Kuusi miljardia maapalloa
Aurinko on vain yksi Linnunradan, oman kotigalaksimme tähdistä. Samoin Linnunrata on vain yksi näkyvän universumin galakseista. Tähtiä on siten taivaalla havaittavissa niin käsittämätön määrä, että inhimillisen käsityskyvyn rajat tulevat vastaan niiden kokonaismäärää laskettaessa.
Jätämme nyt huomiotta sen tosiasian, että maailmankaikkeus jatkuu siitä näkemämme pienen nurkkauksen ulkopuolella. Voimme havaita vain pienen osan universumiamme, koska valonnopeuden rajallisuuden ja universumin 13.8 miljardin vuoden iän vuoksi valoa on ehtinyt saapua havaintolaitteisiimme vain rajallisesta osasta maailmankaikkeutta. Se osa on muodoltaan pallo, joka kasvaa valonnopeudella, mutta emme kykene edes arvioimaan kuinka suuri maailmankaikkeus on tämän havaittavan osan ulkopuolella. Emme tiedä universumistamme tässä mielessä edes perusasioita.
Linnunradassa on arviolta 100 miljardia tähteä. Jos kaikki näkyvän universumin noin 1000 miljardia galaksia ovat suunnilleen saman kokoisia, voimme arvioida, että näkyvässä osassa universumia on noin 1023 tähteä. Maapallon hiekkarannoilla ei ole läheskään niin montaa hiekanmurusta. Parasta asiassa on se, että likimain jokaista tähteä kiertää planeetta tai planeettoja (1). Näkyvässä maailmankaikkeudessa on siis ainakin noin 100000000000000000000000 (23 nollaa) planeettaa. Olisi omituista, täysin hämmästyttävän outoa, jos niiden joukkoon ei mahtuisi maankaltaisia planeettoja — sellaisia maailmoja, joden pinnalla vesi virtaa ja joita ympäröi silikaattivaipan ja kaasukehän rajapinnassa biosfääriksi kutsuttu ohut kerros, jossa elävät organismit kukoistavat.
Aurinko on kaikenlaista luokittelua rakastavien tähtitieteilijöiden jargonissa ”pääsarjaan kuuluva G-spektriluokan tähti”. Sellaiset tähdet loistavat väriltään keltaisina. Himmeämpiä oransseja tähtiä kutsutaan K-spektriluokan tähdiksi ja hiukan kirkkaammat kohteet ovat spektriluokassa F. Näitä kolmea tähtien luokkaa pidetään yleisesti suunnilleen auringonkaltaisina ja Linnunradan tähdistä niitä onkin yhteensä noin 20% — yleisempiä ovat vain punaiset M-spektriluokan kääpiötähdet, tai lyhyesti punaiset kääpiöt, joita on suunnilleen kolme neljännestä kaikista tähdistä.
Spektriluokalla tarkoitetaan karkeasti sitä, millä aallonpituusalueella tähdet loistavat kirkkaimmin. Aurinko loistaa voimakkaimmin näkyvän valon keltaisella aallonpituusalueella, kun taas K-luokan tähdet ovat himmeämpiä ja loistavat kirkkaimmillaan oranssin värin alueella. F-luokan tähdet taas loistavat Aurinkoa voimakkaammin vaaleankeltaista valoa. Planeettojen ja niiden olosuhteiden osalta oleellista on tähtien kirkkaus. Auringonkaltaiset tähdet säteilevät kirkkaammin ja kuumempana kuin punaiset kääpiöt, mikä vaikuttaa niitä kiertävien planeettojen pintalämpötiloihin. Viileiden punaisten kääpiöiden planeetoilla voi esintyä nestemäistä vettä, jos niiden kiertoradat ovat tähtiä lähellä ja vuoden pituus on kymmeniä päiviä. Auringonkaltaisten tähtien kiertoradoilla vastaavat lämpötilat saavutetaan radoilla, joilla vuoden pituus on kymmenien sijaan satoja päiviä. Erolla on merkittäviä vaikutuksia planeettojen olosuhteisiin.
Tähtien vetovoima aiheuttaa niitä kiertäviin, oman akselinsa ympäri pyörähteleviin planeettoihin vuorovesivoimia, jotka nostavat ja laskevat veden pintaa kuten Maapallolla tai jopa muokkaavat planeetan vaippaa ja kuorta tuottaen kitkalämpöä ja lämmön aiheuttamaa aktiivisuutta. Miniatyyriversio tilanteesta on Jupiterin ja sen kuun Ion muodostama pari. Jupiterin vuorovesivoimat muokkaavat Ion pintaa voimakkaasti saaden sen kuumenemaan ja laukaisemaan tulivuoritoimintaa. Io onkin Aurinkokunnan aktiivisin taivaankappale. Mutta vuorovesien ehkäpä merkittävin seuraus on se, että Ion pyöriminen on synkronissa sen kiertoajan kanssa. Vuorovesivoimat ovat muokanneet kuun pyörimistä kunnes se on lukkiutunut kiertoaikaan ja Io näyttää aina saman puolen Jupiteriin. Oman planeetamme kiertolainen, Kuu, on samalla tavalla synkronissa. Tilanne on maailmankaikkeudessa yleinen.
Valtaosa tähtiä lähellä kiertävistä planeetoista on todennäköisesti synkronissa tähtien voimakkaiden vuorovesivoimien vuoksi. Vain kauempana tähteään kiertävät planeetat välttyvät vuorovesivoimien lukitsevalta vaikutukselta. Siksi vain auringonkaltaisten tähtien elinkelpoisella vyöhykkeellä olevat planeetat voivat pyöriä vapaasti. Vapaa pyöriminen puolestaan tasoittaa planeetan eri puolien lämpötilaeroja lisäten siten elämän edellytyksiä. Se on suurin yksittäinen syy siihen, että lähintä eksoplaneettaa Proxima b ei pidetä kaikilta osin maankaltaisena planeettana. Proxima b:n pyöriminen on synkronissa, koska planeetta matkaa ratakierroksen vain noin 11 päivässä, lähellä tähden pintaa, alttiina vuorovesivoimille.
Vaikka vuorovesivoimilla on muitakin vaikutuksia — ne pyöristävät lähellä tähtiään kiertävien planeettojen radat lähes täydellisiksi ympyröiksi vähentäen vuodenaikojen vaihteluita — elävien, maankaltaisten planeettojen löytämiseksi on parasta tarkastella planeettoja kiertämässä auringonkaltaisia tähtiä. Kepler-avaruusteleskoopin havaintokentässä niitä oli monia kymmeniä tuhansia.
Arvioitaessa kuinka paljon tietyn tyyppisiä planeettoja on kiertämässä kohteeksi valittuja tähtiä, on otettava huomioon mitä havaittiin sekä se, mitä olisi voitu havaita mutta ei havaittu. Periaate on yksinkertainen. Jos löydetään vaikkapa kaksi jollakin kriteerillä maankaltaista planeettaa, kun on havaittu esimerkiksi tuhatta tähteä, ei voida suoraan sanoa, että maankaltaisia planeettoja kiertää kahta promillea tähdistä. Arvioon vaikuttaa kuinka monen tähden maankaltaisia kiertolaisia oltaisiin voitu havaita — kaikkien havaitseminen ei juuri koskaan ole mahdollista. Jos esimerkiksi vain 20 tähdistä on sellaisia, että maankaltaisen planeetan löytö olisi mahdollista tehdä vaivalla hankitun havaintomateriaalin perusteella, lopputuloksena voidaan sanoa, että maankaltaisten planeettojen esiintymisfrekvenssi on 10% — niitä on siis joka kymmenennen tähden kiertolaisina. Se tosiasia, että joukossa oli 980 tähteä, joiden maankaltaisia kiertolaisia ei kyetä näkemään ei vaikuta tulokseen.
Kepler-avarusteleskooppi tarkkaili havaintokampanjansa kuluessa taivaan aluetta, jossa on kymmeniätuhansia tähtiä. Niiden perusteella on laskettu useita erilaisia arvioita planeettojen esiintymisestä galaksissamme. Esimerkiksi Michelle Kunimoto ja Jaymie Matthews kävivät huolellisesti läpi Keplerin kohdeluettelon. He tarkastelivat luettelon tähtien havaittuja ominaisuuksia ja saivat kasatuksi noin 96000 suunnilleen auringonkaltaisen tähden listan rajaamalla liian kuumat ja liian kylmät tähdet pois luettelostaan (2). Heidän määritelmänsä ”auringonkaltaisiksi tähdiksi” oli F, G ja K luokan tähdet, joiden lämpötila on välillä 3900-7300 kelvinastetta — vertailun vuoksi, Auringon lämpötila on noin 5800 K. Seuraavaksi oli vain selvitettävä minkä kokoisia planeettoja kohteiksi valittujen tähtien kiertoradoilla oli erilaisilla kiertoradoilla sekä kuinka pienet planeetat milläkin radalla olivat havaintojen tavoittamattomissa.
Kunimoto ja Matthews saivat huolellisen analyysinsa päätteeksi selville paljonkin maankaltaisten planeettojen esiintymisestä. Ongelmana vain on miten määritellään maankaltainen. Maankaltaiseksi voi kutsua vaikkapa planeettaa, joka on kooltaan suunnilleen Maan kokoinen, korkeintaan 50% pienempi tai suurempi. Kun ottaa huomioon kuinka moni planeetoista on tähtiensä elinkelpoisella vyöhykkeellä, arvioksi maankaltaisten planeettojen yleisyydestä saadaan optimistisesti laskettuna keskimäärin 0.66 planeettaa jokaista tähteä kohti. Se on valtava määrä, ja tarkoittaa sitä, että Linnunradassa on 26 miljardia ehdot täyttävää planeettaa. Kunimoto ja Matthews kuitenkin tyytyivät pessimistisempiin ehtoihin maankaltaisuudesta, ja arvioivat realistisemman määrän olevan korkeintaan noin kuusi miljardia — kokonsa ja pintalämpötilansa puolesta maankaltaisia planeettoja kiertää siis keskimäärin joka viidettä auringonkaltaista tähteä. Silloin pessimistisenkin arvion mukaan potentiaalisesti elinkelpoisia planeettoja on kirjaimellisesti aivan kaikkialla.
Punaisten kääpiötähtien planeetat ovat vielä tätäkin yleisempiä. Planeettoja on vähintään kolme jokaista punaista kääpiötä kohti ja maankaltaisia planeettoja — jos jättää synkronisen pyörimisen maankaltaisuutta heikentävän vaikutuksen huomiotta — on keskimäärin suunnilleen yhtä paljon kuin tähtiä (3). Silloin punaisten kääpiötähtien maankaltaisia planeettoja olisi galaksissamme valtaisa määrä, vähintään noin 75 miljardia. Vaikka jokaista punaista kääpiötähteä ei välttämättä ole kiertämässä ainuttakaan planeettaa, toisten kiertoradoilla niitä on useita. Yksi parhaista esimerkeistä on pienikokoinen, verrattaen lähellä Aurinkokuntaa sijaitseva TRAPPIST-1 tähti. Sitä kiertää seitsemän kiviplaneettaa, joista jopa kuusi katsotaan kooltaan ja lämpötilaltaan mahdollisiksi elinkelpoisiksi planeetoiksi.
Esitetyt lukemat maapallonkaltaisten planeettojen esiintymisestä galaksissamme ovat käsittämättömiä, suorastaan naurettavan suuria ja uskomattomalta tuntuvia. Kolme vuosikymmentä sitten emme tienneet eksoplaneettoja edes olevan olemassa. Nyt tiedämme karkeasti maankaltaisia planeettoja olevan kaikkialla, kiertämässä käytännöllisesti katsottuna jokaista tähteä, galaksimme jokaisessa kolkassa. Siksi on perusteltua ajatella, että galaksimme — samoin kuin koko maailmankaikkeus — suorastaan kuhisee elämää, jota syntyy väistämättä planeettojen vetisten pintojen biokemiallisista prosesseista aina, kun prosessit vain pääsevät kunnolla vauhtiin. Sen lisäksi tarvitaan vain aikaa. Ja aikaa elämän kehittymiseen on ollut kaikkialla jo miljardeja vuosia.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lähteet
- Cassan et al. 2012. One or more bound planets per Milky Way star from microlensing observations. Nature, 481, 167.
