Avaruuslaiva Maa — elossapitojärjestelmämme heikkenee
Maapallolla on ollut elämää miljardeja vuosia. Varhaisimmat fossiilit, joita planeetaltamme on löydetty ajoittuvat noin 3.5 miljardin vuoden päähän menneisyyteen mutta epäsuoria merkkejä elämästä on havaittu 3.8 miljardia vuotta vanhoista sedimenteistä. Yhdistämällä tietoa fossiileista ja geneettisistä molekyylikelloajoituksista voidaan sanoa, että elämää on ollut vähintäänkin yli 3.9 miljardia vuotta (1). Elämäksi kutsuttuja biokemiallisia, itseään kopioivia paikallisia entropiaminimejä syntyi heti, kun planeettamme viileni tarpeeksi, jotta sen kuori jäähtyi kiinteäksi ja meret tiivistyivät nestemäisiksi. Maa syntyi 4.5 miljardia vuotta sitten ja elämän synty, abiogeneesi, tapahtui geologisessa silmänräpäyksessä, välittömästi olosuhteiden asetuttua sopiviksi.
Elämän synty tuskin oli mikään loistokas, hyvin määriteltävä hetki, jolloin eloton muuttui eläväksi suurieleisesti, fanfaarien säestämänä. Kemialliset reaktiot eivät välitä siitä tapahtuvatko ne vai eivät, ja ovatko ne osana jotakin kompleksista kokonaisuutta vai eivät. Ne vain tapahtuvat, jos ovat energeettisesti mahdollisia, ja kvanttimekaniikan kasvottomat lait huolehtivat siitä, että reaktiot tapahtuvat aina samalla tavalla suotuisissa olosuhteissa, reaktiokineettisin reaunaehdoin. Se tarkoittaa sitä, että vääjäämättömät ja lahjomattomat luonnonlait saivat yksinkertaiset elottomat molekyylit reagoimaan keskenään ja muodostamaan keskimäärin aavistuksen monimutkaisempia reaktiotuotteita.
Lopulta kompleksisuus ylitti rajan, joka sai luonnonvalinnan käynnistymään. Helpommin syntyvien ja stabiilimpien molekyylien määrä pääsi kasvamaan muiden kustannuksella. Kyse on suorastaan tautologiasta — molekyylit ja niiden kompleksit, joita on enemmän, ovat yleisempiä kuin ne, joita on vähemmän. Kompleksit myös ryhtyivät katalysoimaan ja vauhdittamaan kaltaistensa molekyylien muodostumista ja muokkaamaan ympäristöään suotuisammaksi omien kopioidensa muodostumiselle ja stabiiliudelle. Ne ryhtyivät siihen ehkäpä sattumalta mutta sellaiset molekyylit, jotka siihen kykenivät, yleistyvät muiden molekyylien kustannuksella. Molekyylikompleksit ottivat ympäristöstään raaka-aineita ja hylkäsivät yhdisteet, joita eivät tarvinneet. Ne kahlitsivat saatavilla olevat kemialliset energiavirrat oman rakenteensa ja kopioitumisensa ylläpitoon. Elämä oli syntynyt ja se muutti maailman.
Runsaat 3.9 miljardia vuotta myöhemmin planeetalla on laji, joka pohtii syntyään ja paikkaansa maailmankaikkeudessa. Ennen syntyämme, miljoonat lajit ovat muodostuneet, kukoistaneet ja kuolleet jättämättä jälkeäkään. Jotkut harvat lajit ovat jättäneet jälkensä sedimenttikivien kerrostumiin fossiileina. Joistakin vieläkin harvemmista lajeista on puolestaan muodostunut evoluution suuria menestystarinoita, kun niiden jälkeläiset ovat muodostaneet suuret, lajirikkaat taksonit. Keskimääräinen nisäkäslaji kuitenkin elää vain noin miljoona vuotta, jonka päätteeksi se häviää joko lopullisesti tai jättäen jälkeensä muuntuneita muotoja, jotka luokitellaan uudeksi lajiksi. Ihminen on vain yksi nisäkäslaji muiden joukossa — iältään noin 300000 vuotta vanha.
Nisäkäslajeja on kuvattu tieteellisesti noin 6500 (2). Niistä 100 on hiljattain hävinnyt, kokenut kokonaisen lajin kuoleman, eli sukupuuton. Se ei ehkä kuulosta paljolta mutta todellisuudessa tilanne on hälyttävä.
Jos nisäkäslajit elävät keskimäärin miljoona vuotta, voidaan arvioida suuruusluokkia ajattelemalla, että puolet kaikista lajiesta häviää aina miljoonan vuoden aikana. Se on karkea oletus mutta suuruusluokaltaan oikein. Jos lajeja on 6500, se tarkoittaisi 3250 sukupuuttoa aina miljoonassa vuodessa tai noin kolmea sukupuuttoa vuosituhannessa. Voidaan siis sanoa suunnilleen yhden lajin häviävän kolmessasadassa vuodessa. Luonnollisissa olosuhteissa lajirikkaus pysyy kuitenkin keskimäärin vakiona, joten yksi laji myös ehtii syntyä lajiutumisen tuloksena samassa tahdissa.
Lajeja on kuitenkin hävinnyt useita jo sinä lyhyenä aikana, kun ihmiskunta on tutkinut lajien kirjoa ja luokitellut niitä järjestelmällisesti lajeihin ja suurempiin taksoneihin. Carl von Linne oli luokittelun, dokumentoinnin ja lajikirjanpidon pioneereja 1700-luvun alussa. Mutta hänen ajoistaan tähän päivään mennessä, noin 300 vuoden aikana, ainakin jo noin 100 kuvattua nisäkäslajia on kokenut populaationsa romahduksen, harvinaistumisen ja lopullisen sukupuuton. Se on elinympäristöjen häviämisen syytä, kun ihmiskunta on raivannut kosteikkoja, sademetsiä, tasankoja ja lehtimetsiä laitumiksi kouralliselle omia hyödyllisiä kotieläinlajejaan. Tämän karkean laskelman mukaan sukupuuttovauhti on siten satakertaistunut ihmisen vaikutuksesta. Vaikka laskelma tuskin on miltään osalta täysin oikein, se kuitenkin luultavasti antaa vastaukseksi oikean suuruusluokan.
Asiaa tutkineet biologit ja paleontologit ovat laskelman kanssa karkeasti samaa mieltä. Sukupuuttonopeus on sata- tai jopa tuhatkertainen tavalliseen geologisen historian ”taustasukupuuttonopeuteen” verattuna (3). Pahaksi onneksi ihmisten on vaikeaa havaita näinkin radikaalia muutosta. Inhimilliset aivot eivät käsitä hyvin pienten lukujen merkitystä tai hitaasti etenevää muutosta ja sadan nisäkäslajin sukupuutto tuntuu merkityksettömältä siinä kontekstissa, että lajeja on elossa tuhansia. Jokainen sukupuutto kuitenkin tarkoittaa peruuttamatonta vahinkoa biodiversiteetille ihmiselämän ja teknisen ihmissivilisaation olemassaolon ajallisessa mittakaavassa. Jokainen sukupuutto heikentää sitä elävän planeetan verkostoa, josta olemme saaneet alkumme ja joka pitää meidät hengissä kotiplaneettamme pinnalla.
Olemme hävittämässä jo arviolta miljoonaa lajia tuhotessamme globaalisti elinympäristöjä. Kolme neljännestä planeettamme maapinta-alasta ja kaksi kolmannesta meristä on voimakkaan ihmistoiminnan vaikutuksen piirissä. Kolmannes kaikesta maapinta-alasta ja lähes 75% makean veden resursseista on valjastettu ravinnon teolliseen tuotantoon. Kulutamme yhä enemmän luonnollisia resursseja ympäri maailman.
Tuhoamme oman elämämme edellytyksiä. Neljännes kaikesta maapinta-alasta on vahingoittunut ja heikentynyt tuottavuudeltaan kulutuksemme vuoksi. Olemme myrkyttäneet hyönteispopulaatiot aiheuttaen pölyttäjien katoamisen, mikä heikentää mahdollisuuksiamme tuottaa omaa ravintoamme. Rannikoiden eliympäristöjen tuho asettaa jo sadat miljoonat ihmiset ja alavat viljelysmaat alttiiksi tuhoisille tulville ja hurrikaaneille. Kolmannes kalapopulaatioista on radikaalisti ylikalastettu ja 60% kalastetaan maksimaalisesti. Meret köyhtyvät elämästä ja sen monimuotoisuudesta kaikkialla.
Saastutamme ympäristöä ja viimeisiä puhtaan luonnon laikkuja muovilla, kemikaaleilla, liuottimilla, ja muilla teollisten prosessien jätteillä. Niitä pumpataan meriin, järviin ja jokiin. Peltojemme ylilannoitus ja tehotuotannon aikaansaama eroosio päästää vesistöihin valtavasti ravinteita ja on synnyttänyt jo satoja täysin kuolleita merialueita.
Kaikeksi huipuksi, kaikki se hiilidioksidi ja metaani, joka syntyy fossiilitaloutemme sivutuotteena ja karkaa ilmakehään, lämmittää globaalisti ilmastoa kiihtyvällä vauhdilla. Jäätiköt sulavat ja niistä alkunsa saavat suuret joet, joiden vesi kastelee miljardien ihmisten pellot, kuivuvat tyystin. Valtaisat maa-alueet aavikoituvat kuivuuden ja kuumuuden vuoksi ja muuttuvat elinkelvottomiksi ihmisille ja lukuisille muille eläville organismeille. Napajäätiköt sulavat ja viileät, ravinteikkaat vedet korvautuvat lämpimämmillä muokaten jopa planeettamme hiilidioksidin vaikutuksesta happamoituvia merivirtauksia. Aiheutamme ilmastokatastrofin, joita on aiemmin esiintynyt vain suurten massasukupuuttojen yhteydessä. Sellaisten, kuin se massasukupuuttoaalto, jota olemme parhaillaan aiheuttamassa.
Planetaarisessa mittakaavassa ihmiskunnan aiheuttama muutos on häkellyttävän suuri ja nopeasti etenevä. Mutta ihmiskunnalle itselleen tilanne on suorastaan hälyttävän katastrofaalinen — olemme juoksemassa kohti kalliokielekettä, kohti omaa vääjäämätöntä tuhoamme, ja olemme muodostaneet siitä juoksukilpailun, jossa nopeimmat saavat itselleen hetkellistä materiaalista etua. Tavoittelemme jatkuvaa kasvua ja lisääntyvää kulutusta ja siksi järjestelmämme piiriin on tuotava aina vain uusia alueita. On vain se onlgema, että kaikki planeettamme alueet on jo valloitettu tuhoisin seurauksin.
Metsästäjä-keräilijä -kulttuureissa tiedostettiin, että peräkkäisillä ravinnonhakuretkillä ei kannata lähteä samaan suuntaan, sillä saaliseläimien ja kerättävän ravinnon on annettava uusiutua rauhassa. Sitten kehitimme maatalouden, kaupungit ja teollisen mittakaava ravinnontuotannon ja unohdimme kaiken satojen sukupolvien saatossa oppimamme. Nykyään kiirehdimme käyttämään jokaisen kuviteltavissa olevan luonnollisen resurssin loppuun ennen kuin joku lajikumppanimme keksii tehdä niin.
Siksi tuntuu ajoittain pahalta etsiä elinkelpoisia planeettoja kiertämässä lähitähtiä. Jos ihmiskunta onnistuu valjastamaan tähtienvälisen matkailun mahdollistavan teknologian käyttöönsä, sitä väistämättä käytetään Aurinkokunnan lähinaapuruston tähtiä kiertävien planeettojen valloittamiseen, kolonialismiin ja hyväksikäyttöön. Todennäköisesti toistaisimme vain omaa historiaamme galaktisessa mittakaavassa. Uudet elinalueet valloitettaisiin tuottavaan toimintaan, kapitalistisen pääoman kasvun ylläpitämiseksi. Paikalliset asukkaat — olivat ne sittten älykkäitä tai eivät — siirrettäisiin syrjään tai hävitettäisiin järjestelmällisesti. En haluaisi löytää lähiavaruudesta toista elävää planeettaa vain, jotta seuraava sukupolvi voisi valloittaa sen ja käynnistää sen pinnalla seuraavan ekologisen katastrofin. Maanpäällisiä, lokaaleja esimerkkejä ovat historiankirjat ja uutiset pullollaan ja jo pintapuolisella uutisvirran silmäilyllä voi havaita lukuisia tapauksia. Tavallisesti vain konteksti jätetään mainitsematta.
Olemme se kauhua tehokeinonaan käyttävien tieteiselokuvien ja -kirjojen teknisesti edistynyt avaruusrotu, joka saapuu planeetalle aikomuksenaan siirtää syrjään alkuperäiset asukkaat ja päämääränään ottaa kaikki luonnolliset resurssit omaan hallintaansa. Olemme se aggressiivinen laji, joka pyyhkii ympäristönsä kanssa harmoniassa ja tasapainoisessa suhteessa elävät toiset lajit sukupuuttoon pitäen heitä alkeellisina ja primitiivisinä. Olemme se planeettoja tuhoava paha, jota sivilisaatiot kautta galaksin pelkäävät. Ainakin potentiaalisesti.
Todennäköisempää on, että emme koskaan lähde kehdostamme, Maapallolta, vaan tuhoudumme hävitettyämme sen biologista elossapitojärjestelmää riittävästi. Sille on tällä hetkellä vain yksi vaihtoehto. On pysäytettävä globaali tuhokoneistomme ennen kuin on liian myöhäistä.
Maapallo on kuin valtaisa avaruuslaiva, jonka pinnalla matkaamme tulevaisuuteen. Olemme kuitenkin onnistuneet rikkomaan sen elossapitojärjestelmän osia ennen kuin edes opimme ymmärtämään miten koko järjestelmä toimii. Jokainen järkevä avaruusaluksen matkustaja tajuaisi, että elossapitojärjestelmään ei saa koskea, jos mielii päästä perille. Kollektiivina emme ole vielä tajunneet sitä. Toivottavasti tajuamme ennen kuin on liian myöhäistä.
Lähteet
- Betts et al. 2018. Integrated genomic and fossil evidence illuminates life’s early evolution and eukaryote origin. Nature Ecology and Evolution, 2, 1556.
- Burgin et al. 2018. How many species of mammals are there? Journal of Mammalogy, 99, 1.
- Pimm et al. 2014. The biodiversity of species and their rates of extinction, distribution, and protection. Science, 344, 6187.
Brutaaleja fysikaalisia lainalaisuuksia ja muutama kosminen pölyhiukkanen
Tähdet syntyvät tähtienvälisen aineksen pilvistä. Samassa prosessissa, satunnaisena sivutuotteena, syntyvät niitä kiertävät planeetat ja ympäröivät planeettakunnat — sellaiset kuin Aurinkokunta ja monet muut erikoiset kokoelmat erilaisia kappaleita erilaisten tähtien kiertoradoilla. Planeetat muodostuvat yhtä vääjäämättä kuin tähdetkin. Ne ovat materian luonnollinen olotila, johon asettua, ja jossa säilyä pitkiä aikoja, vuosimiljoonia ja -miljardeja. Siksi planeettoja on kaikkialla missä vain on tähtiäkin.
