RENGAS JOTA EI PITÄISI OLLA OLEMASSA

RENGAS JOTA EI PITÄISI OLEMASSA
 OULUN YLIOPISTON TUTKIJA MUKANA NATURE-JULKAISUSSA

(Heikki Salo, Avaruusfysiikan ja tähtitieteen tutkimusryhmä, Oulun yliopisto)
email: heikki.salo@oulu.fi, tel. 029 448 1931

Muita Oulussa tehtyjä planetaaristen renkaiden tutkimuksia



Bruno Morgado et al.: "A dense ring of the trans-Neptunian object Quaoar outside its Roche Limit"
Linkki artikkelin Nature-sivulle

Free access link to Nature article provided by Springer Nature Sharing



Linkki Rio de Janeiron yliopiston tiedotteeseen
Linkki Pariisin Observatorion tiedotteeseen
Linkki ESAn tiedotteeseen
Linkki Oulun yliopiston tiedotteeseen (suomeksi)
Linkki Oulun yliopiston tiedotteeseen (englanniksi)

MITÄ ARTIKKELI KÄSITTELEE :

Kansainvälinen tutkijaryhmä löysi Quaoar (lausutaan 'kwawar' ) pikkuplaneetan ympäriltä kapean renkaan, joka kiertää kauempana keskuskappaleesta kuin mitä vallitsevan käsityksen mukaan pitäisi olla mahdollista. Nature-tiedelehdessä 9.2.2023 julkaistut havainnot on tehty laajassa Pariisin observatorion koordinoimassa hankkeessa. Oulu ei osallistunut havaintoihin, mutta on mukana löydön teoreettisessa tulkinnassa: julkaisussa ehdotettu selitys renkaan pysyvyydelle on laadittu Oulun yliopistossa.

Kyseessä on vasta kolmas aurinkokunnan pienkappaleen ympärillä havaittu rengassysteemi.

Quaoarin rengas sijaitsee yli seitsemän planeetan säteen etäisyydellä, paljon kauempana kuin yksikään aiemmin tunnettu ei-pölymäinen rengas. Löytö kumoaa käsityksen, jonka mukaan planeetaaristen renkaiden pitäisi kertyä kuuksi niin sanotun klassisen Rochen rajan ulkopuolella rengaskappaleiden keskinäisten vetovoimien takia.

Ylläolevassa kuvassa on hahmoteltu Quaoarin renkaan etäisyyttä suhteessa Saturnuksen renkaisiin:
Saturnuksen rengassysteemi sijoitsee jäisten kappaleitten Roche-rajan sisäpuolella, mutta Quaoarin rengas
huomattavasti kauempana. Quaoarin ja sen renkaan kokoa on liioiteltu satakertaisesti suhteessa Saturnukseen.
Saturnus-kuva on Cassini-luotaimen ottama (Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/G. Ugarkovic).


PIKKUPLANEETTA-RENKAIDEN HAVAITSEMINEN :

Quaoar kiertää kaukana Neptunuksen radan takana ja on läpimitaltaan vain puolet Pluton koosta. Se näkyy James Webb -avaruusteleskoopissakin pelkkänä valopisteenä. Quaoarin koko ja muoto on mitattu epäsuorasti tähdenpeittohavaintojen avulla, eli seuraamalla kuinka se pimentää sen taakse ajoittain osuvien tähtien valoa. Renkaiden olemassaolon paljasti keskuskappaleen pimennyksen ohella mitatut symmetriset pienemmät himmenemiset. Havainnoissa käytettiin mm. Kanarian La Palma saarella sijaitsevaa 10.4 metrin GTC teleskooppia.



KUVA: Esimerkki Chariklon renkaiden löytämisestä tähdenpeittohavaintojen avulla Braga-Ribas et al. (2014).
Chariklon rengas oli ensimmäinen Aurinkokunnan pienkappaleen ympäriltä löydetty rengas. Quaoarin rengas löytyi samlla menetelmällä.