- Kunimoto et al. 2020. Searching the Entirety of Kepler Data. II. Occurrence Rate Estimates for FGK Stars. The Astronomical Journal.
- Tuomi et al. 2019. Frequency of planets orbiting M dwarfs in the Solar neighbourhood. AAS Journals, submitted.
Hypoteettiset elämän merkit Venuksessa — mitä seuraavaksi?
Planeettatutkijoiden keskityttyä kehittämään menetelmiä, joilla voisi etsiä elämän merkkejä Marsin pinnalta tai jäisiltä Jupiterin ja Saturnuksen kuilta kuten Europalta ja Enceladukselta, tähtitieteilijät harjoittelivat biomarkkereiden havaitsemista suuntaamalla teleskoopit kohti Venusta. Eksoplaneettatutkijat ovat arvelleet elämän merkkien havaitsemisen eksoplaneettojen pinnalla vaativan jonkin tai joidenkin erityisten molekyylien havaitsemista planeettojen kaasukehissä. Suoraa havaintoa elämästä tuskin voidaan tehdä ainakaan ollessamme kyvyttömiä kuvaamaan planeettoja muutoin kuin muutaman pikselin kokoisina tuhruina. Siksi planeetan kaasukehän tutkiminen spektroskooppisilla havainnoilla jää ainoaksi mahdollisuudeksi.
Elämän olemassaolon paljastaviksi biomarkkereiksi on kaavailtu monenlaisia molekyylejä. Esimerkiksi Maan kaasukehän elämästä aiheutuvan kemiallisen epätasapainotilan voi havaita suoraan näkemällä kaasukehämme olevan suurelta osaltaan happea. Herkästi mineraalien kanssa reagoivan hapen ja sen muodostaman otsonin näkeminen planeetan kaasukehässä tarkoittaa, että jokin prosessi pumppaa jatkuvasti vapaata happea kaasukehään. Maapallolla tämä prosessi on elämän ylläpitämä yhteyttämisreaktio, joten hapen havaitseminen eksoplaneetan kaasukehässä on merkki yhteyttävästä biosfääristä. Happea voi kuitenkin muodostua myös joissakin elottomissa prosesseissa, joten sataprosenttisen varma merkki elämästä se ei ole. Samoin metaanikaasua on ehdotettu hyväksi biomarkkeriksi ja sitä onkin havaittu esimerkiksi Marsin kaasukehässä. Metaania kuitenkin syntyy myös geologisissa prosesseissa tulivuoritoiminnasta, joten Marsia ei voida pitää elävänä planeetana pelkän metaanihavainnon perusteella.
Jane Greaves valitsi tarkasteltavaksi fosfiinin, jota kyllä esiintyy runsaasti kaasujättiläisten Jupiterin ja Saturnuksen kaasukehissä, mutta jolle ei ole osoitetu elotonta muodostumismekanismia venuksenkaltaisten pienten kiviplaneettojen verrattaen matalissa kaasunpaine- ja lämpötilaolosuhteissa. Siksi tutkijat ryhtyivätkin spekuloimaan elämän olemassaololla Venuksen kaasukehässä heti havainnon tehtyään — tiedämme, että Maassa fosfiinia syntyy mikrobien aineenvaihdunnassa hapettomissa olosuhteissa, joten ehdotettu bakteerien elinkierto Venuksen kaasukehän yläosissa voisi selittää fosfiinihavainnon. Vaikka onkin todennäköisempää, että fosfiinia syntyy jossakin toistaiseksi tuntemattomassa elottomassa prosessissa, havainnolla on mielenkiintoisia seurauksia.
Ensimmäinen vaihtoehto on, että fosfiini on syntynyt elottomissa geokemiallisissa prosesseissa Venuksen kaasukehässä tai sen pinnalla. Sellaisten prosessien olemassaolo olisi yllättävää, koska fosfiinia tiedetään syntyvän Maapallolla vain biologisissa prosesseissa. Elottomia kemiallisia prosesseja, jotka tuottaisivat ainetta Maan tai Venuksen olosuhteissa ei tunneta ainakaan toistaiseksi. Sellaisten olemassaolo olisi siten paha takaisku tähtitieteilijöiden suunnitelmille etsiä elämän merkkejä eksoplaneetoilta, koska fosfiinia on ehdotettu eksoplaneettojen biomarkkeriksi (1). Olemme siis paradoksaalisessa tilanteessa, jossa havaintomenetelmät fosfiinin havaitsemiseksi on saatu toimimaan mutta siitä ei välttämättä ole mitään hyötyä elämän merkkien havaitsemisessa eksoplaneettojen kaasukehissä.
Vaihtoehtoisesti Venuksen kaasukehässä on elämää. Se olisi täysin odottamaton tilanne, vaikka onkin spekuloitu mahdollisuudella, että mikrobien elämänkiertosyklit olisivat vain siirtyneet irti planeetan pinnalta (2) sen voimakkaan kasvihuoneilmiön kuumennettua planeetan satojen asteiden lämpötilaan kauan sitten. Ehdotus elämästä venuksen pilvissä on niin yllättävä, että planeettatutkijat eivät ole huomioineet Venusta pitkiin aikoihin suunnitellessaan robottiluotainten lähettämistä tutkimaan Aurinkokunnan kappaleita. Olemme saaneet hiljattain valtavasti tietoa läheisestä Marsista ja kaukaisista Jupiterista, Saturnuksesta ja jopa Plutosta mutta harva luotain on vieraillut Venuksen lähettyvillä. Poikkeuksena on Venuksen kaasukehää tutkiva Akatsuki-satelliitti mutta sekin pääsi tositoimiin vasta viisi vuotta aiottua myöhemmin epäonnistuttuaan saavuttamaan planeetan kiertoradan ensimmäisellä yrityksellään.
Historiassaan Venus on luultavasti ollut hyvinkin maankaltainen ja elinkelpoinen. Se on saattanut olla jopa Aurinkokunnan ensimmäinen elämälle suotuisa planeetta ja sen pintaolosuhteet ovat voineet pysyä elämälle suotuisina jopa kaksi miljardia vuotta — vasta tämän jälkeen voimakas kasvihuoneilmiö on tehnyt planeetan pinnasta nykyisenkaltaisen elämälle vihamielisen noin 500 celsiusasteen pätsin (3). Todennäköisempää kuitenkin on, että Venus pysyi vain osittain maankaltaisena olosuhteiltaan korkeintaan joitakin satoja miljoonia vuosia ja planeetalla ei ole koskaan ollut merkittäviä määriä vettä (4).
Jos Venuksen kaasukehään on jäänyt karu elinympäristö, jossa planeetalla syntynyt elämä jatkaa kitukasvuista kukoistamistaan, se tarkoittaisi, että elämää syntyy aina ja kaikkialla ja se selviää vakavistakin planetaarisista kriiseistä paeten vain jäljelle jääviin elinkelpoisiin biosfäärin nurkkauksiin. On kuitenkin toinenkin vaihtoehto. Ehkäpä Venuksen ja Maan elämän alkuperä on yhteinen, jolloin ensimmäiset elävät solut olisivat syntyneet jomman kumman planeetan pinnalla ja matkanneet myöhemmin planeetalta toiselle. Se olisi todiste panspermiahypoteesin puolesta ja osoittaisi, että elämä osaa avaruusmatkailun ja kykenee levittäytymään läpi avaruuden saatuaan edes kerran jalansijan edes yhden planeetan pinnalla. KVaikka on vielä kolmaskin vaihtoehto, kukaan tuskin tosissaan ajattelee, että eläviä soluja olisi päätynyt Maasta Venukseen Venera tai Vega -ohjelmien aikana ja sopeutunut sen olosuhteisiin muutaman vuosikymmenen kuluessa.
Ainoa tapa varmistua elämän olemassaolosta Venuksen kaasukehässä, on lähettää paikan päälle robotisoitu tutkimuslaboratorio — jonkinlainen kaasukehässä lentävä, kaasunäytteitä keräävä ja analysoiva robottiluotain. Sellainen olisi teknisesti arkipäiväistä ja historiallisesti vain sen toistamista, mitä Neuvostoliiton luotaimilla tehtiin jo 1980-luvulla. Vega-ohjelman luotaimien mukana Venukseen lähetettiin leijuvia kaasupalloja, joiden instrumentit kartoittivat planeetan kaasukehän ominaisuuksia. Ne vain ovat jääneet paljolti unohduksiin, koska palloissa ei ollut kameroita, joilla venuksen kaasukehästä olisi saatu maisemakuvia. Suurempaa huomiota saivatkin Venera-laskeutujat, jotka ottivat Venuksen pinnalta kuvia (Kuva 2.).
Venuksen tutkimiseksi on kuitenkin esitetty kunnianhimoisia suunnitelmia. NASA:n visionäärit ovat suunnitelleet jopa leijuvan kaupungin tai tutkimusaseman rakentamista Venuksen yläilmakehään, jossa lämpötila ja paine ovat samaa luokkaa kuin Maan pinnalla. Venuksen kaasukehässä on syövyttävää rikkihappoa mutta leijuvan kaupungin rakentaminen olisi silti teknisesti mahdollista. Sellaisella tutkimusasemalla kysymys kaasukehän elävistä organismeista voitaisiin ratkaista hyvinkin lopullisesti.
Jotakin on joka tapauksessa tapahtumassa. Venus on palannut planeettatutkimuksen keskiöön ja näemme varmasti luotainten paluun tutkimaan planeetan kaasukehää. Alkamassa voi olla jopa uusi kilpailu, jossa valtiot ja yritykset kilpailevat siitä kuka onnistuu selvittämään Venuksen kaasukehän fosfiinin mysteerin ensimmäisenä. Sen kilpailun tuloksia kannattaa jäädä odottelemaan.
Perhaps space race hasn't died yet. Good, if it helps increase planetary science budgets.
— Mikko Tuomi (@mustapipa) September 16, 2020
"Russia's space agency has announced an independent national effort to explore Earth's twin after news there could be signs of life in the Venus' clouds." https://t.co/7nWg2wS5v3
Lähteet
- Sousa-Silva et al. 2020. Phosphine as a biosignature gas in exoplanet atmospheres. Astrobiology, 20.
- Seager et al. 2020. The Venusian Lower Atmosphere Haze as a Depot for Desiccated Microbial Life: A Proposed Life Cycle for Persistence of the Venusian Aerial Biosphere. Astrobiology, in press.
- Way et al. 2016. Was Venus the first habitable world of our solar system? Geophysical Research Letters, 48, 8376.
- Wroblevski et al. 2019. Ovda Fluctus, the festoon lava flow on Ovda Regio, Venus: Not silica‐rich. Journal of Geophysical Research: Planets, 124, 2233.
Esiintyykö Venuksen kaasukehässä elämää?
Koen olevani optimistinen sen suhteen, kuinka paljon elämää universumissa esiintyy. Ajattelen, että elämää on kaikkialla, missä sen synty on ollut mahdollista geofysikaalisen ja -kemiallisen historian saatossa. Luultavasti elävät organismit osaavat myös matkustaa planetaaristen elinalueidensa välillä liftaamalla kyytejä meteoreilta ja komeetoilta. Ehkäpä elämä matkustaa mikrobien lepoitiöinä jopa planeettakuntien välillä. Asiasta ei ole konkreettista todistusaineistoa mutta olen optimisti. Haluan uskoa, että elämää on aivan kaikkialla siksi, että mielestäni se olisi valtavan mielenkiintoista ja jännittävää, osittain pelottavaakin. Tieteessä mielipiteillä vain ei ole mitään merkitystä.
