Raskain tähän mennessä löydetty alkuaine eksoplaneetan ilmakehässä

eso2213 — Tiedejulkaisu

Tähtitieteilijät ovat löytäneet Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopin (Very Large Telescope) avulla eksoplaneetan ilmakehästä raskaimman toistaiseksi löydetyn alkuaineen - bariumin. Bariumin löytyminen korkealta erittäin kuumien kaasujättiläisten WASP-76 b ja WASP-121 b ilmakehistä oli yllätys. Nämä kaksi eksoplaneettaa ovat Aurinkokuntamme ulkopuolella tähtien kiertoradoilla olevia planeettoja. Tämä odottamaton löytö herättää kysymyksiä siitä, millaisia nämä eksoottiset ilmakehät voisivat olla.

Tässä taiteilijan tekemässä kuvassa näkyy erittäin kuuma aurinkokuntamme ulkopuolella oleva eksoplaneetta siirtymässä emotähtensä eteen. Kun tähden valo kulkee planeetan ilmakehän läpi, se suodattuu kulkiessaan kaasumaisen kerroksen alkuaineiden ja molekyylien läpi. Näiden alkuaineiden ja molekyylien aiheuttamat sormenjäljet voidaan havaita herkillä instrumenteilla maapallolta. Kuva ESO/M. Kornmesser.

"Hämmentävää on se, että miksi näiden planeettojen ilmakehän ylemmissä kerroksissa on niin raskaita alkuainetta?" sanoo Tomás Azevedo Silva, Porton yliopiston ja portugalilaisen Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaçon (IA) tohtoriopiskelija, joka johti tänään Astronomy & Astrophysics -lehdessä julkaistua tutkimusta.

WASP-76 b ja WASP-121 b eivät ole tavallisia eksoplaneettoja. Molemmat tunnetaan erittäin kuumina jupitereina, koska ne ovat kooltaan verrattavissa Jupiteriin. Niiden pintalämpötilat ovat erittäin korkeita, yli 1000 °C. Tämä johtuu niiden läheisyydestä isäntätähtiensä kanssa, mikä tarkoittaa myös sitä, että kiertorata kunkin tähden ympäri kestää vain yhdestä kahteen vuorokautta. Tämä tekee planeetoista melko eksoottisia, esimerkiksi WASP-76 b:ssä tähtitieteilijät epäilevät sateen olevan rautaa.

Mutta silti tutkijat yllättyivät löytäessään bariumia, joka on 2,5 kertaa raskaampaa kuin rauta, WASP-76 b:n ja WASP-121 b:n yläilmakehistä. "Planeettojen suuren gravitaation vuoksi odotimme raskaiden alkuaineiden, kuten bariumin putoavan nopeasti ilmakehän alempiin kerroksiin", selittää toinen kirjoittaja Olivier Demangeon, tutkija myös Porton yliopistosta ja IA:sta.

"Tämä oli tavallaan "vahingossa" tehty löytö”, Azevedo Silva sanoo. "Emme odottaneet tai etsineet erityisesti bariumia, ja meidän piti tarkistaa, että se todella oli peräisin planeetalta, koska sitä ei ollut koskaan aiemmin nähty missään eksoplaneetassa.”

Se tosiasia, että bariumia havaittiin näiden molempien ultrakuumien jupiterien ilmakehissä, viittaa siihen, että tämä planeettaluokka saattaa olla vieläkin oudompia kuin aiemmin ajateltiin. Vaikka näemme joskus omalla taivaallamme bariumia ilotulitteiden kirkkaanvihreänä värinä, tiedemiehille kysymys on, mikä luonnollinen prosessi voisi saada tämän raskaan alkuaineen olemaan niin korkealla näillä eksoplaneetoilla. "Tällä hetkellä emme ole varmoja, mitkä mekanismit taustalla ovat", Demangeon selittää.

Tämä kuva esittää näkymän eksoplaneetta WASP-76 b:n yöpuolta. Erittäin kuumalla jättiläiseksoplaneetalla on päiväpuoli, jossa lämpötilat nousevat yli 2400 celsiusasteen, joka on riittävän korkea jopa metallien höyrystämiseen. Voimakkaat tuulet kuljettavat rautahöyryä viileämmän yön puolelle, jossa se tiivistyy rautapisaroiksi. Kuvan vasemmalla puolella näemme eksoplaneetan iltarajan, jossa näkymä siirtyy päivästä yöhön. Kuva ESO/M. Kornmesser.

Eksoplaneettojen ilmakehien tutkimuksessa erittäin kuumat jupiterit ovat erittäin hyödyllisiä. Kuten Demangeon selittää: "Kaasumaisena ja kuumana niiden ilmakehät ovat hyvin laajoja, joten niitä on helpompi havaita ja tutkia kuin pienempien tai viileämpien planeettojen ilmakehiä."

