Punaisen taivaan paradoksi

Kuinka monta elävää planeettaa galaksissamme on? Kuinka monella niistä kehittyi monisoluista elämää, monimutkaisia ravintoketjuja, älykkyyttä tai tekninen sivilisaatio? Minkälaisten tähtien kiertoradoilta voimme löytää biosfääriä ylläpitäviä planeettoja? Kuinka yleistä elämä on maailmankaikkeudessamme? On helppoa kysyä valtaisan mielenkiintoisia tieteellisiä kysymyksiä mutta niihin vastaaminen on lähestulkoon mahdotonta perustuen niihin tietoihin, joita meillä on. On vain yksi esimerkki elävästä planeetasta ja sen käyttäminen suurten elämän yleisyyttä koskevien kysymysten arviointiin on päätähuimaavaa ekstrapolointia ja tieteellistä varomattomuutta.

Yleisemmin, todennäköisyyksien arvionti perustuen ainutkertaisiin tapahtumiin on tieteellisesti tarkasteltuna äärimmäisen hankalaa ja suureksi osaksi täysin turhaa. Voimme tehdä päätelmiä elämän yleisyydestä maailmankaikkeudessa vain subjektiivisesti, koska ennakko-oletuksemme vaikuttavat tuloksiin voimakkaammin kuin yksittäinen havaintomme. Pohjimmiltaan on kyse siitä, että tunnemme vain yhden elävän planeetan kiertämässä yksittäistä tähteä. Tunnemme vain yhdenlaisen elämän biokemian, joka syntyi yhden planeetan tietynlaisista geokemiallisista sykleistä ja jonka ainutkertainen evoluutiohistoria tarjoaa vain yksittäisen esimerkin. Emme tiedä mitkä omaa elävää planeettaamme koskevat tiedon muruset voidaan yleistää koskemaan kokonaista planeettojen populaatiota edes omassa galaksissamme. Aina voimme kuitenkin yrittää tehdä valistuneita arvauksia.

Kuva 1. Taiteilijan näkemys planeetoista Gliese 887 b ja c kiertämässä tähteään, joka on punainen kääpiötähti. Kuva: M. Garlick/ University of Göttingen.

Tiedämme galaktisesta tähtinaapurustostamme sen, että valtaosa tähdistä on punaisia kääpiötähtiä, jotka ovat Aurinkoa pienempiä niin massaltaan kuin kirkkaudeltaankin ja loistavat voimakkaimmin punaisella näkyvän valon alueella. Tiedämme varsin hyvin myös sen, että keskimäärin jokaista punaista kääpiötä kiertää noin yksi kivinen planeetta sellaisella etäisyydellä tähdestään, että planeetan pinnalla voisi olla elämälle otolliset lämpötilaolosuhteet. Lisäksi, punaiset kääpiöt elävät vähintäänkin kymmeniä kertoja kauemmin kuin auringonkaltaiset tähdet, mikä takaa niiden planeettakunnille stabiilit olosuhteet kymmenien, jopa satojen vuosimiljardien ajaksi. Kaikkein lähin tuntemamme eksoplaneetta, Proxima b, on juuri sellainen maailma, mikä osoittaa sekin osaltaan, että tilastolliset arviomme punaisia kääpiötähtiä kiertävien planeettojen yleisyydestä pätevät jopa aivan lähimpiin tähtinaapureihimme. Mutta omalla taivaallamme loistaa keltainen tähti, joka on galaksimme mittakaavassa jo paljon harvinaisempi. Kun punaisia kääpiöitä on kaikista tähdistä noin kolme neljännestä, keltaisia auringonkaltaisia tähtiä on vain noin viisi prosenttia. Onko kyse puhtaasta sattumasta vai voimmeko vetää jotakin johtopäätöksiä siitä, että taivaallamme loimottaa punaisen sijaan paljon harvinaisempi keltainen plasmapallo?

Vaikka yhdysvaltalainen tähtitieteilijä David Kipping onkin nimennyt kysymyksen huomiota herättääkseen ”punaisen taivaan paradoksiksi” (1), ei kyseessä tarvitse olla minkäänlainen paradoksi tai edes selitystä kaipaava asia. Voi olla mahdollista, että olemme syntyneet epätodennäköiseen paikkaan keltaisen auringon kiertoradalle täysin sattumalta — siitäkin huolimatta, että meidät löytää juuri tällä hetkellä, tähtien määrän ja eliniän huomioiden, kertoimella 100 epätodennäköisemmin juuri täältä kuin punaisen kääpiön kiertoradalta. Tässä mielessä olemme siis sattumalta erityislaatuisessa paikassa, keskimääräisistä elämän kehdoista poikkeavalla planeetalla. Mutta silloin tulemme myöntäneeksi olevamme erityisasemassa ja rikomme ajattelussamme perinteikästä kopernikaanista periaatetta, jonka mukaan Maapallossa ja Auringossa ei ole mitään erityistä tai erikoista, eivätkä ne ole minkäänlaisessa erityisasemassa galaksissamme tai maailmankaikkeudessamme. Voisiko taustalla siis olla jotakin muutakin?