Syntyprosessi sisältää väkivaltaa suurienergisten planeettoja tuhoavien törmäysten ja polttavan säteilyn muodossa. Se on kaoottinen tapahtumaketju, jonka lopputulosta on mahdotonta ennustaa tarkasti. Silti, lainalaisuuksia on paljon, koska fysiikan lait toimivat aivan samalla tavalla kaikkialla ja kaikkina aikoina. Ja jokainen syntyvä planeettakunta noudattaa fysikaalisia reunaehtoja orjallisen tarkasti.
Kauan sitten, Aurinkokunnan kohdalla oli vain tähtienvälistä kaasua ja kosminen kourallinen pölyhiukkasia.
Kertymäkiekot ovat litteitä muodostelmia, jotka koostuvat pääasiassa kaasusta. Samasta aineksesta, josta niitä vetovoimallaan paimentavat nuoret prototähdet ovat syntyneet. Maailmankaikkeuden yleisimmät alkuaineet ovat luonnollisesti hyvin edustettuina — kertymäkiekon massasta ylivoimainen valtaosa on molekulaarista vetyä ja heliumia. Mutta joukossa on aina epäpuhtauksia, ripaus tähtitieteilijöiden geneerisesti ”metalleiksi” kutsumia aineita. Se tarkoittaa kaikkia heliumia raskaampia aineita olivat ne sitten maanläheisemmässä kemiallisessa mielessä metallisia tai eivät.
Litteät kertymäkiekot saavat alkunsa yksinkertaisesta pyörimismäärän säilymislaista. Tähdet syntyvät massiivisista tähtienvälisen aineksen molekulaarisista pilvistä, joissa esiintyy pyörteitä ja kaoottista turbulenssia. Pilvet ovat dynaamisia, alati muuttuvia muodostelmia, joissa aineksen tiheys vaihtelee ulkoisten ja sisäisten voimien vaikutuksesta. Läheisten tähtien säteily ja hiukkastuuli työntää ja kuumentaa kaasua ja siihen muodostuu shokkirintamia supernovaräjähdysten seurauksena. Mutta pilvet ovat myös valtavan massiivisia ja niiden oma gravitaatio muokkaa niiden muotoa. Joskus pilven jokin osa saavuttaa kriittisen tiheyden ja alkaa kehityskulku, jota mikään ei voi enää estää: pilvi fragmentoituu ja romahtaa oman gravitaationsa vaikutuksesta tiivistymiskeskuksia kohti. Niistä jokaisesta muodostuu uusi tähti.
Kaasu tiivistyy ja putoaa kohti sen oman gravitaatiogradientin osoittamaa suuntaa, paikallista tiheyskeskittymää. Mutta kaikki aines ei liiku samalla tavalla. Osa kaasusta ja muusta aineksesta putoaa keskustan ohi ja jää sitä kiertävälle radalle. Kaasumolekyylit ja atomit törmäilevät keskenään kaoottisessa prosessissa mutta lopputulos on vääjäämätön. Osa kaasusta jää kiertämään samaan tasoon, joka määräytyy koko romahtavan kaasupilven keskimääräisen pyörimismäärän mukaisesti. Tiivistyessä minimaalisen pieni, satunnainen alkutilan pyöriminen voimistuu moninkertaiseksi ja syntyy vihnasti pyörivä prototähti, jonka ytimessä fuusioreaktiot käynnistyvät sen saavutettua kriittisen massan ja ytimen paineen ja lämpötilan.
Vaikka kaasu liikkuu aluksi satunnaisesti, kaasun kitka ja viskositeetti saa liikkeen vaimenemaan. Kertymäkiekon tasossa materia jää Keplerin lakien mukaisesti syntyneen prototähden kiertoradalle, valuen kitkan vuoksi hiljalleen prototähteen kasvattaen sen massaa. Kaikki kiekon tasoa vastaan oleva liike vaimenee ja kertymäkiekko litistyy, tiivistyy ja muotoutuu tähden päiväntasaajan tasoon. Fysiikan armottomat säilymislait johtavat automaattisesti litteän planeettakunnan esiasteen, kertymäkiekon syntyyn.
Ajatus tähtienvälisestä kaasusta syntyvistä tähdistä ja planeettakunnista esitettiin jo 1700-luvun puolessa välissä. Sitä hahmotteli ruotsalainen Emanuel Swedenborg ja sen puki tieteelliseksi hypoteesiksi saksalainen filosofi Immanuel Kant. Kant kuvasi miten tähtienvälisen kaasun pilvet pyörähtelevät hitaasti ja lopulta romahtavat gravitaationsa vaikutuksesta litteiksi kiekkomaisiksi rakennelmiksi, tähtien ja planeettojen syntysijoiksi.
Samaan lopputulokseen päätyi ilmeisen riippumattomasti myös kuuluisa ranskalainen matemaatikko Pierre-Simon Laplace, jonka nimi elää kaikkien yliopistolla matematiikkaa opiskelevien kurssimateriaaleissa Laplace-muunnoksissa ja Laplace-jakaumissa. Vaikka monet yksityiskohdat olivat ratkaisematta ja osa Kantin ja Laplacen ajatuksista oli vääriä, heidän esittämänsä planeettakuntien syntyprosessi on karkeasti ottaen paikkansapitävä. Kertymäkiekkojen muodostuminen on prosessissa oleellisessa osassa ja kiekot määrittävät planeettakuntien ratatason.
Kaasun joukossa olevilla metalleilla on ratkaiseva rooli. Ne muodostavat pölyhiukkasia, pikkuruisia planeettojen siemeniä.
Pölyn määrä vaikuttaa siihen, miten planeettojen synty etenee kertymäkiekon sisäosissa. Pöly koostuu vetyä ja heliumia raskaammista aineista, joten se asettuu kaasua tarkemmin kertymäkiekon tasoon. Silloin pölyhiukkaset alkavat törmäillessään takertumaan toisiinsa. Lähellä tähteä pölyhiukkaset koostuvat raskaimmista aineista, raudasta, nikkelistä ja muista metalleista — kaikki muut alkuaineet pysyvät kaasumaisessa muodossa tähden sytyttyä loistamaan ja kuumentaessa kiekon sisäosia säteilyllään. Hiukan kauempana myös silikaatit, eli piin ja hapen yhdisteet, joita kutsumme tutummin kiveksi, pysyvät kiinteinä ja kykenevät muodostamaan pölyhiukkasia.
Noin kolmen AU:n etäisyydellä auringonkaltaisesta tähdestä pölyhiukkasten määrä kokee dramaattisen muutoksen. Vesi, maailmankaikkeuden yleisin yhdiste, osallistuu pölyhiukkasten muodostumiseen, koska lämpötilat ovat riittävän matalia, jotta vesi ei höyrysty. Etäisyyttä kutsutaan osuvasti ”jäärajaksi”, koska sen ulkopuolella on ikuinen talvi ja vesi pysyy jäässä muodostaen Aurinkokunnastakin tuttuja komeettoja ja jäisiä asteroideja.
Pöly asettuu kiekon tasoon sen tarkemmin mitä suuremmista hiukkasista on kyse. Hiukkaset kuitenkin myös kasvavat — pölyhiukkaset takertuvat toisiinsa hanakasti kohdatessaan avaruudessa. Syntyy aina vain suurempia hitusia, murusia, murikoita ja lohkareita, kun aines kasautuu kertymäkiekon tasossa miljardeiksi pieniksi kappaleiksi. Hiukkasten kokojakauma litistyy ja levenee — pienimmät hiukkaset voivat vain kasvaa mutta vaikka suuremmat kappaleet saattavat myös pirstoutua ja hajota lukuisissa törmäyksissä, keskimäärin kappaleiden koko jatkaa kasvuaan. Prosessia ei pysäytä mikään, vaan aineksen kasautuminen jatkuu ja muodostuu protoplaneettoja, noin 1000-2000 km kokoluokan kappaleita, jotka muodostavat syntyneen planeettakunnan kiertolaisten siemenet.
Pölyn määrä pienenee tasaisesti siirryttäessä kauemmaksi prototähdestä. Suuremmissa tiheyksissä kertymäkiekon sisäosissa pölyhiukkasten kasautuminen voi olla nopeampaa mutta etäisyydellä on toinenkin vaikutus. Kauempana tähdestä pölyä mahtuu samalle kiertoradalle enemmän, koska kiertorata on pidempi. Näin suuremmaksi kasvaneet kappaleet voivat kerätä radallaan itseensä enemmän materiaa. Saavutettuaan protoplaneettojen kokoluokan, kappaleiden vetovoimat ryhtyvät häiritsemään sisemmillä ja ulommilla radoilla tähteä kiertävien toisten kappaleiden liikettä. Se taas saa aikaan väkivaltaisia kosmisia törmäyksiä ja kiihdyttää suurimpien kappaleiden kasvua. Protoplaneettojen kasvua rajoittaa vain niitä ympäröivän materian määrä.
Lopulta protoplaneettoja on joitakin satoja tai tuhansia. Niistä suurimmat jatkavat kasvuaan ja saavuttavat usean Maapallon massan. Erityisesti jäärajan takana hitaasti tähden ympäri kiertävä materia tiivistyy suuriksi ytimiksi, jotka ryhtyvät vetämään puoleensa kaasua harvenevasta kertymäkiekosta. Silloin jättiläiset saavat alkunsa.
Jättiläisplaneetat vuorovaikuttavat aktiivisesti kertymäkiekon kaasun kanssa. Tarkimmat infrapuna– ja millimetrialueen instrumentit, kuten Atacaman autiomaan ALMA-interferometri, ovat kuvanneet syntyvien planeettakuntien kertymäkiekkoja saaden tietoa niissä piilottelevista vastasyntyneistä jättiläisplaneetoista. Oikeastaan syntyviä planeettoja ei ole havaittu suoraan mutta niiden vuorovaikutuksesta kertymäkiekon kaasun ja pölyn kanssa on häkellyttävän selkeitä merkkejä (Kuva 2.).
Suuret protoplaneetat ovat kuin valtaisia kosmisia imureita. Ne vetävät puoleensa kertymäkiekon ainesta, joka kieppuu spiraaleina planeetan pinnalle kasvattaen sen massaa ja voimistaen sen vetovoimaa. Mutta kaasu vaikuttaa myös planeettojen ratoihin. Sen kitka saa niiden radat muuttumaan ja kasvavat jättiläisplaneetat voivat lipua hiljalleen lähemmäs tähteään. Niistä joidenkin radat muuttuvat dramaattisin seurauksin.
Jos kertymäkiekossa on tarpeeksi kaasua jättiläisplaneetan muodostuttua, kaasun kitkavoimat vähentävät planeetan liike-energiaa hidastamalla sen nopeutta, jolloin planeetta vajoaa syvemmälle tähden gravitaatiokentän potentiaalikaivoon. Planeetta siis siirtyy lähemmäksi tähteään ja vaikuttaa prosessissa kaikkien muidenkin planeettojen ja protoplaneettojen ratoihin. Aurinkokunnassa Jupiter ja Saturnus ovat lipuneet hiljalleen lähemmäksi Aurinkoa mutta niiden keskinäinen vuorovaikutus on todennäköisesti hidastanut liikettä ja saanut jättiläiset jäämään nykyisille radoilleen, kauas Aurinkokunnan sisäosista. Ilmeisesti Saturnus on isällisin ottein estänyt meitä päätymästä Jupiterin syömiksi. Se on ollut meidän onnemme.
Joissakin tapauksissa jättiläisplaneettojen muuttoliikkeen pysäyttää vasta kertymäkiekon sisäreuna ja ne päätyvät kiertämään tähtiään hyvin lyhyille kiertoradoille, joilla ne suorastaan viistävät tähden pintaa. Nämä kuumat Jupiterit kiertävät tähtensä vain muutamassa päivässä — vertailun vuoksi, Jupiter kiertää Auringon noin 11 vuodessa. Kuumia Jupitereja ei ole voinut olla omassa aurinkokunnassamme, koska silloin emme olisi täällä tekemässä tähtitieteellisiä havaintoja — koko planeettaamme ei olisi olemassa, koska muuttaessaan ohi kulkenut jättiläisplaneetta olisi häirinnyt Maan rataa tuhoisin seurauksin singoten sen ulos koko järjestelmästä tai maailmanloppua tarkoittavalle törmäyskurssille. Vaihtoehtoisesti, protoplaneetat, joiden törmäyksissä Maa on saanut alkunsa, olisivat tuhoutuneet ja koko planeettamme ei olisi edes syntynyt.
Koska kuumat jupiterit olisivat tuhonneet planeettamme Aurinkokunnassa, kukaan ei osannut olettaa sellaisia olevan edes olemassa. Kyse on heikon antrooppisen periaatteen versiosta. Voimme olla havaitsemassa universumin lainalaisuuksia vain, koska olosuhteet sattuivat olemaan sellaiset, että Maapallo on saanut kiertää stabiililla radallaan Aurinkoa mahdollistaen elämän kehityksen ja hominidi-suvun ihmisapinoiden kukoistuksen. Yleisemmin, on vaikeaa kuvitella olosuhteita, joissa ihmisiä ei olisi koskaan syntynyt, koska emme ole sellaisia voineet kokea.
Planeettakuntien kehitys ei lopu jättiläisplaneettojen syntyyn, vaan protoplaneetat jatkavat kasvuaan niin kauan kuin materiaa riittää niiden ratojen lähiympäristössä. Miljoonien vuosien kuluessa niiden vetovoimat vaikuttavat toistensa ratoihin ja viimeiset maailmoja tuhoavat törmäykset jättävät jälkeensä planeettakunnan, joka pysyy stabiilina ja jossa planeetat kiertävät tähteään rauhallisesti, erillisillä radoillaan ja häiritsemättä vakavasti toistensa liikettä. Planeettakunnat syntyvät kaaoksesta, väkivallasta ja fysikaalisista lainalaisuuksista. Mutta ne syntyvät aina kun tähdetkin saavat alkunsa, tähtien synnyn vääjäämättöminä sivutuotteina.
Olemme tähtienvälisen pölyn lapsia, tähtisumusta tehtyjä. Mutta mikään ei viittaa siihen, että olisimme siinäkään suhteessa erityisasemassa universumissamme ja galaksissamme.
Olemmeko löytäneet toisen Maapallon?
Tiedejournalismissa yksi artikkelien alalaji on säännölliset kirjoitukset siitä, kuinka tähtitieteilijät ovat löytäneet ”toisen Maan” — elinkelpoisen, lähes muuttovalmiin eksoplaneetan galaktisessa lähinaapurustossamme. Löytö kuvataan lähes poikkeuksetta ylisanoin, ja sitä hehkutetaan historiallisena tai sensaatiomaisena. Se kehystetään kuin olisi löydetty vieras sivilisaatio, josta vain ei ihan vielä ole havaittu merkejä.
