Dynaaminen kaaos planeettakuntien muovaajana
Keplerin lait, joilla tähtitieteilijät ovat jo vuosisatoja kuvanneet planeettojen liikettä omassa planeettakunnassamme, ovat mainio malli myös eksoplaneettakuntien rataliikkeiden kuvaamiseen. Olen itse käyttänyt niitä tuhansien eksoplaneettojen ratalaskelmiin koko ikäni ja havainnut niiden olleen merkitsevästi pielessä vain yhdessä erikoisessa tapauksessa. Tiedämme mallin olevan vain karkea approksimaatio, joka ei toimi luotettavasti monessakaan tilanteessa, mutta se on silti toimivuutensa ja helppokäyttöisyytensä vuoksi suosittu työkalu planeettojen rataliikkeiden kuvaamiseen ja ennustamiseen.
Pohjimmiltaan helppokäyttöisyyteen on syynä mallin staattisuus kahden kappaleen muodostaman järjestelmän ratojen ennustamisessa. Jos kyseessä on vaikkapa tähden sekä planeetan muodostama järjestelmä, tai mikä tahansa kahden kappaleen järjestelmä, kuten kaksoistähti tai planeetan ja kuun muodostama pari, Keplerin lait ennustavat kappaleiden liikkeen olevan täysin määritettyä mielivaltaisen pitkälle tulevaisuuteen, kunhan vain tunnetaan massat ja rataparametreiksi kutsutut suureet. Astrofyysikon työ on helppoa, jos mallit tarjoavat lopullisen vastauksen. Ja vaikka kappaleita olisikin useampi kuin kaksi, ovat kahden mallin ennusteeseen aiheutuvat häiriöt tyypillisesti hyvin pieniä vuosien tai vuosikymmenten aikaskaaloissa — sitä pidempiä havaintosarjoja ei ole toistaiseksi kertynyt yhdenkään eksoplaneetan rataliikkeestä.
Yleisesti ottaen todellisuus ei tietenkään anna mahdollisuuksia vastaavaan lopulliseen determinismiin. Jo kolmen kappaleen muodostaman järjestelmän liikkeitä on mahdotonta ennustaa kaikissa tapauksissa, ja sen kompleksisuudet ovat edelleen aktiivisen tutkimuksen kohteena (1). Myös suhteellisuusteorian tuomat korjaukset Keplerin liikelakeihin muuttavat tilannetta, ja tuovat mukanaan ongelmallisia monimutkaisuuksia, kuten vaikkapa Merkuriuksen rataellipsin hidas kääntyminen, joka oli yksi suhteellisuusteorian varmentamiseen käytetyistä testeistä — sitä Keplerin lait ja myöhemmin Newtonin vetovoimalait eivät nimittäin ennustaneet. Keplerin lakien determinismi on kuitenkin osaltaan vaikuttanut tähtitieteilijöiden mielenmaisemaan, jossa monet dynaamiset järjestelmät mielletään vakaiksi, koska yksi tärkeimmistä niiden kuvaamiseen käytetyistä malleista on vakaa siinä yksinkertaisessa erikoistilanteessa, jossa sitä useimmin sovelletaan. Aurinkokunta ei kuitenkaan ole edes likimääräisesti kahden kappaleen järjestelmä, vaan usean kappaleen dynaamisen kaoottinen kokonaisuus, johon vaikuttavat lisäksi ulkoisetkin tekijät.
Kaoottisuudella viitataan siihen, että järjestelmä on sisäsyntyisesti ennustamattomassa tilassa. Kaoottinen planeettakunta tarkoittaa sellaista, että mielivaltaisen pienet muutokset planeettojen paikoissa ja liikkeissä tuottavat mielivaltaisen suuria muutoksia niiden paikkoihin ja liikkeisiin tulevaisuudessa. Se tarkoittaa samalla sitä, että planeettojen radat eivät lopultakaan ole vakaita, vaan muuttuvat hiljalleen ajan kuluessa. Vaikka Aurinkokuntaa kutsutaankin stabiiliksi planeettakunnaksi, koska sen kappaleet tuskin karkaavat kovinkaan kauaksi nykyisiltä radoiltaan Auringon elinaikana, jo pienet muutokset voivat vaikuttaa merkittävillä tavoilla planeettoihin. Maa tuskin suistuu radaltaan tulevaisuudessakaan, mutta pienetkin muutokset sen kiertorataan Auringon ympäri voivat muuttaa esimerkiksi ilmastollisia olosuhteita merkittävällä tavalla.
Joskus tähdet tulevat lähelle
Aurinko on yksi galaksimme noin 200 miljardista tähdestä, joista jokainen kiertää yksinään tai kumppaniensa kanssa galaksimme keskustaa moninaisilla radoilla, joihin vaikuttaa galaksin tähtien ja sen sisältämän pimeän aineen yhdistetty vetovoima. Ajoittain tähdet ajautuvat lähelle toisiaan galaksia kiertäessään, jolloin tähdet pääsevät vaikuttamaan toistensa ratoihin. Tähtien radat galaksin ympäri siis muuttuvat ja elävät, ja on mahdotonta ennustaa mitkä tähdet sattuvat olemaan lähekkäin vaikkapa kymmenien miljoonien vuosien aikaskaaloissa. Aurinko ei ole poikkeus. Juuri nyt omaa avaruuden saarekettamme lähin tähtijärjestelmä on Alpha Centaurin kolmoistähti, johon kuuluvat komponentit A ja B kiertämässä toisiaan noin 80 vuoden kiertoajalla sekä Proxima Centaurina tunnettu komponentti C, joka on kauempana parista mutta Auringon suunnassa, joten se on tällä hetkellä Aurinkoa lähin tähti. Tilanne kuitenkin muuttuu vuosituhansien saatossa (Kuva 1.).
Jo noin 10 000 vuoden kuluttua Barnardin tähti saapuu yhtä lähelle kuin Alpha Centaurin A+B pari, poistuakseen taas nopeasti Auringon läheltä. Arviolta 33 000 vuoden kuluttua Ross 248 on lähin tähti menettääkseen taas paikkansa 44 000 vuoden kuluttua Gliese 445:lle. Noin 50 000 vuoden kuluttua lähin tähtemme on taas Alpha Centaurin A+B pari, Proxima Centaurin on karattua radallaan sitä hiukan kauemmaksi. Lähimmillään Alpha Centauri, Ross 248 ja Gliese 445 saapuvat noin kolmen valovuoden etäisyydelle, joten ne eivät saavu häiritsemään Aurinkokunnan kappaleiden kiertoratoja. Vuosimiljoonien saatossa sattuu kuitenkin runsain mitoin paljon läheisempiä tähtien ohituksia, joilla on vaikutusta.
Noin 2.8 miljoonaa vuotta sitten nykyisellään noin 250 valovuoden päässä meistä sijaitseva auringonkaltainen tähti HD 7977 saapui hyvin lähelle Aurinkoa. Se sattui niin lähelle, että se tunkeutui Aurinkoa ympäröivän komeettojen kodin, Oortin pilven sisälle, jossa se taatusti häiritsi lukemattomien komeettojen ratoja siepaten niitä jopa omiksi kiertolaisikseen. Tähti saapui todennäköisesti vain 0.2 valovuoden etäisyydelle ja ehkä jopa vain 0.06 valovuoden päähän Auringosta aiheuttaen vetovoimallaan häiriöitä planeettojen ratoihin (2). Vaikka häiriöistä ei olekaan suoriin havaintoihin perustuvaa todistusaineistoa, on tietokonesimulaatioiden perusteella selvää, että vastaavat lähiohitukset tekevät jopa Maan radan ennustamisen vaikeaksi yli muutaman kymmenen miljoonan vuoden päähän menneisyyteen ja tulevaisuuteen.
Toisen tähden kulku Aurinkokunnan ulko-osien läpi muuttaa jättiläisplaneettojen ratoja. Ne taas vaikuttavat hiukan muuttuneilla radoillaan sisempään planeettakuntaan ja aiheuttavat ennustamattomia muutoksia kiviplaneettojen ratoihin. Ilmeisin mekanismi on Maan radan eksentrisyyden eli soikeuden muutokset, jotka vaikuttavat merkitsevästi planeettamme ilmastoon. Silloin Maan historian ilmasto-olosuhteiden muutokset ovat voineet osaltaan aiheutua galaksimme muiden tähtien lähiohituksista — ainakin on selvää, että Linnunradan paikallinen tähtipopulaatio on yksi planeettojen ratojen kaoottisuuden lähde.
Planeettakunnat syntyvät kaaoksesta, kehittyvät kaoottisina järjestelminä, ja toisinaan jopa kuolevat omaan kaoottisuuteensa planeettojen kokiessa lähiohituksia tai törmätessään tähteensä. Ne eivät myöskään ole yksin, vaan tanssivat yhdessä muiden galaksimme tähtien kanssa galaktisessa vetovoimakentässä, jonka kaoottiset muutokset ja häiriöt johtavat ajoittain tähtien lähiohituksiin ja vuorovaikutuksiin vetovoimansa välityksellä. Niillä vuorovaikutuksilla taas on pitkäkestoiset seurauksensa, ja pienetkin muutokset jättiläisplaneettojen radoissa voivat siirtyä planeettakunnan kaikkiin muihinkin kappaleisiin merkittävillä tavoilla. Jupiter ei suojele meitä, vaan kiertää vain Aurinkoa radallaan mutta voi kyllä mainiosti välittää ohittavien tähtien vetovoimavaikutukset Maan rataankin asti. Se taas tarkoittaa, että pitkällä aikavälillä mikään ei ole pysyvää. Eivät edes planeettojen radat tähtien kiertoradoilla.
Planeettojen ratojen kaoottiset muutokset voivat vaikuttaa jopa Maan ilmastoon mutta se ei tarkoita, että nykyinen, nopea globaali keskilämpötilan nousu ja sen aiheuttama ilmastokatastrofi voisivat aiheutua Maan radan muutoksista. Sellaisia muutoksia ei ole sattunut ja ilmastokatastrofi on täysin ihmisen kasvihuonekaasupäästöillään aiheuttama fysikaalinen ilmiö. Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
- Manwadkar et al. 2024. Measurement of three-body chaotic absorptivity predicts chaotic outcome distribution. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, 136, 4.
- Kaib & Raymond 2024. Passing Stars as an Important Driver of Paleoclimate and the Solar System’s Orbital Evolution. The Astrophysical Journal, 962, L28.
Eläviä planeettoja, demoneita ja termodynamiikkaa
Termodynamiikan toinen pääsääntö on ehkäpä yksi kiinnostavimmista mutta väärinymmärretyimmistä fysikaalista maailmaamme kuvaavista lainalaisuuksista. Kaikessa yksinkertaisuudessaan se kertoo, että suljetussa järjestelmässä epäjärjestys kasvaa aina, tai ainakin pysyy samana, jos mitään ei tapahdu. Kyse on fyysikkojen muotoilemasta säännöstä sille tosiasialle, että on huikean paljon enemmän tapoja saada vaikkapa lastenhuone epäjärjestykseen kuin järjestykseen. Jos sitten siirtelemme sen sisältöä satunnaisella tavalla, on huikean paljon todennäköisempää päätyä tilaan, jossa huone on sotkuinen kuin sellaiseen, että huone on siisti. Myös pudottaessamme mummin antiikkiposliinin lattialle se menee epäjärjestelmälliseksi sotkuksi pirstaleita mutta voimme viettää vaikka koko loppuikämme pudottamassa pirstaleita lattialle ja ne eivät koskaan muodosta ehjää posliinikuppia. Tällä epäjärjestystä kuvaavalla tilastollisella lailla onkin tärkeitä seurauksia.
Fyysikot käyttävät epäjärjestykselle nimeä entropia. Entropian ollessa minimissään, ollaan täydellisessä järjestyksessä ja sen kasvaessa maksimiinsa, ollaan niin täydellisessä epäjärjestyksessä kuin olla saattaa. Lastenhuoneen tapauksessa se tarkoittaisi kaikkien huoneen tavaroiden levittäytymisen satunnaiseen kohtaan huonetta. Näin ajateltaessa on samalla selvää, että jo painovoima tuo huoneeseen järjestystä. Vain satunnaiset ilmaa kevyemmällä kaasulla täytetyt vappupallot tuovat poikkeuksen siihen sääntöön, että kaikki huoneen tavarat ovat tyypillisesti lattialla tai toistensa päällä. Aivan samoin on selvää, että huoneen saattaminen järjestykseen vaatii työtä, ja kuluttaa energiaa. Sen tietää mainiosti jokainen lastenhuonetta siivonut lapsi ja vanhempi. Voimme kuitenkin käyttää energiaa, siivota huoneen, ja palauttaa sen jonkinlaiseen parhaaksi katsomaamme entropiaminimiinsä ja siten järjestykseen.
Vaikka termodynamiikan toinen pääsääntö ei ole kuin vain tilastollinen laki, se on silti aivan perustavanlaatuinen fysikaalista maailmaamme määrittävä tekijä. Lain ja maailmasta tehtyjen havaintojen avulla voidaan päätellä, että entropiaa voidaan tosiaan paikallisesti pienentää. Koko sivilisaatiomme ja planeettamme biologinen elämä perustuu siihen, että asetellaan aine järjestykseen, jotta se toimii halutulla tavalla. Asettelemme mineraalit, raudan ja veden teräsbetonina taivaalle kohoaviksi rakennelmiksi aivan kuten puut asettavat sokerimolekyylinsä selluloosaksi ja siitä tehdyiksi pitkiksi rungoiksi kohottaessaan lehtensä kohti korkeuksia. Samoin, rakennamme sähkövirtaa tuottavia paneeleitamme tarkalla kemiallis-fysikaalisella prosessilla sellaisiksi, että voimme sitoa niillä Auringon energiaa sähköiseksi potentiaaliksi, jolla voidaan tehdä työtä. Vastaavasti, puut valmistavat klorofyllimolekyylinsä sitoakseen Auringon energian kemialliseksi energiaksi.
Taustalla toimii kuitenkin aina sama prosessi: energiaa käytetään paikallisen entropiaminimin rakentamiseen. Mutta koska entropia ei voi vähetä suljetussa järjestelmässä, kuten maailmankaikkeudessa, on käyttämämme energian tuottamisen täytynyt kasvattaa entropiaa jossakin muualla enemmän kuin mitä olemme sitä onnistuneet paikallisesti pienentämään. Fyysikot ovat laskelmillaan ja Maxwellin demonina tunnetuilla ajatuskokeillaan varmistaneet, että juuri niin käykin. Esimerkiksi Auringon fuusioreaktiossa entropia kasvaa koko ajan enemmän kuin sitä voisi edes teoriassa aurinkopaneeleilla kaapatun säteilyenergian avulla vähentää.
Termodynamiikan toisen pääsäännön avulla voidaan todeta, että koko maailmankaikkeus pyrkii kohti maksimientropiaansa, jossa kaikki aine ja energia on jakautunut maailmankaikkeuden alueelle maksimaalisessa epäjärjestyksessä, vailla rakenteita tai mitään huomattavaa sisältöä. Kun tähdet ovat palaneet loppuun, galaksit hajaantuneet, mustat aukot kiehuneet kuoliaiksi Hawkingin säteilyn avulla, ja viimeinenkin protoni ja neutroni on hajonnut, on jäljellä enää alati viilenevä taustasäteilyjakauma, joka muistuttaa siitä, mitä maailmankaikkeudessamme joskus oli. Ei kuitenkaan ole syytä pelätä tätä universumin lämpökuolemaa, koska prosessissa kestää paljon kauemmin kuin mikään ihmisen millään tavalla hahmotettavissa oleva ajan mitta kykenee luotettavasti mittaamaan.
