Arkisto | Astrobiologia RSS for this section

Suojeletko meitä, Jupiter?

Jos tarkkailemme planeettakuntaamme tieteelliseen objektiivisuuteen pyrkien, unohtaen hetkeksi, että kyseessä on oma kehtomme ja kotimme, havaitsemme nopeasti Jupiterin olevan yksi järjestelmäämme hallitsevista voimista. Aurinko on tietenkin planeettakuntamme keskus ja sisältää 99.9% Aurinkokunnan kaikesta massasta. Aurinko myös kontrolloi Aurinkokunnan koostumusta. Jopa se, kuuluuko jokin kappale Aurinkokuntaan, selviää tarkastelemalla onko kappaleen liike-energia riittävän matalalla tasolla pysymään Auringon muodostaman gravitaatiokaivon reunojen sisäpuolella. Samoin Aurinko vaikuttaa kaikkiin muihin kappaleisiin kokonaisella spektrillä säteilyä ja pommittaa lisäksi kaikkia kiertolaisiaan hiukkastuulella. Mutta Jupiterin merkittävyys tulee mainiosti esiin huomaamalla, että sen liike Auringon ympäri muodostaa noin 70% Aurinkokunnan pyörimismäärästä. Ensimmäisen asteen approksimaatio Aurinkokunnasta on siis massiivinen Aurinko, jota kiertää radallaan Jupiter. Kaikki muu tarjoaa vain vaatimatonta taustakohinaa suhteessa tähän kokonaiskuvaan.

Jupiterin rooli näkyy parhaiten siinä, miten sen vetovoima paimentaa lukemattomia Aurinkokunnan pikkukappaleita. Mars jäi luultavasti kooltaan pieneksi Jupiterin voimakkaan vetovoiman häiritsevän vaikutuksen vuoksi ja Marsin ja Jupiterin ratojen väliselle alueelle ei koskaan muodostunut kääpiöplaneetta Ceresiä suurempia kappaleita juuri Jupiterin vetovoimavaikutuksen vuoksi. Tunnusomaisinta Jupiterin vetovoimavaikutukselle on kuitenkin planeetan ympärilleen keräämien troijalaisten asteroidien kokoelma. Sen lukuisat asteroidit on vangittu kiertämään Jupiterin ja Auringon muodostaman kahden kappaleen järjestelmän lagrangen pisteiksi kutsuttuja alueita, joissa Jupiterin ja Auringon vetovoimat ovat suunnilleen tasapainossa. Asteroidit kiertävät pisteitä Jupiterin radan kohdalla siten, että ne liikkuvat joko 60 astetta Jupiterin edellä tai perässä, muodostaen kaksi lähes stabiilien seuralaisasteroidien parvea (Kuva 1.).

Kuva 1. Animaatio Jupiterin troijalaisista asteroideista (vihreä) ja joukosta muita asteroideja, joiden liikettä Jupiter radallaan hallitsee (punainen). Kuva: P. Scheirich.

Jupiterin vetovoima on niin suurta, että se kykenee vaikuttamaan merkittävästi koko Aurinkokuntaan. Mutta vaikutus on satunnaista. Jupiter vain muuttaa vetovoimansa avulla lähelleen saapuvien kappaleiden ratoja, jolloin niiden kiertoradat Auringon ympäri saattavat aikojen saatossa kokea suuriakin muutoksia. Dramaattisimmillaan kappaleet päätyvät törmäyskurssille muiden Aurinkokunnan kappaleiden kanssa mutta siinäkin Jupiter on omaa luokkaansa. Suurimpana Aurinkokunnan kiertolaisena Jupiteriin törmääminen on kaikkein todennäköisintä. Siitä esimerkki nähtiin hiljattain, kun Jupiterin pintaan törmäsi pieni asteroidi tai komeetta (Kuva 2.). Maan väreilevän ilmakehän läpi epätarkoilla laitteilla otetut kuvat eivät ole kovinkaan näyttäviä mutta Jupiterin jatkuva monitorointi on mahdotonta suurilla teleskoopeilla, ja ainoa havainto osumasta tehtiinkin brasilialaisen tähtiharrastajan pienellä kaukoputkella.

Kuva 2. Jupiterin pinnalla havaittu vaalea kosmisen törmäyksen aiheuttama välähdys syyskuun 13. päivä, 2021. Kuva: J.L. Peirera, M. Delcroix.

Muinaisessa historiassa, kun Aurinkokunta oli vielä nuori, se oli täynnä kaikenkokoisia kappaleita protoplaneetoista aina pienen pieniin pölyhiukkasiin asti. Tuolloin yksi protoplaneetoista, oman planetaarisen maailmamme esiaste, joutui tuhoisaan törmäykseen suunnilleen marsinkokoisen toisen protoplaneetan kanssa. Koko planettamme kuumeni hehkuvaksi tulipalloksi ja valtava määrä materiaa sinkoutui kiertoradalle jäähtyen myöhemmin ja muodostaen Kuun. Aurinkokunnan alkuajat olivat väkivaltaisten törmäysten aikaa. Siitä muistuttavat edelleenkin Kuun ja monen muunkin Aurinkokunnan kappaleen lukemattomat törmäyskraaterit. Myöhemmin planeettakuntamme rauhoittui ja siinä Jupiterin vetovoimalla on luultavasti ollut merkittävä rooli. Jupiter nimittäin häiritsee pienten kappaleiden ratoja jatkuvasti ja tavallaan siivoaa ne vuosimiljoonien kuluessa pois sisemmän Aurinkokunnan välittömästä läheisyydestä. Kaukaisessa historiassa Jupiterin vetovoimavaikutus vähensi niiden kappaleiden määrää, jotka saattaisivat osua Maahan sen vastasyntyneelle elämälle tuhoisin seurauksin. Vaikka Maahan onkin saatttanut törmätä useitakin energialtaan planeetan sterilointiin kykeneviä kappaleita, niiden määrä ja siten törmäysten frekvenssi ovat laskeneet Jupiterin ansiosta merkittävästi.

Jupiter ei kuitenkaan välitä Maasta tai sen elämästä eikä ole missään aikeissa sen enempää suojella Maan elämää kuin tuhotakaan sitä. Luonnonlait, joista Jupiterkin on syntynyt ja joita sen liike noudattaa, vain ovat, ja ne eivät ole kiinnostuneita ihmiskunnan tai Maan biosfäärin olemassaolosta tuon taivaallista. Jupiter muuttaa edelleen lähelleen saapuvien kappaleiden ratoja muttei välttämättä meidän onneksemme. Riittää, että se vaikuttaa johonkin Maan lähelle saapuvaan pieneen asteroidiin vain hiukan, ja planeettaamme kohtaa valtaisa tuho asteroidin sattuessa osumaan planeettamme reitille avaruudessa. Vaikka asteroiditörmäyksen aiheuttama uhka on pieni, se on kuitenkin hyvin todellinen, koska Maan radan ympäristössä on runsaasti pieniä asteroideja, jotka kiertävät Aurinkoa moninaisilla radoillaan (Kuva 3.). Jupiter voi vetovoimineen toimia niin hyvässä kuin pahassakin, suistaen törmäyskurssilla olevat kappaleet sivuun tai lähiohituksia tekevät siirtymään kohtalokkaalle radalle. Onneksemme Maa on kuitenkin niin pieni maalitaulu, ettei tuhannenkaan asteroidin voida katsoa olevan kovinkaan potentiaalinen uhka.

Kuva 3. Maan radan lähiympäristön tunnettujen potentiaalisesti vaarallisten, yli 140 metristen asteroidien radat. Kuva: NASA, JPL-Caltech.

Aurinkokunnan ulko-osista voi ajoittain saapua uusia uhkia. Komeetat vierailevat säännöllisesti sisemmässä Aurinkokunnassa ja ohittaessaa Jupiteria niidenkin radat saattavat muuttua merkittävästi. Mutta planeettakuntamme ulko-osissa saattaa piillä muitakin vaaroja. Joidenkin kaukaisten kappaleiden rata-anomalioiden selittämiseksi on postuloitu jopa yhdeksäs planeetta, joka kiertää Aurinkoa niin kaukana, ettei siitä ole vielä saatu suoria havaintoja. Se saattaisi vetovoimansa avulla heilauttaa Oortin pilven komeettoja radoille kohti sisempää Aurinkokuntaa potentiaalisesti tuhoisin seurauksin. Planeetan olemassaoloa ei kuitenkaan ole kyetty varmistamaan ja kourallinen pienempiä kappaleita kaukana Auringosta on voinut päätyä oudoille radoilleen muistakin syistä.

Jupiter ei tietenkään varsinaisesti suojele meitä edes Oortin pilven komeetoilta. Se voi vain muuttaa niiden ratoja satunnaisesti, lähiohitusten myötä. Jupiterin suojeleva vaikutus on siis sidonnaista aikakauteen. Meidän näkökulmastamme, se suisti lukemattomia kappaleita radoiltaan Aurinkokunnan nuoruudessa, jotta ne eivät enää olisi aiheuttamassa planeettoja steriloivia törmäyksiä nyt, kun monisoluinen elämä on saanut jalansijan planeetallamme. Uhka ei kuitenkaan ole väistynyt täysin. Katastrofien varoitussignaaleina toimivat Jupiterin itsensä kaasumaiseen pintaan iskeytyvät satunnaiset asteroidit ja komeetat, kuten juuri havaittu pikkukappale (Kuva 2.).


Kirjoitukseen innoitti Andrew Revkinin teksti ”To Cut Odds of a Big Bang on Earth, Heed Jupiter’s Flashing Warning Sign”. Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Tähtienvälisen pimeyden maailmat

Planeetat ovat yleisempiä kuin tähdet maailmankaikkeudessa, koska niitä syntyy aina kourallinen tähtien synnyn vääjäämättömänä sivutuotteena. Niihin pätee yleinen tähtitieteilijöiden moneen kertaan varmentama lainalaisuus: mitä pienempi kappale on kyseessä, sitä enemmän niitä on olemassa. Aurinkokunnassamme on enemmän kuita kuin niitä suurempia planeettoja, enemmän asteroideja ja muita epäsäännöllisen muotoisia pikkukappaleita kuin gravitaation pallomaisiksi muokkaamia kappaleita, ja valtaisa määrä vieläkin pienempiä kivenmurikoita, joiden havaitsemisessa teleskooppiemme herkkyys ei riitä. Pölyhiukkasten määrää ei kannata edes koettaa laskea.

Kaikki tähdet ja planeettakunnat syntyvät tähtienvälisestä kaasusta ja pölystä. Tavallisesti planeetan kokoluokan kappaleet muodostuvat tähtien kiertoradoille, jossa ne kasvavat hiljalleen suuremmiksi keräten pölyhiukkasia itseensä. Jotkin kappaleet saavuttavat riittävän suuren massan, jotta myös kaasu putoaa niiden syveneviin gravitaatiokaivoihin. Siten syntyvät paksujen kaasuvaippojen peittämät jättiläisplaneetat. Mutta planeettoja syntyy tavallisesti useita, ja niiden kiertäessään nuorta kaasu- ja pölykiekon ympäröimää tähteään, aineksen kitka saa niiden radat muuttumaan. Planeetat saattavat muuttaa aivan tähtensä lähelle tai päätyä lähekkäisille kiertoradoille. Silloin, tähden sytyttyä kunnolla loistamaan ja puhallettua jäljelle jääneen kaasun pois, helvetti pääsee valloilleen. Kun kaasu ei enää vaimenna planeettojen keskinäisten vetovoimien aiheuttamia häiriöitä toistensa ratoihin, järjestelmä muuttuu kaoottiseksi ja seurauksena on väkivaltaisia kosmisia törmäyksiä. Jotkut planeetat tuhoutuvat prosessissa kokonaan, toiset kasvattavat massaansa sulattamalla törmäävät kappaleet itseensä. Mutta jotkut välttävät tuhoisat törmäykset. Niiden kohtalo on aivan toisenlainen. Jotkut planeetat saavat sisartensa lähiohituksista riittävästi liike-energiaa, jotta voivat poistua tähtensä vetovoimakentästä. Niistä tulee vapaita, tähtienvälisiä planeettoja, jotka viettävät ikuisuuden tähtienvälisessä avaruudessa kokematta enää koskaan ainoankaan auringon valoa ja lämpöä. Ne ovat ikuisesti yksin mutta se ei ole loppu, vaan ehkäpä vain toisenlainen alku.


Tähtitieteilijät ovat viime aikoina päässeet tutkimaan tähtien ja planeettakuntien syntyprosessia tarkemmin kuin koskaan ennen. ALMA-teleskooppi on havainnut jo kymmeniä syntymässä olevia planeettakuntia ja saanut viitteitä jopa syntymässä olevasta kuujärjestelmästä jättiläisplaneetan ympärillä. Tiedämme, että tiiviisti pakatut planeettakunnat ovat kaoottisia paikkoja ja jotkut planeetat päätyvät väistämättä syntyjärjestelmiensä ulkopuolelle. Oikeastaan tähtienvälisten planeettojen syntyperä osana planeettakuntia on ollut selvää tähtitieteilijöille jo 1990-luvun ensimmäisistä eksoplaneettahavainnoista lähtien. Kuumat jupiterit voivat muodostua vain kauempana tähdestään ja muuttaessaan tähtensä lähelle syntysijoiltaan, kaukaa ulkoplaneettakunnasta, ne toimivat kuin gravitaatiolinkoina, jotka vetovoimallaan sinkauttavat valtaosan kohtaamistaan pienemmistä planeetoista törmäyskurssille itsensä tai tähden kanssa — tai kokonaan ulos planeettakunnistaan. Toisinaan järjestelmässä kuitenkin on alkujaan toinenkin suuri jättiläisplaneetta. Silloin niistä kevyempi saattaa sinkoutua ulos järjestelmästä mutta massiivisempi jää kiertämään tähteään erikoiselle, soikealle radalle, jonka syntyä ei voi selittää ilman rataa merkittävästi muuttavia planetaarisia lähiohituksia. Myös näitä eksentrisiä jupitereita on havaittu useita kiertämässä lähitähtiä ja nekin kertovat osaltaan siitä, miten tähtienvälinen avaruus on täynnä meille lähes näkymättömiä, pieniä ja suurempia planeettoja. Joskus näkymätön kuitenkin muuttuu näkyväksi onnellisen sattuman avulla.

Kuva 1. Taiteilijan näkemys yksinään galaktisella kiertoradallaan ikuisessa pimeydessä vaeltavasta tähtienvälisestä planeetasta. Kuva: A. Stelter.

Kymmeniä eksoplaneettoja on havaittu tarkkailemalla satojen tuhansien tähtien kirkkautta samanaikaisesti ja toivoen, että jokin niistä kirkastuisi vain muutamaksi tunniksi. Kyse ei ole ylikulkumenetelmästä, jonka periaatteena on havaita tähtien hiuksenhienoja muutaman tunnin mittaisia himmenemisiä pienikokoisempien planeettojen kulkiessa niiden pintojen editse ja estäen silloin murto-osaa valosta saapumasta teleskooppeihimme. Kun ylikulkumenetelmän periaatteena on havaita tähden himmeneminen, mikrolinssimenetelmä perustuu tähden kirkastumisen havaitsemiseen planeetan kulkiessa täsmälleen sen ja meidän välistä. Mutta silloin planeetalla ja kirkastuvalla tähdellä on oltava etäisyyttä kerrassaan valtavasti, tuhansia valovuosia. Vain valtaisa etäisyys takaa, että planeetta, taivuttaessaan aika-avaruutta aavistuksen verran ja toimiessaan siten gravitaatiolinssinä, saa taustataivaan tähden kirkastumaan hetkeksi havaittavissa määrin. Sellainen sattumus on äärimmäisen harvinainen mutta ilmiö on riittävän voimakas, jotta eksoplaneettoja voidaan havaita kunhan vain tarkkaillaan herkeämättä riittävän suurta määrää kaukaisia tähtiä. Toisinaan havaitaan planeettoja kiertämässä jotakin himmeää tähteä. Toisinaan taas havaittu planeetta on jopa aivan yksin avaruudessa, vailla tähtikumppania ja muuta planeettakuntaa (1).

