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.
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
Voisimmeko havaita eksoplaneetan olevan maankaltainen?
James Webb -avaruusteleskoopin tuoreet tulokset olivat jälleen eräänlainen pettymys. Kuten aiemmin kohteena olleet TRAPPIST-1 järjestelmän sisimmät planeetat, myös läheistä punaista kääpiötähteä LHS 475 kiertävän kuuman kiviplaneetan havainnot paljastavat sen olevan luultavasti kaasukehätön, karrelle palanut kivenmurikka (1). Tuloksessa ei sinällään ole mitään yllättävää, koska kyseessä on TRAPPIST-1 b ja c -planeettojen tapaan hyvin lähellä tähtensä pintaa radallaan kiertävä, voimakkaalle säteilylle, hiukkastuulelle ja purkauksille altis kappale. Täysin varmaa planeetan LHS 475 b luonne kaasukehättömänä planeettana ei tosin ole. Tutkijoiden mukaan se voi hyvinkin olla vain ohuen kaasukehän peittämä, kuten Mars, tai Venuksen tapaan tasaisen pilvivaipan verhoama kiviplaneetta. Havainnot eivät voi tehdä eroja näiden tapausten välillä, koska käytetyillä aallonpituuskaistoilla ei havaittu muutoksia planeetan ylikulun ominaisuuksissa. Kaasukehän puute tai tasainen pilvipeite eivät siksi ole erotettavissa toisistaan havaintojen puitteissa.
Tähtitieteilijät ovat nyt koettaneet naapuritähtiä kiertävien kivisten eksoplaneettojen kaasukehien havaitsemista kolmesti, ja vieläkään emme ole saaneet esiin kiistattomia merkkejä kiviplaneettojen kaasukehistä tutkiaksemme niiden koostumuksia. Se on kiusallinen pettymys, koska toiveissa oli mahdollisuus tutkia kaasukehien koostumusta heti havaintojen tullessa mahdollisiksi. Maailmankaikkeus ei kuitenkaan ole sellainen kuin toivoisimme, ja saattaa hyvinkin olla niin, että helpoimmat havaittavat eksoplaneetat sattuvat olemaan kaasukehättömiä maailmoja, jotka eivät käytettävissä olevin keinoin paljasta luonteestaan paljoakaan edes parhaiden instrumenttiemme välityksellä. Lähitulevaisuudessa on kuitenkin aihetta odottaa kiinnostavampia tuloksia, koska James Webb -avaruusteleskooppi kykenee paljon parempaan.
Rajoittava tekijä maankaltaisen planeetan kaasukehän tutkimiselle on nykyisellään se, että Maata muistuttavien planeettojen ylikulut ovat niin kovin harvinaisia ja epätodennäköisiä tapauksia. Ja juuri ylikulkujen tutkiminen on oleellisessa roolissa, koska suorat havainnot kaukaisista planeetoista eivät vielä tule kyseeseen. Havaitessamme ylikulkuja eri aallonpituusalueilla, voimme kuitenkin jo nyt havaita eksoplaneettojen kaasukehien ominaisuuksia, ja vastaavat havainnot olisivat periaatteessa mahdollisia myös maankaltaiselle planeetalle.
Yksi ongelma on maankaltaisten planeetan pitkä kiertoaika tähtensä ympäri. On mahdollista havaita vain yksi ylikulku vuodessa, joten tulosten saamiseen usean ylikulun ajalta vaaditaan aikaa useita vuosia. Ilmeinen ratkaisu ongelmaan on koettaa havaita lähempänä tähtiään sijaitsevia planeettoja, joiden vuoden pituus on lyhyempi. Silloin saamme lyhyemmässä ajassa useita havaintoja ylikuluista ja voimme tarkastella planeetan kaasukehää tarkemmin. Lähempänä auringonkaltaista tähteä planeetat vain ovat liian kuumia soveltuakseen elinkelpoisiksi kappaleiksi, joten on siksi tutkittava himmeämpien, punaisten kääpiötähtien planeettoja, koska niillä elinkelpoiset vyöhykkeet ovat niinikään lähempänä tähtiä. Emme siten voi aivan havaita, mitä haluamme, ja joudumme tyytymään niihin planeettoihin, joista havaintoja voidaan tehdä. Lähempänä tähtiään sijaitsevat planeetat tarjoavat kuitenkin myös toisen edun: niiden ylikulkutodennäköisyys on suurempi, joten sellaisia planeettoja voidaan havaita enemmän ja löytää helpommin. Siksi voidaankin kysyä mitä JWST:n avulla voitaisiin havaita, jos maankaltainen eksoplaneetta kiertäisi punaista kääpiötähteä, kuten TRAPPIST-1 tai vaikkapa Proxima Centauri, aivan sen lähellä ja silti elinkelpoisella vyöhykkeellä.
Olellisessa roolissa on oman planeettamme transmissiospektri, jota voimme käyttää vertailukappaleena selvittäessämme mitä planeetan elinkelpoisuudesta kieliviä kaasukehän piirteitä voitaisiin havaita (Kuva 1.). Eri molekyylit tekevät planeettamme kaasukehästä läpinäkymättömän niille ominaisilla aallonpituusalueilla. Samalla tavalla tutkimalla ylikulkujen avulla eksoplaneetan näennäistä kokoa eri aallonpituuksilla, voimme erottaa monia erilaisia molekyylejä sen kaasukehästä. Periaatteessa vain havaintolaitteen tarkkuus määrittää rajat sille, kuinka hyvin voimme oppia tuntemaan eksoplaneettojen kaasukehien koostumuksia. Maan kaasukehästä esimerkiksi voisi menetelmällä erottaa monia molekyylejä, kuten vesi, metaani, hiilidioksidi ja otsoni. Niistä jälkimmäinen voisi toimia niinsanottuna biomarkkerina, eli molekyylinä, joka paljastaisi epätavallisen kemiallisen epätasapainotilan, joka aiheutuu yhteyttävän elämän kaasukehään tuottamasta vapaasta hapesta. Huomionarvoisia ovat myös merkit freoneista (CFC-11 ja CFC-12), joita kaasukehämme sisältää ihmistoiminnan vaikutuksesta. Niitä ei muodostu luonnollisissa prosesseissa, vaan niiden valmistamiseen vaaditaan teknologinen sivilisaatio. Kaasukehämme koostumus paljastaa siis meidän itsemmekin olemassaolon.
Edes JWST ei kuitenkaan kykene tarkkuuteen, jolla vastaava kirjo erilaisia molekyylejä voitaisiin havaita eksoplaneetan kaasukehästä. Jos Maa olisi TRAPPIST-1 järjestelmässä elinkelpoisella vyöhykkeellä planeetan e paikalla kiertämässä tähden kerran noin kuudessa päivässä, sen kaasukehä voisi paljastaa ominaisuuksiaan tarkoissa havainnoissa (2). Havaittavissa olisivat ainakin hiilidioksidi ja metaani, ja jopa otsonin olemassaolosta voitaisiin saada viitteitä. Olisi siis mahdollista tehdä johtopäätöksiä planeetan olosuhteista. Hiilidioksidi ja ilman molekyylin jatkuvaa tuotantoa nopeassa tahdissa kaasukehästä poistuva metaani kertoisivat geologisesti aktiivisesta planeetasta. Vettä voitaisiin havaita vain pieniä yläilmakehän pitoisuuksia, mikä ei antaisi luotettavaa tietoa veden esiintymisestä nestemäisenä planeetalla. Biomarkkereiden havainto taas olisi parhahimmillaankin erittäin epävarma, ja siksi elämän merkkien löytymisestä tuskin voitaisiin puhua.