Termodynamiikka pätee kuitenkin aivan kaikkeen jo nykyisellään ja asialla on seurauksia planeettojen elinkelpoisuudelle.
Elämä kylvää entropiaa
Elävät solut tarvitsevat ylläpitoonsa monenlaisia virtoja. Virtaavat vedet toki auttavat, vaikkeivät välttämättömiä olekaan, mutta moni muukin asia ikään kuin virtaa biologisten organismien läpi. Aineenvaihdunta muodostaa yhden virtauksen, kun molekyylit otetaan osaksi organismin rakennetta, niitä muokataan monenlaisilla tavoilla osana biokemiallisen koneen toimintaa, ja loputa tarpeettomat ainekset hylätään organismin ulkopuolelle. Samoin tarvitaan energian virta, jonka vaikutuksesta organismin biokemia toimii evoluution jatkuvasti testaaman ja huippuunsa hioman mallin mukaisesti. Energia kuluu reaktioiden ylläpitämiseen ja aineenvaihdunnan ylläpitoon, sekä rakenteelliseen energiaan, joka mahdollistaa monimutkaiset rakenteet kuten mäntyjen rungot, riikinkukkojen pyrstösulat tai vaikkapa haiden selkäevät, joita tyypillisesti ihailemme erityisesti monisoluisissa organismeissa.
Mutta tarvitaan vielä yksi virtaus. Elämä toimii vain entropiavirran avulla, kun elävien solujen on omaa entropiaminimiään ylläpitääkseen kylvettävä entropiaa ympärilleen. Ravintona saadun kemiallisen energian avulla tehdään kemiallista työtä, joka vähentää entropiaa organismin sisällä, koska organismien biokemiallisen koneiston on oltava hyvinkin tarkasti järjesteltynä. Ja koska kokonaisuutena entropia ei saa vähentyä, on sen lisäännyttävä organismin ulkopuolella enemmän kuin se organismin sisällä pienenee.
Jos kerran elävät organismit tuottavat entropiaa levittäen sitä ympärilleen, on selvää, että elävät planeetat tuottavat samoin enemmän entropiaa kuin elottomat. Mutta entropiantuotanto riippuu fysikaalisista olosuhteista, joihin vaikuttaa esimerkiksi saatavilla olevan energian määrä. Mitä enemmän energiaa on saatavilla, sitä korkeampaan entropiantuotantoon voidaan päästä — kyse ei kuitenkaan ole vain planeetan kiertämän tähden säteilyenergiasta, koska liiallinen kuumuus tekee planeetoista elinkelvottomia haihduttamalla kaiken universaalina liuottimena pidetyn veden, jonka puitteissa tuntemamme elämä esiintyy.
Kaikki riippuu siitä suhteesta, jolla planeetta saa tähtensä säteilyenergiaa ja säteilee sitä itse pois (1). Se taas riippuu niin tähden kuin planeetan lämpötiloista, planeetan rataetäisyydestä ja tähden koosta, sekä planeetan heijastavuudesta, eli kertoimesta, jolla planeetta heijastaa tähden säteilyä pois sen sijaan, että säteily vaikuttaisi planeettaan. Maalla kerroin on noin 0.3, mikä tarkoittaa, että 30% kaikesta Auringosta saapuvasta säteilystä heijastuu pois ja vain 70% sitoutuu planeettamme ilmakehään, meriin, maaperään ja kasvillisuuteen. Kaasukehän tarkempi koostumus ei kuitenkaan vaikuta suoraan siihen maksimiin, jolla entropiaa on mahdollista tuottaa, joten määritettäessä millä planeetoilla entropiantuotanto voi olla korkeinta ja siten biosfäärit kompleksisimpia ei ole tarpeen ottaa kantaa planeetan kaasukehän kemiaan. Se taas on mainio käytännön etu, koska erityisesti pienten kiviplaneettojen kaasukehien kemiasta on niin kovin vaikeaa saada tietoa.
Maksimaalisen entropiantuotannon tarkastelu erilaisille tähdille paljastaa, että parhaat mahdollisuuden entropiantuotantoon on kirkkaammilla, G ja F spektriluokkien tähdillä, joiden pintalämpötilat ovat korkeimmat (Kuva 1.). Jos käytämme Aurinkoa vertailukohtana, vain Aurinkoa kirkkaammat tähdet ovat parempia tarjoamaan entropiantuotantoa maksimoivia ympäristöjä ja siten parempia paikkoja elämän esiintymiselle. Entropia siis suosii kirkkaampia tähtiä elävien planeettakuntien keskuksina, vaikka onkin mahdotonta sulkea pois edes himmeämpien punaisten kääpiötähtien kelpoisuutta elävien planeettojen koteina.
Tähtitieteilijöiden on kuitenkin tehtävä valintoja etsiessään planeettoja, joiden pinnoilla elämä kukoistaa ja joiden elämästä olisi siis edes periaatteessa mahdollista tehdä havaintoja. Ensimmäinen valinta on tehtävä silloin, kun päätetään mihin planeettoihin kannattaa kohdistaa rajalliset havaintoresurssit koettaessamme saada esiin elämän merkkejä. Tarkasteltaessa tunnettujen elinkelpoisen vyöhykkeen eksoplaneettojen maksimaalista entropiantuotantoa, voidaan arvioida mitä planeettoja kannattaa havaita tarkemmin entropiakriteetin valossa, jos halutaan löytää tehokkaimmin merkkejä elämästä (Kuva 2.).
Tyypilliset elinkelpoisten eksoplaneettojen tilastojen kärjessä olevat kohteet, kuten TRAPPIST-1 järjestelmän planeetat tai lähin kandidaatti elinkelpoiseksi planeetaksi, Proxima b, eivät pärjää kovinkaan hyvin maksimaalisen entropiantuotannon mittarilla. Itse asiassa, oikein mikään tunnettu maankaltaiseksi määritetty eksoplaneetta ei pärjää omalle kotiplaneetallemme entropiamittarilla. Se ei ole yllättävää, koska niistä jokainen kiertää Aurinkoa himmeämpää tähteä. Tilanne kuitenkin muuttuu, kun tarkastellaan tunnettuja hyseaanisia planeettoja (Kuva 3.). Likimain jokainen niistä kykenee entropiakriteerin mukaisesti korkeampaan maksimaaliseen entropiantuotantoon, ja siten potentiaalisesti ylläpitämään suurempaa biosfääriä. Niiden olosuhteissa maksimaalinen entropiantuotanto on suorastaan huomattavan paljon korkeampaa, ja siksi kysymys hyseaanisten planeettojen elinkelpoisuudesta saa uutta mielenkiintoa. Jos tosiaan on niin, että hyseaanisten planeettojen paksujen vetypitoisten kaasukehien alla velloo massiivisia valtameriä, niin kyseisen planeettatyypin edustajia kannattaa havaita koettaessamme havaita merkkejä biologisesta aktiivisuudesta.
Asiassa on vain monta tuntematonta muuttujaa. On mahdotonta sanoa onko melkoisiin yksinkertaistuksiin perustuva entropiakriteeri mistään kotoisin — aivan samoin kuin on mahdotonta sanoa onko hyseaanisten planeettojen valtamerten elinkelpoisuus tosiasia. Samalla on tietenkin muistettava, että koko elinkelpoisen vyöhykkeen käsitteemme perustuu melkoisille yksinkertaistuksille, joita maailmankaikkeuden ei missään tapauksessa tarvitse noudattaa. Vasta uudet havainnot voivat paljastaa miten asia on mutta voimme joka tapauksessa sanoa, että entropiakriteetri ei varsinaisesti auta sulkemaan pois minkään elinkelpoisiksi ajateltujen planeettatyyppien potentiaalia ylläpitää elämää. Se kuitenkin tarjoaa yhden tieteellisen näkemyksen, jonka perusteella huomio kannattaisi kiinnittää massiivisempiin supermaapalloihin, jotka kykenevät suojaamaan valtamerensä kirkkaiden tähtiensä kuumuudelta peittämällä ne paksuun vetypitoiseen vaippaan.
Kirjoituksen otsikossa lupasin kertoa demoneista, joten muutama sana Maxwellin demonista lienee paikallaan. Kyse on ajatuskokeesta, jossa kuvitellaan pikkuruinen demoni istumaan kahta astiaa yhdistävälle portille. Astioissa on kaasua ja sen eri molekyylit liikkuvat eri nopeuksilla lämpötilan edellyttämän jakautuman mukaisesti. Mutta demoni tuleekin sotkemaan järjestelyä, ja päästää portista valikoiden kaikkein nopeimmin liikkuvat molekyylit toiselle puolelle. Valinnan seurauksena toisen astian molekyylit liikkuvat pian keskimäärin nopeammin, mikä tarkoittaa astian aineksen kasvanutta lämpötilaa. Toisen astian lämpötila taas on laskenut vastaavissa määrin. On siksi selvää, että kokonaisuutena järjestys on kasvanut ja siten entropia on vähentynyt tavalla, jonka on ajateltu paradoksaalisesti rikkovan termodynamiikan toista pääsääntöä.
Asiassa ei kuitenkaan ole minkäänlaista todellista paradoksia, koska demoni itse on tuonut mukaan energiaa ja informaatiota avaamalla ja sulkemalla porttia tiettyinä aikoina sopivalla tavalla. Kokonaisuutena entropia ei siis ole vähentynyt, vaan demoni on ollut työssään luomassa järjestystä, käyttänyt energiaa, ja kasvattanut omaa entropiaansa paljon enemmän. Mukaan on kuitenkin tullut informaation käsite, koska demonin täytyy käsitellä informaatiota siitä, mikä on kyllin nopeasti liikkuva molekyyli ja mikä ei. Se taas on oma mielenkiintoinen sivupolkunsa tieteen ihmeellisessä maailmassa ja jätän sen suosiolla tarkasteltavaiksi jossakin sopivammassa ajankohdassa lähitulevaisuudessa.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
Paljonko maksaa yksi elinkelpoinen planeetta?
Onko puhtaalla vedellä taloudellista arvoa, jos kukaan ei ole pullottamassa sitä myyntiin? Onko vanha metsä arvokas, jos kukaan ei koskaan keitä siitä sellua ulkomaankauppaa varten? Onko ihmisen terveydellä arvo, jos hän ei koskaan tee jonkun muun omaisuutta suuremmaksi kartuttavaa työtä? On helppoa keksiä asioita, joiden hintaa on mahdotonta tyhjentävästi määrittää. Se ei kuitenkaan tarkoita, ettei niillä olisi rahallista arvoa — muista arvoista ja itseisarvosta puhumattakaan.
Selvästi planeettamme elinkelpoisilla olosuhteilla on rahallinenkin arvo. Nehän mahdollistavat koko teknisen sivilisaatiomme ja sen hallinnointiin rakentamamme talousjärjestelmän olemassaolon. On aivan samoin selvää, että planeetan stabiililla ilmastolla ja monimuotoisella luonnolla on rahallisetkin arvonsa, vaikka systemaattisesti pyrkisimmekin aliarvioimaan ja piilottamaan niiden merkitystä kirjanpidossamme. Voimme samoin pohtia viihteen vuoksi mitä elinkelpoinen planeetta maksaa mutta pohjimmiltaan kysymys on täysin järjetön. Aivan yhtä hyvin voisimme pohtia mitä elinkelpoinen universumi maksaa, koska on aivan yhtä pieni mahdollisuus, että saisimme sellaisen kaupasta rahaa vastaan ja on aivan yhtä selvää, että ilman sitä emme olisi täällä ihmettelemässä asiaa.
Kirjoitin aiemmin siitä, miten päättömiin oletuksiin monet tulokset liittyen vaikkapa ilmastonmuutoksen aiheuttamiin kustannuksiin perustuvat. Asiasta on kuitenkin enemmän kuin syytä keskustella lisää, koska se paljastaa niin kovin selvästi sen ajattelun onttouden, jonka varaan talous- ja muuta politiikkaa hyvinkin pitkälle rakennetaan. Sen lisäksi, että kaksijalkaisen ihmisapinan aivomme käsittelevät maailmaa staattisena paikkana, joka jatkuu muuttumattomana horisontin tuolle puolen, olemme tehneet muitakin perustavanlaatuisia virheitä arvioidessamme yhteiskuntiemme toimintaa ja kestävyyttä. Primitiiviset aivomme eivät ehkä havaitse vähittäistä muutosta, vaan pyrkivät aina normalisoimaan sen, mitä juuri nyt koemme. Siksi muutosvastarintakin on niin voimakasta, kun tutkijat tulevat kertomaan fysiikan armottomien lakien kyllä huomioivan takuuvarmasti jopa absoluuttiselta määrältään pienet kasvihuonekaasujen pitoisuuden kasvut ilmakehässä.
Samaan harhaan perustuu suuri osa suoranaista tieteenkieltämistä ja poliittista tieteen hylkäämistä. Monia ihmisiä on yksinkertaisesti mahdotonta saada ymmärtämään asioita, jotka eivät kuulu heidän kokemuspiiriinsä. Olemme kuulleet kyllästymiseen asti älyttömyyksiä siitä, miten ilmasto ei voi olla lämpenemässä, koska sataa lunta tai luontokato ei voi olla tosiasia, koska pihalla on puita. Ne juontavat juurensa meihin geneettisesti ohjelmoituun pyrkimykseen luottaa omien aistiemme tuottamaan tietoon ja rajalliseen muistiimme siitä, miten asiat ovat historian saatossa muuttuneet. On silloin ilmiselvää, että samalla kun siirrämme vertailukohtaamme vastaamaan nykyisyyttä, meiltä jää huomaamatta, miten aiemmin rikkaampi luonto tarjosi valtavia kalansaaliita nykyisten sinttien sijaan ja vuoristojen jäätiköt peittivät isoisiemme lapsuudessa monia alueita, joilla nyt on näkyvissä vain louhikkoinen ylänköalue sulamisvesistä kertovine puroineen.
Taloustieteen fysikaalinen maailma
Taloustieteen Nobelin palkinto, joka ei oikeastaan ole Nobelin palkinto, on erittäin arvostettu tapa palkita ansioituneita taloustieteilijöitä. Silti, se myönnettiin vuonna 2018 tutkimukselle, jonka taustalla oli valtavirraksi muodostuneita päättömiä oletuksia. Oletukset koskevat sitä, miten voimakkaasti planeettamme keskilämpötilan kasvu haittaa talousjärjestelmämme toimintaa. On selvää, että jos merkittävää haittaa ei tosiasiallisesti ole, ei ilmastonmuutoksen torjumiseen ole perusteltua käyttää merkittäviä taloudellisia resursseja.