Todellisuudessa on saatu tieteellistä todistusaineistoa jonkin lähitähteä kiertävän kappaleen olemassaolosta, jota voidaan kutsua planeetaksi, ja joka muistuttaa Maata jollakin mittarilla mitaten. Planeetta voi olla massaltaan samansuuruinen, halkaisijaltaan samankokoinen, kiertämässä auringonkaltaista tähteä, olla pinnaltaan kiviplaneetta kuten Maa tai vaikkapa omata samankaltaisen pintalämpötilan kuin kotiplaneettamme. Kaikilta ominaisuuksiltaan Maata muistuttavia planeettoja ei vielä tunneta mutta monilla on ainakin joitakin samankaltaisia piirteitä, joita nostaa esiin.
Planeetan maankaltaisuus jollakin yksittäisellä mittarilla ei tarkoita mitään, jos jokin toinen ominaisuus saa sen poikkeamaan Maasta radikaalisti. Meillä voi esimerkiksi olla Maan kokoinen silikaattivaipasta ja rauta-nikkeli ytimestä koostunut planeetta, jota siten voidaan pitää maankaltaisena maailmana. Tällaisia planeettoja on havaittu — useat eksoplaneetat ovat maankaltaisia koostumukseltaan — mutta tyypillisesti ne kiertävät tähtiään hyvin lähellä, jolloin niiden korkeat pintalämpötilat tekevät planeettojen pinnoista karuja, kuumia, elinkelvottomia voimakkaan säteilyn korventamia pätsejä. Sellaisilla planeetoilla ei tyypillisesti ole edes kaasukehää, koska valtavassa kuumuudessa pienten kiviplaneettojen kaasukehän molekyylit karkaavat avaruuteen hyvinkin nopeassa tahdissa. Kuumat kiviplaneetat, vaikka olisivatkin maankaltaisia massaltaan ja koostumukseltaan, eivät varsinaisesti ansaitse titteliä Maa 2.0.
Punaisten kääpiötähtien kiertoradoilla Maapallon kokoluokan kappaleet voivat ylläpitää elämän edellytyksiä lähellä tähteään. Tähtien ollessa auringonkaltaisia tähtiä himmeämpiä ja viileämpiä, Maan kokoiset planeetat eivät aina muutu edes niiden lähellä kuumiksi, elinkelvottomiksi karrelle palaneiksi kiviksi, vaan niiden pintalämpötilat voivat mahdollistaa nestemäisen veden olemassaolon. Jos ei ole liian kuumaa tai liian kylmää, sellaisten planeettojen pinnoilla voi olla valtameriä. Ne ovat kuitenkin hyvin erilaisia valtameriä kuin Maapallolla. Punaisten kääpiötähtien planeetat, joiden pinnalla voi olla nestemäistä vettä, kiertävät tavallisesti tähtiään niin lähellä, että tähtien valtaisat vuorovesivoimat saavat planeettojen pyörimiset lukkiutumaan niiden kiertoaikoihin. Silloin niiden toinen puolisko kylpee aina tähden valossa kun taas toinen on ikuisesti pimeä. Planeettoja kutsutaan ennustetun ulkonäkönsä vuoksi joskus ”silmäplaneetoiksi” (Kuva 1.). Ainuttakaan silmäplaneettaa ei ole vielä kuvattu suoraan, joten niiden ulkonäköä ei ole päästy tarkastelemaan lähemmin.
Silmäplaneetat voivat olla hyvinkin vetisiä valtameriplaneettoja. Niitä voi peittää toiselta puoliskoltaan meri, joka voi olla hyvinkin lämmin ja lauhkea olosuhteiltaan mutta sen virtaukset ovat varmasti voimakkaita lämmön pyrkiessä siirtymään planeetan kylmälle, pimeälle puolelle. Meri voi olla pinnaltaan pysyvästi jäätynyt reunoiltaan, joille saapuu säteilyä yhtä vähän kuin Maan napa-alueille. Pimeältä puoleltaan silmäplaneetat ovat ikijään peitossa. Lähin tunnettu silmäplaneetta saattaa olla Proxima b, koska sen pinnalla lämpötilat ovat sopivia nestemäisen veden esiintymiseen ja sen pyöriminen on lukkiutunut sen kiertoaikaan (1). On kuitenkin todennäköisempää, että Proxima b on säteilyn korventama karu kivikappale, jonka kaasukehä ja meret, jos niitä on ollut, ovat kiehuneet ja haihtuneet avaruuteen jo kauan sitten.
Jotkin planeetat ovat pintalämpötiloiltaan maankaltaisia mutta kooltaan suurempia supermaapalloiksi luokiteltuja kappaleita. Vaikka niiden kivisillä pinnoilla voisi olla sopivat, lauhkeat olosuhteet, niiden suurempi massa ja voimakkaampi vetovoimakenttä tekisivät niistä hyvin erilaisia maailmoja kuin oma kotiplaneettamme. Massiivisemmalla planeetalla on suuremman vetovoimansa vuoksi aina mahdollisuus ylläpitää paksumpaa kaasukehää, joten supermaapallojen pinnoilla kaasukehän paine saattaa olla satoja tai tuhansia kertoja kovempi kuin maapallolla. Ne voivat siksi kärsiä vielä Venustakin voimakkaammista kasvihuoneilmiöistä ja olla siksi polttavan kuumia painekattiloita pintaolosuhteiltaan.
Supermaapallon ollessa Maata viileämpi ja sopivalla etäisyydellä tähdestään, jotta planeetan pinnalle saapuva säteily on verrattaen heikkoa ja pitää sen kymmeniä asteita pakkasen puolella, sen kasvihuoneilmiö saattaa toimia elämän edellytykset mahdollistavana voimana. Tutkimusryhmäni raportoi sellaisesta planeetasta vuonna 2014 erään mielenkiintoisen lähitähden, Kapteynin tähden, kiertoradalla (2). Kapteynin tähti on kotoisin Linnnunrataan miljardeja vuosia sitten sitten sulautuneesta naapurigalaksista ja sen planeettoja voi siksi pitää maailmoina toisesta galaksista. Mutta toinen tähteä kiertävistä planeetoista, Kapteyn b, on tietyillä mittareilla hyvinkin maankaltainen.
Kapteyn b on luultavasti kiviplaneetta, joka on pinnaltaan jään peitossa sen pintalämpötilan ollessa kymmeniä asteita pakkasen puolella. Kapteynin tähti itse on punainen kääpiötähti mutta Kapteyn b kiertää sitä riittävän kaukana, jotta sen pyöriminen ei luultavasti ole lukkiutunut sen kiertoaikaan, joka on noin 50 päivää. Kyseessä ei siis voi olla erikoislaatuinen silmäplaneetta. Kapteyn b on myös Maata ainakin noin viisi kertaa massiivisempi ja siten vähintään 60% suurikokoisempi halkaisijaltaan. Se on siis todennäköisesti viileä supermaapallo, jonka kaasukehän kasvihuoneilmiö voi hyvinkin lämmittää sopivaksi nestemäisen veden esiintymiselle. Raportoituamme sen löydön tiedejournalistit eivät voineet pidätellä riemuaan ja kirjoittivat mitä spekulatiivisempia otsikoita elävästä planeetasta, Maa 2.0:sta ja jopa teknisistä sivilisaatioista.
Pisimmälle spekulaatioissaan meni britannialainen Channel 4, joka otti käyttöön kysymysotsikon ”Kuinka lähellä olemme maanulkopuolisen elämän löytämistä?” (Kuva 1.). Kyseessä on tyypillinen journalistinen tapa raportoida täysin spekulatiivisia ajatuksia ja vedota sitten jatkossa siihen, että kyseessä oli vain kysymys eikä huonoa, valheellista journalismia. Betteridgen laki sanoo, että vastaus spekulatiivisiin kysymyksiin on aina ”ei” — tässä tapauksessa voidaan todeta, että emme ole todellakaan kovinkaan lähellä maanulkoisen elämän löytämistä. Sellaiset otsikot kuitenkin kalastavat runsaasti klikkauksia, mikä on absurdisti yksi nykyajan tärkeimmistä journalismin laatukriteereistä.
Asiaan kuuluu tietenkin myös yhtä absurdi kuvitus. Aivan kuin visuaalinen spekulaatio siitä, miltä Kapteyn b:n pinnalla kehittyneen teknisen sivilisaation rakennelmat voisivat yksittäisen taiteilijan mielestä näyttää tekisivät planeetasta mielenkiintoisemman. Tieteiskirjallisuus on mielenkiintoista, kuten vaikkapa Kapteynin tähden planeettakuntaan sijoittuva Alastair Reynoldsin lyhytnovelli ”Sad Kapteyn” osoittaa, mutta tiedettä se ei ole.
Kapteynin tähti on vanha. Sen arviolta 11 miljardin vuoden ikä tarkoittaa sitä, että Kapteynin tähden planeetat ovat universumin vanhimpien planeettojen joukossa. Elämällä on siis ollut runsaasti aikaa kehittyä ja monimuotoistua planeetan pinnalla, jos olosuhteet ovat mahdollistanet sen synnyn. Mutta tähtitieteilijät eivät keskity spekulointiin siitä, miltä Kapteyn b:n täysin hypoteettisen sivilisaation täysin hypoteettiset rakennelmat näyttävät, vaan suunnittelevat järjestelmän planeettojen kaasukehien havainnointia. Karu todellisuus on se, että emme tiedä onko Kapteyn b edes millään kriteerillä elinkelpoinen. Emme tiedä onko sillä kaasukehää, onko sen pinnalla nestemäistä vettä tai edes sitä onko sillä kiinteää pintaa vai onko kyseessä paksun kaasuvaipan omaava minineptunus. Lisäksi, kyseessä on vain planeettakandidaatti, koska sen olemassaololle ei ole saatu riippumatonta varmistusta.
Tähdet ja Avaruuskin uutisoi hiljattain, miten ”Läheisesti Aurinkoa muistuttavan tähden ympäriltä löytyi elämänvyöhykkeen planeetta”. Kiinnostava analyysi Kepler-avaruusteleskoopin noin 3000 valovuoden päästä havaitsemasta Kepler-160 planeettakunnasta paljasti yhden järjestelmän kiertolaisista olevan maankaltainen pintalämpötilaltaan (3). Lisäksi itse tähti on auringonkaltainen keltainen kääpiötähti, joka on kirkkaudeltaan, kooltaan ja spektriluokaltaan suunnilleen kuin Aurinko. On kuitenkin syytä tarkastella planeetan ominaisuuksia hiukan tarkemmin ennen kuin ryhdymme käyttämään siitä termiä Maa 2.0.
Kepler 160 d kiertää suunnilleen auringonkaltaisen tähtensä noin 380 päivässä. Tähdestä saapuva säteily lämmittää sen pinnan laskennallisesti noin -28 celsiusasteeseen (epävarmuudet tosin ovat kymmeniä asteita) — Maapallon vastaava laskennallinen lämpötila on noin -18 celsiusastetta. Vaikka nämä lämpötilat ovat pakkasen puolella, Maan todellinen pintalämpötila on noin 16 °C, koska ilmakehän kasvihuoneilmiö pitää planeettamme mukavasti teoreettista arvoa lämpimämpänä. Kepler 160 d:n tapauksessa sama efekti voisi tehdä sen pinnasta sopivan nestemäisen veden esiintymiselle. Puutteellisten tietojemme vuoksi emme kuitenkaan kykene arvioimaan kovinkaan tarkasti planeetan todellista lämpötilaa.
Mutta Kepler 160 d on Maata suurempi. Ylikulkuhavainnoista on paljastunut, että planeetta on halkaisijaltaan noin 90% Maata kookkaampi — jos sen koostumus siis olisi sama kuin Maapallolla, sen massa olisi noin seitsemänkertainen Maan massaan verrattuna. Sellaisen planeetan kaasukehä on luultavasti huomattavasti Maan ohutta ilmakehää paksumpi ja ilman tietoa sen koostumuksesta, voimme vain arvailla miltä planeetan pinnalla edes näyttää tai minkälaiset fysikaaliset olosuhteet pinnalla vallitsevat. Voidaan kuitenkin pitää todennäköisenä, että jos planeetan kaasukehällä on tyypillinen primitiivinen koostumus, ja se on valtaosaltaan hiilidioksidia kuten Marsin ja Venuksen kaasukehät, Kepler 160 d on voimakkaasta kasvihuoneilmiöstä kärsivä kappale, jonka pinnalla vallitseva valtaisa paine ja korkeat lämpötilat tekevät siitä elämälle hyvinkin vihamielisen paikan.
Tähden Kepler 160 planeettakunta ei juurikaan muistuta Aurinkokuntaa. Järjestelmän sisemmät planeetat ovat suuria, toinen on kuuma, karrelle palanut supermaapallo ja toinen kuuma minineptunus. Niiden molempien radat sijoittuisivat omassa aurinkokunnassamme Merkuriuksen kiertoradan sisäpuolelle. Vaikka sellaisia planeettoja ei ole Aurinkokunnassa, kuumat kiviplaneetat ovat yleisimpiä planeettoja lähitähtien kiertoradoilla ja kuumia minineptunuksiakin on havaittu useita. Siksi on mielenkiintoista nähdä, että maailmankaikkeuden tyypillisimmissä planeettajärjestelmissä voi esiintyä kiviplaneettoja samankaltaisilla kiertoradoilla kuin Maa.
Järjestelmän ulommista planeetoista taas ei ole tietoa. Emme tiedä onko sen ulko-osissa Jupiterin tai Saturnuksen kaltaisia jättiläisplaneettoja, jotka olisivat vetovoimallaan siivonneet järjestelmän komeetoista ja asteroideista, kuten Aurinkokunnassa. Jättiläismäisten ulkoplaneettojen puute voi tarkoittaa sitä, että elämän esiintyminen ei ole mahdollista Kepler 160 d:n pinnalla, koska valtaisat komeettojen tai asteroidien törmäykset steriloivat planeetan pinnan säännöllisin väliajoin, muuttaen sen sulaksi kiviainekseksi ja estäen tehokkaasti elämän kehittymisen.
Onko maailmankaikkeudessa maankaltaisia planeettoja? Lähes jokainen tähtitieteilijä vastaisi, että todennäköisesti on ja niitä arvioidaan olevan jo omassa galaksissamme miljardeja. Emme vain ole toistaiseksi havainneet ainuttakaan, vaan kaikki tunnetut joiltakin ominaisuuksiltaan Maata muistuttavat planeetat myös poikkeavat Maasta joiltakin oleellisilta piirteiltään.
Etsintämme on kuitenkin vasta alussa. Olemme kyenneet havaitsemaan toisia tähtiä kiertäviä planeettoja vasta 25 vuoden ajan. Pidän varmana, että seuraavat 25 vuotta tuovat mukanaan löydön, planeetan, joka sijaitsee elinkelpoisella vyöhykkeellä ja josta voimme perustellusti kirjoittaa raportteja käyttäen termiä ”Maa 2.0”.
Lähteet
- Anglada-Escude et al. 2016. A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri. Nature, 536, 437.
- Anglada-Escude et al. 2014. Two planets around Kapteyn’s star: a cold and a temperate super-Earth orbiting the nearest halo red dwarf. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 443, L89.
- Heller et al. 2020. Transit least-squares survey. III. A 1.9 R⊕ transit candidate in the habitable zone of Kepler-160 and a nontransiting planet characterized by transit-timing variations. Astronomy and Astrophysics, 638, A10.