Tulokset ovat silti lohdullisia huomioiden erityisesti sen tosiasian, että toisilla planeetoilla voi olla helpommin havaittavissa olevia molekyylikoktaileja kaasukehissään. Meillä on joka tapauksessa ensimmäistä kertaa käsillä havaintokapasiteetti toisia tähtiä kiertävien maankaltaisten planeettojen kaasukehien tutkimiseen. Vaikka ensimmäiset tulokset ovat lähinnä kertoneet tähtiään lähellä kiertävien kiviplaneettojen menettävän herkästi kaasukehänsä avaruuteen, elinkelpoisen vyöhykeen planeettojen olosuhteista kertovat havainnot ovat vasta työn alla. Kukaan tuskin voi ennustaa varmuudella mitä ne aivan lähitulevaisuudessa paljastavat.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
- Lustig-Yaeger et al. 2023. A JWST transmission spectrum of the nearby Earth-sized exoplanet LHS 475 b. Nature Astronomy.
- Lustig-Jaeger et al. 2023. Earth as a Transiting Exoplanet: A Validation of Transmission Spectroscopy and Atmospheric Retrieval Methodologies for Terrestrial Exoplanets. Accepted for publication in PSJ.
Elämä terminaattorivyöhykkeellä
Valo horisontissa pysyy aina vain vakaana. Se luo aavemaisen tunnelman, joka kuvastaa kauhua, kuolemaa ja hävitystä. Mutta kivikkoisessa maisemassa ei ole ainuttakaan pelokasta olentoa. Ei mitään, mikä juoksisi kauhuissaan karkuun, ryömisi kiven alle turvaan tai lentäisi pakoon kohti mustaa taivasta. Kelmeän auringon alla ei myöskään kasva mikään. Ei ole puita tai pensaita, eikä edes tuulessa heiluvia ruohonkorsia. On vain punaisena hohtava suuri valo, kuin kaiken näkevä silmä, joka on ikuisesti läsnä horisontissa, kallioisen maiseman tuolla puolen.
Maailma ei kuitenkaan ole eloton. Kivien ja kallioiden erilaisia mineraaleja hyödyntää kokonainen joukko kemiallista energiaa käyttäviä mikrobeja, jotka saavat tarvitsemansa hiilen ohuen kaasukehän hiilidioksidista. Kemosynteesi ylläpitää elämää punaisen auringon kelmeässä loisteessa mutta prosessin vaatimaton teho ei riitä ylläpitämään monimutkaisia ravintoverkkoja tai monisoluista elämää. Elämän vyöhyke ei tarkoita sitä, että syntyisi korkeaksi kasvavia kasveja ja monenlaisia niitä ravintonaan käyttäviä monisoluisia organismeja. On mahdollista, että elävä planeetta näyttäytyisi karuna ja kuolleena yhteyttävään kasvillisuuteen ja muuhun monisoluiseen elämään tottuneesta näkökulmastamme.
Yksi kiinnostavimmista eksoplaneettojen joukosta on punaisten kääpiötähtien pienet kiviplaneettat, jotka ovat pakkautuneena tiiviiksi järjestelmiksi aivan tähtensä lähelle, missä himmeän tähden säteily on sopivaa nestemäisen veden esiintymiseen planeettojen pinnoilla. Moni muu asia ei sitten luultavasti olekaan niin kovin sopivaa elämän esiintymiselle mutta ongelmana on, että yksityiskohtaista tietoa on niin kovin vaikeaa saada planeetoista, joita emme tunne omasta järjestelmästämme, ja joita emme voi havaita suoraan. Niiden monimuotoisuutta ja mahdollisia koostumuksia pääsemme puolestaan arvioimaan vain perustuen tietokonesimulaatioihin ja yksittäisiin perussuureisiin, kuten planeettojen halkaisija ja massa.
Tuore tutkimus käsittelee planeettojen terminaattorivyöhykkeen mahdollisuuksia tarjota edellytykset elämän esiintymiselle. Kyse ei siis ole tuhoajarobottien valloittamasta alueesta vieraalla planeetalla, vaan vuorovesilukkiutuneiden planeettojen pimeän ja valoisan puoliskon rajapinnasta. Punaisten kääpiötähtien elinkelpoiset vyöhykkeet ovat niin lähellä tähteä, että niiden sisälle mahtuvilla kiertoradoilla planeettojen pyörähtäminen lukkiutuu niiden kiertoaikaan tähden ympäri. Syynä tähän lukkiutumiseen ovat tähden voimakkaat, planeetan kuortakin muovaavat vuorovesivoimat. Lopputuloksena planeetat näyttävät tähdelle aina vain toisen puoliskonsa, joka kylpee ikuisessa valossa ja lämmössä, kun taas pimeäksi jäävä puolisko kokee ikuisen kylmyyden ja sitä valaisevat vain muut, kaukaisemmat pistemäisinä mustaa taivasta täplittävät tähdet. Planeetan toisen puoliskon ollessa kuuma ja toisen kylmä, on silti mahdollista, että elinkelpoisia olosuhteita esiintyy niiden välissä, terminaattorivyöhykkeen ikuisen aamuhämärän alueella. Edellytyksenä on kaasukehän olemassaolo, jotta olisi edes jokin mekanismi, jolla planeetan puoliskojen rajut lämpötilaerot pääsisivät tasautumaan, mutta asiaan liittyy useita tekijöitä, jotka asettavat elinkelpoisuudelle merkittäviä reunaehtoja.
Tähden tappava säteily
Siinä, että planeetat ovat lähellä tähteään, syvällä sen gravitaatiokaivon tiukassa huomassa, on omat puolensa. Tiiviisti pakatut planeettakunnat ovat kyllä hyvässä turvassa ulomman planeettakunnan kappaleiden aiheuttamilta häiriöiltä niiden ratoihin. Ne voivat selviytyä mainiosti tähtiensä kiertolaisina miljardeja ja jopa satoja miljardeja vuosia ja todennäköisyyden lait pitävät ne turvassa jopa vääjäämättömiltä toisten tähtien lähiohituksilta, koska pieneen tilaan pakattu planeettakunta on kovin pieni maali myös kaikenlaisille häiriötekijöille. Samalla planeetat ovat kuitenkin alttiita oman tähtensä säteilylle, hiukkastuulelle ja purkauksille.
Tähdet ovat rauhallisessa keski-iässäänkin arvaamattomia plasmapalloja, jotka saattavat purkautua milloin vain ja lähettää kohtalokkaan suurienergisen hiukkasryöpyn kohti niitä kiertäviä maailmoja. Punaisten kääpiötähtien tapauksessa huomionarvoista on kuitenkin niiden ikä. Suhteutettaessa tähtien elinikään, kaikki punaiset kääpiötähdet ovat nuoria, koska koko maailmankaikkeus ei ole vielä ehtinyt olla olemassa riittävän pitkään, jotta ne olisivat voineet saavuttaa keski-iän. Suhteellisen nuoruutensa seurauksena punaiset kääpiötähdet ovatkin usein samanikäisiä auringonkaltaisia tähtiä aktiivisempia. Ne purkautuvat usein ja vapauttavat purkautuessaan intensiivistä suurienergistä säteilyä gamma- ja röntgensäteilyn aallonpituuksilla, sekä voimakkaita hiukkasryöppyjä, joiden arvellaan voivan viedä vaikka kokonaisen kiviplanetan kaasukehän mennessään. Tyypillisesti punaiset kääpiöt onkin luokiteltu flare-tähdiksi niiden tavallisimpien purkausten perusteella. Esimerkiksi Aurinkoa lähinnä sijaitseva tähti, nimellä Proxima Centauri tunnettu punainen kääpiötähti luokitellaan purkautuvaksi, kirkkaudeltaan muuttuvaksi tähdeksi, koska sen aktiivisuus tuottaa jatkuvasti näkyvälläkin valolla havaittavissa olevia kirkastumisia flare-purkausten merkiksi.