Kaiken keskiössä on Nobelilla palkittu William Nordhaus, joka arvioi malleillaan juuri ilmastonmuutoksen taloudellisia vaikutuksia. Hänen mukaansa edes runsaan 2.5 celciusasteen lämpeneminen ei saisi yhteiskuntiemme taloudellisia koneita yskimään, vaan itse asiassa vielä 3.5 celciusastetta lämpimämpi maailma saisi vain talouden toimimaan optimaalisella tavalla. Viesti on tietenkin mieluisa eri maiden johtajille, jotka paljolti tällaisiin arvioihin perustuen ovat tietoisesti hylänneet ja vesittäneet ilmastotoimia jo vuosikymmenten ajan. Asiassa ovat jälleen toiminnassa ihmismielelle ominaiset mekanismit, jotka saavat meidät antamaan enemmän painoarvoa miellyttävältä tuntuvalle viestille, kuin huomattavasti vankemmin perustelluille varoituksille. Kapteenimme vähät välittävät jäävuorivaroituksista halutessaan ajaa talouden Titaniciamme ennätysnopeasti meren yli.
Ilmastotieteilijät eivät tietenkään ole pitäneet Nordhausin arvioita millään tavalla järkevinä, koska ymmärtävät mitä fysikaalisen maailman seurauksia 2.5 tai 3.5 celciusasteen lämpenemisillä olisi. He puhuvat yhteiskuntien romahduksesta, globaalista nälänhädästä, sekä kaaoksesta ja kauhusta ihmisten kieltäytyessä kuolemasta elinkelvottomissa valtioissaan. Tutkijat kuvaavat tilannetta kansanmurhana, jonka aiheuttaa se, että muutamme ilmastoa ja ovat niin vakavissaan, että kannustavat parhaillaan ihmisiä saapumaan mielenosoituksiin ja -ilmauksiin, koska näkevät, että poliitikot eivät toimi. Miten sellainen tilanne voisi olla kenenkään mielestä optimaalinen?
Monimutkaisissa järjestelmissä, kuten biosfääri, ihmisten yhteiskunta, tai vaikkapa talousjärjestelmä, on aina kaoottisia piirteitä ja epälineaarisuuksia, sekä keikahduspisteitä, jotka yhdessä saavat järjestelmän toimimaan paljolti ennustamattomalla tavalla. Niiden käyttäytymistä voi kuitenkin ennustaa tiettyyn pisteeseen asti, kunnes epävarmuudet käyvät liian suuriksi. Tyypillisesti, matemaattisissa malleissa käytetään sileitä funktioita kuvaamaan vaikkapa sitä, kuinka suuri on tietyn lajin populaatio tietyllä alueella, tai kuinka paljon ravintoa tietyn alueen pellot voivat tuottaa. Samoin voimme kuvata matemaattisesti kuinka talouden koko kehittyy, kunhan vain ei satu mitään odottamatonta. Tässä kontekstissa odottamattomalla tarkoitetaan jotakin, jota mallia rakennettaessa ei ole otettu huomioon. Ilmastomalleissa odottamaton piirre voisi esimerkiksi olla boreaalisten suoalueiden maaperän vapauttama poikkeuksellinen määrä hiilidioksidia ja metaania ilmaston lämmetessä. Sitäkin voidaan kuitenkin mallintaa, ja kyse ei ole aivan niin odottamattomasta piirteestä, koska tutkijat tekevät työtään asian ymmärtämiseksi.
Taloudessa kyseeseen voisi tulla odottamaton tapahtuma, kuten vaikkapa samanaikainen kuivuus- ja helleaalto Yhdysvaltojen, Euroopan ja Aasian merkittävillä maatalousalueilla. Kyse ei ole ilmatotutkijoille odottamattomasta tapahtumasta, vaan fysikaalisesta ilmiöstä, jonka todennäköisyys ja potentiaalinen vakavuus sekä kesto kasvavat ilmaston lämmetessä. Jopa satojen miljoonien ihmisten kuolemaan johtava katastrofi muuttuu suorastaan vääjäämättömäksi, toistuvaksi tapahtumaksi, jos planeettamme lämpenee kolme celciusastetta, mutta Nordhausin talousmalleissa sellaisia ei ole huomioitu mitenkään. Oletuksena on, että ilmaston lämmetessä taloudellinen aktiviteetti vain muuttuu kylmemmillä alueilla lämpenemisen myötä vastaamaan nykyisellään lämpimämpiä alueita, eikä ongelmaa ole. Kuitenkin, taloutemme ollessa globaalisti verkostoitunut ja koko planeetan lämmetessä, teemme silloin oletuksen, että voimme jatkaa kaupankäyntiä kuten ennenkin menneiden ilmasto-olosuhteiden maailmassa. Koko ajatusrakennelma kaatuu välittömästi omaan mahdottomuuteensa.
Valistumattoman korvaan voi toki kuulostaa mukavalta, että Suomen ilmaston muuttuessa samankaltaiseksi kuin menneinä vuosikymmeninä Saksassa, voimme mainiosti avata omat viininviljelmämme ja nauttia maataloutemme kasvaneista sadoista ja tuotannosta mainiosti. Ongelmana vain on taas fysikaalinen maailma, joka tuo pohjoiseen myös etelän ilkeämmät tuhohyönteiset ja kasvitaudit. Eikä ole edes mitään takeita, että ilmastomme muuttuu ennustetulla tavalla, koska saatamme saavuttaa yhden merkittävistä keikahduspisteistä, jossa Pohjois-Atlantin Golf-virta hiipuu tai pysähtyy ja viilentää oman pohjoisen nurkkauksemme olosuhteita maataloudelle katastrofaalisella tavalla. Siihen riittäisi ehkäpä kahden celciusasteen läpeneminen, jonka nykyisellä vauhdilla saavutamme muutamassa vuosikymmenessä.
Keikahduspisteet muuttuvat muutoinkin vaarallisiksi kahden asteen lämpenemisskenaarioissa. On mahdollista, että kaksi astetta riittää planeettamme termostaatin jumittumiseen yläasentoon useiden positiivisten takaisinkytkentöjen käynnistyessä ja lisätessä lämpenemistä entisestään. Seurauksena saattaisi olla pirullinen kuumuus, joka tekisi kääntöpiirien välisestä osasta planeettaamme käytännössä elinkelvotonta ja uhkaisi jo koko sivilisaatiomme selviytymistä jo nykyään elossa olevien lasten elinaikana. Arviolta vain 10% planeettamme ihmisistä selviytyisi, jos keskilämpötila nousisi neljä celciusastetta. On selvää, että mikä tahansa järkevä riskianalyysi päätyisi lopputulokseen, jossa kahden asteen lämpeneminen on vältettävä maksoi se sitten rahallisesti mitä tahansa. Nyt elämme kuitenkin aikajanalla, jossa poliitikkomme ovat uskoneen Nordhausin kaltaisia ekonomisteja, ja paljolti ajattelevat, että pelättävää ei ole.
Kun Nordhaus arvioi lämpenemisen vaikutuksia, hän laski peräti kuuden asteen lämpenemisen tuottavan taloudelle vain noin 10% notkahduksen. Se kertoo kuitenkin vain laskelmien päättömistä lähtökohdista. Erityisesti fyysikoiden keskuudessa tunnetaan mainiosti periaate ”roskaa sisään, roskaa ulos”, mikä tarkoittaa, että huonoista lähtökohdista ei voi päätyä hyviin lopputuloksiin. Edes hyvistä lähtökohdista ei päädytä aina hyviin lopputuloksiin, koska tiede on vaikeaa ja virheitä sattuu tämän tästä. Sellaista tiedettä, joka lähtökohdiltaan hylkää surutta havaittavan maailmamme lainalaisuuksia ei voi kuitenkaan missään tapauksessa pitää hyvänä. Taloustieteessä sellaisia tuloksia on silti pidetty hyvinä, vaikka ongelmat ovat ilmiselviä niille, jotka viitsivät tarkastella mallinnusten oletuksia edes kursorisesti.
Yksi mallien ongelma on siis yksinkertaisten funktioiden käyttö kuvaamaan tilanteita, joissa tapahtuu kaoottisia, nopeita muutoksia. Kun talous pyörii abstraktina kirjanpitona materiaalisten, inhimillisten ja muiden resurssien kierrossa, on selvää, että resurssien rajoitteet olisi huomioitava mallinnuksessa. Ihminen ei esimerkiksi voi jatkaa taloudellisen panoksensa tuottamista, jos häneltä loppuu ruoka. Ruoantuotantomme taas on riippuvaista ehjästä luonnon monimuotoisuudesta ja koko sivilisaatiomme rakentuu uusiutumattomien luonnonvarojen käytölle. Ilmiselviä rajoitteita on aivan kaikkialla.
Toinen edelliseen tiiviisti liittyvä ongelma on oletus sitä, että jatkuva talouskasvu on mahdollista ja kykenee nopeasti tasoittamaan mahdolliset lämpenevän ilmaston tuomat heikennykset talouslukuihin. Talous kuitenkin vaatii materiaalisia resursseja kasvakseen, ja voi kasvaa vain resurssien käytön kasvaessa. Voimme spekuloida tilanteella, jossa materiaalitehokkuus kasvaisi ikuisesti taloutta nopeammin, jolloin jatkuva kasvu saattaisikin olla mahdollista, mutta sellaisesta ei ole mitään viitteitä kuin korkeintaan vain hyvin rajatusti paikallisesti ja ajallisesti. Jatkuva kasvu onkin lähinnä syöpäkasvaimen logiikkaa, koska enemmin tai myöhemmin kasvain aiheuttaa kuoleman vieden jokaisen syöpäsolunkin mukanaan. Todellisuutta on se, että olemme jo ylittäneet planetaariset rajat materiaalisten resurssien käytössä, ja mitä kauemmin jatkamme pyrkimystä kasvuun, sitä varmemmin ja totaalisemmin yhteiskuntamme romahtaa ilmastonmuutoksen toimiessa yhtenä käynnissä olevista kasvun takuuvarmasti taittavista mekanismeista.
Omituisin Nordhausin virheistä on kuitenkin oletus, jonka mukaan valtaosa planeettamme taloudellisesta aktiviteetistä syntyy sisätiloissa, joten pieni lämpeneminen ei haittaa — voimmehan vain käynnistää ilmastointilaitteet. Oletus on absurdiudessaan niin kummallinen, että oma reaktioni on miettiä minkälaisessa mielentilassa sellainen tulisi edes keksittyä. Kun nouseva merenpinta peittää rannikkokaupunkeja, kuumuus tuhoaa sadot, joet ja kaivot kuivuvat ja pohjavedet ehtyvät, ja jopa sisämaan ydinvoimalamme pysähtyvät jäähdytysveden puutteessa, kuinka realistiselta vaikuttaa oletus, että kaikki olisi ihan hyvin, kunhan vain pysyttelisimme ilmastoiduissa sisätiloissa?
Muistan, miten keskustelin vuosithannen alussa opiskelijaystävieni kanssa sitä, miten poliitikkojen tulisi ryhtyä rakentamaan linjauksia tulevan varalle ilmastonmuutosta ja sen aiheuttamia seurauksia silmällä pitäen. En osannut aavistaa, että poliitikkomme uskoisivat fysikaaliselle maailmalle kintaalla viittaavia ekonomisteja tehdessään politiikkaa. Se oli tietenkin minun sokea pisteeni, koska fyysikkona ymmärsin fysikaalisten järjestelmien toiminnasta ja kärsin siitä harhasta, että uskoin muidenkin ihmisten ymmärtävän suunnilleen saman verran. Niin ei tietenkään ole, eivätkä poliitikkomme tavallisesti tajua tuon taivaallista fysiikasta tai kemiasta, biologiasta tai muistakaan tieteistä. Jos he ovatkin akateemisesti koulutettuja, kokemusta saattaa olla todennäköisemmin luonnontieteiden ulkopuolelta. Se taas ei anna kovinkaan hyviä valmiuksia ymmärtää paljolti luonnontieteiden määrittämää ilmastokatastrofin viitekehystä.
Taloustieteen parissa taas tulisi ymmärtää paremmin, ja nykyisellään poikkitieteellinen tutkimus auttaa arvioimaan paljon tarkemmin, vaikkapa ilmastokatastrofin tai luontokadon kaltaisten uhkien reaalisia vaikutuksia. Ottaa vain aikansa ennen kuin järjellisemmät ilmastonmuutoksen taloudellisia vaikutuksia ennustavat mallit valtavirtaistuvat ja niiden tuloksia ryhdytään huomioimaan poliittisessa päätöksenteossa. Se taas voi olla paljolti liian myöhäistä. Ilmastokatastrofi on jo täällä, halusimme tai emme. Se on aikakausi, jota me kaikki elämme, eikä mikään yksittäinen jossakin planeettamme kaukaisessa kolkassa kaukaisessa tulevaisuudessa sattuva tapahtuma. Kylmä tosiasia on, ettemme voi enää pysäyttää katastrofia. Voimme kuitenkin edelleen heikentää sitä ja estää sen kumuloitumisen sivilisaation romahduksen aiheuttavaksi tuhoksi.
Aivan aluksi olisi kuitenkin hylättävä ne miellyttävät talouspoliittiset ”totuudet”, jotka estävät suhtautumasta planeettamme fysiikkaa ja kemiaa muuttamalla aikaansaamaamme uhkaan sen vaatimalla vakavuudella. Tulisi hylätä se ajattelu, että voimme jatkaa matkaa talousjärjestelmämme Titanicilla kuten ennenkin. Sen muutoksen saaminen hyväksyttyjen ajatusten piiriin taas on ehkäpä se vaikein tehtävä.
Kirjoitus sain inspiraationsa Christopher Ketchamin tekstistä ”When Idiot Savants Do Climate Economics”, joka on julkaistu The Intercept -verkkojulkaisussa.
Lisää aiheesta
Tunnettua materiaa tiheämmät asteroidit — fantastisen pseudotieteen anatomia
Jos se kuulostaa fantastisen uskomattomalta, se luultavasti on niin fantastista, että kyse on todellakin fantasiasta. Tieteen popularisoinnissa mitä hulluimpia väitteitä päätyy ajoittain kiertoon, ja on toisinaan vaikeaa ymmärtää miksi. Tieteen populaarijulkaisuja tietenkin sitovat markkinoiden armottomat lait, ja lukijoita sekä maksajia saa eniten, jos kykenee tarjoamaan jotakin huomiota herättävää. Toisinaan vain pyritään herättämään huomiota tarjoamalla villejä spekulaatioita varmennetun tieteen sijaan, ja samalla tehdään karhunpalvelus niin tieteelle kuin omalle uskottavuudellekin.
Muistamme mainiosti ajoittaiset spekuloinnit siitä, onko maanulkopuolista elämää löydetty milloin joltakin eksoplaneetalta, milloin vaikkapa Venuksen kaasukehästä. Niiden kohdalla kyse on tyypillisesti siitä, että tutkijat ovat saaneet viitteitä biomarkkerista, eli jonkinlaisesta elämän aineenvaihduntatuotteeksi tulkitusta molekyylistä planeetan kaasukehässä. Tyypillisesti asiasta uutisoidaan dramaattisin sanankääntein mutta tieteellisesti tarkasteltuna merkit molekyylistä jäävät varmentamatta ja sen rooli merkkinä elävistä organismeista pysyy niin ikään pelkkänä spekulaationa.