Eksoplaneetan ilmakehän koostumuksen määrittäminen vaatii hyvin erikoistuneita laitteita. Ryhmä käytti ESPRESSO -instrumenttia ESO:n VLT:ssä Chilessä analysoidakseen tähtivaloa, joka oli suodattunut WASP-76 b:n ja WASP-121 b:n ilmakehien läpi. Tämä mahdollisti useiden alkuaineiden selkeän havaitsemisen niissä, mukaan lukien barium.

Nämä uudet tulokset osoittavat, että olemme vain raapaisseet eksoplaneettojen mysteerien pintaa. Tulevaisuuden instrumenteilla, kuten korkean resoluution ArmazoNes High Dispersion Echelle Spectrograph (ANDES), joka toimii ESO:n tulevassa Extremely Large Telescopessa (ELT), tähtitieteilijät voivat havaita suurten ja pienten eksoplaneettojen, mukaan lukien Maan kaltaisten kiviplaneettojen ilmakehiä paljon syvemmältä ja kerätä lisää vihjeitä näiden outojen maailmojen ominaisuuksista.

Tämä tutkimus julkaistiin Astronomy & Astrophysics -julkaisussa "Bariumin havaitseminen ultrakuumakaasujättiläisten WASP-76b ja WASP-121b ilmakehissä" (doi: 10.1051/0004-6361/202244489).

Raskaiden metallien atomeja on löydetty komeetoista koko aurinkokunnan alueelta ja kauempaa

eso2108 — Science Release / Pasi nurmi

19. toukokuuta 2021

Belgialaisen tutkimusryhmän uusi tutkimus, jossa on käytetty Euroopan eteläisen observatorion Very Large Telescope (VLT) kaukoputken aineistoa, on osoittanut, että rautaa ja nikkeliä on komeettojen kaasukehässä koko Aurinkokunnassamme, jopa kaukana Auringosta. Puolalaisen tutkimusryhmän erillisessä tutkimuksessa, jossa käytettiin myös ESO:n dataa, kerrottiin, että myös jäisessä tähtienvälisessä komeetta 2I/Borisovissa on nikkeliä. Kyseessä on ensimmäinen kerta, kun kaukaisten komeettojen kylmistä kaasukehistä löytyy yleensä kuumiin ympäristöihin liittyviä raskaita metalleja.

Komeetan C/2016 R2 (PANSTARRS) kuvaan on sijoitettu ESON Parannal observatorion SPECULOOS kaukoputkella otettu spektri, josta on löydettävissä ”outoja” spektriviivoja ja jotka lopulta paljastuivat raudasta ja nikkelistä koostuvan kaasun aiheuttamaksi. Kuva ESO/L. Calçada, SPECULOOS Team/E. Jehin, Manfroid et al.

”Oli suuri yllätys löytää rauta- ja nikkeliatomeja kaikkien niiden komeettojen kaasukehistä, joita olemme havainneet kahden viime vuosikymmenen aikana. Näitä on noin 20, joista osa on kaukana Auringosta kylmässä avaruudessa”, Jean Manfroid Liègen yliopistosta Belgiasta sanoi. Hän johti uutta Aurinkokunnan komeettoja koskevaa tutkimusta, joka julkaistaan tänään Nature-lehdessä,

Tähtitieteilijät tietävät, että raskaita metalleja on komeettojen pölyisissä ja kivisissä sisäosissa. Mutta koska kiinteät metallit eivät yleensä ”sublimoidu” (muutu kaasumaisiksi) alhaisissa lämpötiloissa, he eivät odottaneet löytävänsä niitä kaukana Auringosta kiitävien kylmien komeettojen kaasukehistä. Nikkeli- ja rautahöyryä on nyt havaittu komeetoista jopa yli 480 miljoonan kilometrin päässä Auringosta, eli yli kolminkertaisesti Maan ja Auringon väliseltä etäisyydeltä.

Belgialainen tutkimusryhmä löysi komeettojen kaasukehästä rautaa ja nikkeliä suunnilleen yhtä suurina määrinä. Aurinkokunnassamme, esimerkiksi Auringossa ja meteoriiteissa oleva materia, sisältää yleensä noin kymmenen kertaa enemmän rautaa kuin nikkeliä. Tällä uudella tuloksella on siis vaikutuksia tähtitieteilijöiden käsitykseen varhaisen aurinkokunnan olosuhteista, vaikka tutkimusryhmä vielä pohtiikin, mitä tämä uusi tulos voisi tarkoittaa.

”Komeetat muodostuivat noin 4,6 miljardia vuotta sitten Aurinkokunnan ollessa hyvin nuori, eivätkä ne ole muuttuneet niistä ajoista. Siinä mielessä ne ovat kuin fossiileja tähtitieteilijöille”, tutkimuksen toinen kirjoittaja Emmanuel Jehin, myös Liègen yliopistosta, sanoi.

