Uusia arvioita elämästä lähitähtien planeetoilla
Onko maailmankaikkeutemme ja galaksimme elämä yleistä vai harvinaista? Onko sitä syntynyt jo kauan ennen Aurinkokunnan muodostumista vai edustaako planeettamme ensimmäistä elävien planeettojen sukupolvea? Kuinka monta elävää planeettaa galaksissamme on? Moniko niistä sijaitsee kosmisessa lähinaapurustossamme vain kymmenien valovuosien päässä? Kuinka kaukana on lähin elävä planeetta?
Kysymyksiä liittyen elämään maailmankaikkeudessa on erittäin helppoa esittää mutta luotettavien vastausten löytäminen onkin sitten likimain mahdotonta, koska tunnemme vain yhden esimerkin elävien planeettojen luokasta. Yrityksen puutteesta tutkijoita ei kuitenkaan voi syyttää. Tähtitieteilijät ja modernit astrobiologit ovat koettaneet valjastaa tiedettä vastatakseen kysymyksiin elämästä, universumista ja kaikesta niin kauan kuin nykymuotoista tieteellistä tutkimusta on tehty. Yksittäinen anekdootti ei vain salli kummoisiakaan yleistyksiä ja se, että olemme pohtimassa koko kysymystä elämän yleisyydestä takaa vastausten olevan jo lähtökohtaisesti olemassaolomme vääristämiä.
Rustatessaan eräänlaista todennäköisyyksillä leikittelevää yhtälöään lasinaluseen, Frank Drake, yhdysvaltalainen tähtitieteilijä, tuskin aavisti kirjoittavansa varsinaista kulttimaineeseen nousevaa laskukaavaa. Hän hahmotteli karkeaa tapaa arvioida teknisten sivilisaatioiden välisen kommunikoinnin mahdollisuuksia perustuen sarjaan helpommin käsiteltäviä arvioita vaadittavista reunaehdoista. Voimme esimerkiksi arvioida tähtien syntynopeutta, auringonkaltaisten tähtien yleisyyttä niiden joukossa, ja planeettojen esiintymistä niiden kiertolaisina koettaessamme arvioida kuinka usein (maankaltaiset) elämälle soveltuvat olosuhteet syntyvät. Voimme spekuloida moniko planeetoista soveltuu elämälle ja monelleko niistä elämää sitten syntyy. Sitten voimme koettaa arvioida kuinka todennäköisesti kehittyy älykkäitä lajeja, teknisiä sivilisaatioita, ja kyky kommunikoida vaikkapa radiosignaalien välityksellä muiden vastaavien sivilisaatioiden kanssa. Lopuksi voimme arvailla minkälaista halukkuutta vieraalla sivilisaatiolla olisi sellaiselle toiminnalle ja kuinka kauan sivilisaatio olisi olemassa harjoittaakseen kommunikointia.
Draken laskukaavassa ei toki sinällään ole mitään vikaa. Se vain on mahdoton käyttää millään luotettavuudella käytännön tarkoituksiin, koska sen tekijöistä vain tähtitieteellistä puolta voidaan arvioida — biologisia ja kulttuurillisia reunaehtoja voimme vain arvailla perustuen siihen, mitä oman planeettamme elämästä olemme oppineet. Onko esimerkiksi todennäköistä, että vieraan lajin tekninen sivilisaatio olisi edes millään tavalla kiinnostunut kommunikoimaan toisten sivilisaatioiden kanssa, vaikka sillä tekniset edellytykset siihen olisikin? Emme voi tietää vastauksia kuin vain kapeasti oman lajimme lähtökohdista.