Vuoden 2016 aikana eräs muutoin rauhallinen ja vakaasti loistava kaukainen tähti kirkastui vain noin 5 tunnin ajaksi (Kuva 2.). Kirkastumisen olisi voinut kuitata pienenä havaintolaitteen häiriönä mutta lukemattomat muut tähdet koodinimen OGLE-2016-BLG-1928 saaneen kohteen vieressä välttyivät vastaavalta hetkelliseltä kirkastumiselta. Kyseessä oli siis tähden aito kirkastuminen, ei havaintoinstrumentin tai teleskoopin satunnainen tai systemaattinen muutos. Ja tällaisen äkillisen muutoksen voi aiheuttaa vain kohdetähden editse kulkenut pieni kiviplaneetta. Planeetan massa on huonosti määritetty, muttei suurempi kuin kaksi Maapalloa, ja se ei todennäköisesti kierrä mitään tähteä — jos kiertäisi, myös tähden vetovoima aiheuttaisi kirkastumista toimiessaan sekin gravitaatiolinssinä. Mutta tähden olemassaolosta kertovaa usean päivän kirkastumaa ei ole havaittavissa. Kirkastumisen aiheuttaja OGLE-2016-BLG-1928L b on mitä luultavimmin tähtienvälinen kiviplaneetta. Laskelmien mukaan sellaisia on jo omassa galaksissamme ainakin 50 miljardia ja ne kaikki ovat todennäköisesti syntyneet kauan sitten omissa planeettakunnissaan vain joutuakseen suurempien kumppaniensa vetovoimien avaruuteen viskaamiksi.

Kuva 2. Mikrolinssi-ilmiön aiheuttama hiuksenhieno kirkastuminen. Linssinä toimii pieni kiviplaneetta, joka ei ilmeisesti ole minkään tähden kiertoradalla. Kuva: Mroz et al.

Yksinäiset planeetat eivät kuitenkaan ole välttämättä yksin. Jättimäisillä kaasuplaneetoilla on lähes väistämättä kumppaninaan kuita, jopa kokonainen kuiden järjestelmä. Vaikka eksokuita ei ole havaittu vielä ainuttakaan, niiden olemassaolo on varmaa, koska jättiläisplaneettojen ympärille muodostuu niiden syntyessä kertymäkiekot, joiden materiasta kuut syntyvät. Ne ovat kuin planeettakuntia pienoiskoossa, kuten Jupiterin ja Saturnuksen monipuoliset kuujärjestelmät osoittavat. Tähtienväliset jättiläisplaneetat tuskin ovat poikkeus. Ei ole syytä olettaa, että ne menettäisivät kaikki kuunsa sinkoutuessaan pois syntyjärjestelmistään, joten avaruudessa on luultavasti runsaasti jättiläisplaneettoja, joiden moninainen kuiden ja pienempien kiertolaisten järjestelmä kiertää planeettaa ikuisessa pimeydessä ja veret seisauttavassa kylmyydessä. Kuin minikokoiset, pimeät aurinkokunnat, ne eivät loista valoa ja ovat siksi havaittavissa vain sattuessaan gravitaatiolinsseiksi.

On toinenkin vaihtoehto. Jättiläisplaneetat saattavat syntyä yksin, kun tähtienvälinen kaasusta ja pölystä koostuva molekylaarinen pilvi luhistuu oman vetovoimansa vaikutuksesta. On mahdollista, että joskus ainesta ei ole riittävästi, jotta tiivistymiskeskus kuumenisi fuusioreaktioiden käynnistämiseen vaadittaviin lämpötiloihin. Silloin syntyvä kappale on epäonnistunut tähti, joka vastaa massaltaan jättiläisplaneettaa. Sen ympärille voi muodostua laaja kuiden järjestelmä, mutta niiden pinnoilla ainoat näkyvät valonlähteet ovat linnunradan tähdet sekä jättiläisplaneetan näyttävät revontulet. Kuiden jäisten kuorien alla voisi silti olla laajoja meriä. Aivan kuten monen aurinkokunnan kuun jäisen kuoren alla, myös tähtienvälisten jättiläisplaneettojen kuut voisivat ylläpitää kymmenien, jopa satojen kilometrien syvyisiä meriä. Planeetan vuorovesivoimat pitäisivät meret nestemäisinä tuottaen jopa biosfäärin ylläpitämiseen rittävän määrän geotermista energiaa. Energianlähteenä toimisi myös radioaktiivinen hajoaminen, kuten Maapallon vaipassa ja ytimessä. Kuoreltaan kuut olisivat tähtienvälisessä -270 Celciusasteen lämpötilassa kuolleeksi jäätyneitä mutta sen alla ne voisivat piilotella laajoja vetisiä biosfäärejä.

Kuva 3. Syntymässä oleva kertymäkiekon ympäröimä planeetta kuujärjestelmineen. Taiteilijan näkemys. Kuva: Nagoya University.

Voimme kuvitella kaukana tähtien valosta ja lämmöstä avaruuden tuulten armoilla seilaavan planeetan. Voimme kuvitella, miten sen uskollisen kuun pinnan alla sijaitseva biosfääri on kehittynyt monimuotoiseksi elämän keitaaksi loputtomassa pimeydessä. Mikrobit muodostavat perustuottajat, ja ne kasvavat geotermisen energian ja kuun sisuksista purkautuvan mineraali- ja metallipitoisen veden tarjoamilla antimilla. Ehkäpä monisoluiset organismit laiduntavat mikrobikasvustoilla kuten katkaravut Maapallon merten pohjissa mustien savuttajien ympärillä. Toiset eläimet ehkä suodattavat vedestä ravintonsa ja jotkut turvautuvat saalistamiseen aikaansaaden loppumattoman kilpavarustelun petojen ja saaliiden välillä.

Emme tiedä kuinka monipuoliseksi jääkuoren alleen sulkema biosfääri voi evoluution voimasta muotoutua. On kuitenkin toinenkin vaihtoehto. Tähtienvälisen planeetan kuuta voi peittää kaasukehä, jonka paine pitää veden sen pinnalla nestemäisenä (2). Vettä ei ehkä olisi paljon, mutta kuitenkin riittävästi tarjotakseen biosfäärille mahdollisuuden. Sellaisia kuita voi hyvinkin piileksiä jossakin kaukana varjoissa, sattumalta mikrolinsseiksi eksyvien jättiläisplaneettojen kumppaneina. Meidän on ehkä mahdotonta koskaan havaita niitä — taustataivaan tähden valoa hetken verran voimistavien planeettojen havaitseminen uudelleen ei onnistu enää koskaan. Ne ovat paenneet näköpiiristämme ikuisesti ja palanneet sinne, mistä tulivatkin. Omille yksinäisille radoilleen galaksimme keskustan ympäri, ikuiseen pimeyteen ja yksinäisyyteen.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Mroz et al. 2020. A Terrestrial-mass Rogue Planet Candidate Detected in the Shortest-timescale Microlensing Event. The Astrophysical Journal, 903, L11.
  2. Avila et al. 2021. Presence of water on exomoons orbiting free-floating planets: a case study. International Journal of Astrobiology, 20, 300.

Proxima Centaurin rikas planeettakunta

Ennen vuotta 2016 Aurinkoa lähinnä sijaitseva tähti, pieni punainen kääpiötähti Proxima Centauri, oli vain yksi Auringon lähinaapuruston ja Linnunradan galaksin punertavista taivaan fuusioenergiaa säteilevistä plasmapalloista. Toisin kuin kumppaninsa, Alpha Centaurin kaksoistähti, Proxima ei näy paljaalla silmällä ja siksi sen se löydettiinkin vasta runsas vuosisata sitten. Lähes täsmälleen sata vuotta löytönsä jälkeen, sain olla mukana julkistamassa havaintoa tähteä kiertävästä planeetasta b, minkä jälkeen Proxima Centauri on ollut yksi tutkituimmista taivaan kohteista ja siitä on julkaistu satoja tieteellisiä tutkimuksia, joissa kuvataan planeetan ja tähden ominaisuuksia, tähden magneettista aktiivisuutta ja purkauksia, sekä vaikkapa järjestelmää ympäröivää pölykiekkoa.

Proxima b on tietenkin järjestelmän tunnetuin planeetta — onhan se juuri sopivalla etäisyydellä tähdestä, jotta sen pinnalla voi lämpötilan puolesta esiintyä nestemäisenä virtaavaa vettä. Planeetta on todennäköisesti hiukan Maata massiivisempi ja sen olemassaolo on sitten löytämisensä tullut jopa varmistetuksi riippumattomin havainnoin. Proxima b on mitä suurimmalla todennäköisyydellä vuorovesilukkiutunut siten, että se näyttää aina saman kylkensä tähdelleen. Teknisesti ottaen planeetan vuorokausi ja vuosi ovat siis silloin saman pituisia mutta planeetan pinnalla ei tapahdu vuorokausivaihteluita. Valoisalla puolella ollaan ikuisessa punaisen auringon loisteessa kun taas pimeä puoli ei näe tähden valoa koskaan. Se taas asettaa mielenkiintoisia rajoitteita planeetan elinkelpoisuudelle — luultavasti ei kuitenkaan mitään ylitsepääsemätöntä.

Joistakin arveluista poiketen, myöskään Proxima Centaurin aktiivinen purkautuminen ei vaikuta olevan este elämän esiintymiselle Proxima b:n pinnalla. Heti planeetan löytämisen jälkeen, tutkijat kiinnittivät huomiota kahteen mielenkiintoiseen havaintoon. Proxima b:n kiertorata on hyvin lähellä tähtensä pintaa sen kiertäessä radallaan tähden ympäri vain 11 päivässä. Se taas tarkoittaa, että pienetkin tähden purkaukset voivat vaikuttaa Proxima b:n pintaolosuhteisiin merkittävällä tavalla. Ja Proxima Centauri purkautuu usein ja verrattaen voimakkaasti. Joidenkin arvioiden mukaan Proxima b:n pinnalle saapuu 30 kertaa enemmän ultraviolettisäteilyä kuin Maahan ja jopa 250 kertaisesti röntgensäteilyä (1). Purkaukset ovatkin voineet hajottaa planeetan pinnan vesimolekyylejä ja saada kevyen vedyn karkaamaan avaruuteen mutta edes tämä prosessi ei luultavasti tuomitse planeettaa elinkelvottomaksi.


Proxima b ei kuitenkaan ole yksin. Tähden kiertoradalta havaittiin jo vuonna 2020 toinenkin kiertolainen (2), ulkoplaneetta Proxima c, joka on massaltaan noin seitsemän kertaa Maapallon kokoinen, luultavasti jäinen supermaapallo. Löytö saatiinkin pian varmennettua riippumattomasti. Planeetasta on mahdollisesti jopa havaittu merkkejä suoraan kuvaamalla, mikä tarkoittaisi sitä, että sen havaitseminen vasta vuodenvaihteessa avaruuteen ammutun James Webb -avaruusteleskoopin avulla olisi mahdollista jo kuluvan vuoden aikana. Asiassa on tietenkin monia mutkia — on mahdollista, että alustava suoraan kuvaamalla saatu havainto on vain jokin epätodennäköinen havaintolaitteiston aiheuttama anomalia ja planeetan todellinen kirkkaus onkin huomattavasti heikompi. Silloin edes Webb ei kykenisi sitä näkemään. Havaintoa kannattaa kuitenkin ehdottomasti koettaa, koska tarjolla olisi ensimmäinen valokuva supermaapallosta toisen tähden kiertoradalla. Proxima Centauria ympäröi myös pölyrengas, mikä tarkoittaa sitä, että järjestelmässä on runsain mitoin planeettoja pienempiä kappaleita Aurinkokunnan ja monien muiden tyypillisten planeettakuntien tapaan.

Tuorein löytö on pieni, massaltaan vain noin kaksi kertaa Marsin kokoinen sisempi planeetta Proxima d, lämmin kiviplaneetta, joka kiertää tähden ympäri vain viidessä päivässä (4). Planeetasta aiemmin saadut viitteet on nyt varmennettu ja sen olemassaolo vaikuttaa selvältä. Koska olen vuosien saatossa analysoinut roppakaupalla Proxima Centaurista tehtyjä havaintoja, palasin katsomaan mitä tuloksia olinkaan saanut käymällä vanhoja havaintoja kehittämälläni uudella tekniikalla läpi vuonna 2019. Toden totta, löysin Proxima d:n olemassaolosta kertovan signaalin jo tuolloin huomattavasti nykyistä epätarkemmista havainnoista. En koskaan julkaissut tulosta, koska planeetan olemassaolosta kertova signaali ei ollut tilastollisesti tarpeeksi merkitsevä. Näin jälkikäteen kyseessä on kuitenkin mielenkiintoinen asia, koska Kuvassa 1. näkyvä periodogrammin todennäköisyysmaksimi tarjoaa itse asiassa riippumattoman varmistuksen Proxima d:n olemassaolosta — jos sellaista kukaan sattuu kaipaamaan.

Kuva 1. Periodogrammiksi kutsuttu jaksollisten signaalien etsintään soveltuva tulos Proxima Centaurin havainnoista. Kuvaajassa näkyy korkeimpana todennäköisyysmaksimina 5.19 päivän jaksollisuus, joka vastaa virhemarginaalien puitteissa Proxima d:n signaalia. Kuva: M. Tuomi.

Proxima Centaurin planeettakunnasta saadut tiedot osoittavat, että kyseessä on valtavan monimuotoinen ja kiinnostava järjestelmä, josta luultavasti tehdään jatkossakin vielä runsaasti kiinnostavia havaintoja. Taidan kuitenkin aivan aluksi ottaa yhteyttä Proxima d:n löytäneisiin tutkijoihin ja pyytää heidän havaintonsa uudelleen analysoitavakseni. Kukapa tietää mitä niistä saan menetelmilläni selville.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Ribas et al. 2016. The habitability of Proxima Centauri b. I. Irradiation, rotation and volatile inventory from formation to the present. Astronomy and Astrophysics, 596, A111.
  2. Damasso et al. 2020. A low-mass planet candidate orbiting Proxima Centauri at a distance 1.5 AU. Science Advances, 6.
  3. Anglada et al. 2017. ALMA discovery of dust belts around Proxima Centauri. The Astrophysical Journal, 650, L6.
  4. Faria et al. 2022. A candidate short-period sub-Earth orbiting Proxima Centauri. Astronomy and Astrophysics, 658, A115.

Planeettakunta tasapanon reunalla

Planeettakunnista voidaan saada tietoa yllättävilläkin tavoilla. Yksi niistä on stabiilisuuden tarkastelu tutkimalla kuinka lähellä planeettojen radat ovat kaoottista järjestelmää, joka johtaisi kappaleiden välisiin törmäyksiin tai yhden tai useamman kiertolaisen sinkautumiseen järjestelmän ulkopuolelle. Tutkijat yksinkertaisesti heilauttavat planeettojen ratoja hiukan ja katsovat voiko muokattu järjestelmä pysyä kasassa käyttämällä tietokonesimulaatioita planeettojen radoista pitkälle tulevaisuuteen. Kyseessä on yksi tavoista tehdä tutkimusta pelkällä tietokoneella mutta se onnistuu, koska gravitaatiovoima on niin tarkkaan tunnettu, että sen toimintaa voidaan mainiosti ennustaa pitkissäkin tietokonesimulaatioissa — ainoana vaikeutena on gravitaatiota kokevien monimutkaisten järjestelmien laskennallinen kompleksisuus, joka tekee niiden käyttäytymisen ennustamisesta laskennallisesti raskasta, supertietokoneita vaativaa puuhaa.

Jos pienikin muutos planeettojen radoissa aiheuttaa kaoottista käyttäytymistä, voidaan vetää se johtopäätös, että planeettakunta on stabiilisuuden rajalla, vain hiuksenhienosti katastrofin välttäneenä järjestelmänä. Toisin ei tietenkään edes voi olla — on äärimmäisen epätodennäköistä havaita planeettakunta juuri, kun se on hajoamassa omaan dynaamiseen mahdottomuuteensa. Epästabiilit planeettakunnat ovat luonnollisesti hajonneet jo kauan sitten ja siksi ainuttakaan sellaista ei tunneta.

Yksi mielenkiintoisimmista järjestelmistä on läheinen TRAPPIST-1 -tähden planeettakunta, josta on saatu runsaasti tietoa viime vuosien kuluessa. Sen seitsemän kiviplaneettaa muodostavat mielenkiintoisen, tiukkaan pakatuilla harmonisilla radoilla tähteään kiertävien planeettojen järjestelmän. Tiedämme, että planeetat ovat tiheydeltään Maata pienempiä (1). Silloin niiden rauta-nikkeli ytimet ovat suhteelliselta kooltaan Maan ydintä pienempiä tai planeettojen koostumuksesta suurempi osa on keveämpää ainesta. Yksi mahdollisuus on planeettojen korkea vesipitoisuus, joko niiden kuorikerroksiin sitoutuneena vetenä tai pintaa peittävinä satojen kilometrien syvyisinä valtamerinä. Mutta planeetat ovat niin lähellä tähteään, että ajateltiin järjestelmän syntyaikoina kirkkaampana loistaneen nuoren tähden haihduttaneen läheltään kaiken veden ja jättäneen planeetat kuiviksi. Hypoteesin mukaan veden olemassaolo, jos sitä tosiaankin on, tarkoittaa sitä, että sen on täytynyt kulkeutua planeetoille myöhemmin. Kyseessä on mainio tieteellinen hypoteesi, joka ennustaa planeettakunnan syntyhistoriaa, auttaa selittämään sen ominaisuuksia, on verrattavissa havaintoihin ja tietokonesimulaatioihin, ja osoittautui uudessa tutkimuksessa vääräksi (2).