Aivan samoin spekuloidaan ajoittain myös havainnoilla vieraista teknisistä sivilisaatioista, koska mikäpä olisi kiinnostavampaa kuin fantastiset merkit lentävillä lautasilla liikkuvista muukalaisista. Kuulemme esimerkiksi arvioita huikean spekulatiivisista vieraiden teknisten sivilisaatioiden määristä — olisi uskomattoman fantastista, jos vailla havaintoja asiasta voisimme laskea niitä olevan 36 omassa galaksissamme. Silti sellaisiakin tuloksia ajoittain uutisoidaan perustuen jonkin tieteellisen artikkelin hataraan arvioon. Toisinaan havaitaan jonkinlainen signaali, jonka määritetään olevan teknisen sivilisaation tuottama. Uutisiin asia tietenkin päätyy, jos signaali tulee esimerkiksi lähimmän tunnetun eksoplaneettakunnan, Proxima Centaurin järjestelmän, suunnasta, mutta kyse on aina oman sivilisaatiomme tuottamasta signaalista, vaikka sen alkuperä jäisikin hämärän peittoon. Tieteellisesti tarkasteltuna olemme yksin. Ei ole merkkejä vieraiden teknisten sivilisaatioiden vierailuista planeetallamme eikä sellaisia merkkejä ole havaittu koko aurinkokunnastamme.
Hulluimmillaan julkisuudessa esiintyy alkuperältään ikivanhoja spekulaatioita jopa siitä, että jaksottaisia pandemioita aiheutuisikin virusten saapuminen planeetallemme ohikulkevien komeettojen mukana. Sivuuttaen evoluutiobiologia, orgaaninen kemia, säteilyfysiikka ja monta muuta tieteenalaa, sekä se, ettei asialle ole minkäänlaista todistusaineistoa, on sittenkin suorastaan hurjaa, että joku uskoo fantastisia ajatuksia komeettojen tuomista viruksista sen sijaan, että suostuisi myöntämään ihmistoiminnan olevan pandemioiden syy. Häiritessämme ja muokatessamme planeettamme biosfääriä päästämme samalla taudinaiheuttajia valloilleen kiihtyvällä vauhdilla. Emme tarvitse komeettoja tai muita taivaallisia, suorastaan keskiaikaisia selityksiä vitsauksillemme.
Sittenkin, leukani oli loksahtaa sijoiltaan ja kahvini läikkyä näppäimistölle nähdessäni tuoreimman fantastisuuden populaaritieteen saralla. Lähiasteroidin vihjattiin koostuvan tuntemattomasta, kaikkia tunnettuja alkuaineita raskaammasta materiasta. En ensin tiennyt edes mitä sanoa, koska mieleni täyttivät kysymykset siitä kenelle moinen tulisi edes mieleen. Päätin kuitenkin taivastelun sijaan katsoa tarkemmin, mistä tällaiset fantasiat oikein ovat peräisin.
Ultratiheät asteroidit
Oletetaan huvin vuoksi, että on olemassa asteroidi, jonka tiheys on niin suuri, ettei mikään tunnettu alkuaine riitä selittämään sen pieneen tilavuuteen pakattua valtavaa massaa. Voimme luonnollisesti sivuuttaa nopeasti hajoavat radioaktiiviset aineet, ja olettaa asteroidin koostuvan stabiileista alkuaineista. Aiemmin raskaimpana, stabiilina alkuaineena pidetty vismutti paljastui epästabiiliksi, vaikkakin sen puoliintumisaika on maailmankaikkeuden ikää pidempi. Se kuitenkin havaittavasti hajoaa, joten raskaimman stabiilin atomin kruunu asettuu lyijylle, jonka tiheys 11.3 grammaa kuutiosenttiä kohden tarjoaa siten konkreettisen ylärajan myös havaittavalle aineelle lukuunottamatta kovassa paineessa ja lämpötilassa puristunutta materiaa tähtitieteellisissä kohteissa.
Jotta asteroidi koostuisi edes lyijystä, olisi oltava jokin mekanismi, jolla suuri määrä lyijyä päätyy muodostamaan kokonaisen havaittavissa olevan tähtitieteellisen kappaleen. Huomioiden, että aurinkokunnassa esiintyy lyijyä vain 0.1 osaa miljardista (ppb), olisi suorastaan fantastisen uskomatonta, että muodostuisi asteroidi, joka koostuisi edes merkittävältä osaltaan lyijystä. Asteroidi voi toki olla jonkin muinaisen planeetan palanen, joka on päätynyt avaruuteen valtavassa kosmisessa törmäyksessä. Silloinkin olisi hurjan fantastista, että se koostuisi merkittävästi lyijystä huomioiden, että edes omalla planeetallamme lyijyä ei ole kuin hiukan sen ollessa maankuoressa 38. yleisin alkuainen ja esiintyessä pitoisuuksissa 14 miljoonasosaa (ppm). Voimme siten katsoa, että lyijystä merkittävästi koostuvia asteroideja ei ole olemassa. Yleisempää rautaa (7.9 grammaa kuutiosenttiä kohden) merkittävästi sisältäviä asteroideja sen sijaan on runsain mitoin avaruudessa. Niiden pudotessa maanpinnalle, voi jäädä jäljelle rautameteoriitteja mutta avaruudessa niiden tiheys on tyypillisesti luokkaa 3-4 grammaa kuutiosenttiä kohden, joten valtaosa niiden materiasta on rautaa keveämpiä alkuaineita.
Jos siis jo yleisintä raskaammista metalleista, rautaa, on vaikeaa saada avaruudessa muodostamaan asteroideja, on vielä huikean paljon fantastisempaa ajatella, että voisi olla jostakin tuntemattomasta, raskaasta alkuaineesta merkittävissä määrin koostuvia asteroideja. Jos sellaista alkuainetta olisi asteroidin muodostumiseen vaadittavia määriä, kyse olisi jonkin muinaisen protoplaneetan sisäosien tiheämmästä aineksesta koostuvasta metalliasteroidista. Ja silloin kyseistä metallia olisi runsain määrin myös omalla planeetallamme ja tuntisimme sen ominaisuudet sen ollessa osana alkuaineiden jaksollista järjestelmää. Samat luonnonlait pätevät tietenkin muissakin aurinkokunnissa, eikä ultratiheä asteroidi voisi olla niistäkään peräisin oleva luonnonoikku.
Mistä fantastinen väite asteroidien tuntemattomista raskaista alkuaineista on siis peräisin? Tiedeuutisissa esiintyy Johann Rafelski, sekä maininta hänen tutkimuksestaan. Kyse on Arizonan yliopiston ydinfysiikan professorista, joten lähdettä ei ainakaan suoralta kädeltä voi tyrmätä epäluotettavana. Hän toteaa, että jos asteroideissa tosiaan esiintyy supertiheitä alkuaineita, herää lukuisia kysymyksiä miten alkuaineet ovat muodostuneet ja miksi niitä ei ole havaittu muualla kuin asteroideissa. Ne ovatkin tosiaan hyviä kysymyksiä mutta mistä on peräisin ajatus tunnettuja alkuaineita raskaammista aineista asteroideissa?
Uutisessa puhutaan edelleen kompaktien, ultratiheiden kohteiden luokasta ja yhtenä esimerkkinä mainitaan asteroidi 33 Polyhymnia. Sen tiheydeksi on mitattu peräti 75 grammaa kuutiosenttiä kohti, perustuen mittauksiin sen vetovoiman vaikutuksesta toisten asteroidien ratoihin (1). Vaikka arvion ilmoitettu epävarmuus on noin 10 grammaa kuutiosenttiä kohti, on tosiaankin selvää, että mikään tunnettu alkuaine tai niiden yhdistelmä ei voi selittää kymmentä kertaa rautaa tiheämpää lukuarvoa. Vastaavia, poikkeuksellisen suuria tiheyksiä on raportoitu myös muille asteroideille, ja ne on tavallisesti vain kuitattu virheellisiksi mittauksiksi. Uusissa arvioissa saman asteroidin tiheydeksi on saatu 4-12 grammaa kuutiosenttiä kohti, jolloin arvio on virhe huomioiden yhteensopiva tyypillisten rautapitoisten asterodien kanssa. Emme siis tarvitse uusia alkuaineita asteroidin tiheyden selittämiseen — mittavirhe riittää selittämään yksittäisen fantastisen lukeman. Vastaavia tuloksia on saatu myös muille ultratiheiksi kohteiksi virheellisesti kuvatuille asteroideille.
Tässä kohdassa kuvaan kuitenkin astuu herra Rafelski. Hänen julkaisunsa (konferenssijulkaisu) vuodelta 2013 tarkastelee nimenomaan kompakteja, ultratiheitä kohteita (2). Siinä lähdetään tarkastelemaan voisiko pimeä aine kaikkialla ympärillämme selittyä tuntemattomalla alkuaineella, joka tekisi joistakin aurinkokunnan kappaleista poikkeuksellisen raskaita. Teksti on kokoelma anekdootteja hiukkasfysiikasta, asteroideista ja niiden aiheuttamista kraatereista aurinkokunnan kappaleissa, sekä koko galaksistamme, ja näiden anekdoottien ympärille punotaan kertomus kompakteista, ultratiheistä kohteista, vaikkei sellaisia edes todellisuudessa tarvita selittämään yhtään mitään. Kyseessä on siis yksittäisen, uransa ehtoopuolen saavuttaneen fyysikon tajunnanvirta, jossa hypitään oman osaamisalan ulkopuolelle. Sama professori on julkaissut kuluvana vuonna kirjoituksen, joka keskittyy vain asteroideihin, ja ehdottaa jopa ultratiheiden kohteiden olevan mainioita paikkoja kaivostoiminnalle. Kirjoitus perustuu hänen kahden kollegansa kanssa kirjoittamaan ydinfysiikan alan artikkeliin, jossa tarkastellaan mahdollisuutta selittää ultratiheiden asteroidien luonne raskailla alkuaineilla (3). Kyse on siten vain spekuloinnista, mikä ei tietenkään ole tieteessä kiellettyä. Todellisuutta se vain ei kuvaa, koska asteroidien suuria havaittuja tiheyksiä selittävät hankalassa massan mittauksessa tehdyt virheet.
Ajatukset ultratiheistä asteroideista ja tunnettuja alkuaineita raskaammista atomeista ovat tietenkin kiinnostavia siksi, että ne olisivat valtavan suuria löytöjä pitäessään paikkansa. Ydinfyysikot ovatkin pitkään etsineen niin sanottua stabiilien ydinten saareketta jossakin tunnettuja atomiytimiä raskaampien aineiden tuntemattomilla vesillä. Sellaisesta ei ole konkreettista todistusaineistoa, vain teoreettisia spekulaatioita, mutta vaikka sellaisia atomeita olisikin olemassa, on siitä vielä pitkä matka ultratiheiden asteroidien koostumuksen selittäjäksi. Niin pitkä, että joutunemme tyytymään tähtitieteelliseen selitykseen. Siis siihen, että asteroidien aikaansaama vetovoima ja siten niiden massat on arvioitu väärin, syystä taikka toisesta.
Kuten kaikki fantastiset tieteelliset väitteet, myös ajatus ultratiheiden asteroidien eksoottisesta koostumuksesta on nopeasti heitetty historian romukoppaan jo pintapuolisella todistusaineiston tarkastelulla. Julkaistut kirjoitukset ja tieteen popularisoinnit eivät kuitenkaan katoa mihinkään, vaan jäävät tyypillisesti elämään omaa elämäänsä jonnekin tieteen ja tieteiskirjallisuuden välimaastoon. Siellä ne sitten joko hiipuvat hiljaa unohduksiin tai ponnistavat uudelleen pinnalle uusien sensaatiohakuisten tieteen popularisointien ja tulkintojen myötä. On kuitenkin mitä luultavimmin niin, että fantastisten spekulointien ja muun suoranaisen pseudotieteen määrä on suoraan verrannollinen kunnollisen, luotettavan ja kritiikkiä kestävän tieteen määrään. Sitä taas tuotetaan nykyisellään enemmän kuin koskaan ennen ihmiskunnan historiassa.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
Tavallisten ihmisten epätavallinen toimistotyö
”Et sinä näytä tähtitieteilijältä.”
Mitä kummaa sellaiseen toteamukseen vastaisi?
En varmastikaan näytä sellaiselta kuin tähtitieteilijöistä populaarikulttuuriin luodut stereotypiat antavat ymmärtää. Ne vanhat, observatorioitaan hallitsevat valkotakkiset miehet, joilla on silmälasit ja tukka sekaisin, ja joiksi tähtitieteilijät tyypillisesti kuvataan, ovat vain Hollywoodin luoma illuusio paljon monimuotoisemmasta todellisuudesta. Jopa television dokumenteissa tähtitieteilijä saatetaan esitellä poikkeavana, tähtitieteilijöiden stereotypioita rikkovana ja siksi kiinnostavana hahmona, jos hän erottuu joukosta ulkonäkönsä vuoksi. Asia näkyi tuoreeltaan YLE:n Areenassa katsottavissa olevassa mainiossa dokumentissa Etsimässä planeetta yhdeksää (joka joidenkin arvioiden mukaan on jo saattanut löytyä). Tähtitieteilijät Chad Trujillo ja Mike Brown esiteltiin puhumalla heidän meriiteistään ja löydöistään. He sopivatkin hillityssa olemuksessaan ja kauluspaidoissaan, harmaantuneissa tukissaan, sekä Brownin tapauksessa silmälaseissaan, stereotypioiden sisälle. Mutta nuori, mustiin pukeutuva ja rullalaudalla toimistoonsa tullut kollega Konstantin Batygin, kuvattiin vaihtoehtorockin kuuntelijana ja thainyrkkeilijänä, vaikka ne tuskin määrittävät sitä, mitä hänellä on tähtitieteestä sanottavanaan.
Mutta mitä tähtitieteilijöiden on soveliasta harrastaa ja miltä heidän tulisi näyttää? Olenko vakuuttava tähtitieteilijänä entisenä rock-muusikkona, mustassa kynsilakassa, pitkän tukkani pipolla peittäessäni ja viettäessäni vapaa-aikani biljardisalilla? Stereotypioista sovin varsin huonosti niihin, joita on viljelty kautta aikojen jo lastenohjelmista lähtien, kun tutkijat kuvataan kaikenlaisina tohtorisykeröinä ja muina harmaahapsisina kaukoputkeen tuijottavina setinä. Sanasta tutkija ihmisille ylipäätään tulee mieleen klassikkokuvat eräästä hyvinkin tunnetusta, edesmenneestä harmaantuneesta ja pörrötukkaisesta miehestä. Einsteinin ulkonäkö on suorastaan syöpynyt kollektiiviseen tajuntaamme kuvaukseksi tutkijoiden ja siten samalla tähtitieteilijöiden ulkomuodosta, ja vahvistusharha ja populaarikulttuuri hoitavat loput. Suomessa Esko Valtaoja sopii stereotypiaan niin mainiosti, että valtaosalle suomalaisista tuottaa vaikeuksia edes nimetä ketään muita tieteentekijöitä ainoaltakaan alalta.
