Ennustaako 300-vuotias laki eksoplaneettojen ratoja?

Optisten apuvälineiden avustaman tähtitieteen ottaessa vielä ensiaskeleitaan, 1700-luvun alkupuoliskolla tunnettiin 17 Aurinkokunnan planeettaa. Tuolloin kaikkia suurempia Aurinkokunnan kappaleita kutsuttiin planeetoiksi, mikä olisi lähinnä linjassa geofysikaalisen planeetan määritelmän kanssa. Sen mukaan planeettoja tunnetaan nykyään ainakin 36, kun kutsumme suurimpia kuita sekundäärisiksi planeetoiksi. Oli kuitenkin jo selvää, ettemme tunteneet jokaista järjestelmämme planeettaa ja tutkijat ymmärsivät, että Aurinkokunnassa saattoi piillä vielä monia tuntemattomia kappaleita. Tähtitieteilijät olivatkin huomaavinaan systematiikkaa planeettojen radoissa. Aivan kuin radat noudattaisivat jonkinlaista matemaattista lainalaisuutta ja laskentakaavaa, jonka perusteella planeettojen rataetäisyydet olisi helppoa muistaa. Jokin mekanismi oli saanut planeetat järjestymään kiertoradoille ihmisen selvitettävissä olevan säännön mukaisesti. Mutta mikä sellainen sääntö voisi olla?

Vuosisadan loppupuoliskolla Johann Daniel Titius ehdotti lainalaisuutta, jossa hän jakoi Saturnuksen ja Auringon välisen etäisyyden sataan yhtä pitkään pituusmittaan. Silloin Merkurius olisi 4 mitan etäisyydellä, Venus 4+3 mitan etäisyydellä Auringosta ja Maa 4+6 mitan etäisyydellä. Edelleen, Mars olisi 4+12 mitan päässä, Jupiter 4+48 mitan ja Saturnus itse 4+96 mitan päässä. Numerot on tarkoituksella kirjoitettu summiksi, joissa jokaisessa on asetettu Merkuriuksen etäisyys, 4 mittaa erikseen. Silloin jokaisen muun planeetan etäisyys lasketaan lisäämällä Merkuriuksen etäisyyteen luku 3 kerrottuna luvulla 2 niin monta kertaa kuin planeetan järjestysnumero edellyttää, jos vain Venukselle annetaan järjestysnumeroksi 0. Tässä hämmentävässä laskukaavassa on tavallaan kyse numerologiasta, jossa etsitään planeettojen rataetäisyyksiin sopiva numeroleikki, mutta koska kaava on hämmästyttävän tarkka ja planeettojen todelliset etäisyydet poikkeavat siitä korkeintaan vain muutamia prosentteja, se sai jonkin verran huomiota aikakauden astronomien keskuudessa. Niin Titius kuin hiukan myöhemmin Johann Elert Bode pitivät ilmeisenä, että vaikka etäisyydellä 4+24 ei kuitenkaan ollut tunnettua planeettaa, kyse oli vain siitä, että sellaista ei oltu vielä onnistuttu havaitsemaan. Lakia ei silti pidetty kovinkaan tärkeänä, vaan sen arveltiin olevan ehkäpä vain sattuman tuotosta.

Tilanne kuitenkin muuttui Uranuksen löydyttyä suunnilleen etäisyydeltä 4+192 vuonna 1781. Vuonna 1801 löydetty Ceres puolestaan sattui lähes täsmälleen Marsin ja Jupiterin väliin jääneeseen aukkokohtaan etäisyydellä 4+24. Tuolloin laki vaikutti sopivan tunnettuihin planeettoihin ja samalla onnistuneen ennustamaan kaksi uutta Aurinkokunnan planeettaa, mikä sai luonnollisesti tähtitieteilijät arvelemaan lain taustalla voivan piillä jotakin fysikaalista tietoa planeettakuntamme rakenteesta. Vaikka se ei enää soveltunut tuleviin löytöihin erityisesti Neptunuksen poiketessa valtavasti ennustetusta, Titius-Boden laki jäi ehkäpä yksinkertaisuutensa ja historian menestyksensä vuoksi elämään astronomien keskuuteen ikään kuin kulttuuriperintönä, eikä sitä unohdettu tulevina vuosisatoina. Siitä tuli osa tähtitieteilijöiden kertomakirjallisuutta, ja laki otetaan toisinaan edelleenkin puheeksi käsiteltäessä yliopiston peruskurssilla tähtitieteen historiaa. Modernina aikakautena lakia ja sen monia variaatioita on myös koetettu soveltaa eksoplaneettajärjestelmiin. Sovelluksia on tuskin koetettu siksi, että olisi uskottu niiden voivan osua oikeaan, vaan ennemminkin siksi, että laskut ovat varsin helppoja.


Titius-Boden laki on oikeastaan vain yksinkertainen eksponentiaalisen kasvun laki, joka sanoo, että planeettojen väliset etäisyydet kasvavat joka askelmalla samalla kertoimella. Historiallisesti, puhuttaessa Aurinkokunnasta, kertoimena on ollu luku 2, vaikka monia muitakin arvoja on ehdotettu. Helpointa on kuitenkin vain määrittää luku planeettakunnasta sovittamalla matemaattisesti eksponentiaalisen kasvun käyrä planeettojen rataetäisyyksiin. Silloin Aurinkokunnan kertoimeksi saadaan noin 1.72 tai hiukan enemmän, riippuen valitusta laskutavasta. Ja koska Aurinkokunnan planeettojen rataetäisyydet sopivat tällaiseen eksponentiaaliseen lakiin niin kovin hyvin, on tavallaan luonnollista kysyä kuinka hyvin sellaiset lait voisivat ennustaa eksoplaneettajärjestelmien rakennetta.

Ennusteita onkin koetettu tuottaa. Kepler -avaruusteleskoopin ensimmäisten havaintojen jälkeen usean planeetan järjestelmiä on tunnettu jo kymmeniä ja yleistetyn Titius-Boden (YTB) lain pohjalta on ennustettu kymmenien planeettojen olemassaolo tunnetuissa järjestelmissä (1). Ennusteiden ongelmana on kuitenkin se, että vaikka niiden varmentaminen ei tarkemmilla havainnoilla onnistuisikaan, voidaan aina sanoa, että ennusteen mukaisella radalla oleva planeetta on vain liian pieni havaittavaksi vaikkapa ylikulkumenetelmällä. Vaikka ennustettujen planeettojen olemassaolo olisikin joskus mahdollista sulkea pois tarkastelemalla planeettakunnan stabiiliutta ja osoittamalla, että ennustetulla rataetäisyydellä ei ole stabiileja ratoja, sellaiset tilanteet eivät ole kovinkaan yleisiä. Yhden selvän poikkeuksen tarjoaa harvinainen planeettakunta Gliese 876, jossa poikkeuksellisesti kaksi jättiläisplaneettaa kiertää pientä punaista kääpiötähteä hyvin lähellä sekä tähteä että toisiaan. Planeetat ovat resonanssiradoilla, joilla ulompi kiertää tähden kerran aina sisemmän kiertäessä sen kahdesti. Se on ainutlaatuinen planeettakunta, jonka herkkä tasapainotila ja voimakkaat planeettojen väliset vetovoimat suistaisivat YTB ennusteiden mukaiset sisemmät planeetat välittömästi radoiltaan. Voidaan siis olla varmoja, että minkäänlainen YTB laki ei sovellu Gliese 876 tähden kiertolaisiin.

Toiset tähtitieteilijät ovatkin koettaneet varmentaa YTB-lakien tuottamia ennusteita, koska ennusteita tuottaneiden hypoteesien osoittaminen vääriksi on yksi ehkäpä tärkeimpiä tapoja edistää tieteellistä tutkimusta. Käytyään läpi havaintoja kymmenistä järjestelmistä, joille oli tehty ennusteita uusista planeetoista, tutkijat havaitsivat ennusteisiin sopivia uusia planeettoja vain kourallisen. Tulos sai heidät tylysti toteamaan YTB ennusteiden olevan todellisuudessa luotettavuudeltaan kyseenalaisia (2). Toteamus tarkoittaa käytännössä sitä, että ennustettu planeetta voi joskus olla olemassa, pääasiassa ei, mikä tekee ennusteesta lähinnä arvauksen ja melkoisen perusteettoman pohjan jatkotutkimuksille.

Kuva 1. Kepler-avaruusteleskoopin havaitsemia eksoplaneettajärjestelmiä, joissa havaitut planeetat on merkitty sinisillä ympyröillä ja punaiset nelikulmio ovat YTB ennusteita. Kuva: Bovaird et al. 2015.

Asiassa on kuitenkin muutakin. Planeetat ovat nimittäin tyypillisesti suunnilleen samassa ratatasossa, joka on vain hyvin harvoin täsmälleen tähden ja havaintolaitteidemme välillä. Planeettojen ratataso voi olla mitä vain, mutta niiden havaitseminen on mahdollista vain siinä harvinaisessa tilanteessa, jossa planeetat kulkevat meidän näkökulmastamme katsottuna tähden editse. Silloin tähteä lähimpänä kiertävät planeetat ovat todennäköisemmin havaittavissa ja kaukaisempien planeettojen ylikulkutodennäköisyys pienenee sitä pienemmäksi mitä kauempana ne ovat. Se taas tarkoittaa, että kaikkia järjestelmien ulko-osiin ennustettuja planeettoja ei voikaan havaita, vaikka ne olisivatkin olemassa. Huomioimalla tämä korjaus, ja vaikka kaikki tähtitieteilijät eivät olekaan samaa mieltä, YTB laeilla saattaa sittenkin olla jonkinlainen tilastollinen ennustevoima (3).

Kyse on kuitenkin pohjimmiltaan siitä, että planeettakuntien muodostuessa planeettojen radat voivat olla vain niin lähellä toisiaan kuin järjestelmän stabiiliuden puitteissa voivat, mutta eivät yhtään lähempänä. Mikä voidaan tulkita Titius-Boden lakien kaltaisena järjestelmällisyytenä, onkin todellisuudessa vain planeettojen pakkautumista planeettakuntiin sellaisille radoille, joilla ne voivat kiertää tähtiään pitkiä aikoja. Muussa tapauksessa syntyy kaoottista käyttäytymistä ja planeetat joko törmäilevät toisiinsa tai tähteensä tai sinkoutuvat ulos järjestelmästä. Sellaisia planeettakuntia emme tietenkään voi olla havaitsemassa, koska ne ovat jo tuhoutuneet.

Tiedämme eksoplaneettakunnista ainakin sen, että niiden planeetat ovat tosiaan likimain tasaisin välimatkoin tähtiensä kiertoradoilla (4). Lisäksi planeettakunnissa on tyypillisesti korostetusti samankokoisia planeettoja ja harvemmin suuria kokoeroja. Se vaikuttaa hämmästyttävältä suurten kokoerojen Aurinkokunnasta katsottuna mutta Aurinkokunta ei olekaan täyteen pakattu järjestelmä, koska jättiläisplaneetat ovat vetovoimillaan estäneet tiiviin sisäplaneettakunnan synnyn. Samankaltaiset planeettojen koot johtavat kuitenkin siihen, että planeetat voivat olla suunnilleen tasaisin välimatkoin radoillaan — Gliese 876 järjestelmässä onkin hyvin poikkeuksellisesti Jupiteria massiivisempia planeettoja yhdessä pienten kiviplaneettojen kanssa.

Voidaan siis sanoa, että Titius-Boden laki heijastaa jotakin todellista planeettakunnista, vaikka sitä ei voidakaan pitää hyödyllisenä koetettaessa vaikkapa ennustaa millaisilla radoilla uusia planeettoja voisi todennäköisimmin löytyä. Siksi se pysyy luultavasti tulevaisuudessakin tähtitieteen perinteenä ja esimerkkinä ensimmäisistä yrityksistä ymmärtää miten planeetat valikoivat ratansa. Todellisuus vain on monin verroin yksinkertaisia laskukaavoja mielenkiintoisempi.


Journalistinen kysymykseksi muotoiltuja otsikkoja koskeva Betteridgen laki sanoo, että oikea vastaus on aina yksiselitteinen ”ei”. Laki pitää tälläkin kerralla paikkansa. Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Bovaird & Lineweaver 2013. Exoplanet predictions based on the generalized Titius–Bode relation. MNRAS, 435, 1126.
  2. Huang & Bakos 2014. Testing the Titius–Bode law predictions for Kepler multiplanet systems. MNRAS, 442, 674.
  3. Bovaird et al. 2015. Using the inclinations of Kepler systems to prioritize new Titius–Bode-based exoplanet predictions. MNRAS, 448, 3608.
  4. Gilbert & Fabrycky 2020. An Information Theoretic Framework for Classifying Exoplanetary System Architectures. The Astronomical Journal, 159, 281.

Yksinäisyyden saarekkeet

James Webb -avaruusteleskoopin kuvat ovat paljastaneet runsaasti uutta tietoa avaruuden erilaisista kohteista lähtien oman aurinkokuntamme planeetoista ja päätyen kaukaisiin, universumin varhaisimpiin galakseihin. Sen etäisyysasteikon välissä teleskooppi on tehnyt huikeita havaintoja eksoplaneettojen ylikuluista tutkien niiden koostumusta ja havainnut niitä jopa suoraan, sekä tutkinut vasta muodostumassa olevia nuoria aurinkokuntia toisten tähtien ympärillä. Infrapuna-alueen teleskooppina Webb kykenee näkemään syvälle tähtienvälisen aineksen pölypilvien sisälle, koska infrapunasäteily läpäisee helposti harvat tähtienväliset pölyn muodostelmat. Siten on mahdollista nähdä syntyvien tähtien ympärilleen kasaamia kertymäkiekoiksi kutsuttuja rakennelmia. Ne ovat aurinkokuntien nuoruusvaiheita, joissa kiekon tasoon tiivistyvä materia saa planeetat syntymään.