Havainto elämästä toisella planeetalla on niin valtaisa tieteellinen tulos, että se vaatii tuekseen aukotonta todistusaineistoa. Siksi suhtaudun erittäin skeptisesti kaikkiin väitteisiin, joita on esitetty sen suhteen, onko elämää Marsissa, Europan jääkuoren alla tai muilla Aurinkokunnan kappaleilla, joissa fysikaaliset olosuhteet mahdollistavat elämän esiintymisen. Ehkäpä voimme lisätä luetteloon myös Venuksen — siellä elämää voisi hypoteesin mukaan esiintyä kaasukehän yläosissa, jossa lämpötila on varsin miellyttävä ja elämän rakennuspalikat ovat kaasumaisessa muodossaan saatavilla. Mutta mitä oikein tiedämme elämästä Venuksen kaasukehässä ja onko sen olemassaolon puolesta esitetty lähemmän tarkastelun kestävää todistusaineistoa?
Tuoreen Sara Seagerin johtaman tutkimusryhmän julkaiseman tuloksen mukaan, elämää voi esiintyä Venuksen polttavan kuuman pinnan yläpuolella, yläilmakehän leppoisammissa olosuhteissa (1). Venuksen kaasukehässä vesihöyryä on vain hyvin vähän. Silti, mikrobit saattaisivat kyetä selviytymään pienten vesipisaroiden sisällä, suojassa rikkihapon kyllästämältä kaasukehältä. Tuottaakseen energiaa ja rakennusmateriaalia, ne luultavasti tarvitsisivat kyvyn yhteyttää, kuten oman planeettamme kasvit ja sinibakteerit. Kosteuden ja ravinteiden vähäinen määrä tekisi elämästä hidaskasvuista mutta sen olisi oltava hyvin kestävää ja monipuolista aineenvaihdunnaltaan.
Venuksen kaasukehässä mikrobien elämänkierto olisi kuitenkin verrattaen yksinkertainen. Mikrobien lepoitiöt pärjäisivät kaasukehän alemmissa kerroksissa, ei kuitenkaan niin alhaalla, että pinnan kova kuumuus tuhoaisi ne. Tiedämme oman planeettamme mikrobifaunasta, että lepoitiöt selviävät laajassa skaalassa olosuhteita ja voivat paremmissa oloissa virota eloon, käynnistäen aineenvaihduntansa. Kun kaasukehän virtaukset kuljettavat itiöt ylemmäksi suotuisampiin olosuhteisiin, ne voisivat kerätä ympärilleen pieniä määriä kosteutta ja ryhtyä aktiivisiksi. Se voisi tapahtua aivan fysiikan lakien mukaan — Maapallollakin sadepisarat syntyvät pienten tiivistymiskeskusten ympärille, joita ovat tyypillisesti pienet pölyhiukkaset mutta myös bakteerisolut. Mikrobit voisivat elää ja jakautua pienenpienissä vesipisaroissa, jotka sitten kasvettuaan hiukan suuremmiksi painuisivat alemmas kaasukehässä, haihtuisivat, ja jättäisivät mikrobit lepoitiöiksi odottamaan uutta virtausta ylemmäs (Kuva 1.).
Jotta Venuksen kaasukehässä voisi olla elämää, on oltava myös realistinen kehityskulku sille, miten eläviä soluja päätyi ja sopeutui Venuksen epätodennäköisiin olosuhteisiin. Tiedämme kuitenkin, että Venus ei ole aina ollut äärimmilleen voimistuneen kasvihuoneilmiön kourissa, vaan se oli nuoruudessaan hyvinkin Maata muistuttava planeetta, jonka pinnalla elämä saattoi syntyä ja kukoistaa miljoonia muttei miljardeja vuosia (2). Olosuhteiden hiljalleen muututtua elinkelvottomiksi planeetan pinnalla, elämä olisi saattanut jatkaa kukoistustaan ainoassa mahdollisessa jäljelle jääneessä paikassa, jossa lämpötila ei kohonnut liian suureksi — 50-60 kilometrin korkeudessa kaasukehässä. Seager ryhmineen huomauttaa, että Maassa on meneillään samankaltainen kiertokulku, kun mikrobit kohoavat tuulien mukana taivaalle, joutuvat vesipisaroiden tiivistymisytimiksi ja palaavat maanpinnalle sateen mukana. Venuksessa sama kiertokulku vain voisi toimia kaukana pinnan yläpuolella.
Jos Seagerin tutkimusryhmän hämmästyttävä hypoteesi on oikea, ja elämää esiintyy korkealla Venuksen yläilmakehässä, miten sen merkkejä voitaisiin havaita? Astrobiologit ovat miettineen tapoja havaita elämän merkkejä eksoplaneettojen pinnalla, joten asiasta on olemassa runsaasti ajatuksia ja tutkimustuloksia. Ilmalaivan tavoin seilaavan robottiluotaimen lähettäminen paikanpäälle tutkimaan kaasukehän biokemiaa olisi yksi varteenotettava vaihtoehto, ja sellaisia on suunniteltukin niin Neuvostoliiton Venera projektin aikoihin 1970-luvulla kuin aivan hiljattain NASA:n toimesta. Neuvostoliiton Vega projektissa Venuksen kaasukehään lähetettiin jopa kuumailmapalloja mittaamaan kaasukehän fysikaalisia olosuhteita. Elämän havaitsemiseen niitä ei kuitenkaan oltu suunniteltu.
Elämää voitaisiin kuitenkin havaita epäsuoralla tavalla, tarkkailemalla Venuksen kaasukehän koostumusta tarkoilla spektrografeillla Maasta käsin. Sellaiset havainnot ovat arkipäivää tähtitieteessä ja on ehdotettu, että tiettyjen biologisista prosesseista kertovien kaasujen havaitseminen voisi onnistua jopa eksoplaneettojen kaasukehistä. Mutta millaisten molekyylien havaitseminen olisi kiistaton merkki elämästä vieraassa paikassa, jonka kemiasta tiedämme vain hyvin vähän? Astrobiologeilla on kuitenkin olemassa vastaus tähänkin.
Fosfiini on yksinkertainen molekyyli, joka koostuu kolmesta fosforiatomiin liittynestä vetyatomista. Se on erittäin myrkyllinen, äärimmäisen reaktiivinen ja sitä käytetään lähinnä kemianteollisuuden reagenssina. Fosfiinia esiintyy Maapallolla hapettomissa olosuhteissa, joissa sitä on arveltu syntyvän mikrobien aineenvaihduntatuotteena. Fosfiinia on siksi ehdotettu molekyyliksi, jonka havaitseminen eksoplaneetan kaasukehästä kertoisi elämän esiintymisestä planeetalla (3). Mutta kyseessä on vain epäsuora havainto, ja se perustuu negatiiviseen tulokseen — tutkijat eivät ole yrityksistään huolimatta onnistuneet löytämään tapaa, jolla fosfiinia voisi muodostua elottomalla planeetalla. Ehkäpä heillä vain ei ole ollut tarpeeksi mielikuvitusta.
Tuoreiden havaitojen perusteella Venuksen kaasukehässä tosiaankin on fosfiinia (4). Jos aineella ei ole elottomia muodostumismekanismeja, sen on siis oltava elävien solujen tuottamaa. Tässä kohdassa on kuitenkin otettava avuksi Occamin partaveitsi. Se havainto, että Venuksen kaasukehässä esiintyy fosfiinia voi selittyä kahdella tavalla: joko Venuksen kaasukehässä on elämää tai sitten fosfiinia muodostuu toistaiseksi tuntemattoman elottoman prosessin seurauksena kaasukehässä, jonka ominaisuudet ja koostumus ovat vielä suureksi osaksi tuntemattomia. Molemmat tavat sopivat havaintoaineistoon yhtä hyvin mutta ei liene tarpeellista kertoa kumpi on yksinkertaisempi ja siten parempi selitysmalli.
Elämän löytyminen Venuksen kaasukehästä olisi valtaisa uutinen, ja tarkoittaisi sitä, että elämää on jotakuinkin varmasti aivan kaikkialla maailmankaikkeudessa, missä olosuhteet vain ovat sopivat. Sellainen poikkeuksellisen merkittävä tulos on kuitenkin näytettävä toteen poikkeuksellisella varmuudella. Jos on mahdollisuus, edes hyvin pieni sellainen, että havainnot voi selittää omalla tietämättömyydellämme, olen valmis lyömään vetoa sen puolesta, että elämää ei vielä ole havaittu planeettamme biosfäärin ulkopuolelta. On yksinkertaisesti luultavampaa, että emme tunne jotakin tapaa tuottaa fosfiinia elottomilla prosesseilla kuin että Venuksen kaasukehässä tosiaan olisi elämää. Siksi tekstin otsikkokin on kysymysmuodossa — Betteridgen laki sanoo, että vastaus sensaatiomaisiin kysymysotsikoihin on aina yksiselitteinen ”ei”. Toivon olevani väärässä mutta vasta tulevat havainnot näyttävät saako ehdotus elämästä tukea vai ei.
Voimme kuitenkin tehdä ajatuskokeen ja olettaa, että Venuksen kaasukehässä tosiaankin on elämää. Sillä olisi arvaamattomia seurauksia. Voisimme päätellä, että elämää on siinä tapauksessa lähes kaikkialla, missä olosuhteet vain ovat sopivat sen muodostumiselle ja kehittymiselle. Kyseessä olisi kuitenkin huono uutinen ihmiskunnalle. Vastaus Fermin paradoksiin ja kysymykseen siitä, miksi emme ole havainneet merkkejä teknisistä sivilisaatioista ei silloin ole se, että elämän synty ja esiintyminen on harvinaista. Ehkäpä emme ole vielä selvinneet kosmisesta seulasta ja todennäköinen syy Fermin paradoksiin ei löydykään menneisyydestämme, vaan tulevaisuudestamme — ehkäpä tekniset sivilisaatiot tuhoavat synnyinplaneettansa elämän edellytykset ennen kykyään levittäytyä avaruuteen ja muuttaa toisille planeetoille.
Kukapa tietää. On edelleen avan liian aikaista vetää johtopäätöksiä.
Lähteet
- Seager et al. 2020. The Venusian Lower Atmosphere Haze as a Depot for Desiccated Microbial Life: A Proposed Life Cycle for Persistence of the Venusian Aerial Biosphere. Astrobiology, in press.
- Way et al. 2016. Was Venus the first habitable world of our solar system? Geophysical Research Letters, 48, 8376.
- Sousa-Silva et al. 2020. Phosphine as a biosignature gas in exoplanet atmospheres. Astrobiology, 20.
- Greaves et al. 2020. Phosphine gas in the cloud decks of Venus. Nature Astronomy.
Katastrofialue Maa
Planeettamme syntyi steriilinä. Kiinteän pinnan muodostuttua, Maan lämpötila putosi hiljalleen riittävän matalaksi, jotta avaruudesta jatkuvana virtana planeetalle leijuneet orgaaniset molekyylit eivät enää hajonneet kuumuudessa. Valtavat meteorit ja komeetat kuumesivat pintaa ja tulivuoret olivat aktiivisia mutta komeettojen mukana planeetallemme saapui vesi. Valtameret muodostuivat. Orgaaninen aines saattoi liueta universaaliin liuottimeen ja reagoida tuottaakseen kompleksisempia muotoja. Merenpohjan tuliperäinen aktiviteetti tuotti luultavasti sen alkuperäisen energiavirran, jonka valjastamisen rakenne-energiaksi ja aineenvaihduntaa ylläpitäväksi voimaksi ensimmäiset elävät solut hallitsivat. Planeettamme oli saastunut elämän voimalla ja kun elämä saa kerran jalansijan planeetasta, sitä on lähes mahdotonta hävittää. Lähes.