Kuva 1. Hahmotelma vaihtoehdoista TRAPPIST-1 -järjestelmän planeettojen koostumuksille. Vaihtoehtoina on selkeän ytimen puuttuminen ja raudan jakaantuminen tasaisemmin planeetan sisälle; suhteellisesti Maan ydintä pienempi rautaydin; tai maankaltainen koostumus päällystettynä paksulla valtamerellä. Kuva: NASA/JPL-Caltech.

Planeettojen koostumuksen tutkiminen perustuen suureksi osaksi vain kahteen numeroon, tietoon niiden fyysisestä koosta ja massasta, on suunnattoman hankalaa mutta onneksemme TRAPPIST-1 -järjestelmästä voi saada tietoa muillakin keinoilla. Ensimmäinen vinkki saadaan mittaamalla järjestelmän planeettojen keskinäistä vuorovaikutusta, kun planeetat kulkevat tähden editse joitakin minuutteja säännöllistä ajankohtaa aiemmin tai myöhemmin.

Kuten kaikki maailmankaikkeuden kappaleet, planeetat vaikuttavat myös toistensa ratoihin vetovoimansa välityksellä. Erityisesti ollessaan lähekkäin, ne heilauttavat toisiaan eri suuntiin tehdessään lähiohituksia radoillaan. Silloin tiheästi pakattujen planeettakuntien kappaleet vilahtavat vuoroin hiukan etuajassa tähtensä pinnan editse, vuoroin ne saapuvat himmentämään tähteään aavistuksen myöhässä. Efekti on pieni verrattuna tyypilliseen ylikulun tunnin tai parin kestoon mutta se on mainiosti havaittavissa määrittämällä jokaisen ylikulun keskiajankohta, eli hetki, jolloin planeetta on kaikkein lähimpänä tähden kiekon keskikohtaa. TRAPPIST-1 -järjestelmän planeetoilla heilahtelu on mainiosti erotettavissa johtuen planeettojen ratojen lähekkäisyydestä ja siitä, että ylikulkuja on havaittu useita. Ilmiö auttaa saamaan tietoa siitä, kuinka stabiili järjestelmä on kyseessä ja kuinka pieni heilahdus planeettojen radoissa suistaisi planeettakunnan kaaokseen. Tuoreessa julkaisussaan, Bordeauxin yliopiston Sean Raymond kollegoineen suoritti tarvittavat laskelmat (2).

TRAPPIST-1 -järjestelmän planeetat ovat resonoivilla radoilla. Se on tähtitieteilijöiden jargonia ja tarkoittaa vain sitä, että järjestelmän vierekkäisten planeettojen kiertoaikojen suhde vastaa erittäin tarkasti joidenkin kahden yksinkertaisen kokonaisluvun suhdetta. Tilannetta voi kuvata yksinkertaisella numerosarjalla 24:15:9:6:4:3:2 — kun uloin planeetta kiertää tähden 2 kertaa, toiseksi uloin suorittaa 3 ratakierrosta. Samassa ajassa kaikkein sisin planeetta kiertää tähden ympäri peräti 24 kertaa ja toiseksi sisin 15, mikä saa ne muodostamaan keskenään harvinaisen 8:5 resonanssin. Uloimpien planeettojen 3:2 resonanssi puolestaan on varsin tyypillinen tiiviisti pakattujen planeettojen järjestelmissä. Rataperiodien suhde taas vastaa hyvin tarkkaan kokonaislukujen suhdetta, koska järjestelmä on dynaamisesti stabiilimpi ollessaan resonanssissa. Silloin pienetkin heilahdukset planeettojen radoissa tulevat korjatuksi resonanssiketjun ratoja vakauttavan vaikutuksen ansiosta. Mutta liian suuri heilautus suistaisi planeettakunnan kaaokseen ja hajottaisi sen. Raymondin tutkimusryhmän tulosten mukaan vain oman kuumme kokoisen kappaleen vuorovaikutus riittäisi siihen.

Planeetat päätyvät tiiviiksi ryppäiksi resonoiville radoille jo planeettakunnan synnyn alkuvaiheissa, kun tähden ympärillä on vielä kertymäkiekoksi kutsuttu muodostelma kaasua ja pölyä. Kaasun kitka hidastaa planeettojen ratanopeuksia ja ne siirtyvät hiljalleen kohti tähteään. Aivan tähden läheltä kaasu ja samalla kitkavoimat kuitenkin puuttuvat, joten kiekon sisäreunan saavutettuaan sisin planeetta ei enää liiku sisemmäksi. Sitä ulommat planeetat taas päätyvät niin lähelle toisiaan kuin voivat, koska rataresonanssit sisempien planeettojen kanssa tuottavat kitkaa vastustavan voiman. Syntyy vain juuri ja juuri stabiileja, tiiviitä planeettaryppäitä, joiden tulevaisuus on veitsenterällä.

Pitkien resonanssiketjujen kestävyys on heikkoa ja niiden esiintyminen planeettakunnissa on kohtuullisen harvinaista. Ne voivat rikkoutua helposti — TRAPPIST-1 -järjestelmän tapauksessa vain Kuun verran materianvaihtoa riittäisi järjestelmän muuttumiseen kaoottiseksi. Sellaista massanvaihtoa järjestelmässä ei siis ole tapahtunut, joten planeetat eivät ole myöskään saaneet merkittävää määrää lisämassaa esimerkiksi komeettojen törmäyksien myötä. Koska komeetat ovat koostuneet juuri niistä helpoiten haihtuvista aineksista, pääasiassa vedestä sen kiinteässä olomuodossa, vettä ei ole voinut kulkeutua planeettojen pinnoille merkittäviä määriä muodostumisen jälkeen, vaan sen on täytynyt olla osa planeettojen koostumusta jo niiden syntyajoista asti.

Tilanne on ongelmallista selittää. Vastasyntyneet tähdet ovat kuumia ja aktiivisia ja haihduttavat keveät molekyylit kuten veden nopeasti läheltään. On siis mahdotonta, että planeetat olisivat muodostuneet vesipitoisiksi lähellä nykyisiä ratojaan. Toisaalta, vettä ei ole voinut kulkeutua niiden pinnoille riittävissä määrin myöskään myöhemmissä vaiheissa, koska herkän resonanssijärjestelmän rakenne olisi tuhoutunut. Silloin jää vain kaksi realistista vaihtoehtoa. Joko planeetat ovat kuivia ja niiden rautaytimet ovat pienemmät kuin Maalla ja Venuksella tai planeetat muodostuivat kauempana tähdestään ja ovat vaeltaneet radoilleen etäisyyksiltä, joilta vesi ei ehtinyt koskaan haihtumaan edes tähden oltua nuorena kirkkaampi ja kuumempi. Vailla runsaita määriä vettä, TRAPPIST-1 -järjestelmän planeetoista uloimmat saattavat olla kuin Marsin suurikokoisia vastineita. Vastaavasti, kaksi sisintä järjestelmän maailmaa muistuttavat luultavasti suureksi osaksi Venusta. Planeetoista d ja e taas ovat pintalämpötiloiltaan eniten maankaltaisia mutta niiden pienempi massa, tiheys ja koko tekevät niistä hyvin omanlaisiaan maailmoja (Kuva 2.). Emme voi siksi sanoa aivan varmasti ovatko järjestelmän planeetat elinkelpoisia siinä mielessä kuin termin käsitämme suhteessa omalta planeetaltamme havaittuun elämään — suhteessa sopivan lämpöiseen kiviseen pintaan, jonka päällä vesi pääsee virtaamaan vapaasti. Ehkäpä juuri pinnan elinkelpoisuuden vaatimukset eivät täyty mutta planeetat ovat silti pinnanalaisen mikrobiston valtaamia kuten Maakin.

Kuva 2. TRAPPIST-1 -järjestelmän planeettojen vertailu Aurinkokunnan kiviplaneettoihin huomioiden niiden tiheys, suhteelliset koot ja niiden pinnalle saapuvan säteilyn määrä. Kuva: NASA/JPL-Caltech.

Saamme runsaasti uutta tietoa TRAPPIST-1 -järjestelmän planeetoista aivan lähitulevaisuudessa, kun tuoreeltaan avaruuteen laukaistu James Webb -avaruusteleskooppi kykenee havaitsemaan sen planeettojen kaasukehien koostumuksia. On mahdollista selvittää kaasukehien kemiallisia tasapainotiloja ja saada jopa merkkejä siitä, onko elämä voinut muokata niiden ominaisuuksia aineenvaihdunnallaan. Vaikkemme varmaankaan kykene näkemään varsinaisia biomarkkereita, saamme silti paljon nykyistä kattavamman kuvan planeettojen ominaisuuksista, niiden vesipitoisuudesta ja kehityshistoriasta — sekä siitä, kuinka elinkelpoinen planeettojen kokoelma TRAPPIST-1 -järjestelmä oikein on.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Agol et al. 2021. Refining the Transit-timing and Photometric Analysis of TRAPPIST-1: Masses, Radii, Densities, Dynamics, and Ephemerides. The Planetary Science Journal, 2, 1.
  2. Raymond et al. 2021. An upper limit on late accretion and water delivery in the TRAPPIST-1 exoplanet system, Nature Astronomy.

Eksoplaneettatutkimuksen mullistava James Webb -avaruusteleskooppi

Auringon ja Maan muodostama kahden kappaleen järjestelmä on luultavasti parhaiten tunnetttu kahden kappaleen ongelman esimerkki. Tähtitieteessä kahden kappaleen ongelmalla tarkoitetaan kahden massallisen kappaleen liikettä muodostamansa järjestelmän gravitaatiokenttässä. Kyseessä on monimutkaisin täysin ratkaistavissa oleva järjestelmä. Jo kolmannen kappaleen lisääminen tekee järjestelmästä kaoottisen ja sen käyttäytymisestä hankalasti ennustettavaa, koska pienetkin erot kappaleiden alkutiloissa saavat aikaan suuria eroja vuosimiljoonien tai -miljardien päähän laskettuihin ennusteisiin. Silloin joudutaan turvautumaan numeerisiin ennusteisiin, jotka lasketaan nopeuttamalla ajan kulumista ja ennustamalla kappaleiden paikkoja pitkälle tulevaisuuteen. Mutta kahden kappaleen radat ovat erittäin helposti selvillä maailmankaikkeuden loppuun saakka.

Tähtitieteilijöillä onkin tapana tarkastella ympyräradalla toisiaan kiertävien kahden kappaleen järjestelmään niin sanotussa tasaisella kulmanopeudella pyörivässä koordinaatistossa, joka on asetettu siten, että molemmat kappaleet näyttävät pysyvän paikallaan tarjoten kaksi koordinaatiston kiintopistettä. Silloin kolmannen, massaltaan merkityksettömän pienen kappaleen radat ovat tarkkaan laskettavissa. Tuloksena on mielenkiintoinen diagrammi, jossa on viisi Lagrangen pisteiksi kutsuttua paikkaa. Ne ovat avaruuden kohtia, joissa äärimmäisen pienimassainen kappale pysyy paikallaan suhteessa kahteen suurempaan kappaleeseen mielivaltaisen kauan (Kuva 1.).

Kuva 1. Kaaavio Auringon ja Maan muodostaman kahden kappaleen järjestelmästä, jossa kolmas pienimassainen kappale voi olla paikallaan viidessä Lagrangen pisteiksi kutsutussa paikassa. Kuvan ohuet viivat kuvaavat energian tasapotentiaaleja, joita pitkin kappaleet voivat liikkua stabiileilla radoilla. Kuva: M. Twombly.

Jokainen nykyinen tähtitieteen opiskelija on laskenut taivaanmekaniikan peruskurssilla Lagrangen pisteiden paikat harjoitustehtävänä. Mutta ne ovat olleet tunnettuja jo kauan — ensimmäisenä pisteiden olemassaolosta sai vihiä Leonhardt Euler, 1700-luvun matemaatikko ja tieteilijä. Hän kuitenkin löysi ratkaisuiksi vain pisteitä L1, L2 ja L3 vastaavat kohdat, jotka sattuvat kahden kappaleen kautta piirretylle suoralle (Kuva 1.). Suoralta sivussa olevien pisteiden L4 ja L5 olemassaolon sai selville Joseph-Louis Lagrange vasta 1700-luvun lopulla hänen kehitettyään uusia matemaattisia tapoja formuloida tuttuja gravitaatiovoimien ja liikkeen yhtälöitä. Lagrangen löytämät ratkaisut ovat niitä kohtia avaruudessa, joissa esimerkiksi Auringon ja Jupiterin muodostamassa kahden kappaleen järjestelmässä on erityisen paljon ruuhkaa. Jupiterin L4 ja L5 -pisteet ovat nimittäin täynnä troijalaisiksi kutsuttuja asteroideja, jotka pysyvät stabiileilla radoilla Lagrangen ennustamissa paikoissa. Samanlaista ruuhkaa ei synny muihin pisteistä, koska L1, L2 ja L3 ovat labiileja — pienikin ulkopuolinen häiriö saa pisteissä sijaitsevat kappaleet lopulta poistumaan pisteiden lähetttyviltä.

Mutta pisteistä L2 on nyt ajankohtainen, koska James Webb -avaruusteleskooppi on saatettu matkaan kohti juuri sitä. Teleskooppi suuntaa Kuun radan tuolle puolelle, kiertolaistamme noin viisi kertaa kauemmaksi, missä Maan ja Auringon vetovoimat aikaansaavat radan, jossa teleskooppi voi viettää pitkiä aikoja vain minimaalisin ratakorjauksin, polttoainettaan säästäen. Webb kääntää Aurinkoa ja samalla meitä kohti valtaisat, tenniskentän kokoiset aurinkosuojansa, jotka estävät hajavaloa pääsemästä havaintolaitteisiin ja pitävät instrumentit matalassa lämpötilassa. Sen ohjausmoottorit varmistavat jatkuvasti, että teleskooppi kiertää hitaasti L2-pisteen ympäri radalla, jossa se pysyy poissa niin Maan kuin Kuunkin varjoista, mikä takaa aurinkopaneelien jatkuvan toiminnan ja havaintokampanjan toteuttamisen keskeytyksettä. Jos kaikki menee hyvin, Webbin vuosikymmenen pituinen kampanja saadaan käyntiin ensi heinäkuun aikana.

Uuden sukupolven instrumentti

Webb on aivan uudenlainen havaintolaite. Toisin kuin edeltäjänsä Hubble -avaruusteleskoopin raskas yksiosainen peili, Webbin peili on hiottu 18 kuusikulmaisesta kevytrakenteisesta palasesta, jotka asetetaan oikeaan muodostelmaan vasta teleskoopin lähestyessä asemapaikkaansa Kuun tuolla puolen. Samalla avataan myös valtava, monikerroksinen aurinkosuoja, ja käännetään apupeili paikalleen ohjaamaan pääpeilistä heijastuva valo laitteen sisällä kylmyydessä pidettäviin instrumentteihin. Lukuisat liikkuvat osat tekevät Webbin operaatiosta riskialttiin mutta sen on oltava kokoontaitettava, koska suurikokoinen laite ei olisi muutoin millään mahtunut Euroopan Avaruusjärjestön luotettavan kuormajuhdan, Ariane 5 -raketin kyytiin.

Webbin kuusikulmaisista palasista kootun peilimosaiikin pinta-ala on runsaat kuusi kertaa Hubblen pääpeiliä suurempi, mikä tarkoittaa samalla kertoimella suurempaa kykyä kerätä valoa kaukaisista kohteista. Suurempi peili tuottaa myös paremman erotuskyvyn — Webb voi erottaa noin kertoimella kolme toisiaan lähempänä olevia kohteita, jotka Hubble näkee vain yhtenä pistemäisenä valonlähteenä. Webb ei kuitenkaan ole vain edeltäjäänsä Hubblea suurempi. Sen instrumentit rekisteröivät infrapunavaloa laajalla skaalalla ja kykenevät siksi havaitsemaan huomattavasti Hubblea tehokkaammin esimerkiksi kaukaisia galakseja, joiden valo on punasiirtynyt maailmankaikkeuden laajenemisen myötä näkyvän valon aallonpituuskaistan ulkopuolelle. Samalla tavalla Webb on parhaimmillaan eksoplaneettojen havaitsemisessa, koska ne loistavat voimakkaimmin infrapunasäteilyn aallonpituuksilla. Mutta Webbillä on vielä yksi ässä hihassaan: infrapunasäteily läpäisee tähtienväliset pölypilvet mainiosti ja antaa mahdollisuuden tarkkailla niiden sisällä olevia nuoria, vasta syntymässä olevia planeettakuntia. Esimakua Webbin kyvyistä nähdä pölypilvien läpi antaakin juuri Hubble, jonka kapea ikkuna lähi-infrapunaan tarjoaa jo sekin mahdollisuuden tarkkailla esimerkiksi tähtien syntysijoja (Kuva 2.).

