Aurinkokunnan pölyä tutkimassa

Pertti Rautiainen

Kun katsoo hämärää yötaivasta lähellä auringonnousun tai -laskun hetkeä, saattaa havaita heikon hohteen, joka ei kuitenkaan ole Linnunrata. Tähtitaivasta paremmin tunteva voi huomata sen sijaitsevan eläinradan tähtikuvioissa. Tämä hohde, eli eläinratavalo, tulee planeettojen ratatasossa olevasta pölystä, joka sirottaa Auringon säteilyä. Valitettavasti tämä ilmiö ei näy kovin hyvin Suomessa ja peittyy muuallakin helposti valosaasteen alle.

Jos tarkastelee vähänkään pidempään ikkunasta tulevan auringonvalon tai lampun valokeilassa leijailevia pölyhiukkasia, näkee niiden leijailevan ilmanpyörteiden mukana. Ne ovat kokoonsa nähden niin kevyitä, ettei painovoima saa niitä putoamaan välittömästi lattialle.

Entä miten on planeettojen välisen pölyn laita? Kuinka se käyttäytyy ja mistä se on peräisin? Vastauksia antaa aiheeseen liittyvän väitöskirjan äskettäin Oulun yliopistossa laatinut Anastasiia Ershova.

Pölyä virtaa monesta lähteestä

Myös planeettojen välissä oleva pöly koostuu pienistä hiukkasista, jotka ovat kooltaan nanometreistä sentteihin. Avaruuspölyn koostumus on kuitenkin erilainen, siinä ei ole mukana ihonkappaleita tai lemmikkieläinten karvoja. Aurinkokuntamme pölyhiukkaset sisältävät sekä kivistä että jäistä materiaalia. Jotkut hiukkaset ovat rakenteeltaan niin huokoisia, että Maassa lähin vastine ovat lumihiutaleet, Ershova kertoo.

Pölyn jakauma puolestaan kertoo sen alkuperästä. Eläinratavalona näkyvät aurinkokunnan sisäosan pölyhiukkaset ovat todennäköisesti peräisin planeettojen ratatason lähellä kiertävistä lyhytjaksoisista komeetoista (kuva 1) ja asteroiditörmäyksistä. Myös pienten kappaleiden törmäykset planeettojen kuihin voivat irrottaa niistä materiaa. Ulompana pölyn emokappaleita ovat mm. kääpiöplaneetat ja aurinkokuntaa ympäröivään Oortin pilveen kuuluvat komeetat.

Osan pölystä synnyttää vulkanismi, joko tavanomaisina tulivuorina Jupiterin kuulla Iolla (kuva 2) tai eksoottisempana jäävulkanismina. Esimerkiksi Saturnusta kiertävä Enceladus-kuu on hyvin kylmä kappale, jolla tapahtuu purkauksia (jutun otsikkokuva), joissa kuun materiaalia voi päätyä pölyhiukkasiksi avaruuteen. Cassini-luotain lensi Enceladuksen purkauksissa syntyneen pölypilven läpi ja analysoi hiukkasten kemiallista koostumusta havaiten niiden koostuvan suurimmaksi osaksi vesijäästä, mutta sisältävän myös suoloja ja orgaanisia yhdisteitä.

Pölyät tuottaa siis moni mekanismi. Planeettojen välisessä pölyssä on mukana myös pieni määrä tähtienvälistä pölyä. Tarkoittaako tämä sitä, että pölyn määrä aurinkokunnassa lisääntyy? Näin ei kuitenkaan ole, vaan kaikkein pienimmät hiukkaset päätyvät Auringon säteilypaineen vieminä tähtienväliseen avaruuteen. Vähän suuremmat pölyhiukkaset, suunnilleen mikrometristä ylöspäin, taas vajoavat spiraalirataa pitkin kohti Aurinkoa höyrystyen sen läheisyydessä. Näiden hiukkasten erikoiseen käytökseen on syynä ns. Poyntingin-Robertsonin ilmiö, jossa auringonvalon kuumentaman pölyn lämpösäteily jarruttaa rataliikettä. Kun edelliset vaikutukset otetaan huomioon, tyypillisen pölyhiukkasen ”elinikä” on vain kymmenen miljoonan vuoden suuruusluokkaa, paljon vähemmän kuin aurinkokunnan ikä. Eli ilman pölyä tuottavia prosesseja sen määrä vähenisi.