Energeettiset kosmiset törmäykset kuten se, jossa protoplaneetta törmäsi proto-Maahan ja lopputuloksena kiertoradalle singonneesta materiasta muotoutui Kuu, steriloivat elävän planeetan varmasti. Viimeisin steriloiva törmäys kuitenkin sattui vähintäänkin 3.8 miljardia vuotta sitten, koska sen aikakauden kallioperää on säilynyt näihin päiviin asti ja siinä on elämän merkkejä. Jos aivan ensimmäinen Maapallolla muodostunut elämä kuoli viimeisissä steriloivissa törmäyksissä, kaikki todistusaineisto sen muinaisesta olemassaolosta on hävinnyt. Koko nykyinen biodiversiteettimme on tätä hypoteettista, varhaista elämää uudempaa syntyperää. Mutta sekin on kokenut valtaisia romahduksia — ei kuitenkaan mitään, mikä olisi edes lähellä steriloida planeettamme uudelleen.
On vaikeaa ajatella miten planettamme voisi nykyisellään steriloitua. Edes valtavan kappaleen törmäys ei nykyisellään välttämättä tekisi sitä täysin, koska osa kiertoradalle ja Aurinkoa kiertävälle radalle päätyvästä kiviaineksesta sisältäisi mikrobeja. Osa niistä säilyisi varmasti hengissä ja elämä palaisi lopulta planeetallemme aloittaakseen biodiversiteetin muodostamisen uudestaan. Valtavia kappaleita ei edes tunneta radoilla, joilla ne voisivat törmätä Maahan — suurin Maan rataa lähellä käyvä kappale on kooltaan vain noin 38 kilometriä. Sellainen aiheuttaisi valtavaa globaalia ja täydellistä paikallista tuhoa planeettaamme osuessaan mutta elämä jatkaisi kehittymistään osuman jälkeen. Tiedämme asian varmasti, koska suunnilleen samankokoinen kappale iskeytyi 65 miljoonaa vuotta sitten Yukatanin niemimaalle aiheuttaen massasukupuuton ja tappaen muiden muassa lentokyvyttömät dinosaurukset. Silloin tuhon tuhkasta nousivat nisäkkäät ja oma evolutiivinen kehityslinjamme pääsi muodostumaan.
Nykyinen uhkamme poikkeaa asteroideista, kuten Chicxulubin kraatterin jälkeensä jättänyt kappale, joka käynnisti liitukauden massasukupuuton. Uutiset kertovat, miten Yhdysvaltojen länsirannikko kärsii kuivuudesta ja ennätyksellisen laajoista tulipaloista. Amazonin sademetsän kosteikkoalueet haihtuvat niinikään savuna ilmaan. Siperian ja Kanadan pohjoiset alueet palavat. Syynä ovat paikallisesti muuttuneet sademäärät, lisääntynyt kuumuus ja kuivuus, ja se yksinkertainen tosiasia, että uudet ilmasto-olosuhteet eivät sovi yhteen planeettamme metsien menneen levinneisyyden kanssa. Olemme muuttaneet planeettamme ilmastoa siten, että suurin osa puista ei enää selviä. Kuivuus ja tulipalot eivät ole tuhon syitä, vaan muutoksen seurauksia.
Suuret osat Kalifornian ja Oregonin osavaltioista ovat peittyneet sankkaan Auringon pimentävään savuun. Sen seurauksena miljoonat ihmiset ovat katselleet punaista taivasta — aivan kuin Maa olisi siirtynyt, kuin taikaiskusta, punaisen kääpiötähden kiertoradalle. Ironisesti, eksoplaneettojen metsästäjät ja niistä kiinnostuneet ihmiset ovat vuosikausia koettaneet kuvitella sitä näkymää, mikä punaista kääpiötä kiertävän elinkelpoisen planeetan pinnalla odottaisi. Ehkäpä voimme vain vierailla Kaliforniassa selvittääksemme sen.
The first one of these images is real, showing the Sun whose radiation is largely blocked by smoke from record-breaking forest fires. It demonstrates the future of climate breakdown.
— Mikko Tuomi (@mustapipa) September 9, 2020
Other pictures are artists’ depictions, view from planets orbiting red dwarf stars. pic.twitter.com/RPKWc8KrF6
Tulipalot ovat ehkäpä näyttäviä ja herättävät huomiota niidenkin ihmisten keskuudessa, jotka ovat aiemmin vain tuhahtaneet epäuskoisesti, kun ovat kuulleet puhuttavan ilmastokatastrofista. Suurin osa nykyisestä katastrofien aallosta kuitenkin tapahtuu hiljaa, poissa otsikoista ja näyttävistä uutiskuvista. Planeettamme biodiversiteetti ja siten oma elossapitojärjestelmämme häviää pala palalta, metsikkö, elinympäristö ja populaatio kerrallaan. Siitä varoittaa Maailman luonnonsäätiö tuoreessa raportissaan.
Biodiversiteetti katoaa jokaisella mantereella (Kuva 1.). Syynä katoamiseen on ihminen — ihminen valtaa maata ja hävittää siltä luonnon, käyttää eläimiä ja kasveja raaka-aineena ja ravintona, levittää vieraslajeja kaikkiin ekosysteemeihin, saastuttaa elinympäristöjä, ja muuttaa ilmastoa ja siten elinolosuhteita. Meneillään on kuudes massasukupuutto. Se on erittäin poikkeuksellista, sillä koskaan ennen planeettamme biosfäärin historiassa yksittäinen laji ei ole ollut syypäänä globaaliin sukupuuttoaaltoon.
Tähtitieteen näkökulmasta tilanne on selkeä. Maa on siitä poikkeuksellinen planeetta, että se kykenee ylläpitämään elävää verkostoaan siinä ohuessa rajapinnassa, jossa lempeä, rauhallinen ilmakehä kohtaa viileän maan ja jossa esiintyy nestemäistä vettä. Samanlaisia planeettoja on luultavasti maailmankaikkeudessa lukemattomia mutta emme osaa vielä sanoa juuri mitään siitä, kuinka yleisiä elävät planeetat ovat. Maapallo kuitenkin on sellainen ja sitä emme voi muuttaa mutta voimme heikentää planeettamme elinkelpoisuutta merkittävästi, kun sen suhteuttaa oman lajimme ja miljoonien muiden lajien elossapysymisen vaatimuksiin. Kuten raportti osoittaa, heikentäminen on edennyt jo vuosikymmeniä ja on kovassa vauhdissa.
Ehkäpä kyvyttömyytemme muuttaa toimintaamme, lukemattomista varoituksista ja soivista hälytyskelloista huolimatta, kuvastaa vain yksinkertaista biologista tosiasiaa — populaatiot, jotka tähtäävät kasvuun syrjäyttävät aina toiset populaatiot, jotka eivät kasva. Siten teknisen sivilisaation kohtalo on aina sidottu sen biologiaan. Kasvun saavutettua elinympäristön kantokyvyn, seuraa aina romahdus ja kun kyseessä on globaalin vaikutuksen omaava teknisesti kehittynyt laji, romahdusta onnistutaan siirtämään siihen pisteeseen asti, että se tapahtuu äärimmäisen voimakkaana ja vie mukanaan lukemattomia muitakin lajeja. Siten teknisen sivilisaation olemassaolon päätepistettä edeltää aina kiihtyvä biodiversiteetin ja planetaaristen elinolosuhteiden romahtaminen.
Ajatus on surullinen ihmislajin kannalta muttei planeettamme kannalta. Biodiversiteetti toipuu ihmisen vaikutuksen loputtua. Elämä palaa niille alueille, joilta olemme sen tuhonneet, ja planeettamme luonnolliset syklit saavat taas ottaa vallan ja kontrolloida elämän edellytyksiä. Jääkaudet seuraavat toisiaan ja merenpinnan korkeus vaihtelee. Mutta toisin kuin tänään, mutokset tapahtuvat ihmisen hävittyä niin hitaasti, että biosfääri ehtii sopeutua, mukautua ja kehittyä.
Kaikki ympärilläni näkemäni vahvistaa ajatusta, että ehkäpä teknisten sivilisaatioiden olemassaoloa galaksissamme ja maailmankaikkeudessa rajoittaa kaikkein voimakkaimmin aika. Ehkäpä globaalien elinolosuhteiden heikentäminen on syynä teknisten sivilisaatioiden tuhoon kaikkialla. Siten ilmastokatastrofi, biodiversiteettikato ja monet muut itseaiheutetut kriisimme ovat vain jatkumoa ja osa tapahtumasarjaa, joka on toistunut lukemattomia kertoja toisilla elinkelpoisilla planeetoilla. Lohdullista asiassa on vain se, että myös niillä toisilla planeetoilla elämä on voittanut ja globaalin tuhon tuhkasta on noussut uusi biodiversiteetti. Ehkäpä meillä on vielä aikaa löytää sellaisia planeettoja ennen kuin oma elossapitojärjestelmämme lakkaa toimimasta.
On myös mahdollista, että vältämme romahduksen ja onnistumme torjumaan globaalin kriisimme päättäväisin toimin. Ne toimet olisi kuitenkin pitänyt aloittaa teollisessa mittakaavassa jo eilen. Huomenna on myöhäistä ja paikalliset apokalyptiset näkymät ovat tulevaisuutemme globaalisti.
Climate breakdown is giving rise to apocalyptic views. pic.twitter.com/DW2eRlVllu
— Mikko Tuomi (@mustapipa) September 7, 2020
Erilaiset maailmat: eksoplaneettojen hämmästyttävä diversiteetti
Tunnemme jo yli 4000 eksoplaneettaa kiertämässä Auringon lähitähtiä. Tietomme planeetoista ja planeettakunnista ovat kasvaneet eksponentiaalisesti viimeisen 25 vuoden aikana — sinä lyhyenä ajanjaksona, kun eksoplaneettojen löydöt ovat olleet tieteen valtavirtaa. Eksoplaneettojen tutkimus on tähtitieteen haarana ja osa-alueena nuori mutta vakiintunut — ja yksi mielenkiintoisimmista, koska planeettoja on niin monenlaisia, erilaisilla radoilla kiertämässä erilaisia tähtiä.
Aurinkokunnasta tuttu luokittelu kivisiin sisäplaneettoihin ja kaasumaisiin ulkoplaneettoihin, on ehkäpä tunnetuin tapa jaotella planeettoja omiin lokeroihinsa. Jaottelu on myös omalla tavallaan helpon intuitiivinen. Pienet kiviset planeetat kiertävät Aurinkoa sen lähettyvillä kun taas suuret kaasumaiset planeetat ovat kauempana, Aurinkokunnan ulko-osissa. Pienet kappaleet, kuten Pluto ja muut kääpiöplaneetat, rikkovat tätä intiutiivista illuusiota harmoniasta ja osittain siitä syystä Pluto onkin luokiteltu uudelleen kääpiöplaneetaksi varsinaisen planeetan sijaan.
Koska perinteinen luokittelumme perustuu vain yhteen esimerkkiin, Aurinkokunnan tuttuihin planeettoihin, se ei kuvasta juuri lainkaan muita tähtiä ympäröiviä ja kiertäviä planeettakuntia ja planeettoja. Aurinkokunta on oikeastaan erikoinen, eriskummallinen luonnonoikku, joka poikkeaa tavanomaisista planeettakunnista jokseenkin joka tavalla. Luokittelut ovat lisäksi väistämättä keinotekoisia, luonnon jatkumoon näennäistä järjestystä tuovia konstruktioita, joita ei todellisuudessa ole olemassa muualla kuin luokitteluista pitävien ihmisten mielissä. Luonnon ei tarvitse piitata veteen piirtämistämme erilaisten luokitusten välisistä viivoista hitusenkaan vertaa.
Havainnot vääristävät
Se, mitä tiedämme eksoplaneetoista ja eksoplaneettakunnista, riippuu voimakkaasti siitä, mitä voimme havaita. Tällä yksinkertaisella tosiasialla on suunnattomia vaikutuksia siihen, mitä saamme tietää ja mitä kykenemme tutkimaan.