Arvelin aiemmassa tekstissäni, että Proxima b saattaa kyetä säilyttämään elinkelpoisuutensa terminaattorivyöhykkeensä puitteissa. Vaihtoehtoisesti, planeetan kaasukehä on haihtunut avaruuteen aktiivisen tähden säteilyn, hiukkastuulen ja purkausten ansiosta, ja se muistuttaa lähinnä massiivisempaa versiota Merkuriuksesta vailla kaasukehää ja elämän edellytyksiä. On kuin kohtalon ivaa, että James Webb -avaruusteleskooppi paljasti planeetan TRAPPIST-1 b olevan juuri sellainen kuoliaaksi korventunut kivi saatuaan suoria havaintoja planeetan pintalämpötilasta, joiden avulla selvisi, että siltä puuttuu kaasukehä. Kyseessä on toki Proxima b:tä kuumempi planeetta mutta kohtalokas kaasukehän menetys saattaa olla kuoliniskuna monelle vastaavalle punaisten kääpiötähtien kiertolaisille ja erityisesti niiden elinkelpoisuudelle. Joidenkin tutkijoiden parissa on kuitenkin heränny jo huolta siitä, havaitaanko muiltakaan TRAPPIST-1 järjestelmän kiviplanetalta kaasukehiä, kun JWST:n havaintojen monitahoinen käsittely valmistuu ja on aika vetää johtopäätöksiä
Kuin kirsikkana kakun päällä, tutkijat ovat saaneet selville, että vaikka maanpäällinen elämä voisi aivan mainiosti yhteyttää hiilidioksidia ja vettä valon avulla sokereiksi myös punaisten kääpiötähtien olosuhteissa, ei sopivien säteilyolosuhteiden kirjo kuitenkaan osu kovinkaan hyvin yksiin niiden fysikaalisten olosuhteiden kanssa, jotka mahdollistavat nestemäisen veden esiintymisen. Tuoreiden tulosten mukaan punaisten kääpiötähtien planeetoilla ei ole juuri edellytyksiä paikallisten sinibakteerien ja muiden yhteyttävien organismien esiintymiselle, joten vaikka niiden pinnoilla elämää olisikin, se tuskin muistuttaa sellaista elämää, johon olemme metsäisellä, vihertävällä planeetallamme tottuneet.
Terminaattorivyöhykkeellä virtaava vesi
Yksi tuore tutkimustulos (1) joka tapauksessa tukee ajatusta siitä, että elinkelpoisen vyöhykkeen vuorovesilukkiutuneilla planeetoilla voisi olla nestemäistä vettä terminaattorillaan, ja siitä uutisoi äskettäin myös Tähdet ja avaruus. Maan ilmakehän mallintamiseen ja ennustamiseen rakentamamme ilmastomallit sisältävät vain perusfysiikkaa ja -kemiaa, joten niitä voidaan soveltaa mainiosti eksoplaneettojen olosuhteiden tutkimukseen tietyin oletuksin. Voimme mallintaa planeettaa, joka kylpee punaisen tähden säteilyssä siten, että säteilyä osuu kaikkina aikoina vain planeetan toiselle puoliskolle. Silloin pimeän ja valoisan puolen välissä, terminaattorin molemmin puolin, voisi olla elämälle suotuisat olosuhteet. Tällaiset pinnaltaan osittaisen elinkelpoisuuden maailmat saattavatkin muodostaa jopa valtaosan kaikista universumimme elinkelpoisista planeetoista, jos ne vain ylipäätään kykenevät ylläpitämään elämää.
Tärkein elämän edellytyksiä määrittävä tekijä on jälleen kerran nestemäinen vesi, jonka olemassaolo on ehdoton vaatimus kaikelle elämälle omalla planetallamme. Terminaattorin elinkelpoisuuteen kuitenkin vaaditaan, että vettä ei ole liikaa — jos planeettaa peittää syvä valtameri, tähden säteily saa vettä haihtumaan valoisalla puolella niin paljon, että planeettaa peittää pian paksu vesihöyryvaippa, jonka voimakas kasvihuoneilmiö tuhoaa koko planeetan elinkelpoisuuden. Kuivemmilla planeetoilla niin ei käy, vaan terminaattorin alueella voi olla nestemäistä vettä planeetan pinnalla, vaikka lähes koko valoisa puoli muuttuisikin elottomaksi autiomaaksi kaiken veden haihtuessa ja kulkeutuessa ilmavirtojen mukana pois. Suuri osa sellaisen planeetan vedestä lukkiutuisi planeetan pimeälle puolelle ikijääksi mutta terminaattorin alueella voisi silti olla elämälle suotuisat olosuhteet. Ikijää saattaisikin pelastaa monen lukkiutuneen planeetan terminaattorialueen elinkelpoisuuden. Kun valtaosa planeetan vedestä kulkeutuu pimeän puolen ikijääksi, jopa vetisemmistä lähtökohdista ponnistava planeetta saattaa päätyä elinkelpoiseksi kuivuttuaan valoisalta puoleltaan ja kasvihuoneilmiön heikennyttyä riittävästi.
Lukkiutuneiden planeettojen tutkiminen voisi silti osoittautua hankalaksi jopa tarkimilla avaruusteleskoopeilla, kuten JWST. Havainto planeetan lämpösäteilystä saattaisi olla mahdollinen myös hiukan viileämmälle planeetalle, jonka terminaattori on elinkelpoinen. Silloinkin liian ohut kaasukehä saattaisi kuitenkin jäädä havaitsematta, ja havaintojen tulkinta voisi olla samankaltainen kuin TRAPPIST-1 b:n tapauksessa. Kun voimme havaita lämpösäteilyä vain kuumemmalta valoisalta puoliskolta, ja jos merkkejä kaasukehästä ei näy, saattaa olla houkuttelevaa tehdä virheellinen johtopäätös planeetan elottomuudesta. Esimerkiksi Maan ilmakehää ohuempi kaasukehä on kuitenkin toistaiseksi havaintojen tavoittamattomissa, vaikka sellainen saattaisi hyvinkin riittää paineeseen, jossa nestemäisen veden esiintyminen onnistuu erilaisissa ilmasto-olosuhteissa.
Toivon mukaan ainakin yhdeltä TRAPPIST-1 -järjestelmän planeetoista voidaan havaita merkkejä kaasukehästä, jotta voimme varmistua, että kaasukehän menettäminen ei ole kaikkien punaisia kääpiötähtiä kiertävien vuorovesilukkiutuneiden planeettojen kohtalona ja elinkelpoisuuden esteenä. Kuten tieteessä aina, mikään ei ole varmaa ja toistaiseksi voimme vain toivoa kunnes saamme uusia havaintoja tarkasteltavaksemme.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
Yhteyttävän elämän vyöhyke
Punaiset kääpiötähdet ovat lukumäärältään galaksimme ja koko maailmankaikkeuden yleisimpiä tähtiä. Lähes kolme neljästä tähdestä on punaisia kääpiötähtiä jo Auringon lähinaapurustossa, joten myös meitä lähinnä sijaitsevat eksoplaneettakunnat ovat tyypillisesti punaisten kääpiötähtien järjestelmissä. Kyseessä on kuitenkin himmeiden, likimain täysin punertavaa valoa säteilevien tähtien joukko, jonka ominaisuuksien tutkiminen on muita tähtityyppejä vaikeampaa siitä yksinkertaisesta syystä, että himmeys vaikeuttaa havaitsemista. Punaiset kääpiöt eivät loista taivaalla kirkkaina, paljain silmin havaittavina kohteina, vaan niiden tarkkailuun vaaditaan aina teleskooppeja. Kolme Aurinkoa lähinnä sijaitsevaa punaista kääpiötä — Proxima Centauri, Barnardin tähti ja Wolf 359 löydettiinkin vasta 1900-luvun alkupuolella, kun havaittiin niiden ominaisliikkeen taivaalla olevan niin suurta, että tähtien täytyi olla hyvin lähellä.