On selvää, että tähtitieteilijät ovat vain tavallisia ihmisiä, vaikkakin toimivat yhdessä harvinaisimmista ammateista. Arviolta vain astronauttien ammattikuntaan kuuluu selvästi vähemmän ihmisiä maailmassa. Tähtitieteilijöitä on silti likimain joka maassa ja jokaisella mantereella, he ovat kaikennäköisiä ja kaikenlaisia, ja heitä on mahdoton erottaa muista ihmisistä ennen kuin keskustelee heidän kanssaan. Ja silloin kannattaa istua kuuntelemaan. Käytännössä jokainen tähtitieteilijä kertoo kysyttäessä enemmän kuin innoissaan tähtitieteestä, avaruudesta ja sen kohteista, sekä tietenkin omasta tutkimuksestaan.
Tähtitieteilijöiden työtä, sitä leipämme tuottavaa toimintaa, on erityisen vaikeaa kuvailla asiasta kyseleville pinttyneiden stereotyyppisten näkemysten vuoksi. Vanhassa vitsissä sanotaan, miten baarikeskustelussa toinen osapuoli kertoo olevansa astronomi ja toinen vastaa siihen innostuneena olevansa vaaka. Se ei kuitenkaan ole vitsi, koska vastaaviin tilanteisiin joutuu tämän tästä ravintoloissa, lentokoneissa, tai muissa paikoissa, joissa ihmiset käyvät tuntemattomien kanssa keskustelua istuessaan lähekkäin. Astrologia ja astronomia nyt vain menevät helposti sekaisin, sillä kaikki eivät ole niin kiiinnostuneita taivaallisista kohteista.
Toisin kuin stereotyyppisesti ajatellaan, modernin ajan tähtitieteilijät eivät juurikaan vilkuile kaukoputkiinsa tai edes vieraile teleskoopeilla kuin vain harvoin, jos silloinkaan. Uusimmat instrumentit ovat pitkälle robotisoituja, ja vaikka koko havaintoprojekti ei olisikaan automatisoitu alusta loppuun asti, on teleskooppeja tyypillisesti mahdollista ohjata etäyhteyden välityksellä. Monessa observatoriossa on käytäntönä, että tähtitieteilijät vain esittävät suunnitelmansa havaintoprojektiksi, ja jos se valitaan toteutettavaksi useiden suunnitelmien joukosta, havainnot tekee teleskoopin operoimiseen erikoistunut joukko teknikkoja ja teleskooppioperaattoreita. Esimerkiksi avaruusteleskooppien kontrollikeskuksiin, ohjelmisto- ja avaruustekniikkainsinöörien sekaan, tähtitieteilijöillä ei tyypillisesti ole mitään asiaa, joten käytäntönä on asettaa havainnot elektronisiin arkistoihin jokaisen tutkijan saataville pienellä viiveellä. Havaintosuunnitelman tehneet tutkijat saavat normaalisti etuoikeuden havaintoihin vuoden ajaksi ja sen jälkeen niitä voi käyttää omiin tutkimuksiinsa kuka tahansa.
Tähtitieteilijät kyllä toisinaan harrastavat taivaan kohteiden satunnaista tarkkailua omilla pienillä kaukoputkillaan. Se on ymmärrettävästi kohtalaisen suosittu harrastus alan tutkijoiden keskuudessa. Läheskään kaikki tähtitieteilijät eivät kuitenkaan ole tähtiharrastajia tai edes havaitsijoita, vaan joukkoon mahtuu data-analyysiin, tilastotieteeseen ja tieteelliseen laskentaan erikoistuneita tutkijoita (kuten allekirjoittanut), sekä monenlaisia teoreetikkoja, laskelmien ja simulaatioiden parissa työskenteleviä tutkijoita, jotka kyllä tekevät yhteistyötä havaitsijoiden kanssa mutta jotka eivät aina edes osaisi käyttää ainuttakaan teleskooppia, vaikka niiden toiminnan perusperiaatteet tuntevatkin.
Tähtikuvioiden tuntemus on toinen yleinen tähtitieteilijöistä vastaan tuleva myytti. Subjektiivisten, kuvitteellisten viivojen vetäminen eri tähtien välille on vain yksi ihmisaivojen sisäänrakennettua hahmontunnistusalgoritmia miellyttävä valinta, jolle ei ole sen kummempia perusteita kuin historian perinteet. Tähtitieteilijöille tähtikuvioilla ei ole mitään merkitystä eikä niiden tuntemus edes ole alkuunkaan tavallista alan tutkijoiden keskuudessa. Havaittavien kohteiden paikat taivaalla ovat tietenkin mitä oleellisimmassa roolissa, koska havaintoja voi tehdä vain pois päin Auringosta (eli yöllä) ja riittävän kaukana vaikkapa täydestä kuusta, jotta herkät instrumentit eivät vahingoittuisi liiasta valosta. Lisäksi tähdet näkyvät vain osan aikaa taivaalla johtuen Maan pyörimisestä ja havaitsijan sijainnista planeettamme pinnalla, joten oleellisessa roolissa ovat tähden koordinaatit, joiden perusteella voidaan laskea sen havaittavuus pitkälle tulevaisuuteen.
Tähtikuviot voivat kuitenkin olla käytännön sivuroolissa, kun koetetaan selvittää lehdistötiedotteissa suurelle yleisölle missä päin taivasta koordinaattien numerosarjaa 14 29 42.9461 -62 40 46.1647 vastaava tähti sijaitsee (kyse on lähitähdestä Gliese 551, joka tunnetaan myös nimellä Proxima Centauri). Silloinkin kyse on kuitenkin vain värikynän käytöstä tiedotteen ja tiedeuutisen saamiseksi lähestyttävämmäksi suurelle yleisölle.
Mitä tähtitieteilijät sitten tyypillisesti tekevät? Itselläni on kannettavalla tietokoneellani työskennellessäni käsillä verkkoselain tiedonhakuun ja kirjoittamiseen, sekä kommunikointiin kollegoideni ja opiskelijoideni kanssa. Tyypillinen kommunikointi tapahtuu tylsästi sähköpostitse, jotta eri aikavyöhykkeille levittäytyneet modernit tutkimusryhmät voisivat kommunikoida jokaiselle sopivalla tavalla ja temmolla ja jotta kommunikoinnista jää aina merkintä yksityiskohtien tarkistamiseksi jälkikäteen. Kirjoitamme artikkeleita, havaintoaika- ja rahoitushakemuksia, valmistelemme esitelmiä seminaareihin ja luennoille, sekä kirjoitamme luentokokonaisuuksia ja jopa oppikirjoja sekä monenlaista tieteen popularisointia kuten tämäkin blogiteksti osoittaa.
Kirjoitan kannettavallani sivutolkulla tietokonekoodia erilaisiin tarkoituksiin simulaatioista data-analyysiin, kuvien tuottamiseen ja käsittelyyn ja muuhun aineistojen graafiseen visualisointiin. Tyypillisesti valmiita tietokoneohjelmistoja niihin hyvin tarkkaan rajattuihin tarkoituksiin, joita tieteenalalla tulee vastaan, ei ole olemassa, joten likimain kaikki on kirjoitettava itse tarkoituksenmukaisilla ohjelmointikielillä. Tieteellistä laskentaa varten on tietenkin myös käytävä tarkasti läpi tarvittavat yhtälöt ja niihin liittyvä matematiikka, jotta voidaan varmistua koodiksi kirjoitettujen algoritmien laskevan tarvittavat asiat oikein. Se tarkoittaa käytännössä kynään ja paperiin tarttumista ja yhtälöiden pyörittelyä sopiviin muotoihin laskennan helpottamiseksi tai uusien laskentamenetelmien kehittämiseksi.
Matematiikkaa tarvitaan joka tapauksessa runsaasti, koska tähtitieteessä, jonka fysiikaksi kutsuttu osa-alue on vastuussa valtavasta määrästä käsillämme olevaa teknologiaa, käsitellään matemaattisesti mallinnettavissa olevia tutkimuskohteita. Mallinnamme tähtiä, planeettakuntia ja universumia. Laskemme miten tähdet toimivat, miten planeetat liikkuvat, ja miten galaksit pyörivät oman vetovoimansa vaikutuksen alaisena. Laskemme miten maailmankaikkeus laajenee ja koetamme arvioida minkälainen se on ollut varhaisempina aikoina. Tai oikeammin, annamme maailman tehokkaimmille tietokoneille ohjeet, miten laskut suoritetaan ja sitten vain odotamme tuloksia.
Oleellisessa roolissa tähtitieteilijän työssä on myös opetus. Opetamme luennoilla ja laskuharjoituksissa, ohjaamme kandidaatin ja maisterin töitä sekä väitöskirjoja. Teemme yhteistyötä eri tasoilla opintojaan suorittavien opiskelijoiden kanssa ja koulutamme heistä itse tutkimusprojektiemme tarvitseman työvoiman, koska kukaan muukaan ei sitä tutkimukseen vaadittavaa osaamista voi tarjota kuin alan tutkija itse. Haemme rahoitusta itsemme lisäksi opiskelijoillemme, ja toimimme esihenkilöinä ja mentoreina. Lisäksi osallistumme laitoksen, tiedekunnan ja lopultakin yliopiston toimintojen pyörittämiseen monella tapaa lähtien laitos- ja tiedekuntaneuvostoista ja päätyen erilaisiin seminaareihin ja keskustelutilaisuuksiin, joissa suunnitellaan tulevaa ja informoidaan muita.
Toimimme myös kansainvälisesti tieteen eturintamassa. Käymme konferensseissa ja kokouksissa puhumassa ja esitelmöimässä, verkostoidumme ja suunnittelemme tulevia yhteistyöprojekteja. Tarkastamme kollegoidemme artikkeleita toimien vertaisarvioitsijoina ja hyväksymme parhaimmat tutkimukset julkaistavaksi kun taas heikommille suorituksille annetaan armotonta kritiikkiä vailla suosituksia sen julkaisuun. Arvioimme myös monenlaisia rahoitushakemuksia ja tietenkin sitä, mihin havaintoprojekteihin suurten teleskooppien arvokas havaintoaika jaetaan. Kaiken sen lisäksi kommentoimme erikoisosaamisalueemme tuloksia julkisuudessa ja pyrimme jakamaan tietoa myös suurelle yleisölle yliopistoinstituution kolmannen tehtävän mukaisesti, vaikka siihen ei koskaan olekaan suotu minkäänlaisia resursseja.
Lopultakin tähtitieteilijän työ näyttäytyy ulkopuoliselle seuraajalle lähinnä tylsänä toimistotyönä, jota tekevät niin kokeneet tutkijat yliopistojen toimistoissa kuin opiskelijat, nuoremmat tutkijat ja muut akateemiset nomadit aivan huomaamatta kodeissa, kahviloissa tai vaikkapa kirjastoissa. Tähtitieteilijät tekevät tutkimustaan päämäärätietoisesti, hitaasti edistyen, vailla populaarikulttuurin täyttämiä kuvauksia heureka -hetkistä, joissa tehdään hetkessä mullistava havainto. Todellisuudessa asiat tapahtuvat verkkaisesti ja tieto karttuu hiljalleen, ja jossain vaiheessa vain ylitetään se raja, kun jotakin merkittävää löytöä voidaan sanoa tilastollisesti merkitseväksi. Ja silloinkaan ei korkata shampanjapulloja, vaan jatketaan puurtamista, lukemista, kirjoittamista ja sen sellaista, tuloksen tieteellisten kriteerien mukaista raportointia silmällä pitäen.
Tieteellinen työ ei lopu koskaan, vaan aina riittää uusia merkittäviä asioita selvitettäväksi. Kyse on ylisukupolvisesta projektista, jossa jokainen yksittäinen tutkija tuottaa joitakin pieniä paloja tietoa kokonaisuutta varten. Kokoamme tieteellistä maailmankuvaa kuin äärettömän suurta palapeliä, joka ei tule koskaan valmiiksi. Jokainen pala on silti arvokas osa kokonaisuutta ja tähtitieteilijät ymmärtävät sen mainiosti. Hehän pyrkivät vaatimattomasti vain vastaamaan kysymyksiin elämästä, universumista ja kaikesta.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Roihuavien liekkien loisteessa
Aurinko on planettakuntaamme kaikkein voimakkaimmin määrittävä komponentti, sen keskus ja energianlähde. Se sisältää yli 99% kaikesta planeettakuntamme massasta ja kaikki muut kappaleet vain tanssivat avaruudessa Auringon ympäri, koska ovat kourallista poikkeuksia lukuunottamatta sidottuja Auringon vetovoimakentän potentiaalikaivoon. Ilman Aurinkoa ei olisi mitään — planeetatkin ovat karkeasti vain sen synnyn ylijäämämaterian sivutuotteita, joita ei tarvitsisi olla olemassa lainkaan ja tähtemme ei piittaisi asiasta millään tavoin, vaan loistaisi aivan samalla tavalla kiertäessään omalaatuisella radallaan ympäri galaksimme keskuspullistumaa.
Huolimatta sen keskeisestä roolista Aurinkokunnassa — puhumatakaan tähtien keskeisestä roolista tähtitieteen tutkimuskohteina — emme silti oikein ymmärrä kuinka Aurinko ja muut samankaltaiset tähdet toimivat. Perusperiaatteet nyt ovat hyvin tunnettuja: Aurinko on hydrostaattisessa tasapainotilassa pysyttelevä plasmapallo, koska sitä kasaan puristava gravitaatiovoima koettaa puristaa ainetta kasaan yhtä voimakkaasti kuin plasmaa laajentamaan pyrkivä ydinfuusion vapauttaman lämpöenergian tuottama paine pyrkii sitä laajentamaan. Prosessin yksityiskohdat, kuten tähtien magneettiset dynamot ja magneettisten napojen paikanvaihto, differentiaalirotaatio ja aineksen liike pinnan alapuolella, ja vaikkapa Auringon harvan kaasukehän, koronan, kuumeneminen peräti miljoonan asteen lämpötiloihin ovat kuitenkin yksityiskohdiltaan edelleen aktiivisen tutkimuksen kohteena. Rajatulla valikoimalla havaintomenetelmiä on vaikeaa saada kattavaa kuvaa siitä monimutkaisesta dynaamisesta ilmiöstä, jota kutsumme erisnimellä Aurinko. Se on silti kaikkein helpoimmin tutkittavana tähtenä keskeisessä roolissa koettaessamme ymmärtää myös muiden aurinkojen toimintaa.
Kuin todistaakseen dynaamisuuttaan, auringot purkautuvat usein ja aktiivisesti. Yksi suurienerginen purkaus sopivasti suunnattuna riittäisi vahingoittamaan Maan kiertoradan satelliitteja, joihin luotamme niin kommunikoinnissa, paikanmäärityksessä kuin tieteellisissä mittauksissakin. Samalla aiheutuisi vahinkoa maanpäällisille sähköverkoille johtaen katkoksiin ja kokonaisten kaupunkien pimentymisiin ja lentoliikenne olisi pakotettu tiukasti maan kamaralle. Vaarana on liki ennennäkemätön kriisitilanne, johon maailman valtiot eivät oikeastaan ole varautuneet, koska suurienerginen purkaus sattuu vain noin kerran sadassa vuodessa. Siksi Aurinko ja muut auringonkaltaiset lähitähdet ovat intensiivisen tutkimuksen kohteina Helsingin yliopistossa. Sen lisäksi, että tutkimme Aurinkoa ymmärtääksemme muita tähtiä, on ymmärrettävä mitä muut tähdet tekevät, jotta voisimme paremmin ennustaa mitä oma Aurinkokuntaa hallitseva energianlähteemme tekee. Samalla saamme kiinnostavaa tietoa siitä, minkälaisessa ympäristössä tuhansien tunnettujen eksoplaneettajärjestelmien planeetat kiertävät omia aurinkojaan.