Erilaisilla havaintomenetelmillä voidaan luonnollisesti havaita erilaisia planeettoja ja niiden eri ominaisuuksia. Doppler spektroskopialla tai radiaalinopeusmenetelmällä havaitaan planeettoja tarkastelemalla tähden heilahtelua avaruudessa. Heilahtelu havaitaan mittaamalla tähden valon Doppler siirtymää, eli siirtymää sinisemmäksi ja punaisemmaksi, kun tähti liikkuu näkymättömän planeetan vetovoiman vaikutuksesta meitä kohti ja meistä poispäin. Havainto on sitä helpompi mitä suurempi planeetta on kyseessä, koska planeetan vetovoima ja siten tähden heilahtelun suuruus riippuu suoraan planeetan massasta. Havaitsemme siten suuremmat planeetat pienempiä helpommin ja varmemmin.
Pienet tähdet taas heilahtelevat voimakkaimmin. Jos tähti on massaltaan pieni, esimerkiksi pienimassainen punainen kääpiötähti, planeetan vetovoima heilauttaa sitä voimakkaammin kuin massiivisempia auringonkaltaisia, keltaisia spektriluokan G kääpiötähtiä. Kaksi Aurinkoa lähintä planeettakuntaa on havaittu juuri punaisten kääpiötähtien Proxima Kentauri ja Barnardin tähti ympärillä. Samalla muodostuu toinen havaintojen tuottama harha — planeettoja on helpompaa löytää keveämpien tähtien kiertoradoilta, joten niitä löydetään enemmän kuin planeettoja kiertämässä massiivisia tähtiä.
Myös planeetan radalla on merkitystä. Havainnot ovat sitä helpompia ja varmempia mitä useampi ratajakso on havaittu. Planeetat, jotka kiertävät tähtensä nopeasti, havaitaan siis todennäköisemmin kuin planeetat, joiden kiertoajat — eli vuoden pituudet — ovat pidempiä. Havaittaessa jaksollista ilmiötä kuten planeetan kiertoliikettä tähden ympäri on lisäksi varmennettava, että se tosiaan on jaksollista. Planeetan liike on siksi tunnettava tyypillisesti ainakin yhden ratajakson ajalta, jotta voidaan varmistua tähden heilahtelun aiheutuvan juuri planeetasta eikä kyseessä ole vaikkapa tähden aktiivisuuden aiheuttama epäsäännöllinen Doppler siirtymäksi tulkittu häiriö. Silloin planeetat, joiden kiertoajat ovat vuosikymmenien mittaisia, jäävät tyypillisesti havaitsematta. Löydämme siis enemmän planeettoja, joiden kiertoajat ovat lyhyitä ja joiden radat ovat lähellä tähtiään. Syy ei ole se, että sellaisia planeettoja olisi välttämättä enemmän, vaan se, että havaitsemme niitä todennäköisemmin.
Pisimmät yhtäjaksoiset lähitähtien havaintosarjat kattavat nykyisellään noin 10, korkeintaan 20 tai erittäin harvoin jopa 30 vuotta joillekin kirkkaille lähitähdille. Aurinkokuntaan suhteutettuna se tarkoittaa sitä, että Auringon 29 vuodessa kiertävä Saturnus olisi vain juuri ja juuri havaittavissa riittävällä varmuudella, vaikka se heilauttaakin aurinkoa havaittavan määrän. Saturnusta pienemmän Neptunuksen havaitseminen ei olisi nykyisellään lainkaan mahdollista. Neptunuksenkaltaisia planeettoja ei siis voi havaita lähitähtien kiertoradoilta, vaikka niitä olisi kirjaimellisesti kaikkialla.
Radiaalinopeusmenetelmällä siis havaitaan helpoiten planeettoja, jotka ovat suurikokoisia massaltaan ja kiertävät pieniä kääpiötähtiä mahdollisimman nopeasti. Siksi pienet auringonkaltaisia tähtiä kiertävät planeetat, jotka matkaavat tähtensä ympäri vuoden tai vuosien kuluessa muutamien päivien sijaan, ovat huomattavasti hankalammin havaittavissa. Niihin kuuluu myös Maa — radiaalinopeusmenetelmällä voidaan havaita noin 0.5 m/s heilahteluita auringonkaltaisen tähden liikkeessä mutta maapallojen aiheuttama heilahtelu olisi vain suuruusluokkaa 0.1 m/s. Sellainen tarkkuus on toistaiseksi saavuttamattomissa. Ylikulkumenetelmällä maapallojen havainnointi on samoin erittäin vaikeaa mutta täysin eri syistä.
Ylikulkuhavainto tarkoittaa sitä, että havaitaan, kun planeetta kulkee tähtensä pinnan editse. Koska planeetat eivät loista kovin kirkkaina, kaukaisista planetoista saadaan tietoa vain havaitsemalla miten tähti näyttää himmenevät prosentin murto-osia planeetan peittäessä pienen osan sen pintaa. Jotta eksoplaneetta kulkisi Maasta katsottuna tähtensä editse, sen ratatason on oltava juuri sopiva. Planeetan on silloin matkattava radallaan täsmälleen maanpäällisten havaitsijoiden ja tähden pinnan välistä. Vain noin prosentilla tähdistä on kiertolaisinaan planeettoja sopivilla radoilla, joten käytännössä on havaittava keskimäärin sataa tähteä, jotta edes yhden planeetan ylikulku voitaisiin nähdä.
Kepler-avaruusteleskoopin tuhannet löydöt onnistuivat vain, koska tähtitieteilijät suunnittelivat teleskoopin havainto-ohjelman oikealla tavalla. Teleskooppi asetettiin Maan kiertoradalle siten, että se kykeni tuijottamaan valittua taivaan kohtaa silmääkään räpäyttämättä muutaman vuoden ajan. Kepler suunnattiin kohtaan taivasta, jossa on samaan aikaan näkyvissä satoja tuhansia tähtiä. Siksi tuhansien eksoplaneettojen löytäminen oli jopa väistämätön lopputulos. Sitä ei tosin tiedetty etukäteen, avaruusteleskooppia suunniteltaessa, koska planeettojen määrää avaruudessa on kyetty arvioimaan luotettavasti vasta juuri Kepler-teleskoopin tulosten avulla.
Yksi ylikulkumenetelmän ongelmista on se jäljelle jäävä valtaosa, 99% tähdistä, joiden planeetat jäävät havaitsematta, koska ne eivät kulje radallaan tähtensä editse. Siksi ylikulkumenetelmällä ei voida havaita Aurinkokuntaa lähinnä sijaitsevia eksoplaneettoja — sadasta lähimmästä planeettakunnasta vain keskimäärin yksi on havaittavissa. Lähimmät ylikulkumenetelmällä havaitut planeetat kiertävätkin tähteä HD 219134 noin 21 valovuoden päässä.
Ylikulkumenetelmällä on muitakin rajoitteita. On kyettävä tuijottamaan valittua kohdetta tai niiden joukkoa keskeytyksettä, pitkiä aikoja. Vain tuntien pituisten planeettojen ylikulkujen havaitseminen on äärimmäisen vaikeaa, koska niiden kiertoajat mitataan suotuisimmillaankin päivissä tai kymmenissä päivissä.
Planeettojen ylikulkujen havaitsemiseen vaaditaan runsaasti puhdasta tuuria. Maan päällä planeettamme pyörähtäminen estää tehokkaasti luotettavat ylikulkujen etsinnät, koska kohteet siirtyvät taivaalla pois näkyvistä aina 24 tunnin sykleissä. Puolta taivaasta ei voida havaita, koska Auringon puolella päivänvalo tekee tähtitieteellisistä havainnoista mahdottomia. Maan vuotuinen kierros Auringon ympäri estää vuorollaan eri taivaan osien havainnot. Ongelmia tuottavat myös ilmakehän vesihöyry ja ajoittainen pilvisyys, joka sulkee optisen ikkunan taivaalle kokonaan. Myös Kuun sattuminen lähelle havaintokenttää nostaa taustavalon määrän liian suureksi tarkoille havainnoille — erityisesti Kuun ollessa täysi. Maan päältä on siten mahdotonta havaita ainuttakaan tähteä yhtäjaksoisesti, pitkiä aikoja, jotta voitaisiin etsiä luotettavasti planeettojen ylikulkuja. Avaruudessa on toisin.
Eksoplaneetan ylikulun luotettavaan havaitsemiseen ei yleensä riitä yksi tunnettu ylikulkutapahtuma. Yksittäinen tähden näennäinen himmeneminen voi johtua jostakin muustakin ilmiöstä, kuten taustataivaan vuorotellen toistensa eteen kiertävistä kaksoistähden komponenteista tai vaikkapa suuresta tähdenpilkusta, joka pyörähtää vuoroin esiin ja vuoroin tähden taakse. On havaittava mieluiten kolme ylikulkua, jotta saadaan kaksi mittausta ratajaksosta ja voidaan varmistua sen pysyneen samana.
Kahden ylikulun havaitseminen ei sekään riitä. Kyseessä voivat olla yksittäiset kahden eri planeetan ylikulut. Silloin menetelmällä havaittavien planeetojen kiertoajoilla on yläraja. Esimerkiksi Kepler avaruusteleskoopin toiminta-ajaksi suunniteltiin 3.5 vuotta. Se olisi rajoittanut planeettojen havainnointia siten, että kappaleet, joiden kiertoaika on noin 400 päivää tai enemmän jäisivät armotta havaitsematta riittävällä varmuudella. Teleskoopin toiminta-aika valittiin sitä silmälläpitäen, että Maata kooltaan ja kiertoratansa ominaisuuksilta muistuttavien planeettojen havaitseminen olisi mahdollisuuksien rajoissa.
Suuremmat planeetat ovat luonnollisesti helpompia havaita kuin pienemmät, jotka himmentävät tähteään vähemmän kulkiessan niiden editse. Tähtensä nopeasti kiertävät planeetat taas tuottavat useamman havaittavissa olevan ylikulun samassa ajassa. Ylikulkumenetelmä on siten parhaimmillaan, kun havaitaan kuumia Jupitereita, jättiläismäisiä planeettoja, jotka kiertävät tähtensä nopeasti, aivan niiden pinnan vieressä. Mutta menetelmä soveltuu vain satunnaisiin kohteisiin, joissa planeettojen ratataso sattuu olemaan sopiva. Sillä ei voida varmistaa muilla menetelmillä havaittujen planeettojen olemassaoloa kuin vain hyvin harvoissa, onnekkaissa tapauksissa.
Havaintomenetelmien herkkyys vaikuttaa havaittujen planeettojen määrään ja ominaisuuksiin voimakkaasti. Saamme niiden vääristävän linssin avulla vinoutuneen kuvan galaktisen lähinaapurustomme planeetoista ja planeettakunnista. Mutta vääristymää voidaan myös korjata — tuntemalla havaintomenetelmän herkkyys eri kokoisille planeetoille erilaisilla radoilla, voidaan arvioida eri kokoisten planeettojen todellinen määrä erilaisilla kiertoradoilla. Kaikista vääristymistä huolimatta, olemme saaneet valtavasti tietoa paikallisesta eksoplaneettapopulaatiosta vain etsimällä planeettoja ja pitämällä kirjaa etsintämenetelmiemme herkkyydestä ja rajoitteista.
Oudot jättiläiset oudoilla radoilla
Päätelmät planeetttojen luonteesta ja yleisyydestä joudutiin tekemään perustuen radiaalinopeushavaintoihin ennen Kepler-avaruusteleskoopin laukaisua vuonna 2009. Radiaalinopeusmenetelmällä tehdyistä planeettahavainnoista on saatu runsaasti tietoa erilaisista planeettatyypeistä (Kuva 1.). Koska jättiläisplaneettojen havainnointi on helpointa, massaltaan Jupiterin ja Saturnuksen suuruiset kappaleet olivat ensimmäisiä planeettoja, joita onnistuttiin löytämään. Mutta ne eivät muistuttaneet juuri lainkaan oman aurinkokuntamme tuttuja jättiläisiä.