Jättiläisten harteilla
Kertomukset on hyvä aloittaa alusta. Aivan alusta.
Luin vuonna 1996 artikkelin juuri löydetyistä uusista planeetoista. Siinä kerrottiin yksityiskohtaisesti, miten sveitsiläiset ja yhdysvaltalaiset tutkijat olivat kyenneet tekemään vuosikymmenten haaveesta totta. He olivat havainneet luotettavia merkkejä planeetoista kiertämässä toisia aurinkoja, galaktisen lähinaapuruston muita auringonkaltaisia tähtiä.
Ensimmäiset havainnot eksoplaneetoista edustivat tieteellistä vallankumousta. Ne merkitsivät samankaltaista paradigman muutosta kuin kopernikaaninen vallankumous, jossa koko kosmologinen näkökulma muuttui ja todettiin Maan olevan vain yksi planeetta muiden joukossa Aurinkoa kiertävällä radalla. Tai se Alfred Russell Wallacen ja Charles Darwinin työhön perustuva havainto, että ihminen on vain yksi evoluutiohistorian saatossa kehittyneistä miljoonista Maapallon lajeista.
Maa ei ole erityisasemassa muutoin kuin siitä subjektiivisesta näkökulmasta, että se on kehtomme ja kotimme. Aurinkokunta on vain yksi monista planeettakunnista galaksissamme, joka on puolestaan vain yksi monista näkyvän maailmankaikkeuden tähtijärjestelmistä. Emme ole millään periaatteellisella tavalla erityisasemassa maailmankaikkeudessamme, galaksissamme tai aurinkokunnassamme. Se oli ensimmäisten eksoplaneettahavaintojen oleellinen tulos — bonuksena löydettiin uusia mielenkiintoisia kohteita, joiden havainnointi on opettanut runsaasti uutta maailmankaikkeuden toiminnasta, monimuotoisuudesta, historiasta ja kehityksestä, sekä omasta paikastamme siinä.
Kiinnostukseni heräsi. Alitajuisesti aavistin, että halusin astua jonakin päivänä näiden suurten tähtitieteilijöiden, ”planeettojen metsästäjien”, valtaviin saappaisiin. Halusin olla löytämässä uusia maailmoja, elää modernin ajan löytöretkeilijänä jossakin jännittävän tieteiskirjallisuuden ja huipputieteen rajapinnalla. Halusin kiivetä aina vain ylemmäs, sinne, mistä näkee kauemmaksi.
En koskaan kehdannut mainita alitajuista aavistustani edes itselleni. Miten yksi keskinkertaisesti koulussa menestyvä pohjoisen periferian lapsi voisi saavuttaa mitään suurta tai tehdä mitään jännittävää? En osannut haaveilla. En osannut asettaa itselleni tavoitteita. Niinpä päädyin vain kulkemaan sinne, minne mielenkiinto johdatti, yksi kirja ja artikkeli kerrallaan. Kiipesin historian suurten tutkijoiden tukeville hartioille, kohti tunnetun tieteen ja tuntemattoman rajaseutua. Kurkistin lopulta sinne, minne kukaan ei ollut vielä nähnyt.
Ajatus planeetoista kiertämässä lähitähtiä ei ole uusi. Taivaan tähtien katsottiin voivan olla toisia aurinkoja jo 1500-luvulla kopernikaanisen vallankumouksen mukanaan tuoman paradigman muutoksen pyörteissä. Jos Maa on vain yksi planeetoista kiertämässä Aurinkoa, miksei tähtitaivaan muidenkin aurinkojen kiertoradoilla olisi planeettoja? Niiden havainnointi ajateltiin kuitenkin mahdottomaksi. Verrattaen himmeän, pikkuruisen planeetan havaitseminen kirkkaasti loistavan, valtaisan tähden vieresssä vaikutti teknisesti saavuttamattomalta — kuin koetettaisiin nähdä pienen kiiltomadon valonkajetta järven vastarannalla sijaitsevan, aivan ilmiliekeissä palavan talon vieressä.
Planeetat kuitenkin paljastavat olemassaolonsa monella tapaa. Tähtitieteilijöillä oli käytössään muuttumattomat fysiikan lait ja alati paraneva teknologia. He keksivät useita menetelmiä eksoplaneettojen havainnoimiseksi.
Barnardin tähden valssi
Isaac Newtonin jo 1600-luvulla muotoilema teoria gravitaatiovoiman vaikutuksesta tarjoaa tavan havaita planeettoja näkemättä niiden loistetta valokuvissa. Tarvitsee vain tarkkailla tähtien liikettä taivaalla, ja etsiä niistä jaksollisia poikkeamia perustuen siihen, että tähdet kiertävät avaruudessa liikkuessaan itsensä ja jonkin toisen kappaleen yhteisen massakeskipisteen ympäri. Jos kumppanina on planeetta, tähti ei heilahtele paljon mutta sen liikkeessä voi silti havaita kumppanin vetovoiman aiheuttamia vaikutuksia. Aivan kuin tähdet tanssisivat valssia kosmisen musiikin säestämänä, näkymättömän partnerin ohjatessa niiden liikettä.
Peter van de Kamp tiesi, että planeetan aiheuttaman heilahtelun voisi havaita helpoiten, jos kohteena oli mahdollisimman lähellä Aurinkoa sijaitseva lähitähti. Kohteeksi oli helppoa valita yksi lähinaapureista, vuonna 1916 löydetty pieni punainen kääpiötähti, Barnardin tähti — lähempänä sijaitsee vain alpha Kentaurin kolmoistähti. Heilahtelun suuruudesta voisi laskea planeetan massan — heilahtelun jakso taas vastaisi suoraan planeetan vuoden pituutta. Oli vain havaittava tarkasti tähden liikkeen poikkeamia sen luotisuorasta ominaisliikkeestä, joka Barnardin tähdellä on tunnetuista tähdistä kaikkein suurinta.
Vuosikymmeniä kestäneen havaintokampanjan päätteeksi van de Kamp teki 1960-luvulla havainnon planeetasta — tai niin hän ainakin havaintonsa tulkitsi. Havaintojen variaatiot oli mallinnettavissa yhden (1,2) tai kahden (3) planeetan aiheuttamina mutta ongelmana olivat vaikeudet saavuttaa riittävä tarkkuus. Tarkkuutta koetettiin parantaa ottamalla joka vuosi sadan valokuvauslevyn tulosten keskiarvo sekä laittamalla usea kollega ja opiskelija mittaamaan tähden paikka suhteessa taustataivaan kohteisiin jokaiselta levyltä inhimillisen virheen minimoimiseksi. Sekään vain ei riittänyt. Kävi ilmi, että useat tähdet näyttivät liikkuvan van de Kampin valokuvissa samalla tavalla. Kyse ei siis voinut olla planeetoista, vaan kiusallisista teleskoopin ja muun laitteiston muutoksista, joita ei oltu otettu huomioon.
Barnardin tähden tanssia valokuvauslevyillä ei aiheuttanut planeetta tai kaksi tähden kiertoradalla huolimatta van de Kampin tulkinnasta (Kuva 1.). Barnardin tähti ei kuitenkaan ole yksin. Sen kiertolaiset vain eivät ole rittävän massiivisia, jotta van de Kamp olisi voinut havaita niistä merkkejä.
Kuva 1. Barnardin tähden liikettä taivaalla kuvaavat havainnot vuodelta 1969. Havaintojen vaihtelut on mallinnettu yhden tähteä kiertävän planeetan vetovoimavaikutuksella. Kuva: P. van de Kamp. 
Kuva 2. Barnardin tähden liike mallinnettuna kahden tähteä kiertävän planeetan vetovoimavaikutuksella. Kuva: P. van de Kamp.
Peter van de Kamp etsi planeetan aiheuttamaa signaalia, näki signaalin, ja päätteli sen olevan todiste planeetan olemassaolosta. Kyseessä oli tavanomainen virhetulkinta, jollaisille kaikki tutkijat ovat aina alttiita, elleivät ole varovaisia. Vahvistusharha hoitaa lopun.
1980-luvulla moni oli kuitenkin ryhtynyt aavistelemaan, että ehkäpä eksoplaneettojen havainnointi ei olisikaan täysin mahdoton saavutus. Se saattaisi olla jopa seuraavan sukupolven tähtitieteilijöiden toteutettavissa. Van de Kampin virhe Barnardin tähden kanssa kuitenkin kasvatti tutkijoiden kynnystä ryhtyä epätodennäköiseen eksoplaneettojen etsintään. Juuri kukaan ei halunnut ottaa pienintäkään riskiä siitä, että tulisi muistetuksi vain tekemästään virheestä.
Planeettalöytöjen pioneerit
Vuonna 1988 yhdysvaltalainen Bruce Campbellin johtama tutkimusryhmä julkaisi tuloksensa, joiden mukaan eräs lähitähti, gamma Cephei A, liikkui avaruudessa aavistuksen heilahdellen (4). He olivat mitanneet tähden lähettämän valon sini- ja punasiirtymiä, keräten informaatiota nopeuden muutoksista meitä kohti ja meistä poispäin. Kyseistä Doppler spektroskopiaksi kutsuttua menetelmää oli käytetty ansiokkaasti kaksoistähtien ratojen määrittämiseen. Menetelmä oli nerokas, koska sen soveltamiseen tarvittiin vain riittävän kirkas tähti, josta oli tehtävä spektrimittauksia. Planeettojen etsintä tuli mahdolliseksi muutaman lähitähden sijaan tuhansien riittävän kirkkaiden tähtien ympäriltä.
Doppler spektroskopiassa mitataan tarkalleen ottaen tähden säteilyspektrin absorptioviivojen (Kuva 3.) paikkojen muutosta. Jos ne heiluvat syklisesti punaiseen ja siniseen päin, on tavallisesti kyse näkösäteen suunnassa heilahtelevan tähden valon Doppler-siirtymästä. Se taas aiheutuu tähden tanssista planeetan vetovoiman vaikutuksesta. Voidaan sanoa, että menetelmällä havaitaan planeettoja tarkkailemalla pienenpieniä tähden värin muutoksia.
Gamma Cephein kaksoistähden A-komponentti käyttäytyi kuin sitä kiertäisi planeetta. Tutkijat olivat kuitenkin julkaisussaan varovaisia ja totesivat vain saaneensa ”luotettavaa todistusaineistoa pienimassaisesta kappaleesta”. Pienimassainen tarkoitti massaltaan vajaan kahden Jupiterin kokoista kiertolaista vajaan kolmen vuoden kiertoradalla. Campbell ryhmineen oli varovainen ja tiedosti virhehavainnon mahdollisuuden olevan valtava. Kollegoiden paineen vuoksi ryhmä vältti sanomasta suoraan, että gamma Cephei A:ta kiersi planeetta ja Campbell itse vaihtoi alaa ryhtyen verokonsultiksi — hän ilmeisesti kyllästyi ainaisiin vaikeuksiin saada työpaikkaa tai edes rahoitusta akateemisessa maailmasta.
Vuonna 2002 Campbellin löytö varmistui. Tähteä gamma Cephei A tosiaan kiertää jättiläisplaneetta (5). Campbell vain ei saanut kunniaa ensimmäisen eksoplaneetan löytäjänä, koska hänen kollegansa eivät uskoneet tulokseen. Luultavasti myös van de Kampin virhetulkintojen eksoplaneettojen etsinnän ylle langettama varjo esti häntä tuomasta löytöään esille sen ansaitsemalla tarmokkuudella.
Samoihin aikoihin toinenkin yhdysvaltalaisryhmä työskenteli oman spektrografinsa parissa, havaiten omia kohteitaan.
David Lathamin johtama joukko tähtitieteilijöitä ei ollut epävarma julkistaessaan löytönsä. He kertoivat havainneensa luettelokoodilla HD 114762 tunnettua tähteä kiertävän kappaleen, jonka olemassaolon paljasti vain sen vetovoima (6). Tähti heilui selvästi mutta näkymätön kappale oli sekin moninkertaisesti Jupiteria massiivisempi. Sen minimimassaksi saatiin arvioitua peräti 11 Jupiterin massaa, mikä sai tutkijat pohtimaan tosissaan miten he voisivat kuvailla kohteen luonnetta. HD 114762 b osoittautui niin massiiviseksi, että se saattoi kyetä fuusioimaan vedyn raskaampaa isotooppia deuteriumia heliumiksi ytimessään. Sellainen kappale olisi ruskeaksi kääpiöksi luokiteltava tähtien ja planeettojen välimuoto, ei planeetta.
Julkaisemassaan artikkelissa Lathamin tutkijaryhmä joutui hyväksymään tosiasiat. He olivat tosiaan löytäneet erittäin mielenkiintoisen tähtiin verrattuna pienimassaisen kappaleen mutta sen luokittelulle planeetaksi ei ollut tarpeeksi vahvoja perusteita. Ryhmä totesi, että ”kyseessä on todennäköisesti ruskea kääpiö tai jopa jättiläisplaneetta”, painottaen kohteen luokittelun planeetaksi olevan perusteetonta. Siksi sitä ei myöskään pidetty ensimmäisenä eksoplaneettalöytönä.
On puhdasta kohtalon ivaa, että nykyisellään HD 114762 b luokitellaan eksoplaneetaksi likimain jokaisessa eksoplaneettojen luettelossa.
Eksoplaneettojen aika
Uudet tieteenalat voivat alkaa hyvinkin nopeasti. Yksittäinen löytö voi paljastaa uuden eksoottisten tutkimuskohteiden luokan, jonka ympärille muotoutuu oma tutkimussuuntauksensa vuosien saaatossa.
Eksoplaneettojen suhteen niin kävi parissa viikossa. Ensin ei tunnettu — Campbellin, Lathamin ja kumppaneiden tuloksista huolimatta — ainuttakaan auringonkaltaista tähteä kiertävää eksoplaneettaa. Seuraavassa hetkessä niitä tunnettiin jo kourallinen ja kokonainen tutkijoiden armeija käänsi katseensa eksoplaneettojen metsästykseen.
Mutta sitä ennen, vuonna 1992 Aleksander Wolszczan ja Dale Frail raportoivat ensimmäisestä luotettavasta eksoplaneettalöydöstä. Löytö oli täysin odottamaton, fantastisen kummallinen planeettakunta kuolleen tähden jäänteen, neutronitähden PSR1257+12 ympärillä. Planeetat ovat ilmeisesti muodostuneet valtaisan supernovaräjähdyksen jäljiltä kiertoradalle jääneestä materiasta. Yksikään tähtitieteilijä ei ollut tullut ajatelleeksi, että vinhasti pyörivän, säteilyllään lähiympäristönsä steriloivan tähden jäänteen kiertoradoilla voisi olla planeettoja. Joskus maailmankaikkeus vain on erikoisempi kuin kukaan on edes osannut kuvitella.