Avaruussää ja eksoplaneetat
Kaikki tähdet eivät ole kuten Aurinko. Tähtiä on monenlaisia mutta niiden käyttäytyminen riippuu oleellisesti vain kourallisesta tekijöitä, merkittävimpinä massa ja ikä. Massiivisemmat tähdet loistavat kirkkaampina ja kuumempina mutta käyttävät ytimensä vedyn nopeammin loppuun fuusioidessaan sitä heliumiksi. Ne myös saavuttavat elinkaarensa pään nopeammin. Massiiviset tähdet elävät vain hetken verrattuna pienimassaisiin, himmeisiin ja verrattaen viileämpiin tähtiin, joita on valtaosa kaikista tähdistä. Tähden ikä taas vaikuttaa sen aktiivisuuteen — nuoret, vasta parhaimpaan loistoonsa päässeet tähdet ovat aktiivisia ja usein purkautuvia, oikuttelevia nuorten planeettakuntien keskuksia. Niiden pintoja täplittävät suuret pilkut ja ne vapauttavat suurienergistä säteilyä, voimakasta hiukkastuulta ja purkautuvat usein. Ne viettävät aktiivisia nuoruuspäiviään satojen vuosimiljoonien ajan.
Planeettojen kokema avaruussää riippuu siis merkittävästi tähden ominaisuuksista ja muuttuu vuosimiljoonien ja -miljardien kuluessa, kun nuoret ja aktiiviset tähdet hiljalleen rauhoittuvat ja niiden loiste muuttuu vakaammaksi. Vaikka Aurinkokin saattaisi purkautuessaan aiheuttaa suurta tuhoa tekniselle yhteiskunnallemme romahduttamalla sähköverkkoja ja rikkomalla satelliitteja, olemme olleet onnekkaita avaruussään suhteen. Valtaosalla muista maailmankaikkeuden planeetoista olosuhteet ovat hurjemmat. Se ei tietenkään ole välttämättä sattumaa. Lempeä tähtemme on saattanut olla merkittävässä roolissa mahdollistamassa elämän kehittymistä nykyiseen monimuotoisuuteensa planeetallamme — erityisesti nuoruudessaan, kun se on ollut huomattavasti nykyistä aktiivisempi muttei silti lähellekään yhtä väkivaltainen kuin monet muut tähdet.
Erityisen hankalaa avaruusää on planeetoille, jotka kiertävät radoillaan aivan tähtiensä lähellä. Lämpötilansa puolesta muutoin elinkelpoisen vyöhykkeen planeetat ovat suuressa vaarassa punaisten M-spektriluokan pienten kääpiötähtien kiertoradoilla, koska lämpösäteilyn puolesta sopivat kiertoradat ovat aivan tähtien lähellä. Ensimmäiset todelliset yritykset havaita sellaisten kiviplaneettojen kaasukehiä James Webb -avaruusteleskoopilla ovat epäonnistuneet, koska kohteena olleet TRAPPIST-1 -järjestelmän kaksi sisäplaneettaa ovat vain karuja merkuriuksenkaltaisia kiviä vailla merkittäviä kaasukehiä. Myös läheistä tähteä LHS 475 kiertävä kiviplaneetta vaikuttaa täysin kaasukehättömältä kappaleelta. Tähden aktiivisuudella saattaa olla paljonkin tekemistä asian kanssa — voimakas hiukkastuuli ja intensiiviset purkaukset ovat saattaneet haihduttaa planeettojen kaasukehät avaruuteen.
Tähdet ovat kaikkea muuta kuin yksinkertaisia plasmapalloja avaruudessa. Ne kuplivat ja kiehuvat vapauttaessaan ytimessään fuusioreaktiossa muodostuvaa energiaa säteilynä joka suuntaan. Energia kulkeutuu ytimestä pintaan joko säteilemällä tai konvektion avulla, kuten kiehuvan kuuma vesi kulkeutuu pintaan liedellä kuumenevassa kattilassa. Se aiheuttaa alati muuttuvan konvektiosolujen rakenteen tähden pintaan. Mutta tähdet myös pyörivät, mikä aikaansaa omat voimansa kontrolloimaan sen pinnan ja sisempien kerrosten toimintaa ja liikettä. Pyöriminen on erilaista eri etäisyyksillä tähden päiväntasaajasta ja erilaisilla syvyyksillä, jolloin plasman virtaukset eri osissa tähteä ovat erisuuruisia. Se taas tuottaa magneettisia ilmiöitä ja magneettikentän vaihteluita, jotka liittyvät ajoittain pinnan voimakkaisiin purkauksiin. Magneettikentän välittämä energia on myös vastuussa koronan kuumenemisesta jopa miljooniin asteisiin, reilusti tähden tuhansien asteiden pintalämpötilan yläpuolelle.
Kaikilla tähden pinnan ilmiöillä on vaikutuksensa pinnan ulkopuolelle — niihin fysikaalisiin ilmiöihin, jotka tuottavat tähteä kiertävien planeettojen kokeman avaruussään. Rauhallisimmillaan kyse on vakaasta hiukkastuulesta, tähden pinnalta vapautuvien hiukkasten vuosta. Hiukkasia voi kuitenkin vapautua niin runsaasti, että Aurinkoa raskaammat ja voimakkaammin säteilevät, kuumat tähdet voivat menettää lyhyen loisteensa aikana jopa puolet kaikesta massastaan. Auringonkaltaiset ja Aurinkoa pienemmät tähdet puolestaan eivät menetä merkittäviä määriä massaansa avaruuteen hiukkastuulen mukana.
Tähden pinnan magneettikenttien kokiessa nopeita muodonmuutoksia, aiheutuu paikallisia purkauksia, joissa vapautuu suuria määriä säteilyä. Syntyvät roihupurkaukset voidaan havaita mainiosti lähitähtien pinnoilla, koska ne kirkastavat tähden hetkellisesti jopa moninkertaiseksi normaalista. Purkaukset nähdään parhaiten näkyvän valon aallonpituuksilla mutta samalla vapautuu suuria määriä röntgensäteilyä, joka suuntautuessaan kohti tähden lähellä olevia planeettoja voi osaltaan steriloida niiden pintoja hajottaen monimutkaisia molekyylejä yksinkertaisiksi atomeikseen. Purkausten ollessa voimakkaita, voi vapautua myös varattuja hiukkasia, jolloin kyseessä on massapurkaus. Voimakkaimmat massapurkaukset puolestaan voivat viedä mukanaan ainesta planeetan kaasukehästä suuntautuessaan suoraan planeettaa kohti. Aktiivisten tähtien planeettakuntien kivisillä sisäplaneetoilla voi olla huomattavia aikeuksia pitää kiinni kaasukehistään massapurkausten ja voimakkaan tähtituulen vaikutuksille alttiina. Suoria havaintoja ei vielä juurikaan ole, mutta tiedämme, että jopa karkeasti 20 kertaa massiivisempien neptunuksenkaltaisten planeettojen kaasukehä voi vuotaa voimakkaan tähtituulen vaikutuksesta avaruuteen (1).
Vaikka tähtiään lähellä kiertävät kiviplaneetat olisivatkin kaasukehättömiä merkuriuksenkaltaisia planeettoja, hiukan kauempana planeettojen magneettikentät voivat suojata niiden kaasukehiä mainiosti varattujen hiukkasten purkauksilta. Säteilyä magneettikenttä ei kuitenkaan torju, joten ultraviolettisäteily pääsee planetan pinnalle, jos kaasukehä on vain ohut kuten Marsin tai Maan pinnalla. Paksummat kaasukehät voivat siksi suojata planeetan pintaa tappavalta säteilyltä mutta myös vuorovesilukkituminen voi pelastaa monen planeetan elinkelpoisuuden oikuttelevalta avaruussäältä. Jos vain toinen planeetan puolisko on aina kääntyneenä tähteä kohti, toinen puolisko välttyy säteilyn haitallisilta vaikutuksilta.
Kokonaiskuvan saaminen eksoplaneettojen kokemasta avarussäästä on erittäin vaikeaa, koska voimme tarkastella vain kourallista keskenään täysin erilaisia erikoistapauksia. Vaikka osaamme tehdä tähdistä havaintoja, jotka paljastavat niiden tuottaman avaruussään, jonka puitteissa eksoplaneetat radoillaan kiertävät, emme voi kuin arvailla sen vaikutuksia planeettojen olosuhteisiin. Syy on siinä, että emme toistaiseksi ole sonnistuneet saamaan kattavia havaintoja pienten eksoplaneettojen kaasukehistä tai magneettikentistä.
Tilanne on kuitenkin nyt muuttumassa, koska uudet nerokkaat havaintoprojektit ovat onnistuneet tekemään ensimmäisiä karkeita havaintoja molemmista. Radioteleskoopeilla on mahdollista saada tietoa eksoplaneettojen magneettikentistä (2), jos vain havaintostrategiat ja kohteet valitaan huolella, ja JWST kykenee periaatteessa tuottamaan havaintoja lähiplaneettojen kaasukehistä. Molemmilla tutkimussuuntauksilla on valtava potentiaali sen ymmärtämisessä kuinka monen eksoplaneetan pinnalla biologisten organismien syntyyn ja kehitykseen soveltuvat olosuhteet ovat mahdollisia.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
Planeettamme heikkenevä elinkelpoisuus
Tiedot ihmistoiminnan vaikutuksista planetaarisiin olosuhteisiin tarkentuvat joka vuosi muuttuen samalla hälyttävämmiksi ja pelottavammiksi. Jotkut puhuvat liiotelluista kauhuskenaarioista ja ihmisten pelottelusta mutta tutkijat ja asiantuntijat vain raportoivat objektiivisuuteen pyrkien mitä ovat havainneet ja minkälaisia seurauksia havaituilla tosiasioilla on ihmispopulaatioille, yhteiskunnille ja ylipäätään ihmisten elämälle ja hyvinvoinnille. Jos raportit ilmastokatastrofista ja biodiversiteettikadosta sekä monista muista kohtaamistamme kriiseistä kuulostavat pelottavilta, niin syynä on se, että olemme muuttamassa tulevaisuuttamme painajaismaiseksi.
Yksi kattavimmista raporteista liittyen planeettamme ilmastolliseen tilaan ja tulevaisuuteen, on kansainvälisen ilmastopaneelin (IPCC) kooste tunnetuista tieteellisistä tosiasioista. Kyseessä on raportti, joka perustuu tuhansien ja tuhansien tutkijoiden vuosikymmenten työhön. Raportissa jokainen tiedonmurunen on moneen kertaa varmennettu muiden tutkijoiden toimesta, ja sadat tutkijat ovat koostaneet sitä kuukausien ajan, jotta viimeisin tieteellinen tieto olisi huomioitu mahdollisimman luotettavalla tavalla. Vaikka IPCC on poliittinen organisaatio, ja tutkijoiden näkemys muokataan vielä poliitikkojen ja virkailijoiden toimesta laimeammaksi toimenpide-esitysten kokoelmaksi, voimme tarkastella vuodetun raporttiluonnoksen tuloksia ennen kuin se vesitetään poliittiseksi kompromissiksi.
Tuoreimmasta IPCC:n raportin luonnoksesta on tihkunut tietoa julkisuuteen ja se ei ole miellyttävää luettavaa. Ilmastokatastrofin suhteen tilanne on paljon vaarallisempi kuin olemme aiemmin arvioineet, koska katastrofaalinen muutos ilmasto-olosuhteissa etenee nopeammin kuin olemme osanneet ennustaa. Ilmastomuutos vaikuttaa perustavanlaatuisella tavalla planeettamme elämään jopa siinäkin tapauksessa, että ihmiskunta saa päästönsä kuriin. Syynä on tietenkin se, että planeettamme ilmakehän kasvanut hiilidioksidipitoisuus on jo nyt korkeammalla tasolla kuin kertaakaan miljooniin vuosiin ja se vaikuttaa planeettamme olosuhteisiin kaukaiseen tulevaisuuteen asti. Olemme käynnistäneet katastrofaalisen tapahtumasarjan, jota emme enää voi pysäyttää, vaan vain lieventää.
Lajit katoavat muuttuneissa olosuhteissa, koska eivät voi sopeutua muuttuneisiin olosuhteisiin yhdessä tai vain muutamassa sukupolvessa. Se saa luonnon ravintoverkot ja kokonaiset ekosysteemit romahtamaan uhaten koko biosfääriä, jonka stabiiliudesta olemme riippuvaisia. Lajit joutuvat muuttamaan elinalueiltaan, ja etsimään elinkelpoisia olosuhteita, mikä on suurelta osin mahdotonta mutta tuo erilaiset lajit useammin kosketuksiin ihmisten kanssa tarjoten meille sikermän erilaisia tartuntatauteja, joista Covid-19 on vasta alkusoittoa. Keskilämpötilat kasvavat kaikkialla ja sen seurauksena aiemmin äärimmäisinä pitämämme sääolosuhteet arkipäiväistyvät ja äärimmäinen, tappava kuumuus vaivaa yhä suurempia maa-alueita planeetallamme aina vain useammin. Myös lämpötilojen vaihteluväli kasvaa, mikä sekin osaltaan lisää äärimmäisten sääilmiöiden yleisyyttä (Kuva 1.). Samalla kun ekosysteemit häviävät muuttuneiden ilmasto-olosuhteiden myötä, myös merenpinta nousee jäätiköiden sulaessa ja suuri osa niistä alavista maista, joilla viljelemme ruokamme ja joille olemme rakentaneet kaupunkimme jää meren pinnan alle.
Tutkijoiden suurimpana huolena on miten planetaarisessa elossapitojärjestelmässämme kaikki vaikuttaa kaikkeen. Samalla kun kasvatamme ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuutta nostaen tunnettujen fysiikan lakien mukaisesti planeettamme lämpötilaa, olemme heikentämässä luonnollisia mekanismeja, joilla metsät ja meret sitovat hiilidioksidia ilmakehästämme. Esimerkiksi metsien hakkuut heikentävät luonnollista hiilen sitoutumista biomassaan ja maaperään mikä saa suuremman osan hiilidioksidipäästöistämme jäämään ilmakehään ja kuumentamaan planeettaamme. Tutkijoiden todellinen huolenaihe on muutammeko planeettamme ilmastoa liian nopeasti, jotta edes oma sivilisaatiomme voisi sopeutua tulevaan muutokseen. Biosfääri kyllä toipuu lopulta aiheuttamastamme massasukupuuttosta — kenties vasta miljoonien vuosien päästä — mutta yksittäiset lajit, mukaan lukien ihminen, eivät.
Olemme jo onnistuneet nostamaan planeettamme keskilämpötilaa 1.1 celciusastetta mutta jopa 1.7 asteen nousua ei ehkä voi enää välttää. Nykyiset päästömme, ilman radikaaleja päästövähennyksiä, ovat kasvattamassa keskilämpötilaa vähintään noin kolme astetta, mikä tekee suurista planeettamme maa-alueista elinkelvottomia ihmisille ja valtaosalle biosfääriä. Kun lämpötilat viimeksi olivat niin korkealla, planeettamme napa-alueilla kasvoi trooppisia sademetsiä ja kääntöpiirien väliset alueet — nykyinen tropiikki — olivat tappavan kuumia aavikoita.