On suorastaan vaikeaa uskoa, että kykenemme näkemään suoraan tähtien ja planeettojen synnyn. Havainnot ovat kuin aikakone, jolla voimme siirtyä kauas menneisuuteen, noin 4.5 miljardin vuoden takaiseen historiaan ja aikakauteen, jolloin oma planeettakuntamme syntyi. Silloin Aurinkoakin ympäröi kaasun ja pölyn muodostama kiekko, jonka kaaoksesta planeetat saivat alkunsa materian kasauduttua aina vain suuremmiksi kappaleiksi.

Silmiinpistävintä on kuitenkin syntyvien planeettakuntien yksinäisyys. Ne ovat kaukana toisistaan, eristyksissä muita tähtiä kiertävistä vastaavanlaisista muodostelmista, vailla suuria mahdollisuuksia vuorovaikuttaa keskenään edes tähtitieteellisten aikojen kuluessa. Webbin kuvaama yksittäinen kertymäkiekko Orion 294-606 kuvastaa omankin planeettakuntamme yksinäistä luonnetta. Matka seuraavalle avaruuden saarekkeelle on niin valtaisa, että sen kuvaaminen sanoin on likimain mahdotonta. Kuvan 1. keskellä näkyvä yksinäinen kertymäkiekko on halkaisijaltaan noin 300 astronomista yksikköä, mutta matka sen tuntumasta seuraavalle avaruuden saarekkeelle on suuruusluokaltaan ainakin tuhat kertaa enemmän. Tässä vertailussa on syytä muistaa, että klassisista planeetoista uloimman, Neptunuksen, rataetäisyys Auringosta on vain 30 astronomista yksikköä. Ja sekin on matka, jonka taittamiseen kuluu nopeimmilta luotaimiltamme vuosikausia.

Kuva 1. Numerokoodilla 294-606 tunnettu nuori tähti Orionin tähtiensyntyalueella James Webb -avaruusteleskoopin kuvaamana. Tähteä ympäröi kertymäkiekko, joka näkyy tummana juovana tähden molemmin puolin. Kertymäkiekon halkaisija on noin 300 AU:n verran, jolloin sen ulkoreuna on noin kymmenen kertaa kauempana tähdestä kuin Neptunus on Auringosta. Kuva: NASA/ESA/CSA/McCaughrean & Pearson.

Luhistuessaan oman gravitaatiokaivonsa syövereihin, tähtienvälinen aine synnyttää tyypillisesti tähtiä vain harvakseltaan valtavien etäisyyksien päähän toisistaan. Ja vaikka yhdestä valtaisasta tähtienvälisen aineksen molekyylipilvestä voikin syntyä lukuisia tähtiä planeettakuntineen, ne ovat tyypillisesti syntynsä jälkeen yksin. Ne kiertävät galaksin keskusta omilla alati muuttuvilla radoillaan, silti galaktista gravitaatiopotentiaalia tiukasti noudatellen. Se on huono uutinen pyrkimykselleme matkata tähtiin. Luultavasti mekin, riippumatta teknologisista saavutuksistamme, olemme koko lajimme eliniän sidottuja omaan tähteemme ja sitä hierarkisessa järjestyksessä kiertäviin planeettoihin — omaan, yksinäiseen avaruuden saarekkeeseemme.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Kun tähtitiede loikkaa eteenpäin

Monen tähtitieteen tutkijan aamurutiineihin kuuluu sähköisten ennakkojulkaisujen arkiston arXivin tuoreiden julkaisujen silmäily aamukahvin lomassa. Se on ilmaiseksi selattavissa oleva arkisto, johon likimain jokainen tähtitieteen alan tutkimus tallennetaan tyypillisesti sen tultua hyväksytyksi julkaistavaksi jossakin tieteellisessä julkaisusarjassa. Tuorein tiede saatetaan siis kaikkien vapaasti luettavaksi ennen kuin sen varsinainen julkaisu monesti huomattavasti hitaammin toimivissa tiedeellisissä sarjoissa on ehtinyt tapahtua. Kyse on tieteen avoimuudelle ja saatavuudelle valtavan hyödyllisestä palvelusta ja menettelytavasta, ja suoraan sanoen ihmettelen miten niinkin moni kaupallinen julkaisija sietää palvelun olemassaoloa.

Tällä viikolla ei ole kuitenkaan mennyt päivääkään niin, että kahvi ei olisi ehtinyt jäähtymään jäätyäni aamuvarhaisella selaamaan tuoreita tutkimustuloksia. Muutoinkin nopeasti etenevässä eksoplaneettatutkimuksessa viikko on ollut aivan huikeaa uuden tiedon tykitystä ja vaikka jokainen tieteellinen artikkeli tuokin mukanaan vain jonkin pienen murusen uutta tietoa, tuntuu kuin olisimme tällä viikolla edistyneet vähintäänkin jonkinlaisen harppauksen verran tieteenalallamme.

Proxima b vaikuttaa elinkelvottomalta

Aiemmat arviot Proxima Centauria kiertävän elinkelpoisen vyöhykkeen eksoplaneetan Proxima b mahdollisesta elinkelvotomuudesta ovat saaneet lisää tukea. Uudessa tutkimuksessa (1) arvioitiin planeetan pintaan osuvaa suurienergisen hiukkas- ja sähkömagneettisen säteilyn voimakkuutta. Ollessaan elinkelpoisella vyöhykkeellä, jossa nestemäistä vettä voi lämpötilan puolesta esiintyä, punaisia kääpiötähtiä kiertävät planeetat ovat hyvin lähellä tähteää ja kiertävät ne vain muutamassa tai korkeintaan muutamassa kymmenessä päivässä. Silloin ne altistuvat suurille annoksille säteilyä, jos tähti sattuu olemaan aktiivinen nuoruutensa tai muiden tekijöiden vuoksi.

Proxima Centaurilla on muiden kaltaistensa pienten tähtien tapaan magneettikenttä, jonka voimakkuutta voi arvioida mallintamalla sitä tietokoneella. Mallintaminen taas on mahdollista, koska magneettikentästä on tehty havaintoja Zeeman-Doppler -kuvantamisella. Periaate on yksinkertainen. Tähden säteilyn spektriviivat jakautuvat Zeeman-ilmiön vuoksi useaan osaa, jotka voidaan erottaa toisistaan tarkoilla spektrimittauksilla — oleellisesti kyseessä ovat samanlaiset spektrihavainnot, kuin millä havaitaan tähden radiaalinopeuden jaksollisia vaihteluita ja siten planeettoja. Havainnoista saadaan siten selville tähden magneettikentän rakenne ja voimakkuus ja sitä mallintamalla voidaan arvioida sitä sähkömagneettista dynamoa, joka kentän aiheuttaa. Dynamot taas perustuvat siihen, että liikkuva varaus aiheuttaa magneettikentän — tähden sisuksissa kyse on sähköisesti varatun plasman liikkeistä tähden pyöriessä ja kuumemman plasman virratessa pintaa kohti.

Kuva 1. Proxima Centaurin kolmiulotteisia tähtituulisimulaatioita. Värikartta kertoo tähtituulen voimakkuuden suhteessa aurinkotuulen voimakkuuteen Maapallolla. Planeetan Proxima b rata näkyy kuvassa valkoisena ympyränä. Kuva: Garraffo et al.

Tuoreiden tutkimustulosten mukaan, tähtituuli puhaltaa Proxima b:n radan etäisyydellä noin 100-300 kertaa voimakkaampana kuin Maapallolla. Tähden ollessa aktiivisimmillaan, tähtituulen voimakkuus voi kasvaa jopa monituhatkertaiseksi. Se taas tarkoittaa, että Proxima b ei välttämättä kykene pitämään kiinni kaasukehästään, puhumattakaan nestemäisestä vedestä, joten planeetan luonne kandidaattina elinkelpoiseksi planeetaksi on vähintäänkin kyseenalainen. On kuitenkin mahdollista, että Maata massiivisempana Proxima b:n oma magneetikenttä voisi olla Maan kenttää huomattavasti voimakkaampi ja tarjota suojaa vihamieliseltä tähdeltään. Se on kuitenkin vain spekulaatiota, koska havaintoja ei ole ollut mahdollista tehdä.

Uusia elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja

Vaikka Proxima b vaikuttaakin elinkelvottomalta, uudet lähitähteä Gliese 1002 kiertävät kiviplaneetat eivät ehkä ole sitä (2). Tuoreiden havaintojen mukaan, tähteä kiertää kaksi arviolta Maan massaista planeettaa etäisyydellä, jossa niiden pinnoilla on sopivat lämpötilaolosuhteet nestemäisen veden esiintymiselle. Tähti sijaitsee vain 16 valovuoden etäisyydellä, joten se tarjoaa uuden esimerkin Auringon lähinaapuruston elinkelpoisen vyöhykkeen planeetoista. Tunnemme jo peräti seitsemän lähijärjestelmää, joissa on ainakin yksi elinkelpoisen vyöhykkeen kiviplaneetta. Ne ovat siten hyvin yleinen planeettatyyppi, vaikkakin kaikki esimerkit ovat punaisten kääpiötähtien järjestelmissä.

Kuva 2. Tähden Gliese 1002 planeettojen havainnekuva ja vertailu Aurinkokunnan kiviplaneettoihin suhteessa tähtien nestemäisen veden vyöhykkeisiin. Kuva: A. Suárez Mascareño (IAC) and NASA.

Tutkijoiden uusi löytö ei kuitenkaan tullut aivan helpolla siitäkään huolimatta, että heidän käytössään oli maailman tarkimmat havaintolaitteet, mukaan lukien Euroopan Eteläisen Observatorion ESPRESSO -instrumentti, joka on asennettu 10 metrin teleskoopille nimeltään VLT. Havaintoja häiritsi tähden pinnalla oleva pilkkurakenne, joka tuottaa havaintoihin jaksollisia vaihteluita noin 115 päivän jaksoissa. Tutkijat kuitenkin onnistuivat suodattamaan tähdenpilkkujen aiheuttamat vaihtelut pois havainnoistaan, mikä riitti planeettojen olemassaolon paljastumiseen.

Vetisiä maailmoja

Kepler -avaruusteleskoopin havainnoista löydetyt lukuisat planeetat eivät ole unohtuneet tähtitieteilijöiltä, vaan niiden jatkotutkimukset ovat käynnissä ja tuottavat jatkuvasti uusia tietoja planeettoen ominaisuuksista. Nyt tutkijat ovat saaneet tarkempaa tietoa neljän planeetan järjestelmästä tähden Kepler-138 ympärillä. Kaksi planeetoista on saatu punnittua tekemällä havaintoja radiaalinopeusmenetelmällä ja massojen avulla on voitu arvioida planeetojen keskitiheyttä ja siten koostumusta.

Kuva 3. Taiteilijan näkemys supermaapallon Kepler-138 d koostumuksesta (oikealla) verrattuna Maan koostumukseen (vasemmalla). Vaikka planeetan ydin koostuu kivisestä aineksesta, sitä peittää kerros vettä korkeassa paineessa syvän nestemäisen meren pintakerroksen alla. Kuva: B. Gougeon.

Planeettojen Kepler-138 c ja d tutkimus paljasti, että ne koostuvat aineksesta, joka on keveämpää kuin kivi mutta raskaampaa kuin neptunuksenkaltaisten planeettojen vedystä ja heliumista koostuva kaasuvaippa. Ainoaksi realistikseksi vaihtoehdoksi jää silloin vesi, jota on jopa puolet planeettojen kaikesta massasta. Aiemmin on ajateltu, että vastaavat noin 50% Maata suuremmat supermaapallot ovat koostumukseltaan maankaltaisia planeettoja, joilla on vain ohut kaasukehä peittämässä silikaattivaippaa ja metalleista koostuvaa ydintä. Tähden Kepler-138 supermaapalloilla on kuitenkin pinnallaan tuhansien kilometrien paksuinen meri, jonka pohjalla vesi muuttuu kovassa paineessa eksoottiseksi jääksi, jonka fysiikkaa ei ole voitu tutkia kovinkaan tarkasti maapallon olosuhteissa.

Vaikka meriplaneettojen olemassaoloa onkin ehdotettu perustuen siihen, miten yleisiä vedestä (jäästä) koostuvat kappaleet ovat omassa planeettakunnassamme, näinkin pienten supermaapallojen vetinen koostumus oli silti tutkijoille yllätys. Se kuitenkin alleviivaa vanhaa totuutta, jonka mukaan luonto ei ole vain ihmeellisempi kuin kuvittelemme, vaan ihmeellisempi kuin edes voimme kuvitella. Havaitut eksomeret eivät kuitenkaan ole elinkelpoisia, koska planeetat ovat niin lähellä tähteään, että kuumuus tekee niiden vetisestä pinnasta kiehuvan painekattilan, jossa elämän edellytyksiä ei ole. Elämän esiintyminen meriplaneettojen olosuhteissa voisi kuitenkin olla mahdollista, jos niiden lämpötila on sppiva ja elämän synty ei ole estynyt meren valtavan syvyyden vuoksi.

Uusia havaintoja James Webb -teleskoopilta

James Webb -avaruusteleskooppi on jo kirjaimellisesti ehtinyt mullistaa tähtitieteen. Emme ole kuitenkaan vielä nähneet mitä sen havainnot kertovat tasapainon reunalla keikkuvan TRAPPIST-1 järjestelmän planeettaseitsikosta. Havaintoja on tehty jo runsaasti, mutta niiden analysointi on edelleen kesken ja tuloksia ei ole julkaistu tutkijayhteisön nähtäville kokonaisuudessaan.

