Dynaaminen kaaos planeettakuntien muovaajana
Keplerin lait, joilla tähtitieteilijät ovat jo vuosisatoja kuvanneet planeettojen liikettä omassa planeettakunnassamme, ovat mainio malli myös eksoplaneettakuntien rataliikkeiden kuvaamiseen. Olen itse käyttänyt niitä tuhansien eksoplaneettojen ratalaskelmiin koko ikäni ja havainnut niiden olleen merkitsevästi pielessä vain yhdessä erikoisessa tapauksessa. Tiedämme mallin olevan vain karkea approksimaatio, joka ei toimi luotettavasti monessakaan tilanteessa, mutta se on silti toimivuutensa ja helppokäyttöisyytensä vuoksi suosittu työkalu planeettojen rataliikkeiden kuvaamiseen ja ennustamiseen.
Pohjimmiltaan helppokäyttöisyyteen on syynä mallin staattisuus kahden kappaleen muodostaman järjestelmän ratojen ennustamisessa. Jos kyseessä on vaikkapa tähden sekä planeetan muodostama järjestelmä, tai mikä tahansa kahden kappaleen järjestelmä, kuten kaksoistähti tai planeetan ja kuun muodostama pari, Keplerin lait ennustavat kappaleiden liikkeen olevan täysin määritettyä mielivaltaisen pitkälle tulevaisuuteen, kunhan vain tunnetaan massat ja rataparametreiksi kutsutut suureet. Astrofyysikon työ on helppoa, jos mallit tarjoavat lopullisen vastauksen. Ja vaikka kappaleita olisikin useampi kuin kaksi, ovat kahden mallin ennusteeseen aiheutuvat häiriöt tyypillisesti hyvin pieniä vuosien tai vuosikymmenten aikaskaaloissa — sitä pidempiä havaintosarjoja ei ole toistaiseksi kertynyt yhdenkään eksoplaneetan rataliikkeestä.
Yleisesti ottaen todellisuus ei tietenkään anna mahdollisuuksia vastaavaan lopulliseen determinismiin. Jo kolmen kappaleen muodostaman järjestelmän liikkeitä on mahdotonta ennustaa kaikissa tapauksissa, ja sen kompleksisuudet ovat edelleen aktiivisen tutkimuksen kohteena (1). Myös suhteellisuusteorian tuomat korjaukset Keplerin liikelakeihin muuttavat tilannetta, ja tuovat mukanaan ongelmallisia monimutkaisuuksia, kuten vaikkapa Merkuriuksen rataellipsin hidas kääntyminen, joka oli yksi suhteellisuusteorian varmentamiseen käytetyistä testeistä — sitä Keplerin lait ja myöhemmin Newtonin vetovoimalait eivät nimittäin ennustaneet. Keplerin lakien determinismi on kuitenkin osaltaan vaikuttanut tähtitieteilijöiden mielenmaisemaan, jossa monet dynaamiset järjestelmät mielletään vakaiksi, koska yksi tärkeimmistä niiden kuvaamiseen käytetyistä malleista on vakaa siinä yksinkertaisessa erikoistilanteessa, jossa sitä useimmin sovelletaan. Aurinkokunta ei kuitenkaan ole edes likimääräisesti kahden kappaleen järjestelmä, vaan usean kappaleen dynaamisen kaoottinen kokonaisuus, johon vaikuttavat lisäksi ulkoisetkin tekijät.
Kaoottisuudella viitataan siihen, että järjestelmä on sisäsyntyisesti ennustamattomassa tilassa. Kaoottinen planeettakunta tarkoittaa sellaista, että mielivaltaisen pienet muutokset planeettojen paikoissa ja liikkeissä tuottavat mielivaltaisen suuria muutoksia niiden paikkoihin ja liikkeisiin tulevaisuudessa. Se tarkoittaa samalla sitä, että planeettojen radat eivät lopultakaan ole vakaita, vaan muuttuvat hiljalleen ajan kuluessa. Vaikka Aurinkokuntaa kutsutaankin stabiiliksi planeettakunnaksi, koska sen kappaleet tuskin karkaavat kovinkaan kauaksi nykyisiltä radoiltaan Auringon elinaikana, jo pienet muutokset voivat vaikuttaa merkittävillä tavoilla planeettoihin. Maa tuskin suistuu radaltaan tulevaisuudessakaan, mutta pienetkin muutokset sen kiertorataan Auringon ympäri voivat muuttaa esimerkiksi ilmastollisia olosuhteita merkittävällä tavalla.
