaisia havaintosarjoja. Tarkkuusvaatimus on erityisen suuri ja tutkijat arvelivat, että suhteellisuusteoria ei ehkä anna riittävän tarkkoja tuloksia ja ehkä jokin kilpailevista teorioista selviytyisi paremmin. Toisin kävi; suhteellisuusteorian antamat tulokset ovat parempia kuin kilpailevien teorioiden.

Tulos on hyvä myös siinä mielessä, että gravitaatioaaltojen tutkijat pyrkivät ennakoimaan mahdollisesti tulevaisuudessa havaittavien gravitaatioaaltojen ominaisuuksia. Suhteellisuusteorian pitäessä tässäkin suhteessa paikkansa, tutkijat voivat turvautua siihen suunnitellessaan uusia gravitaatioaalto-observatorioita, kuten he ovat tehneet tähän asti ja tehty työ on edelleen käyttökelpoista materiaalia.