Rengas jota ei pitäisi olla olemassa – Miksi Quaoar-pikkuplaneetan rengas ei tiivisty kuuksi?

Quaoar-pikkuplaneettaa (lausutaan ’kwawar’) ympäröi rengas 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. Tuoreessa tutkimuksessa esitetty N-kappaleen simulaatioihin pohjautuva teoreettinen malli renkaan pysyvyydelle on laadittu Oulun yliopistossa.

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.

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. 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. 

Nature-julkaisussa esitetty arvoituksen ratkaisu perustuu jääkappaleiden törmäysten tarkempaan mallintamiseen. Quaoar kiertää neljä kertaa Saturnusta kauempana Auringosta, minkä takia rengaskappaleet ovat paljon kylmempiä kuin Saturnuksen etäisyydellä. Laboratoriomittausten 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.

Heikki Salo sai selitykseen johtaneen oivalluksensa heti havainnoista kuultuaan. ”Havaintoja johtanut professori Bruno Sicardy näytti mittauskäyrän, jossa oli renkaan aiheuttamat terävät minimit selvästi Rochen rajan ylittävällä etäisyydellä. Muistin kirjallisuudessa 30 vuotta aiemmin julkaistut laboratoriokokeet jään käyttäytymisestä alhaisissa lämpötiloissa, sekä niiden pohjalta aikoinani tekemäni hyvin kimmoisten kappaleiden simulaatiokokeilut. Quaoarin suuri etäisyys loksautti selityksen palat paikoilleen, minkä seuraavien viikkojen uudet perusteelliset tietokonesimulaatiot vahvistivat.”

Planeettojen renkaiden tutkimuksella yritetään ymmärtää, miten renkaat ovat muodostuneet, ja mitä ne kertovat oman aurinkokuntamme synnystä ja rakenteesta. Quaoarin renkaan mitattu leveys ja tiheys vaihtelee ajan kuluessa, missä suhteessa se muistuttaa Saturnuksen F-rengasta sekä Neptunuksen renkaiden kaarimaisia tihentymiä.

Oulun ja Pariisin observatorion tutkimukset jatkuvat ja tavoitteena on selittää mikä mekanismi pitää Quaoarin ja muiden pienkappaleiden renkaat niin kapeina. ”Professori Sicardyn teoreettiset laskelmat osoittavat että keskuskappaleen ei-pallomainen muoto aiheuttaa pieniä häiriötä, jotka kasaantuvat kierros kierrokselta samaan tapaan kuin keinulle vauhtia antaessa. Tekemieni N-kappaleen simulaatioiden mukaan nämä häiriöt voivat muuttaa systeemin käyttäytymistä niin, että kappaleiden keskinäiset törmäykset kaventavat rengasta, sen sijaan että levittäisivät sitä”, Salo kertoo.

Planetaaristen renkaiden mallinnus on Oulun yliopiston tähtitieteen vanhimpia tutkimusaloja, juontaen professori Antero Hämeen-Anttilan 1960-luvulla aloittamiin tutkimuksiin. Oululaisten N-kappaleen simulaatioiden tieteellisiä tuloksia on raportoitu useita kertoja Nature (1992, 2007) ja Science (1998, 2011) -tiedelehdissä.

Uusi tutkimus “A dense ring of the trans-Neptunian object Quaoar outside its Roche Limit” on julkaistu tiedelehti Naturessa 9.2.2023. Tutkimuksessa on mukana kymmeniä kansainvälisiä tutkijoita ja tutkimusorganisaatiota. Lue tutkimus: Morgado et al.

• Tutkimuksen doi-linkki: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05629-6 
• Lue lisää uudesta tutkimuksesta suomeksi