Joskus tähdet tulevat lähelle
Aurinko on yksi galaksimme noin 200 miljardista tähdestä, joista jokainen kiertää yksinään tai kumppaniensa kanssa galaksimme keskustaa moninaisilla radoilla, joihin vaikuttaa galaksin tähtien ja sen sisältämän pimeän aineen yhdistetty vetovoima. Ajoittain tähdet ajautuvat lähelle toisiaan galaksia kiertäessään, jolloin tähdet pääsevät vaikuttamaan toistensa ratoihin. Tähtien radat galaksin ympäri siis muuttuvat ja elävät, ja on mahdotonta ennustaa mitkä tähdet sattuvat olemaan lähekkäin vaikkapa kymmenien miljoonien vuosien aikaskaaloissa. Aurinko ei ole poikkeus. Juuri nyt omaa avaruuden saarekettamme lähin tähtijärjestelmä on Alpha Centaurin kolmoistähti, johon kuuluvat komponentit A ja B kiertämässä toisiaan noin 80 vuoden kiertoajalla sekä Proxima Centaurina tunnettu komponentti C, joka on kauempana parista mutta Auringon suunnassa, joten se on tällä hetkellä Aurinkoa lähin tähti. Tilanne kuitenkin muuttuu vuosituhansien saatossa (Kuva 1.).
Jo noin 10 000 vuoden kuluttua Barnardin tähti saapuu yhtä lähelle kuin Alpha Centaurin A+B pari, poistuakseen taas nopeasti Auringon läheltä. Arviolta 33 000 vuoden kuluttua Ross 248 on lähin tähti menettääkseen taas paikkansa 44 000 vuoden kuluttua Gliese 445:lle. Noin 50 000 vuoden kuluttua lähin tähtemme on taas Alpha Centaurin A+B pari, Proxima Centaurin on karattua radallaan sitä hiukan kauemmaksi. Lähimmillään Alpha Centauri, Ross 248 ja Gliese 445 saapuvat noin kolmen valovuoden etäisyydelle, joten ne eivät saavu häiritsemään Aurinkokunnan kappaleiden kiertoratoja. Vuosimiljoonien saatossa sattuu kuitenkin runsain mitoin paljon läheisempiä tähtien ohituksia, joilla on vaikutusta.
Noin 2.8 miljoonaa vuotta sitten nykyisellään noin 250 valovuoden päässä meistä sijaitseva auringonkaltainen tähti HD 7977 saapui hyvin lähelle Aurinkoa. Se sattui niin lähelle, että se tunkeutui Aurinkoa ympäröivän komeettojen kodin, Oortin pilven sisälle, jossa se taatusti häiritsi lukemattomien komeettojen ratoja siepaten niitä jopa omiksi kiertolaisikseen. Tähti saapui todennäköisesti vain 0.2 valovuoden etäisyydelle ja ehkä jopa vain 0.06 valovuoden päähän Auringosta aiheuttaen vetovoimallaan häiriöitä planeettojen ratoihin (2). Vaikka häiriöistä ei olekaan suoriin havaintoihin perustuvaa todistusaineistoa, on tietokonesimulaatioiden perusteella selvää, että vastaavat lähiohitukset tekevät jopa Maan radan ennustamisen vaikeaksi yli muutaman kymmenen miljoonan vuoden päähän menneisyyteen ja tulevaisuuteen.
Toisen tähden kulku Aurinkokunnan ulko-osien läpi muuttaa jättiläisplaneettojen ratoja. Ne taas vaikuttavat hiukan muuttuneilla radoillaan sisempään planeettakuntaan ja aiheuttavat ennustamattomia muutoksia kiviplaneettojen ratoihin. Ilmeisin mekanismi on Maan radan eksentrisyyden eli soikeuden muutokset, jotka vaikuttavat merkitsevästi planeettamme ilmastoon. Silloin Maan historian ilmasto-olosuhteiden muutokset ovat voineet osaltaan aiheutua galaksimme muiden tähtien lähiohituksista — ainakin on selvää, että Linnunradan paikallinen tähtipopulaatio on yksi planeettojen ratojen kaoottisuuden lähde.
Planeettakunnat syntyvät kaaoksesta, kehittyvät kaoottisina järjestelminä, ja toisinaan jopa kuolevat omaan kaoottisuuteensa planeettojen kokiessa lähiohituksia tai törmätessään tähteensä. Ne eivät myöskään ole yksin, vaan tanssivat yhdessä muiden galaksimme tähtien kanssa galaktisessa vetovoimakentässä, jonka kaoottiset muutokset ja häiriöt johtavat ajoittain tähtien lähiohituksiin ja vuorovaikutuksiin vetovoimansa välityksellä. Niillä vuorovaikutuksilla taas on pitkäkestoiset seurauksensa, ja pienetkin muutokset jättiläisplaneettojen radoissa voivat siirtyä planeettakunnan kaikkiin muihinkin kappaleisiin merkittävillä tavoilla. Jupiter ei suojele meitä, vaan kiertää vain Aurinkoa radallaan mutta voi kyllä mainiosti välittää ohittavien tähtien vetovoimavaikutukset Maan rataankin asti. Se taas tarkoittaa, että pitkällä aikavälillä mikään ei ole pysyvää. Eivät edes planeettojen radat tähtien kiertoradoilla.
