James Webb -avaruusteleskooppi paljasti, miten jättiläisplaneetta saattoi selvitä tähtensä kuolemasta

Noin 80 valovuoden päässä sijaitseva planeetta tarjoaa harvinaisen näkymän siihen, mitä Jupiterin kaltaisille maailmoille saattaa tapahtua Auringon kuoleman jälkeen. James Webb -avaruusteleskooppi havaitsi samalla ensimmäistä kertaa kaasukehän kuollutta tähteä kiertävältä ja tähden editse kulkevalta planeetalta.

Jupiterin kokoinen planeetta kiertää kuollutta tähteä niin lähellä, ettei sen pitäisi nykyisten tietojen perusteella olla siellä.

WD 1856 b -niminen eksoplaneetta sijaitsee alle kolmen miljoonan kilometrin päässä valkoisesta kääpiötähdestään. Yksi kierros tähden ympäri kestää vain noin 34 tuntia.

Jos planeetta olisi kiertänyt samalla radalla jo tähden elämän loppuvaiheessa, laajenevan tähden olisi pitänyt nielaista ja todennäköisesti tuhota se.

James Webb -avaruusteleskoopin uudet havainnot tarjoavat nyt vakuuttavan selityksen planeetan selviytymiselle.

Mashablen esittelemässä tutkimuksessa tutkijat päätyvät siihen, että WD 1856 b pysytteli aluksi turvallisesti kaukana tähdestä. Se ajautui nykyiselle äärimmäisen tiukalle radalleen vasta miljardeja vuosia sen jälkeen, kun tähti oli jo muuttunut valkoiseksi kääpiöksi.

Nature-tiedelehdessä julkaistu tutkimus perustuu planeetan lämpötilan, massan ja kaasukehän mittaamiseen James Webb -teleskoopin NIRSpec-instrumentilla.

Kuollut tähti on vain maapallon kokoinen

WD 1856 b kiertää WD 1856+534 -nimistä valkoista kääpiötä noin 80 valovuoden päässä Maasta.

Valkoinen kääpiö on tähden jäljelle jäänyt tiheä ydin. Se syntyy, kun Auringon kaltainen tähti on käyttänyt polttoaineensa, laajentunut punaiseksi jättiläiseksi ja puhaltanut ulommat kerroksensa avaruuteen.

Jäljelle jäävä kohde voi olla kooltaan suunnilleen maapallon kokoinen, vaikka siihen on pakkautunut huomattava osa alkuperäisen tähden massasta.

WD 1856 b on puolestaan lähes Jupiterin kokoinen. Planeetta on halkaisijaltaan noin seitsemän kertaa sitä tähteä suurempi, jota se kiertää.

Tutkimuksen pääkirjoittaja Ryan MacDonald St Andrewsin yliopistosta kuvailee asetelmaa poikkeukselliseksi.

"Planeetta on suunnilleen Jupiterin kokoinen, mutta sitä kiertävä valkoinen kääpiö on maapallon kokoinen. Planeetta on siis seitsemän kertaa tähteään suurempi", MacDonald kertoo NASA:n julkaisemassa tiedotteessa.

Suuri kokoero tekee planeetan ylikulusta erityisen näyttävän. Kun WD 1856 b kulkee Maasta katsottuna tähden editse, se peittää yli puolet valkoisen kääpiön valosta.

Planeetta kiertää tähteä 50 kertaa Maata lähempänä

WD 1856 b:n nykyinen etäisyys tähdestään on vain noin 0,02 astronomista yksikköä.

Se tarkoittaa, että planeetta kiertää tähteään noin 50 kertaa lähempänä kuin Maa kiertää Aurinkoa.

Näin läheinen rata muodostaa tutkimuksen keskeisen arvoituksen.

WD 1856+534 oli ennen kuolemaansa tavallinen tähti. Elämänsä loppupuolella se paisui valtavaksi punaiseksi jättiläiseksi, jonka ulommat osat ulottuivat paljon planeetan nykyistä rataa kauemmas.

Jos WD 1856 b olisi ollut silloin nykyisellä paikallaan, se olisi joutunut tähden sisälle.

