Luonto luovuuden lähteenä
Tähtitieteilijät ovat hyvin tyypillisesti varsin mielikuvituksetonta väkeä. Vain kursorinen tieteeseen perehtyminen riittää varmistamaan, että luovuus ja omaperäisyys eivät ole niitä tähtitieteen tutkijoita parhaiten määrittäviä adjektiiveja. Tutkijat ovat tietenkin hyvinkin luovia keksiessään tapoja käyttää instrumentteja puristaakseen vielä hiukan lisää tietoa havaittavina olevista kohteistaan, mutta silloinkin keksitään vain hyvin harvoin mitään uutta. Fysiikan lahjomattomat lait ja niiden sovellukset ovat tyypillisesti hyvin tunnettuina, ja niitä ehkäpä sovelletaan uudella tavalla, mutta pohjimmiltaan vain nojataan vuosikymmeniä vanhoihin ideoihin fysiikasta. Päällimmäisenä ovat sinnikkyys, järjestelmällisyys ja huolellinen logiikan ja muun matematiikan käyttö.
Luovuudelle on toki paikkansa, ja luova olemassaolevan tiedon yhdistely on takuuvarmasti eduksi, muttei aina vaatimuksena uuden tieteellisen tiedon saavuttamisessa. Esimerkiksi eksoplaneettojen havaitsemisessa sovelletaan noin sata vuotta vanhoja ajatuksia siitä, miten planeetat vaikuttavat tähdestä mehin saapuvaan valoon. Planeettojen vetovoima voi saada tähdet heilahtelemaan taivaalla, mikä voidaan mitata suoraan tarkkailemalla niiden paikkaa valokuvissa. Niiden heilahtelu näkösäteen suunnassa puolestaan aiheuttaa Dopplerin ilmiöksi kutsuttuja muutoksia niiden valoon. Heilahtelun yhtälöt tunnettiin jo 1600 -luvulla ja Dopplerin ilmiökin on nimetty Christian Dopplerin, 1800 -luvun alkupuoliskolla vaikuttaneen itävaltalaisen fyysikon mukaan, joka keksi ilmiön fysikaalisen ja matemaattisen perustan. Vastaavasti, ylikulkumenetelmä perustuu vanhojen liikelakien lisäksi vieläkin vanhempaan tietämykseen geometriasta, jota harjoittivat jo antiikin ajan ihmiset.
Toisin on fiktiota tuottavilla ihmisillä. Heidän tehtävänsä ei ole vain raportoida kylmän viileästi, mitä sattuvat maailmankaikkeudessa näkemään. Tieteiskirjailijat ja muut fiktion tuottajat koettavat kuvitella maailmoja, jotka vaikuttavat hämmästyttäviltä ja uskomattomilta saadakseen aikaiseksi eksoottisia tapahtumien näyttämöitä. Siksi tieteiskirjallisuudessa kuvataan usein eksoplaneettoja, jotka poikkeavat omasta planeetastamme ainakin jollakin silmiinpistävällä tavalla.
Muistamme Star Wars -elokuvasarjan karun aavikkoplaneetan Tatooinen, jonka taivaalla loistaa kaksi aurinkoa. Se kuvaa maailmaa, jollaisen olemassaolosta ei ollut minkäänlaisia viitteitä, kun ensimmäinen elokuvista julkaistiin 1970-luvulla. Myöhemmin on käynyt selväksi, että planeettoja esiintyy kiertämässä niin kaksoistähtien yksittäisiä komponentteja kuin tähtiparejakin, joten tieteiselokuvassa on onnistuttu ounastelemaan universumin ominaisuuksia varsin onnistuneesti. On kuitenkin kiinnostavaa katsoa onnistumisten taakse tutkimalla tilastoja. Eksoplaneetat ovat kokeneet muutoksen myös tieteiskirjallisuudessa tutkijoiden tekemien planeettalöytöjen myötä.