Ensimmäinen auringonkaltaista tähteä kiertävä planeetta löytyi vuonna 1995 (7). Tähden 51 Pegasi kiertoradalta havaittiin kuuma jättiläisplaneetta 51 Pegasi b, joka myöhemmin sai nimen Dimidium. Löydön tehneet sveitsiläisastronomit Michel Mayor ja Didier Queloz palkittiin vuoden 2019 fysiikan Nobelin palkinnolla. Kun yhdysvaltalaiset Paul Butler ja Geoffrey Marcy julkaisivat omat tuloksensa vain kahta viikkoa myöhemmin, he eivät vain varmistaneet 51 Pegasi b:n olemassaoloa, vaan raportoivat samalla kahdesta muustakin eksoplaneetasta.
Butler ja Marcy eivät olleet ajatelleet, että jättiläismäiset kaasuplaneetat voisivat kiertää tähtiään lähellä, niiden pintaa viistäen. Siksi he eivät olleet osanneet etsiä Merkuriusta nopeammin tähtensä kiertäviä planeettoja, vaan vasta hioivat menetelmiään ja tekivät havaintoja koettaessaan nähdä jupiterinkaltaisia planeettoja lähitähtien kiertolaisina. He riensivät analysoimaan mittauksiaan välittömästi kuultuaan Mayorin ja Quelozin löydöstä ja onnistuivat varmistamaan sen ennätysnopeasti. Samalla he muuttivat eksoplaneettojen etsinnän muutaman optimistisen tutkijan haihattelusta varteenotettavaksi tähtitieteen haaraksi, koska yhden yksittäisen löydön voi aina kyseenalaistaa hatarinkin perustein mutta kolmen havaintovirheen esittäminen ei ole mahdollista edes ankarimmalle epäilijälle.
Eksoplaneettojen aika oli alkanut.
Tunnemme tuhansia planeettoja lähitähtien kiertolaisina. Mutta eksoplaneettojen aika ei ole tulossa päätökseen, siinä vain alkaa uusi vaihe. Tavoitteena ei ole enää vain planeettalöytöjen tekeminen, vaan niiden ominaisuuksien ja pintojen olosuhteiden määrittäminen. Eksoplaneettatutkimus on modernia löytöretkeilyä, jossa emme löydä ja tutki vain uusia maita, vaan kokonaisia uusia maailmoja.
Minulla on ollut kunnia olla mukana etsimässä ja löytämässä kymmeniä eksoplaneettoja. Se on ollut mahdollista vain, koska sinnikkäämmät tutkijat ovat periksiantamattomasti kehittäneet havaintomenetelmiä, keränneet havaintoja ja etsineet eksoplaneettoja vuosien ja vuosikymmenten ajan.
Olen löytänyt uusia maailmoja. Mutta vaikka olen hetken verran, pienen vilauksen ajan nähnyt kauemmaksi, se on ollut mahdollista vain, koska olen seissyt jättiläisten harteilla.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lähteet
- van de Kamp 1963. Astrometric study of Barnard’s star from plates taken with the 24-inch Sproup refractor. The Astronomical Journal, 68, 515.
- van de Kamp 1969. Parallax, proper motion, acceleration and orbital motion of Barnard’s star. The Astronomical Journal, 74, 238.
- van de Kamp 1969. Alternate dynamical analysis of Barnard’s star. The Astronomical Journal, 74, 757.
- Campbell et al. 1988. A search for substellar companions to Solar-type stars. The Astrophysical Journal, 331, 902.
- Hatzes et al. 2003. A planetary companion to gamma Cephei A. The Astrophysical Journal, 599, 1383.
- Latham et al. 1989. The unseen companion of HD 114762: a probable brown dwarf. Nature, 339, 38.
- Mayor et al. 1995. Jupiter-mass companion to a solar-type star. Nature, 378, 355.
Pseudotieteellinen roska ja 36 teknistä sivilisaatiota
Linnunradassa on ainakin yksi tekninen sivilisaatio. Siinä on kirjaimellisesti kaikki, minkä tiedämme tai edes voimme tietää teknisten sivilisaatioiden esiintymisestä omassa galaksissamme. Syy tähän radikaalilta tuntuvaan rajoitteeseen on yksinkertainen. Tunnemme vain yhden esimerkin teknisestä sivilisaatiosta — ihmiskunnan. Ja sekin on ajamassa itseään tuhoon hyvinkin nopealla aikataululla.
Tiedon puutteemme ei kuitenkaan rajoitu siihen. Emme tiedä kuinka yleistä elämä on galaksissamme. Emme tiedä millä todennäköisyydellä elämää syntyy. Emme tiedä millä todennäköisyydellä kehittyy monisoluisia muotoja. Emme tiedä kuinka todennäköisesti elämä ryhtyy käyttämään reaktiivista happea aineenvaihdunnassaan ja muodostamaan pitkiä ravintoketjuja. Emme tiedä kuinka todennäköisesti biodiversiteetti kasvaa yhtä suureksi kuin Maapallolla ja mahdollistaa älykkyyden kasvun evolutiivisesti hyödyllisenä sopeumana. Emme tiedä kuinka helposti älykkäät lajit tuottavat kirjallisuutta, löytävät tieteellisiä totuuksia ja muodostavat teknisiä sivilisaatioita. Emme tiedä.
Kaikesta huolimatta monet tutkijat ovat koettaneet arvioida teknisten sivilisaatioiden määrää galaksissamme ja koko maailmankaikkeudessa.
Kaiken pahan alku ja juuri on Frank Draken yhtälö (Kuva 1.), jonka Drake muotoili hahmotellessaan teknisten sivilisaatioiden lähettämien radiosignaalien etsinnän haasteisiin keskittynyeen konferenssin ohjelmaa. Yhtälön piti olla vain hahmotelma — jos on monta peräkkäistä tapahtumaa, jotka kaikki tapahtuvat jollakin todennäköisyydellä, niiden kaikkien tapahtumisen todennäköisyyden saa selville yksinkertaisella todennäköisyyksien kertolaskulla. Vastaavasti, jos yksikin kertolaskun tekijöistä on tuntematon ja emme osaa arvioida sen suuruutta millään tavalla, koko laskun lopputuloskin on pelkkää arvailua.
Periaatteessa voimme selvittää kuinka monella tähdellä on planeettoja kiertolaisinaan, kuinka moni planeetoista on elinkelpoisia, kuinka monelle näistä planeetoista syntyy elämää, kuinka monella elävällä planeetalla syntyy älykäs laji ja kuinka moni älykäs laji rakentaa teknisen sivilisaation. Tähtitieteellisen osuuden tiedämmekin suhteelisen tarkkaan — planeettoja kiertää käytännössä jokaista tähteä ja 5-50 prosentilla tähdistä, riippuen niiden kirkkausluokasta, on kiertolaisenaan potentiaalisesti elinkelpoinen kiviplaneetta. Loppu on täysin hämärän peitossa, vaikka monet tutkijat ovatkin koettaneet esittää laskelmiaan asian tiimoilta.
Uusin yritys, josta on uutisoitu laajalti maailmalla ja Suomessa, saa aikaiseksi lähinnä hämmentyneen epäuskoista virnuilua ja silmien pyörittelyä. Se on lyhyesti sanottuna pseudotieteellistä roskaa, vaikka jutun kirjoittajat ovatkin saaneet tuotettua jonkinlaisen numeerisen tuloksen. Heidän mukaansa linnunradassa on 36 sivilisaatiota (1) — virhemarginaalit huomioiden sivilisaatioita on jotakin välillä 4-211. Kyllähän maailmaan numeroita mahtuu mutta onko tässä laskelmassa mitään perää?
Tutkimuksen tekijät kertovat tieteen käytäntöjen mukaisesti oletukset, joihin heidän saamansa tulos perustuu. Ensimmäisenä he kertovat, että ”Oletukset perustuvat siihen yhteen esimerkkiin, jossa älykkään, kommunikointiin kykenevän elämän tiedetään syntyneen — omaan planeettaamme.” Mitä siis voimme sanoa älykkään elämän esiintymisestä linnunradassa perustuen yhteen esimerkkiin sen esiintymisestä? Emme mitään, koska yhdestä esimerkistä ei voida laskea todennäköisyyksiä.
Yksi tutkijoiden oletuksista on, että elämällä kestää vähintään noin 5 miljardia vuotta synnyttää tekninen sivilisaatio. Se oletus voi olla totta tai sitten ei. Maapallolla asiassa kesti suunnilleen sen verran mutta se ei kerro mitään siitä, kuinka kauan asiassa kestäisi muilla planeetoilla. Oletus, johon laskelman lukuarvo ”36” perustuu, sanoo, että tekninen sivilisaatio kehittyy planeetan pinnalle välillä 4.5-5.5 miljardia vuotta, mille ei ole minkäänlaisia perusteita, koska Maa on vain yksi esimerkki, jossa niin sattui käymään. Samoin, tutkijat olettavat, että yksi tekninen sivilisaatio pysyy hengissä noin 100 vuotta — suunnilleen sen ajan viestintätekniikka, kuten radio, on ollut olemassa Maapallolla.
Tutkijat kertovat kuvaavia yksityiskohtia: ”Oletimme, että älykäs elämä muodostuisi muilla maankaltaisilla planeetoilla kuten se on muodostunut Maapallolla, joten muutamassa miljardissa vuodessa sellaista muodostuisi automaattisesti evoluution tuloksena.”
Oletuksena siis on, että älykästä elämää syntyisi automaattisesti, joka kerralla, vääjäämättä, ilman poikkeuksia. Kyseessä on valtavan radikaali, joskin yksinkertaistava, oletus, joka samalla paisuttaa lopputulokseksi saatuja numeroita hurjalla tavalla. Jo maapallon käyttäminen esimerkkinä paljastaa laskelman ongelman. Maapallolla elämää esiintyi yli kolme miljardia vuotta yksisoluisessa muodossa. Siinä ei ole mitään automaattista, että bakteerisolu sopeutui elämään arkeonisolun sisällä muotoutuen lopulta mitokondrioksi ja mahdollistaen monisoluisen elämän, korkeamman energiatehokkuuden ja pitkät ravintoketjut. Elämää esiintyi pitkään vain yksisoluisessa muodossa aivan stabiilisti eikä ole mitään syytä olettaa, että monisoluisen elämän kehittyminen olisi jotenkin vääjäämätöntä. Sama pätee moneen evoluution innovaatioon, joiden kehittyminen on ollut sidoksissa Maapallon kokemiin geokemiallisiin, kosmisiin ja muihin sykleihin, sattumuksiin ja mullistuksiin.
Tutkijoiden esiintyminen menee tämän jälkeen omituiseksi pseudotieteelliseksi horinaksi. ”Jos älykäs elämä syntyy tieteellisellä tavalla, ei vain satunnaisella tai hyvin uniikilla tavalla, voidaan odottaa ainakin näin ja näin monen teknisen sivilisaation syntyvän galaksissamme.”
En edes koeta ymmärtää mitä tämä tekstisalaatti tarkoittaa (suomennokseni ei ainakaan paranna asiaa). Elämän synnyssä on varmasti niin satunnaisia elementtejä kuin uniikkeja tapahtumiakin, jotka eivät toistu eri planeetoilla samalla tavalla ja joita on mahdotonta ennustaa. Se, mitä ”tieteellinen” tässä yhteydessä tarkoittaa, jää mysteeriksi. Ilmeisesti se tarkoittaa vain sitä, että jos elämä kehittyy ”tieteellisesti”, kehittyy älykkäitä lajeja. On tietenkin helppoa sanoa tieteeseen nojaten, että älykästä elämää kehittyy perustuen siihen oletukseen, että sen kehittyminen on ainoa mahdollinen tieteellisesti validi tapahtuma. Ironisesti, tällainen lähestymistapa on kaikkea muuta kuin tieteellinen.
Selvästi saadut tulokset perustuvat voimakkaisiin subjektiivisiin oletuksiin, eli mielipiteisiin, jolloin kaikki niiden varaan rakennetut laskelmat ovat pseudotietellistä roskaa — puhdasta arvailua, jolla ei tulisi olla sijaa tieteellisessä kirjallisuudessa. Aivan jokainen voi sijoittaa Draken yhtälöön haluamiaan numeroita ja saada lopputuloksen mutta sillä ei välttämättä ole mitään tekemistä todellisuuden kanssa.
Samankaltaisia näkemyksiä on esitetty muuallakin. Olen samaa mieltä professori Myersin kommenttien kanssa. Fyysikoiden ei tulisi lypsää Draken yhtälöksi kutsuttua lehmää, siitä ei saada enää mitään uutta irti. Lisäksi fyysikoilla ei ole mitään annettavaa elämää käsitteleviin tutkimuksiin — biologit ovat siinä asiantuntijoita. Ja kaiken huipuksi, media ei saisi julkaista näitä pseudotieteellisiä sepustuksia. Se ei palvele kenenkään etua.
Lähteet
Määräaikaisen tutkijan helvetti
Suuri osa yliopistolla tutkimusta tekevistä tieteen ammattilaisista, tutkijoista, on määräaikaisessa työssä. Syynä ovat tietenkin tehokkuusvaatimukset ja rahoitusmallit — tutkijat nähdään yliopistojen hallinnoissa vain kuluerinä ja määräaikaisia työsopimuksia suositaan, koska ne voidaan aina jättää uusimatta, jos rahoitusnäkymät sattuvat muuttumaan.
Acatiimi, professorien, tieteentekijöiden ja yliopistojen opetusalan lehti, kysyy miten määräaikaisuus vaikuttaa tutkimukseen, opetukseen tai esim. tutkimusrahoituksen hakemiseen. Se vaikuttaa monella tapaa — tässä tekstissä listaan omakohtaisia kokemuksiani ja yliopistomaailmassa näkemääni.
Acatiimi valmistelee juttua yliopistojen määräaikaisista työsuhteista. Määräaikaisuus vaikuttaa tietenkin monella tapaa yksittäisten ihmisten elämään, mutta nyt kysymme myös: miten se vaikuttaa tutkimukseen, opetukseen tai esim. tutkimusrahoituksen hakemiseen? Kommentoikaa!
— Acatiimi (@acatiimi) June 11, 2020
Määräaikaisen työsuhteen tärkein ominaisuus on se, että se loppuu. Joka päivä se kammottava hetki, kun palkansaanti lakkaa ja taloudellinen toimeentulo romahtaa, on askeleen lähempänä. Seuraukset ovat luonnollisesti katastrofaalisia, jos ei ole kattavaa sosiaalista ja taloudellista turvaverkkoa. Edes henkilökohtaisen talouden romahtaminen ei kuitenkaan ole niin lannistavaa kuin se tosiasia, että tutkija tiedostaa tutkimuksensa olevan niin arvotonta, että sitä ei välttämättä jatketa määräajan kuluttua loppuun. Määräaikaisella tutkijalla ajatus arvottomuudesta on takaraivossa jatkuvasti.
Arvotomuuden tunne ei riipu siitä, onko tutkimus oikeasti tärkeää, laadukasta, arvostettua tai alansa huippua. Siihen eivät myöskään vaikuta palkinnot, kiitokset, kehut tai näkyvyys. Jos työnantajana toimiva yliopisto ei ole valmis sitoutumaan tutkijaansa rahallisesti, mikä on ainoa tapa, jolla yliopisto-instituutio voi käytännössä osoittaa arvostavansa yksittäistä tutkijaa tai tutkimusalaa, arvottomuuden tunne pysyy tutkijan takaraivossa. Silloin tutkijalla ei vastaavasti ole minkäänlaista motiivia sitoutua yliopistoon yhtään syvällisemmin kuin mitä oman tutkimuksen itsekäs edistäminen päivästä toiseen edellyttää.