Kuva 2. Hubble-avaruusteleskoopin havaintoja tähtien syntyalueessa M16, joka tunnetaan myös nimellä Kotkasumu. Vasen kuva on otettu näkyvän valon ja UV-säteilyn alueella ja oikeanpuoleinen kuva taas on lähi-infrapunalla osoittaen, miten infrapunasäteily kulkeutuu tähtienvälisten pölypilvien läpi mainiosti. Kuva: Z. Levay et al. NASA/STScI.

Webb mullistaa lähitähtiä kiertävien eksoplaneettojen tutkimuksen. Vaikka se ei olekaan kyllin tarkka kuvaamaan suoraan lähimpiä kandidaatteja eläviksi planeetoiksi kuten vaikkapa Proxima b, se kykenee tekemään suoria havaintoja suuremmista planeetoista kiertämässä tähtiään kauempana. Sopiva kohde voisi olla vaikkapa Proxima c ja monet muut lähitähtien jättiläisplaneetat, jotka sijaitsevat vähintäänkin muutaman AU:n etäisyydellä tähdestään. Webb on varustettu varjostimella, koronagrafilla, jolla keskustähden valo saadaan eliminoitua valtaosaltaan ja sitä kertaluokkia himmeämmät planeetat saadaan näkyviin. Suora kuvaaminen puolestaan mahdollistaa valtavan määrän uutta tiedettä koostumuksen tutkimisesta aina vuodenaikaisvaihteluiden ja sääilmiöiden tarkkailuun.

Saamme varmasti tietoa myös osasta niitä lähitähtien planeettoja, jotka ovat parhaita kandidaatteja elinkelpoisiksi planeetoiksi. Webbin laajakaistaiset havainnot infrapuna-alueella mahdollistavat ylikulkevien planeettojen kaasukehien tarkkailun ennennäkemättömällä tarkkuudella. Mittaamalla planeetan kaasukehän läpi suodattuvaa valoa eri aallonpituuksilla, Webb voi määrittää hyvinkin tarkasti ylikulkevien planeettojen kaasukehän koostumuksia. TRAPPIST-1 -järjestelmä tarjoaa yhden lähikohteen, jolle havainnot ovat erityisen hedelmällisiä. Voimme käyttää tähteä kiertävän planeettaseitsikon ylikulkuja hyväksemme mitataksemme ensimmäistä kertaa monin tavoin maankaltaisten ja -kokoisten, elämän vyöhykkeen planeettojen ominaisuuksia. Voimme selvittää niiden kaasukehien paksuudet ja havaita merkkejä hiilidioksidista, sekä veden olemassaolosta kielivästä vesihöyrystä planeettojen kaasukehissä. Saatamme saada selville merkkejä metaanista, kertoen mahdollisesta geologisesta aktiivisuudesta tai jopa ensimmäisiä havaintoja biokemiallisten prosessien aikaan saamasta kemiallisesta epätasapainotilasta ja siten, välillisesti, elämästä.

Kykenemme jo nykyisellään havaitsemaan erilaisia molekyylejä eksoplaneettojen kaasukehissä. Webb kuitenkin parantaa havaintojen tarkkuutta niin paljon, että on mahdollista saattaa yksi tieteellinen aikakausi päätökseen. Jos jonkin lähitähden pieni kivinen planeetta ylläpitää elämää, joka on muokannut sen kaasukehän kemiaa ja jos se kulkee radallaan tähtensä editse, saatamme saada käsiimme ensimmäiset konkreettiset havainnot maanulkopuolisesta elämästä. Kyse on aluksi kiistanalaisista, monitulkintaisista erilaisten molekyylien pitoisuuksista jonkin planeetan kaasukehässä mutta havaittavissa olevaan asiaan saadaan lopulta tieteellinen konsensus.

Voi olla, että Webb siirtää viimeisenkin Kopernikaanisen periaatteen poikkeaman historian romukoppaan. Galaksimme ei ole maailmankaikkeudessa minkäänlaisessa erityisasemassa, kuten ei Aurinkokuntakaan ole mitenkään poikkeuksellinen planeettojen muodostelma. Aivan samoin Maa ei ole millään mittarilla erityinen, eikä siksi voida ajatella planeettamme elämänkään olevan erityisasemassa, vaikka meille erityistä onkin. Tarvitaan vain se ensimmäinen havainto maanulkoisesta elämästä, jotta voimme todeta ajatuksen Maan uniikista luonteesta elävänä planeettana olevan virheellinen ja siirtyä ensimmäistä kertaa vertailemaan elämänmuotojen moninaisuutta eri biosfäärien välillä. Sen havainnon Webb voi tarjota. Mutta vasta aika näyttää mitä fantastisia tuloksia saamme historian parhaimmalla astronomisella instrumentilla.


Toistaiseksi James Webb -avaruustelekoopin alkutaival on ollut ruusuinen. Ariane 5 saattoi sen oikealle radalleen niin tarkasti, että teleskoopin ohjausrakettien polttoainetta säästyi merkittäviä määriä. NASA:n mukaan säästö kasvattaa teleskoopin arvioitua käyttöikää peräti muutamia vuosia kaavaillun kymmenen vuoden lisäksi. Myös teleskoopin aurinkosuojien avaaminen on edennyt suunnitellusti ja ongelmia ei ole ilmennyt, joten näyttää vahvasti siltä, että Webb aloittaa tieteelliset havaintonsa suunnitellusti heinäkuussa.

Koko tähtitieteen tutkijayhteisö odottaa Webbin saattamista toimintakuntoon lähes henkeään pidätellen.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Punaisten aurinkojen steriilit planeetat — vai onko elämällä sittenkin mahdollisuus?

Mitä enemmän siitä opimme, sitä kompleksisemmalta asuttamamme maailmankaikkeus vaikuttaa. Löydämme luonnosta jatkuvasti säännönmukaisuuksia ja saamme siitä uutta tietoa vain huomataksemme jatkotutkimuksessa, että sääntöihin on poikkeuksia ja asiat eivät aivan olleetkaan kuten ensin ajattelimme. Eksoplaneetoista ajattelimme aluksi, että muualla maailmankaikkeudessa on varmaankin runsaasti järjestelmiä kuten omamme — pieniä kiviplaneettoja lähellä tähteä ja kaasujättiläisiä planeettakunnan ulko-osissa. Sitten saimme ensimmäiset havainnot kuumista jupitereista ja koko maailmankaikkeus muuttui kertaheitolla oudommaksi paikaksi kuin osasimme arvata. Uudet löydöt vahvistivat, että planeettakunnat eivät ole keskimäärin, eivät edes kovin usein, kuten omamme, vaan elämme yhdessä kohtalaisen harvinaisessa planeettamuodostelmassa, joita niitäkin on kuitenkin miljardeja galaksissamme.

Yleisin planeettakuntien tyyppi on tiheään pakattujen kiviplaneettojen ja supermaapallojen järjestelmä kiertämässä himmeästi loistavaa punaista kääpiötähteä aivan sen lähellä, suunnilleen sillä etäisyydellä, jossa tähden säteily riittää pitämään lämpötilan sopivana nestemäisen veden esiintymiselle. Sellainen on esimerkiksi lähimmän tunnetun eksoplaneettakunnan, Proxima Centaurin planeetta Proxima b ja lukuisat muut lähitähtien planeetat. Mutta tutkijoiden mukaan tähteään lähellä kiertävät punaisten aurinkojen planeetat kylpevät voimakkaassa säteilyssä ja hiukkaspurkaukset voivat riisua niiltä jopa kaasukehät, jolloin Proxima b:n kaltaisten planeettojen elinkelpoisuus on hyvin marginaalista ja epätodennäköistä, ja silloinkin rajoittunut näiden ikuisesti saman puolen tähdilleen näyttävien planeettojen hämärän vyöhykkeelle. Uusimpien arvioiden mukaan voi kuitenkin olla toisin (1).


Punaiset, spektriluokan M kääpiötähdet ovat täysin konvektiivisia. Sen on tähtitieteilijöiden jargonia, jolla tarkoitetaan sitä, että tähtien plasma kuplii ja kiehuu syvältä sisuksista aina pinnalle asti muodostamatta minkäänlaisia lämpöenergian siirtymistä hidastavia kerroksia, joita on esimerkiksi massiivisemmilla tähdillä. Pinnoiltaan tähdet tietenkin vapauttavat energiansa säteilynä mutta pinnalle asti se etenee kuuman plasman noustessa ylös ja viileämmän laskeutuessa alaspäin. Prosessissa syntyy granuloiksi kutsuttuja konvektiosoluja, joita voidaan havaita lukemattomia vaikkapa Auringon pinnalla (Kuva 1.). Tarkan kuvan muodostaminen punaisten kääpiötähtien vastaavista prosesseista on ollut vaikeaa mutta samat fysiikan lait tuottavat niiden pinnoille samanlaisia ilmiöitä, joskin hiukan eri parametrein.

Kuva 1. Korkean resoluution kuva Auringon pinnan konvektiosoluista, eli granuloista. Vaaleampien solujen alueella kuumempi plasma nousee pintaan kun taas tummemmilla reunoilla plansma vajoaa suhteellisesti hiukan viileämpänä syvemmälle. Kuva: DKIST.

Konvektiivisuudella on kuitenkin seurauksia. Vaikuttaa nimittäin siltä, että täysin konvektiivisten tähtien voimakkain aktiivisuus on rajoittunut niiden napa-alueiden tuntumaan. Se koskee niin tähtien pilkkuja, joista suurimmat ovat napa-alueilla, kuin purkauksiakin, jotka tapahtuvat suurimpien pilkujen tuntumassa. Tutkijat saivat asiasta vihiä, kun he havaitsivat neljän täysin konvektiivisen tähden voimakkaita flare-purkauksia. Voimakkaat tähtien aktiivisuudesta kertovat purkaukset tapahtuvat tyypillisesti kymmenien minuuttien aikaskaalassa. Ensin tähti näyttää kirkastuvan nopeasti purkauksen tapahtuessa, jonka jälkeen purkaus hiipuu hiljalleen ja tähden havaittu kirkkaus palaa kymmenien minuuttien tai jopa joidenkin tuntien aikana ennalleen. Ongelmana on, että näemme vain tähden kirkastumisen ja himmenemisen, eikä muuta informaatiota ole juuri tarjolla. Kuten tähdenpilkkujenkin tapauksessa, luonto tulee kuitenkin tutkijoiden avuksi.

Jotkut nuoret ja aktiiviset tähdet pyörähtävät akselinsa ympäri vain muutaman tunnin jaksolla. Asiassa on kaksi hyvää puolta. Nuoret tähdet ovat aktiivisia ja niiden purkauksia on helpointa havaita mutta nuoret tähdet myös tyypillisesti pyörivät vinhasti, kun tähtituuli ja magneetttikentän vuorovaikutus sen varattujen hiukkasten kanssa ei ole vielä ehtinyt siirtää pyörimismäärää pois. Ekaterina Ilin kollegoineen onnistuikin löytämään TESS-avaruusteleskoopin havainnoista neljä nuorta tähteä, jotka pyörähtävät nopeammin kuin niiden jättiläismäiset purkaukset ehtivät hiipua (Kuva 2.). Se antoi mahdollisuuden tarkkailla purkausten hiipumista samalla kun tähti pyörii ja purkauksessa kirkastunut tähden kohta kulkeutuu jaksollisesti tähden taakse palauttaen tähden hetkeksi normaalikirkkauteensa. Tilanne vaatii monimutkaisia laskelmia mutta havainnoista on mahdollista selvittää missä kohtaa tähden pintaa purkaus tapahtui.

Kuva 2. Esimerkki flare-purkauksesta TESS-avaruusteleskoopin havaitsemana. Tähden pyörähtäminen vie jaksollisesti purkauskohdan näkymättömiin tähden taakse aiheuttaen havaittavaa vaimenevaa heilahtelua tähden kirkkauteen. Kuva: E. Ilin et al.

Tutkijoiden havaintojen mukaan, kaikkien neljän tähden purkaukset tapahtuivat niiden napa-alueilla tai aivan sen tuntumassa, latitudien 55 ja 81 astetta välillä. Koska planeetat muodostuvat radoilleen tähtien pyörimisakselin tasoon, purkaukset näyttävät siten suuntautuvan kauaksi planeettakunnan tasosta tuottaen mahdollisimman vähän vahinkoa järjestelmien planeettojen kaasukehille ja elinkelpoisuudelle. Vaikka pelkkä flare-purkausten tutkiminen ei annakaan kattavaa kokonaiskuvaa, se tukee ajatusta siitä, että täysin konvektiivisten tähtien — kuten punaisten kääpiötähtien — planeetat saattaisivat olla verrattaen turvassa kiertäessään tähtiään niiden ekvaattorin tasossa. Suuret tähtien purkaukset eivät ehkä ainakaan steriloisi planeettoja säännöllisesti ja tuhoaisi siten niiden pintojen elinkelpoisuutta.

Uutiset punaisten kääpiöiden elinkelpoisten planeetojen suhteen ovat vielä tätäkin positiivisempia. Myöskään ultraviolettisäteily ei ole elämän edellytyksiä hävittävällä tasolla punaisten tähtien järjestelmissä (2). Havaitsemalla kaikkein voimakkaimmin purkautuvia tunnettuja kohteita, jotka ovat vielä nuoria ja siten erittäin aktiivisia, selvisi, että niiden säteilemä ultraviolettisäteily ei riittäisi edes hävittämään maankaltaisen planeetan elämään suojaavaa otsonikerrosta. Asiaan liittyy kuitenkin paljon kysymysmerkkejä, koska havaintojen tekeminen on hankalaa ja niiden tulkinta moniuloitteista.

On silti selvää, että jos nämä uudet tulokset pitävät paikkansa, elämän mahdollisuudet esiintyä ja kukoistaa punaisten tähtien tiukkaan pakatuissa planeettakunnissa ovat aiemmin arveltua suuremmat huolimatta taivaalla verrattaen aktiivisesti purkautuvasta tähdestä. Revontulet sellaisten maailmojen taivaalla olisivat kuitenkin varmasti komeaa katsottavaa.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Ilin et al. 2021. Giant white-light flares on fully convective stars occur at high latitudes. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 507, 1723.
  2. Zeldes et al. 2021. Flares Big and Small: a K2 and TESS View of ASAS-SN Superflares. AAS Journals submitted.

Universaaleja eksobiologian lainalaisuuksia

Kiinnostuksen kohteenani ovat jo pitkään olleet tieteiselokuvien ja -kirjallisuuden kuvaukset vieraiden planeettojen organismeista, eläimistä ja kasveista. Niiden moninaiset muodot voivat varmasti olla hämmästyttäviä niin ulkomuodoiltaan kuin muiltakin sopeumiltaan, jos sellaisia joskus pääsemme tarkastelemaan ja ihastelemaan. Mutta biologialla on rajansa ja organismien aineenvaihduntaa ja muotoa ohjaavat biokemian ja fysiikan moninaiset lainalaisuudet, jotka ovat samoja maailmankaikkeutemme jokaisessa kolkassa. Siksi voidaan odottaa elollisten organismienkin muistuttavan toisiaan kautta universumin — ainakaan ne eivät voi rikkoa fysiikan lakeja ja tuottavat luultavasti hyvinkin samankaltaisia sopeutumia samankaltaisiin elinympäristöihin.

Jo oman planeettamme miljoonat elävät organismit tarjoavat hämmästeltäväksemme niin erikoisia lajeja ja tapoja järjestää aineenvaihdunta, lisääntyminen ja selviytyminen, että jotkin harvemmin nähdyt muodot ovat kuin toiselta planeetalta. Esimerkistä käyvät vaikkapa merenpohjan mustien savuttajien synkät suomujalkaiset etanat, jotka ovat sopeutuneet kestämään kovaa painetta ja arvaamattomia lämpötilavaihteluita — mustien savuttajien mineraaleilla kyllästetty vesi voi yltää jopa 400 Celciusasteen lämpötiloihin. Etanat suojautuvat raudasta valmistetun haarniskansa sisään ja elävät ankarissa olosuhteissa symbioosissa veteen liuenneista mineraaleista energiaa tuottavien mikrobien kanssa, luultavasti kuljettaen jatkuvasti mikrobisymbioottejaan ravinteikkaamman veden äärelle. Kyseessä on ainoa tunnettu haarniskaan pukeutuva etanalaji mutta sen esi-äidit olivat huomattavan yleisiä kambrikaudella, monisoluisten eläinten esiinmarsin aikaan. Sopeumiensa vuoksi rautahaarniskaan pukeutunut nilviäinen on kuitenkin uhanalainen. Se voi rakentaa rautaiset suomunsa vain raudalla kyllästetyssä merivedessä, jota sattuu esiintymään juuri niillä merenpohjan alueilla, jotka ovat ihmiskunnan kannalta kiinnostavan rikkaita malmiesiintymiä.