Vasemmanpuoleinen kuva: esimerkki tähden valokäyrästä sen peittyessä Chariklon (pääminimi) ja sen kahden osarenkaan (pienet minimit) taakse. Oikeanpuoleinen kuva: Useista eri havaintopaikoista yhdistetyn havainnot mahdollistavat renkaan muodon ja koon mittauksen.
Kuvat Braga-Ribas et al. (2014) artikkelista



ROCHEN RAJA :

Ranskalainen tähtitieteilijä Edouard Roche osoitti vuonna 1850, että tietyn, planeetan ja kappaleiden tiheydestä määräytyvän etäisyyden sisäpuolella planeetan vuorovesivoima voittaa sitä kiertävien kappaleiden keskinäisen vetovoiman. Tämän tyypillisesti 2–3 planeetan säteen etäisyydellä sijaitsevan Rochen rajan sisäpuolelle joutuva kuu hajoaa väistämättä, ja syntyneet pirstaleet leviävät renkaaksi planeetan ympärille.
Oppikirjojen mukaan sama mekanismi toimii myös kääntäen, niin että Rochen rajan ulkopuolella rengas aina tiivistyisi kuuksi. Vakiintunut käsitys pohjautuu Saturnuksen renkaiden ulkoreunan hyvään yhteensopivuuteen jäisten kappaleiden Rochen rajan kanssa (katso sivun alussa oleva kuva). Myös muut tunnetut renkaat ovat tukeneet käsitystä.
Quaoarin kaukainen rengas muodostaa poikkeuksen: jotta se olisi Rochen rajan sisäpuolella, pitäisi rengaskappaleiden olla jäätä huomattavasti höttöisempää ainetta. Yhtä epätodennäköinen on selitys, jonka mukaan renkaat ovat niin nuoret, että ne ovat vasta tiivistymässä kuuksi.


MIKÄ ESTÄÄ QUAOARIN RENKAITA TIIVISTYMÄSTÄ KUUKSI? :

Nature-julkaisussa esittämämme arvoituksen mahdollinen ratkaisu perustuu jääkappaleiden törmäysten aiempaa tarkempaan mallintamiseen. Quaoar kiertää neljä kertaa Saturnusta kauempana Auringosta, minkä takia rengaskappaleet ovat paljon kylmempiä kuin Saturnuksen etäisyydellä. Laboratoriomittausten (kts alla) mukaan jäisten kappaleiden keskinäiset hitaat törmäykset ovat hyvin kimmoisia alhaisissa lämpötiloissa. Oulussa tehdyt N-kappaleen simulaatiot osoittivat, että jääkappaleiden kimmoisuuden kasvu kylmemmässä ympäristössä vaikeuttaa kappaleiden yhteenliittymistä. Tämä riittää estämään Quaoarin renkaan tiivistymisen myös Rochen rajan ulkopuolella, vaikka kappaleet olisivatkin tiheydeltään kiinteää jäätä.


KUVA: Esimerkki N-kappaleen simulaatioista, joissa on seurattu kappaleiden törmäyksiä ja yhteenliittymistä pienessä Quaoarin renkaan mukana kiertävässä simulaatioalueessa. Törmäysten kimmoisuutta on mallinnettu Hatzes et al. (1988) laboratoriokokeiden mukaisesti (alhainen lämpötila, ei huurretta kappaleiden pinnalla; hyvin kimmoisat kappaleet) Eri käyrät kuvaavat renkaan nopeushajonnan aikakehitystä eri sisäisen tiheyden omaavilla kappaleilla: kiinteän vesijään tiheys on 900 kg/m^3. Simulaatioiden mukaan kappaleiden tiheyden pitäisi olla yli kuusinkertainen, jotta törmäävät kappaleet liittyisivät yhteen keskinäisen gravitaation takia. Syynä tähän on kappaleiden suuri nopeushajonta, joka ylittää kappaleparien keskinäisen pakonopeuden.



RENKAIDEN DYNAMIIKKA :

Quaoarin renkaat koostuvat pienistä, todennäkäisesti metrin kokoluokkaa olevista jääkappaleista jotka kiertävät keskuskappaletta lähes ympyrämäisillä radoilla. Renkaan tiheässä osassa kappaleet törmäilevät muutaman tunnin välein. Vaikka kiertonopeudet keskuskappaleen ympäri ovat satoja metrejä sekunnissa, kappaleiden keskinäiset törmäysnopeudet ovat vain senttimetrejä sekunnissa. Eli ne eivät hajoa törmäyksissä vaan kimmahtelevat toisistaan. Törmäyksissä osa kappaleiden liike-energiasta muuttuu lämmöksi, mikä aiheuttaan ratojen litistymisen likimain samaan tasoon keskuskappaleen ympärillä. Samalla kappaleet putoavat lähemmäksi planeettaa, mutta tämä ilmiö on niin hidas ettei sillä ole käytännön merkitystä.

Renkaan tasapainotila, eli se millä nopeudella kappaleet liikkuvat keskimäärin toistensa suhteen, määräytyy etupäässä törmäysten kimmoisuudesta. Mikäli kappaleet olisivat vaikkapa "muovailuvahaa", eli hyvin kimmottomia, suhteelliset nopeudet pysyisivät hyvin pieninä. Kimmoisten "superpallojen" suhteelliset nopeudet taas asettuisivat tasapainotilassa suurempaan arvoon.