Planeettojen ratojen kaoottiset muutokset voivat vaikuttaa jopa Maan ilmastoon mutta se ei tarkoita, että nykyinen, nopea globaali keskilämpötilan nousu ja sen aiheuttama ilmastokatastrofi voisivat aiheutua Maan radan muutoksista. Sellaisia muutoksia ei ole sattunut ja ilmastokatastrofi on täysin ihmisen kasvihuonekaasupäästöillään aiheuttama fysikaalinen ilmiö. Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
- Manwadkar et al. 2024. Measurement of three-body chaotic absorptivity predicts chaotic outcome distribution. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, 136, 4.
- Kaib & Raymond 2024. Passing Stars as an Important Driver of Paleoclimate and the Solar System’s Orbital Evolution. The Astrophysical Journal, 962, L28.
Muinaisen meren jäljillä
Mars yllättää jatkuvasti siitä kiinnostuneet. Planeettatutkijat ovat jo parinkymmenen vuoden ajan koettaneet selvittää mistä planeetan kaasukehässä havaitut matalat metaanipitoisuudet voisivat olla peräisin. Aina ajoittain, marsluotainten tarkat havaintolaitteet rekisteröivät joidenkin kymmenien miljardisosien paikallisia pitoisuuksia kaasukehässä. Aivan kuin metaania purkautuisi jostakin kaasukehään poistuakseen verrattaen nopeassa tahdissa tuntemattoman kemiallisen mekanismin avulla.
Metaani on toki vain yksi pieni molekyyli, mutta sillä on taustallaan oma tarinansa. Metaanin synty Marsin fysikaalisissa ja kemiallisissa olosuhteissa ei onnistu kovinkaan helposti. Tarvitaan joko tulivuoritoimintaa tai elävien solujen aineenvaihduntaa — molemmat selitysmallit olisivat äärimmäisen kiinnostavia astrobiologisesti tarkasteltuna ja tarkoittaisivat joko elämän tai sen mahdollistavien olosuhteiden havaitsemista planeetan pinnan alla. Mahdollista on myös, että jotkin marsperän mineraalit reagoivat vesimolekyyylien kanssa syvemmällä planeetan pinnan alla, jossa paine on korkeampi. Selviä merkkejä metaanin alkuperästä ei ole vielä saatu mutta jotain voidaan jo päätellä perustuen siihen, missä sitä esiintyy. Yksi erityinen alue on Medusae Fossaen hiekkadyynimuodostelma planeetan päiväntasaajan lähellä, muinaisen valtameren rannikon tietämillä. Se alueelta on havaintoja vapautuneesta metaanista (Kuva 1.).
Metaanin tulkinta merkiksi elävien organismien aineenvaihdunnasta on tietenkin se kaikkein kiinnostavin selitysmalli. Silloin oman planeettamme metanogeenejä muistuttavat mikrobit puuhastelisivat Marsin pinnan alla omissa oloissaan hiilidioksidin pelkistämistä metaaniksi, aivan kuten tapahtuu kaikenaikaan Maan kallioperässä jopa kilometrien syvyydessä jalkojemme alapuolella. Mallin mukaan metaani pääsisi aina ajoittain vapautumaan marsperästä, syvältä pinnan alta, selittäen siitä kaasukehässä tehdyt ajoittaiset havainnot. Tulkinnan puolesta ei kuitenkaan ole esitetty minkäänlaista konkreettista todistusaineistoa. Elämän esiintyminen vaatisi kuitenkin nestemäisen veden olemassaoloa syvällä Marsin pinnan alla, joten olisi ensiarvoisen tärkeää saada esiin merkkejä veden olemassaolosta niillä alueilla, joiden yläpuolella metaania on havaittu.
Siksi on merkittävä positiivinen yllätys saada uusi havaintotulos (1), jonka mukaan Medusae Fossaen alueella on runsaita vesijäätä sisältäviä kerrostumia, jotka parhaimmillaan ovat jopa kolme kilometriä paksuja pinnan satojen metrien paksuisen hiekka- ja pölykerroksen alla (Kuva. 2.). Arvioiden mukaan vettä on jopa niin runsaasti, että jakautuessaan Marsin pinnalle tasaisesti, se peittäisi planeetan noin parimetriseen kerrokseen. Löytö vastaa vesimäärää, joka löytyy vaikkapa maanpäällisestä Punaisesta Merestä — enemmän vettä Marsista on havaittu vain sen pohjoisen napa-alueen jäätiköltä. Kerrostumat osoittavat osaltaan, että Marsin muinainen valtameri ei haihtunut kauttaaltaan ultraviolettisäteilyn hajottaessa vesimolekyylejä planeetan heikosta vetovoimakentästä karkaavaksi vedyksi ja hanakasti pinnan rautapitoisiin mineraaleihin ruosteeksi sitoutuvaksi hapeksi.