Kuva 1. Merenpohjan mustien savuttajien elinympäristön rautapanssarin suojaama suomujalkainen etana. Kuva: HKUST.

Merenpohjan mustien savuttajien etanat on kuitenkin valittu tarkoitushakuisesti esimerkkilajiksi. Vastaavia organismeja voisi ehkä esiintyä Aurinkokunnan moninaisten jääpinnan peittämien kuiden valtamerissä, jos niiden pohjalla vain on mustia savuttajia muistuttavia elinympäristöjä. Ja miksei olisi — jättiläisplaneettojen jäisiin kuihin vaikuttavat suuret vuorovesivoimat, jotka saavat niiden kymmenien kilometrien paksuiset jääkuoret halkeilemaan. Prosessissa syntyy lämpöä myös syvemmällä kuiden sisuksissa ja se saattaa mainiosti riittämään geologisen aktiivisuuden aikaansaamiseen valtamerten pohjiin. Silloin taas on mahdollista, että haarniskoitua etanaamme muistuttavat eläimet muodostavat osan myös näiden jääkuorten alaisia biosfäärejä.

Tutkijat eivät kuitenkaan luota spekulaatioihin, vaan ovat jopa keksineet keinoja tutkia vieraan elämän ominaisuuksia. Tilanne voi kuulostaa uskomattomalta — emmehän ole havainneet edes merkkejä elämästä muualla, puhumattakaan siitä, että olisimme voineet tarkastella sitä lähemmin. Se ei ole kuitenkaan tutkijoille kuin hidaste. Voimme vetää johtopäätöksiä siitä, mitä tiedämme yleisellä tasolla elämän ominaisuuksista. Tiedämme esimerkiksi sen, että maanulkopuoliset eliöt kokevat evoluutiota.


Suurin biosfääriä muokkaava voima on varmasti evoluutio. Itse asiassa, evoluutioprosessin olemassaolo on niin perustavanlaatuinen, että voidaan ajatella sen sisältyvän määrittelyyn siitä, mitä elämä on. Elämää on koetettu määritellä useiden tutkijoiden toimesta mahdollisimman kattavalla tavalla mutta vaikka määritelmät aina suunnitellaan soveltumaan johonkin tiettyyn tarkoitukseen, niiden on havaittu tyypillisesti sisältävän yhden merkittävän tekijän: itsensä kopiointia variaatioilla (1). Se taas muodostaa evoluution toiminnan kulmakiven ja käynnistää luonnonvalinnaksi kutsumamme prosessin. Voidaan sanoa, että elämää ei ole ilman evoluutiota — vastaavasti, evoluutiota on vain, jos on eläviä organismeja.

Evoluutio liittyy erottamattomalla tavalla elämän olemassaoloon ja luonteeseen. Jos jossakin on eläviä organismeja, voidaan heti päätellä, että ne ovat sopeutuneet elinympäristöönsä, vaikkakin sopeutumiseen käytettävissä ollut aika saattaa olla hämärän peitossa. Jos Marsin pintakerroksissa on mikrobeja, ne ovat varmasti sopeutuneet planeetan kylmiin, hapettomiin ja klooripohjaisten myrkkyjen kyllästämiin olosuhteisiin. Ne ovat lisäksi sopeutuneet kestämään kuivumista veden ollessa planeetan pinnan lähettyvillä harvinaista ainakin nestemäisessä olomuodossaan. Vastaavasti, Europan jääkuoren alla elämä, jos sitä on olemassa, on sopeutunut merellisessä ympäristössään pimeyteen ja valtavaan paineeseen. Syy on suorastaan tautologinen: ne organismit, jotka ovat olleet sopeutuneimpia, ovat tuottaneet todennäköisimmin lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Sen seurauksena elämä on aina sopeutunut olosuhteisiin, joissa sitä esiintyy. Ei ole muutakaan vaihtoehtoa ja biologian näennäisessä kaaoksessa mikään ei ole loogista ilman evoluutiota.

Evolutiivisen sopeutumisen seurauksena elävät organismit tekevät samankaltaisia asioita selvitäkseen samankaltaisissa olosuhteissa. Esimerkiksi Maapallon pinnalla suuressa roolissa on Auringon valo. Valaistussa elinympäristössä pienetkin mahdollisuudet saada tietoa ympäristöstä valon avulla ovat olleet merkittävänä tekijänä evoluutiohistorian saatossa. Siten silmäksi kutsuttujen valon aistimiseen soveltuvien elinten tiedetäänkin kehittyneen planeetallamme ainakin 40 kertaa toisistaan riippumatta. On loogista ajatella, että elävät organismit ovat sopeutuneet käyttämään näkyvää valoa hyväkseen muillakin planeetoilla, jos sellaista vain on saatavilla niiden pinnoilla.

Koko biosfääri on täynnä esimerkkejä tästä konvergentista evoluutiosta. Merten ravintoketjujen huiput, hammasvalaat, hait ja runsaat 200 miljoonaa vuotta sitten eläneet ichthyosaurukset sopeutuivat samankaltaiseen aktiivisen saalistajan rooliin eri lähtökohdista ja lopputuloksena oli samankaltaisia virtaviivaisia, saalistukseen erikoistuneita muotoja. Evoluutio tietenkin vain muokkaa sitä geneettistä materiaalia, jota on saatavilla mutta konvergentti evoluutio on yksi merkittävimpiä sopeutumisen teemoja maapallolla ja se toistuu taksonista toiseen eri aikakausina ja eri ominaisuuksien tai niiden yhdistelmien suhteen. Siksi voimme arvella osaavamme ennustaa evoluution tuotoksia myös muualla — fysikaaliset reunaehdot vaikuttavat samalla tavalla evoluutioon kaikkialla ja suosivat virtaviivaisia muotoja saaliiden täyttämissä merissä ja valon havaitsemiseen erikoistuneita elimiä valaistuissa elinympäristöissä.

Elämän edellytykset

Elävät organismit tarvitsevat ympäristön, jossa on saatavilla energiaa ja erilaisten rakennemolekyylien valmistamiseen soveltuvaa orgaanista ainetta. Energia voi olla monessa eri muodossa, kuten säteilyenergiana, lämpötilagradienttina, radioaktiivisena hajoamisena tai vaikkapa kemiallisiin sidoksiin varastoituneena energiana. Tärkeintä kuitenkin on, että energia on organismeille hyödynnettävissä olevassa muodossa ja ne voivat vapaan energian avulla ylläpitää omaa järjestynyttä rakennettaan, minimoiden paikallisesti entropian ympäristönsä kustannuksella. Entropian minimoinnilla viitataan siihen, että eläviä organismeja yhdistää niiden pyrkimys järjestää atomit ja molekyylit tietyllä geneettisen informaation ja ympäristön reunaehtojen sanelemalla tavalla. Se taas tarkoittaa elävän ja elottoman aineen rajapintojen rakentamista ja elävän aineksen pakkaamista funktionaaliseksi kokonaisuudeksi esimerkiksi solukalvojen ja muiden rakenteiden sisälle.

Elämän kannalta energialla on vain välinearvoa. Se mahdollistaa aineksen muokkaamisen käyttökelpoiseen muotoon ja sitä tarvitaan, jotta epäjärjestyksestä voitaisiin synnyttää järjestystä termodynamiikan lakien mukaisesti. Järjestystä tarvitaan tietenkin siihen, että orgaaniset molekyylit saataisiin toimimaan kopioitumisen mahdollistavana koneistona, jotta ylipäätään olisi jotakin elävää erotuksena molekyylien satunnaisesta sopasta. Järjestyksen ja siihen kiinteästi liittyvän entropiaminimin ylläpitäminen taas tarkoittaa jatkuvaa taistelua säteilyn ja lämpöliikkeen hajottavaa vaikutusta vastaan. Siksi elolliset organismit sitovat sopivien energialähteiden energiaa kemiallisten rakenteidensa potentiaalienergiaksi ja ylläpitävät järjestystä satunnaisliikkeen aiheuttamaa tuhoa vastaan. Lämpöliike asettaa elämälle myös fysikaaliset rajat. Jos liike on niin suurta, että molekyylit hajoavat nopeammin kuin niitä voi valmistaa, elämää ei luonnollisestikaan voi esiintyä. Vastaavasti, jos lämpöliikettä on liian vähän, kemialliset reaktiot tapahtuvat liian hitaasti ja elämän koneisto ei voi toimia.

Elämä on pohjimmiltaan varsin tylsä asia: se on biokemiallinen koneisto, jonka tarkoituksena on varmistaa sen itsensä kopiointi. Mitään varsinaista syytä kopiointiin taas ei ole. On vain se tautologia, että ne elämänmuodot, jotka onnistuivat kopioinnissaan parhaiten, ovat olemassa niiden sijasta, jotka onnistuivat heikommin. Se on koko elämän salaisuus ja evoluution vastaus tärkeimpään kysymykseen elämän tarkoituksesta.


Elävät organismit pyrkivät varmistamaan toimintansa sulkeutumalla fyysisen, itse rakentamansa rajapinnan sisään. Meillä ihmisillä se rajapinta on iho ja monet muut kudokset, joilla olemme pinnoitettuja, mutta pohjimmiltaan sen rajapinnan tarjoaa solukalvo. On oikeastaan mahdotonta kuvitella elämään ilman sen biokemiallista koneistoa sisäänsä sulkevaa rajapintaa, koska biokemia vaatii toimiakseen sen, että hyödyllisten molekyylien konsentraatio on riittävän suurta, jotta ne voivat vuorovaikuttaa keskenään. Vailla solukalvoa elämä ei kykene olemaan elävää yhtään sen enempää kuin solukalvojen sisältämän biokemian kaataminen kylpyammeeseen on elävää.

On kuitenkin mahdollista, että joskus on ollut toisin. Ehkäpä ensimmäiset protosolut, solujen muinaiset esiasteet, syntyivät huokoisessa vulkaanisessa kallioperässä hyödyntämään lämpö- ja energiavirtoja, joita geologisesti aktiivinen merenpohja tarjoaa. Silloin elävät molekyylikoneistot syntyivät luonnollisesti huokoisen kiven sisään konsentroituneista molekyyleistä, josta ne pääsivät vapaaksi vasta kyettyään ylläpitämään suojaavia lipidikalvoja ympärillään. Ajatusta on ehkäpä mahdotonta varmentaa mutta tiedämme, että mikrobit valloittivat meret ja arvatenkin myös planeettamme kuorikerroksen heti synnyttyään. Ehkäpä tapahtumaketjut ovat olleet muuallakin samankaltaisia. Vaikka yhteyttäviä eliöitä tai monisoluisia organismeja ei ehkä synnykään kovin helposti, elämä on kuitenkin valloittanut oman planeettamme kaikki mahdolliset kolkat lähes välittömästi, kun solut muodostuivat planetaarisen historiamme aamunkoitossa. Silloin toisilla planeetoilla ja olosuhteiltaan elämälle soveltuvilla taivaankappaleilla saattaisi vain olla niin, että aamunkoitto oli pidempi.


Yksi oleellinen elämää määrittävä tekijä on geneettinen informaatio. Sen tarkoituksena on tallentaa biokemiallisen koneiston rakennusohjeet, jotta kopiointi ja siten lisääntyminen onnistuisivat. Soluille ongelma on tietenkin siinä, että rakennetta ylläpitävä ja toimintaa ohjaava informaatio on kopioitava aina solun jakautuessa, koska muutoin vain toinen syntyneistä ”tytärsoluista” olisi informoitu toimimaan tavalla, jota kutsutaan elämäksi. Koska informaation siirtyminen jälkipolville on siten välttämättömyys, on myös maanulkoisella elämällä oltava jonkinlainen järjestelmä, jolla tarvittava informaatio on pakattuna molekyylien rakenteeseen.

Informaatio ei kuitenkaan voi olla säilyvyydeltään täydellistä, koska se olisi ristiriidassa koko elämän perusominaisuuden kanssa. Variaatioiden synnyn on oltava mahdollista. Muutoin jokainen organismi on toistensa kopio ja evoluutioprosesseilla ei ole materiaalia, mistä valita. Vain variaatio, populaatioiden ja lajien yksilöiden moninaisuus mahdollistaa koko evoluutioprosessin ja siten elämän olemassaolon.

Mutta elämällä on vielä yksi kiistämätön ominaisuus, joka on varmasti yhtä universaalia kuin se on meille tuttuakin. Elävät organismit kykenevät reagoimaan ympäristöönsä. Aivan kuten antiloopit havaitsevat saalistavan pedon ja reagoivat sekunnin murto-osassa loikkaamalla pois vaaran edestä, organismit pienimmistä arkeoneista suurimpiin jättiläispunapuihin reagoivat ympäristöstään saamiinsa signaaleihin. Ovat ne sitten kemiallisia, visuaalisia tai laadultaan muunlaisia, kaikki elämä reagoi signaaleihin maksimoidakseen ravinnonsaantinsa, selviytymisensä ja lisääntymistehokkuutensa. Muulla tavalla ei edes voisi olla, koska ympäristöönsä parhaalla tavalla reagoineet yksilöt ovat kautta evoluutiohistorian saaneet keskimääräistä enemmän lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä maksimoiden kantamiensa geenien alleelifrekvenssin uusissa sukupolvissa. Siksi autiomaan kukat kukkivat vain harvinaisten sateiden jälkeen, mikrobit liikkuvat siimojensa avulla kohti ravintoaineiden suurempia pitoisuuksia ja koivut kasvavat kohti valoa. Ympäristön havaitseminen ja sen tarjoamiin signaaleihin reagointi liikkeen avulla on jopa niin perustavanlaatuinen elämän ominaisuus, että käytämme sitä intuitiivisesti sen erottamiseen, mikä on elävää ja potentiaalisesti vaarallista ja mikä kuollutta ja vaaratonta. Olemme näennäisestä kehityksestämme huolimatta edelleen taitavia havaitsemaan liikettä tarkkaillessamme vaistonvaraisesti ympäristöämme aivan kuten muutkin potentiaaliset saalislajit ovat tehneet kautta aikojen.

Elävät organismit myös kasvavat. Mikrobikolonnat kasvavat niiden yksittäisten jäsenten jakautuessa ja tuottaessa itsestään kopioita. Monisoluisten organismien solut tekevät samaa mutta rakentavat jakautuessaan itselleen ulkoisia tukirankoja kuten puiden selluloosakuidut, korallien kalkkikivet tai ihmisten erilaiset kudokset. Monisoluiset organismit eivät tyypillisesti voi lisääntyä jakautumalla, joten ne tuottavat sen sijaan pienempiä sukusoluja, jotka ryhtyvät jakautumaan vimmaisesti kasvattaen solumääräänsä ja rakenteitaan ja tuottaen lopulta vanhempansa kaltaisen organismin. Kasvu on varmasti yksi elämän universaaleja ominaisuuksia, mutta sekään ei ole elämälle uniikki ominaisuus koska myös hiekkadyynit ja savikiteet kasvavat.

Lopulta, elämää yhdistää kemiallinen kompleksisuus, mitä lähelle elottomassa maailmassa ei päästä koskaan. Yksinkertaisimmatkin solut ovat niin valtavan paljon monimutkaisempia rakennelmia kuin mitkään elottomat kompleksit, että voimme sanoa monimutkaisten rakenteiden olevan yksi elämän universaaleja tunnusmerkkejä. Syytkin ovat tietenkin ilmeisiä. Jotta organismi kykenee lukemaan koodattua informaatiota, rakentamaan ja ylläpitämään rakenteensa sen mukaisesti, reagoimaan ympäristönsä ärsykkeisiin ja kopioimaan itsensä lähes täydellisesti, sen täytyy olla valtavan kompleksinen biokemiallinen kone. Emme vain voi ennustaa koneen tarkkaa koostumusta ja toimintaa.

Kuva 2. Palaun saariston luontoa täynnä eläviä organismeja. Kuva: S. Chape.

Pääsemme pitkälle vain pohtimalla sitä, mitkä ominaisuudet erottavat elävän elottomasta ja mitä ominaisuuksia elävillä organismeilla on universaalisti oltava. Mikään ei kuitenkaan auta ennustamaan miltä maanulkopuolinen elämä näyttää, jos sitä joskus onnistumme havaitsemaan. Yksi syy on siinä, että jo Maapallolla elämä tekee kaikki yritykset edes määritellä itseään epätäydellisiksi. Jokainen rajapinta, jonka koetamme asettaa erottaaksemme elävän ja elottoman toisistaan osoittautuu lähemmässä tarkastelussa vain karkeaksi approksimaatioksi, jonka molemmin puolin elävät organismit kuitenkin onnistuvat selviytymään. Vaikka olemme lukumäärällä mitattuna virusten planeetalla, ei viruksilla ole aineenvaihduntaa tai edes tarvetta energialle ollessaan solujen ulkopuolella. Ne vain ovat, kuin elottomina orgaanisten molekyylien muodostamia pölyhiukkasia. Kiistatta ne kuitenkin onnistuvat tuottamaan kopioita itsestään infektoidessaan soluja ja ovat evoluutiolle alttiina mutta yksinään ne eivät sovi elämän määrittelyyn. Viruksilla ei edes ole soluille tyypillistä kalvorakennetta, jonka sisään ne sulloisivat tarvitsemansa biokemian. Ne ovat kuolleita yksinään, elossa hallitessaan solun koneistoa, keskimäärin keikkumassa jossakin elävän ja elottoman rajamailla.