Jäisten kappaleitten kimmoisuutta on mitattu mm. Lick observatorion laboratoriossa 1980-luvulla. Mittaukset eivät ole helppoja, koska ne on tehtävä hyvin alhaisissa lämpötiloissa ja pienillä törmäysnopeuksilla: on helpompi ampua kappaleita toisiaan kohti kuin saada ne törmäämääm nopeuksilla jotka maan päällä vastaisivat pudottamista millimetrin tuhannesosan korkeudelta!


KUVA: Laboratoriokokeiden mukaisia malleja jään kimmoisuuskertoimelle (törmäyksen jälkeinen nopeus jaettuna törmäysnopeudella). Oheisessa kuvassa Bridges (1984) -malli muistuttaa "muovailuvahaa", Hatzes (1988) -malli "superpalloja". Jään käyttäytyminen renkaiden hyvin kylmissä olosuhteissa on huonosti tunnettu, mutta asettunee jonnekin näiden ääripäiden välille. Vaakasuora katkoviiva (kimmoisuus = 0.63) kuvaa tasapainotilaa johon rengas pyrkii asettumaan: Hatzes-mallin mukaisilla kappaleilla tasapainotilan keskimääräinen törmäysnopeus on luokkaa 1.5 cm/sekunnissa. Bridges-mallin mukaisilla kappaleilla alle 0.1 cm/sekunnissa.


Tasapainotilan nopeuksilla on ratkaiseva merkitys kappaleiden yhteenliittymisen kannalta, silloin kun ollaan Rochen rajan ulkopuolella:

1) Mikäli keskinäiset nopeudet ovat pieniä (pienempiä kuin kappaleiden pakonopeus toistensa suhteen), niin seurauksena on tiivistyminen.
Prosessi on nopea: kappaleet törmäävät pareittain ja joutuvat keskinäisen painovoimansa sitomiksi. Koska ollaan Rochen rajan ulkopuolella, ei planeetan vuorovesivoimakaan pysty repimään niitä erilleen. Näin syntyneet isommat kappaleet törmäävät edelleen keräten lisää materiaa, kunnes suuri osa kappaleista on tiivistynyt yhdeksi kappaleeksi, kuuksi. Esimerkiksi Maan kuun on ajateltu syntyneen Maahan osuneen suuren törmäyksen roiskeesta joka tiivistyi kiertoradalla Maan ympärillä.

2) Nature-julkaisussa esittämämme selitys sille miksi Quaoarin renkaat ovat yhä renkaat, eikä kuu, perustuu siihen että kappaleiden keskinäiset nopeudet ovat niin suuret ettei painovoima ehdi liittää kappaleita yhteen törmäyksissä.
Tämä selitys olettaa, että Quaoarin jää on kimmoisempaa kuin esimerkiksi Saturnuksen renkaissa. Tämä on mahdollista koska Quaoarin renkaat ovat kylmemmät. Laboratorikokeet, joita tehtiin yli 30 vuotta sitten Yhdysvalloissa (edellisen kuvan Hatzes 1988-malli) antoivat nimittäin tuloksen, että jää on hyvin kimmoista alhaisissa lämpötiloissa. Tälläiset "superpallot" ponnahtavat nopeammin toisistaan eroon kuin mitä niiden keskinäinen painovoima pystyy sitomaan.

Kuva: Esimerkki tasapainotilan nopeushajonnasta ja sen riippuvuudesta törmäysmallista. Kappaleiden sisäisen tiheyden (x-akselilla) kasvaessa niiden keskinäinen painovoima voimistuu: kuvassa tätä mitataan keskinäisellä pakonopeudella (Vesc), mikä on miniminopeus kappaleiden välillä jotta ne eivät liittyisi yhteen keskinäisen painovoiman takia. Oletettua tiheyttä kasvatettaessa yhteenliittyminen alkaa kun pakonopeus lähestyy törmäysten ylläpitämää tasapainotilan nopeushajontaa.
Harmaa alue kuvassa kuvaa aluetta jolla yhteenliittyminen tapahtuu: Bridges(1984) mallin mukaisilla törmäyksillä tämä tapahtuisi jo jäätä paljon höttöisemminllä kappaleilla, mutta Hatzes (1988) mallissa vasta paljon jäätä tiheämmillä kappaleilla. Harmaan alueen vasen pystysuora reuna vastaa Rochen rajaa: tätä höttäisämmät kappaleet erkaantuisivat nopeushajonnasta riippumatta keskuskappleen vuorovesivoiman takia.