Tieteiskirjallisuuden yhteyttä todellisiin eksoplaneettalöytöihin on tutkinut Emma Puranen St Andrewsin yliopistossa, Skotlannissa. Hän selvitti yhdessä tutkimusryhmänsä kanssa millaisia eksoplaneettoja tieteiskirjallisuudessa on esiintynyt ja ovatko niiden ominaisuudet muuttuneet tutkijoiden 1990-luvulta lähtien tekemien löytöjen myötä (1). Tutkijat määrittivät ensin useita eksoplaneettojen ominaisuuksia binäärisinä vaihtoehtoina perustuen tieteiskirjallisuuden kuvauksiin. Sellaisia ovat esimerkiksi planeetan sijainti elinkelpoisella vyöhykkeellä, onko planeetalla elämää, onko sen elämä älykästä, voivatko ihmiset hengittää sen ilmaa, ja onko planeetalla ihmissiirtolaisia. Yhtenä tekijänä oli planeetan koostumus, ja erityisesti onko se kaasuplaneetta. On ennakkoon selvää, että esimerkiksi kaasuplaneetoilla ja ihmisten asuttamilla planeetoilla on negatiivinen korrelaatio, koska kaasuplaneetoille on vaikeaa järjestää ihmisen asuttavia olosuhteita edes fiktiivisessä kirjallisuudessa. Vastaavasti, voisi olettaa elämän esiintyvän tieteiskirjallisuudessakin herkästi niillä planeetoilla, joiden ilmaa ihmiset voivat hengittää.
Analysoituaan yli 140 tieteiskirjallisuuden eksoplaneettaa, tutkijat päätyivätkin vastaaviin intuitiivisiin tuloksiin perustuen aineistonsa tilastolliseen analyysiin. Suhteessa siihen, oliko tieteiskirjallisuus peräisin ajalta ennen eksoplaneettalöytöjä vai niiden jälkeen, tutkijat havaitsivat tieteiskirjallisuuden muuttuneen. Tunnetut eksoplaneetat ovat monella tapaa Maasta poikkeavia. Ne ovat tyypillisesti vihamielisiä elämälle ja saattavat olla elinkelvotomia, autioita kappaleita. Esimerkiksi kuumat Neptunukset, joiden kaasukehässä sataa sulaa rautaa eivät anna mahdollisuuksia tuntemallemme elämälle. Laaja kirjo elinkelvottomia uusia maailmoja ei siksi oikein voinut olla vaikuttamatta tieteiskijjailijoiden näkemyksiin, ja heidän kuvittelemansa planeetat alkoivat muuttua — tieteiskirjallisuuden elinkelpoiset planeetat kävivät harvinaisemmiksi.
Puranen ryhmineen havaitsi entistä harvemman kuvitteellisen planeetan pinnalla olevan kotoperäistä älykästä elämää ja ihmisten siirtokuntia kuin aiemmin. Planeetan pinnan elinkelpoisuuteen, elämään, älykkääseen elämään ja ihmisiin, joiden esiintyminen oli positiivisesti korreloitunutta keskenään, vaikutti siis negatiivisesti kaksi tekijää. Se, oliko planeetta kaasuplaneetta ja se, oliko kertomus ajalta eksoplaneettalöytöjen jälkeen. Voidaan siis sanoa löytöjen heijastuneen tieteiskirjailijoiden mieliin ja saaneen heidät hyväksymään, että harvempi planeetta on elinkelpoinen. Kirjailijat ovat siten saaneet voimakkaita vaikutteita tieteestä, joka on muokannut heidän kuvittelemiaan maailmoja. Se ei tietenkään ole lainkaan yllättävää. Tieteiskirjallisuus, kuten kaikki muukin ihmisten mielikuvitusten tuotokset, pohjautuu vahvasti siihen, mitä ihmiset voivat ympärillään havaita ja tarkastella. Eksoplaneetat ja niihin liittyvä kirjallisuus ei tuo siihen poikkeusta, vaikka tarjoaakin poikkeuksellisen selvästi rajatun mahdollisuuden tutkia tieteen ja tieteiskirjallisuuden vuorovaikutusta.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
James Webb -avaruusteleskooppi on tehnyt havaintoja kiviplaneetan kaasukehästä
Toisia tähtiä kiertävien pienten, kivisten planeettojen elinkelpoisuuden määrittämisessä on ehdottoman tärkeässä roolissa se, että saamme tietoa niiden kaasukehän koostumuksesta. Menetelmänä voi olla suora kuvaaminen, jolla olisi mahdollista yksinkertaisesti vain havaita planeetan kaasukehän vapauttamaa säteilyä ja päätellä sen aallonpituuksjakautumasta, eli spektristä, mistä molekyyleistä sen kaasukehä koostuu. Koostumuksen perusteella voisi puolestaan arvioida niitä fysikaalisia ja kemiallisia olosuhteita, joita planeetan kaasukehässä ja pinnalla esiintyy. Olisi jopa mahdollista saada selville vaikuttaako olosuhteisiin ja planeetan kemiaan kenties elämäksi kutsuttu itseään kopioivien ja evoluutiota kokevien biokemiallisten järjestelmien aineenvaihdunta.