Tiedon murusia on kuitenkin jo ehditty paljastaa. TRAPPIST-1 järjestelmän planeettojen koostumus ei ole vielä tiedossa mutta tiedämme, että JWST kykeneen tekemään havaintoja niiden kaasukehien ominaisuuksista — jos niitä vain peittävät sopivan paksut kaasukehät. Tiedämme jo sen, että järjestelmän uloimmalla ylikulkevalla supermaapallolla TRAPPIST-1 g ei ole suojanaan paksua vedystä ja heliumista koostuvaa primitiivistä kaasukehää, joka peittää lukuisia minineptunuksia ja Neptunuksen kokoluokan planeettoja. Kyse on planeettakunnan suurimmasta planeetasta, joka sattuu sijaitsemaan tänden elinkelpoisella vyöhykkeellä. Primitiivisen vetypitoisen kaasukehän puute taas tarkoittaa sitä, että planeetta on luultavasti tyypillinen kiviplaneetta ja siten monella tapaa maankaltainen maailma. Koska kaasukehä ei ole vetypitoinen ja siten paksu ja helposti JWST:n havaittavissa, sen on oltava koostumukseltaan sellainen, jossa on suuria määriä painavampia molekyylejä kuten esimerkiksi hiilidioksidia. Vaikka koostumus ei olekaan vielä tiedossa, siitä julkistetaan varmasti lisää tietoa, kun havaintojen työläitä analyyseja saadaan valmiiksi lähitulevaisuudessa. Vastaavia viitteitä on saatu myös lämpimästä sisäplaneetasta TRAPPIST-1 b, jonka kaasukehältä niinikään puuttuu vetypitoiselle kaasukehälle tyypillinen paksuus ja ominaisuudet.

Tutkijat kuitenkin kertovat, että ensi vuoden puolella järjestelmän planeetoista saadaan kattavampaa tietoa, ja voimme ryhtyä tarkastelemaan niiden elinkelpoisuutta perustuen suoriin havaintoihin kaasukehien koostumuksista ja ominaisuuksista, eikä pelkästään laskennalliseen pintalämpötilaan ja tietokonesimulaatioihin.


Luvassa on kiinnostava tuleva vuosi eksoplaneettatutkimuksen saralla ja uskon, että mielenkiintoisten tutkimustulosten tulva jopa kasvaa lähitulevaisuudessa, kun esimerkiksi JWST:n thavaintojen käsittelystä tulee uutuuden sijaan rutiinia. Aion henkilökohtaisesti osallistua niin eksoplaneettatutkimukseen kuin tulosten popularisointiinkin, joten kannattaa seurata tapahtumia tällä kanavalla.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Garraffo et al. 2022. Revisiting the Space Weather Environment of Proxima Centauri b. ApJ, 941, L8.
  2. Suárez Mascareño et al. 2022. Two temperate Earth-mass planets orbiting the nearby star GJ 1002. Astronomy and Astrophysics, accepted.
  3. Piaulet et al. 2022. Evidence for the volatile-rich composition of a 1.5-Earth-radius planet. Nature Astronomy.

Viimeinen tutkimusmatka, osa 4

Tieteellisessä työssä, kuten kaikissa inhimillisissä pyristelyissämme, on se puoli, että onnistumiset ruokkivat kunnianhimoa. Kun onnistuu selvittämään jonkin merkittävän tieteellisen faktoidin, pikkiriikkisen palasen tieteellisen tiedon kumuloituvaa kokoelmaa, on seurauksena lähes kokonaisvaltainen hyvänolontunne, joka saa tutkimuksen tekemisen ainaisen kamppailun vaikeudet ja rasitukset unohtumaan ainakin muutaman hetken ajaksi. Se tunne kantaa läpi vuosikymmenten. Kun on kerran saanut seistä jättiläisten harteilla ja nähdä kauemmas kuin kukaan muu, sinne haluaa aina vain uudelleen. Eksoplaneettatutkimuksessa tieteen rajaseudulla näkee kirjaimellisesti uusia maailmoja, eksoplaneettoja, joista emme aiemmin tienneet mitään ja joita voimme tulevaisuudessa tutkia yhä tarkemmin.

Meiltä eksoplaneettatutkijoilta kysytään usein miltä tuntuu löytää kokonaisia uusia maailmoja. Sitä tunnetta on jokseenkin mahdotonta kuvailla, koska sitä ei voi oikein verrata mihinkään yleisesti ihmisten kokemuspiirissä olevaan asiaan. Tieteen parissa työskentelevät kuitenkin tietävät tunteen, josta puhun. Uuden tieteellisen löydön tekeminen, uuden merkittävän oivalluksen saaminen, ja tieteen rajapinnan työntäminen hitusen verran kauemmas tuntemattomaan on se tutkijoita eteenpäin ajava voima. Se tuottaa sisäisen motiivin, jota voimakkaampaa ei koskaan voi saada rahalla ja joka auttaa vetämään akateemisen maailman kivirekeä aina vain eteenpäin. Kun sisäistä motivaation lähdettä ajoittain ruokkii sillä, että havaitsee uusia planeettoja, joiden pinnalla elämä voi kukoistaa monimuotoisena, on uravalinta varmasti lukittu loppuelämäksi, jos vain taloudelliset tekijät sen mahdollistavat.


Katson horisontissa kohoavaa El Plomon vuorta, jonka valkoinen huippu siintää yhtenä korkeimmista Andien huipuista Santiagon lähettyvillä. Sitä katsoivat kunnioittavasti jo inkat, jotka satoja vuosia sitten uhrasivat ihmishenkiä huipulle rakentamassaan temppelissä. Nyt vuoren rinteet ovat ohueen ilmaan sopeutuneiden vikunjojen ja niitä ajoittain saalistavien puumien valtakuntaa, jonne ihmiset kiipeävät korkeintaan vain hetkeksi katsomaan maisemia. Vieressäni kasvaa subtropiikkiin sopeutuneita palmuja ja läheiseen puuhun laskeutuu parvi patagonianaratteja (Cyanoliseus patagonus) kävellessäni yhdessä Las Condesin kaupunginosan suurista puistoista. Lumen peittämä huippu kaupungin yllä kertoo täysin erilaisesta maailmasta, joka näyttäytyy Santiagon trooppisesta kuumuudesta katsottuma lähinnä kaukaiselta unelta.

Tutkimusmatkani eteläiselle pallonpuoliskolle on tullut päätökseen ja minun on pakattava laukkuni lentääkseni Suomen hyiseen talveen. Minua odottavat lumityöt ovat ehkä kaukana maantieteellisesti mutta ajallisesti ne ovat vain muutaman päivän päässä, koska Etelä-Suomeen on luvattu jopa 30cm lumikinoksia lähipäivinä. Las Condesin artesaanikylästä saa onneksi lämpimiä alpakan villasta kudottuja puseroita kotiin tuotavaksi. Ne sopivat oikein mainiosti suomalaiseen viimaan.

Olen kuitenkin muuttanut mieltäni. En ajattele enää, että tämänkertainen matkani Etelä-Amerikkaan ja Chileen jäisi viimeiseksi. Tutkimuksellisesti matka on ollut täysosuma, ja useat tieteelliset projektit ovat nytkähtäneet eteenpäin sellaisella voimalla, että matkan kipupisteet tuntuvat sen rinnalla suorastaan mitättömiltä pikkujutuilta. Laskin mielessäni, että kuukauden visiitistä voi olla seurauksena yhteensä 4-6 tieteellistä artikkelia erilaisista eksoplaneettoihin liittyvistä asioista. Se on enemmän kuin osasin edes toivoa — joukkoon mahtuu niin tuoreita planeettalöytöjä kuin uusia matematiikan ja tilastotieteen menetelmien sovelluksia eksoplaneettojen havainnointiin. Edistyminen menetelmäpuolella taas tyypillisesti johtaa uusiin löytöihin ja tarkempaan tietoon tulevaisuudessa, kunhan sovellamme uusia työkaluja olemassaoleviin havaintoihin. Tutkimus etenee myös Suomessa. Opiskelijani ovat edenneet ja kykenevät varmasti osallistumaan tuleviin yhteistyöprojekteihin chilenojen kanssa. Sekin avaa uusia mahdollisuuksia tulevaisuudessa mutta vain aika näyttää mihin tarkalleen tieteellinen työ meidät kuljettaa.

Kuva 1. Itäinen taivas sekunteja ennen kuin Aurinko nousee näkyviin Andien vuorenhuippujen takaa. Kuva: M. Tuomi.

Suomalaiseen ilmastoon tottuneena tuntuisi hienolta, jos pihassa kasvaisi oma sitruunapuu, josta saisi aina tarvittaessa hedelmiä ruokien tai juomien maustamiseen tai jos chilejä voisi kasvattaa pihamaan nurkassa, eikä tarvittaisi kasvihuonetta kasvukauden pituuden riittävyyden varmistamiseksi. Ajatukseni kuitenkin harhailevat ainaisiin rahoitushuoliin ja siihen, miten voin varmistaa oman tutkimusrahoitukseni jatkumisen niin pitkään, että voin tulevaisuudessakin vierailla Santiagossa tutkimusmatkalla. Tajuan kuitenkin nopeasti ajatteluni lähteneen väärille urille. Jos olen vielä viiden vuoden kuluttua työllistynyt tähtitieteilijänä, olen onnistunut hankkimaan niin paljon rahoitusta tutkimukseeni, että meriittini luultavasti riittävät virkaan suomalaisissa yliopistoissa. Jos taas en onnistu tutkimusrahoituksen hankkimisessa, en silloin luultavasti ole alan ammattilaisena, vaan olen ryhtynyt tekemään elääkseni jotakin muuta. Ehkäpä en siis enää palaa tälle ihmeelliselle vuorten ja valtameren rajoittamalle kapealle kaistaleelle maata, jolle maailman suurimmat teleskoopit rakennetaan. Pohdin silti mielessäni tulevani vielä takaisin vaikka sitten vain tapaamaan ystäviäni.

Nostan matkalaukkuni auton takapenkille ja istun itse kuljettajan viereen. Kuljemme mäkisen maaston läpi, jossa viljellään viiniä sekä alavammilla pelloilla mangoja ja avokadoja. Matkaan lentokentälle mutten halua ajatella edessä olevaa yli 30 tunnin matkustusrupeamaa, vaan käännän ajatukseni kaikkeen siihen, mitä ikkunasta sattuu näkymään. Santiagon esikaupunkialueet näyttäytyvät köyhyyden, toivottomuuden ja rikollisuuden piinaamina palasina paratiisia, jossa on aina lämmin ja jonka asukkaat ovat aina ystävällisiä ja vieraanvaraisia. Voin vain toivoa sen asukkaille parempaa hallitsijaonnea. Sellaista, josta olemme saaneet hyötyä vuosikymmenten ajan pohjoisessa. Chilenot jos ketkä sen ansaitsisivat.


Lentokentän tympeässä ympäristössä voi rentoutua, jos onnistuu sulkemaan ihmisvilinän ja kulutuskulttuurin pois mielestään keskittymällä lukemaan jotakin kiinnostavaa. Luen erään Diego Portalesin yliopiston opiskelijan kirjoittamaa artikkelia yrityksestä havaita lähitähteä kiertävän kuuman neptunuksen kaasukehän ominaisuuksia ylikulkumenetelmällä. Kuumat neptunukset ovat kaasuvaippansa tähden intensiivisen säteilyn syleilyssä säilyttäneitä planeettoja, jotka menettävät massaansa jatkuvasti tähden säteilyn ja hiukkastuulen haihduttamana ja myös vuotamalla kaasua tähteen vuorovesivoimien vaikutuksesta. Ne eivät siksi pysy neptunuksenkokoisina kauan, vaan päätyvät paljaiksi planetaarisiksi kivi- ja silikaattiytimiksi satojen miljoonien vuosien saatossa. Silloin ne luokitellaan kuumiksi supermaapalloiksi mutta niiden syntyhistoria poikkeaa täysin samankokoisista viileämmistä planeetoista. Ajatuksena on määrittää kuinka pitkälle prosessi on edennyt mittaamalla raskaampien ainesten pitoisuutta planeetan kaasukehässä mutta havaintojen tarkkuus ei riitä kuin antamaan arvio pitoisuuden ylärajalle.

Historiallisessa perspektiivissään tutkimus on kuitenkin suorastaan uskomaton. Toisen auringonkaltaisen tähden kiertoradalla havaittu planeetta on selviö, koska sen olemassaolo on osoitettu täysin kiistämättömällä varmuudella. Se on massaltaan Neptunusta suurempi mutta kiertää tähtensä alle päivässä, mikä on täysin ennenkuulumatonta meidän kotoisan planeettakuntamme kontekstissa. Vain kolme vuosikymmentä sitten sellaisten planeettojen olemassaoloon ei olisi uskonut kukaan mutta nykyään jopa niiden koostumuksen tutkiminen on opiskelijoille soveltuva pikkuprojekti. Joskus hämmästyn itsekin siitä, miten nopeasti eksoplaneettatutkimus on edennyt jo oman, varsin lyhyen, vajaan viisitoistavuotisen tutkijanurani aikana. Tuskin maltan odottaa mitä tiedämme seuraavan viidentoista vuoden kuluttua.


Kirjoitus on viimeinen osa matkapäiväkirjastani Chilen Santiagoon marraskuussa 2022. Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Viimeinen tutkimusmatka, osa 3

Pakkasen vuosittain kylmettämässä maassa sitä ei tule ajatelleeksi, miten subtrooppisilla alueilla on aivan omat ongelmansa. Kun maa ei jäädy, ja lämpötilakin putoaa pakkasen puolelle vain muutamana talvisena yönä, on eläinmaailman pienillä sankareilla yksi ongelma vähemmän — kylmältä ei juuri tarvitse suojautua. Se voi kuitenkin olla ihmisille kiusallista, koska paikallisiin hämähäkkieläimiin kuuluu esimerkiksi jalkojen kärkiväliltään viisitoistasenttinen chilentarantula (Grammostola rosea). Vielä kiusallisempi kotien kutsumaton vieras on myrkyllinen ruskohämähäkki (Loxosceles laeta), jonka purema saa ihokudoksen kuolioon ja voi aiheuttaa muutamassa tapauksessa sadasta jopa kuoleman, jos myrkkyä pääsee verenkiertoon. Se on kuitenkin vain yksi tapa, jolla ilmasto-olosuhteet ja maantiede vaikuttavat ihmisiin. Ei silti ole syytä hukata aikaa peläten kohtaamisia kahdeksanjalkaisten eläinmaailman edustajien kanssa. Tyypillisesti ne haluavat joka tapauksessa piilotella jossakin suojaisassa lattianlistan raossa tai ulkona seinän halkeamissa. Vaatteiden jättämistä läjään lattialle piilopaikkoja luomaan on kuitenkin vältettävä.