RENKAIDEN RAKENNE:

Todennäköisesti Quaoarin renkasta renkaana pitävä mekanismi on monimutkaisempi kuin mitä yllä on esitetty. Nimittäin, koska ne sijaitsevat Rochen rajan ulkopuolella, renkaissa voi helposti ajoittain syntyä satunnaisia tihentymiä, jotka eivät kuitenkaan pääse kasvamaan esteettä, esimerkiksi toisten kappaleiden häiritsevän vaikutuksen takia. Mittausten mukaan Quaoarin renkaan läpinäkyvyys ja leveys vaihtelee eri mittauksissa, mikä voi viitata edellä mainittuun tiivistymis- ja hajoamisprosessien kilpailuun. Toisaalta, leveysvaihtelut voivat liittyä myös keskuskappaleen pallomaisesta poikkeavaan muotoon (tästä lisää alempana)

Vaihtelevan rakenteensa puolesta Quaoarin rengas muistuttaa Neptunuksen Adams-rengasta, joka ei ulotu tasaisena Neptunuksen ympäri, vaan koostuu kaarimaisista tihentymistä.

Credit: NASA
Kuva Neptunus-planeetan renkaista: Voyager 2 luotaimen 1989 ottama kuva Neptunuksen renkaista. Adams-rengas on kuvassa näkyvistä renkaista ulompi. Siinä näkyy kolme kaarimaista tihentymää, jotka liittyvät lähellä kiertävän Galatea-kuun aiheuttamiin häiriöihin. (Tätä rengasta on myös mallinnettu Oulussa, kts Nature 1998


MIKÄ PITÄÄ RENKAAN KAPEANA?:

Kapeimmillaan Quaoarin rengas on alle 10 km leveä, mikä vastaa vain noin kymmenestuhannesosaa renkaan halkaisijasta. Törmäysten takia renkaan pitäisi levitä nopeasti radiaalisessa suunnassa. On hyvin epätodennäköistä, että sattumalta havaitsisimme renkaan joka on pian häviämässä. Todennäköisempää on että olemassa mekanismi, joka pitää renkaat kapeana. Olemme paraikaa tutkimussa tätä ongelmaa yhteistyössä Oulun yliopiston ja Pariisin Observatorion välillä. Tutkimustemme mukaan selitys liittyy Quaoarin ei-pallomaisen muodon aiheuttamiin häiriöihin ja renkaan leveysvaihteluihin.

Quaoarin rengas sijaitsee etäisyydellä, jolla kiertävän kappaleen kiertoaika on kolme kertaa pidempi kuin ei-pallomaisen keskuskappaleen pyärähdysaika. Tätät kutsutaan 1/3 resonanssiksi; sama 'yhteensattuma' on havaittu myös muiden pikkuplaneettarenkaiden (Chariklo ja Haumea) kohdalla.

Prof. Bruno Sicardyn teoreettiset laskut osoittavat että tällöin rengaskappaleiden radat kokevat merkittäviä häiriöitä. Oulussa tehdyt N-kappaleen simulaatiot puolestaan osoittavat, että tällöin kappaleiden keskinäiset törmäykset kaventavat rengasta, sen sijaan että levittäisivät sitä. Oleellista ovat juuri resonanssi-häiriöiden aiheuttamat renkaan leveysvaihtelut. Tutkimukset ovat yhä työn alla: alustavia tuloksiamme, sovellettuna aimmin löydettyyn Charklon renkaaseen, on esitelty European Planetary Science kokouksessa v 2021:
Sicardy et al. (2021) EPSC
Salo et al. (2021)

ONKO QUAOARIN RENGAS TÄRKEÄ?:

Quaoarin renkaan löytäminen ja selitys sen sijainnille Rochen rajan ulkopuolella eivät muuta käsitystämme maailmankaikkeudesta tai tuo ratkaisua ihmiskunnan polttaviin itse-aiheutettuihin ongelmiin.
Toisaalta, tutkimus lisää ymmärrystä niistä prosesseista jotka ovat johtaneet aurinkokuntamme planeettojen ja niitä ympäröivien kuu/rengas-systeemien syntyyn. Löytö kumoaa myös lähes 200 vuotisen piintyneen käsityksen siitä millaisia renkaita voi olla olemassa, ja tarjoaa siten hyvän esimerkin tutkimuksen edistymisestä!
Nature-lehdessä julkaistaan vuosittain alle 50 tähtitieteen alkuperäistutkimusta.