Määräaikaisena työntekijänä ei edistetä pitkän tähtäimen tavoitteita, rakenneta osaavia tutkimusryhmiä tai aloiteta kunnianhimoisia projekteja muutoin kuin korkeintaan omassa päässä ja omissa suunnitelmissa. Haaveet omasta tutkimusryhmästä ja toteutettavista kunnianhimoisista tutkimusprojekteista eivät häviä mutta vuosien kuluessa käy yhä selvemmäksi, että ne ovat vain haaveita. Tieto siitä, että yliopisto saattaa vetää taloudellisen pohjan pois omalta työltä tarkoittaa sitä, että työ ja sen hedelmät, osaaminen, ammattitaito, verkostot ja kaikki muistiinpanot myös viedään mahdollisimman tarkasti pois yliopiston käytöstä, kun määräaikaisuus loppuu. Haaveetkin viedään silloin muualle, tavallisesti toiseen määräaikaiseen työhön jossakin toisessa instituutiossa tai yliopistossa.
Tieteen rahoitusmalleissa määräaikaisia työsuhteita pahempaa on vain se, että rahoituksen joutuu hakemaan itse, kun yliopisto kerää tehdystä tieteestä kaiken kunnian. Yliopiston rahoitus määräytyy tutkijoiden tekemän työn perusteella mutta tutkijoilla itsellään, ainakaan määräaikaisilla tutkijoilla, ei useinkaan ole keinoja vaikuttaa oman rahoituksensa stabiiliuteen tulevaisuudessa. Monet määräaikaiset tutkijat työskentelevät ulkopuolisella rahoituksella, jonka he ovat itse hakeneet ja ansainneet mutta josta he maksavat yliopistolle ja saavat tavallisesti vielä kaupan päälle velvollisuuksia, kuten opetusvelvollisuuden. Millään muulla alalla työntekijän ei oleteta absurdisti kirjoittavan hakemuksia ulkopuolisiin instituutioihin, säätiöihin, ja sateenkaaren päässä odottavien kulta-aarteiden haltijoille, jotta hän voisi jatkaa työtään.
Tilanne on paradoksaalinen. Tutkija käyttää aikaansa kirjoittaakseen jatkuvasti hakemuksia, jotta voi jatkaa työtään, johon kuuluu oleellisena osana hakemusten kirjoittaminen. Tutkimusta tehdään hakemusten kirjoittamisen ohella, jos aikaa jää. Kaikkina kuukausina aikaa muuhun ei juuri jää — ei varsinkaan silloin, kun oman määräaikaisen rahoitushanan kuivuminen on vain muutaman kuukauden päässä ja oma taloudellinen toimeentulo on uhattuna. Kyse on valtavasta kaikkein koulutetuimpien ihmisresurssien tuhlauksesta. Samalla on rakennettu stressaava ja ihmisiä loppuun polttava järjestelmä, josta kaikki haluavat pois keinolla millä hyvänsä. Moni pääsee pois vain ylikuormittumalla ja luhistumalla henkisesti. Tutkijat ajautuvat polttamaan itsensä loppuun, koska rakastavat työtään mutta eivät saa yliopistolaitokselta minkäänlaista pitkäjänteistä tukea — pitkäjänteisestä rahoituksesta puhumattakaan.
Kaikkein eniten kärsii tiede itse. Lyhyellä aikajänteellä tehtyä tutkimusta ei voi juuri koskaan pitää kovinkaan laadukkaana, huolellisena tai vaikuttavana. Tutkijat kyllä koettavat maksimoida suoriutumisensa katsomalla yliopistomaailman arviointiperusteita ja erilaisia suoriutumisen mittareita, kuten julkaisumääriä ja julkaisujen saamien viittausten määrää, mutta tieteen laadun maksimoinnin kanssa sillä on vain vähän tekemistä.
Määräaikaisena tutkijana on jatkuvasti paineen alla näytettävä tuotteliaisuus ja julkaistava mahdollisimman monta artikkelia. Se johtaa siihen, että kokonaisuuksia pilkotaan osiin ja julkaistaan osat erikseen, yhdestä vaikuttavasta tuloksesta tehdään monta pientä osatulosta ja tuotetaan samalla turhaa tieteellistä tekstiä. Energiaa käytetään myös oman tutkimuksen mainostamiseen ja myymiseen. On pakko, koska muutoin rahoitus suunnataan niille, jotka mainostavat tuloksiaan mediassa, sosiaalisessa mediassa tai muilla keinoin aktiivisimmin ja jotka osaavat markkinoida tuloksensa hienoimpia sanankäänteitä käyttäen. Itse tieteen kanssa sillä kaikella ei tietenkään ole mitään tekemistä.
Määräaikaisista rahoitusmalleista kärsivät siis kaikkein eniten tutkijat ja tiede. Henkilöstöresurssien loppuunpolttaminen vain tuntuu olevan vallalla olevan kilpailuideologian looginen seuraus. On vain ironista, että ne samat tutkijat, joiden tulokset osoittavat vaikkapa yhteistyön olevan tehokkaampaa kuin kilpailun, laitetaan kilpailemaan rahoituksesta toistensa kanssa katastrofaalisin inhimillisin seurauksin.
Perustan tämän tekstin näkemykset omakohtaisiin kokemuksiini työskenneltyäni 14 vuotta määräaikaisena tutkijana eri instituutioissa ja eri maissa. Olen nähnyt kollegoideni romahtavan, kärsivän stressistä, luopuvan akateemisista haaveistaa ja jopa vaipuvan syvään masennukseen ja alkoholismiin. Olen nähnyt maailman älykkäimpien ihmisten ahdistuvan, kyynistyvän ja luopuvan haaveistaan.
Itse olen onnistunut pitämään pääni pinnalla akateemisessa maailmassa vain vaivoin. Olen onnistunut maksamaan vuokrani ja harjoittamaan vapaa-ajan aktiviteetteja mutta en ole voinut koskaan suunnitella tulevaisuuttani ainaisessa epätietoisuudessa siitä, onko minulla rahoitusta enää muutaman kuukauden kuluttua. Neljätoista vuotta ja yli kaksikymmentä määräaikaista työsopimusta myöhemmin olen vihdoinkin päässyt ansaitulle kesälomalle. Sekin vain siksi, että rahoitukseni on katkennut ja uutta ei ole näköpiirissä.
Katoavat planeetat
Tieteessä on aina mukana tulkintaa. Kukaan tieteentekijä ei ole absoluuttisen objektiivinen, vaan aivan jokainen on altis alitajuisille näkemyksille, omakohtaisille kokemuksille ja oman ajattelunsa rajoituksille. Ne taas vaikuttavat siihen, miten tiedettä tehdään, mitä tutkitaan ja minkälaisessa valossa saatuja tuloksia tarkastellaan.
Jokaisella on omaa ennakkotietoa. Tieteessä sillä tarkoitetaan tietoa, joka tutkijalla oli ennen kuin hän suoritti tieteellisen kokeensa, keräsi mittauksia ja informaatiota, teki havaintoja ja analysoi niitä. Saatuaan uutta tietoa, tutkijat sitten yhdistävät sen ennakkotietoihinsa Bayesilaisen inferenssin avulla ja saavuttavat synteettisen tiedon, joka voi toimia uutena ennakkotietona ennen seuraavaa tieteellistä koetta. Jokainen tutkija jatkaa tätä prosessia koko uransa, saaden samalla jatkuvasti tietoa lukuisten muiden tutkijoiden kokeista. Ideaalitapauksessa kaikki tutkijat päätyvät lopulta samaan synteettiseen tietoon mutta käytännössä niin ei koskaan käy. Tutkijat päätyvät vain keskimäärin löytämään tarkasti todellisuutta kuvaavan selitysmallin — siitä esiintyy tutkijoiden keskuudessa aina poikkeavia ja ainakin osittain virheellisiä selitysmalleja.
Tähän kuitenkin perustuu tieteellisen metodin voima. Tiede on oikeastaan vain itseohjautuva, maailmankaikkeutta selittämään pyrkivä prosessi, joka hakeutuu asymptootisesti kohti totuutta muttei koskaan saavuta sitä. Tiede harhailee aina vain lähempänä totuuden tuntumassa, ottaen tosin joskus mittaviakin sivuaskeleita. Parasta mahdollista käsitystämme totuudesta kutsutaan tieteelliseksi tiedoksi — tieteellinen tieto ei siis ole totuus, vaan vain parhaiten havaintoihin sopiva selitys maailmankaikkeuden ominaisuuksista ja toiminnasta.
Planeettojen havainnointi ei ole immuunia ihmisten alttiudelle takertua subjektiivisiin näkemyksiinsä. Mikään tiede ei ole. Edes Maapallon tapauksessa havainto planeetasta, pallomaisesta kappaleesta kiertämässä radallaan tähden ympäri, ei ole kiistaton tosiasia kaikille. On olemassa hämmästyttävän nopeasti kasvava joukko litteään maahan uskovia tieteenkieltäjiä, jotka valitsevat heittää romukoppaan suuren osan vakiintunutta tieteellistä tietoa, koska se ei sovi heidän omakohtaiseen kokemukseen ja voimakkaaseen ennakkotietoon maailmasta. Siksi on oikeastaan hämmästyttävää, että olemme kyenneet havaitsemaan jo tuhansia planeettoja kiertämässä tähtiä Auringon lähinaapurustossa tai vieläkin kauempana ja asiasta vallitsee lähes täydellinen tieteellinen konsensus. Lähes.
Kaikkien eksoplaneettojen olemassaolo ei ole kiistatonta, johtuen tutkijoiden subjektiivisista lähtökohdista, jotka joskus vaikuttavat tehtyihin päätelmiin. Jos tähtitieteilijä koettaa etsiä planeetan merkkejä, hän hyvin usein merkkejä löytäessään tarkastelee ensin voisivatko ne olla planeetan aiheuttamia. Joskus muut selitysmallit, joita tähtitieteessä lähes aina on runsain mitoin, jäävät liian vähälle huomiolle.
Hubble avaruusteleskoopin kuvaama läheistä nuorta tähteä Fomalhaut kiertävä planeetta tarjoaa hyvän esimerkin. Vuonna 2004 tähtitieteilijät havaitsivat kirkkaan kohteen tähteä ympäröivän pölykiekon lähettyvillä. Kohde näytti liikkuvan radallaan tähden ympäri ja havainto sai nopeasti planetaarisen tulkinnan — kirkkaan kohteen ajateltiin olevan tähteä kiertävä jättiläisplaneetta Fomalhaut b, jolle annettiin nimeksi Dagon kansainvälisen tähtitieteen unionin toimesta. Vaikka kävi nopeasti ilmi, että planeettakandidaatin rata oli hyvin soikea, ja sen etäisyys tähdestään vaihtelisi noin 30 ja 300 AU:n välillä, mikä häiritsisi vakavalla tavalla tähteä ympäröivää pölyrengasta (Kuva 1.), havainnon planetaarinen tulkinta pysyi suosituimpana selityksenä.
Tuoreemmat havainnot kuitenkin osoittivat, että Dagon oli kadonnut (1) — se oli himmentynyt ja laajentunut tasaisesti ja muuttunut lopulta niin himmeäksi, ettei sitä enää näkynyt Hubble avaruusteleskoopin tarkoissa kuvissa (Kuva 1.). Planeetat eivät voi kadota tällä tavalla. Mitä oikein oli tapahtunut?
Osa tähtitieteilijöistä oli alusta lähtien kiinnittänyt huomiota siihen, että planeetaksi tulkittu kirkas kohde ei näkynyt lainkaan infrapuna-alueen havainnoissa — se ei siis lähettänyt lämpösäteilyä planeettojen tavoin. Kyse oli siten todennäköisemmin jostakin muusta. Se jokin muu näyttää olleen kirkas pölypilvi, joka laajeni ja himmeni hajotessaan avaruuteen. Havainnoissa näkyi jättiläisplaneetan sijaan kirkas välähdys, joka aiheutui tähteä kiertävien pienempien kappaleiden törmäyksestä, ja josta jäljelle jääneen pölyn Fomalhaut puhalsi tähtituulen mukana kauemmaksi avaruuteen.
Eksoplaneetta hukassa
Tähtitieteilijät hukkaavat planeettoja. Tarkemmin sanoen, heidän tulkintansa havainnoista saattavat olla vääriä, jolloin planeettalöytönä pidetty havainto haihtuu ilmaan uuden paremmin perustellun tulkinnan tieltä, kuten kävi Fomalhaut b:n tapauksessa. Planeettakandidaatti voi kadota, kun sen olemassaolon paljastaneet havainnot onnistutaan mallintamaan aiempaa tarkemmin. Koska ensimmäinen askel uusien matemaattisten ja tilastollisten mallien ja työkalujen sekä mallinnusmenetelmien käyttöönotossa on aina niiden soveltaminen vanhoihin havaintoihin, planeettalöydöt joutuvat armotta uuteen testiin aina menetelmien kehittyessä — ei vain silloin, kun saadaan kerättyä uusia havaintoja.
Pohjimmiltaan on kyse siitä, minkälaiset selitysmallit sopivat havaintoihin parhaiten. Jos mittaukset voi selittää ilman planeettaa yhtä hyvin kuin planeetan kanssa, oletukselle planeetan olemassaolosta ei voida katsoa olevan todistusaineistoa. Se ei kuitenkaan tarkoita, että planeettaa ei ole. Todistusaineiston olemattomuus ei ole sama asia kuin olemattomuuden todiste.
Omakohtaisesti tutuin esimerkki hukatusta eksoplaneetasta liittyy lähitähteen nimeltään Gliese 581. Sitä kiertävien planeettojen määrän laskeminen on osoittautunut vuosien saatossa eritäin hankalaksi toimenpiteeksi. Vaikka järjestelmässä väitettiin olevan jopa kuusi planeettaa (2), en saanut laskettua kuin neljään tarkastellessani niiden määrää vuonna 2011 (3). Sittemmin järjestelmän kaksi planeettaa — toisen niistä arveltiin olevan maankaltainen, potentiaalisesti elinkelpoinen supermaapallo — ovat pysyneet hukassa. Kukaan ei ole myöskään kyennyt osoittamaan, että niiden olemassaolon voisi poissulkea havaintojen perusteella.
Tilanne on tieteessä yleinen. On todettu, että aiemmin esitetylle hypoteesille, tai selitysmallille, ei ole todistusaineistoa. Vaikka se ei tarkoita, että hypoteesi olisi väärä, tilanteessa tehdään aina se yksinkertaistus, että ylimääräiset oletukset jätetään huomiotta.
Todistustaakka on sillä, joka esittää väitteen. Bertrand Russellin kuuluisan analogian mukaisesti, kukaan ei voi aukottomasti todistaa, että Jupiterin radan tuolla puolen ei ole pikkuruista teekannua kiertämässä radallaan Aurinkoa. Todistustaakka on sillä, joka esittää teekannun olevan olemassa.