Lämpenemisellä on vakavia seurauksia koko ihmiskunnalle. Viljelysmaat aavikoituvat tai jäävät nousevan meren pinnan alle, mikä uhkaa ruokaturvaamme nostaen aluksi ruoan hintaa globaalisti ja aiheuttaen lopulta sotia ja muita konflikteja, kun valtiot ja ihmisyhteisöt turvautuvat epätoivoisiin keinoihin jäädessään vaille ravintoa. Katoavat jäätiköt vievät myös mukanaan sulamisvesistä riippuvaisten alueiden juoma- ja kasteluveden ihmisille tuhoisalla tavalla — esimerkiksi Himalajan vuoriston jäätiköt tuottavat tarvittavan veden jopa parille miljardille ihmiselle ja niiden sulaminen tarkoittaisi kokonaisten valtioiden veden- ja ravinnonsaannin romahtamista.
Merten lämpeneminen taas hävittää koralliriuttojen tarjoamat ekosysteemit, joiden tuottamasta ravinnosta puoli miljardia ihmistä on riippuvaisena. Samalla häviävät riuttojen tarjoamat avomerten kalalajien nuoruusiän piilopaikat, mikä romahduttaa entisestään jo nyt ylikalastettuja valtamerten kalapopulaatioita. Kuivuus lisääntyy ympäri maailman — ja sen mukana metsä- ja maastopalot voimistuvat ja yleistyvät tuhoten niin kyliä ja kaupunkeja kuin kokonaisia ekosysteemejä, jotka eivät ole sopeutuneet säännöllisiin paloihin. Amazonin sademetsä on häviämässä ja muuttumassa savanniksi — jo nyt metsä vapauttaa ilmakehään enemmän hiiltä kuin sitoo, mikä kertoo karua kieltään käynnissä olevasta muutoksesta. Samaan aikaan Kanadan ja Siperian pohjoiset suot ovat kuivumassa, arktisen tundran routa sulamassa ja pohjoisten merien metaanihydraatit ovat muuttumassa lämmenneissä merivirroissa epästabiileiksi. Kaikki nämä tekijät toimivat positiivisena takaisinkytkentänä, jotka vain kiihdyttävät käynnistämäämme ilmaston lämpenemistä. Kaikki on lopultakin kytköksissä kaikkeen ja siksi globaaliin kriisiin voi vastata vain globaaleilla, valtiot ja kansat ylittävillä toimilla.
Koko valtavaan katastrofivyyhteen ja sen seurauksiin on mahdollista varautua ja ihmisten ympäri maailman onkin sopeuduttuva radikaalisti muuttuviin olosuhteisiin. Mutta tärkeintä on pysäyttää biologisen maailman tuho ja ilmaston muuttuminen nollaamalla päästömme ja ajamalla alas tuhoa aiheuttava ylikulutuksemme ja talousjärjestelmämme kasvuriippuvaisuus. Jokainen tuhottu metsä tai muu ekosysteemi ja jokainen asteen sadasosa, jolla planeettamme lämpenee, aiheuttaa valtaisaa hävitystä ja miljoonia kuolonuhreja. Kohtaamamme uhka on niin konkreettinen ja mittakaavaltaan niin suuri, että olemme omakohtaisella tavalla löytämässä ratkaisua jopa Fermin paradoksiksi kutsuttuun tieteelliseen ongelmaan, joka käsittelee sitä, missä ovat kaikki merkit galaksimme muista teknisistä sivilisaatioista. Brutaaleimmassa tapauksessa kyse voi olla vain siitä, että tekniset sivilisaatiot syntyvät elinkelpoisilla planeetoilla verrattaen nopeasti ja vääjäämättä mutta niiden elinikä on lyhyt, koska ne oppivat muuttamaan planeettansa elinolosuhteita nopeammin kuin ymmärtämään, että stabiileista olosuhteista huolehtiminen on elinehto.
Avainasemassa on ekosysteemien tuhon pysäyttäminen ja luonnollisten elinympäristöjen palauttaminen mahdollisimman laajalle. Talousjärjestelmämme riippuvuus fossiilisista polttoaineista ja ylikulutuksesta on katkaistava ja eläinperäisen ravinnon käyttö on ajettava alas radikaalilla tavalla. Moni ei pidä tarvittavista toimenpiteistä ja niiden mittakaavasta mutta heidän ei saa antaa jarruttaa toimien kokonaisvaltaista toteuttamista. Meillä on kuitenkin vain yksi planeetta, yksi ainoa biosfääri, jonka olemassaolosta omakin elämämme on riippuvainen. Tuhoa ei tarvitse hyväksyä ja lastemme tulevaisuus voi vielä olla valoisa. Mutta se vaatii toimia nyt. Viivyttelyyn ei ole enää päivääkään aikaa.
Lisää aiheesta
Musta aukko vai pimeää ainetta?
Galaksien keskustoissa, mukaan lukien oma Linnunradaksi nimetty galaksimme, lymyää supermassiivisia mustia aukkoja, joissa miljardien aurinkojen massa on puristunut Aurinkokuntaa valtavasti tilavampien tapahtumahorisonttien sisään. Yksi suurimmista tunnetuista supermassiivisista mustista aukoista on nimeltään TON 618 -niminen kohde noin 10 miljardin valovuoden päässä. Se on noin 66 miljardin auringon massainen kappale, jonka massiiviselle olemukselle vetää vertojaan vain sen valtaisa etäisyys meistä, lähes näkyvän universumin laidalla. Linnunradan keskustassa on vastaavasti massiivinen musta aukko Sagittarius A*, mutta se massa on vain noin neljä miljoonaa Auringon massaa. Massa-arvio on saatu tarkkailemalla lähettyvillä olevien tähtien liikettä mustan aukon ympäri — tiedämme valtaisan massan olevan tosiaan pakattuna massaansa nähden hyvin pieneksi kappaleeksi, joka ei juuri säteile valoa.
Mustat aukot ovat tiheimpiä tunnettuja kappaleita maailmankaikkeudessamme, joten on luonnollista olettaa myös galaksien keskusten valtaisien ainetihentymien olevan mustia aukkoja, vaikka niiden havainnointi onkin vaikeaa ja parhaimmillaankin vain hyvin epäsuoraa. Tähtien liike oletetun mustan aukon ympäri kuitenkin paljastaa vain sen massan suuruuden ja sen koon ylärajan, jota tähdet kiertävät. Sellaiset havainnot eivät kerro itse massan luonteesta juuri mitään. Entä, jos olemmekin olleet väärässä?
On toinenkin testattavissa oleva hypoteesi. Tähtien radat oletetun mustan aukon läheisyydessä voidaan selittää jopa hiukan paremmin olettamalla, että mustaa aukkoa ei ole, vaan kyseessä on pimeän aineen partikkeleiden, darkiinoiksi kutsuttujen heikosti vuorovaikuttavien hiukkasten, tiheä muodostelma (1). Oletus on hämmentävä, koska se nojaa hypoteettisiin hiukkasiin, jotka näemme vain niiden vetovoima avulla, mutta itse mustasta aukosta suorat havainnot puuttuvat aivan samalla tavalla, joten on vaikeaa sanoa kumpi hypoteesi sisältää enemmän perusteettomia oletuksia. Darkiinojen valtaisa tihentymä kuitenkin sopii havaintoihin mainiosti ja sillä on toinenkin etulyöntiasema. Pimeä aine havaittiin alkujaan juuri tarkkailemalla galakseja mutta keskittymällä niiden reuna-alueiden tähtien liikkeisiin. Havainnoista kävi ilmi, että tähdet kiertävät galaksien reunamilla nopeampaa kuin voisi olettaa huomioimalla vain galaksin näkyvä aine — siksi ehdotettiin osan massasta koostuvan jostakin pimeästä aineesta, joka ei säteile valoa. Sama pimeä aines sopisi selittämään myös eräiden kaasupilvien käyttäytymistä oletetun mustan aukon lähettyvillä. Mustan aukon olisi pitänyt repiä kaasupilvet kappaleiksi lähellään mutta lauhkeampi pimeän aineen tihentymä ei olisi sitä tehnyt, mikä kävikin ilmi havainnoista.
Tarkkailemalla oman galaksimme keskustaa olemme ehkäpä pääsemässä merkittävän tieteellisen löydön äärelle. Kuuluisat kuvat lähigalaksin M87 kertymäkiekosta osoittavat galaksien ytimissä olevan mustia aukkoja. Mutta muutkin selitysmallit ovat mahdollisia. On ehkäpä jopa mahdollista, että galaksien ytimissä esiintyy sekä mustia aukkoja että niitä ympäröiviä darkiinojen valtaisia joukkoja, jotka kyllä tuntevat gravitaatiovoimat ja massallaan muokkaavat aika-avaruutta itsekin, mutta jotka eivät vuorovaikuta muiden voimien välityksellä. Selvyyden saaminen on ehkä vaikeaa mutta kosmologian ja perusfysiikan tutkimuksen ei kuulukaan olla helppoa. Muutoinhan se olisi jo tullut tehtyä.
Lähteet
Kiertotiellä kohti todellisuutta
Oikeastaan tieteessä ei pyritä totuuteen. Konsensus siitä, miten maailma toimii, lähestyy kyllä asymptoottisesti todellisuutta mutta kukaan ei voi varsinaisesti pyrkiä totuutta kohti. Väite saattaa kuulostaa näennäisen oudolta mutta yksikään tutkija tai tutkimusryhmä ei voi pyrkiä kohti totuutta, koska kukaan ei tiedä missä suunnassa se on. Kuvaamme todellisuutta monilla teorioilla ja malleilla, jotka kaikki ovat vain likimääräisiä kuvauksia todellisuudesta. Ne ovat kaikki pielessä, ainakin jonkin verran, ja kukaan ei tiedä tarkalleen missä todellisuus piileksii, vaikka se olisikin niiden lähettyvillä.
Tieteessä edetään kuten Arthur Conan Doylen dekkarinovelleissa, joissa etsivä nimeltään Holmes koettaa selvittää rikoksia. Periaatteena on, että ”kun eliminoidaan kaikki mahdottomat selitykset, jäljelle jäävä, oli se sitten kuinka epätodennäköihen hyvänsä, on totuus”.
Tiede perustuu yksinkertaistetusti siihen, että eliminoidaan mahdottomat vaihtoehdot, jolloin jäljelle jäävät selitysmallit kuvaavat todellisuutta tarkimmin. Oikeastaan tehdään havaintoja, joihin malleja ja teorioita verrataan. Jokainen havainto tekee huonoista malleista hiukan korostetummin hyviä malleja epätodennäköisempiä ja lopulta jää jäljelle vain hyviä malleja (tai parhaimillaan vain yksi hyvä malli), jotka selittävät havainnot mainiosti. Silloin ei edes pyritty löytämään hyviä malleja, vaan tekemään havaintoja, jotka osoittaisivat mahdollisimman monta mallia huonoiksi. Lopputuloksena päästiin kuitenkin lähemmäksi totuutta. Kun jäljelle jää vain yksi malli, sitä kutsutaan tavallisesti teoriaksi — teoria tarkoittaa tieteessä mallia, joka on koetettu osoittaa vääräksi lukemattomia kertoa mutta joka on selvinnyt jokaisesta yrityksestä kuivin jaloin.
Eksoplaneettojen havainnointi Doppler-spektroskopisin menetelmin tarjoaa esimerkin siitä, mitä tieteellisen tiedon karttuminen tarkoittaa. Menetelmällä on tarkoitus havaita tähden hienoista huojuntaa avaruudessa sitä kiertävän planeetan vetovoiman vaikutuksesta (Kuva 1.). Huojunta havaitaan tarkkailemalla pienenpieniä tähden värin muutoksia, jotka aiheutuvat tutusta Dopplerin ilmiöstä tähden liikkuessa vuoroin meitä kohti ja meistä poispäin. Mutta lähtötilanne on se, että emme tiedä minkälainen planeetta tähteä kiertää ja minkälainen sen kiertorata on — jos planeettaa tai planeettoja edes on. Tavallisesti oletetaan, että kaikki mahdolliset planeetat ja radat ovat yhtä todennäköisiä keskenään ja sen kanssa, että planeettoja ei ole. Teknisessä tieteellisten julkaisujen jargonissa sanotaan usein ennakkoinformaation noudattavan tasaista jakaumaa mutta kyse on todellisuudessa vain maksimaalisesta epätietoisuudesta (ennakkoinformaatio on oma monimutkainen aiheensa, jonka avaaminen ei mahtuisi yhteen lyhyeen tekstiin).
Seuraava askel on tähden havainnointi. Jokainen yksittäinen havainto, jokainen mittaus tähden liikkeestä, kertoo jotakin siitä, minkälaisia planeettoja tähdellä voi olla kiertoradoillaan. Mutta periaatteena on niiden poissulkeminen. Mitä enemmän havaintomateriaalia kertyy, sitä laajemman kirjon erilaisia planeettoja erilaisilla radoilla ne sulkevat pois. Lopulta jää jäljelle vain yksi tai muutama rata ja planeettatyyppi, joiden olemassaoloa havainnot eivät sulje pois. Silloin on havaittu planeetta tai planeettoja. Tieteellisessä mielessä jokainen havainto tekee olemattomien mutta periaatteessa havaittavissa olevien planeettojen olemassaolosta hiukan epätodennäköisempää. Lopulta niiden olemassaolo on niin epätodennäköistä, että voidaan katsoa havaintoaineiston sanovan, ettei niitä ole.
Viimeinen askel on laskea (tietyin oletuksin) kuinka todennäköistä on saada tehdyt havainnot, jos tähteä kiertävät ne planeetat, joiden olemassaoloa ei saatu poissuljettua, verrattuna siihen, että planeettoja ei ole. Jos todennäköisyys on riittävän suuri, vaikkapa yli 99%, voidaan sanoa, että tähdellä on luultavasti kumppaneita. Planeetat, joiden havaitsemiseen mittaustarkkuus ei riitä, voivat edelleen olla olemassa tai sitten eivät. Niistä ei voida sanoa mitään.
Tieteessä periaate on se, että eliminoidaan selitysmallit, jotka eivät sovi havaintoaineistoon ja jotka data siksi saa näyttäytymään epätodennäköisinä. Joskus on vain mahdotonta eliminoida kumpaakaan kahdesta (tai useammasta) selitysmallista, koska ne selittävät havainnot aivan yhtä hyvin. Silloin vedotaan tavallisesti yksinkertaisuuden periaatteeseen. Selitysmalli, joka sisältää vähemmän oletuksia, katsotaan luotettavammaksi. Jos esimerkiksi tähden liikkeen voi selittää yhtä hyvin ilman eksoplaneetan vaikutusta kuin sen kanssa, ei ole perusteltua sanoa, että planeetan olemassaololle on todistusaineistoa. Samaa ajattelua sovelletaan jokaisella tieteenalalla — kosmologiassa ehkäpä kaikkein räikeimmällä tavalla.