Planeetan löytymisen jälkeen tutkijat ovat pohtineet kahta päävaihtoehtoa. Planeetta olisi joko selvinnyt tähden kaasukehän sisällä tai siirtynyt lähelle tähteä vasta myöhemmin.

Uudet Webb-havainnot tukevat voimakkaasti jälkimmäistä selitystä.

Yllättävä lämpö paljasti planeetan menneisyyden

James Webb mittasi planeetan lämpötilaksi noin 390–412 kelviniä eli suunnilleen 117–139 celsiusastetta. NASA kuvaa lämpötilaa pyöristettynä noin 126 celsiusasteeksi.

Lämpötila on huomattavasti korkeampi kuin valkoisesta kääpiöstä tulevan säteilyn perusteella odotettiin.

Planeetan laskennallinen tasapainolämpötila olisi vain noin 160 kelviniä eli noin 113 pakkasastetta. Myös hyvin vanhan jättiläisplaneetan oman sisäisen lämmön pitäisi olla nykyistä vähäisempää.

Tutkijat eivät löytäneet planeetan nykyisestä tilanteesta energianlähdettä, joka voisi jatkuvasti ylläpitää havaittua lämpötilaa.

Lämmön täytyy siksi olla jäänne aikaisemmasta tapahtumasta.

Tutkimukseen osallistunut Christopher O’Connor Northwestern-yliopistosta jäljitti planeetan lämpöhistoriaa jättiläisplaneettojen jäähtymistä kuvaavien mallien avulla.

"Suuri kysymys on, miten WD 1856 b päätyi nykyiselle paikalleen", O’Connor sanoo Euroopan avaruusjärjestö ESAn tiedotteessa.

Hänen mukaansa vaihtoehtoina olivat planeetan selviytyminen tähden sisällä tai muiden järjestelmän kappaleiden käynnistämä ratamuutos.

Siirtyminen tapahtui miljardeja vuosia tähden kuoleman jälkeen

Tutkijoiden mallien mukaan planeetta kuumeni uudelleen noin 3–5,5 miljardia vuotta sen jälkeen, kun tähti oli jo jättänyt punaisen jättiläisen vaiheen taakseen.

Ajankohta on ratkaiseva havainto.

Jos planeetta olisi kuumentunut joutuessaan kuolevan tähden kaasukehän sisälle, tapahtuman olisi pitänyt ajoittua lähes samaan aikaan valkoisen kääpiön syntymisen kanssa.

Webbin mittaama nykyinen lämpötila viittaa sen sijaan paljon myöhempään tapahtumaan.

Todennäköisin selitys on, että WD 1856 b kiersi tähteä aluksi hyvin kaukana. Näin se vältti punaiseksi jättiläiseksi paisuneen tähden tuhoisat ulkokerrokset.

Miljardeja vuosia myöhemmin planeetan rata muuttui erittäin soikeaksi. Se alkoi kulkea ajoittain hyvin läheltä valkoista kääpiötä.

Tähden voimakas painovoima väänsi planeettaa jokaisella lähiohituksella. Vuorovesivoimat muuttivat rataliikkeen energiaa lämmöksi ja pyöristivät vähitellen planeetan radan nykyiseen muotoonsa.

"Kun planeetta siirtyi sisäänpäin, sen vuorovaikutus valkoisen kääpiön voimakkaan painovoiman kanssa kuumensi sitä huomattavasti. Se on jäähtynyt siitä lähtien", O’Connor selittää.

Kolmoistähtijärjestelmä saattoi sysätä planeetan liikkeelle

WD 1856+534 ei ole avaruudessa yksin, vaan kuuluu kolmoistähtijärjestelmään.

Kauempana sijaitsevien seuralaistähtien painovoima on voinut häiritä WD 1856 b:n alkuperäistä rataa.

Pitkän ajan kuluessa pienetkin painovoimavaikutukset voivat kasvattaa planeetan radan soikeutta. Lopulta planeetta on voinut ajautua hyvin lähelle valkoista kääpiötä.

Tutkimus ei vielä määritä varmasti, mikä kappale tai tapahtumaketju muutti planeetan radan.