Katsomme kaukana vihreän laakson tuolla puolen kohoavaa betonihelvettiä, jonka yläpuolella leijuu sankan savusumun muodostama ruskea sumukerros. Santiagon keskustan ilma ei ole parantunut huolimatta kaupungin johdon pyrkimyksistä vähentää liikennettä ja päivittää lämmitysjärjestelmiä kivihiiltä ja puuta polttavista pannuista puhtaammiksi ja modernimmiksi. Kaupunki kyllä puhdistuu, mutta prosessi on suorastaan kivuliaan hidas. Ilma ei ole varsinkaan keskikesällä terveellistä keuhkoille, mutta syynä ei suinkaan ole vain fossiilisten polttoaineiden ja puun poltto, vaan myös maantiede. Santiago sijaitsee vuorten ympäröimässä, laajassa kattilalaaksossa, johon Pedro de Valdivia, espanjalainen konkistadori, sen perusti 1500-luvun puolessa välissä huolimatta paikallisten alkuperäisasukkaiden sinnikkäästä vastustuksesta. Ongelmia aiheuttavat myös jokakesäiset maastopalot kaupungin lähistöllä. Niiden savu saattaa jäädä leijumaan laakson päälle uhkaavaksi pilveksi päivien ajaksi jopa palojen jo tultua sammutetuiksi.

Keväinen ilma on kuitenkin lempeä, eikä ilmassa ole liiaksi ilmansaasteiden tunkkaisuutta. Kuin merkiksi raikkaasta aamusta, monet keskustan kadut ovat saaneet purppuranvärisen hunnun, kun jakarandat (Jacaranda mimosifolia), Argentiinasta peräisin olevat kadunvarsien puut, kukkivat täydessä loistossaan. Kyse on vettä armotta muilta puulajeilta rosvoavasta vieraslajista, mutta siitä pidetään puun kauniin kukinnan ja sitkeyden vuoksi.


Saliin on kokoontunut kolmisenkymmentä tähtitieteen tutkijaa ja opiskelijaa. Tarkkailen heidän sekalaista joukkoaan minut seminaariin kutsuneen Jose Prieton ja professori James Jenkinsin vuoroin kertoessa lyhyesti kuulijoille kuka oikein olen. Puhun tunnin verran niistä teknisistä yksityiskohdista, jotka on otettava huomioon mallinnettaessa tähdenpilkkujen vaikutusta tähdistä tehtyihin havaintoihin. Mainitsen myös lyhyesti miten olen onnistunut löytämään uuden planeetan kiertämässä yhtä lähitähdistä, mutta juuri kukaan ei osoita minkäänlaisia merkkejä yllättymisestä — eksoplaneettalöydöt ovat arkipäivää ja yleisön joukossa on useita eksoplaneettatutkijoita, jotka itsekin tehtailevat uusia löytöjä tämän tästä. Esitelmääni seuraava mahdollisuus kysymyksille muodostuu erityisen mielenkiintoiseksi, koska vaikuttaa siltä, että lähes kaikilla on kysymyksiä kehittämieni menetemien sovellusalueesta ja niiden tarjoamista mahdollisuuksista uusiin tutkimusavauksiin. Tähtitieteilijät ovat tavallisesti varsin ujoja, ja kysymyksiä esitetään vain vähän. Tilanne on kuitenkin varsin epämuodollinen ja turvallinen, mikä tekee ilmapiirin sopivammaksi kommunikointiin.

Tapaan Diego Portalesin yliopistolle vierailulle tulleen chileläisen astronomin Barbara Rojas-Ayalan, joka toimii professorina Tarapacán yliopiston Santiagon toimipisteessä. Tutustuimme vuonna 2019 Barbaran järjestämässä konferenssissa ollessani tuolloinkin Chilessä vierailulla. Nyt tapaamiseen on jälleen mainio syy: tutkimukselliset tavoitteemme ovat yhtenevät. Barbara on pienten punaisten kääpiötähtien spektroskopiaan erikoistunut asiantuntija, joka on kehittänyt uuden menetelmän niiden alkuainepitoisuuksien aiempaa tarkempaan kartoittamiseen käyttämällä infrapuna-alueen havaintoja. Hän on havainnut noin sadan Aurinkoa lähellä olevan punaisen tähden spektrit ja tarkoituksenamme on nyt tarkastella riippuvatko tähtiä kiertävien planeettojen määrä ja ominaisuudet siitä, kuinka paljon tähtien kaasukehässä näkyy vetyä ja heliumia raskaampia aineita. Planeettojen tarkastelu tässä yhteydessä on puolestaan minun erikoisalaani, joten luvassa on kiinnostavia tuloksia kunhan saamme havaintojen vaivalloiset tietokoneanalyysit valmiiksi.

Suunnitelma on ehkä yksinkertainen, mutta se voi tuottaa merkittäviä tietoja maailmankaikkeuden planeettojen moninaisuudesta ja ominaisuuksista. On yleisesti tiedossa, että varhaisen maailmankaikkeuden tähdet syntyivät likiman pelkästään vedystä ja heliumista — joukossa oli vain pieniä määriä muita alkuaineita, pääasiassa kolmanneksi keveintä ainetta litiumia. Vuosimiljardien kuluessa supernovaräjähdykset kuitenkin rikastuttivat tähtienvälisen kaasun tähtien sisuksien ydinreaktioissa syntyneillä raskaammilla alkuaineilla ja ajan saatossa muodostui yhä enemmän raskaampia alkuaineita sisältäviä tähtisukupolvia. Planeetat eivät kuitenkaan koostu vain vedystä ja heliumista, vaan niiden muodostuminen riippuu oleellisesti raskaammista alkuaineista ja monenlaisista yhdisteistä, kuten metalleista, silikaateista ja jäästä. Silloin on selvää, että eri aikoina syntyneet planeettasukupolvet ovat ominaisuuksiltaan toisistaan poikkeavia.

Yleisesti ottaen ajattelemme, että planeettojen rakennusaineksia on sitä enemmän mitä runsaammin raskaampia alkuaineita on ollut saatavilla. Sen enempää emme kuitenkaan uskalla arvella. On täysin hämärän peitossa miten saatavilla olevan materiaalin koostumus vaikuttaa planeettojen ominaisuuksiin, ratoihin ja runsauteen. Samalla kuitenkin selvitämme perustavanlaatuisesti planeettojen syntymekanismien lainalaisuuksia ja sitä, kuinka yleisiä planeetat ovat maailmankaikkeudessa. Se on suunnattoman kiinnostavaa perustutkimusta, joka auttaa kirjaimellisesti vastaamaan kysymyksiin elämästä, universumista ja kaikesta.


Jatkan tyypilliseen tapaani kirjoittamista vielä alkuillasta, kun tekstinkäsittelyohjelmani äkkiä jumittuu. Tietoliikenneyhteydet ovat katkenneet. Se vaikuttaa kirjoittamiseen, koska käytämme tyypillisesti työkaluja, jotka ovat verkossa. Silloin tutkimusryhmän eri jäsenet voivat muokata tekstiä kukin tahollaan ja muutokset tallentuvat kaikkien nähtäväksi reaaliaikaisesti. Samoin opiskelijoiden ohjaaminen helpottuu, kun voi seurata heidän tekstintuottamistaan ja antaa välitöntä palautetta. Se toki tekee kirjoitustyön riippuvaiseksi verkkoyhteyksistä mutta se riippuvuus on olemassa joka tapauksessa, koska käsillä pitää jatkuvasti olla kaikki oleellinen tieteellinen kirjallisuus, jotta ainuttakaan faktaa ei eksy valmiiseen tekstiin ilman asiaan kuuluvaa lähdeviittausta.

Nyt poikki ei kuitenkaan ole vain verkkoyhteys, vaan sähköt. Se rajoittaa käytännössä kaiken työnteon siihen muutamaan tuntiin, joiden ajaksi kannettavan tietokoneen akussa riittää virtaa ja silloinkin on mahdollista tehdä vain hyvin vähän rajallisia asioita. Chilessä ihmiset pyrkivät kuitenkin varautumaan kaikkeen, koska infrastruktuuri on verrattaen huonossa kunnossa ja sen hajoaminen ja toiminnan ongelmat ovat yleisiä. Santiagon kaupungin laidalla, Pirquen maalaispitäjässä, ei lisäksi ole tyypilliseen tapaan ketään päivystämässä, jotta sähkölaitos voisi ryhtyä selvittämään sähkön saatavuuden ongelmia mahdollisimman nopeasti. Paikalliset käynnistävät siksi mahdollisuuksiensa mukaan generaattorinsa tuottaakseen itse sähköä. Aurinkosähköjärjestelmiä tosin näkyy tuskin lainkaan, vaikka aurinkoenergiaa olisi saatavilla kesäaikaan keskeytyksettä noin 12 tuntia vuorokaudessa.

Kuva 1. Santiagon ympäristölle tyypillistä maisemaa ja kuivuutta kestävää kasvillisuutta. Kuva: M. Tuomi.

Asiat kyllä hoituvat, vaikka niissä kestäisikin hiukan kauemmin kuin mihin olemme alati kiireisinä pohjoiseurooppalaisina tottuneet. Voin jatkaa kirjoittamista huomenissa sähköverkon ja tietoliikenneyhteyksien ollessa jälleen kunnossa. Sitä ennen, hikisen hellepäivän päätteeksi, voin hypätä vaikkapa Jamesin takapihalla kutsuvana odottavaan uima-altaaseen seuraamaan chilenhaukkojen kaartelua sinisellä taivaalla niiden etsiessä seuraavaa ateriaansa.


Kirjoitus on kolmas osa matkapäiväkirjastani Chilen Santiagoon marraskuussa 2022. Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Viimeinen tutkimusmatka, osa 2

Aivan aluksi nukun. Ihmisen kognitiiviset kyvyt heikkenevät merkittävästi, jos hän kokee merkittävää unenpuutetta. Sellaiseksi lasketaan kokonaisen yön valvominen, yhteensä 27 tuntia matkustamista ja vuorokauden siirtäminen viisi tuntia myöhempään eri aikavyöhykkeelle saapumisen merkiksi. Olen kuitenkin toipunut matkasta lähes 16 tunnin katkonaisilla unilla ja perjantaiaamun Aurinko loistaa Andien länsireunan matalampien huippujen yläpuolella. Vuoret ovat siinä, missä ennenkin mutta niiden läsnäolo on aina jotenkin yllättävää ja kunnioitusta herättävää laakeisiin suomalaisiin maisemiin tottuneelle pohjoisen pojalle.

Ehdimme käynnistää tieteelliset keskustelumme jo saavuttuani, oltuani vielä matkustuksen jäljiltä väsymyksen kevyessä sumussa. Kävi ilmi, että James Jenkinsin, Chileläisen kollegani ja ystäväni, eräs lahjakas opiskelija on ottanut tutkimussuunnakseen aiheen, joka voisi aivan yhtä hyvin olla minun ideoimani. Ja tavallaan se onkin, koska projekti liittyy eksoplaneettahavaintojen bayesilaiseen käsittelyyn ja erityisesti ennakkoinformaation mahdollisimman tarkoituksenmukaiseen hyödyntämiseen, mistä julkaisin lyhyesti jo vuonna 2013 ja kirjoitin väitöskirjassani. Ennakkoinformaatiolla tarkoitetaan sitä, mitä tiedämme vaikkapa jostakin havaitusta planeettakunnasta ennen kuin edes tarkastelemme siitä tekemiämme havaintoja. Kyseeseen tulee vaikkapa se ilmeiseltä vaikuttava asia, että puhumme planeetan kokoisista ja massaisista pienemmistä kappaleista kiertämässä tähden kokoista ja massaista suurempaa kappaletta. Jo se aikaansaa reunaehtoja, joita kutsumme ennakkoinformaatioksi. Samoin tiedämme ennakkoon, että planeetat ja tähti liikkuvat avaruudessa suhteellisuusteorian tarkasti ennustamalla tavalla, jota voimme mainiosti approksimoida Keplerin laeiksi kutsutuilla yksinkertaisilla yhtälöillä. Edelleen, sellaisen gravitaatiovoiman yhteen sitoman järjestelmän on oltava stabiili, koska muuten se ei voisi olla olemassa emmekä sitä koskaan havaitsisi. Planeettojen ratojen on siis oltava sellaisia, että niiden keskinäinen vetovoima ei aiheuta kaoottista käyttäytymistä ja lähiohituksia tai törmäyksiä. Asiaan littyy vielä paljon muutakin, mutta pohjimmiltaan meillä on tosiaan runsaasti tietoa planeettakunnista ennen kuin edes suuntaamme teleskooppejamme niitä kohti.