Kosmologia pyrkii vastaamaan kysymyksiin maailmankaikkeudesta, sen synnystä, kehityksestä ja olemassaolosta. Pyrkimyksenä on kehittää teoria, joka selittäisi niin maailmankaikkeuden olemassaolon kuin sen kehitystä ja toimintaa sääntelevät luonnonlaitkin. Olemme onnistuneet kehittämään erinomaisia teoreettisia viitekehyksiä maailmankaikkeuden toiminnalle ja osaamme ennustaa niin gravitaation kuin kaikkien muidenkin perusvuorovaikutustenkin toimintaa yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttikenttäteorian avulla. Ongelmana vain on, että ne ovat nykymuodossaan keskenään ristiriidassa, joten tarvitaan vielä runsaasti kehitystyötä ennen kuin saamme koko maailmankaikkeutta kuvaavan teoreettisen kuvauksen aikaiseksi. Se olisi koko fysikaalisen maailmankuvamme huipentuma, kaiken teoria, ja teoreettisen fysiikan kliimaksi. Mutta sellaista ei ole.
Fyysikoita ei voi syyttää yrityksen puutteesta. Yksi suurimmista ongelmista vain on, että teoreettisia malleja ja hypoteeseja ei voi erottaa toisistaan. Ei ole olemassa havaintoja tai koejärjestelyjä, joilla voitaisiin havaita malleja toisistaan erottavia tekijöitä. Ei siis ole mahdollista saada mittaustulosta, joka madaltaisi sitä todennäköisyyttä, että yksi tai useampi malli on oikeassa. Erilaisista kompleksisista säieteorioista onkin siksi vitsailtu, että ne eivät ole edes väärässä — ei ole olemassa tapaa tehdä havainto, joka voisi osoittaa ne vääriksi. Jotkut fyysikot ovat sitä mieltä, että puhtaan teoreettinen fysiikka vailla mahdollisuutta tarkastella sitä kokeellisesti havaitsemalla ei ole minkään arvoista. En ole itse valmis aivan yhtä raakaan arvosteluun. Teoreettisen fysiikan kehitys on usein johtanut uuden matematiikan löytämiseen ja teknologinen kehitys kyllä mahdollistaa tulevaisuudessa niidenkin mallien testaamisen, joita nykyisellään on mahdotonta osoittaa vääriksi. Kuitenkin, pelkästään teoreettisia rakennelmia konstruoimalla ei edistetä tiedettä.
Tarvitaan siis mittauksia. Ne ovat tieteessä kaikki kaikessa. Mallien keskinäistä paremmuutta voidaan tarkastella vain todellisuudesta tekemiemme havaintojen kontekstissa. Ja poiketessaan havainnoista liikaa, mallit osoitetaan vääjäämättä heikoiksi todellisuuden kuvauksiksi ja ne saavat väistyä niiden mallien tieltä, jotka eivät poikkea merkittävästi havainnoista. Silloin olemme päässeet taas yhden pienen askeleen lähemmäksi fysikaalista todellisuutta ja ymmärrämme aavistuksen paremmin sen toimintaa.
Vanhin tiede massasukupuuton ja ilmastokatastrofin aikakautena
Kaikki inhimillinen toiminta vaatii resursseja. Pohjimmiltaan jokainen valitsee omalla kohdallaan mihin haluaa käyttää aikansa ja energiansa. Vaikka köyhimmät ja heikoimmat eivät voi valita, vaan joutuvat toimimaan taloudellisten, terveydellisten ja muiden rajoitteiden sitomina, osa ihmisistä on vapaita suuntaamaan resurssinsa haluamiinsa asioihin. Miksi jotkut haluavat viettää aikansa tutkien taivaan tapahtumia? Ja miksi tieteen ja tutkimuksen — ja koko ihmiskunnan — hyvinkin rajallisia resursseja tulisi suunnata tähtitieteellisten kohteiden tarkkailuun?
Tähtitiede on tieteistä vanhin. Ihmisyhteisöille on ollut tärkeää ennustaa vuodenaikoja ja laatia kalentereita. On ollut pakko kyetä määrittämään milloin vilja kylvetään ja milloin joet tulvivat, milloin sateet tulevat ja milloin pakkaset saapuvat. Talvi- ja kesäpäivänseisauksien määrittäminen on ollut tärkeää, ja sitä tarkoitusta varten ensimmäiset tähtitieteilijät tekivät alkeellisella matematiikallaan kalentereita, joita he käyttivät omilla tavoillaan ennustaakseen niin Maan kiertoliikettä Auringon ympäri kuin Kuun liikettä Maan ympäri — vuosituhansien ajan jopa ymmärtämättä ennustamansa fysikaalisen järjestelmän luonnetta.
Tähtitiede on historian saatossa edesauttanut fysiikan, matematiikan ja kemian kehitystä, kun astronomit ovat löytäneet fysikaalisia lakeja, matematiikan totuuksia ja menetelmiä ja jopa alkuaineita, kuten Auringon kaasukehästä ensi kertaa löydetyn heliumin.
Nykyiseen tietämykseen fysikaalisesta maailmasta tähtitiede vaikuttaa lukemattomilla tavoilla. Tähtitieteen havaintojen avulla opimme uutta universumista, alkeishiukkasista ja perusvuorovaikutuksista. Tähtitieteen tulokset auttavat rakentamaan kaiken teoriaa, joka vihdoinkin onnistuisi yhdistämään kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian toisiinsa.
Tähtitieteen tutkimus on teknologian kehityksen eturintamassa, kun rakennamme aina vain parempia ja tarkempia teleskooppeja, instrumentteja, avaruusluotaimia ja niiden mittalaitteita. Rakennamme myös matemaattisia työkaluja tähtitieteen tarpeisiin ja luomme samalla uusia yleishyödyllisiä tapoja analysoida tietoa. Opimme asettamaan omaa sivilisaatiotamme ja biosfääriämme oikeaan kontekstiinsa maailmankaikkeuden mittakaavassa, kun löydämme potentiaalisesti elinkelpoisia planeettoja ja arvioimme elinkelpoisten planeettojen määrää galaksissamme. Vanhin tiede tarjoaa paljon konkreettisia hyötyjä ja vastauksia suuriin kysymyksiin. Mutta riittävätkö ne perusteeksi taloudellisten, materiaalisten ja inhimillisten resurssien suuntaamiseksi taivaan kohteiden tutkimukseen?
Filosofisessa mielessä voidaan ajatella, että yhteiskunta, jolla on varaa sijoittaa puhtaaseen perustutkimukseen ja tieteeseen, jotta oppisimme lisää maailmankaikkeudesta, vailla sen kummempia muita hyötyjä tai tavoitteita, on yhteiskunta, joka on puolustamisen ja suojelemisen arvoinen. Vain tiede ja taide erottavat meidät muista eläinlajeista. Ne ovat inhimillisen elämän ja teknisen sivilisaatiomme suurimmat saavutukset ja kuvastavat sitä, mihin pystymme niin lajina kuin yksilöinä. Siksi tiede on vaalimisen arvoista. Siksi siihen kannattaa sijoittaa tavallisina aikoina.
Vaan emme elä tavallista aikakautta.
Koralliriutat tuhoutuvat, meret happamoituvat, sademetsät häviävät ja elinympäristöt katoavat. Niin ainakin usein ilmaisemme asian mutta kyseessä ei ole passiivinen sattumus tai tapahtuma, joka vääjäämättömästi etenee meidän vain seuratessa voimattomina sivusta. Ihmiskunta muuttaa aktiivisesti itse toimillaan koko planeettaa, sen ekosysteemejä ja geokemiallisia olosuhteita, sekä hävittää lajeja sukupuuttoon yhtä nopeaan tahtiin kuin Maapallon historian suurissa massasukupuutoissa.
Hävitys on yhtä järjestelmällistä kuin kattavaakin. Suomen metsistä alle 5% on luonnontilassa, koska aktiivisesti hävitämme metsiä (Kuva 1.). Globaalisti miljoonat lajit ovat häviämässä ihmisen toiminnan vaikutuksesta. Tuho etenee näennäisen hitaasti, yksi kaadettu metsä ja yksi saastutettu joki kerrallaan, mutta se on silti niin nopeaa, että luonto ei ehdi toipua. Emme anna luonnolle aikaa toipua.
Tuhoamme omaa biologista elossapitojärjestelmäämme — olemme vain yksi biologinen laji muiden joukossa ja siten täysin riippuvaisia biodiversiteetistä ja sen olosuhteita stabiloivasta verkostosta sekä tarjoamista ekosysteemipalveluista. Toimintamme kuitenkin romahduttaa ravintoverkkoja ja kokonaisia ekosysteemejä. Jo merten kasvava hiilidioksidipitoisuus ja sen mukana etenevä happamoituminen saattaa romuttaa meriekosysteemit. Sademetsien häviäminen saattaa muuttua peruuttamattomaksi jo tällä vuosikymmenellä.
Muutamme ilmastoa. Ilmastokatastrofi on karkaamassa käsistä pumpattuamme ilmakehän täyteen hiilidioksidia. Lajimme elinaikana hiilidioksidipitoisuudet eivät ole kertaakaan aiemmin olleet yhtä korkealla kuin nyt. Me emme ole sopeutuneet uusiin olosuhteisiin, kuten eivät ole lukemattomat muutkaan lajit. Ilmastokatastrofi vauhdittaa biodiversiteetin häviämistä ja tuo mukanaan uusia ongelmia kuivuuden, tappavan kuumuuden, tulvien, merenpinnan nousun, voimistuneiden myrskyjen ja muiden katastrofaalisten paikallisten ilmiöiden muodossa.
Taustalla on primitiivisen ihmisapinalajin aivoihin evoluution saatossa rakentunut maailmankuva, jonka taustaoletukset kertovat elinympäristön pysyvän suunnilleen samana vuodesta toiseen. Hitaampaa muutosta emme kykene käsittelemään tai huomioimaan. Historian saatossa se on koitunut useiden sivilisaatioiden tuhoksi, kun niiden edustajat ovat kuluttaneet ympäristönsä luonnolliset resurssit loppuun ja ajautuneet tuhoon. Nyt vain olemme ylittäneet luonnollisten resurssiemme kulutuksen globaalit rajat. Se tarkoittaa biologisessa mielessä vääjäämätöntä populaation romahdusta, mahdollisesti koko teknisen sivilisaatiomme häviämistä.
Olemme teknisenä sivilisaationa kohtaamassa uhkaa, joka on jopa yksi kandidaateista Fermin paradoksin ratkaisuksi. On mahdollista, että teknisistä sivilisaatioista ei ole nähty merkkejä avaruudessa, koska niiden elinikä on keskimäärin erittäin lyhyt. On mahdollista, että tekniset sivilisaatiot oppivat muokkaamaan planeettansa bio- ja geokemiallista tasapainotilaa ennen kuin saavuttavat ymmärryksen aiheuttamansa muutoksen katastrofaalisista seurauksista. Ihmiskunta on nyt saavuttamassa ymmärrystä aiheuttamansa tuhon laajuudesta mutta on hyvinkin mahdollista, että se tapahtuu liian myöhään. Liian moni mittari on jo punaisella ja hälyttää tuhosta, joka on peruuttamatonta ihmissukupolvien aikaskaalassa. Silti, ei ehkä ole vielä liian myöhäistä toimia.
Ihmisyhteisöt ovat historiassa osoittaneet hämmästyttävää kykyä toimia kollektiivina yhteistä uhkaa vastaan. Kokonaisia valtioita on valjastettu rakentamaan ja ylläpitämään sotakoneistoja, kun ne ovat olleet toisten aggressiivisten valtioiden uhkaamia. Voisimme tehdä saman uudelleen. Voisimme mobilisoida riittävän suuren osan yhteiskuntiemme toiminnoista torjumaan aiheuttamaamme ilmastollista ja biologista tuhoa ja rakentaa järjestelmän, jonka perustukset ovat kestävällä pohjalla. Kuten matemaatikot ja fyysikot, jotka kutsuttiin sotakoneiston avuksi toisessa maailmansodassa, voisimme kutsua eri alojen tutkijat toimimaan yhteisen päämäärän saavuttamiseksi. Voisimme valjastaa planeettamme älykkäimmät, mielikuvituksellisimmat ja analyyttisimmat mielet torjumaan sivilisaatiotamme uhkaavaa romahdusta. Siihen saattaa olla edelleen aikaa.
Ehkäpä tähtitieteen tutkimus, kuten monta muutakin sivilisaation selviämisen kannalta toissijaista inhimillisen toimeliaisuuden muotoa, tulisi laittaa tauolle kunnes olemme ratkaisseet akuutit kiisimme. On selvää, että meillä ei ole aikaa selvittää maailmankaikkeuden salaisuuksia keskellä planeettamme elinkelpoisuuden romahdusta. Maailmankaikkeuden tutkiminen loppuu joka tapauksessa, jos muutamme liikaa planeettamme sivilisaation olemassaolon mahdollistavia olosuhteita.
Mutta aivan aluksi olisi saatava talousjärjestelmämme ylläpitämä globaali tuhokoneisto pysähtymään. Meidän on ymmärrettävä, että luonnollisten resurssien ylikulutus, inhimillisen elämän merkityksen määrittyminen ensisijaisesti kulutuksen kautta ja rahallisten arvojen asettaminen kaiken muun edelle ovat avainasemassa aiheuttamassa globaalia tuhoa. Sen ymmärrettyämme voimme ryhtyä korjaamaan vahinkoja.
Ymmärrän tähtitieteen tutkijana, että tekemäni tutkimus on kaikesta potentiaalisesta hyödyllisyydestään huolimatta hyvien aikojen mahdollistamaa luksusta, etuoikeus, jonka on ehkäpä pakko väistyä akuutimpien tieteen menetelmien sovellusten tieltä. Ymmärrän, että tähtitieteen tutkimus ei jatku, jos tekninen sivilisaatiomme katoaa oman tuhoavan toimintansa ansiosta. Toivon, että mahdollisimman moni taloudellista ja poliittista valtaa käyttävä, joille taloudellisten etujen saavuttaminen on kaikkea muuta tärkeämpää, ymmärtäisi, että sama pätee aivan kaikkeen muuhunkin.
Uskon, että maapallon elinkelpoisuuden heikkeneminen on mahdollista pysäyttää. Uskon, että ainoan tuntemamme elinkelpoisen planeetan on mahdollista välttyä päätymästä vain unohdetuksi Fermin paradoksin esimerkkiratkaisuksi. Se on ehkä toiveajattelua mutta muutakaan mahdollisuutta ei ole. Eksistentiaalisen kriisin edessä ei voi luovuttaa. On uskottava optimistisesti siihen, että voimme edelleen muuttaa toimintaamme. Muutoin olemme jo kokeneet sukupuuttomme.
Ehkäpä tulevilla sukupolvilla on parempia mahdollisuuksia sijoittaa taivaankappaleiden, kosmologian, eksoplaneettojen ja mustien aukkojen tutkimukseen. Vanhimpaan tieteeseen ja perustutkimukseen, jolla ei välttämättä saavuteta muuta kuin hitunen uutta tietoa maailmankaikkeudesta. Toivon ainakin, että on, koska se on niitä ainoita asioita, jotka tekevät sivilisaatiostamme säilyttämisen arvoisen.
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 