Voimme seurata Kippingin päättelyketjua, ja laskea todennäköisyyden sille, että älykästä elämää syntyi juuri tälle planeetalle, G-spektriluokan keltaisen kääpiötähden kiertoradalle. Se on noin yksi mahdollisuus sadasta huomioidessamme tähtien yleisyyden ajassa ja avaruudessa. Silloin kuitenkin huomaamme, että yhtä auringonkaltaisen tähden älykästä elämää ylläpitävää järjestelmää kohti, yksittäisenä ajanhetkenä, on olemassa noin 100 samanlaista järjestelmää M-spektriluokan punaisten kääpiöiden ympärillä. Jos siis olemme täällä sattumalta, ylivoimainen valtaosa kaikesta älykkäästä elämästä löytyy punaisen taivaan alta. Tällä tavalla ajateltuna paradoksi muuttuu hetkessä ilmeiseksi. Kipping ei edes huomioi havaittuja tietoja planeettojen yleisyydestä. Auringonkaltaisilta tähdiltä löytää keskimäärin noin 0.05 lämpötilaltaan ja kooltaan maankaltaista planeettaa mutta M-spektriluokan tähdille niitä on keskimäärin peräti yksi per tähti. Siten todennäköisyys, jolla taivaallamme on keltainen tähti on suunnilleen yksi kahdestatuhannesta — olettaen, että elämä voi syntyä ja kehittyä samalla tavalla riippumatta tähdestään. Ja kun punaisten kääpiötähtien planeettakuntien älykäs elämä on näillä oletuksilla niin paljon yleisempää, törmäämme välittömästi Fermin paradoksiin — voiko jokin kosminen tekijä tehdä älykkäästä elämästä punaisen taivaan alla epätodennäköisempää kuin maankaltaisilla planeetoilla auringonkaltaisten tähtien järjestelmissä?

Punaisen taivaan näennäiselle paradoksille on olemassa muitakin ratkaisuja, joista Kipping nimeää julkaisemassaan artikkelissa kolme (1). Jos älykkään elämän kehittyminen on yksinkertaisesti todennäköisempää auringonkaltaisen tähden järjestelmässä, huomioiden erot tähtien eliniässä, on seurauksena se, että punaisten kääpiöiden älykkään elämän on oltava ainakin kaksi kertaluokkaa harvinaisempaa. Se on täysin mahdollista, vaikka emme osaakaan arvioida älyllisten organismien kehittymisen nopeutta ja esteitä erilaisissa planeettakunnissa. Toinen mahdollisuus on, että punaiset kääpiöt eivät pysy suotuisina älykkään elämän synnylle yhtä kauan kuin auringonkaltaiset tähdet. Erilaiset astrofysikaaliset prosessit, kuten tähtien aktiivisuus, purkaukset ja suurienerginen säteily voivat muuttua tähtien ikääntyessä muuttaen samalla elämän synnyn ja kehityksen mahdollisuuksia. On hyvinkin mahdollista, että punaisten tähtien järjestelmissä elämän kehittyminen on mahdollista esimerkiksi vain tähtien nuoruudessa, vain muutaman sadan miljoonan tai korkeintaan miljardin vuoden aikaikkunassa, mikä tarkoittaisi sitä, että löydämme itsemme todennäköisimmin auringonkaltaisen tähden kiertoradalta.

Kolmas ratkaisu on ehkäpä kaikkein todennäköisin. Ehkäpä vain äärimmäisen harva punaista kääpiötä kiertävä planeetta on ylipäätään elämän synnylle ja älyn kehitykselle suotuisa. Tällaista mahdollisuutta onkin ounasteltu, sillä punaisten kääpiöiden lämpötilansa puolesta elinkelpoiset planeetat kiertävät lähellä tähteään alttiina niin suurienergiselle säteilylle, hiukkastuulelle ja tähden purkauksille kuin vuorovesilukkiutumisellekin. Silloin todennäköisyys, että sopivat planeetat ovat menettäneet jopa kaasukehänsä tähtensä vihamielisessä säteily-ympäristössä, on auringonkaltaisten tähtien planeettoja suurempi. On mahdollista, että elämän ja siten älyllisen elämän edellytykset ovat vain heikommat punaisten kääpiöiden kiertoradoilla.

Yksi selittävä tekijä punaisten kääpiöiden elinkelpoisten planeettojen heikommalle kyvylle ylläpitää monimutkaisia biosfäärejä ja toimia siten älykkäiden organismien kehtoina saattaa olla saatavilla olevan säteilyenergian heikompi laatu. Vaikka lämpötila olisikin elämälle soveltuva, biosfäärin kehitystä saattaa haitata yhteyttämiseen sopivan säteilyn heikko intensiteetti punaisten kääpiöiden kiertoradoilla (2). Heikko valaistus saattaa estää kompleksisten yhteyttävien kasvien synnyn, runsaan perustuotannon ja siten monimutkaisten ravintoverkostojen kehittymisen. Se taas tekisi runsaasta biodiversiteetista riippuvaisista ravintoketjujen yläpäiden älykkäistä organismeista erittäin harvinaisia ja ratkaisisi osaltaan punaisen taivaan paradoksia.

Kuva 2. Taiteilija näkemys punaisen taivaan maailmasta, jonka pinnalla on nestemäistä vettä. Kuva: M. Weiss/CfA.

Asiaan on tietenkin mahdotonta saada kattavaa vastausta ennen kuin kykenemme löytämään toisia esimerkkejä elävistä planeetoista tai älykkäistä sivilisaatioista. Voimme silti arvioida mikä on todennäköistä ja mikä ei tekemällä havaintoja tunnetusta eksoplaneettapopulaatiosta. Kyseessä on koko eksoplaneettoja tutkivan tähtitieteilijöiden yhteisön yhteinen projekti, joka etenee ehkäpä turhauttavan hitaasti mutta silti vääjäämättömästi kohti tarkentuvaa tietoa.

Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.