Viimeisen vuosikymmenen aikana, tehokkaiden eksoplaneettojen etsintään erikoistuneiden avaruusteleskooppien myötä, on tullut selväksi, että punaisia kääpiöitä kiertää myös hyvin usein joukko monella tapaa maankaltaisia kiviplaneettoja. Ne esiintyvät tyypillisesti tiukkaan pakatuissa järjestelmissä, joissa planeetat kiertävät tähtiään hierarkisilla radoilla hyvin lähellä toisiaan ja tähteään. Punaisten kääpiöiden heikko, punaisille aallonpituuksille keskittynyt säteily ei kuitenkaan kuumenna sellaisia planeettoja elinkelvottomiksi, vaan niistä moni — keskimäärin jopa yksi planeetta kahta tähteä kohti — on sopivassa lämpötilassa, jotta vesi voi pysyä niiden pinnoilla nestemäisessä olomuodossaan. On mahdollista, että jopa valtaosa maailmankaikkeuden elämästä esiintyy punaisten kääpiötähtien kiertoradoilla ja oma kuumemman, keltaisen tähden järjestelmämme on poikkeus. Ne ovat joka tapauksessa mielenkiintoisia kandidaatteja elinkelpoisiksi planeetoiksi mutta vaikka voimme spekuloida miltä niiden pinnoilla näyttää, emme oikeastaan tiedä paljoakaan voisiko esimeriksi maankaltainen yhteyttämiseen perustuva elämä edes kukoistaa niin kovin erilaisissa valaistusolosuhteissa. Jo elämän esiintyminen on epävarmaa, koska lähellä tähteään, punaisten kääpiöiden planeetat saattavat kärsiä tähden voimakkaista purkauksista ja hiukkastuulesta.
Elämän mahdollisuuksia selviytyä ja kukoistaa punaisten kääpiötähtien kiertoradoilla ei tietenkään voida tutkia paikan päällä, vaan on tyydyttävä laboratoriossa tapahtuvaan tutkimukseen. Voimme testata vaikkapa minkälaisia säteilyolosuhteita oman planeettamme mikrobit pystyvät sietämään niiden elintoimintojen vaarantumatta. Tiedämme esimerkiksi sen, että monet mikrobit voivat sietää säteilyolosuhteita, jotka olisivat ihmiselle tappavia — mikrobit selviävät avaruuden olosuhteissa alttiina tyhjiölle ja kosmiselle säteilylle ja kukoistavat jopa maanpäällisissä ydinreaktoreissamme, joissa säteilyannos ylittää kaikki turvallisuusstandardit sekunneissa.Näistä ekstremofiileistä Deinococcus radiodurans on niin kestävä, että se löytyikin sattumalta, kun säilykeruokaa koetettiin steriloida gammasäteilyllä ja havaittiin ruoan kaikista yrityksistä huolimatta pilaantuvan mikrobitoiminnan ansiosta. Bakteerit siis kykenevät selviämään haastavissa olosuhteissa mutta kykenevätkö ne myös yhteyttämään eksoplaneettojen eksoottisissa säteilyolosuhteissa ja muodostamaan siten perustan punaisten kääpiötähtien biosfääreille?
Omalla planeetallaamme sinilevät eli syanobakteerit ovat yhteyttämisen pioneereja. Ne keksivät kauan sitten evoluutionsa saatossa tavan sitoa Auringon säteilyenergiaa kemialliseksi sidosenergiaksi, ja oppivat siten tuottamaan niin energiaa kuin kasvun ylläpitämiseen vaadittavia monimutkaisia orgaanisia molekyylejä. Kun bakteerien symbioosi suurempien solujen kanssa sai sitten alkunsa ja syntyi monisoluisia organismeja, jotka käyttivät soluihinsa vangittuja sinibakteereita yhteyttämiseen, luotiin edellytykset koko planeettamme pinnan vihertymiselle yhteyttämiseen kykenevien organismien vallatessa merten lisäksi kuivan maan. Kasvienkin yhteyttäminen perustuu kuitenkin sinibakteereille, joiden jälkeläisiä kasvisolujen viherhiukkaset ovat. Siksi juuri sinilevien ominaisuuksien tutkiminen on oleellisessa roolissa yhteyttämisen mahdollisuuksien astrobiologisessa tutkimuksessa.
Samanlaiset olosuhteet tuottavat konvergentin evoluution myötä samankaltaisia ratkaisuja, ja siksi voidaan mainiosti olettaa elävien organismien keksivän evoluution saatossa tehokkaita mekanismeja muuttaa säteilyenergiaa käyttökelpoisempaan muotoon. Silloin voisi muodostua kasvillisuutta, ja biosfäärejä, jotka muistuttaisivat oman planeettamme vihreitä metsiä ja meriä, joissa yhteyttävä elämä luon pohjan pitkille, monisäikeisille ravintoketjuille ja -verkostoille. Ei kuitenkaan ole selvää, että yhteyttävä elämä voisi kukoistaa kaikkien tähtien planeettakunnissa. Juuri punaisten kääpiötähtien planeetat voivat kärsiä siitä, että niiden pinnoilla ei ole riittävästi sopivan energeettistä säteilyä yhteyttämiseen. Enää ei ole kuitenkaan syytä arvailla, vaan voimme tarkastella tutkittua tietoa — tutkijat ovat altistaneet yhteyttäviä sinibakteereita punaisten kääpiötähtien tuottamille säteily-ympäristöille.
Kirkaskin valo voi näyttää himmeältä vain, koska havaitsijan silmät eivät ole erikoistuneet sen sisältämien aallonpituuksien havaitsemiseen. Kyse on molekyylitason mekanismista, jossa kompleksiset orgaaniset molekyylit virittyvät kemiallisesti, kun niihin osuu sopivan energian, eli aallonpituuden, omaava fotoni. Sinilevien klorofyllimolekyylit toimivat samaan tapaan kasvimaailman tuotantoyksikköinä varastoiden valosta saamansa energian orgaanisten molekyylien rakenne-energiaksi. Yhteyttämiseksi kutsuttua reaktiota kykenevät kuitenkin ylläpitämään monet erilaiset klorofyllimolekyylien versiot, ja niiden pienet erot herkkyydessä säteilyn energialle on valjastettu käyttöön erilaisissa planeettamme säteilyolosuhteissa. Jo molekyylien moninaisuus kertoo, että yhteyttävä elämä tulee varsin hyvin toimeen monenlaisessa valossa. Tutkijat päättivät silti varmistaa asian laboratoriossa.
Koska tiedämme minkälaista valoa punaiset kääpiötähdet loistavat, voimme luoda laboratorio-olosuhteisiin samanlaisen valomaailman ja kokeilla miten maanpäälliset sinilevät sopeutuvat olosuhteisiin (1). Tehtyään kokeen tutkijat saivat tuloksen, joka ei yllättänyt ketään: sinilevät voivat mainiosti punaisen valon laboratorio-olosuhteissa, ja käyttivät hyväkseen klorofyllimolekyyliensä herkkyyttä punaisen valon aallonputuuksilla ja -energioilla. Ne kukoistivat mainiosti aivan kuin olisivat kotonaan punaisen tähden tuottamassa valossa. Tulos ei ole yllättävä, koska tiedämme sinilevien elävän merenpinnan alapuolella, niin syvällä, että vain punaista valoa on enää jäljellä sinisten aallonpituuksien sirottua pois. Tulos siis kertoo vain oman planeettamme elävien organismien sopeutumiskyvystä, mutta evoluution lahjomattomat lainalaisuudet takaavat sen, että jos kyky yhteyttää syntyy jollakin punaisen kääpiötähden planeetalla, on sillä täydet mahdollisuudet kukoistaa aivan kuten Maassakin.
Pelkkä yhteyttämiseen soveltuva tähden säteily ei kuitenkaan riitä varmistamaan elämän edellytyksiä, vaan on oltava myös nestemäistä vettä. Kaiken tietämämme mukaan, vesi on elämän edellytys, universaali liuotin, jonka märässä mediassa elämäksi kutsutut biokemialliset reaktiot voivat tapahtua. Mutta valo ei ole yhteyttämiselle otollista yhtä yhtä laajalti kuin nestemäisen veden olemassaolo on mahdollista. Lukemattomat vetiset planeetat saattavat olla paksun kaasukehän peitossa, joka estää tehokkaasti valon pääsyn planeettojen pinnoille tehden fotosynteesistä mahdotonta. Toisaalta, kaasukehän ollessa harva, valo kyllä läpäisee sen mainiosti, mutta sen paine ei välttämättä riitä pitämään vettä nesteenä ja elämän esiintymiselle ei ole edellytyksiä. Siksi on tarkoituksenmukaista tarkastella planeettojen olosuhteita molempien mittareiden suhteen. Yhteyttävän elämän vyöhyke (2) on siihen soveltuva työkalu (Kuva 1.).