Koska pienten, kivisten eksoplaneettojen suoraan kuvaamiseen vaadittavaa laitteistoa ei vielä ole onnistuttu rakentamaan, on turvauduttava toiseen, hiukan kekseliäämpään tapaan havaita vieraiden planeettojen kaasukehien ominaisuuksia. Transmissiospektroskopialla tarkoitetaan niinikään planeetan kaasukehän koostumuksen tutkimista, mutta epäsuorin keinoin. Kun planeetta kulkee radallaan tähtensä editse, se estää pientä osaa tähden valoa saapumasta mittalaitteisiimme. Voimme siten havaita planeetan ylikulkuja, jotka näkyvät tähden pienenä näennäisenä ja jaksottaisena himmenemisenä aina planeetan peittäessään osan sen pintaa. Menetelmällä on onnistuttu löytämään jo tuhansia toisia tähtiä kiertäviä planeettoja, niiden joukossa satoja kiviplaneettoja.
Jos planeetan ylikulkuja tarkkaillaan eri aallonpituuksilla, voidaan planeetan näennäisen koon arvioiksi saada hiukan toisistaan poikkeavia lukemia. Kysymys ei kuitenkaan ole planeetasta, jonka koko muuttuu, vaan vain yksinkertaisesta kaasukehän kemian seurauksesta. Joillekin tähden säteilyn aallonpituuksille planeetan kaasukehä on läpinäkymätön, koska kaasukehän molekyylit virittyvät korkeampiin energiatiloihin sopivan aallonpituuskaistan säteilystä. Toisilla aallonpituuksilla kaasukehä on puolestaan lähes täysin läpinäkyvä, ja säteily pääsee sen läpi esteettä saaden planeetan näyttämään hoikemmalta. Eri molekyylit tekevät kaasukehästä läpinäkymättömän eri aallonpituuksilla mutta asiassa on sittenkin aste-eroja. Myös molekyylien pitoisuus kaasukehässä vaikuttaa. Valon kulku kaasukehän läpi heikkenee sitä enemmän mitä suurempi molekyylien pitoisuus ja koko kaasukehän paksuus on. Siten ylikulkuja tarkkailemalla voidaan saada tietoa planeetan kaasukehän paksuudesta, koostumuksesta, ja muista ominaisuuksista.
Kiviplaneettojen kaasukehistä on kuitenkin hyvin hankalaa onnistua saamaan tietoa edes parhailla mahdollisilla teleskoopeilla. James Webb -avaruusteleskooppi, tähtitieteen tämän hetken tarkin ja merkittävin lippulaiva, on ollut kovassa käytössä, kun tutkijat ovat koettaneet havaita merkkejä TRAPPIST-1 -järjestelmän kiviplaneettojen kaasukehistä. Vaikka havainnoissa ei ole vielä onnistuttu, todennäköisesti siksi, että järjestelmän sisimmillä planeetoilla ei ole kaasukehiä, on JWST nyt suunnattu uuteen kohteeseen, lähitähteen 55 Cancri.