On selvää, että voimme unohtaa arviot koskien teknologisten sivilisaatioiden määriä mutta elämän edellytysten esiintymisen arviointi onnistuu oikein mainiosti jatkaen Draken viitoittamalla polulla. Laskelmat eivät kuitenkaan ole aivan yksinkertaisia. On huomioitava kuinka nopeasti tähtiä on syntynyt galaksimme historian saatossa ja kuinka suuri osuus tähdistä on mitäkin tyyppiä. Syntynopeus on muuttunut jatkuvasti, riippuen paikallisista olosuhteista. Esimerkiksi Auringon syntyä 4.6 miljardia vuotta sitten edelsi noin miljardi vuotta aiemmin tapahtunut tähtien syntyryöppy. Sen kestäessä miljardit tähdet syttyivät jonkin galaktisen häiriötekijän saatua tähtienvälisen kaasun ja pölyn pilvet luhistumaan ja tuottamaan läjäpäin tähtiä. Samalla syntyi tietenkin suunnaton määrä planeettoja tähtien kiertoradoille, mikä on huomioitava elämän yleisyyttä koskevissa laskelmissa.
Toinen merkittävä tekijä on raskaampien alkuaineiden määrä. Varhaisemmassa maailmankaikkeudessa oli vähemmän heliumia raskaampia tähtitieteilijöiden yleisnimellä ”metalli” kutsumia alkuaineita. Se hidasti jättiläisplaneettojen syntyä, joten vasta ensimmäisten tähtisukupolvien kuoltua ja vapautettua raskaita alkuaineita avaruuteen supernovaräjähdysten myötä, jättiläisplaneettojen muodostuminen on päässyt vauhtiin ja on voinut syntyä enemmän aurinkokunnankaltaisia hierarkisia järjestelmiä. Edelleen, on huomioitava, että tähdet eivät elä ikuisesti, vaan tähtien elinikä riippuu oleellisesti niiden massasta. Keveimmät punaiset kääpiötähdet elävät pisimpään, jopa satoja miljardeja vuosia, ja ne eivät ole ehtineet maailmankaikkeuden eliniän aikana omaa taaperovaihettaan pidemmälle. Aurinkoa kirkkaammat ja massiivisemmat tähdet taas kuolevat supernovina jo korkeintaan parin miljardin vuoden ikäisinä kun taas Auringonkaltaiset keltaiset kääpiötähdet elävät kymmenisen miljardia vuotta.
Galaksimme noin parisataa miljardia tähteä ovat siis eri ikäisiä ja eri kokoisia, ja omaavat erilaiset koostumukset, mitkä kaikki vaikuttavat niitä ympäröivien planeettakuntien koostumukseen ja ominaisuuksiin, sekä elinkelpoisuuteen. Auringon naapurustossa, josta on tarkkoja Gaia -avaruusteleskoopin havaintoja, on arvioiden mukaan tapahtunut ainakin neljä merkittävää tähtien syntyryöppyä noin 1, 2, 6 ja 10 miljardia vuotta sitten. Jokaisen aikana syntyi tähtiä, joiden koostumus oli keskimäärin erilainen, ja Aurinko edustaa metallipitoisuudeltaan keskimääräistä tähteä. Luonnollisesti, vanhimmat tähdet ovat vähämetallisimpia kun taas nuorimmissa tähdissä metallipitoisuus on korkein.
Tarkastellessamme perinteisiä elinkelpoisia vyöhykkeitä, eli etäisyyksiä tähdistä joilla nestemäisen veden esiintyminen kiviplaneetan pinnalla olisi mahdollista, on lisäksi huomioitava tähtien kehitys. Tyypillisesti tähdet kirkastuvat vanhetessaan. Ne polttavat ytimestään vetyä fuusioreaktiossa tuottaen heliumia vedyn tilalle. Helium taas vaatii fuusioonsa huomattavasti korkeampia lämpötiloja, joten ytimen vetyvaraston vähetessä energiantuotanto hiipuu, mikä saa gravitaation ottamaan vallan ja puristamaan ydintä kovemmin kasaan. Se taas nostaa lämpötilaa vedyn fuusioreaktioon vaadittavalle tasolle myös ydintä ympäröivissä kerroksissa, jotta tähti pysyisi tasapainotilassa. Vedyn fuusiota ylläpitävä ydin siis laajenee, ja samalla ytimen lämpötila kasvaa, mikä saa myös tähden kirkastumaan. Samalla elinkelpoisen vyöhykkeen etäisyys tähden pinnasta karkaa kauemmaksi kasvaneen kuumuuden myötä. Esimerkiksi Aurinko kuumenee hiljalleen tavalla, joka tekee omasta planeetastamme korventuneen, elottoman kivenmurikan noin miljardin vuoden kuluttua. Sellaisella aikataululla saapuvasta maailmanlopusta ei kuitenkaan tarvitse huolestua.