Arviot yhteyttävän elämän vyöhykkeestä ovat suorastaan musertavia punaisten kääpiötähtien elämälle. Vyöhyke on arvioiden mukaan likimain yhtä laaja kuin itse nestemäisen veden elinkelpoinen vyöhyke mutta vain, jos planeetan kaasukehä on erittäin harva ja päästää kaiken tähden valon lävitseen. Maapallonkaltaisille ilmakehän omaaville planeetoille vyöhyke on hyvin kapea, ja se häviää olemattomiin kun tähti on massaltaan alle puolet Auringon massasta. Silloin likimain jokainen punainen kääpiötähti rajautuu pois niiden tähtien joukosta, joiden planeetoilla yhteyttävää elämää voisi esiintyä. Se taas tarkoittaa, että maailmankaikkeudessa voi olla kymmeniä tai jopa satoja kertoja enemmän sellaisia planeettoja, joiden pinnalla nestemäinen vesi kyllä pääsee virtaamaan mutta joilla elämä ei voi käyttää yhteyttämistä energiantuotantoon.
Jos arviot osuvat oikeaan, on mahdollista, että kosmisessa lähinaapurustossamme on kyllä runsaasti eläviä planeettoja, joiden perustuottajat tyytyvät energeettisesti tehottomampiin mekanismeihin aineenvaihdunnassaan. Niissä ei silloin synny yhtä pitkiä ravintoketjuja, eikä ehkä edes monisoluista elämää, joka voisi lopulta kehittää teknologisia sivilisaatioita. On kuitenkin liian aikaista sanoa millään varmuudella mikä on totuus ja kuinka yleisiä yhteyttävän elämän täyttämät planeetat todellisuudessa ovat. Toistaiseksi voimme vetää johtopäätöksiä perustuen vain yhteen ainoaan tunnettuun esimerkkiin elävien orgamismien monimuotoisuudesta ja toimintakyvyistä.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
- Battistuzzi et al. 2023. Oxygenic photosynthetic responses of cyanobacteria exposed under an M-dwarf starlight simulator: Implications for exoplanet’s habitability. Frontiers in Plant Science, Volume 14.
- Hall et al. 2023. A New Definition of Exoplanet Habitability: Introducing the Photosynthetic Habitable Zone. The Astrophysical Journal Letters, submitted.
Kun tähtitiede loikkaa eteenpäin
Monen tähtitieteen tutkijan aamurutiineihin kuuluu sähköisten ennakkojulkaisujen arkiston arXivin tuoreiden julkaisujen silmäily aamukahvin lomassa. Se on ilmaiseksi selattavissa oleva arkisto, johon likimain jokainen tähtitieteen alan tutkimus tallennetaan tyypillisesti sen tultua hyväksytyksi julkaistavaksi jossakin tieteellisessä julkaisusarjassa. Tuorein tiede saatetaan siis kaikkien vapaasti luettavaksi ennen kuin sen varsinainen julkaisu monesti huomattavasti hitaammin toimivissa tiedeellisissä sarjoissa on ehtinyt tapahtua. Kyse on tieteen avoimuudelle ja saatavuudelle valtavan hyödyllisestä palvelusta ja menettelytavasta, ja suoraan sanoen ihmettelen miten niinkin moni kaupallinen julkaisija sietää palvelun olemassaoloa.
Tällä viikolla ei ole kuitenkaan mennyt päivääkään niin, että kahvi ei olisi ehtinyt jäähtymään jäätyäni aamuvarhaisella selaamaan tuoreita tutkimustuloksia. Muutoinkin nopeasti etenevässä eksoplaneettatutkimuksessa viikko on ollut aivan huikeaa uuden tiedon tykitystä ja vaikka jokainen tieteellinen artikkeli tuokin mukanaan vain jonkin pienen murusen uutta tietoa, tuntuu kuin olisimme tällä viikolla edistyneet vähintäänkin jonkinlaisen harppauksen verran tieteenalallamme.
Proxima b vaikuttaa elinkelvottomalta
Aiemmat arviot Proxima Centauria kiertävän elinkelpoisen vyöhykkeen eksoplaneetan Proxima b mahdollisesta elinkelvotomuudesta ovat saaneet lisää tukea. Uudessa tutkimuksessa (1) arvioitiin planeetan pintaan osuvaa suurienergisen hiukkas- ja sähkömagneettisen säteilyn voimakkuutta. Ollessaan elinkelpoisella vyöhykkeellä, jossa nestemäistä vettä voi lämpötilan puolesta esiintyä, punaisia kääpiötähtiä kiertävät planeetat ovat hyvin lähellä tähteää ja kiertävät ne vain muutamassa tai korkeintaan muutamassa kymmenessä päivässä. Silloin ne altistuvat suurille annoksille säteilyä, jos tähti sattuu olemaan aktiivinen nuoruutensa tai muiden tekijöiden vuoksi.
Proxima Centaurilla on muiden kaltaistensa pienten tähtien tapaan magneettikenttä, jonka voimakkuutta voi arvioida mallintamalla sitä tietokoneella. Mallintaminen taas on mahdollista, koska magneettikentästä on tehty havaintoja Zeeman-Doppler -kuvantamisella. Periaate on yksinkertainen. Tähden säteilyn spektriviivat jakautuvat Zeeman-ilmiön vuoksi useaan osaa, jotka voidaan erottaa toisistaan tarkoilla spektrimittauksilla — oleellisesti kyseessä ovat samanlaiset spektrihavainnot, kuin millä havaitaan tähden radiaalinopeuden jaksollisia vaihteluita ja siten planeettoja. Havainnoista saadaan siten selville tähden magneettikentän rakenne ja voimakkuus ja sitä mallintamalla voidaan arvioida sitä sähkömagneettista dynamoa, joka kentän aiheuttaa. Dynamot taas perustuvat siihen, että liikkuva varaus aiheuttaa magneettikentän — tähden sisuksissa kyse on sähköisesti varatun plasman liikkeistä tähden pyöriessä ja kuumemman plasman virratessa pintaa kohti.
Tuoreiden tutkimustulosten mukaan, tähtituuli puhaltaa Proxima b:n radan etäisyydellä noin 100-300 kertaa voimakkaampana kuin Maapallolla. Tähden ollessa aktiivisimmillaan, tähtituulen voimakkuus voi kasvaa jopa monituhatkertaiseksi. Se taas tarkoittaa, että Proxima b ei välttämättä kykene pitämään kiinni kaasukehästään, puhumattakaan nestemäisestä vedestä, joten planeetan luonne kandidaattina elinkelpoiseksi planeetaksi on vähintäänkin kyseenalainen. On kuitenkin mahdollista, että Maata massiivisempana Proxima b:n oma magneetikenttä voisi olla Maan kenttää huomattavasti voimakkaampi ja tarjota suojaa vihamieliseltä tähdeltään. Se on kuitenkin vain spekulaatiota, koska havaintoja ei ole ollut mahdollista tehdä.
Uusia elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja
Vaikka Proxima b vaikuttaakin elinkelvottomalta, uudet lähitähteä Gliese 1002 kiertävät kiviplaneetat eivät ehkä ole sitä (2). Tuoreiden havaintojen mukaan, tähteä kiertää kaksi arviolta Maan massaista planeettaa etäisyydellä, jossa niiden pinnoilla on sopivat lämpötilaolosuhteet nestemäisen veden esiintymiselle. Tähti sijaitsee vain 16 valovuoden etäisyydellä, joten se tarjoaa uuden esimerkin Auringon lähinaapuruston elinkelpoisen vyöhykkeen planeetoista. Tunnemme jo peräti seitsemän lähijärjestelmää, joissa on ainakin yksi elinkelpoisen vyöhykkeen kiviplaneetta. Ne ovat siten hyvin yleinen planeettatyyppi, vaikkakin kaikki esimerkit ovat punaisten kääpiötähtien järjestelmissä.