Pölyn tutkiminen on hankalaa

Yksityiskohtaisemmalla tasolla pölyn synnyssä ja käyttäytymisessä riittää vielä paljon tutkittavaa. Mikään Maassa sijaitseva laboratorio ei ole kovin hyvä tähän tarkoitukseen sen enempää olosuhteiden kuin mittakaavansakaan suhteen. Ei ole myöskään olemassa yksittäistä kaavaa, jonka ratkaisemalla saisi selville pölyn tiheyden ja koostumuksen eri paikoissa. Yksi mahdollisuus on tehdä tietokonesimulaatioita, joissa seurataan virtuaalisten pölyhiukkasten reittejä malliin koodatussa voimakentässä. Tämä on kuitenkin laskennallisesti hyvin raskasta ja kappalemäärä on silti joihinkin tarkoituksiin liian pieni.

Juuri tähän ongelmaan liittyy Ershovan väitöskirja. Siinä kehitettiin menetelmä, jossa emokappaleen pinnalta irtoavaa pölyä tarkasteltiin jatkuvasti jakaantuneen aineen muodostamana pilvenä. Tällöin sen ominaisuuksia voitiin kuvata tilastollisesti, mikä mahdollisti paremman alueellisen kattavuuden kuin virtuaalihiukkasiin perustuvat simulaatiot. Tämä oli myös laskennallisesti paljon kevyempi ratkaisu – iso osa mallinnuksesta tehtiin työasematason tietokoneissa.

Menetelmää sovellettiin kahdessa eri tyyppisessä tilanteessa. Saturnuksen Enceladus-kuusta irtoavan pölyn kohdalla hiukkasiin vaikutti vain emokappaleen painovoima. Malli mahdollisti aiempaa paremmat arviot pölyn tuotantonopeudesta ja erilaisen koostumuksen omaavien hiukkasten suhteellisesta osuudesta.

1990-luvulla näkyneestä Hyakutake-komeetasta irronneisiin hiukkasiin puolestaan katsottiin vaikuttavan merkittävästi vain Auringon painovoima ja säteilypaine – emokappaleen massa on hyvin alhainen. Sama oletus tehtiin myös asteroidi Phaethonista irtoavia hiukkasia tarkasteltaessa. Tuo Aurinko lähellä Maan rataa kiertävä asteroidi on Japanin avaruusjärjestön JAXA:n DESTINY+-luotaimen kohde. DESTINY+ ei laskeudu asteroidille, vaan lentää sen ohitse ja analysoi mm. siitä irtoavaa pölyä. Ershovan tutkimuksessa arvioitiin kuinka paljon luotaimessa oleva instrumentti tulee sitä keräämään.

Planeettojen välinen pölyn tutkiminen tuottaa myös tietoa emokappaleestaan, sen pinnan ja jopa sisäosien koostumuksesta. Eri taivaankappaleille laskeutuneita luotaimia on kuitenkin melko pieni määrä ja etenkin näytteiden tuominen Maahan tutkittavaksi on haastavaa, kallista sekä joissakin tapauksissa käytännössä mahdotont, Ershova toteaa. Tässä suhteessa Saturnuksen Enceladus-kuu on tutkijoiden erityisen mielenkiinnon kohteena, sillä sen jäisen pinnan alla on meri. Jokin tulevaisuuden avaruusluotain voikin sisältää jäävulkaanisten purkausten pölyä tutkivan instrumentin, joka on suunniteltu nimenomaan etsimään merkkejä mahdollisesta elämästä pinnan alla.

Vaikka yksittäiset pölyhiukkaset ovat suhteellisen lyhytikäisiä, komeettojen ytimessä oleva materia on ominaisuuksiltaan lähellä sitä ainesta, josta aurinkokunta on aikoinaan syntynyt. Suuremmilla taivaankappaleilla oleva aine on kokenut monenlaisia geologisia prosesseja, jotka ovat muokanneet sitä. Komeetoista irtoava pöly tuo siis tavallaan meille viestin viiden miljardin vuoden takaa, ajalta jolloin planeetat olivat vasta muodostumassa kiertämään nuorta Aurinkoa.

Ershovan väitöstutkimuksessa kehitetyt kaksi mallinnuskoodia DUDI (DUst DIstribution) ja DUDI-heliocentric ovat tutkijoiden vapaasti käytettävissä ja ne löytyvät GitHub-sivustolta.