Havainnot osoittavat kuitenkin, että myöhäinen ja voimakkaasti soikealta radalta alkanut siirtyminen sopii planeetan lämpöhistoriaan selvästi paremmin kuin selviytyminen kuolevan tähden sisällä.

Nature-tutkimuksen mukaan aikaisintaan arvioitukin kuumenemishetki sijoittuu vähintään noin 1,4–2,1 miljardia vuotta tähden jättiläisvaiheen päättymisen jälkeen.

Tämä tekee välittömästi tähden kuolemaan liittyvästä selityksestä erittäin epätodennäköisen.

Planeetta on 4–11 kertaa Jupiteria massiivisempi

WD 1856 b:n tarkkaa massaa ei pystytty mittaamaan planeetan löytymisen yhteydessä vuonna 2020.

Webbin havaintojen perusteella tutkijat arvioivat sen massaksi noin 4,3–10,9 Jupiterin massaa.

Kohde on siis selvästi Jupiteria raskaampi, mutta tutkimuksen massarajojen perusteella se kuuluu edelleen jättiläisplaneettojen luokkaan eikä ruskeisiin kääpiöihin.

Ruskeat kääpiöt ovat planeettoja massiivisempia kappaleita, joissa ei kuitenkaan käynnisty tavallisen tähden ylläpitämää vetyfuusiota.

Massan tunteminen oli tärkeää myös planeetan jäähtymishistorian arvioinnissa. Massiiviset kaasuplaneetat säilyttävät sisäistä lämpöään eri tavalla kuin kevyemmät planeetat.

Kun massa yhdistettiin nykyiseen lämpötilaan ja valkoisen kääpiön ikään, tutkijat pystyivät arvioimaan planeetan myöhemmän kuumenemistapahtuman ajankohdan.

Webb havaitsi metaania ja pilvimäisiä hiukkasia

James Webb ei selvittänyt vain planeetan lämpötilaa ja massaa. Teleskooppi löysi merkkejä myös sen kaasukehästä.

Kun planeetta kulki tähden editse, osa valkoisen kääpiön valosta kulki planeetan kaasukehän läpi. Kaasukehän molekyylit jättivät valon spektriin omat tunnistettavat jälkensä.

Tutkijat havaitsivat hiilivetyjä, joista selvin ehdokas oli metaani. Mallien mukaan metaanin osuus kaasukehästä voi olla noin seitsemän prosenttia, mutta arvioon liittyy epävarmuutta.

Havainnot viittaavat myös pieniin aerosolihiukkasiin ja korkealla sijaitsevaan läpinäkymättömään pilvikerrokseen.

Tutkimukseen osallistunut Victoria Boehm Cornellin yliopistosta pitää havaintoa historiallisena.

"Näimme pienten pilvihiukkasten ja hiilivetyjen tunnusmerkit. Todennäköisin hiilivety on metaani. Tämä on ensimmäinen kerta, kun olemme nähneet kaasukehän kuollutta tähteä kiertävällä ja sen editse kulkevalla planeetalla", Boehm sanoo.

Tutkimuksessa löytyi alustavia viitteitä myös etaanista ja fosfiinista, mutta nykyinen aineisto ei riitä niiden varmaan tunnistamiseen.

Vesihöyryä tai ammoniakkia ei havaittu.

Vain kahdeksan minuutin ylikulku riitti havaintoihin

WD 1856 b:n ylikulku valkoisen kääpiön editse kestää vain noin kahdeksan minuuttia.

Lyhyestä ajasta huolimatta Webb pystyi mittaamaan planeetan kaasukehän ja sen pimeältä yöpuolelta tulevan lämpösäteilyn.

Havainto tehtiin huhtikuussa 2023, ja koko mittausjakso kesti lähes kaksi tuntia. Teleskooppi seurasi järjestelmää ennen ylikulkua, sen aikana ja sen jälkeen.

Tutkijat käsittelivät aineiston kahdella toisistaan riippumattomalla menetelmällä. Molemmat analyysit tuottivat keskenään hyvin samankaltaiset arviot planeetan ominaisuuksista.

Erityisen vahva havainto koski planeetan yöpuolen lämpösäteilyä. Se paljasti, ettei WD 1856 b ole vain tähden valon lämmittämä kylmä kaasujättiläinen.