Yksi 55 Cancrin järjestelmän planeetoista, sisin kuuma supermaapallo 55 Cancri e, on havaittavissa sen ylikulkujen perusteella. Planeetta on kaikkea muuta kuin elinkelpoinen. Se kiertää tähtensä ympäri vain noin 18 tunnissa ja kylpee tähden voimakkaassa säteilyssä, joka kuumentaa planeetan pinnan peräti 3500 celciusasteen lämpötilaan. Planeetta on yksi kuumimmista tunnetuista, ja sitä on kuvailtu laavaplaneettana, jonka olosuhteissa kivi ja monet metallit ovat sulana ja jopa osin höyrystyneenä planeetan kaasukehään. Planeetta on luultavasti myös geologisesti aktiivinen ja sen pinta on aktiivisten tulivuorten täplittämä.
Tuoreet tulokset kuitenkin osoittavat ajatusten planeetan 55 Cancri e luonteesta olevan osittain vääriä (1). James Webb -avaruusteleskoopin havainnot osoittavat vääjäämättä, että planeetan kaasukehä koostuu keveämmistä kaasuista höyrystyneen kiviaineksen sijaan. Todennäköisesti sen kaasukehä on pääosin hiilidioksidia ja hiilimonoksidia. Tutkijoiden arvion mukaan planeettaa peittävät laavakentät, joiden purkaukset uudistavat kaasukehää jatkuvasti hiilidioksidilla ja -monoksidilla. Kyse on silti vain arviosta — tarkkaa kaasukehän koostumusta on mahdotonta arvioida, koska havainnot ovat yhteensopivia useiden erilaisten mallien kanssa. On silti selvää, että planeetan kaasukehästä on nyt saatu infrapuna-alueen havaintoja, jotka osoittavat kiistatta sen koostuvan omankin planeettakuntamme planeettojen kaasukehistä tutuista helposti kaasuuntuvista yhdisteistä.
Jos onnistuisimme matkaamaan vierailulle 55 Cancri e:n pinnalle, näkisimme valtavat laavakentät (Kuva 2.) ja ehkäpä pinnan tulivuoia, joiden ajoittaiset purkaukset vapauttaisivat runsaasti pölyä planeetan kaasukehään ja jopa avaruuteen sen kiertoradalle tähtensä ympäri. Laavakenttien purkaukset vapauttaisivat kaasuja ja pitäisivät siten yllä planeetan kaasukehää, joka on tähden voimakkaalle säteilylle alttiina ja karkaa siksi avaruuteen verrattaen nopeassa tahdissa. Planeetalla saattaisi olla pilvenmuodostusta, kun laavakentiltä vapautuvat ainekset tiivistyisivät korkeammalla kaasukehässä. Joka tapauksessa planeetta on vuorovesilukkiutunut ja näyttää siten tähdelleen ainoastaan toisen puolensa. Se aiheuttaa valtaisia lämpötilaeroja planeetan valoisan ja pimeän puoliskon välille, mikä puolestaan tuottaa voimakkaita kaasukehän virtauksia, kun lämpö pyrkii tasaantumaan. Kyse ei ole siksi vain kuumasta laavaplaneetasta, vaan suoranaisesta tulimyrskyjen maailmasta, jonka olosuhteissa ihmisenkaltaiset elävät organismit eivät voi koskaan edes vierailla.
Mikään ei kuitenkaan ole täysin varmaa. Kivisten eksoplaneettojen kaasukehät ovat ohuita, ja niiden tutkiminen ylikulkujen avulla, transmissiospektroskopian keinoin, on erittäin haastavaa. Vain pieni murto-osa tähden säteilystä kulkee planeetan kaasukehän läpi jättäen säteilyspektriin kaasukehän koostumuksesta kertovat hiuksenhienot poikkeamat. Tulevat, tarkemmat ja kattavammat havainnot saattavat siten tuottaa suuriakin yllätyksiä ja muuttaa planeettojen luonteesta ja koostumuksesta tehtyjä tulkintoja. Se kuuluu kuitenkin normaaliin tieteellisen tiedonhankinnan etenemiseen ja on vain hyväksyttävä osana tieteen toimintaa.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 