Vaikka ajatukset naapuriplaneetallamme esiintyvästä elämästä ovat tässä vaiheessa vain spekulaatiota, on syytä pitää mielessä niiden konteksti. Mars oli muinoin huomattavan paljon maankaltaisempi, ja planeetan alavaa pohjoista puoliskoa peitti miljardeja vuosia sitten jopa kokonainen valtameri. Meren todennäköinen olemassaolo on helppoa nähdä jo planeetan korkeuskartasta kuvassa 2, jonka mukaan ylänköalueella tavanomaiset meteorikraaterit puuttuvat alavimmilta alueilta likimain kokonaan, mikä kertoo alueiden kokeneen merkittävää veden aikaansaamaa eroosiota. Vesi kun sekä estää tehokkaasti pienempien kraatereiden synnyn kuin pyyhkii pois merkit suuremmista kraatereista geologisessa silmänräpäyksessä vuosituhansien ja -miljoonien kuluessa. Tharsis -nimellä tunnetusta ylänköalueesta osa on toki sekin harvakseltaan kraaterien täplittämää, mutta sen selittää alueen valtavien tulivuorien keskittymä. Laajat alueet planeetan ylänköä ovat muinaisuudessa peittyneet purkautuvien massiivisten tulivuorten laavakenttiin.
Marsin kaasukehä on myös ollut aiemmin paksumpi, koska planeetalla on ollut auringon hiukkastuulelta suojaava magneettikenttä. Nyt magneettikentän hiivutua geologisen aktiivisuuden heikennyttyä, pirstaleiset magneettikentän rippeet eivät enää kykene suojaamaan kaasukehää hiukkastuulelta, vaan kaasukehän molekyylejä vuotaa hiljalleen avaruuteen tehden siitä paljon ohuemman kuin muinaisuudessa. Siksi vesikään ei enää pysy nestemäisenä planeetan kylmällä pinnalla ja planeetan pinta on nykyinen kylmä ja karu autiomaa.
Elämällä oli kuitenkin mahdollisuus ja sitä on saattanut muodostua planeetalla aivan kuten tapahtui Maapallollakin. Silloin mikrobit olisivat vain ilmastollisten ja fysikaalisten olosuhteiden muuttuessa päätyneet ainoisiin jäljelle jääneisiin elinkelpoisiin elinympäristöihin planeetan pinnan alapuolelle, jossa esiintyy edelleen radioaktiivisen hajoamisen myötä energiavirtoja sekä vettä, joka pysyy saatavilla planeetan sisusten lämmön ja paineen tehdessä siitä jopa nestemäistä.
Ajatusrakennelma kuulostaa hurjalta, mutta voimme kuvitella Marsin tilalle oman planeettamme. Jos Maan magneettikenttä hiipuisi ja ilmakehämme kokisi Marsin kohtalon, planeettamme pinnasta saattaisi tosiaan tulla karu ultraviolettisäteilyn ja huikkastuulen korventama autoimaa, jossa kaikki orgaaniset molekyylit hajoaisivat hetkessä tehden elämästä planeettamme pinnalla mahdotonta. Silloinkin elävät organismit kuitenkin vain jatkaisivat toimintaansa aivan normaalisti kallioperän sisällä, kuten ovat tehneet jo miljardeja vuosia pinnan hektisestä elämänmenosta piittaamatta. Ja mikä voi tapahtua omassa aurinkokunnassamme, on voinut tapahtua vieraissa planeettajärjestelmissä miljardeja kertoja jo omassa galaksissamme.
Ei siksi ole viisasta tuomita ainuttakaan pientä ja kivistä mutta pintaolosuhteiltaan kuolleelta vaikuttavaa planeettaa elottomaksi. Voi olla niin, ettemme vain onnistu havaitsemaan niiden rikkaita, monenlaisista mikrobeista koostuvia eliöstöjä kovinkaan helposti. Ehkäpä jopa valtaosa maailmankaikkeuden elämästä on havaittavissa vain pienenpienistä planeetan kaasukehän kemiallisen koostumuksen anomalioista, joita nyt havaitsemme vain vaivoin marsluotaintemme avulla. Se ainakin osaltaan selittäisi miksemme ole onnistuneet havaitsemaan elämästä minkäänlaisia merkkejä planeettamme ulkopuolella.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 