Planeettakuntien ennakkoinformaatioon liittyy eräs kiinnostava yksityiskohta, jonka ehkäpä kuuluisin seuraus tunnetaan Titiuksen-Boden lakina. Planeettojen radat vaikuttavat nimittäin olevan likimain tasaisin välein ratajaksonsa logaritmin muodostamassa koordinaatistossa. Se on oikeastaan vain gravitaatiovuorovaikutuksen tuottama efekti, koska planeettojen radat ovat niin lähellä toisiaan kuin vain voivat tekemättä järjestelmästä epästabiilia. Mitä kauempana Auringosta planeetat kiertävät, sitä hitaammin ne liikkuvat heikommassa vetovoimakentässä planeettakunnan ulko-osissa. Silloin ne tarvitsevat enemmän tilaa, jotta planeettojen keskinäiset vetovoimat eivät ole liian suuria heikentääkseen järjestelmän stabiiliutta. Aurinkokunnassa asia huomattiin jo 1700-luvulla ja tunnetut eksoplaneettakunnan näyttävät noudattavan samaa periaatetta. Ja tietenkin ne noudattavat, koska kyse on vain gravitaatiovuorovaikutuksen yksinkertaisesta seurauksesta. Asian huomioiminen ennakkoinformaationa data-analyysissa ei kuitenkaan ole aivan ongelmatonta, ja koetamme ratkaista siihen liittyviä hankaluuksia yhteistyössä chileläisten kanssa. Sellainen tieteellinen ongelmanratkaisu taas on tehokkainta keskeytymättömän keskusteluyhteyden vallitessa. Siksikin nykyaikana on edelleen tarpeellista matkustaa tekemään tieteellistä työtä toiselle mantereelle. Ihminen on sosiaalinen eläin, joka on parhaimmillaan kasvotusten tapahtuvassa vuorovaikutuksessa lajikumpaniensa kanssa.

Kuva 1. Chilen aurinko ja Andien vuoria. Kuva: M. Tuomi.

Ikkunan läpi tuijottavat vuoret eivät kuitenkaan jätä minua rauhaan ja keskeyttävät tuon tuosta ajatustyön. Mieleni laukkaa kirjaimellisesti aivan muihin maailmoihin. Pohdin kuinka tyypillisiä vuoristomaisemat ovat muilla planeetoilla. Päädyn nopeasti siihen lopputulokseen, että vuoria on aivan kaikilla eksoplaneetoilla, joilla vain on kiinteä pinta. Aurinkokunnassakin vuoria ja vuoristoja on kaikkialla — korkein ja mahtavin vuorenhuippu löytyy Marsista, jossa Olympus Mons kohoaa peräti 21.9 kilometrin korkeuteen. Tiedämme siksi varmuudella, ettei Maa ole vuoristoineen uniikki. Eksoplaneettojen vuorista emme tosin voi tehdä havaintoja. Emme ainakaan vielä.


Katson mietteliäänä, kun jokin paikallinen, pienikokoinen haukka (luullakseni chilenhaukka, Accipiter chilensis) laskeutuu katonräystäälle tarkkailemaan pihamaata. Se on iskenyt silmänsä koiran ruokakuppiin, jossa on proteiinipitoisia nappuloita syömättä. Lintu tarkkailee vuoroin kuppia ja vuoroin ovea, jonka avautuminen merkitsee potentiaalista vaaraa ihmisten saapuessa paikalle. Se kuitenkin toteaa tilaisuutensa tulleen, lennähtää ruokakupille nappaamaan muutaman koirannappulan nokkaansa ja lentää pois arvatenkin viemään saaliinsa pesässään odottaville nälkäisille suille. Tilaisuus on tehnyt varkaan, mutta vaikka haukka onkin hiukan poikkeuksellisen ravinnon äärellä, ei sen käyttäytymisessä ole mitään uutta. Höyhenpeitteisiä, lentokykyisiä dinosauruksia on ollut olemassa ainakin 150 miljoonaa vuotta, ja niiden ravinnonhankinta on luultavasti perustunut aina sopivien tilaisuuksien maksimaaliseen hyödyntämiseen. Linnut ovat aktiivisia eläimiä, jotka tarkkailevat ympäristöään herkeämättä tarttuakseen jokaiseen tarjoutuvaan mahdollisuuteen ja toisaalta välttyäkseen joutumasta jonkin lähempänä ravintoketjun huippua olevan saalistajan ateriaksi. Niiden lentokyky edellyttää keveyttä ja siroutta, jolloin ne eivät voi olla pääasiallisia huippusaalistajia. Ja tilanne on luultavasti sama muuallakin, koska samat fysikaalisen maailmamme rajoitukset pätevät takuuvarmasti mudenkin elävien planeettojen pinnoilla. Jos jollakin kaukaisella planeetalla on älykkäitä, lehtäviä opportunisteja, niiden käyttäytyminen muistuttaa luultavasti monella tavalla oman planeettamme lintuja. Aivan samalla tavalla muut biologisen sukupuumme lentokyvyn kehittäneet haarat ovat päätyneet noudattamaan samankaltaisia käyttäytymismalleja. Lepakot ja muinaisuuden pterosaurukset ovat sellaisista mainioina esimerkkeinä.

Konvergentti evoluutio tarjoaa mahdollisuuden tehdä Maapallolla näkemästämme elämästä universaaleja yleistyksiä. Jos jossakin on samankaltaiset olosuhteet kuin Maassa, voimme olla varmoja, että elämä sopeutuu niihin samankaltaisilla tavoilla. Jos jonkin planeetan pinnalle saapuu Aurinkoa vastaavan tähden säteilyä planeetan kaasukehän ollessa sille läpinäkyvä, on suorastaan varmaa, että monisoluiset organismit sopeutuvat käyttämään säteilyn suomia mahdollisuuksia hyväkseen kehittämällä näkemiseen soveltuvia elimiä. Jo Maapallola sellaisia silmiksi kutsuttuja elimiä on kehittynyt toisistaan riippumatta eri eläinryhmissä arviolta 40 kertaa, joten kyseessä on suorastaan vääjäämätön kehityskulku, jos vain näkökyvyn asteittaiset parannukset tuovat organismeille mahdollisuuden tuottaa muita tehokkaammin lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Emme tietenkään voi ennustaa millaisia rakenteita evoluutio täsmälleen tuottaa muilla planeetoilla, mutta voimme silti arvioida, että esimerkiksi kyky liikkua on tärkeää niin saalistajille kuin joillekin niitä vältteleville saaliseläimillekin. Toiset saaliseläimet taas koettavat välttyä tulemasta havaituksi maastoutumalla ympäristöönsä mahdollisimman hyvin. Yksinkertaiset fysikaaliset ja geokemialliset reunaehdot taas tuottavat herkästi elävien muotojen valtaisan moninaisuuden, mihin olemme planeetallamme tottuneet. Sekin on universaali tosiasia, koska Maan elämä on monimuotoistunut samankaltaisella tavalla useaan otteeseen toivuttuaan massasukupuuttoaaltojen aiheuttamasta lajirikkauden äkillisestä kapenemisesta.

Mutta minkälaisia reunaehtoja vaikkapa punaisten kääpiötähtien heikko punainen säteilyspektri ja armottomat purkaukset asettavat niitä kiertävien planeettojen elämälle? Voimme lopultakin vain arvailla, koska emme tunne sellaisesta elämästä ainuttakaan esimerkkiä. On silti mielenkiintoista koettaa arvioida näiden maailmankaikkeuden yleisimpien planeettojen olosuhteita perustuen siihen, mitä olemme saaneet selville punaisten kääpiötähtien ominaisuuksista ja fysiikasta. Kyseessä on kiinnostava tutkimusprojekti, jota olen käynnistämässä Helsingin yliopistolla. Siihen tarvitaan osaamista niin eksoplaneettojen ominaisuuksista kuin tähtien pinnan prosesseistakin, joten kyseessä on suorastaan täydellinen tilaisuus tehdä lähitulevaisuudessa yhteistyötä Santiagon eksoplaneettatutkijoiden ja Helsingin aktiivisiin tähtiin erikoistuneiden astrofyysikoiden välillä.


Sunnuntain aamukahvin ääressä käytävä keskustelu käy välittömästi kiinnostavaksi, kun sen lomaan on puolihuolimattomasti asetettu kysymyksen muotoon puettu toteamus: mitä mieltä muuten olet tästä uudesta löytämästäni planeetasta? Jamesilla on havaintoja oranssien jättiläistähtien planeettakunnista, enkä oikein voi kuin nyökätä hyväksyvästi ja todeta asian kiinnostavaksi. Mutta onko planeetan havaittu kiertoaika oikea? Onko olemassa vaihtoehtoisia ratkaisuja, jotka selittävät havainnot yhtä hyvin tai vieläkin paremmin? Voiko havaintoon luottaa niin, että sen voisi julkaista? Keskustelemme pitkään jaksollisten signaalien havaitsemisen problematiikasta ja siitä, kuinka laskostumiseksi kutsuttu ilmiö voi toisinaan johdattaa harhaan. Jättiläistähdet myös sykkivät ja pyörivät verkkaisesti, mikä saattaa aiheuttaa havaintoihin jaksollisuuksia, joita ei voi tulkita merkeiksi planeettojen olemassaolosta. Ehkäpä kuitenkin olemme jälleen saaneet seville jotakin kiinnostavaa maailmankaikkeudesta.

Vaikka tutkimuksemme etenee tieteelle tyypilliseen tapaan verkkaisella tahdilla, julkaisemme silti uusia tuloksia varsin säännöllisesti. Raportoimme vain pari viikkoa sitten uudesta neptunuksenkokoisesta planeetasta kiertämässä nuorta tähteä, joka tunnetaan luettelokoodilla HD 18599 (1). Planeetta on kuuma neptunus, joita on vain vähän, koska ne menettävät kaasuvaippansa tähtiensä paahtavassa poltteessa varsin nopeassa tahdissa. Luultavasti myös HD 18599 b on kokenut kovia ja menettänyt merkittäviä määriä kaasuvaippaansa, koska sen Maata 2.7 kertaa suuremman halkaisijan sisään on pakattu peräti 26 Maan massan verran materiaa. Planeetan koostumuksen selittää noin kolme neljännestä kattava raudasta ja silikaateista koostuva ydin ja sitä peittävä vesivaippa. Keveämmät kaasut planeetta lienee menettänyt avaruuteen alttiina tähtensä voimakkaalle säteilylle mutta prosessi ei vain ole vielä ehtinyt edetä loppuun asti, koska kyseessä on varsin nuori järjestelmä. Saamme siis tarkkailla vasta hiljattain syntyneen vauvaplaneetan kärsimystä julman, aktiivisen tähtensä käsittelyssä. Asiasta ei tosin tarvitse tuntea sääliä, koska planeetat eivät ole tuntevia organismeja. Eikä HD 18599 b ole elävä planeetta, koska se ei ole koskaan voinut muodostaa pinnalleen biosfääriä — planeettaa peittää todennäköisesti kiehuvan kuuma meri, jonka olosuhteissa orgaaniset molekyylit tuhoutuvat joka tapauksessa millisekuntien aikaskaalassa.


Kirjoitus on toinen osa matkapäiväkirjastani Chilen Santiagoon marraskuussa 2022. Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Vines et al. 2022. A dense mini-Neptune orbiting the bright young star HD 18599. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Viimeinen tutkimusmatka

Siellä, missä on mantereen reuna, alkaa valtameri. Planeettamme suurin. Kun erilaiset henkiolennot vielä vaelsivat vuoristoisilla mailla inkojen imperiumin laidalla, missä Maule -joki virtaa, aluetta asuttivat myös ”maan lapsiksi” itseään kutsuvat asukkaat. He olivat kulttuurillisesti ja kielellisesti omanlainen Etelä-Amerikan yhteisönsä, joka ei muodostanut inkojen tapaan valtiota, vaan lähinnä löyhemmän linnoitettujen kylien verkoston nykyisen Chilen ja Argentiinan alueilla. Mapuchet ovat edelleen Chilen lukumäärältään merkittävin alkuperäiskansa. Heidän mytologiassaan vesi tuo tulvan ja tuhon, kun kuivuus palauttaa kiinteän maan ja auringonpaisteen jatkuvassa hyvän ja pahan väliseksi rinnastuvassa kamppailussaan. Geologisesti nuoren Andien vuoriston alueella jäätiköiden sulamisvedet ja maanjäristysten tuottamat tsunamit tosiaan tuovat tuhon jatkuvissa sykleissä mutta laaksojen hedelmällinen maa antaa myös elannon niille, jotka muistavat kohdella sitä kunnioittavasti.

Nykyään ilmastonmuutos ei jätä Mapuche-kansan maita rauhaan. Kun Andien jäätiköt hupenevat, ne vievät mukanaan niin sulamisvesistä riippuvaiset joet kuin suuren osan maatalouttakin. Chileä vaivaa vesipula ja se vaikuttaa aivan kaikkeen mutta kyseessä on täysin keinotekoinen kriisi jopa unohtaen ilmaston lämpenemisen. Kriisin keskiössä on ravinteikas, ruskean kuoren peittämä hedelmä, jonka vihreän sisällön kasvava kysyntä Euroopassa ja Yhdysvalloissa on saanut viljelijät laajentamaan sen viljelyyn käytettyä maa-alaa Chilen hedelmällisissä laaksoissa Santiagon pohjoispuolella. Diktatuurilta peritty talousmalli ja halpa maa tarjosivat mainiot olosuhteet tuottaa runsain mitoin avokadoja länsimaiden ahnaille markkinoille mutta kuten lähes aina, riistävä liiketoimintamalli rikastutti harvoja ja johti ulkoisvaikutuksinaan vakaviin ongelmiin.

Kun valtavat avokadoplantaasit imevät jokien koko virtaaman, näivettäen ne kuiviksi uomiksi, paikalliset asukkaat joutuvat rajoittamaan veden käyttöä ja jopa tuomaan juomavetensä muualta. Samalla monokulttuuriset plantaasit kiihdyttävät eroosiota ja heikentävät viljelysmaan laatua ja niiden viljelyssä käytetyt runsaat torjunta-aineet saastuttavat pohjaveden. Chilen markkinaliberaali lainsäädäntö on kuitenkin antanut maanomistajille lähes vapaat kädet käyttää omistamiensa maiden resursseja haluamallaan tavalla. Vaikka maiden läpi virtaisi joki, ei yksityisten omistajien ole juurikaan tarvinnut piitata alajuoksulle aiheuttamastaan vesipulasta tai sinne valuvista saasteista. Kourallinen suuria maanomistajia pitääkin hallussaan suurinta osaa Petorca -provinssin vedestä, mikä vain kuvastaa yksityisomistuksen vahingollisuutta varallisuuden annettaessa kasautua rajoitta harvoille. Alue on lisäksi valtaosan vuodesta kuivaa ja avokadon kasvattaminen vaatii runsaasti vettä, peräti 320 litraa jokaista hedelmää kohti, mikä on johtanut pysyvään kuivuuteen provinssin laaksoissa luonnolle ja ihmisille tuhoisalla tavalla.