Vaikka belgialainen tutkimusryhmä on tutkinut näitä "muinaisia" kohteita ESO:n VLT:llä lähes 20 vuoden ajan, he eivät olleet aikaisemmin havainneet nikkelin ja raudan olemassaoloa komeettojen kaasukehässä. ”Tämä löytö ohitti seulamme monen vuoden ajan”, Jehin sanoi.

Tutkimusryhmä käytti ESO:n VLT:ssä olevaa Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph (UVES) instrumenttia datan keräämiseen. Se hyödyntää spektroskopiaksi kutsuttua tekniikkaa analysoidakseen komeettojen kaasukehiä eri etäisyyksillä Auringosta. Tämä tekniikka antaa tähtitieteilijöille mahdollisuuden selvittää avaruuden kohteiden kemiallisia koostumuksia. Jokainen kemiallinen aine saa aikaan ainutlaatuisen allekirjoituksensa, eli joukon spektriviivoja, jotka näkyvät kohteista kerätyn valon spektrissä.

Belgialainen tutkimusryhmä oli havainnut UVES-datassa heikkoja, tunnistamattomia spektriviivoja ja huomannut tarkemmin asiaa tarkasteltuaan, että ne vihjaavat neutraalien rauta- ja nikkeliatomien esiintymiseen. Syy siihen, miksi raskaita elementtejä oli vaikea tunnistaa, on se, että niitä on hyvin pieniä määriä. Ryhmän arvion mukaan jokaista sataa kiloa vettä kohti, komeettojen kaasukehässä on vain 1 g rautaa, ja suunnilleen saman verran nikkeliä.

”Yleensä rautaa on 10 kertaa enemmän kuin nikkeliä, mutta löytämiemme komeettojen kaasukehistä löytyi suunnilleen sama määrä molempia alkuaineita. Päädyimme siihen tulokseen, että ne saattaisivat tulla komeetan ytimen pinnalla olevasta erityisestä materiaalista, joka sublimoituu melko alhaisessa lämpötilassa vapauttaen rautaa ja nikkeliä suunnilleen samoissa mittasuhteissa" Damien Hutsemékers, joka on myös belgialaisen ryhmän jäsen Liègen yliopistosta, sanoi.

Vaikka tutkimusryhmä ei ole vielä varma, mitä tämä aine voisi olla, niin seuraavat tähtitieteen havaintolaitteet, kuten ESO:n tulevan Erittäin suuren teleskoopin (ELT) Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) instrumentti, antavat tutkijoille mahdollisuuden vahvistaa näiden komeettojen kaasukehästä löytyvien rauta- ja nikkeliatomien lähteen.

Belgialaisryhmä toivoo tutkimuksensa pohjustavan tietä tulevalle tutkimukselle. ”Nyt ihmiset etsivät vastaavia tuloksia muista kaukoputkista peräisin olevasta arkistodatasta”, Jehin sanoi. ”Uskomme, että tämä käynnistää tästä aiheesta myös uusia tutkimushankkeita”.

 

Tähtienväliset raskaat metallit

Toinen tänään Nature-lehdessä julkaistu merkittävä tutkimus osoittaa, että raskaita metalleja esiintyy myös tähtienvälisen komeetan 2I/Borisov kaasukehässä. Puolalainen ryhmä havaitsi tätä ensimmäistä kertaa Aurinkokunnassamme vieraillutta 'alien'-komeettaa X-shooter spektrografilla ESO:n VLT-kaukoputkella. Tämä tapahtui komeetan lentäessä ohitsemme noin puolitoista vuotta sitten. He havaitsivat, että 2I/Borisovin kylmässä kaasukehässä on kaasumaista nikkeliä.

”Meillä oli aluksi vaikea uskoa, että atomimuodossa olevaa nikkeliä voisi todella olla 2I/Borisovissa niin kaukana Auringosta. Vaatii lukuisia testejä ja tarkastuksia ennen kuin pystyimme vihdoin vakuuttamaan itsemme tästä havainnosta", tutkimuksen tekijä Piotr Guzik Jagiellonilaisesta yliopistosta Puolasta, kertoi. Löydös oli yllättävä, koska ennen tänään julkaistuja kahta tutkimusta, raskaita metalleja oli havaittu vain kuumista ympäristöistä, kuten ultrakuumien eksoplaneettojen kaasukehistä tai liian lähelle Aurinkoa kulkeneiden haihtuvien komeettojen kaasukehistä. 2I/Borisovia havaittiin, kun se oli noin 300 miljoonan kilometrin päässä Auringosta, joka vastaa noin kahta Maan ja Auringon välistä etäisyyttä.