Tutkijoiden uusi löytö ei kuitenkaan tullut aivan helpolla siitäkään huolimatta, että heidän käytössään oli maailman tarkimmat havaintolaitteet, mukaan lukien Euroopan Eteläisen Observatorion ESPRESSO -instrumentti, joka on asennettu 10 metrin teleskoopille nimeltään VLT. Havaintoja häiritsi tähden pinnalla oleva pilkkurakenne, joka tuottaa havaintoihin jaksollisia vaihteluita noin 115 päivän jaksoissa. Tutkijat kuitenkin onnistuivat suodattamaan tähdenpilkkujen aiheuttamat vaihtelut pois havainnoistaan, mikä riitti planeettojen olemassaolon paljastumiseen.
Vetisiä maailmoja
Kepler -avaruusteleskoopin havainnoista löydetyt lukuisat planeetat eivät ole unohtuneet tähtitieteilijöiltä, vaan niiden jatkotutkimukset ovat käynnissä ja tuottavat jatkuvasti uusia tietoja planeettoen ominaisuuksista. Nyt tutkijat ovat saaneet tarkempaa tietoa neljän planeetan järjestelmästä tähden Kepler-138 ympärillä. Kaksi planeetoista on saatu punnittua tekemällä havaintoja radiaalinopeusmenetelmällä ja massojen avulla on voitu arvioida planeetojen keskitiheyttä ja siten koostumusta.
Planeettojen Kepler-138 c ja d tutkimus paljasti, että ne koostuvat aineksesta, joka on keveämpää kuin kivi mutta raskaampaa kuin neptunuksenkaltaisten planeettojen vedystä ja heliumista koostuva kaasuvaippa. Ainoaksi realistikseksi vaihtoehdoksi jää silloin vesi, jota on jopa puolet planeettojen kaikesta massasta. Aiemmin on ajateltu, että vastaavat noin 50% Maata suuremmat supermaapallot ovat koostumukseltaan maankaltaisia planeettoja, joilla on vain ohut kaasukehä peittämässä silikaattivaippaa ja metalleista koostuvaa ydintä. Tähden Kepler-138 supermaapalloilla on kuitenkin pinnallaan tuhansien kilometrien paksuinen meri, jonka pohjalla vesi muuttuu kovassa paineessa eksoottiseksi jääksi, jonka fysiikkaa ei ole voitu tutkia kovinkaan tarkasti maapallon olosuhteissa.
Vaikka meriplaneettojen olemassaoloa onkin ehdotettu perustuen siihen, miten yleisiä vedestä (jäästä) koostuvat kappaleet ovat omassa planeettakunnassamme, näinkin pienten supermaapallojen vetinen koostumus oli silti tutkijoille yllätys. Se kuitenkin alleviivaa vanhaa totuutta, jonka mukaan luonto ei ole vain ihmeellisempi kuin kuvittelemme, vaan ihmeellisempi kuin edes voimme kuvitella. Havaitut eksomeret eivät kuitenkaan ole elinkelpoisia, koska planeetat ovat niin lähellä tähteään, että kuumuus tekee niiden vetisestä pinnasta kiehuvan painekattilan, jossa elämän edellytyksiä ei ole. Elämän esiintyminen meriplaneettojen olosuhteissa voisi kuitenkin olla mahdollista, jos niiden lämpötila on sppiva ja elämän synty ei ole estynyt meren valtavan syvyyden vuoksi.
Uusia havaintoja James Webb -teleskoopilta
James Webb -avaruusteleskooppi on jo kirjaimellisesti ehtinyt mullistaa tähtitieteen. Emme ole kuitenkaan vielä nähneet mitä sen havainnot kertovat tasapainon reunalla keikkuvan TRAPPIST-1 järjestelmän planeettaseitsikosta. Havaintoja on tehty jo runsaasti, mutta niiden analysointi on edelleen kesken ja tuloksia ei ole julkaistu tutkijayhteisön nähtäville kokonaisuudessaan.
Tiedon murusia on kuitenkin jo ehditty paljastaa. TRAPPIST-1 järjestelmän planeettojen koostumus ei ole vielä tiedossa mutta tiedämme, että JWST kykeneen tekemään havaintoja niiden kaasukehien ominaisuuksista — jos niitä vain peittävät sopivan paksut kaasukehät. Tiedämme jo sen, että järjestelmän uloimmalla ylikulkevalla supermaapallolla TRAPPIST-1 g ei ole suojanaan paksua vedystä ja heliumista koostuvaa primitiivistä kaasukehää, joka peittää lukuisia minineptunuksia ja Neptunuksen kokoluokan planeettoja. Kyse on planeettakunnan suurimmasta planeetasta, joka sattuu sijaitsemaan tänden elinkelpoisella vyöhykkeellä. Primitiivisen vetypitoisen kaasukehän puute taas tarkoittaa sitä, että planeetta on luultavasti tyypillinen kiviplaneetta ja siten monella tapaa maankaltainen maailma. Koska kaasukehä ei ole vetypitoinen ja siten paksu ja helposti JWST:n havaittavissa, sen on oltava koostumukseltaan sellainen, jossa on suuria määriä painavampia molekyylejä kuten esimerkiksi hiilidioksidia. Vaikka koostumus ei olekaan vielä tiedossa, siitä julkistetaan varmasti lisää tietoa, kun havaintojen työläitä analyyseja saadaan valmiiksi lähitulevaisuudessa. Vastaavia viitteitä on saatu myös lämpimästä sisäplaneetasta TRAPPIST-1 b, jonka kaasukehältä niinikään puuttuu vetypitoiselle kaasukehälle tyypillinen paksuus ja ominaisuudet.
Tutkijat kuitenkin kertovat, että ensi vuoden puolella järjestelmän planeetoista saadaan kattavampaa tietoa, ja voimme ryhtyä tarkastelemaan niiden elinkelpoisuutta perustuen suoriin havaintoihin kaasukehien koostumuksista ja ominaisuuksista, eikä pelkästään laskennalliseen pintalämpötilaan ja tietokonesimulaatioihin.
Luvassa on kiinnostava tuleva vuosi eksoplaneettatutkimuksen saralla ja uskon, että mielenkiintoisten tutkimustulosten tulva jopa kasvaa lähitulevaisuudessa, kun esimerkiksi JWST:n thavaintojen käsittelystä tulee uutuuden sijaan rutiinia. Aion henkilökohtaisesti osallistua niin eksoplaneettatutkimukseen kuin tulosten popularisointiinkin, joten kannattaa seurata tapahtumia tällä kanavalla.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
- Garraffo et al. 2022. Revisiting the Space Weather Environment of Proxima Centauri b. ApJ, 941, L8.
- Suárez Mascareño et al. 2022. Two temperate Earth-mass planets orbiting the nearby star GJ 1002. Astronomy and Astrophysics, accepted.
- Piaulet et al. 2022. Evidence for the volatile-rich composition of a 1.5-Earth-radius planet. Nature Astronomy.
Viimeinen tutkimusmatka
Siellä, missä on mantereen reuna, alkaa valtameri. Planeettamme suurin. Kun erilaiset henkiolennot vielä vaelsivat vuoristoisilla mailla inkojen imperiumin laidalla, missä Maule -joki virtaa, aluetta asuttivat myös ”maan lapsiksi” itseään kutsuvat asukkaat. He olivat kulttuurillisesti ja kielellisesti omanlainen Etelä-Amerikan yhteisönsä, joka ei muodostanut inkojen tapaan valtiota, vaan lähinnä löyhemmän linnoitettujen kylien verkoston nykyisen Chilen ja Argentiinan alueilla. Mapuchet ovat edelleen Chilen lukumäärältään merkittävin alkuperäiskansa. Heidän mytologiassaan vesi tuo tulvan ja tuhon, kun kuivuus palauttaa kiinteän maan ja auringonpaisteen jatkuvassa hyvän ja pahan väliseksi rinnastuvassa kamppailussaan. Geologisesti nuoren Andien vuoriston alueella jäätiköiden sulamisvedet ja maanjäristysten tuottamat tsunamit tosiaan tuovat tuhon jatkuvissa sykleissä mutta laaksojen hedelmällinen maa antaa myös elannon niille, jotka muistavat kohdella sitä kunnioittavasti.