Elävä biokemia

Ei ole mitään takeita, että onnistuisimme tunnistamaan vieraan elämän eläväksi tehdessämme siitä havaintoja. Se voi esimerkiksi käyttää aineenvaihdunnassaan prosesseja ja reaktioketjuja, joita Maan elämä ei käytä. Silloin vieraan elämän aineenvaihduntatuotteiden etsintäkin olisi neulan etsimistä lukemattomien erilaisten orgaanisten molekyylien heinäsuovasta. Mutta on painavia syitä arvella, että biokemiallisia yhteneväisyyksiäkin esiintyy ja meillä on ainakin jonkinlainen aavistus siitä, mitä tarkalleen tulisi etsiä.

Vettä ei turhaan kutsuta universaaliksi liuottimeksi. Se on maailmankaikkeuden yleisin yhdiste ja muodostaa jo omassa Aurinkokunnassamme oman planeettamme merten lisäksi valtavan kirjon erikokoisia kuiksi kutsuttuja kappaleita ja komeettoja. Lukuisista Aurinkokunnan sekundäärisistä planeetoista moni, kuten Jupiterin systeemin Europa, Ganymedes ja Callisto ja vaikkapa Saturnuksen Enceladus ja Titan, koostuu suurelta osaltaan vesijäästä. Vettä havaitaan rutiininomaisesti myös avaruuden molekulaarisista pilvistä, jotka ovat uusien tähtien ja planeettakuntien syntysijoja. Joidenkin eksoplaneettojenkin kaasukehistä on havaittu vesimolekyylejä, vaikka havaintotekniikkamme ovatkin vielä lapsenkengissään. Pelkkä veden yleisyys ei kuitenkaan tee siitä merkittävää molekyyliä elämän kannalta. Oleellista on veden kyky liuottaa erilaisia aineita laajalla skaalalla ja muodostaa niille media, jossa kemialliset reaktiot pääsevät tapahtumaan kunhan vain reagenssien pitoisuus kasvaa riittävän suureksi. Orgaaninen kemia onkin valtaosaltaan juuri vedessä tapahtuvaa kemiaa.

Toisinkin kuitenkin voi olla. Esimerkiksi Titanin pinnalla vesijää muodostaa ”kallioperän”, jonka päällä nestemäinen metaani virtaa järvisenä maisemana (Kuva 3.). On mahdollista, että erilaisissa kemiallisissa ja fysikaalisissa olosuhteissa elämän mahdollistavana liuottimena toimiikin jokin muu yleinen molekyyli, kuten juuri metaani. Ongelmana vain on, että symmetriset molekyylit kuten metaani eivät ole polaarisia ja liuottavat siksi huomattavasti heikommin erilaisia molekyylejä kuin monipuolinen ja epäsymmetriansa vuoksi polaarinen vesimolekyyli. Riittävän rikkaan kemian mahdollisuus on siksi heikentynyttä metaanijärvissä. Ammoniakkia on ehdotettu yhdeksi mahdolliseksi liuottimeksi polaarisuutensa vuoksi ja siksi, että sillä on kemiallisia samankaltaisuuksia vesimolekyylin kanssa. Mutta olosuhteista, joissa ammoniakki esiintyy nestemäisenä, ei ole havaittu merkkejä ainakaan Aurinkokunnastamme, mikä viittaa sellaisten ympäristöjen harvinaisuuteen.

Kuva 3. Titanin pinta Cassini-avaruusluotaimen kuvista koostetussa mosaiikissa. Korkeamman resoluution alueen tummat läiskät ovat Titanin pinnan metaanijärviä. Kuva: NASA.

Erilaisten biologisten molekyylien ja muiden rakenteiden valmistaminen on helpointa käyttämällä hiiliatomeista koostuvia runkoja. Syykin on ilmeinen: hiiliatomit voivat muodostaa kompleksisia ketjuja ja muodostavat helposti sidoksia muiden yleisten atomien, kuten vedyn, hapen ja typen kanssa. Planeettamme elämä pohjautuu juuri hiiliatomien ketjuuntumiseen ja siten monipuoliseen kemiaan. Kun elottomia yhdisteitä tunnetaan vain noin puoli miljoonaa, orgaanisia hiilen yhdisteitä on tiedossa lähes 40-kertainen määrä. Vaikka voidaankin spekuloida muuhun kuin hiileen pohjautuvan elämän olemassaololla, hiilipohjaisen kemian moninkertainen diversiteetti tekee hiilipohjaisen elämän muuallakin yksinkertaisesti todennäköisimmäksi tavaksi järjestää kemiallisia komplekseja siten, että ne kopioivat itseään variaatioilla ja kokevat evoluutiota.

Hiilen orgaanista kemiaa esiintyy lisäksi valtavasti oman planettamme ulkopuolella. Monimutkaisia hiilipohjaisia molekyylejä on havaittu suuria määriä tähtienvälisestä aineesta, siitä materiasta, josta tähdet ja planeetat saavat alkunsa. Pitkäketjuisten hiilivetyjen merkkejä löytyy likimain kaikista tähtienvälisistä molekulaarisista pilvistä ja Aurinkokunnan komeettojen aineksessa on jopa mukana suuri määrä erilaisia aminohappoja — orgaanisia molekyylejä, joista planeettamme elämän proteiinit koostuvat. Maapallolla havaittavan elämän peruskomponentit, informaatiota säilövät rakenteet, rakennusaineet ja biokemiallisten reaktioiden media, ovat siten saatavilla kaikkialla meitä ympäröivässä avaruudessa. Samankaltaiseen elävään biokemiaan on siten mahdollisuus kaikkialla maailmankaikkeudessamme, missä fysikaaliset olosuhteet vain sallivat universaalin liuottimen esiintymisen nestemäisessä muodossaan. Juuri siksi tähtitieteilijät ovat kiinnostuneita etsimään eksoplaneettoja, joiden pinnalla voisi esiintyä nestemäistä vettä Maapallon tapaan. Ne ovat tietojemme mukaan vähintäänkin todennäköisimpiä paikkoja maanulkoisen elämän esiintymiselle.


Elämä muualla voi olla hyvinkin poikkeavaa siitä, mitä olemme tottuneet näkemään omalla planeetallamme. Se noudattaa silti tuntemiamme elämän universaaleja lainalaisuuksia, jotka kaitsevat kaikkea, mikä kokee evoluutiota ja on siis elävää. Se on sidottu fysikaalisiin ja kemiallisiin lainalaisuuksiin, jotka kontrolloivat kaikkea tuntemassamme universumissa. Ei ole silti varmaa, että edes tunnistaisimme maanulkoisen elämän eläväksi sen kohdatessamme. Sitä vaikeutta kuvastavat jo ongelmat määritellä mitä esimerkiksi Marsin pinnalla tai sen alla pitäisi havaita, jotta voisimme sanoa löytäneemme merkkejä marsilaisista mikrobeista. Eksoplaneettojen suhteen etsintämme ei puolestaan ole päässyt vielä edes vauhtiin. Uskallan kuitenkin ennustaa, että siitä muodostuu yksi vuosisadan suurimmista tieteellisistä seikkailuista.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Trifonov 2011. Vocabulary of Definitions of Life Suggests a Definition. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 29, 259.

Kun kuvaamme maailmoja

Valonsäde jätti taakseen planeetan pinnan, sen meret täynnä vesikasveja, planktonia ja saalistajia korjaamassa niiden satoa, sekä vihreän kasvillisuuden peittämät mantereet vuoristoineen, järvineen, jokineen ja tasankoineen. Säde pakeni läpi planeettojenvälisen avaruuden, planeettakuntansa ulkopuolelle ja tähtienväliseen avaruuteen, suunnilleen kohti tavallista, vaatimatonta keltaista valoa loistavaa tähteä jossakin kaukana, galaksin reunamilla. Tähti ei ollut millään tavalla erikoinen, vaan aivan tavallinen keltainen kääpiötähti siinä suunnilleen kahdensadan miljardin muun tähden joukossa, jota kutsumme Linnunradan galaksiksi.

Kyseessä oli varsin onnekas sattumus. Valonsäde olisi varsin hyvin voinut heijastua tai taittua mihin tahansa suuntaan kulkiessaan planeetan tuulisen ja turbulenttisen, pääosin happea ja typpeä sisältävän kaasukehän läpi. Mutta siinä tapauksessa jokin toinen valonsäde olisi luultavasti ottanut sen paikan, koska fotonit, massattomat hiukkaset, joista valo koostuu, ovat lukuisampia kuin bakteerit hiekanjyvien pinnoilla miljoonalla hiekkarannalla.

Planeettojen pinnat heijastavat valoa tavallisesti oikein hyvin. Ne jopa säteilevät itse, vaikkakin ihmissilmälle näkymättömällä aallonpituusalueella, jota kutsutaan lämpösäteilyksi. Se tekee planeetoista signaalien lähettäjiä, jos vain joku haluaa ottaa asiakseen tulkita valonsäteisiin kirjoitettuja viestejä. Tähtitieteilijät ottavat. He ovat siinä ammattilaisia.


Valonsäde matkasi itsevarmasti eteenpäin, halki tähtienvälisen avaruuden. Se oli menossa kohti Maata, joka kiersi radallaan rauhallisesti Aurinkoa täysin tietämättömänä tulevasta kohtaamisesta. Maapallolla vuodet kuluivat mutta valonsäde ei vanhentunut eikä muuttunut. Fotoneille, sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkasille, joiden virtaa kutsumme arkisesti valoksi, aika ei merkitse mitään. Valonsäteet matkaavat kaikkialle ainaisella huippunopeudella, jota kovempaa mikään ei voi liikkua, ja omasta mielestään ne lähtevät liikkeelle ja saapuvat perille samalla hetkellä. Ne ovat löytäneet ikuisen nuoruuden lähteen eivätkä koskaan vanhene kuten kaikki varsinaisen aineen monimutkaiset muodot — ihmiset, männyt ja tähdet. Nopeus on niiden pakoreitti vanhuuden vaivoista.

Muut fotonit törmäilivät epäonnisina atomeihin ja molekyyleihin tähtienvälisellä matkallaan mutta meidän valonsäteemme, kuten sen lukemattomat kumppanitkin, selvisivät pitkästä avaruusmatkastaan vahingoittumattomina. Valonsäteen reitti taipui hiukan, sillä aika-avaruus itsekin taipuu kaikkien massallisten kappaleiden ympärillä, ja reitin lähettyvillä oli lukuisia massiivisia tähtiä. Mutta reitin pienet muutokset jäivät kaikilta havaitsijoilta huomaamatta, vaikka tarkkaavaisuuden puutteesta heitä ei voikaan syyttää.

Valonsäteemme oli yksi onnekkaimmista vielä saapuessaan Maan pyörteilevään ja vesihöyryn ja otsonin, sekä monien muiden molekyylien ja yhdisteiden, kyllästämään ilmakehään, joka esti suurta osaa muista fotoneista saapumasta perille. Säteellä oli onnea, koska se koostui näkyvän valon fotoneista ja ilmakehä on näkyvän valon aallonpituuksilla läpinäkyvä toisin kuin infrapunan ja ultraviolettisäteilyn kohdalla sähkömagneettista spektriä. Näkyvän valon fotonit pääsevät lähes esteettä maanpinnalle asti. Mutta onnekkaita olivat myös tähtitieteilijät. Valonsäde osui heidän fotoneja keräävään laitteeseensa, jonka huomattavin komponentti on teleskoopin valtaisa pääpeili. Siitä valonsäteen fotonit heijastuivat toiseen pienempään peiliin ja edelleen monimutkaiseen prismojen, suodattimien ja linssien järjestelmään havaintolaitteen sisällä.

Fotonien loppu koitti ja niiden energia ja määrä rekisteröitiin tarkasti. Niiden energia käytettiin elektronien virittämiseen ja sähkövirran muodostamiseen, kun ne jättivät sähköisen nollia ja ykkösiä käsittävän jäljen digitaalikameran muistipiireihin. Se jälki puolestaan muokattiin digitaaliseksi kuvaksi ja tähtitieteelliseksi havainnoksi fotonien synnyinpaikasta.


Maapalloa muistuttavan eksoplaneetan suoraan kuvaamiseen johtava tapahtumasarja saattaisi sattua suunnilleen yllä kuvatulla tavalla. Kuvaamisessa onnistumiseen vain on todella pitkä matka — teknologiamme ei riitä pienten, kivisten eksoplaneettojen suoraan kuvaamiseen. Meillä ei ole laitteistoja, joilla voisimme havaita riittävän monta pienen kiviplaneetan pinnasta saapuvaa fotonia, jotta erottaisimme sen taustataivaasta. Ei ainakaan vielä. Suunnitteilla kuitenkin on instrumentteja, joilla maapallonkaltaisten eksoplaneettojen suora havaitseminen tulee mahdolliseksi. Ensin näemme ne muutamana pienenä pikselinä (Kuva 1.) ja lopulta, teknologian kehittyessä, teemme niille jo yksityiskohtaisia sääennusteita.

Kuva 1. Maapallo (vasen). Maapallo, kuten sen kuva saattaisi näkyä ensimmäisissä 3×3 pikselin kuvissa, joita saamme maankaltaisista eksoplaneetoista (oikea). Kuva: NOAA/NASA/S. Kane.

Jos saisimme maapallonkaltaisen eksoplaneetan edes yhden pikselin suuruiseen, mitättömältä vaikuttavaan kuvaan, saisimme siitä valtavat määrät informaatiota. Se ei tietenkään vastaa vaikuttavaa, yksityiskohtaista megapikselitason valokuvaa, jossa näkyvän planeetan valtaisaa kauneutta voisimme ihastella, mutta tähtitieteilijöille se yksikin pikseli — pelkkä juuri ja juuri näkyvä mitätön tuhru — tarjoaisi mahdollisuuden saada mittaamattoman arvokasta tietoa.

Proxima Centaurin järjestelmästä raportoitu toinen planeetta, Proxima c, on ehdottomasti yksi potentiaalisia kuvauskohteita. Vaikka on jo esitetty mahdollisuus, että Proxima c itse asiassa näkyy VLT:n SPHERE-instrumentin kuvassa, ja planeetan olemassaolo on varmistunut, ei ole varmaa, että kuvassa näkyvä anomalia on juuri Proxima c. Varmaa sen sijaan on, että Euroopan Eteläisen Observatorion rakenteilla oleva ”Erittäin suuri teleskooppi” (ELT) kykenee näkemään Proxima b:n ja c:n, sekä järjestelmän muut mahdolliset planeetat pikselin kokoisina tuhruina kuvissaan, joista itse Proxima Centaurin punaisen kääpiötähden loiste on peitetty. Se yksikin pikseli informaatiota lähitähteä kiertävästä planeetasta avaa ikkunan valtavaan määrään uutta informaatiota.

Proxima b:n tapauksessa tiedämme planeetasta vain sen minimimassan ja kiertoradan koon sekä muodon. Tarkkailemalla edes yhden pikselin kokoisen planeetan kuvan liikettä tähtensä ympäri, saisimme määritettyä planeetan ratatason avaruudessa ja siten planeetan todellisen massan. Sen lisäksi saisimme ensimmäisen arvion planeetan pinnan tai kaasukehän heijastavuudesta ja siten karkeasta koostumuksesta. Planeetan heijastamaa valoa ja sen muutoksia voisi tarkkailla udseiden ratakierrosten ajan, saaden tietoa mahdollisista planeetan vuodenaikojen aiheuttamista vaihteluista.

Yksikin pikseli tarjoaisi lisäksi mahdollisuuden mitata planeetan spektri — sen heijastaman valon aallonpituusjakauma. Silloin voitaisiin tarkastella planeetan kaasukehän tai pinnan koostumusta suoraan, mikä tarjoaisi ikkunan planeetan kaasukehän kemialliseen tasapainotilaan ja sen pinnan geologiaan. Ne taas kertoisivat planeetan koostumuksesta ja elinkelpoisuudesta tai -kelvottomuudesta enemmän kuin mikään muu havainto. Kaasukehän vuodenaikavaihteluiden seuraaminen olisi myös mahdollista.