Eksoplaneetta kiertämässä jotakin kaukaista tähteä on filosofisessa mielessä kuin Russellin teekannu. Joitakin poikkeuksia lukuunottamatta, kukaan ei voi osoittaa, että sitä ei ole olemassa. Sen olemassaolon taas voi osoittaa tekemällä siitä havaintoja, joita ei voida selittää ilman planeettaa. Siksi Fomalhaut b:n ei voida katsoa olevan olemassa. Aivan samoin planeetta Gliese 581 g ei ole olemassa, eikä ole kuvainnollinen Russellin teekannukaan — ennen kuin joku havaitsee sen.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lähteet
- Gaspar et al. 2020. New HST data and modeling reveal a massive planetesimal collision around Fomalhaut. Publications of the National Academy of Sciences, 117, 9712.
- Vogt et al. 2009. The Lick-Carnegie exoplanet survey: A 3.1 M⊕ planet in the habitable zone of the nearby M3V star Gliese 581. The Astrophysical Journal, 723, 954.
- Tuomi 2011. Bayesian re-analysis of the radial velocities of Gliese 581. Evidence in favour of only four planetary companions. Astronomy and Astrophysics, 528, L5.
Vanhin tiede massasukupuuton ja ilmastokatastrofin aikakautena
Kaikki inhimillinen toiminta vaatii resursseja. Pohjimmiltaan jokainen valitsee omalla kohdallaan mihin haluaa käyttää aikansa ja energiansa. Vaikka köyhimmät ja heikoimmat eivät voi valita, vaan joutuvat toimimaan taloudellisten, terveydellisten ja muiden rajoitteiden sitomina, osa ihmisistä on vapaita suuntaamaan resurssinsa haluamiinsa asioihin. Miksi jotkut haluavat viettää aikansa tutkien taivaan tapahtumia? Ja miksi tieteen ja tutkimuksen — ja koko ihmiskunnan — hyvinkin rajallisia resursseja tulisi suunnata tähtitieteellisten kohteiden tarkkailuun?
Tähtitiede on tieteistä vanhin. Ihmisyhteisöille on ollut tärkeää ennustaa vuodenaikoja ja laatia kalentereita. On ollut pakko kyetä määrittämään milloin vilja kylvetään ja milloin joet tulvivat, milloin sateet tulevat ja milloin pakkaset saapuvat. Talvi- ja kesäpäivänseisauksien määrittäminen on ollut tärkeää, ja sitä tarkoitusta varten ensimmäiset tähtitieteilijät tekivät alkeellisella matematiikallaan kalentereita, joita he käyttivät omilla tavoillaan ennustaakseen niin Maan kiertoliikettä Auringon ympäri kuin Kuun liikettä Maan ympäri — vuosituhansien ajan jopa ymmärtämättä ennustamansa fysikaalisen järjestelmän luonnetta.
Tähtitiede on historian saatossa edesauttanut fysiikan, matematiikan ja kemian kehitystä, kun astronomit ovat löytäneet fysikaalisia lakeja, matematiikan totuuksia ja menetelmiä ja jopa alkuaineita, kuten Auringon kaasukehästä ensi kertaa löydetyn heliumin.
Nykyiseen tietämykseen fysikaalisesta maailmasta tähtitiede vaikuttaa lukemattomilla tavoilla. Tähtitieteen havaintojen avulla opimme uutta universumista, alkeishiukkasista ja perusvuorovaikutuksista. Tähtitieteen tulokset auttavat rakentamaan kaiken teoriaa, joka vihdoinkin onnistuisi yhdistämään kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian toisiinsa.
Tähtitieteen tutkimus on teknologian kehityksen eturintamassa, kun rakennamme aina vain parempia ja tarkempia teleskooppeja, instrumentteja, avaruusluotaimia ja niiden mittalaitteita. Rakennamme myös matemaattisia työkaluja tähtitieteen tarpeisiin ja luomme samalla uusia yleishyödyllisiä tapoja analysoida tietoa. Opimme asettamaan omaa sivilisaatiotamme ja biosfääriämme oikeaan kontekstiinsa maailmankaikkeuden mittakaavassa, kun löydämme potentiaalisesti elinkelpoisia planeettoja ja arvioimme elinkelpoisten planeettojen määrää galaksissamme. Vanhin tiede tarjoaa paljon konkreettisia hyötyjä ja vastauksia suuriin kysymyksiin. Mutta riittävätkö ne perusteeksi taloudellisten, materiaalisten ja inhimillisten resurssien suuntaamiseksi taivaan kohteiden tutkimukseen?
Filosofisessa mielessä voidaan ajatella, että yhteiskunta, jolla on varaa sijoittaa puhtaaseen perustutkimukseen ja tieteeseen, jotta oppisimme lisää maailmankaikkeudesta, vailla sen kummempia muita hyötyjä tai tavoitteita, on yhteiskunta, joka on puolustamisen ja suojelemisen arvoinen. Vain tiede ja taide erottavat meidät muista eläinlajeista. Ne ovat inhimillisen elämän ja teknisen sivilisaatiomme suurimmat saavutukset ja kuvastavat sitä, mihin pystymme niin lajina kuin yksilöinä. Siksi tiede on vaalimisen arvoista. Siksi siihen kannattaa sijoittaa tavallisina aikoina.
Vaan emme elä tavallista aikakautta.
Koralliriutat tuhoutuvat, meret happamoituvat, sademetsät häviävät ja elinympäristöt katoavat. Niin ainakin usein ilmaisemme asian mutta kyseessä ei ole passiivinen sattumus tai tapahtuma, joka vääjäämättömästi etenee meidän vain seuratessa voimattomina sivusta. Ihmiskunta muuttaa aktiivisesti itse toimillaan koko planeettaa, sen ekosysteemejä ja geokemiallisia olosuhteita, sekä hävittää lajeja sukupuuttoon yhtä nopeaan tahtiin kuin Maapallon historian suurissa massasukupuutoissa.
Hävitys on yhtä järjestelmällistä kuin kattavaakin. Suomen metsistä alle 5% on luonnontilassa, koska aktiivisesti hävitämme metsiä (Kuva 1.). Globaalisti miljoonat lajit ovat häviämässä ihmisen toiminnan vaikutuksesta. Tuho etenee näennäisen hitaasti, yksi kaadettu metsä ja yksi saastutettu joki kerrallaan, mutta se on silti niin nopeaa, että luonto ei ehdi toipua. Emme anna luonnolle aikaa toipua.
Tuhoamme omaa biologista elossapitojärjestelmäämme — olemme vain yksi biologinen laji muiden joukossa ja siten täysin riippuvaisia biodiversiteetistä ja sen olosuhteita stabiloivasta verkostosta sekä tarjoamista ekosysteemipalveluista. Toimintamme kuitenkin romahduttaa ravintoverkkoja ja kokonaisia ekosysteemejä. Jo merten kasvava hiilidioksidipitoisuus ja sen mukana etenevä happamoituminen saattaa romuttaa meriekosysteemit. Sademetsien häviäminen saattaa muuttua peruuttamattomaksi jo tällä vuosikymmenellä.
Muutamme ilmastoa. Ilmastokatastrofi on karkaamassa käsistä pumpattuamme ilmakehän täyteen hiilidioksidia. Lajimme elinaikana hiilidioksidipitoisuudet eivät ole kertaakaan aiemmin olleet yhtä korkealla kuin nyt. Me emme ole sopeutuneet uusiin olosuhteisiin, kuten eivät ole lukemattomat muutkaan lajit. Ilmastokatastrofi vauhdittaa biodiversiteetin häviämistä ja tuo mukanaan uusia ongelmia kuivuuden, tappavan kuumuuden, tulvien, merenpinnan nousun, voimistuneiden myrskyjen ja muiden katastrofaalisten paikallisten ilmiöiden muodossa.
Taustalla on primitiivisen ihmisapinalajin aivoihin evoluution saatossa rakentunut maailmankuva, jonka taustaoletukset kertovat elinympäristön pysyvän suunnilleen samana vuodesta toiseen. Hitaampaa muutosta emme kykene käsittelemään tai huomioimaan. Historian saatossa se on koitunut useiden sivilisaatioiden tuhoksi, kun niiden edustajat ovat kuluttaneet ympäristönsä luonnolliset resurssit loppuun ja ajautuneet tuhoon. Nyt vain olemme ylittäneet luonnollisten resurssiemme kulutuksen globaalit rajat. Se tarkoittaa biologisessa mielessä vääjäämätöntä populaation romahdusta, mahdollisesti koko teknisen sivilisaatiomme häviämistä.
Olemme teknisenä sivilisaationa kohtaamassa uhkaa, joka on jopa yksi kandidaateista Fermin paradoksin ratkaisuksi. On mahdollista, että teknisistä sivilisaatioista ei ole nähty merkkejä avaruudessa, koska niiden elinikä on keskimäärin erittäin lyhyt. On mahdollista, että tekniset sivilisaatiot oppivat muokkaamaan planeettansa bio- ja geokemiallista tasapainotilaa ennen kuin saavuttavat ymmärryksen aiheuttamansa muutoksen katastrofaalisista seurauksista. Ihmiskunta on nyt saavuttamassa ymmärrystä aiheuttamansa tuhon laajuudesta mutta on hyvinkin mahdollista, että se tapahtuu liian myöhään. Liian moni mittari on jo punaisella ja hälyttää tuhosta, joka on peruuttamatonta ihmissukupolvien aikaskaalassa. Silti, ei ehkä ole vielä liian myöhäistä toimia.
Ihmisyhteisöt ovat historiassa osoittaneet hämmästyttävää kykyä toimia kollektiivina yhteistä uhkaa vastaan. Kokonaisia valtioita on valjastettu rakentamaan ja ylläpitämään sotakoneistoja, kun ne ovat olleet toisten aggressiivisten valtioiden uhkaamia. Voisimme tehdä saman uudelleen. Voisimme mobilisoida riittävän suuren osan yhteiskuntiemme toiminnoista torjumaan aiheuttamaamme ilmastollista ja biologista tuhoa ja rakentaa järjestelmän, jonka perustukset ovat kestävällä pohjalla. Kuten matemaatikot ja fyysikot, jotka kutsuttiin sotakoneiston avuksi toisessa maailmansodassa, voisimme kutsua eri alojen tutkijat toimimaan yhteisen päämäärän saavuttamiseksi. Voisimme valjastaa planeettamme älykkäimmät, mielikuvituksellisimmat ja analyyttisimmat mielet torjumaan sivilisaatiotamme uhkaavaa romahdusta. Siihen saattaa olla edelleen aikaa.
Ehkäpä tähtitieteen tutkimus, kuten monta muutakin sivilisaation selviämisen kannalta toissijaista inhimillisen toimeliaisuuden muotoa, tulisi laittaa tauolle kunnes olemme ratkaisseet akuutit kiisimme. On selvää, että meillä ei ole aikaa selvittää maailmankaikkeuden salaisuuksia keskellä planeettamme elinkelpoisuuden romahdusta. Maailmankaikkeuden tutkiminen loppuu joka tapauksessa, jos muutamme liikaa planeettamme sivilisaation olemassaolon mahdollistavia olosuhteita.
Mutta aivan aluksi olisi saatava talousjärjestelmämme ylläpitämä globaali tuhokoneisto pysähtymään. Meidän on ymmärrettävä, että luonnollisten resurssien ylikulutus, inhimillisen elämän merkityksen määrittyminen ensisijaisesti kulutuksen kautta ja rahallisten arvojen asettaminen kaiken muun edelle ovat avainasemassa aiheuttamassa globaalia tuhoa. Sen ymmärrettyämme voimme ryhtyä korjaamaan vahinkoja.
Ymmärrän tähtitieteen tutkijana, että tekemäni tutkimus on kaikesta potentiaalisesta hyödyllisyydestään huolimatta hyvien aikojen mahdollistamaa luksusta, etuoikeus, jonka on ehkäpä pakko väistyä akuutimpien tieteen menetelmien sovellusten tieltä. Ymmärrän, että tähtitieteen tutkimus ei jatku, jos tekninen sivilisaatiomme katoaa oman tuhoavan toimintansa ansiosta. Toivon, että mahdollisimman moni taloudellista ja poliittista valtaa käyttävä, joille taloudellisten etujen saavuttaminen on kaikkea muuta tärkeämpää, ymmärtäisi, että sama pätee aivan kaikkeen muuhunkin.
Uskon, että maapallon elinkelpoisuuden heikkeneminen on mahdollista pysäyttää. Uskon, että ainoan tuntemamme elinkelpoisen planeetan on mahdollista välttyä päätymästä vain unohdetuksi Fermin paradoksin esimerkkiratkaisuksi. Se on ehkä toiveajattelua mutta muutakaan mahdollisuutta ei ole. Eksistentiaalisen kriisin edessä ei voi luovuttaa. On uskottava optimistisesti siihen, että voimme edelleen muuttaa toimintaamme. Muutoin olemme jo kokeneet sukupuuttomme.
Ehkäpä tulevilla sukupolvilla on parempia mahdollisuuksia sijoittaa taivaankappaleiden, kosmologian, eksoplaneettojen ja mustien aukkojen tutkimukseen. Vanhimpaan tieteeseen ja perustutkimukseen, jolla ei välttämättä saavuteta muuta kuin hitunen uutta tietoa maailmankaikkeudesta. Toivon ainakin, että on, koska se on niitä ainoita asioita, jotka tekevät sivilisaatiostamme säilyttämisen arvoisen.
Lähimmät eksoplaneetat: Proxima c varmistuu
Proxima Kentauri on ainakin kahden, mahdolisesti kolmen planeetan järjestelmä. Tutkimusryhmäni vuonna 2016 raportoima Proxima b (1) varmistui hiljattain uuden ESPRESSO-instrumentin havainnoista. Samalla on käynyt vastaansanomattoman selväksi, että myös Proxima c, järjestelmän ulompi kiertolainen, josta sain heikkoja viitteitä jo vuonna 2014 (2), on saanut luotettavaa todistusaineistoa olemassaololleen.
Proxima c raportoitiin radiaalinopeusmenetelmän havainnoista tammikuussa 2020 (3). Vain paria kuukautta myöhemmin sen vastineen kerrottiin mahdollisesti löytyneen SPHERE-instrumentin valokuvasta. Mutta suora havainto oli epävarma ja sitä ei voitu pitää planeetan olemassaolon varmistuksena. Planeetan merkkejä ei oltu havaittu kiistattomasti ja jos heikot merkit olivatkin Proxima c:n aiheuttamia, planeetan olisi pakko olla paljon ennakoitua kirkkaampi sitä ympäröivän rengasjärjestelmän vuoksi. Päättelyketjussa oli aivan liikaa spekulointia ja epävarmuuksia.
Mutta VLT:n SPHERE ei ole ainoa instrumentti, jolla on koetettu havaita viitteitä Proxima Kentaurin planeetoista. Sitä koetettiin jo pari vuosikymmentä sitten Hubble-avaruusteleskoopilla. Fritz Benedict ja Barbara McArthur koettivat nähdä Proxima Kentaurin astrometristä huojuntaa taivaankannella. He eivät saaneet siitä selviä merkkejä (5) mutta onnistuivat havaitsemaan tähden pyörimisen aiheuttamat jaksolliset kirkkauden muutokset, jotka aiheutuvat siitä, että tähdenpilkut tulevat vuoroin näkyviin ja vuoroin näkymättömiin pyörimisen seurauksena (6).