Nykyään ilmastonmuutos ei jätä Mapuche-kansan maita rauhaan. Kun Andien jäätiköt hupenevat, ne vievät mukanaan niin sulamisvesistä riippuvaiset joet kuin suuren osan maatalouttakin. Chileä vaivaa vesipula ja se vaikuttaa aivan kaikkeen mutta kyseessä on täysin keinotekoinen kriisi jopa unohtaen ilmaston lämpenemisen. Kriisin keskiössä on ravinteikas, ruskean kuoren peittämä hedelmä, jonka vihreän sisällön kasvava kysyntä Euroopassa ja Yhdysvalloissa on saanut viljelijät laajentamaan sen viljelyyn käytettyä maa-alaa Chilen hedelmällisissä laaksoissa Santiagon pohjoispuolella. Diktatuurilta peritty talousmalli ja halpa maa tarjosivat mainiot olosuhteet tuottaa runsain mitoin avokadoja länsimaiden ahnaille markkinoille mutta kuten lähes aina, riistävä liiketoimintamalli rikastutti harvoja ja johti ulkoisvaikutuksinaan vakaviin ongelmiin.
Kun valtavat avokadoplantaasit imevät jokien koko virtaaman, näivettäen ne kuiviksi uomiksi, paikalliset asukkaat joutuvat rajoittamaan veden käyttöä ja jopa tuomaan juomavetensä muualta. Samalla monokulttuuriset plantaasit kiihdyttävät eroosiota ja heikentävät viljelysmaan laatua ja niiden viljelyssä käytetyt runsaat torjunta-aineet saastuttavat pohjaveden. Chilen markkinaliberaali lainsäädäntö on kuitenkin antanut maanomistajille lähes vapaat kädet käyttää omistamiensa maiden resursseja haluamallaan tavalla. Vaikka maiden läpi virtaisi joki, ei yksityisten omistajien ole juurikaan tarvinnut piitata alajuoksulle aiheuttamastaan vesipulasta tai sinne valuvista saasteista. Kourallinen suuria maanomistajia pitääkin hallussaan suurinta osaa Petorca -provinssin vedestä, mikä vain kuvastaa yksityisomistuksen vahingollisuutta varallisuuden annettaessa kasautua rajoitta harvoille. Alue on lisäksi valtaosan vuodesta kuivaa ja avokadon kasvattaminen vaatii runsaasti vettä, peräti 320 litraa jokaista hedelmää kohti, mikä on johtanut pysyvään kuivuuteen provinssin laaksoissa luonnolle ja ihmisille tuhoisalla tavalla.
Suuret tuottajat kukoistavat samalla kun ihmiset kärsivät. Sama kehityskulku on nähty uudelleen ja uudelleen aivan liian monessa yhteydessä mutta Chile on murrosvaiheessa, pyristelemässä eroon viimeisistä uusliberaalin sotilasdiktatuurin kahleista. Lakimuutokset, erityisesti yritys saattaa voimaan Chilen uusi perustuslaki, ovat tuomassa mukanaan parempaa. Vesi määriteltiin jo lainsäädännöllisesti loukkaamattomaksi ihmisoikeudeksi. Uusi perustuslaki taas tähtää tieteen ja tutkimuksen aseman parantamiseen, luonnon ja ympäristön suojeluun, sekä koulutuksen aseman, rahoituksen ja saatavuuden merkittävään parantamiseen. Vaikka se kaatuikin kansanäänestyksessä paljolti taloudellisen eliitin käynnistämän propagandakampanjan ja konservatiivien vastustuksen turvin, uutta dokumenttia pidetään laajasti parannuksena verrattuna diktatuurin aikana tuotettuun nykyiseen perustuslakiin. Päätellen ainakin siitä, että kirjoittajina on demokraattisesti valittu joukko kansalaisjärjestöjen edustajia, tutkijoita, opettajia ja opiskelijoita, sekä alkuperäiskasojen edustajia, eikä niinkään sotilaita, taloudellista eliittiä tai poliitikkoja, on hyviä syitä luottaa uuden perustuslain tuovan mukanaan mahdollisuuden parempaan, jos se vain saadaan voimaan.
Mutta tarkoitukseni ei ole kirjoittaa Chilen poliittisesta ilmapiiristä tai edes planeettamme ekosysteemejä ja ihmisyhteisöjä uhkaavasta ilmastokatastrofista. Ne luovat vain näyttämön omalle tutkimusmatkalleni Etelä-Amerikan länsirannikolle, Andien valtavan vuoriston kupeeseen. Olen matkustanut Chileen tekemään tutkimusta, tapaamaan pitkäaikaisia yhteistyökumppaneitani ja kollegoitani, sekä ystäviä. Chile on tähtitieteen paratiisi, jossa sijaitsee yli 70% kaikesta ihmiskunnan rakentamasta tähtitieteellisestä valon keräämiseen suunnitellusta kapasiteetista peilipinta-alalla mitattuna. Olen käynyt maassa aiemmin neljästi ja jokainen vierailu on ollut menestys niin tieteen etenemisen kuin paikallisten opiskelijoidenkin kannalta. Ounastelen kuitenkin tämän viidennen kerran olevan viimeinen, vaikken oikein osaakaan perustella miksi.
Mannertenväliset lennot tuovat mukanaan monenlaista tuskaa. Huomaan kipuilevani jo astuessani lentokentän terminaalirakennuksen maanpäälliseen kulutushelvettiin, joka muistuttaa kuhinaltaan lähinnä painajaismaisia joulumarkkinoita myynnin maksimointiin suunnitellussa kauppakeskuksessa. Lepopaikkoja tai rauhaa ei juuri ole, ja jokainen epämukava istuinkin on asetettu siten, että ihmiset ohjataan kuluttamaan maksimaalisesti. Kaikkialla on matkamuistoja ja kaikenlaista rojua, jota kukaan ei tarvitse, sekä loppumattomat rivit luksustuotteita, joita heikossa asemassa olevat epätoivoiset ihmiset tuottavat kaukoidän hikipajoissa. Minkä dystopian olemmekaan luoneet!
Yhtä kivuliasta on viettää lentokoneen aivan liian pienessä tuolissa vajaat parikymmentä tuntia koettaen lääkitä kipeytynyttä selkää ja puutuneita jalkoja kirjallisuudella ja runsaalla määrällä punaviiniä. Koska nukkuakaan ei voi, lentokoneessa tulee vietettyä aikaa ajatellen. Päällimmäisenä mielessä on seuraava kipuilun aihe — lennosta aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt. Vaikka olenkin kompensoinut päästöni rahoittamalla väliamerikkalaisia pienviljelijöiden metsitysprojekteja ja siten koettanut ostaa itselleni hyvän omatunnon, en osaa olla tyytyväinen. Ilmastokatastrofi uhkaa meitä kaikkia ja jokainen toimenpide tarvitaan. Sen sijaan, että ”kompensoimme” toiminnastamme aiheutuvat päästöt meidän tulisi vähentää sitä päästöjä tuottavaa toimintaa ja samanaikaisesti toteuttaa kaikki kompensaatioiksi kaavaillut toimenpiteet. Enkä aivan luota kompensaatiopalveluita tarjoavien yritysten toimintaan, koska ei ole lopultakaan mitään takeita, että ne tosiaan toimivat luvatulla tavalla.
Motiivini kestää kaikki lentomatkailusta aiheutuva kipu on kuitenkin yksinkertainen. Olen akateemisen maailman nomadi, vailla virkaa ja siten taloudellista turvaa, ja joudun pyrkimään tutkimustyöni tuotteliaisuuden maksimointiin tai riskeeraan työttömyyden ja siitä aiheutuvan taloudellisen ahdingon. Olen yhteiskuntamallin vankina epävarmassa taloudellisessa tilanteessa ja minun on käytännössä pakko takertua jokaiseen tarjottuun oljenkorteen — on tartuttava kynään kirjoittaakseni hakemuksen jokaiselle mahdolliselle tutkimusrahoitusta tarjoavalle säätiölle ja huolehdittava verkostoitumisesta, julkaisuluettelon laajuudesta ja kokemuksesta. Chilestä en saa tulevaisuudessa rahoitusta mutta matkan on tarkoitus tuottaa muita oljenkorsia.