Planeetan pyöriminen ja liike radallaan tähtensä ympäri antaisivat mahdollisuuden havaita planeettaa eri suunnista. Havaitessamme maankaltaista planeettaa, jonka pinta on osin veden ja jään ja osin aavikoituneiden tai kasvillisuuden peittämien mantereiden peitossa, näkisimme yhden pikselin keskiarvon planeetan pinnan koostumuksesta. Tarkkailemalla pikseliä eri aallonpituusalueilla, saisimme runsaasti tietoa planeetan pinnasta. Riittävästi tarkkailtuamme voisimme siten selvittää karkeasti jopa planeetan mantereiden ja merien jakautumaa ja ryhtyä suunnittelemaan sen pinnalle sopivia ilmastosimulaatioita huomioiden kaasukehän koostumuksen, mantereet, meret ja fysikaaliset olosuhteet, kuten tähden säteilyn intensiteetin ja pintalämpötilan. Saisimme mahdollisuuden muodostaa kokonaisvaltainen käsitys havaitun planeetan ulkonäöstä ja ominaisuuksista.

Olisi luultavasti mahdollista tarkastella myös sitä, onko elämä saanut jalansijan osana planeetan geokemiallista kiertokulkua. Maapallolla elämä on vuorovaikuttanut planeetan elottoman pinnan ja kaasukehän kanssa aina syntymästään saakka. Merkkeinä siitä on esimerkiksi vapaa happi, joka ilman sitä tuottavaa fotosynteesiä reagoisi nopeassa tahdissa mineraalien kanssa ja sitoutuisi yhdisteiksi, pois kaasukehästämme. Ensimmäisten yhteyttäjien tuottamasta hapesta ovat muistona vaikkapa kerrostuneet rautamuodostelmat, jotka ovat syntyneet hapen sitoutuessa meriveden rautaan ja kerrostuessa pohjaan rautaoksideiksi eli ruosteeksi. Samoin biologisten prosessien toiminnasta alkunsa saava metaani poistuisi nopeassa tahdissa kaasukehästä elämän hävittyä planeetaltamme, joten sen olemassaolo voidaan tulkita merkiksi elämästä tai ainakin geologisesta aktiivisuudesta.

Yhdestäkin pikselistä voisimme nähdä onko planeetan kaasukehässä vettä, hiilidioksidia, happea tai typpeä. Näkisimme ovatko elävät organismit vaikuttaneet sen koostumukseen ja mahdollistaneet vaikkapa vapaan hapen muodostumisen. Vaikka havaitsisimmekin marsinkaltaisen kuivan, vedettömän planeetan, jolla on lähes pelkästä hiilidioksidista koostuva kaasukehä, voisimme ainakin tehdä päätelmiä marsinkaltaisten planeettojen yleisyydestä maailmankaikkeudessa. Mars on sekin ollut nuoruudessaan vetinen, elinkelpoinen planeetta valtamerineen, jokineen ja järvineen.

Yksittäinen pikseli ja sen sisältämä informaatio voisi antaa viitteitä myös siitä, onko planeetalla kiertolaisina kuita, ympäröikö sitä rengasjärjestelmä, ja onko sen pyöriminen tosiaan lukkiutunut sen ratajaksoon siten, että planeetta näyttää aina saman puolen tähdelleen.

Suuret suunnitelmat

Tähtitieteilijät eivät tietenkään ole tyytymässä yhden pikselin kuvaan eksoplaneetoista. On esitetty suunnitelmia avaruusteleskooppien lähettämisestä Auringon muodostaman gravitaatiolinssin fokukseen, vähintään 550 AU:n etäisyydelle Aurinkokunnan kaukaisille laitamille. Silloin tulisi mahdolliseksi havaita lähimpien eksoplaneettojen pintaa aivan uudella tarkkuudella (1).

Pienen, noin metrin halkaisijaltaan olevan ja Auringon valon estävällä koronografilla varustetun avaruusteleskoopin avulla voitaisiin päästä suunnattomaan tarkkuuteen käyttämällä hyväksi sitä suhteellisuusteorian tarkasti ennustamaa tosiasiaa, että valo taittuu Auringon gravitaatiokentässä. Kun lähitähden eksoplaneetasta saapuvat valonsäteet taittuvat Auringon massan vaikutuksesta hiukan, niiden valon Einsteinin renkaan havainnointi olisi mahdollista yhdeltä Aurinkokunnan laitamien alueelta. Kuuden kuukauden havainnointi riittäisi lähieksoplaneetan havainnointiin tarkkuudella, joka mahdollistaisi sen pinnan tutkimisen 25 kilometrin erotuskyvyllä. Voisimme kartoittaa vuoristoja, kanjoneita ja muita geologisia muodostelmia kaukaisten planeettojen pinnoilla.

Meillä on propulsioteknologia lähettää teleskooppeja Aurinkokunnan ulko-osiin. Niiden perille saamiseen menisi tosin ainakin vuosikymmen ja yhdestä paikasta voisi kerrallaan havaita vain yhtä lähiplaneettakuntaa mutta operaatio olisi toteutettavissa. Olisi mahdollista lähettää kokonainen teleskooppien joukko tekemään havaintoja tarkasti valitusta lähimpien eksoplaneettojen joukosta. Se tekisi eksoplaneettojen kuvaamisesta ja niiden olosuhteiden tarkasta tutkimisesta rutiininomaista, tavallista havaitsevaa tähtitiedettä. Se olisi valtava harppaus planeettatutkimuksen saralla — nykyään voimme tutkia maankaltaisia eksoplaneettoja lähinnä vain simuloimalla niiden olosuhteita erilaisten tähtien erilaisilla kiertoradoilla.

Käyttämällä spektrografia, tulisi lisäksi mahdolliseksi tarkastella lähieksoplaneettojen pintojen koostumusta, muodostaa niiden geologisia karttoja, tutkia maankaltaisten planeettojen merten ja mantereiden muotoja ja selvittää onko mitään viitteitä elämästä niiden pinnoilla. Kyseessä ei edes ole spekulointi, vaan nykyteknologialla toteutettavissa oleva suunnitelma. Se on silti vasta suunnitelma, jonka toteutuminen lähitulevaisuudessa on kaikkea muuta kuin varmaa.


Voimme saada valtaisan määrän informaatiota lähitähtiä kiertävistä pienistä kiviplaneetoista jopa alkeellisimmalla mahdollisella suoralla havainnolla. Voimme tarkastella planeettojen pintaa, kaasukehää, meriä, jäätiköitä ja mantereita. Voimme selvittää ovatko planeetat eläviä — onko elämä päässyt havaittavaksi osaksi planeettojen geokemiallisia syklejä. Mutta ensin tulisi tehdä se ensimmäinen havainto. Sitä varten taas tarvitsemme seuraavan sukupolven jättiläisteleskooppeja. Havaintovälineiden rakennustyöt maankaltaisten planeettojen suoraa havaitsemista varten ovat kuitenkin jo alkaneet ja vain mielikuvituksemme on rajana sille, mitä tietoa voimme saada lähimmistä eksoplaneetoista. Fysiikan lait eivät estä eksoplaneettojen tarkkaa valokuvaamista. Vain mielikuvituksemme ja maalliset resurssimme ovat rajana sille, mitä voimme havaita tulevaisuudessa.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Turyshev et al. 2020. Direct Multipixel Imaging and Spectroscopy of an Exoplanet with a Solar Gravity Lens Mission. Final Report for the NASA’s Innovative Advanced Concepts (NIAC) Phase II proposal. (arXiv:2002.11871).

Universaali elämä ja kuinka se havaitaan

Toisen elävän planeetan löytäminen on seuraava suuri askel eksoplaneettatutkimuksen saralla. Se tuo samalla mukanaan seuraavan paradigman muutoksen tarjoten jatkumon tieteen historian suurille ajattelun vallankumouksille. Kopernikaaninen mullistus asetti Auringon planeettakuntamme keskiöön tuoden mukanaan sen ajatuksen, että Maa ei olekaan niin erityinen, vaan vain yksi planeetta muiden joukossa Aurinkoa kiertävällä radalla. Samoin Charles Darwinin ja Alfred Russell Wallacen havainto siitä, että elävät organismit kokevat evoluutiota, osoitti ihmisen olevan vain yksi planeettamme lajeista jättäen puheet ihmisestä ”luomakunnan kruununa” vain tietämättömien dogmaatikkojen horinaksi. Olemme saaneet selville, että juuri mikään tuntemamme ja näkemämme ei ole erikoista, vaikka onkin meille erityistä. Aurinko on vain yksi tähti satojen miljardien kumppaniensa joukossa Linnunradaksi kutsutussa tähtien saarekkeessa, joka sekin on vain yksi monista samankaltaisista tähtien joukoista, galakseista, joita voimme arvioida olevan näkyvissä avaruudessa noin tuhat miljardia.

Koska Maa on ainoa tuntemamme elävä planeetta maailmankaikkeudessa, on seuraava Kopernikaanisen periaatteen sovellus ehdottomasti se, että havaitsemme, miten edes planeettamme elämä ei ole minkäänlaisessa erikoisasemassa. Periaate kertoo, että kaikki havaitsijat ovat samanarvoisia, että luonnonlait ovat kaikkialla samat, ja että maailmankaikkeus näyttäytyy samanlaisena havaitsimmepa sen ominaisuuksia missä tahansa suunnassa. Koska elämää on siis syntynyt tässä omassa maailmankaikkeuden nurkassamme, ei ole syytä olettaa muuallakaan olevan toisin. Olemme löytäneet parin vuosikymmenen ajan eksoplaneettoja likimain kaikkialta. Se on osoittanut, että planeettakuntammekaan ei ole minkänlaisessa erikoisasemassa, vaan vain yksi monista esimerkeistä siitä, miten luonnonlait asettelevat erilaisia planeettoja erilaisiksi järjestelmiksi. Olemme arvioineet, että linnunradassa on noin kuusi miljardia maankaltaista planeettaa ja elinkelpoisia paikkoja on siten valtavia määriä kaikissa galaksimme kolkissa. Siksi pidetään suorastaan varmana, että on olemassa runsaasti muitakin eläviä planeettoja ja sellaisen löytyminen on vain ajan kysymys — ehkäpä olemme jo löytäneetkin sellaisen, vaikka tekniikkamme havaita merkkejä eksoplaneettojen biosfääreistä ovatkin vielä lapsenkengissään tehden asian varmistamisesta vaikeaa.


Ongelmallisinta toisen elävän planeetan havaitsemisessa on se, että on havaittava samalla merkkejä elämästä. Se on johtanut ajatuksiin koettaa havaita elämän toiminnasta johtuva kemiallinen epätasapainotila, jossa esimerkiksi oman planeettamme kaasukehä on. Maapallolla on nimittäin vapaata happea ja vaikka se kuulostaa aivan tavalliselta — eihän hapettomassa kaasukehässä voi hengittää — kyseessä on elämän ylläpitämä keinotekoinen kemiallinen tasapaino. Maapallolla ei ole ollut happea aina, vaan sitä muodostui vasta noin kaksi vuosimiljardia sitten, kun alkeelliset sinibakteerit oppivat yhteyttämään hiilidioksidin ja veden orgaanisiksi molekyyleiksi auringon säteilyn energiaa käyttäen. Prosessissa syntyy vapaata happea, joka kuitenkin muodosti tuolloin valtaisan ongelman. Happi oli aikakauden organismeille myrkky, koska se reagoi voimakkaasti rikkoen hapettomiin olosuhteisiin sopeutuneiden organismien molekyylikoneistot. Korkean reaktiivisuutensa vuoksi vapaa happi kuitenkin sitoutui nopeasti mineraaleihin muodostaen nykyteollisuutemme hyväksikäyttämät rautakerrostumat merten pohjasedimentteihin.

Hiljalleen hapen pitoisuus nousi merissä ja ilmakehässä mahdollistaen sen käytön soluhengitykseen mitokondrioissa, solujen biokemiallisissa energiantuotantokoneissa. Kasvanut teho mahdollisti niin monisoluiset eläimet kuin kasvitkin ja antoi edellytykset planeettamme pinnan monimuotoiselle biosfäärille. Mutta samalla Maan kaasukehä muuttui kosmiseksi huutomerkiksi, jonka tarkkailu kertoo jonkin vieraan sivilisaation astronomille vääjäämättä siitä, että planeetallamme on vapaata happea tuottava omituinen kemiallinen koneisto. Koska tehokkaasti happea tuottavia elottomia koneistoja ei ole olemassa, hapen runsaudesta voidaan päätellä planeettamme geokemiallisten prosessien ylittäneen sen rajan, jonka toisella puolella kemiallista koneistoa kutsutaan elämäksi. Voidaan sanoa hapen toimivan biomarkkerina, joka antaa mahdollisuuden havaita elävien organismien olemassaolo planeetallamme epäsuorasti.

Hapen havaitseminen muiden maankaltaisten planeettojen kaasukehissä kielisi mitä todennäköisimmin elämän olemassaolosta planeettojen pinnoilla. Mutta ei ole mitään takeita, että maanulkoiset elävät solut tuottaisivat juuri vapaata happea aineenvaihdunnassaan — Maapallokin on ollut yli puolet historiastaan vailla vapaata happea, vaikka onkin ollut elämän valtaama. Siksi on ehdotettu muitakin molekyylejä hyviksi eksoplaneettojen biomarkkereiksi. Esimerkiksi metaani on mikrobien aineenvaihdunnan tuote mutta sitä syntyy myös tulivuoritoiminnan ansiosta. Siksi metaanin havainto Marsin kaasukehässä ei saanut selvää tulkintaa merkkinä biologisesta aktiviteetista, vaan planeetan jäljellä olevasta tuliperäisyydestä. Hiljattain palstatilaa saanut fosfiini on myös biomarkkerina ongelmallinen, koska sitä voi syntyä niin ikään vulkaanisen aktiivisuuden sivutuotteena. Siksi kyseenalainen fosfiinihavainto Venuksen kaasukehässä tuskin kielii epätodennäköisestä planeetan yläilmakehän biosfääristä.

Kuva 1. Eksoplaneetan WASP-19 b transmissiospektri, joka kertoo planeetan kaasukehän koostumuksesta. Havainnot osoittavat kaasukehässä olevan titaanioksidia, natriumia ja vettä. Kuva: Sedaghati et al.

Eksoplaneettojen kaasukehän koostumusta voidaan jo tutkia ylikulkujen avulla tarkkailemalla kuinka paljon planeetta himmentää tähdestään teleskooppeihimme saapuvaa valoa eri aallonpituuksilla. Menetelmällä on saatu havaintoja jättiläisplaneettojen kaasukehien koostumuksista (1) mutta myös pienempien planeettojen kaasukehien ominaisuuksia on päästy kartoittamaan karkealla tavalla. Ylikulkujen tarjoama mahdollisuus planeettojen koostumuksen havainnointiin tarjoaa mahdollisuuden koettaa havaita biomarkkereita niiden kaasukehissä. Asiassa on kuitenkin monet ongelmansa ja haasteensa, jotka on jollakin keinolla kyettävä ylittämään ennen kuin ensimmäinen biologiasta kertova havainto tulee mahdolliseksi.

Biomarkkerin on oltava sellainen, että sitä voi muodostua havaintojen kohteena olevan planeetan olosuhteissa vain elämän aineenvaihduntatuotteena tai aineenvaihdunnan seurauksena. Muussa tapauksessa se ei kerro biologisten organismien olemassaolosta, vaan vain niiden mahdollisuudesta tehden yksiselitteisten johtopäätösten vetämisestä mahdotonta. Jos jotakin planeetan kaasukehän molekyyliä voi siis muodostua abioottisesti, elottomissa geokemiallisissa prosesseissa, se ei ole kelvollinen biomarkkeriksi. Biomarkkerin on myös oltava riittävän stabiili kemiallisessa ympäristössään, jotta sitä voi olla olemassa havaittavia määriä. Esimerkiksi Maan happi ei ollut soveltuva biomarkkeriksi vielä kaksi miljardia vuotta sitten, koska se reagoi nopeasti hapettaen meriveteen liuennutta rautaa ja sen pitoisuus kaasukehässä pysytteli pitkään hyvin alhaisella tasolla. Kolmas vaatimus on biomarkkerin havaittavuus — on oltava mahdollista nähdä sen olemassaolo, koska muutoin se jää havaintojen tavoittamattomiin ja sen kertoma viesti elämän olemassaolosta jää auttamatta näkemättä. Lisäksi, biokemialtaan tuntemattomat elävät organismit saattavat olla aineenvaihdunnaltaa niin erilaisia verrattuna Maan elämään, että emme osaa ennustaa niille soveltuvia biomarkkereita. Tulisi siten keksiä universaaleja tapoja havaita elämän olemassaolo — suoraan tai epäsuorasti — planeetan pinnalla. Mutta mitä oikeastaan koetetaan havaita?

Mitä on elämä?