Ensimmäiset havaitut eksoplaneetat kuuluivat omituiseen kuumien jupiterien luokkaan — ne ovat jättiläisplaneettoja, joita ei pitänyt olla olemassakaan, kiertämässä tähtiään vain muutamassa päivässä, aivan tähtensä pintaa viistäen. Kuumat neptunuksenkokoiset planeetat ovat myös helposti havaittavissa mutta loistavat, muutamaa poikkeusta lukuunottamatta, poissaolollaan — aivan kuin jokin kosminen voima estäisi niitä muodostumasta. Se kosminen voima on aika. Kuumat Neptunukset menettävät kaasukehänsä tähtien puhaltaessa ne avaruuteen ja muuttuvat pelkiksi karrelle palaneiksi kivisiksi ytimiksi, kuumiksi supermaapalloiksi (Kuva 1.).
Nopeasti kävi myös ilmi, että kauempana tähdestään sijaitsevat viileät ja kylmät jättiläisplaneetat ovat usein hyvin soikeilla kiertoradoilla, joilla niiden etäisyys tähdestä vaihtelee huimasti jo yhden ratakierroksen aikana. Näitä planeettoja kiertää Aurinkokunnan lähitähtiä radoilla, joiden ratajakso on viidestäkymmenestä päivästä aina kymmeniin tuhansiin — Jupiter ja Saturnus sopivat siksi tähän planeettojen joukkoon mainiosti, joskin niiden radat ovat omituisen tarkasti ympyränmuotoisia suhteessa joukon muihin jättiläisiin.
Planeettojen väliset vuorovaikutukset ovat tyypillisesti syynä eksoplaneettojen soikeisiin ratoihin. Vain noin pari prosenttia jättiläisplaneetoista on kiertämässä tähteään Jupiterin ja Saturnuksen tapaan kaukana, usean AU:n päässä, lähes ympyräradalla. Sellaiset järjestelmät ovat hyviä kandidaatteja Aurinkokunnan kaltaisiksi planeettakunniksi. Ne ovat vain valitettavan harvinaisia.
Planeettakuntien syntyhistorioiden tapahtumat ovat vastuussa jättiläisplaneettojen ratojen havaitusta monimuotoisuudesta. Mukana on oleellisesti kaksi planeettojen ratoihin vaikuttavaa tekijää: nuoren, vastasyntyneen tähden ympärille muodostuvan kertymäkiekoksi kutsutun kaasukiekon vuorovaikutus planeettojen ratojen ominaisuuksien kanssa ja planeettojen oma vetovoima. Siten fysikaaliset reunaehdot tuottavat erilaisten planeettojen luokkia, joita ovat jättiläisplaneetoille karkeasti kuumat jupiterit sekä ”klassiset jättiläisplaneetat”. Jupiter ja Saturnus kuuluvat näistä jälkimmäiseen joukkoon, vaikka valtaosa klassisista jättiläisistä onkin soikeilla kiertoradoilla. Mitään tästä emme kuitenkaan tienneet ennen eksoplaneettojen aikakauden alkua. Valtaosa tutkijoista arveli Jupiterin ja Saturnuksen olevan malliesimerkkejä kaasuplaneetoista maailmankaikkeudessamme ja se vaikutti siihen, miten planeettoja 1980- ja 1990-luvuilla, ja vieläkin sitä aiemmin, etsittiin.
Jättiläisplaneetat syntyvät tähtien kiertoradoilla, kun pölyhiukkaset takertuvat toisiinsa ja muodostavat aina vain suurempia, kasvavia komplekseja, joihin uudet pölyhiukkaset takertuvat. Pölyksi kutsutaan tässä yhteydessä atomeja ja molekyylejä, joista koostuva aines pysyy kiinteässä muodossaan. Lähellä tähteä metallit ja silikaatit muodostavat pölyhiukkaset mutta kauempana, niin kutsutun ”jäärajan” takana lämpötilat ovat riittävän matalia, jotta myös vesimolekyylien joukot ovat kiinteitä hiukkasia. ne muodostavatkin valtaosan aineksesta, josta jättiläisplaneettojen ytimet koostuvat — siksi jättiläisplaneettojen ei katsota voivan muodostua jäärajan, eli noin 2-3 AU:n etäisyyden, sisäpuolella auringonkaltaisten tähtien ympärillä.
Pöly jatkaa hidasta kasautumistaan tuhansia vuosia. Hiukkaset kasvavat aina vain suuremmiksi ja lopulta syntyneet kappaleet ovat metrien ja satojen metrien kokoluokassa. Kappaleet myös törmäilevät ja syntyy aina vain suurempia kiertolaisia. Lopulta alkunsa saa kourallinen protoplaneetoiksi kutsuttuja kappaleita, jotka ovat kooltaan kääpiöplaneettojen Ceres ja Pluto kokoluokkaa, yli kaksituhatta kilometriä halkaisijaltaan, ja niin massiivisia, että ryhtyvät hakeutumaan hydrostaattiseen tasapainotilaan. Niiden oma gravitaatio saa aineksen erottumaan siten, että raskaampi materiaali ryhtyy vajoamaan kohti ydintä prosessissa, jossa vapautuu lämpöä. Ensimmäiset planeetat ovat syntyneet.
Mutta muodostumisprosessi ei pääty, vaan kiihtyy. Suurimmat protoplaneetat häiritsevät vetovoimallaan läheisillä kiertoradoilla olevia pienempiä kappaleita, mikä aikaansaa lisää törmäyksiä, joiden seurauksena protoplaneetat kasvavat entisestään. Jäärajan ulkopuolella, jossa jäät ovat kiinteinä aineina ja materiaa on eniten, protoplaneetat saavuttavat lopulta 10-20 kertaa Maapallon massan. Silloin niiden kehityksessä alkaa uusi vaihe ja ne saavat tulevaisuuden jättiläisplaneettojen ytiminä.
Tähteä ympäröivä kaasukiekko tarjoaa lisää materiaalia planeettojen kasvuun. Jättiläisplaneetat muodostuvat, kun massiiviset protoplaneetat ryhtyvät vetämään puoleensa kaasumaista kertymäkiekon materiaa vetovoimansa avulla. Niiden kasvulla on silloin rajana vain kiekossa olevan materian määrä ja ne kasvavat massiivisiksi Jupiterin kokoisiksi planeetoiksi tai vieläkin suuremmiksi jättiläisiksi. Näiden jättiläisten varjossa syntyvät pienemmät planeetat, kiviset maapallot ja supermaapallot, joita on universumissa lähes kaikkialla.
Monenlaiset pikkuplaneetat
Maankaltaisilla planeetoilla tarkoitetaan tavallisesti kooltaan tai massaltaan Maan kokoluokkaan kuuluvia kivisiä planeettoja. Mutta sellaiset planeetat voivat olla erilaisilla radoilla ja kiertämässä erilaisia tähtiä. Ne voivat olla kuumia tai kylmiä, vapaasti pyörähteleviä tai pyörimiseltään lukkiutuneita, yksin tai tiheästi pakatuissa planeettakunnissa ja joskus, jopa elämän vyöhykkeeksi kutsutulla etäisyydellä tähdestään, jolla planeettojen pintalämpötilat mahdollistavat nestemäisen veden esiintymisen.
Ylivoimaisesti suurin osa tunnetuista eksoplaneetoista on kuitenkin karkeasti kuumiksi supermaapalloiksi luokiteltavia kappaleita (Kuva 2.). Niitä on kiertämässä käytännöllisesti katsoen jokaista tähteä, ja niiden kiertoratojen periodit vaihtelevat päivästä noin sataan päivään. Kooltaan kyseiset planeetat ovat puolesta Maapallosta noin neljään, joskin sitä suurempia planeettoja on myös suhteellisen runsaasti lähitähtien kiertoradoilla. Aurinkokunnan planeetoista yksikään ei varsinaisesti kuulu tähän planeettojen joukkoon, mutta syynä voi olla vain se, että niistä yksikään ei olisi ollut helposti Kepler-avaruusteleskoopin havaittavissa. Tarkempi tarkastelu kuitenkin osoittaa, että planeetat ovat vielä tätäkin monimuotoisempia.
Vaikka kaksi kertaa Maapallon kokoinen planeetta voi hyvinkin olla edelleen kivinen pinnaltaan, ja siten ominaisuuksiltaan maapallon kaltainen, suuremmat kappaleet ovat jotakin aivan muuta. Kaksi kertaa maapallon kokoinen kappale, jolla on maapallon kanssa sama koostumus, on massaltaan noin kahdeksankertainen supermaapallo. Se on niin massiivinen, että sen pintaa peittää luultavasti paksu kaasuvaippa, jonka pohjalla olevan kivipinnan päällä paksun kaasumeren kuumuus ja paine ovat niin suuria, että olosuhteet muistuttavat lähinnä valtaisaa painekattilaa Maapallon sijaan. Jos kaasukehä on primitiivistä hiilidioksidista koostuvaa tyyppiä, jollainen Maan kaasukehä oli sen ollessa nuori ja Marsin ja Venuksen kaasukehät ovat edelleen, kasvihuoneilmiö pääsee voimistumaan valtavaksi tuottaen pinnalle muservatan paineen lisäksi valtaisan kuumuuden, jossa kivinen pinta sulaa. Sellaiset planeetat eivät selvästi ole otollisia paikkoja ainakaan elämän etsimiseen.
Vieläkin suuremmat kappaleet taas omaavat huomattavasti paksummat kaasuvaipat, kuten vajaan neljän Maapallon kokoinen Neptunus, joka on massaltaan noin 17 maapalloa. Kepler-avaruusteleskoopin havaitsemaan planeettojen joukkoon kuuluu siis valtava kirjo kappaleita Maapalloa pienemmistä kaasukehättömistä kivenmurikoista massiivisiin, kuumiin neptunuksenkaltaisiin kaasuplaneettoihin. Näiden joukossa on muutama erittäin mielenkiintoinen, joskin osittain hypoteettinen, planeettojen luokka.
Aavikkoplaneetat
Suuri osa, jopa yli puolet, potentiaalisesti elinkelpoisista kiviplaneetoista saattaa olla niin sanottuja aavikkoplaneettoja (2). Ne ovat karuja, kuivia planeettoja, joiden pinnalla ei esiinny vettä suurina valtamerinä, kuten Maapallolla. Aavikkoplaneettojen arvellaan voivan olla jopa elinkelpoisia. Silloin veden ja vesihöyryn merkkien puute kivisistä, pienikokoisista eksoplaneetoista tehdyissä havainnoissa, ei tee niistä automaattisesti täysin elinkelvottomia. Ne voivat säilyttää joitakin maankaltaisia ominaisuuksia jopa niinkin lähellä auringonkaltaisia tähtiä kuin Aurinkokunnan planeetta Merkurius, jonka etäisyys Auringosta on vain 0.38 AU. Sellaisessa tilanteessa aavikkoplaneettojen elinkelpoisuuden edellytys tosin on niiden voimakas heijastavuus, joka estäisi planeettoja kuumenemasta pinnoiltaan liikaa. Toisessa ääripäässä pienet planeetat, jotka eivät aivan kykene ylläpitämään paksua kaasukehää, ovat kylmiä aavikkoplaneettoja. Oman järjestelmämme planeetta Mars on hyvä esimerkki sellaisesta. Eksoplaneetoista kaikkein lähin naapurimme, Proxima b, voi olla samalla lähin esimerkki lämpimästä aavikkoplaneetasta kiertämässä toista tähteä.
Monet tähtiään lähellä kiertävät kiviplaneetat kuuluvat aavikkoplaneettojen luokkaan. Mutta ollessaan liian lähellä tähtiään, voimakas säteily ja hiukkastuuli voivat miljoonien vuosien kuluessa riisua pienet planeetat kaasukehistään, puhaltaen ne avaruuteen ja jättäen jäljelle vain kuumat ja elottomat pinnat. Ne ovat todellisia aavikkoplaneettoja — planeettoja, joiden paljailla, karuilla pinnoilla vain voimakas säteily ja hiukkastuuli hiljalleen hajottaa pinnan mineraalien rakennetta. Ne eivät kärsi eroosiosta, koska tuulen ja veden vaikutusta ei ole. Vain satunnaiset meteorit iskeytyvät paahtuneelle pinnalle jättäen jälkeensä ikuisesti törmäyksistä muistuttavat kraaterit kuten Merkuriuksen tai Kuun pinnoilla. Sellaisilla planeetoilla ei varmasti elä mikään.