Tähtienvälisten kappaleiden yksityiskohtainen tutkiminen on tieteelle erityisen arvokasta, koska niiden mukana kulkee korvaamatonta tietoa muista planeettajärjestelmistä, joista ne ovat peräisin. ”Yhtäkkiä ymmärsimme, että kaasumaista nikkeliä on myös galaksimme muista kolkista peräisin olevissa komeettojen kaasukehissä”, toinen tutkimuksen kirjoittaja Michał Drahus, myös Jagiellonialaisesta yliopistosta, sanoi.

Puolalais- ja belgialaistutkimusten mukaan 2I/Borisovin ja Aurinkokunnan komeetoilla on vielä enemmän yhteistä kuin aiemmin on luultu. ”Kuvitelkaa, että Aurinkokuntamme komeetoilla on todellisia vastinpareja myös muissa planeettakunnissa.”, Drahus totesi lopuksi.

 

 

Alkemistien unelma: kuinka tehdä kultaa

Jokainen on varmasti kuullut keskiajan alkemisteistä, jotka yrittivät tehdä kultaa halvemmista materiaaleista. Kultaa ei kuitenkaan syntynyt siitä yksinkertaisesta syystä, että kemiallisin keinoin sitä ei voi tehdä. Alkemistien suurimmaksi saavutukseksi kuitenkin jäi nykyaikaisen kemian ensiaskelien ottaminen. Mutta kullan arvoitus on säilynyt!

Hiukkasfysiikan kehityksen myötä raskaimpien alkuaineiden synty on hiljalleen paljastunut. Nykyisen käsityksen mukaan rautaa raskaammat alkuaineet ovat syntyneet supernovien räjähdyksissä prosessissa joka on nimetty neutronisieppaukseksi. Teoria toimii hienosti jonkin verran rautaa raskaimmille alkuaineille tinaan asti, mutta siinä näyttäisi olevan puutteita mitä raskaimmista alkuaineista on kysymys. Kaikkein raskaimpia alkuaineita kuten kulta tai platina, uraanista nyt puhumattakaan, ei supernova näyttäisi synnyttävän lainkaan. Jotain oleellista tuntuu puuttuvan.

Nyt Harward yliopiston tutkijat, johtajanaan professori Edo Berger, uskovat pystyvänsä selittämään mm. kullan syntymisen. Sitä nimittäin syntyisi kahden neutronitähden törmätessä toisiinsa ja muuttuessa mustaksi aukoksi. Törmäys aiheuttaa erittäin lyhytaikaisen gammapurkauksen ja törmäyspaikan läheisyyteen syntyy laajeneva ainepilvi, joka näkyy joitakin tunteja ns. jälkihehkuna. Tutkijoiden analysoima 3,9 miljardin valovuoden etäisyydellä tapahtunut purkauksen (kesto oli vain 0,2 sekuntia) jälkihehkussa tapahtui hyvin raskaiden atomiytimien radioaktiivista jakaantumista.

Tavallisessa supernovaräjähdyksessä neutronitiheys on riittävä joidenkin rautaa raskaampia alkuaineiden syntymiseksi neutronisieppauksen S-prosessissa[1]. Kaikkein raskaimmat stabiilit alkuaineet kuitenkin näyttäisi jäävän syntymättä, joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta (lyijy, joka syntyy S-prosessissa), sillä neutronitiheys ei ole riittävä R-prosessille[2].

Neutronitähtien yhteentörmäyksen neutronivuon tiheys on riittävän suuri R-prosessille, jossa syntyy hyvin raskaita radioaktiivisia alkuaineita. Näiden jakaantumisessa syntyy kaikkein raskaimmat stabiilit alkuaineet kuten kulta ja platina.

Huomautukset

[1] Teorian mukaan rautaa raskaampia alkuaineita voi syntyä vain neutronisieppauksella, jossa atomiytimen lähietäisyyteen joutunut neutroni tulee kaapatuksi atomiytimeen. Hitaassa neutronisieppauksessa (S-prosessi) yksi atomiytimen neutroneista ehtii jakaantua protoniksi ja elektroniksi (beeta-hajoaminen) ennen kuin uusi neutroni tulee kaapatuksi samaan ytimeen. Prosessissa atomin järjestysluku protonin lisäyksen vuoksi kasvaa.

[2] Nopeassa, R-prosessissa atomiydin ehtii kaapata yhden tai useamman neutronin lisää ennen kuin ensimmäisen kaappauksen jälkeinen beeta-hajoaminen tapahtuu. R-prosessin esiintymisen edellytyksenä on riittävä neutronitiheys, jollaisen saavuttaminen edellyttää neutronitähtien yhteentörmäystä (tai hypernovan räjähdystä).