Kaikkiaan, noin 330 valovuoden etäisyydellä Aurinkokunnasta on noin 11 000 elinkelpoisen vyöhykkeen kiviplaneettaa. Se planeettapopulaatio on kaikkein kiinnostavimmassa asemassa, koska kauempaa merkkejä elämästä on huomattavasti vaikeampaa havaita. Kun yllämainittujen tekijöiden vaikutus on huomioitu, on mahdollista arvioida alkeellisen elämän yleisyyttä naapurustossamme erilaisilla reunaehdoilla (1).
Yksi kriittinen tekijä on oranssien K-sarjan kääpiötähtien suotuisuus elämälle. Ne ovat stabiileja tähtiä Auringon tapaan, mutta hiukan pienempinä paljon auringonkaltaisia tähtiä yleisempiä. Jos niitä kiertävistä elinkelpoisista planeetoista edes prosentille syntyisi elämää kuten omalle planeetallemme, voidaan arvioida lähimmän elävän planeetan olevan vain 65 valovuoden etäisyydellä. Vastaavasti, jos elävien mikrobien synty on epätodennäköinen sattumus, joka onnistuu vain yhdellä kymmenestätuhannesta sille soveltuvasta planeetasta, on mahdollista, että Auringon lähinaapurustossa noin 11 tuhannen elämälle soveltuvan planeetan joukossa ei esiinny muuta elämää kuin omamme.
Jos taas elämän synty on todennäköinen seuraus geokemiallisten prosessien käynnistymiselle nestemäisen veden virratessa, on selvää, että elämä on vanhaa ja ensimmäiset biosfäärit muodostuivat jo yli 8 miljardia vuotta sitten varhaisessa maailmankaikkeudessa. Jopa kolmannes elävistä planeetoista olisi näitä varhaisen synnyn planeettoja, muiden elämän ollessa tuoreempaa alkuperää Maan tapaan. Fotosynteesin käynnistymiseen puolestaan kului kauemmin Maapallolla, ja sen seurauksena kaasukehämme muuttui suuren hapettumisen aikakautena happipitoiseksi mahdollistaen energeettisemmät elävän kemian reaktiot ja siten pidemmät ravintoketjut ja lopulta oman itsemme. Jos tapahtumat ovat edenneet samalla vauhdilla muualla, voimme ennustaa Auringon lähinaapuruston olevan täynnä vastaavia happea aineenvaihdunnassaan käyttävän biokemian ympäristöjä. On siis kaikki mahdollisuudet törmätä happipitoisen kaasukehän ympäröimään maankokoiseen eksoplaneettaan, kun vihdoin onnistumme tekemään havaintoja elinkelpoisella vyöhykkeellä sijaitsevien pienten kiviplaneettojen kaasukehistä.
Tarkkojen arvioiden tarjoaminen elävien planeettojen määrästä kosmisessa naapurustossamme on tietenkin mahdotonta, koska emme osaa tehdä yleistyksiä elämän synnystä perustuen vain yhteen havaittuun esimerkkiin. Voimme silti perustellusti sanoa, että elämä on todennäköisesti yleistä, ja parhaimmillaan suorastaan hävyttömän yleistä maailmankaikkeudessamme, vaikka lähimmälle elinkelpoiselle planeetalle saattaisi sittenkin olla matkaa jopa sadan valovuoden verran. Silloinkin omassa galaksissamme on miljoonia, ellei jopa miljardeja eläviä planeettoja. Seuraavaksi ne on vain kyettävä tunnistamaan ja on onnistuttava havaitsemaan merkkejä niiden elämästä.
Se taas on oma tulevaisuuden seikkailunsa, jonka ainakin minä toivon ihmiskunnan kokevan vielä oman elinikäni puitteissa.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Pseudotieteellinen roska ja 36 teknistä sivilisaatiota
Lähteet
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 