Meriplaneetat
Toinen mielenkiintoinen planeettojen kategoria on syvän, yhtenäisen valtameren peittämät meriplaneetat. Sellaisten planeettojen pienoismalleja esiintyy Aurinkokunnassa, joskin ne ovat kaikki kaukana Auringosta ja kiertoradalla jättiläisplaneettojen ympäri Aurinkokunnan ulko-osissa. Esimerkiksi Jupiterin kuista Europa, Ganymedes ja Kallisto ovat kuin pikkuisia meriplaneettoja, vaikka eivät varsinaisesti planeettoja olekaan. Niitä kuitenkin peittää kymmenien, jopa satojen kilometrien paksuinen vesikerros, joka tosin on pinnaltaan jäässä kaukana Auringon lämmöstä.
Meriplaneettojen kanssa yhteensopivia keskitiheyksiä tunnetaan useilta eksoplaneetoilta. Yksi parhaista esimerkeistä on vain noin 47 valovuoden etäisyydellä Aurinkokunnasta sijaitseva punaista kääpiötähteä Gliese 1214 kiertävä planeetta (3). Gliese 1214 b on massaltaan noin 6.6 kertaa Maapallon kokoinen ja halkaisijaltaan noin 2.7 kertainen. Se on siten keskitiheydeltään vain noin kolmanneksen Maapallon keskitiheydestä, mikä tarkoittaa, että suuri osa planeetasta koostuu kiveä kevyemmästä aineksesta. Vaikka Gliese 1214 b:n kaasukehä voikin olla paksu, mikä osaltaan selittäisi sen pientä tiheyttä, planeettaa peittävä, syvä valtameri on erittäin todennäköinen syypää sen matalaan tiheyteen.
Gliese 1214 b on luultavasti paksun vesipitoisen kaasukehän peittämä mutta sen valtavassa paineessa, syvällä planeetan sisäosissa, vesi esiintyy jokseenkin erikoisessa olomuodossa ionisoituna plasmana. Elämän edellytykset eivät siis täyty Gliese 1214 b:n pinnalla muta se osoittaa, että vesiplaneettoja on olemassa jo aivan kosmisessa lähinaapurustossamme. Jos ne olisivat Gliese 1214 b:tä pienempiä, niiden meressä voisi hyvinkin uiskennella omituisia valtamerielämään sopeutuneita elämänmuotoja.
Jääplaneetat
Tähden säteily heikkenee kääntäen verrannollisena etäisyyden toiseen potenssiin. Se on vain matemaattinen tapa ilmaista, että kauempana on kylmempää. Jotkut planeetat ovat niin kaukana kiertämistään tähdistä, että niiden pinnalla ei voi virrata nestemäistä vettä, koska se on kaikki jäätynyt. Ainuttakaan eksoplaneettaa, jolla olisi jäinen pinta, ei ole onnistuttu havaitsemaan ja varmistamaan jääpeitteiseksi mutta niitä on varmasti runsaasti Linnunradassa.
Jääplaneetat ovat varmuudella yleisiä. Niiden miniatyyriversioita on runsaasti jo omassa Aurinkokunnassamme, jättiläisplaneettojen kuina ja Pluton kaltaisina jäisinä kääpiöplaneettoina, Neptunuksen radan tuolla puolen. Vesi on maailmankaikkeuden yleisin yhdiste ja sitä esintyy aivan kaikkialla — lukuunottamatta aivan planeettakuntien kuumia sisäosia, joista tähtien säteily on haihduttanut sen pois. Pienet planeetat taas muodostuvat herkästi ja esiintyvät yleisesti tiukkaan pakatuissa planeettakunnissa, jossa kappaleiden radat ovat vieri vieressä. Monet näistä planeetoista koostuvat suurista määristä vettä ja osa niistä on niin kaukana tähdestään, että vesi jäätyy. Mitään muuta ei tarvita (4).
Jääplaneetoilla voi olla kaasukehä mutta niitä yhdistävä piirre on paksu jääkuori, jonka alla velloo syvä valtameri. Sellaiset valtameret pysyvät nestemäisinä planeetan metalleista ja silikaateista koostuvassa ytimessä tapahtuvan radioaktiivisen hajoamisen tuottaman lämmön ja läheisten taivaankappaleiden vuorovesien aiheuttaman kitkalämmön avulla. Elämää voisi esiintyä sellaisissa merissä.
Olemme saattaneet jo löytää useita jääplaneettoja — emme vain voi varmistua niiden ominaisuuksista ja koostumuksesta riittävällä varmuudella. Lähin jääplaneetta saattaa löytyä läheisestä Kapteynin tähden planeettakunnasta vain vajaan 13 valovuoden päästä — se on tähti, joka on luultavasti peräisin toisesta, Linnunrataan kauan sitten sulautuneesta galaksista. Meillä ei kuitenkaan ole vielä keinoja tutkia järjestelmän supermaapalloiksi luokiteltavien planeettojen ominaisuuksia.
Silmäplaneetat
Eräs Maan pyörimisliikkeeseen tottuneille vieras planeettatyyppi on niiden planeettojen joukko, joiden pyöriminen ja kiertoaika on synkronoitu. Sellaisia on suunnilleen jokainen niistä pienistä planeetoista, jotka kiertävät tähtensä vain muutamassa tai muutamassa kymmenessä päivässä (5). Tähden voimakkaat vuorovesivoimat saavat satojen miljoonien vuosien kuluessa sitä lähellä kiertävien planeettojen pyörimisen lukkiutumaan kiertoaikaan siten, että ne näyttävät aina saman puolen tähdelleen. Vuorovesivoimat muokkaavat hiljalleen pyörimistä kunnes se lukkiutuu — kyse on vain siitä, että järjestelmä hakeutuu tasapainotilaan. Planeetan lukkiuduttua, vuorovesivoimat eivät jatkuvasti muokkaa sen pintaa, vaan tähden vetovoima pysyy likimain vakiona planeetan eri puolilla ja on saavutettu aiempaa stabiilimpi tila. Esimerkiksi Kuu tarjoaa ilmiöstä mainion esimerkin, vaikkei planeetta olekaan.
Mielenkiintoiseksi tilanne muuttuu, jos kyseessä on meriplaneetta. Silloin tähden säteily lämmittää planeetan toisen puolen ja pitää sen sulana saaden veden haihtumaan voimakkaasti, kun taas toisella puolella voi esiintyä paksulti jäätä. Puoliskojen väliin saattaa silloin muodostua lauhkea vyöhyke, jossa elämä pääsee kukoistamaan. Planeetta näyttää kuin jättiläismäiseltä avaruudessa vaeltavalta silmältä, jonka katse on kiiinnittynyt tähteensä.
Pallonpuoliskojen valtaisat lämpötilaerot kuitenkin pyrkivät tasautumaan, ja voimakkaat tuulet kuljettavat kuumaa vesihöyryä lauhkealle vyöhykkeelle. Jäähtyessään, höyrystä syntyy sadetta ja lauhkea vyöhyke voikin olla jatkuvien monsuunisateiden kourissa. Lämpötilaerot aiheuttavat myös voimakkaita merivirtoja, jotka tasaavat lämpötilaa eri puolilla planeettaa. Valon määrä ei kuitenkaan muutu. Silmäplaneettojen toinen puoli on ikuisessa valossa ja toinen ikuisesti pimeä. Siinä välissä, lauhkealla vyöhykkeellä, taas on ikuinen aamuhämärä, jos tähden näkeminen vain on kaikkien sadepilvien alta mahdollista.
Monet aavikkoplaneetat voivat myös olla silmäplaneettoja. Aavikkoplaneetan voi tehdä elinkelpoiseksi juuri se, että lauhkealla vyöhykkeellä voi esiintyä hiukan nestemäistä vettä, vaikka planeetan päivän puolella kuumuus olisikin jatkuvasti liian polttavaa nestemäisen veden, ja siten elämän, esiintymiselle.
Planeettojen metsästäjiä on jo kauan kiehtonut ajatus mahdollisuudesta löytää ominaisuuksiltaan maankaltaisia planeettoja. Vaikka maan kokoista ja massaista planeettaa ei olekaan löytynyt kiertämässä maankaltaisella radalla auringonkaltaista tähteä, tunnemme runsaasti mielenkiintoisia eksoplaneettoja, joita voidaan pitää ainakin jonkinasteisina kandidaatteina eläviksi planeetoiksi.
Pohjimmiltaan kaikki pienet planeetat koostuvat vain raudasta, silikaateista ja vedestä. Kaasuplaneetat puolestaa ovat haalineet vetovoimansa avulla itselleen vedystä ja heliumista koostuvan paksun kaasuvaipan. Pohjimmiltaan pienet planeetat jakautuvat kivisiin maapalloihin ja supermaapalloihin sekä paksun kaasuvaipan omaaviin minineptunuksiin ja neptunuksiin. Ne ovat luultavasti fysikaalisestikin erillisiä luokkia, koska havainnoissa näkyy kaksi kokoluokkaa, joiden välillä on vähemmän planeettoja (6). Luokkien välinen raja on noin kaksi kertaa Maan kokoisissa planeetoissa, joita on vähemmän kuin sitä suurempia minineptunuksia ja pienempiä supermaapalloja (Kuva 3.). Mutta mitään tarkkoja rajoja planeettojen eri luokilla ei ole. On vain erilaisia ominaisuuksia, joiden jatkumon johokin osaan kaikkien planeettojen ominaisuudet osuvat (Kuva 3.). Aurinkokunnan planeetat tarjoavat näytille vain pienen murusen siitä planeettojen kirjosta, joka löytyy jo aivan lähimpien tähtien kiertoradoilta.
Ei ole olemassa vain yhtä tapaa luokitella eksoplaneettoja. Luokitukset ovat aina tarkoituksenmukaisia ja subjektiivisia, ja ne tehdään jostakin tietystä näkökulmasta. Voi olla hyödyllistä luokitella planeettoja niiden koon mukaan, koska koko on ylikulkumenetelmällä mitattavissa oleva parametri. Toisinaan planeettoja luokitellaan koostumuksen mukaan, kuten kuvassa 3., jossa eri käyrät kuvastavat erilaista keskimääräistä koostumusta. Itse olen käyttänyt luokitusta, jossa määrittävänä tekijänä on planeetan massa — se on parametri, joka on saatavilla radiaalinopeushavainnoista (8).
Eksoplaneetat ovat kuitenkin todellisuudessa vielä oudompia kuin niiden yleisimpien tyyppien tarkastelu antaa odottaa. On lähes puhtaasta raudasta koostuvia, jopa kolme kertaa Maata tiheämpiä planeettoja, kuumia, yli 6000°C lämpötilaan tähden voimakkaassa säteilyssä kuumenneita kappaleita, planeettoja joiden kaasukehässä sataa rautaa ja planeettoja, jotka ovat matkanneet aivan naapuriimme toisesta galaksista. Niiden joukossa on varmasti myös Maapallon planetaarisiin olosuhteisiin sopeutuneille ihmisapinoille tutulta näyttäviä maailmoja, joissa elämä voisi kukoistaa, jos sitä vain on päässyt syntymään.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lähteet
- Batalha 2014. Exploring exoplanet populations with NASA’s Kepler Mission. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111, 12647.
- Zsom et al. 2013. Toward the minimum inner edge distance of the habitable zone. The Astrophysical Journal, 778, 109.
- Charbonneau et al. 2009. A super-Earth transiting a nearby low-mass star. Nature, 462, 891.
- Zeng et al. 2019. Growth model interpretation of planet size distribution. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116, 9723.