Suuret tuottajat kukoistavat samalla kun ihmiset kärsivät. Sama kehityskulku on nähty uudelleen ja uudelleen aivan liian monessa yhteydessä mutta Chile on murrosvaiheessa, pyristelemässä eroon viimeisistä uusliberaalin sotilasdiktatuurin kahleista. Lakimuutokset, erityisesti yritys saattaa voimaan Chilen uusi perustuslaki, ovat tuomassa mukanaan parempaa. Vesi määriteltiin jo lainsäädännöllisesti loukkaamattomaksi ihmisoikeudeksi. Uusi perustuslaki taas tähtää tieteen ja tutkimuksen aseman parantamiseen, luonnon ja ympäristön suojeluun, sekä koulutuksen aseman, rahoituksen ja saatavuuden merkittävään parantamiseen. Vaikka se kaatuikin kansanäänestyksessä paljolti taloudellisen eliitin käynnistämän propagandakampanjan ja konservatiivien vastustuksen turvin, uutta dokumenttia pidetään laajasti parannuksena verrattuna diktatuurin aikana tuotettuun nykyiseen perustuslakiin. Päätellen ainakin siitä, että kirjoittajina on demokraattisesti valittu joukko kansalaisjärjestöjen edustajia, tutkijoita, opettajia ja opiskelijoita, sekä alkuperäiskasojen edustajia, eikä niinkään sotilaita, taloudellista eliittiä tai poliitikkoja, on hyviä syitä luottaa uuden perustuslain tuovan mukanaan mahdollisuuden parempaan, jos se vain saadaan voimaan.

Mutta tarkoitukseni ei ole kirjoittaa Chilen poliittisesta ilmapiiristä tai edes planeettamme ekosysteemejä ja ihmisyhteisöjä uhkaavasta ilmastokatastrofista. Ne luovat vain näyttämön omalle tutkimusmatkalleni Etelä-Amerikan länsirannikolle, Andien valtavan vuoriston kupeeseen. Olen matkustanut Chileen tekemään tutkimusta, tapaamaan pitkäaikaisia yhteistyökumppaneitani ja kollegoitani, sekä ystäviä. Chile on tähtitieteen paratiisi, jossa sijaitsee yli 70% kaikesta ihmiskunnan rakentamasta tähtitieteellisestä valon keräämiseen suunnitellusta kapasiteetista peilipinta-alalla mitattuna. Olen käynyt maassa aiemmin neljästi ja jokainen vierailu on ollut menestys niin tieteen etenemisen kuin paikallisten opiskelijoidenkin kannalta. Ounastelen kuitenkin tämän viidennen kerran olevan viimeinen, vaikken oikein osaakaan perustella miksi.


Mannertenväliset lennot tuovat mukanaan monenlaista tuskaa. Huomaan kipuilevani jo astuessani lentokentän terminaalirakennuksen maanpäälliseen kulutushelvettiin, joka muistuttaa kuhinaltaan lähinnä painajaismaisia joulumarkkinoita myynnin maksimointiin suunnitellussa kauppakeskuksessa. Lepopaikkoja tai rauhaa ei juuri ole, ja jokainen epämukava istuinkin on asetettu siten, että ihmiset ohjataan kuluttamaan maksimaalisesti. Kaikkialla on matkamuistoja ja kaikenlaista rojua, jota kukaan ei tarvitse, sekä loppumattomat rivit luksustuotteita, joita heikossa asemassa olevat epätoivoiset ihmiset tuottavat kaukoidän hikipajoissa. Minkä dystopian olemmekaan luoneet!

Yhtä kivuliasta on viettää lentokoneen aivan liian pienessä tuolissa vajaat parikymmentä tuntia koettaen lääkitä kipeytynyttä selkää ja puutuneita jalkoja kirjallisuudella ja runsaalla määrällä punaviiniä. Koska nukkuakaan ei voi, lentokoneessa tulee vietettyä aikaa ajatellen. Päällimmäisenä mielessä on seuraava kipuilun aihe — lennosta aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt. Vaikka olenkin kompensoinut päästöni rahoittamalla väliamerikkalaisia pienviljelijöiden metsitysprojekteja ja siten koettanut ostaa itselleni hyvän omatunnon, en osaa olla tyytyväinen. Ilmastokatastrofi uhkaa meitä kaikkia ja jokainen toimenpide tarvitaan. Sen sijaan, että ”kompensoimme” toiminnastamme aiheutuvat päästöt meidän tulisi vähentää sitä päästöjä tuottavaa toimintaa ja samanaikaisesti toteuttaa kaikki kompensaatioiksi kaavaillut toimenpiteet. Enkä aivan luota kompensaatiopalveluita tarjoavien yritysten toimintaan, koska ei ole lopultakaan mitään takeita, että ne tosiaan toimivat luvatulla tavalla.

Motiivini kestää kaikki lentomatkailusta aiheutuva kipu on kuitenkin yksinkertainen. Olen akateemisen maailman nomadi, vailla virkaa ja siten taloudellista turvaa, ja joudun pyrkimään tutkimustyöni tuotteliaisuuden maksimointiin tai riskeeraan työttömyyden ja siitä aiheutuvan taloudellisen ahdingon. Olen yhteiskuntamallin vankina epävarmassa taloudellisessa tilanteessa ja minun on käytännössä pakko takertua jokaiseen tarjottuun oljenkorteen — on tartuttava kynään kirjoittaakseni hakemuksen jokaiselle mahdolliselle tutkimusrahoitusta tarjoavalle säätiölle ja huolehdittava verkostoitumisesta, julkaisuluettelon laajuudesta ja kokemuksesta. Chilestä en saa tulevaisuudessa rahoitusta mutta matkan on tarkoitus tuottaa muita oljenkorsia.

Lentokoneessa on kuitenkin vain hyvin rajallisesti tilaa tehdä mitään järkevään kuten valmistella seminaariesitystä, koska kannettava tietokone mahtuu vain juuri ja juuri edessä olevalle pienelle kokoontaitettavalle pöydälle. Käsiäkin on vaikeaa saada tietokoneen käyttöön soveltuvaan asentoon, jos viereiset istuimet eivät ole vapaina. Onnistun kuitenkin laatimaan esitystä jonkin verran — aiheena on Proxima Centaurin rikas planeettakunta ja siitä tehtyjen havaintojen uudelleenanalysointi. Yksi Santiagon Diego Portalesin yliopiston paikallisista tutkijoista, Jose Prieto, on pyytänyt minua pitämään esitelmän aiheesta. Yliopisto on yksityinen, mikä on suomalaisesta näkökulmasta omituinen järjestely, mutta en tuhlaa aikaani hallinnollisten asioiden pohtimiseen. Minulla on kiinnostavaa esitettävää liittyen Proxima Centaurin planeettojen ominaisuuksiin ja varmentamiseen riippumattomilla havainnoilla. Olen nimittäin onnistunut riipimään olemassaolevista havainnoista aiempaa enemmän informaatiota puhtaasti matemaattisen data-analyysin keinoin, ja haluan kuulla mitä chileläiset kollegani asiasta ajattelevat. Olen saanut uutta tietoa planeettakunnasta mutta samalla olen onnistunut määrittämään itse tähden pintarakennetta — sen pilkut vaikuttavat niin kirkkaushavaintoihin kuin spektroskooppisiinkin mittauksiin ja niiden koko ja näennäinen liike tähden pinnalla sen pyöriessä kiinteästä kappaleesta poikkeavalla tavalla vaihtelevalla nopeudella eri leveyspiireillä antavat tietoa tähden itsensä magneettisesta dynamosta ja sen fysiikasta.

Tuoreissa tuloksissani on kuitenkin muutakin kiinnostavaa. TESS -avaruusteleskoopilla ja muilla instrumenteilla tehtyjen kirkkaushavaintojen variaatiot aiheutuvat paljolti kahdesta lähteestä: roihupurkauksista ja tähdenpilkuista. Erityisesti pilkut, joita tähden pyöriessä saapuu jatkuvasti sen näkyvälle puolelle himmentäen näennäistä kirkkautta ja poistuu toisella reunalla, aiheuttavat järjestelmällisiä variaatioita noin 83 päivän sykleissä. Roihupurkaukset taas näkyvät tähden merkittävänä kirkastumisena satunnaisina ajankohtina minuuttien tai korkeintaan kymmenien minuuttien ajaksi. Molemmat ilmiöt voivat antaa kiinnostavaa tietoa tähden pinta-aktiivisuudesta ja siten fysiikasta mutta ne voivat myös peittää alleen huomattavasti pienemmät kirkkausvaihtelut: sellaiset, jotka aiheutuvat planeettojen liikkeestä tähden editse. Vaikka Proxima b ei olekaan sopivalla radalla kulkeakseen tähden pinnan editse, jokin järjestelmän muista planeetoista saattaa hyvinkin olla. Siksikin kirkkausvariaatioiden ymmärtäminen on tärkeää.

Raapustan muutaman yhtälön muistikirjaani ja mietin mitä ne tarkoittavat. On mahdotonta pohtia tiedettä kovinkaan kauan ahtaassa, hikisessä lentokoneen kapselissa, vaan käytän mielummin aikani kulttuurin parissa. Kun olkalaukusta löytyy kiinnostavaa kirjallisuutta on aina mahdollista paeta lukemattomiin maailmoihin jättäen oman ruumiinsa kärsimään puutuneista jaloista ja kipeytyneestä selästä pienikokoisemmille ihmisille suunnitellussa istuimessa.

Kuva 1. Tyynenmeren yllä leijuva pilvipeite lentokoneesta katsottuna. Kuvan keskellä näkyvä heikko rengas on sumuvarjoksi kutsuttu halo, joka on Auringon suhteen täsmälleen vastakkaisessa suunnassa. Kuva: M. Tuomi.

Saavun pian Santiagon miljoonakaupunkiin, jonka paksu savusumu peittää kaupungin toisen laidan näkyvistä. En kuitenkaan jää pilaamaan keuhkojani huonolaatuisella hengitysilmalla, vaan matkaan ystäväni ja kollegani James Jenkinsin kanssa aavistuksen verran kaupungin ulkopuolelle, Pirquen maalaismaakuntaan, missä viinitilat kukoistavat ja ilma on raikasta. Apulaisprofessorina Diego Portalesin yliopistossa toimiva James Jenkins on yksi pitkäaikaisimmista yhteistyökumppaneistani ja olemme yhdessä julkaisseet vuosikymmenen aikana noin 30 tieteellistä artikkelia. Puitteet hedelmälliseen yhteistyöhön ovat siis ainakin kunnossa.


Kirjoitus on ensimmäinen osa matkapäiväkirjastani Chilen Santiagoon marraskuussa 2022. Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Marsilaisen elämän nousu ja tuho

Voidaan todeta, että ihmiskunta on suorittamassa planeetallaan ainutlaatuista tieteellistä koejärjestelyä, joka liittyy elävän planeetan biofäärin muokkaamiseen muuttamalla geofysikaalisia olosuhteita. Olemme parhaillaan heilauttamassa planeettamme kaasukehän koostumusta pumppaamalla siihen hiilidioksidia ja muita kasvihuonekaasuja. Seuraukset ovat hyvin tunnettuja niiden tultua todennetuksi tieteellisesti vuosikymmenten saatossa. Ilmakehän kasvanut kasvihuonekaasupitoisuus nostaa planeettamme lämpötilaa ja hiilidioksidi liukenee hiljalleen meriin tehden niistä happamampia. Niiden seurauksena napajäätiköt sulavat ja merenpinta nousee; sademäärät kasvavat siellä, missä sataa paljon, koska lämmennyt ilma sitoo enemmän vesihöyryä; kuumuus lisää kuivuutta siellä, missä sataa vähemmän; ja monenlaiset tuhotulvat, maastopalot, pyörremyrskyt, lämpöaallot, kuivuudet ja muut sään ääri-ilmiöt yleistyvät ja voimistuvat.

Mutta se ei ole koko totuus. Kuivuudet ja merenpinnan nousu tekevät pelloistamme käyttökelvottomia samalla kun merten happamoituminen romahduttaa niiden ravintoketjut. Yhdessä alati kasvavan maankäyttömme kanssa, luonnolle jää aina vain vähemmän tilaa, ja meneillään onkin planeettamme historian kuudes massasukupuuttoaalto — ensimmäinen yksittäisen lajin aiheuttama sellainen.

Suuri osa planeettamme biologisista organismeista ei toki välitä hiukkaakaan aiheuttamastamme muutoksesta, vaan elää kuten on aina elänyt syvällä kiven sisällä jalkojemme alla. Maan kivinen kuori kuhisee soluja, joita ei kinnosta niin kaasukehän koostumus, pintalämpötila, kuin maanpäälliset sukupuutotkaan. Ne ovat tiukasti omassa ekologisessa lokerossaan, vuosimiljardeja muuttumattomana pysyneessä kivisessä elinympäristössään ja jäävät sinne vielä pitkiksi aikakausiksi sitten, kun meidän lajimme on kohdannut vääjäämättömän loppunsa. Viemme kuitenkin planeettamme elinkelpoisuutta heikentävällä uhkarohkealla kokeellamme lukuisia lajeja sukupuuttoon. Saatamme itsekin päätyä yhdeksi niistä osoituksena siitä, että teknologiset sivilisaatiot, jotka oppivat muuttamaan planeettansa geofysikaalisia olosuhteita eivät ole kovinkaan pitkäikäisiä. Mutta vaikka koejärjestelymme on oman planeettamme kontekstissa ainutkertainen, se ei ehkä ole sitä maailmankaikkeuden mittakaavassa — tai edes omassa planeettakunnassamme.