Elämän yleinen määrittely on ollut historiallisesti yllättävän haastavaa ja yleisesti hyväksytään, että universaalia määritelmää on ehkäpä mahdotonta antaa, vaikka erilaiset määritelmät soveltuvatkin erilaisiin tilanteisiin oikein hyvin. Esimerkiksi aineenvaihdunta on elämän ominaisuus mutta tulivuorikin vaihtaa ainetta ympäristönsä kanssa ja toisaalta bakteerit lakkauttavat lepotilassaan aineenvaihduntansa, vaikka kiistatta ovatkin edelleen eläviä. Lisäntyminenkin on elämän ominaisuus mutta esimerkiksi muulit eivät lisänny, vaikka ovat eläviä organismeja, ja toisaalta mineraalikiteetkin voivat jakautua ja tuottaa uusia kiteitä. Vanhan vitsin mukaan biologit kyllä sanovat tunnistavansa elävän organismin, kun sellaisen näkevät, ja määritelmää ei siksi tarvita. Mutta miten tunnistaa elämä elämäksi, jos sen aineenvaihdunta on vaikkapa liian hidasta havaitaksemme sen, jos se ei liiku tai tee mitään muutakaan havaittavaa ihmisiän aikaskaalassa tai jos sen muodot ja toiminta ovat meille täysin vieraita ja jäävät havaitsematta?

Erilaisia märitelmiä tarkasteltaessa on huomattu, että niiden avainviestin voi tiivistää sanomalla elämän olevan vain itsensä kopiointia variaatioilla. Tämä Edward Trifonovin ytimekäs tiivistelmä perustuu 123 tieteellisessä kirjallisuudessa julkaistuun elämän määrittelyyn (2) mutta ehkäpä sekään ei ole täydellinen, koska sen soveltaminen käytännön tarkoituksiin, erityisesti puhuttaessa maanulkoisen elämän havaitsemisesta, on täysin mahdotonta. Tulisi havaita jokin, joka kopioi itseään ja jonka kopiot poikkeavat hiukan siitä jostakin. Se vaatii niin tarkkoja havaintoja, että eksoplaneettojen elävistä organismeista puhuttaessa Trifonovin määritelmän soveltamista ei voi edes harkita. Voimme kuitenkin lähestyä elämän havaitsemista toisellakin tapaa.

Itsensä kopiointi variaatioilla ei ole ainoa universaali eläviä organismeja yhdistävä tekijä. Toinen tekijä on elävien organismien kemiallinen monimuotoisuus, joka on väistämättä jo kaikkein yksinkertaisimmalla elävällä organismilla huikeasti mitään epäelollista kemiallista kompleksia suurempaa. Siksi yksi tuoreimpia ehdotuksia toimivaksi biomarkkeriksi onkin kompleksisuuden havaitseminen riippumatta yksittäisistä molekyyleistä, joiden merkitys biomarkkerina on lähes aina mahdollista kyseenalaistaa. Stuart Marshall ja Leroy Cronin tutkimusryhmineen ehdottavatkin biologisten organismien havaitsemista niihin aina läheisesti liittyvää kemiallista kompleksisuutta mittaamalla (3). Ajatuksena on käyttää tutkijoiden standardityökalua, massaspektrometria, jolla saadaan selville ionisoitujen molekyylien massan jakautuma ja siten kohtuullisen luotettava mittari niiden kompleksisuudelle. Parasta kuitenkin on, että mittari sopii mainiosti käytettäväksi, kun lähetämme luotaimia Aurinkokunnan lukuisille kiertolaisille ja se on luultavasti sovellettavissa myös eksoplaneetojen biosfäärien etsintään. Voidaan ajatella, että yksittäisiin molekyyleihin keskittyminen on joka tapauksessa epäluotettavampaa kuin elämän kompleksisen luonteen löytäminen havainnoista.

Ilmiselvästi siellä, missä on elämää, kemiallinen kompleksisuus on vääjäämättä suurta. Eläviä organismeja ei yksinkertaisesti voi olla olemassa ilman kasvanutta kemiallista kompleksisuutta, oli sen biokemiallinen koneisto rakentunut millä tavalla hyvänsä. Siksi kompleksisuuden havaitseminen auttaa kiertämään sen ongelman, että emme tunne vieraiden elämänmuotojen biokemiaa ja emme siksi osaa arvata mitkä molekyylit olisivat niiden havaittavissa olevia aineenvaihduntatuotteita. Jos on olemassa elävä organismi, joka kokee evoluutiota ja täyttää siten Trifonovin havaitseman tyypillisen määritelmän itsensä kopioinnista variaatioilla, kyseessä on jo niin monimuotoinen biologisten molekyylien kokoelma, että kompleksisuutta havaitsemaan kykenevä menetelmä tuskin voi erehtyä sen luonteesta. Sattumalta muodostuneet kemialliset yhdisteet voivat olla kohtuullisen monimutkaisia, mutta vain evoluutiota kokevat elävät organismit voivat nostaa kemiallisen kompleksisuuden uudelle tasolle. Marshallin ja Croninin menetelmä toimiikin tutkijoiden esimerkeissä loistavasti — se kertoo elottomien asioiden olevan elottomia ja elollisten olevan elollisia perustuen vain yksinkertaisiin kokonaislukuihin, jotka kuvaavat kuinka monta alkeisoperaatiota tarvitaan valmistamaan yksittäinen molekyyli.

Kuva 2. Kompleksisuuden kasvun mittaaminen alkeistapausten lukumäärällä, kun kasvu saa tapahtua vain lisäämällä korkeintaan niin kompleksisia lisäosia kuin on jo olemassa. Koska jokaisen lisäyksen todennäköisyys on alle yhden, suurten kompleksien syntyminen on äärimmäisen epätodennäköistä puhtaan sattuman avulla. Kuva: Marshall et al.

Menetelmän sovellukset eksoplaneettahavaintoihin saavat vielä odottaa itseään, koska tarvitsemme instrumentteja, joilla havaita eksoplaneettoja ja määritää niiden kaasukehien kemiallisia koostumuksia suoraan. Silloinkin on tarpeellista havaita runsaasti erilaisia molekyylejä, kuten monet astrobiologian ekspertit ovat huomauttaneet, ennen kuin millään tasolla luotettavia elämän merkkejä on mahdollista löytää. Tuleva tapahtumakulku sujuu suunnilleen tuttuja tieteellisiä juonenkäänteitä noudattaen. Ensin jokin ryhmä raportoi näyttävästi havainneensa elämän merkkejä joltakin lähiplaneetalta. Sitten useat tutkimusryhmät julkaisevat tuloksensa, jotka asettavat havainnon kyseenalaiseksi. Lopulta usealta planeetalta havaitaan jonkinasteisia merkkejä elämästä ja ajan saatossa osa merkeistä todetaan epäelollisten prosessien tuottamiksi, kun taas jotkin vahvistuvat merkkeinä elämästä, kunnes niitä epäilee enää vain harva alan tutkija. Silloin on saavutettu uusi paradigman muutos ja siirrymme tutkimaan maanulkoisen elämän ominaisuuksia sen pelkän olemassaolon varmistamisen sijaan.

Mutta kuten muutkin suuret tieteellisen maailmankuvan mullistukset, maanulkoisen elämän havaitseminen hyväksytään luultavasti vain hyvin hitaasti osaksi tieteellistä maailmankuvaamme. Koska poikkeuksellisen suuret tulokset tarvitsevat taustalleen poikkeuksellisen vankkaa todistusaineistoa, elämän löytymistä eksoplaneettojen pinnoilta ei hyväksytä muitta mutkitta tieteelliseksi tosiasiaksi, vaan lukuisat epäilijät vähättelevät löytöjä vuosien, ehkäpä jopa vuosikymmenten ajan. Paradigmat kuitenkin muuttuvat yhdet hautajaiset kerrallaan ja lopulta elämän esiintymistä muualla maailmankaikkeudessa ei epäile enää juuri kukaan tiedeyhteisön sisällä. Silloin ajatus oman planeettamme erityislaatuisuudesta ainoana tunnettuna elävänä planeettana katoaa lopulta historian syövereihin. Tiedeyhteisön ulkopuolelta taas löytyy varmasti tulevaisuudessakin tiedosta piittaamattomia dogmaatikkoja.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Sedaghati et al. 2017. Detection of titanium oxide in the atmosphere of a hot Jupiter. Nature, 549, 238.
  2. Trifonov 2011. Vocabulary of Definitions of Life Suggests a Definition. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 29, 259.
  3. Marshall et al. 2021. Identifying molecules as biosignatures with assembly theory and mass spectrometry. Nature Communications, 12, 3033.

Mistä meidät voidaan nähdä?

Leikitäänpä ajatusleikkiä. Oletetaan, että Auringon lähiavaruudessa on jokin tekninen sivilisaatio, joka on teknologiassaan suunnilleen meidän tasollamme. Oletus voi kuulostaa epäuskottavalta, koska ainakin oman sivilisaatiomme teknisen kehityksen nopeus on ollut päätähuimaavaa verrattuna tähtitieteellisiin aikaskaaloihin ja on siksi äärimmäisen epätodennäköistä, että kaksi toisistaan riippumatonta sivilisaatiota olisi suunnilleen samalla teknisen kehityksen tasolla samanaikaisesti. Mutta tämä onkin vain ajatusleikki. Oletetaan lisäksi, että tämä toinen sivilisaatio olisi kiinnostunut havaitsemaan tähtitaivasta paljolti samoilla keinoilla kuin mekin, keskittyen näkyvän valon aallonpituuksiin ja vaikkapa radioaaltojen havainnointiin. Se oletus ei olekaan niin kovin erikoinen, koska avaruudesta planeetalle tulevan valon aallonpituusjakauma on kaikkialla sama. Ja vaikka olettamamme toinen sivilisaatio olisikin kehittynyt erilaisissa säteilyolosuhteissa, sopeutuen näkemään eri aallonpituuksilla kuin Maan elämä, hekin huomaisivat pian 300-600 nanometrin aallonpituuskaistan olevan se alue, jossa keltaisia kääpiötähtiä kuten Aurinko on helpointa havaita, koska ne näkyvät kirkkaimpina.

Ei ole tietenkään mitään takeita siitä, että jokin toinen tekninen sivilisaatio olisi kiinnostunut havainnoimaan tähtitaivasta, koska taivaan näkyvyys riippuu sen kotiplaneetan olosuhteista ja havaitsemiseen ryhtyminen on täysin kulttuurisidonnaista. Ehkäpä pilvisen kaasukehän tuolla puolen loistavien tähtien tarkkailuun ei olisi mitään mielenkiintoa tai sitä pidettäisiin vain resurssien hukkaamisena, koska planeetan pinnan asiat ovat luonnollisesti niin kovin paljon tärkeämpiä. Mutta jos kaikesta huolimatta toinen sivilisaatio havaitsisi taivaan tähtiä, se epäilemättä ennen pitkää ymmärtäisi katsovansa miten tähtiä kiertävät lukuisat planeetat kulkevat tähtien pintojen editse estäen osaa säteilystä saapumasta teleskooppeihin. Silloin sivilisaation astronomit tajuaisivat tarkkailevansa planeettoja kuten omansa, ja saattaisivat jopa ryhtyä etsimään havainnoista merkkejä toisista sivilisaatioista. He saattaisivat havaita Aurinkoa ja nähdä Maan vilahtavan sen pinnan editse. Siitä he saattaisivat kyetä näkemään Maan olevan elävä planeetta, jonka pintaa ja kaasukehää muokkaa monipuolinen biodiversiteetti. Mutta Maan ylikulku ei ole nähtävissä kaikkialta, vaan vain rajatulta tähtijärjestelmien joukolta avaruudessa.

Tähdet eivät pysy paikallaan avaruudessa, vaan kiertävät radoillaan galaksimme keskustan ympäri vinhaa vauhtia, vaikuttaen lähiohitustensa ansiosta toistensa ratoihin kaoottisella tavalla vuosimiljoonien ja miljardien kuluessa. Saatuamme tarkkoja tietoja tähtien paikoista ja liikkeistä avaruudessa, voimme kuitenkin mallintaa Auringon lähinaapuruston tähtien ratoja kauas menneisyyteen ja tulevaisuuteen. Monien tähtijärjestelmien sivilisaatiot olisivat voineet havaita planeettaamme viimeisten muutaman tuhannen vuoden aikana ja monet muut kykenevät siihen seuraavien vuosituhansien kuluessa (1). Tarkalleen ottaen, potentiaalisesti 1751 eri lähitähtijärjestelmän astronomit ovat kyenneet havaitsemaan Maan ylikulun viimeisten viidentuhannen vuoden aikana, jos vain joku (tai jokin) on ollut havaitsemassa. Sen lisäksi 319 muun järjestelmän taivaan tarkkailijat voivat havaita meitä seuraavien viiden vuosituhannen kuluessa. Kiinnostavaa on, että näiden tähtijärjestelmien joukkoon mahtuu seitsemän kohdetta, joilla on tunnettuja eksoplaneettoja kiertolaisinaan.


Löysimme piskuisen punaisen kääpiötähden, Teegardenin tähden, vasta vuonna 2003 täysin sattumalta, kun lähiavaruuden asteroidien havainnointiin tarkoitettu projektin tuottamasta datasta havaittiin taustataivaan hitaasti liikkuva kohde. Se osoittautui ominaisuuksiltaan paljolti samanlaiseksi kuin lähin tähtemme, Proxima Centauri, mutta kaikeksi yllätykseksi sen etäisyydeksi määritettiin vain 12.5 valovuotta — Teegardenin tähti on peräti sijalla 41 lähimpien tähtien luettelossa. Mutta Teegardenin tähti on myös yksi lähitähdistä, joiden astronomit voivat havaita Maan ylikulun Auringon editse. Tarkalleen ottaen, se on vuodesta 2050 eteenpäin asemassa, jossa Maan ylikulun havaitseminen tulee mahdolliseksi tähden suunnasta. Tiedämme, että Teegardenin järjestelmässä on kaksi hiukan Maapalloa suurempaa planeettaa, jotka ovat joidenkin arvioiden mukaan molemmat tähden elinkelpoisella vyöhykkeellä. Kyseessä on siis järjestelmä, jossa voisi olla jopa elämää ja monisoluisia havaitsijoita, jotka harjoittavat astronomiaa.

Kuva 1. Havainnollistus Teegardenin tähden planeettakunnasta. Kuva: University of Göttingen, Institute for Astrophysics.

Tiedoissamme on tietenkin runsaasti puutteita. Emme tiedä ovatko Teegardenin järjestelmän planeetat elinkelpoisia — puhumattakaan siitä, että niiten pintoja peittäisi elonkehä. Ehkä havaitsijoita ei ole koskaan kehittynyt punaisten kääpiöiden säteily-ympäristöjen tehdessä siitä mahdotonta. Ehkäpä se koko monisoluisuuteen vaadittava energeettinen tehokkuus, jonka Maapallolla mahdostavat solujen symbioottiset bakteerit mitokondriot, on jäänyt kehittymättä ja Teegardenin järjestelmässä ei ole ketään havaitsemassa. Tai ehkäpä planeetat ovat vain menettäneet kaasukehänsä tähtensä intensiivisessä säteilyssä ja elämää ei ole edes syntynyt. Voimme vain spekuloida mutta jos Teegardenin järjestelmän planeettojen pinnoilla on havaitsijoita, he ovat voineet jo saada selville olemassaolomme virittämällä radiovastaanottimensa sopiville taajuuksille — Teegardenin tähti on niin lähellä, että siellä voidaan kuunnella parhaillaan vuoden 2008 radiohittejämme, jotka ovat karanneet radiolähettimistämme avaruuteen vuosien saatossa.

Teegardenin järjestelmä on kuitenkin vain yksi monista — ja luultavasti lähes jokaista tähtijärjestelmää rikastuttaa moninainen planeettakunta. Aivan Auringon lähimmässä tähtinaapurustossa, radiokuplamme sisällä, on kaikkiaan 75 järjestelmää, joiden planeettojen astronomit olisivat voineet havaita planeettamme olevan elävä maailma turvautumalla yksinkertaisiin ylikulkuhavaintoihin. Ne ovat samalla paikkoja, joista tekninen sivilisaatiomme on voitu havaita, jos vain tähtitiedettä harjoitetaan Auringon lähiympäristön elinkelpoisilla planeetoilla. Se on kaikille tieteiskirjallisuutta lukeneille samalla sekä valtavan kiehtova että karmivan pelottava ajatus.


Teegardenin tähden suunnasta voi pian havaita Maan ylikulun mutta meillä ei ole samanlaista mahdollisuutta havaita Teegardenin planeettojen ylikulkuja oman tähtensä editse. Lähin tähti, jolle temppu onnistuu molemmin puolin on 40.5 valovuoden päässä meistä sijaitseva piskuinen TRAPPIST-1, jonka planeettaseitsikosta jopa 4-5 on elinkelpoisella vyöhykkeellä. Sieltä käsin paikalliset astronomit tosin voivat laskelmien mukaan havaitan Maan ylikulun vasta 1642 vuoden kuluttua.


Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.

Lisää aiheesta

Lähteet

  1. Kaltenegger et al. 2021. Past, present and future stars that can see Earth as a transiting exoplanet. Nature, 594, 505.