- Barnes 2017. Tidal locking of habitable exoplanets. Celescial Mechanics and Dynamical Astronomy, 129, 509.
- Fulton et al. 2017. The California-Kepler survey. III. A gap in the radius distribution of Small planets. The Astronomical Journal, 154, 109.
- Quick et al. 2020. Forecasting rates of volcanic activity on Terrestrial exoplanets and implications for cryovolcanic activity on extrasolar ocean worlds. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 132, 084402.
- Tuomi et al. 2019. Frequency of planets orbiting M dwarfs in the Solar neighbourhood. AAS Journals, submitted. (arXiv:1906.04644).
Tuiki, tuiki satelliitti
Varhaiset Homo sapiens -suvun jäsenet tunsivat taivaan täysin eri tavalla kuin me. Heidän ryhtyessään kansoittamaan planeettaamme kolmesataatuhattta vuotta sitten, taivas oli kirkas ja näkyvissä oli pelkkää paljasta silmää käyttäneille havaitsijoille noin 5000 tähteä. He tunsivat viisi klassista taivaan vaeltajaa, Merkuriuksen, Venuksen, Marsin, Jupiterin ja Saturnuksen. He näkivät Kuun ja sen vaiheet, ja tiesivät milloin keskipäivän Aurinko on korkeimmillaan ja matalimmillaan. He tunsivat linnunradan, vaikkeivät ehkä ymmärtäneetkään sen koostuvan tavallisista tähdistä, sellaisista kuin Aurinko.
Neoliittisen aikakauden ihmiset asettuivat aloilleen, viljelivät maata ja kesyttivät kotieläimiä. He muuttivat suurempiin kaupungeiksi kutsuttuihin keskittymiin, ja muodostivat monimutkaisia yhteisöjä, joiden ravinnonsaanti oli varmistettava. Oli kyettävä ennustamaan milloin joet tulvivat ja sateet saapuvat. Siinä auttoivat taivaan säännölliset ilmiöt, joiden avulla kyettiin rakentamaan ensimmäiset kalenterit. Tähtitiede oli saanut alkunsa ja osaksi sen avulla kyettiin rakentamaan koko ihmissivilisaatio, moninainen kulttuurien ja yhteiskuntien kirjo.
Emme näe tähtitaivasta enää kuten neoliittisen aikakauden ensimmäiset sivilisaatiot tai sitä edeltävien aikojen ihmiset. Syynä on lajillemme tyypillinen mieltymys pitää valoja päällä öisinkin. Erityisesti kaupungeissa asuvat ihmiset, noin 60% koko ihmiskunnasta, eivät koskaan näe asuinalueillaan taivaalla enempää kuin kourallisen tähtiä. Heille tähtitaivasta, siten kun ihmiskunta on sen oppinut tuntemaan satojen tuhansien vuosien saatossa, ei enää ole (Kuva 1.). Suomessakaan ei ole aihetta riemuun. Tähtitaivaan voi nähdä maassamme vain hyvin rajoitetusti, lukuunottamatta joitakin itä-Suomen ja Lapin harvaan asuttuja alueita. Valtaosalle suomalaisiakin, tähtitaivas on hävitetty.
Mennyttä ei ole vain tähtitaivas. Valosaaste vaikuttaa muillakin tavoilla. Valosaaste on osaltaan vauhdittamassa biodiversiteettikriisiä hävittäen pimeyden ja valon ja pimeän syklin, jonka mukaan monet hyönteiset ja muut eläimet elävät ja suunnistavat (1). Kiiltomadot eivät enää löydä kumppaneitaan valosaasteen häiritessä tuhoisalla tavalla niiden viestintää. Yöperhoset suuntaavat kohti kirkkaita valoja ja jäävät niiden ”vangiksi” koettaessaan suunnata kuun valoon taivaalle. Mutta valosaasteella on vaikutuksia myös ihmisiin — se vaikuttaa ihmisten vuorokausirytmiin ja lisää esimerkiksi ylipainon ja mielenterveyden häiriöiden kaltaisia ongelmia. Vaikka valon vaikutukset ihmisten ja biosfäärin hyvinvointiin ovatkin suhteellisen pieniä verrattuna vaikkapa ilmansaasteisiin, ekosysteemien tarkoitukselliseen hävittämiseen tai ilmastokatastrofin ja metsäkadon kiihdyttämiseen, se tekee pienen vääjäämättömän osansa planeettamme elinkelpoisuuden heikentämisessä. Tähtitiedettä ja tähtitaivaan öistä tuijottelua uhkaavat kuitenkin muutkin vaarat.
Uudet satelliittimuodostelmat, Starlink etunenässä, ovat mullistamassa sen, miltä tähtitaivas näyttää. Sielläkin, mistä valosaaste puuttuu, auringonlaskun jälkeinen ja nousua edeltävä taivas uhkaavat muuttua peruuttamattomalla tavalla kymmenientuhansien taivaalle laukaistavien satelliittien myötä. Numeroiden valossa tilanne vaikuttaa brutaalilta. Pelkästään Starlink aikoo laukaista jopa 42000 satelliittia matalille kiertoradoille. Ne asettuvat lopulta radoille, joissa satelliiteista valtaosa näkyy paljaalla silmällä. Verrattuna siihen, että vain noin 5000 tähteä on riittävän kirkkaita näkyäkseen paljaalla silmällä, tilanne on hälyttävä. Tähtitieteen ammattilaiset kärsivät jo nyt Starlinkin satelliiteista.
Tähtitieteessä satelliitit ovat satunnaisia häiriölähteitä, joiden häiritsevyyteen vaikuttaa kaksi asiaa. Mitä suurempaa taivaan aluetta kuvataan, sitä todennäköisemmin kuvaan osuu satelliitti. Lisäksi, mitä himmeämpiä kohteita koetetaan kuvata, sitä kauemmin valoa täytyy kerätä ja sitä todennäköisemmin satelliitti ehtii kulkemaan kohteena olevan taivaan alueen läpi. Pahimmin satelliiteista siis kärsivät projektit, joissa kuvataan laajoja ja himmeitä kohteita. Esimerkiksi automaattinen koko taivaan kartoitus ASAS on sellainen — se on projekti, jossa monitoroidaan pienillä robottiteleskoopeilla koko taivaan aluetta rekisteröiden kaikkien riittävän kirkkaiden tähtien kirkkauksia ja niiden muutoksia. ASAS on auttanut esimerkiksi selvittämään tähtien pyörimistä, tähdenpilkkujen kokoja ja jakaumia, tähtien sykkimistä ja muita tekijöitä, jotka vaikuttavat kirkkauteen. Mutta nyt ASAS on ongelmissa (Kuva 2.).
Starlink-satelliitteja on taivaalla vasta murto-osa niiden lopullisesta määrästä mutta ne aiheuttavat ongelmia jo nyt. Kun satelliitti kulkee kuvattavana olevan kentän läpi valotuksen aikana, sen valo jättää kuvaan tunnusomaisen jälkensä (Kuva 2). Ne pikselit, joihin satelliitin valoa osuu, muuttuvat tähtitieteen kannalta hyödyttömiksi. Mutta vahinko ei rajoitu vain kuvassa näkyviin vaaleisiin viivoihin. Valoa vuotaa myös pilalle menneiden pikselien lähipikseleihin, joissa kasvanut taustavalaistuksen taso tekee niistäkin hyödyttömiä. Joskus, kuvattaessa himmeää osaa taivasta pitkillä, tuntien valotuksilla, koko kuva saattaa ylivalottua yhdenkin satelliitin vaikutuksesta. Silloin kaikki tieteellisesti merkittävä informaatio on menetetty.
Vaikka satelliittien vaikutus yksittäisistä tähdistä saatavaan informaatioon on rajattua, koska satelliitin sattuminen kuvaan jonkin tietyn tähden viereen on epätodennäköistä, tähtitieteilijät menettävät paljon arvokasta havaintoaikaa, kun Starlink on täydessä toiminnassaan. Arvioidaan, että tyypillisesti noin 3% havainnoista joudutaan heittämään pois Starlinkin vuoksi mutta kuvattaessa himmeitä kohteita laajoilla taivaan alueilla, jopa yli 30% havainnoista saattaa olla mennyttä. Erityisessä vaarassa ovat vaarallisten asteroidien metsästäjien havainnot. Syynä on se, että vaarallisia asteroideja etsitään auringonlaskun jälkeen ja ennen nousua, koska vain silloin on mahdollista havaita taivasta Auringon suunnassa. Juuri aamu- ja iltahämärä ovat niitä ajankohtia, jolloin Starlinkin satelliititkin heijastavat eniten valoa. On mahdollista, että jopa Maata kohti tuleva asteroidi jää havaitsematta satelliittimuodostelmien tuottamien häiriöiden vuoksi, vaikka sellaiset ovatkin äärimmäisen harvinaisia.
Tulevaisuus voi kuitenkin tuoda mukanaan jotakin vieläkin pahempaa. On esitetty suunnitelmia lähettää taivaalle satelliittimuodostelmia, jotka heijastaisivat tarkoituksella Auringon valoa Maahan muodostaen taivaalla liikkuvia valomainoksia. Se olisi tarkoituksellista tähtitaivaan pilaamista myynninedistämistarkoituksessa — samalla kannustettaisiin kulutukseen, joka on parhaillan tuhoamassa planeettamme biodiversiteettiä, biologista elossapitojärjestelmäämme.
Lainsäädännöllisesti tilanne on vakava. Ei ole olemassa avaruuden käyttöä säänteleviä kansainvälisiä sopimuksia tai valvovaa kansainvälistä elintä. Eri maiden avaruusvirastot voivat antaa lupia laukaista taivaalle lähes mitä tahansa ja mistä tahansa syystä — vaikkapa sähköautoja aivan huvin vuoksi. Kellään muulla ei ole mahdollisuuksia puuttua vaikkapa suuryritysten pyrkimyksiin käyttää taivasta hyväkseen kaupallisissa tarkoituksissa. Tähtitaivas saattaa joutua, stabiilin ilmaston ja puhtaan ympäritön tapaan, kapitalistisen pääomankasvatuskoneiston ulkoisvaikutusten uhriksi.
Tähtitaivas on johdattanut ihmiskuntaa sen syntymästä lähtien. Sen tarkkailu on tiivis osa kulttuurihistoriaamme ja jopa itse ihmisyyttä. Tähtitaivas ja sen ymmärtämiseen kehitetty tiede on tarjonnut koko teknisen sivilisaatiomme perustan. Nyt se on suureksi osaksi mennyttä.
Oikeutta nähdä taivaan ihmeet voidaan pitää samanlaisena oikeutena kuin oikeus kokea puhdas luonto tai oikeus tarkkailla planeettamme monimuotoista biodiversiteettiä. Kaikilla ei näitä oikeuksia ole, koska kaikki eivät voi matkustaa asumattomalle alueelle, puhtaaseen luontoon ja valosaasteen ulottumattomiin. Tähtitaivas saattaa kuitenkin kadota kaikilta muiltakin. Sen katoaminen tähtitieteen ammattilaisten ja harrastajien ulottumattomiin veisi pois mahdollisuuden tarkkailla taivaan ihmeitä ja oppia niistä ja paikastamme universumissa. Aivan samoin kuin meidän on suojeltava puhdasta luontoa ja palautettava sitä sinne, mistä olemme sen hävittäneet, on ryhdyttävä suojelemaan yllämme loistavaa kulttuuriperintökohdetta, ikkunaamme aurinkojen täplittämään, lähes äärettömään avaruuteen.
Eurooppalaisilta on suureksi osaksi viety oikeus nähdä tähtitaivas sellaisena kuin ihmiset ovat sen kymmenien tuhansien vuosien ajan tunteneet.
— Mikko Tuomi (@mustapipa) September 6, 2020
Suomessakin valosaaste estää näkemästä taivasta kauneimmillaan lähes koko maassa. https://t.co/HmQbSZEM6u pic.twitter.com/Z9HpamTKXJ
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 