Mars on voinut olla nuoruudessaan elävä planeetta. Sen olosuhteet ovat olleet suorastaan maankaltaiset — nestemäinen vesi on virrannut Marsin pinnalla noin 4 miljardia vuotta sitten. Tuolloin planeetan kaasukehä oli nykyistä paksumpi ja planeetta oli lämpimämpi, mikä mahdollisti kokonaisen valtameren esiintymisen peittämässä planeetan pohjoista puoliskoa. Ensimmäisten elävien mikrobien synty olisi ollut aivan samalla tavalla mahdollista kuin Maassa, jossa elämän synty ajoittuu suunnilleen juuri 4 miljardin vuoden päähän. Elämää syntyi omalla planeetallamme likimain heti, kun sen pinta muodostui kiinteäksi ja vesi ryhtyi virtaamaan vapaana, joten samankaltainen kehityskulku on ollut mahdollinen Marsissakin. Kuten Maassa, mikrobeja on voinut aivan mainiosti esiintyä Marsin pinnan alapuolella, huokoisen kallion sisällä suolaisen veden täyttämissä halkeamissa, missä ympäristö tarjoaa mainion suojan ultraviolettisäteilyltä. Ne ovat voineet elää, kehittyä ja kuolla miljoonien tai jopa satojen miljoonien vuosien ajan rauhassa Marsin pinnan alla tuottaen metaania yksinkertaisen metaboliansa avulla (1).

Sopivien primitiivisten metanogeeneiksi kutsuttujen mikrobien toiminta olisi vaatinut runsaasti vetyä, jotta metaanin tuotanto hiilidioksidista olisi ollut mahdolista. Varhaisen Marsin kaasukehässä vetyä onkin ollut runsaasti ja sitä syntyy myös ultraviolettisäteilyn hajottaessa vapaita vesimolekyylejä. Vedyn ja samalla veden ehtyminen kaasukehästä olisi jäähdyttänyt ja kuivattanut planeetan pakottaen mikrobit muuttamaan syvemmälle Marsin kallioperään. Mikrobit olisivat siten oleellisesti tehneet itse planeetasta kuivemman ja karumman elinympäristön, mikä olisi hävittänyt niistä valtaosan loppujen joutuessa kituuttamaan syvällä pinnan alla kallion sisällä sen pienissä halkeamissa. Sellaista elämään voi Marsissa esiintyä edelleenkin mutta sen kukoistuskausi on kaukana takana päin veden esiintyessä Marsin pinnalla vain harvakseltaan ja silloinkin lähinnä napajäätiköiden kiinteänä rakennusaineena.

Kuva 1. Simulaatio Marsin merten haihtumisesta ja planeetan kuivumisesta nykyiseksi kylmäksi ja kuivaksi aavikoksi. Kuva: ESO/M. Kornmesser.

Vaikka marsilaisista mikrobeista ei olekaan olemassa vakuuttavaa todistusaineistoa, niiden muinainen olemassaolo on varsin mahdollista sen perusteella, mitä tiedämme Marsin historiasta ja elävien organismien kehityksestä Maapallolla. Silloin on kuitenkin todennäköistä, että ne onnistuivat jopa hävittämään itse itsensä tai ainakin pakenivat viimeisiin elinkelpoisiin elinympäristöihin syvällä Marsin pinnan alla. Omalla planeetallamme ilmakehän korkea typpipitoisuus esti samankaltaisen kehityskulun, mutta eksoplaneettojen suhteen tulokset ovat lohduttomia.

Moni elinkelpoinen eksoplaneetta on saattanut kokea samankaltaisen kohtalon kuin mitä tutkijat ovat esittäneet tapahtuneen Marsissa. Moni biosfääri on saattanut omien prosessiensa sivutuotteena käynnistää biokemiallisen ilmastonmuokkauksen, jonka lopputuloksena on ollut planeetan elinkelpoisuuden hiipuminen. Siksi saatamme löytää lukuisia elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja, joiden elämän biokemiallisen koneiston käynnistyminen sai paradoksaalisesti elinkelpoisuuden hiipumaan. Elämä kyllä löytää evolutiivisten mahdollisuuksiensa puitteissa keinot selviytyä monenlaisissa olosuhteissa mutta joskus se saa itse aikaan olosuhteiden peruuttamattoman, tuhoisan muuttumisen.

Tässä universaalissa kontekstissa oma planeetan elinkelpoisuutta heikentävä toimintamme on lähinnä vain kuriositeetti, joka ei milloinkaan voi olla yhtä kattavaa ja perinpohjaista kuin muualla. Se on silti perinpohjaista niille jopa miljoonille lajeille, joita viemme mukanamme hävittäessämme biosfäärimme mahdollisuuksia kasvaa ja kukoistaa. Pahimmillaan päädymme vain hävittämään oman lajimme, minkä jälkeen biosfääri kyllä palautuu miljoonien vuosien saatossa yhtä rikkaaksi kuin se oli esiteolllisella aikakaudella. Eromme mikrobeihin on kuitenkin selvä: tiedostamme toimintamme seuraukset ja voimme ennustaa miten valintamme vaikuttavat siihen, mitä tulevaisuus tuo tullessaan. Voimme valita muuttaa tapojamme. Voimme välttää marsilaisten mikrobien kohtalon, jos niin haluamme.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Sauterey et al. 2022. Early Mars habitability and global cooling by H2-based methanogens. Nature Astronomy.

Ratojensa hallitsijat

James Webb -avaruusteleskoopin yksi erityisyyksiä on sen sijainti kiertämässä Lagrangen pisteeksi kutsuttua paikkaa Kuun radan tuolla puolen. Kyse on pisteestä, jossa mikä tahansa kappale voi pysyä paikallaan suhteessa Auringon ja Maan muodostamaan järjestelmään pitkiä aikoja. Vaikka kyseessä onkin pohjimmiltaan epästabiili piste, josta satelliitti lipuisi hiljalleen pois ilman jatkuvia ratakorjauksia, se voi silti säilyttää paikkansa Maan radan tuolla puolen kuluttamatta merkittäviä määriä polttoainetta. Toinen vastaava piste Maan ja Auringon muodostamassa järjestelmässä olisi Juuri Maan radan sisäpuolella, jossa kappaleiden vetovoimat ovat tasapainossa. Se on mainio paikka esimerkiksi satelliiteille, jotka tarkkailevat Aurinkoa kuten SOHO. Kolmas Lagrangen piste taas löytyy Auringon toiselta puolelta, mutta se on vieläkin epästabiilimpi, koska muiden planeettojen vetovoima pisteessä on Maata voimakkaampi.

Stabiiliutensa vuoksi kiinnostavia Lagrangen pisteitä ovat L4 ja L5, pisteistä neljäs ja viides, jotka sijaitsevat sivussa Maan ja Auringon määrittämältä suoralta. Ne ovat pisteitä Maan radan etäisyydellä Auringosta, täsmälleen 60 astetta Maan paikan edellä ja jäljessä avaruudessa, ja niiden olemassaolo johtuu pyörivän kahden kappaleen järjestelmän dynamiikan monimutkaisista piirteistä. Pieni kappale voi olla Lagrangen pisteeseen sidottuna siten, että se kiertää hiljalleen pisteen ympäri Maan kiertäessä Auringon ympäri radallaan ja pisteen samalla liikkuessa Maan mukana. Syntyy monimutkaista liikettä, joka voidaan tosin ennustaa laskennallisesti hyvinkin tarkkaan. Esimerkiksi Jupiterin ja Auringon muodostamassa kahden kappaleen järjestelmässä kyseiset L4 ja L5 pisteet ovat täynnä troijalaisiksi kutsuttuja asteroideja, jotka seilaavat hiljalleen pisteiden ympäri.

Kahden kappaleen luoman gravitaatiokentän ominaisuudet ovat olleet hyvinkin tarkkaan tiedossa jo lähes kolmen vuosisadan ajan. Mutta saman ominaisuudet löytyvät myös mistä tahansa eksoplaneettajärjestelmästä, jossa planeetan ja tähden muodostama kahden kappaleen järjestelmä dominoi pienempien kappaleiden liikettä. Se tuo mukanaan nerokaan, joskin epäsuoran tavan havaita vastasyntyneitä eksoplaneettoja nuorissa planeettakunnissa.


Millimetrialueen radioteleskoopeista ALMA on ollut viime vuosina yksi merkittävimmistä instrumenteista tuottamassa tietoa nuorista planeettakunnista. Planeettojen syntyessä tähtiä ympäröi pääasiassa kaasusta muodostunut kertymäkiekko, jonka seassa on myös runsaasti lämpösäteilyä vapauttavaa pölyä. Pöly muodostaa planeettojen siemenet, ja antaa alkunsa protoplaneetoille, joista jotkut kasvavat niin suuriksi, että kykenevät vetovoimansa avulla keräämään itselleen paksut kaasuvaipat. Niin syntyvät jättiläisplaneetat, jotka dominoivat valtavalla vetovoimallaan planeettakuntiaan. Kaikki tähteä kiekon tasossa kiertävä pöly ei kuitenkaan päädy osaksi planeettoja, vaan sen ollessa riittävän kaukana massiivisista planeetoista, se kiertää radallaan rauhaisaan tahtiinsa nuoren tähden ryhtyessä tähtituulensa avulla puhaltamaan kaasua tiehensä. Vaikka valtaosa pölystä lopulta katoaakin tultaessa miljardin vuoden aikaskaaloihin, sitä on runsaasti nuorten tähtien ympärillä. Ja tuottamansa millimetrialueen säteilyn avulla voimme havaita pölyn muodostelmia nuorissa tähtijärjestelmissä tehdäksemme niistä päätelmiä planeettojen olemassaolosta.

Esimerkkejä tunnetaan jo kymmeniä. Yksi parhaista on tähteä HL Tauri ympäröivä useaan renkaaseen jakautunut pölykiekkorakenne, joka kertoo planeettojen olemassaolosta tähden kiertoradoilla. Kun planeetat kiertävät keskustassa sijaitsevaa tähteä, ne siivoavat vetovoimallaan ratansa lähiympäristön valtaosasta materiaa, mikä näkyy tummina renkaina pölykiekon rakenteessa. Kuvaa katsomalla (Kuva 1.) on helppoa nähdä, että tähteä HL Tauri tosiaan ympäröi usean planeetan muodostama järjestelmä. Esimerkiksi sisintä tummaa rengasta vastaa planeetta, joka on varmasti kaasujättiläinen ja kiertää tähteä suunnilleen samanlaisella radalla kuin Saturnus kiertää Aurinkoa. Kiekon ulkoreuna on noin kolme kertaa kauempana tähdestä kuin Neptunus on Auringosta, joten kyseessä on varsin samankaltainen kiekkorakenne kuin mikä ympäröi Aurinkoa sen ollessa nuori.

Kuva 1. ALMA -teleskoopin kuva pölykiekosta nuoren tähden HL Tauri ympärillä. Kiekon tummat renkaat kuvastavat ratoja, joiden tienoolla pölyä on vähemmän, koska tähteä kiertävät planeetat siivoavat ratansa lähiympäristön kaikesta materiasta. Kuva: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).

Tummat renkaat laakeassa kiekossa eivät kuitenkaan kerro paljoakaan siitä planeetasta, joka ne on muodostanut. Emme voi määrittää planeetan kokoa tai paikkaa radallaan, vaikka voimme helposti määrittää planeetan ympyräradan mittasuhteet. Huomionarvoista on myös se, että aivan jokainen tumma rengas ei tarkoita, että kyseisellä radalla olisi oma planeettansa. Yksittäisen kiertolaisen vetovoima voi tuottaa kaksi tai useampia renkaita, kun aines poistuu planeetan vetovoiman vaikutuksesta niin planeetan radalta kuin sen resonanssiradoiltakin. Niillä aineksen kiertoaika planeetan ympäri suhteutuu planeetan ratajaksoon kuin kaksi pientä kokonaislukua suhteutuvat toisiinsa — tyypillisiä sellaisia resonansseja ovat 2:1, 3:2 ja 4:3 resonanssit. Mutta TL Taurin tapauksessa voidaan sanoa melkoisella varmuudella, että järjestelmässä on ainakin kolme suurta kaasuplaneettaa.

Aivan hiljattain tutkijat kuitenkin huomasivat, että havainnoissa on mahdollista mennä vieläkin pidemmälle (1). Heidän kohteenaan oli nuori pölykiekon ympäröimä tähti, LkCa 15, jonka kiertoradalla on vaihtelevasti joko raportoitu olevan planeettoja tai sitten niiden olemassaolo on kiistetty. Nyt tutkijat kuitenkin kiinnittivät uusilla ALMA -teleskoopin havainnoillaan huomionsa heikkoon 42 AU:n etäisyydellä tähdestä olevaan renkaaseen tähden pölykiekossa. Heikkoa rengasta ympäröi kirkkaampi toinen rengas merkkinä siitä, että materiaa on runsaasti tähden kiertoradalla, mutta kirkkaan renkaan selvä sisäreuna sai tutkijat tarkastelemaan havaintojaan syvällisemmin (Kuva 2.). Heikompi rengas nimittäin vastaa tilannetta, jossa Lagrangen pisteitä kiertävä materia on asettunut niin sanotulle hevosenkenkäradalle. Se on nimitys kahden kappaleen järjestelmässä liikkuville kiertolaisille, kuten pienille pölyhiukkasille, jotka seilaavat minne voivat liike-energiansa ja kahden massiivisemman kappaleen määrittämässä vetovoimakentässä.

Kuva 2. ALMA -teleskoopin havainnot kohteesta LkCa 15 (vasemmalla ylhäällä) ja havaintojen mallinnus tietokonesimulaatioilla. Tulokset viittaavat kahteen materiakeskittymään tähden kiertoradalla 120 asteen kulmassa toisiinsa nähden, mikä selittyy materiana planeetan Lagrangen pisteissä L4 ja L5 osoittaen samalla neptunuksenkokoisen planeetan (plusmerkki simulaatiokuvissa) aiheuttavan kiekon rengasrakenteen. Kuva: Long et al.