Planeetassa on edelleen huomattava määrä aikaisemman ratamuutoksen synnyttämää lämpöä.

Havainto näyttää mahdollisen tulevaisuuden Jupiterille

Tutkimuksen kiinnostavuus ei rajoitu kaukaiseen WD 1856 -järjestelmään.

Aurinko kehittyy arviolta noin viiden miljardin vuoden kuluttua punaiseksi jättiläiseksi. Se paisuu nykyistä yli sata kertaa suuremmaksi ja menettää vähitellen ulommat kerroksensa.

Merkurius ja Venus tuhoutuvat lähes varmasti. Myös maapallon kohtalo on erittäin epävarma, ja se voi päätyä laajentuneen Auringon nielaisemaksi.

Kauempana sijaitsevien jättiläisplaneettojen, kuten Jupiterin ja Saturnuksen, tulevaisuus tunnetaan huonommin.

Ne voivat selviytyä Auringon jättiläisvaiheesta, mutta massaa menettävän tähden ja muiden planeettojen painovoimavaikutukset muuttavat niiden ratoja.

WD 1856 b osoittaa, että jättiläisplaneetta voi säilyä ehjänä tähtensä kuoleman jälkeen ja ajautua vasta paljon myöhemmin aivan valkoisen kääpiön lähelle.

"Tavallisesti teleskoopeilla katsotaan ajassa taaksepäin, mutta nyt pystymme ensimmäistä kertaa katsomaan eteenpäin siihen, mitä Auringon kaltaisen tähden jäännöstä kiertäville ulkoplaneetoille voi tapahtua", MacDonald sanoo.

Hän vertaa havaintoa aikakoneeseen, joka tarjoaa näkymän oman aurinkokuntamme erittäin kaukaiseen tulevaisuuteen.

Planeetta selviytyi, mutta ei välttämättä läheltä

Mashablen jutun houkutteleva lähtökohta on planeetta, joka selviytyi tähtensä kuolemasta.

Uusi tutkimus tarkentaa kuitenkin selviytymistarinan luonnetta.

WD 1856 b ei todennäköisesti pysynyt nykyisellä paikallaan punaiseksi jättiläiseksi paisuneen tähden sisällä. Se näyttää selviytyneen ennen kaikkea siksi, että se oli tähden vaarallisimman vaiheen aikana paljon kauempana.

Planeetan nykyinen rata syntyi vasta myöhemmässä ja edelleen osittain tuntemattomassa tapahtumaketjussa.

Tutkimus ei siten osoita, että Jupiterin kaltaiset planeetat voisivat tavallisesti kestää joutumisen punaisen jättiläisen sisälle.

Se osoittaa, että planeettajärjestelmän kehitys voi jatkua miljardeja vuosia tähden kuoleman jälkeen. Radat voivat muuttua voimakkaasti vielä kauan sen jälkeen, kun järjestelmän keskustähti on kutistunut valkoiseksi kääpiöksi.

Lisähavainnot tarkentavat kaasukehän koostumusta

Tutkijat ovat jo havainneet WD 1856 b:n neljä uutta ylikulkua James Webb -teleskoopilla.

Uuden aineiston avulla he pyrkivät selvittämään tarkemmin kaasukehän kemiallista koostumusta, pilviä ja lämpötilarakennetta.

Samalla voidaan tutkia, vaihtelevatko pilvikerroksen ominaisuudet planeetan eri puolilla tai eri havaintokerroilla.

WD 1856 b on tällä hetkellä ensimmäinen perusteellisesti tutkittu valkoista kääpiötä kiertävä ylikulkeva planeetta.

Sen tutkiminen voi auttaa arvioimaan, kuinka yleisiä vastaavat selviytyneet planeetat ovat ja millaisia kaasukehiä ne säilyttävät tähtensä kuoleman jälkeen.

Havainto muistuttaa samalla, ettei tähden kuolema välttämättä merkitse koko planeettajärjestelmän loppua.

Jäljelle jääneet maailmat voivat jatkaa kiertämistään miljardeja vuosia ja päätyä ratoihin, jotka näyttävät täysin erilaisilta kuin järjestelmän nuoruudessa.