Benedict ja McArthur kuitenkin tekivät ymmärrettävästi pienen virheen. He etsivät planeettojen merkkejä vain tuhannen päivän kiertoradoille asti, koska olivat havainneet Proxima Kenturia vain noin tuhannen päivän jakson ajan. He eivät kiinnittäneet huomiota mahdollisiin heilahteluihin, joiden jakso olisi tuhatta päivää pidempi. Tämä on tyypillinen strategia tähtitieteilijöiden keskuudessa, koska jotta voidaan varmistua, että jaksollinen ilmiö on todella havaittu, on havaintojen tavallisesti katettava ainakin yksi jakso. Vaikka havainnot eivät kattaneet kuin noin puolet Proxima c:n ratakierroksesta, he palasivat innokkaasti vanhojen havaintojensa pariin, kun kuulivat Proxima c:n löydöstä. Yli kaksi vuosikymentä sitten otetut Hubblen kuvat onnistuivat varmistamaan Proxima Kentaurin huojumisen ja siten Proxima c:n olemassaolon (7).
Tilanne Proxima c:n suhteen on muuttunut nopeasti. Ensin siitä oli vain viitteitä radiaalinopeushavainnoissa. Seuraavassa hetkessä planeetasta saatiin lisäviitteitä SPHERE-instrumentilla otetuissa suorissa kuvissa. Nyt planeetan olemassaolo on käytännössä varmistunut astrometrisillä havainnoilla Hubblen ja Gaia-teleskoopin datasta (7,8). Vaikka jokainen näistä menetelmistä on tarjonnut vain informaation murusia, planeetan olemassaoloa voidaan pitää jo suhteellisen luotettavana tieteellisenä faktana.
Kiistanalaisen havainnon muuttumista edes jonkinasteiseksi tieteelliseksi totuudeksi vain muutaman kuukauden aikaskaalassa puolestaan voidaan pitää pienenä ihmeenä — ainakin kun kyse on eksoplaneettojen etsinnästä.
Lähteet
- Anglada-Escude et al. 2016. A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri. Nature, 536, 437.
- Tuomi et al. 2014. Bayesian search for low-mass planets around nearby M dwarfs — estimates for occurrence rate based on global detectability statistics. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 441, 1545.
- Damasso et al. 2020. A low-mass planet candidate orbiting Proxima Centauri at a distance 1.5 AU. Science Advances, 6.
- Gratton et al. 2020. Searching for the near infrared counterpart of Proxima c using multi-epoch high contrast SPHERE data at VLT. Astronomy and Astrophysics, in press.
- Benedict et al. 1999. Interferometric astrometry of Proxima Centauri and Barnard’s star using Hubble Space Telescope Fine Guidance Sensor 3: Detection limits for substellar companions. The Astrophysical Journal, 118, 1086.
- Benedict et al. 1998. Photometry of Proxima Centauri and Barnard’s star using Hubble Space Telescope Fine Guidance Sensor 3: A search for periodic variations. The Astrophysical Journal, 116, 429.
- Benedict et al. 2020. A preliminary mass for Proxima Centauri c. Research Notes of the AAS, 4, 46.
- Kervella et al. 2020. Orbital inclination and mass of the exoplanet candidate Proxima c. Astronomy and Astrophysics, 635, L14.
Subjektiivisesti: onko universumissa elämää?
Mikä on todennäköisyys sille, että universumissa esiintyy elämää? Se on kysymys, joka sisältää oman vastauksensa.
Jos joku on onnistunut kysymään millä todennäköisyydellä universumissa on elämää, se joku on silloin varmasti elävä ja kyseinen todennäköisyys on automaattisen varmasti 100%. Tämä on malliesimerkki ehdollisesta todennäköisyydestä: onko universumissa elämää sillä ehdolla, että joku kysyy asiasta? Tietenkin on. Mutta tautologiset kysymykset eivät ole kovinkaan mielenkiintoisia tieteessä.
Vaikeammaksi kysymykseen vastaaminen muuttuu, jos kysytään onko universumissa elämää Maapallon elämän lisäksi. Olemmeko yksin? Vastaaminen tähän kysymykseen on huomattavasti vaikeampaa ja ennen kuin elämää löydetään muualtakin, minkäänlaista valistunutta arvailua tarkempaa vastausta on luultavasti mahdotonta antaa. Voimme kuitenkin yrittää, käyttäen todennäköisyyslaskentaa ja kysymällä kuinka todennäköistä elämän esintyminen toisissa planeettakunnissa on.
Ehdollisen todennäköisyyden ajatuksen teki kuuluisaksi englantilainen 1700-luvun matemaatikko Thomas Bayes, jonka nimeä kantava teoreema julkaistiin hänen jo kuoltuaan. Se on yksinkertainen tapa hahmottaa tapahtumien todennäköisyyksiä, jos ne riippuvat siitä, onko jokin toinen asia tapahtunut vai ei.
Voidaan ajatella vaikkapa kahta tapahtumaa, tapahtumat ”A” ja ”B”, jotka molemmat voivat tapahtua jollakin todennäköisyyksillä P(A) ja P(B). Samoin, molemmat tapahtumat tapahtuvat todennäköisyydellä P(A,B). Jos tapahtuma ”A” tapahtuu kun tapahtuma ”B” on jo tapahtunut, saadaan ehdollinen todennäköisyys P(A|B). Kun kerromme tämän tapahtuman ”B” todennäköisyydellä, saamme tapahtumien ”A” ja ”B” todennäköisyyden. Siis P(A,B) = P(A|B)P(B). Vaihtamalla tapahtumien ”A” ja ”B” paikkaa saamme tulokseksi Bayesin teoreeman. Kyseessä on yksinkertainen matemaattinen konstruktio, jolla on monimutkaiset seuraukset.
Esimerkiksi planeettojen havainnoinnissa käytetään Bayesin teoreemaa. Silloin tapahtuma ”A” on jokin mielenkiintoinen asia, jonka todennäköisyyden haluamme selvittää. Tavallisesti ”A” voi olla vaikkapa ”tähteä kiertää planeetta” ja ”B” on tyypillisesti ”saimme tähdestä nämä mittaukset”. Voimme siis laskea todennäköisyyden P(A|B) selvittämällä ”mikä on todennäköisyys, että tähteä kiertää planeetta, jos saimme tähdestä nämä mittaukset”.
Sitä varten on ensin selvitettävä P(B|A), joka vastaa kysymykseen ”mikä on todennäköisyys, että saimme nämä mittaukset, jos tähteä kiertää planeetta”. Mutta miten lasketaan todennäköisyys saada mittauksia?
Mittauksille on muodostettava malli. Tyypillinen malli voi olla vaikka matemaattinen kuvaus sille, että mittaus on satunnaisluku, joka saa luultavasti pienen itseisarvon ja suuremmat itseisarvot epätodennäköisempiä. Planeettojen tapauksessa, kyse on tavallisesti matemaattisesta mallista, jossa planeetta kiertää tähteä Keplerin lakien mukaisella radalla ja havaintoja on vaikeuttamassa tuntematon määrä usein tyypiltäänkin tuntematonta kohinaa. Mallin valinta on täysin subjektiivista mutta tavallisesti voidaan vertailla useampia malleja ja valita niistä paras tai parhaat. Eksoplaneettojen tapauksessa, valitaan yleensä malli, jossa ei ole planeettaa ja verrataan sitä malliin, jossa on planeetta kaiken muun pysyessä samana.
Tämän jälkeen on helppoa laskea tietyn mittauksen saamisen todennäköisyys tilanteessa, jossa planeetta kiertää tähteä. Helppous on tosin suhteellista, koska mallit ovat jopa yksinkertaisimmissa tapauksissa hyvinkin kompleksisia matemaattisia kuvauksia tähdestä, planeetasta ja siitä, mitä on oikeastaan havaittu (Kuva 2.).
Vastaavanlaisten mallien avulla muodostetaan mittausten todennäköisyysfunktio, joka kertoo millä todennäköisyydellä mittaukset on saatu, jos malli on oikea. Tämän jälkeen on määritettävä mallin itsensä todennäköisyys ennen kuin mittauksia tehtiin. Se taas on subjektiivinen prosessi, jossa annetaan mallille ja sen parametreille jotkin todennäköisyydet sen perusteella, mitä havaittavasta kohteesta on aiemmin tiedetty. Koska jokaisella tutkijalla on ainakin hiukan eri tiedot, jokainen näkee tämän ennakkoinformaation hiukan erilaisena. Bayesin teoreemassa on siis ennakkoinformaatio, P(A), joka asetetaan subjektiivisesti. Mutta jos tiede on pohjimmiltaan subjektiivista, miten voimme saada tietoa todellisuudesta? Eikö tieteessä tulisi pyrkiä objektiivisuuteen?
Tieteessä on pyrkimys objektiivisuuteen mutta sen saavuttaminen on mahdotonta. Syy näkyy Kuvan 1. Bayesin teoreemassa. Kun lasketaan todennäköisyyksiä perustuen havaintoihin, mukaan tulee aina ennakkoinformaatiota.
Ennakkoinformaatio ei kuitenkaan tee tieteestä epäluotettavaa. Se vain kuvastaa sitä, että eri tutkijat lähtevät hyvinkin erilaisista lähtökohdista. Jos ennakkoinformaatio ei ole voimakasta, kaikki tutkijat päätyvät lopulta, mittausten ja muiden havaintojen määrän kasvaessa, samaan lopputulokseen. Tämä taas ei ole mahdollista, jos ennakkoinformaatio on voimakasta — silloin katsotaan maailmaa värittyneiden ja vääristävien silmälasien läpi ja lopputuloksena on mahdotonta saada aikaiseksi luotettavaa tiedettä. Asiasta on helppoa löytää lukemattomia esimerkkejä.
Mainion esimerkin tarjoaa ensimmäisen auringonkaltaista tähteä kiertävän eksoplaneetan, 51 Pegasi b, löytöprosessi. Paul Butler ja Geoffrey Marcy onnistuivat rekisteröimään planeetan olemassaolon havaintoihinsa mutta eivät tienneet sitä kuukausiin itse. Heillä oli voimakas ennakkoinformaatio — yhden tuntemansa esimerkin mukaan, he uskoivat, että massiivisia eksoplaneettoja ei voi olla kiertämässä tähtiä lähellä niiden pintaa, vaan niiden kiertoajat voisivat olla vain vuosien mittaisia kuten Aurinkokunnan jättiläisplaneettoilla. Siksi he eivät edes analysoineet havaintojaan vain muutaman kuukauden havaintojakson jälkeen, vaan ajattelivat tarvitsevansa vuosia lähimpien eksoplaneettojen olemassaolon selvittämiseen.
Kun Michel Mayor ja Didier Queloz, jotka eivät ennakkoon poissulkeneet lyhyen kiertoajan jättiläisplaneettojen mahdollisuutta julkistivat havaintonsa, Butler ja Marcy tajusivat ennakkoinformaationsa olleen väärää ja onnistuivat varmentamaan havainnon välittömästi. Mutta heidänkään ennakkoinformaationsa ei ollut niin voimakasta etteivät he olisi kyenneet muuttamaan näkemystään havaintojen oltua sen kanssa auttamatta ristiriidassa. Kuten tieteessä lopulta aina, havainnot ratkaisevat mikä hypoteesi tai ennakkoinformaatio on oikeassa ja mikä väärässä. On kuitenkin selvää, että ennakkoinformaatio ratkaisee myös mitä tieteellisiä kysymyksiä osataan kysyä ja minkälaisia vastauksia niihin ymmärretään etsiä.
Olemmeko yksin?
Todennäköisyyslaskenna soveltaminen sen selvittämiseen olemmeko yksin, on vaikeaa muttei mahdotonta. Sitä on yrittänyt David Kipping. Hänen julkaisemansa artikkelin mukaan, ”elämän synnyn todennäköisyys on suurta, älykkään elämän kehittymisen taas pientä” (1). Artikkelissa kuitenkin nostetaan esille, jopa otsikkotasolla, että kyseessä on objektiivinen selvitys. Se on ristiriidassa kaiken sen kanssa, mitä tiedämme tieteestä.
Kipping on tehnyt kaikkensa, jotta ennakkoinformaation vaikutus olisi mahdollisimman pientä. Hänen tuloksensa ovatkin riippumattomia ennakkoinformaation tarkasta luonteesta — ainakin suhteessa niihin reunaehtoihin, joita hän ennakkoinformaatiolle asettaa. Kippingin tulosten mukaan, elämän synnyn todennäköisyys on suurta riippumatta siitä onko se suurta vai pientä ennakkoinformaation mukaan. Lähempi tarkastelu kuitenkin osoittaa, että olemme kaukana objektiivisesta tuloksesta.
Suurimpana ongelmana on, että havaintoina käytetään tietoja elämän synnystä ja kehityksestä Maapallolla. Maapallon elämä syntyi lähes välittömästi, kun planeettamme pinta oli sen muodostuttua jäähtynyt kiinteäksi ja meret olivat syntyneet. Se taas tarkoittaa sitä, että kyseessä on laskelma sillä ehdolla, että elämää on syntynyt planeetallemme ja joku on laskelmaa tekemässä. Jos elämän synnyssä olisi kestänyt niin kauan, että se ei olisi ehtinyt tapahtua 4.5 miljardia vuotta vanhan planeetan pinnalla, kukaan ei olisi laskemassa siihen liittyviä todennäköisyyksiä. Olemme saavuttaneet kehäpäätelmän.
Voimme kysyä onko muualla elämää mutta emme voi vastata siihen käyttämällä havaintoina yhtä ainoaa tuntemaamme esimerkkiä, elävää planeettaa Maa. Syynä on se, että Maapallolla voi olla elämää riippumatta siitä onko sitä muualla. Vastaavasti, elämän olemassaolo muualla ei riipu siitä, onko planeetallamme joku etsimässä siitä merkkejä. Jos asetamme sen subjektiivisen lähtökohdan, että elämä muodostuu ja kehittyy muualla aivan kuten Maapallollakin, voimme laskea Kippingin tapaan todennäköisyyksiä mutta maanulkopuolisen elämän ei tarvitse piitata niistä tippaakaan. On vain hyväksyttävä, että siitä lähtökohdasta ei voida saada objektiivisesti selville olemmeko yksin.
Vailla esimerkkejä maanulkopuolisesta elämästä, emme voi selvittää sen kehittymisen todennäköisyyttä objektiivisesti. Voimme kuitenkin tehdä sen hyväksymällä, että kyseessä on subjektiivinen arvio — siinä arviossa valtaosa tutkijoista, allekirjoittanut mukaan lukien, on luultavasti samaa mieltä Kippingin julkaisemien tulosten kanssa.
On todennäköistä, että maailmankaikkeuteen mahtuu muitakin eläviä planeettoja. Teknisten sivilisaatioiden synty taas vaikuttaa epätodennäköisemmältä. Subjektiivisesti.
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 