Heikossa renkaassa näkyvät myös pienet pölyn kasautumat lähes täsmälleen 120 asteen kulmassa toisiinsa nähden katsottuna renkaiden keskipisteessä olevasta tähdestä. Ne ovat siten L4 ja L5 pisteitä vastaavissa paikoissa avaruudessa, jos olettaa, että pisteitä vastaavalla etäisyydellä niiden keskellä tähteä kiertää massaltaan noin Neptunusta vastaava planeetta (Kuva 2.). Itse planeettaa ei voida havaita suoraan mutta sen vetovoimavaikutukset tähteä ympäröivän pölykiekon rakenteessa selittyvät vain planeettan gravitaatiovaikutuksella. Havainnoista paljastuvat niin planeetan paikka kuin karkeasti sen massakin, ja sen kiertorata tähden ympäri — Kuvassa 2. planeetta kiertää tähteä vastapäivään L4 -pisteen pölyn kulkiessa sen edellä ja L5 -pisteen pölyn seuratessa perässä.

Teoreettiset mallit ovat ennustaneet Lagrangen pisteiden voivan toimia kertymäkiekon pölyä keräävinä alueina, mutta sellaisten alueiden näkyminen suorassa havainnossa on ensimmäinen laatuaan. Tähtitieteilijät ovat siis näyttäneet miten planeettoja voidaan havaita uudella keinolla tutkimalla kertymäkiekkojen pölyn jakautumista. Vaikka planeetan ominaisuuksien määrittäminen onkin vaikeaa, ja asiaan liittyy runsain mitoin epävarmuuksia, on kuitenkin erittäin todennäköistä, että tähden LkCa 15 pölykiekkoa paimentaa planeetta, jota emme näe mutta jonka vetovoimavaikutuksen voimme silti nähdä. Sellaisenaan havainto ei siis ole sen kummallisempi kuin moni muilla tekniikoilla tehty planeettahavainto — näemme epäsuorasti jonkin massallisen kappaleen vaikuttavan vetovoimallaan, vaikka emme näekään siitä meitä kohti saapuvaa valoa. Vastaavat epäsuorat, fysikaalisten lainalaisuuksien moninaisiin vaikutuksiin perustuvat mielenkiintoiset havainnot voivat olla tekijöilleen arkista tutkimusta mutta ne jaksavat edelleen yllättää jopa kokeneen tutkijan. Minulle tässä kuvaamani menetelmä eksoplaneettojen havaitsemiseksi ainakin tuli pienenä yllätyksenä.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Long et al. 2022. ALMA Detection of Dust Trapping around Lagrangian Points in the LkCa 15 Disk. The Astrophysical Journal, 937, L1.

Pienten planeettojen kirjo

Auringonkaltaisia ja sitä keveämpiä kääpiötähtiä kiertää tyypillisesti kourallinen pieniä planeettoja. Niistä suurin osa on kivisiä kappaleita mutta joillakin voi olla hiukan paksumpi kaasuvaippa ympärillään, jolloin ne luokitellaan ennemminkin minineptunuksiksi kuin supermaapalloiksi. Tyypillisesti on ajateltu, että planeettoja on kokonainen jatkumo kiviplaneetoista kaasuplaneettoihin, veden ja muiden yleisten keveämpien aineiden muodostaessa joko pieniä puroja niiden pinnoilla tai jopa tuhansien kilometrien paksuisia valtameriä. Mutta pohjimmiltaan kyse ei välttämättä ole vain ihmisten subjektiivisesta rajanvedosta planeettojen koostumuksen jatkumossa, vaan jopa luonto vaikuttaa tekevän selvän jaottelun kivisiin supermaapalloihin ja kaasuvaipan omaaviin minineptunuksiin. Suurin osa pienistä planeetoista todellakin on kivisiä kappaleita, joilla on vain ohut kaasukehä, tai sitten halkaisijaltaan selvästi suurempia planeettoja, joilla on paksu kaasuvaippa ympärillään. Välimuotojakin on mutta ne ovat vaikuttaneet olevan verrattaen harvinaisempia.

Ilmeisesti on niin, että jotkut pienet planeetat saavuttavat useamman Maan massan koon riittävän nopeasti, jotta muodostuvassa planeettakunnassa on vielä merkittäviä määriä kaasua jäljellä, eikä muodostuva tähti ole vielä syttynyt loistamaan kunnolla puhaltaakseen sen pois. Toiset taas muodostuvat hitaammin, eivätkä ehdi koskaan haalimaan ympärilleen merkittävää kaasuvaippaa, vaan jäävät kivisiksi supermaapalloiksi. Syntyprosessin yksityiskohdat ovat edelleen hämärän peitossa mutta havainnot tukevat ajatusta siitä, että luonto jaottelee pienet planeetat karkeasti kahteen erilliseen ryhmään (1). Asiaa voidaan havainnollistaa katsomalla pienten planeettojen kokojakaumaa (Kuva 1). Siinä näkyy selvästi, että noin 80% Maata suuremmat planeetat muodostavat jonkinlaisen rajan, ja sen kokoluokan planeetat ovat suhteellisesti merkittävästi harvinaisempia kuin sitä pienemmät ja suuremmat kappaleet.

Kuva 1. Pienten planeettojen kokojakauma perustuen Kepler -avaruusteleskoopin tekemiin havaintoihin. Jakaumassa on selvästi kaksi huippua paljastaen kahden toisistaan erillisen planeettojen populaation, supermaapallojen ja minineptunusten, olemassaolon. Kuva: Fulton et al.

Asiaan liittyy kuitenkin runsaasti kaoottisia fysikaalisia prosesseja, kuten planeettojen muodostuminen, ratamigraatio, tähden varttuminen ja säteilyolosuhteiden muuttuminen, kaasukiekon haihtuminen, ja jopa planeettojen kaasukehän poiskiehuminen. Planeettojen synnystä on kokonaisuutena vain epäsuoria havaintoja, koska emme voi seurata planeettakunnan ja sen kappaleiden kehitystä miljardien vuosien ajan vanhaksi, stabiiliksi järjestelmäksi. Kuitenkin, jo havaitsemalla tähtien ja niitä kiertävien planeettojen karkeita ominaisuuksia, voidaan tehdä hämmästyttävän pitkälle vietyjä johtopäätöksiä. Lisää tietoa on saatu viime vuosina TESS -avaruusteleskoopin havainnoista, koska sen mittaukset ovat auttaneet havaitsemaan lukuisia pieniä planeettoja aivan Auringon lähinaapurustosta, jolloin planeettojen massat ovat mitattavissa radiaalinopeusmenetelmän keinoin.


Pienten planeettojen koostumuksesta on julkaistu monia tutkimuksia, ja yksi omista suosikeistani (2) tiivistää koko asian mainiosti yhteen erittäin informatiiviseen kuvaajaan (Kuva 2.). Vaikuttaa tosiaan siltä kuin pienet planeetat olisivat jaoteltuina kahteen joukkoon, joiden välinen raja on jossakin karkeasti kahden Maapallon halkaisijan kohdalla. Niistä pienemmät koostuvat Maan tapaan lähinnä rautaytimestä, jota ympäröi silikaateista muodostunut paksu vaippa. Pinnalla saattaa esiintyä vettä ja sitä saattaa peittää kaasukehä mutta niiden kummankaan kokonaismäärä ei kata merkittävää osuutta planeettojen massasta. Tällaisia maankaltaisia kiinteän pinnan omaavia kiviplaneettoja näyttää voivan muodostua helposti erisuuruisina mutta niiden absoluuttinen yläraja on noin kymmenen Maan massan ja kahden Maan halkaisijan kokoluokassa. Sitä suuremmat kappaleet vetävät oman vetovoimansa avulla ympärilleen runsaita määriä kaasua eivätkä siten voi olla kiinteitä pinnaltaan.

Kuva 2. Havaittuja pienikokoisia planeettoja massan ja säteen määrittämässä diagrammissa. Kuva: Zeng et al.

Toiseen joukkoon kuuluvat planeetat, joiden koostumuksesta valtaosa on keveämpiä aineksia, kuten vettä ja muita helposti haihtuvia yhdisteitä. Sellaisia planeettoja ovat esimerkiksi hyseaaniset planeetat, joiden tuhansien kilometrien paksuista valtamerivaippaa peittää pääasiassa vedystä ja heliumista koostuva kaasukehä. Valtameriplaneettoja voi olla niitäkin useassa eri kokoluokassa, mutta niiden on arvioitu olevan massaltaan tyypillisesti jotakin kolmesta pariinkymmeneen Maan massaa. Kooltaan ne voivat olla peräti kolme kertaa omaa planeettaamme suurempia, mikä tekee niistä lähes yhtä suuria kuin Aurinkokunnan jääjättiläiset Uranus ja Neptunus.

Mutta tiedoissamme on puutteita. Eniten häiritsee havaittujen säteen ja massan suuret epävarmuudet. Pienten planeettojen ylikuluista on hankalampaa mitata planeetan koko, jos planeetta on valtavasti tähteä pienempi ja aiheuttaa vain vajaan promillen himmenemisen tähdestä havaintolaitteisiimme saapuvaan valoon. Planeettojen punnitsemisessa on sama ongelma. Massan voi määrittää sitä luotettavammin, mitä enemmän planeetta heilauttaa tähteään vetovoimansa avulla — mitä suurempi tähti on massaltaan, sitä enemmän se voi vastustaa planeetan vetovoimavaikutusta. On siis viisainta tutkia pienempien, keveiden tähtien planeettoja, koska niistä saadaan tarkempia mittauksia. Punaiset kääpiötähdet ovat juuri sopivia kohteita mutta ne ovat kiitollisia havaintokohteita myös siksi, että niiden kiertoradoilla on runsain mitoin pieniä planeettoja. Siksi voimme tutkia tarkemmin niiden planeettojen koostumuksia, jotka kiertävät punaisia kääpiöitä.

Koska planeettojen koon ja massan mittaaminen on vaikeaa, planeettojen yleisten ominaisuuksien tutkiminen saattaakin olla helpompaa, jos jättää tarkastelun ulkopuolelle kaikki ne planeetat, joiden ominaisuudet ovat liian epätarkasti tiedossa. Tulokset punaisia kääpiötähtien planeettojen ominaisuuksista ovat silloin suorastaan hämmentävän selkeitä (3). Planeetat näyttävät nimittäin jakautuvan kolmeen selvärajaiseen luokkaan: kivisiin maankaltaisiin planeettoihin, vetisiin meriplaneettoihin, ja kaasuvaipan omaaviin minineptunuksiin (Kuva 3.). Parhaiten jaottelua määrittävänä tekijänä näyttää toimivan planeetan keskitiheys — massa ja säde eivät mahdollista vastaavaa selkeää jaottelua, koska esimerkiksi noin kahden Maan säteen planeetta saattaa kuulua mihin tahansa kolmesta planeettojen tyypistä riippuen sen massasta.

Mikä voi olla syynä kolmeen selvään planeettojen luokkaan pienten tähtien kiertoradoilla? Vastauksen tarjoaa planeettojen muodostumisprosessi, ja lopputuloksen riippuvuus lämpötilasta ja prosessin nopeudesta. Lähellä tähteä planeettojen rakennusaineena toimivat pölyhiukkaset koostuvat kuumuutta kestävistä silikaateista ja metalleista kuten raudasta, ja siksi maankaltaiset planeetat heijastavat tätä alkuperäisen aineksen koostumusta. Koska kuumuus saa helpommin haihtuvat aineet kaasumaiseen muotoon, niitä ei kasaudu syntyvien planeettojen vaippaan merkittäviä määriä. Hiukan kauempana tähdestä, niin kutsutun ”lumirajan” takana, jo tavallinen vesi muodostaa kiinteitä jääkiteitä. Jää toimii planeettojen rakennusaineena näillä kaukaisemmilla etäisyyksillä, ja muodostuvat planeetat koostuvatkin pääosin vedestä. Jotkut planeetoista kuitenkin onnistuvat haalimaan itselleen niin paljon massaa, yli 10 Maan massan verran, että ne keräävät nuorta tähteä vielä ympäröivästä kertymäkiekosta kaasuvaipan itselleen, ja muuntuvat samalla minineptunuksiksi. Sellaisten muodostuminen on mahdollista vain planeettojen synnyn ollessa nopeaa ja sen tapahtuessa hyvissä ajoin ennen kuin kunnolla loistamaan syttyvä tähti entii puhaltamaan kaasun pois ympäriltään.

Planeetat siis näyttävät syntyvän hyvinkin yksinkertaisten reunaehtojen sisällä ja päätyvät hyvin erilaisiksi ominaisuuksiltaan ja koostumukseltaan vain hyvin yksinkertaisten tekijöiden vaikutuksesta. Mutta niiden jaottelu kolmeen karkeaan luokkaan luultavasi kuvastaa vain yhtä karkeaa luokittelua, jota koetamme tiedonjanossamme tehdä tarkastellessamme kaoottisen luonnon muovaamaa valtaisaa kappaleiden kirjoa. Ei ole sattumaa, että oman olemassaolomme ehto, vesi, on myös merkittävä tekijä eksoplaneettojen muodostumisessa. Merkittävää on kuitenkin se, että kykenemme havaitsemaan lähitähtien planeettoja luokitteluun ja syntyhistorian selviämiseen riittävällä tarkkuudella. Samalla selviää omakin paikkamme maailmankaikkeudessa, jossa seilaamme Auringon gravitaatiokaivon vankeina yhdellä pienellä kivisellä, biosfäärin peittämällä avaruusaluksellamme nimeltään planeetta Maa.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Fulton et al. 2017. The California-Kepler Survey. III. A Gap in the Radius Distribution of Small Planets. The Astronomical Journal, 154, 109.
  2. Zeng et al. 2019. Growth model interpretation of planet size distribution. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116, 9713.
  3. Luque & Palle 2022. Density, not radius, separates rocky and water-rich small planets orbiting M dwarf stars. Science, 377, 1211.