Lentokoneessa on kuitenkin vain hyvin rajallisesti tilaa tehdä mitään järkevään kuten valmistella seminaariesitystä, koska kannettava tietokone mahtuu vain juuri ja juuri edessä olevalle pienelle kokoontaitettavalle pöydälle. Käsiäkin on vaikeaa saada tietokoneen käyttöön soveltuvaan asentoon, jos viereiset istuimet eivät ole vapaina. Onnistun kuitenkin laatimaan esitystä jonkin verran — aiheena on Proxima Centaurin rikas planeettakunta ja siitä tehtyjen havaintojen uudelleenanalysointi. Yksi Santiagon Diego Portalesin yliopiston paikallisista tutkijoista, Jose Prieto, on pyytänyt minua pitämään esitelmän aiheesta. Yliopisto on yksityinen, mikä on suomalaisesta näkökulmasta omituinen järjestely, mutta en tuhlaa aikaani hallinnollisten asioiden pohtimiseen. Minulla on kiinnostavaa esitettävää liittyen Proxima Centaurin planeettojen ominaisuuksiin ja varmentamiseen riippumattomilla havainnoilla. Olen nimittäin onnistunut riipimään olemassaolevista havainnoista aiempaa enemmän informaatiota puhtaasti matemaattisen data-analyysin keinoin, ja haluan kuulla mitä chileläiset kollegani asiasta ajattelevat. Olen saanut uutta tietoa planeettakunnasta mutta samalla olen onnistunut määrittämään itse tähden pintarakennetta — sen pilkut vaikuttavat niin kirkkaushavaintoihin kuin spektroskooppisiinkin mittauksiin ja niiden koko ja näennäinen liike tähden pinnalla sen pyöriessä kiinteästä kappaleesta poikkeavalla tavalla vaihtelevalla nopeudella eri leveyspiireillä antavat tietoa tähden itsensä magneettisesta dynamosta ja sen fysiikasta.
Tuoreissa tuloksissani on kuitenkin muutakin kiinnostavaa. TESS -avaruusteleskoopilla ja muilla instrumenteilla tehtyjen kirkkaushavaintojen variaatiot aiheutuvat paljolti kahdesta lähteestä: roihupurkauksista ja tähdenpilkuista. Erityisesti pilkut, joita tähden pyöriessä saapuu jatkuvasti sen näkyvälle puolelle himmentäen näennäistä kirkkautta ja poistuu toisella reunalla, aiheuttavat järjestelmällisiä variaatioita noin 83 päivän sykleissä. Roihupurkaukset taas näkyvät tähden merkittävänä kirkastumisena satunnaisina ajankohtina minuuttien tai korkeintaan kymmenien minuuttien ajaksi. Molemmat ilmiöt voivat antaa kiinnostavaa tietoa tähden pinta-aktiivisuudesta ja siten fysiikasta mutta ne voivat myös peittää alleen huomattavasti pienemmät kirkkausvaihtelut: sellaiset, jotka aiheutuvat planeettojen liikkeestä tähden editse. Vaikka Proxima b ei olekaan sopivalla radalla kulkeakseen tähden pinnan editse, jokin järjestelmän muista planeetoista saattaa hyvinkin olla. Siksikin kirkkausvariaatioiden ymmärtäminen on tärkeää.
Raapustan muutaman yhtälön muistikirjaani ja mietin mitä ne tarkoittavat. On mahdotonta pohtia tiedettä kovinkaan kauan ahtaassa, hikisessä lentokoneen kapselissa, vaan käytän mielummin aikani kulttuurin parissa. Kun olkalaukusta löytyy kiinnostavaa kirjallisuutta on aina mahdollista paeta lukemattomiin maailmoihin jättäen oman ruumiinsa kärsimään puutuneista jaloista ja kipeytyneestä selästä pienikokoisemmille ihmisille suunnitellussa istuimessa.
Saavun pian Santiagon miljoonakaupunkiin, jonka paksu savusumu peittää kaupungin toisen laidan näkyvistä. En kuitenkaan jää pilaamaan keuhkojani huonolaatuisella hengitysilmalla, vaan matkaan ystäväni ja kollegani James Jenkinsin kanssa aavistuksen verran kaupungin ulkopuolelle, Pirquen maalaismaakuntaan, missä viinitilat kukoistavat ja ilma on raikasta. Apulaisprofessorina Diego Portalesin yliopistossa toimiva James Jenkins on yksi pitkäaikaisimmista yhteistyökumppaneistani ja olemme yhdessä julkaisseet vuosikymmenen aikana noin 30 tieteellistä artikkelia. Puitteet hedelmälliseen yhteistyöhön ovat siis ainakin kunnossa.
Kirjoitus on ensimmäinen osa matkapäiväkirjastani Chilen Santiagoon marraskuussa 2022. Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Jos joskus kohtaamme elävän planeetan
Tieteiskirjallisuudessa on leikitelty ajatuksella siitä, että ihmiskunta havaitsisi elävän eksoplaneetan ja vierailisi sen pinnalla. Aluksi ihmiset saapuvat vieraalle planeetalle ja ihmettelevät sen kauneutta ja omituisuutta. Seuraavassa hetkessä materiaalisten rikkauksien haalintaan pyrkivä lajimme ryhtyy kuitenkin rosvoamaan paikallisia luonnon resursseja tuhoisalla tavalla. Seurauksena on tavallisesti kaaos, väkivaltaa, sankaritekoja ja lopussa ihmiset joutuvat luopumaan kolonialistisista aikeistaan — ainakin joksikin aikaa. Vaikka nykyteknologia ei salli läheisten eksoplaneettojen järjestelmiin pääsyä ja astumista niiden pinnalle, teknologinen kehitys voi sen joskus kaukaisessa tulevaisuudessa mahdollistaa. Tarvitaan vain teknologiaa matkustaa relativistisella nopeudella ja pysäyttää matkaajien elintoiminnot pitkän matkan ajaksi, jotta he pääsevät hengissä ja liikaa ikääntymättä perille, mutta periaatteessa fysiikan kompromisseihin suostumatttomat lait mahdollistavat tähtienvälisen matkan.
Oletetaan yhden ihmissukupolven eläessä tehtävän matkan olevan mahdollinen. Todennäköisimmässä skenaariossa ihmiset saapuvat aluksi lähitähteä kiertävälle elävälle planeetalle tutkimaan sen biosfääriä, geologiaa ja ilmastoa. He ovat immuuneja paikan mikrobeille, joiden erilainen biokemia ei edes tunnista ihmisiä eläviksi. Monisoluiset saalistajat saattavat tunnistaa ihmiset saaliiksi heidän liikkumisensa tai tasalämpöisyytensä perusteella mutta avaruusmatkailun mahdollistava teknologia (mukaan lukien valtavan tehokkaat ja monipuoliset aseet) ehkäsee niistä ihmisille koituvat vaarat varsin helposti. Apuna ovat myös huipputekniset suojapuvut ja kypärät, joita tarvitaan joka tapauksessa, koska vieraan planeetan kaasukehä tuskin on ihmisten hengityselimistölle sopiva.
Aluksi ihmiset vain perustavat tutkimusaseman, ottavat näytteitä ja selvittävät uuden maailman ominaisuuksia mutta jos olosuhteet sen sallivat, he asettuvat aloilleen, rakentavat asutuskeskuksia ja kaupunkeja ja valtaavat tilaa tuottaakseen kasvavalle väestölle ravintoa. He ottavat lisää tilaa planeetalta louhiakseen sen kuorikerroksen metalleja ja mineraaleja rakennusaineiksi ja teollisuuden tarpeisiin. Satojen vuosien kuluessa populaatio kasvaa ja yhä suurempi osa planeetan pinnasta otetaan ihmisten käyttöön. Prosesissa syntyy tietenkin konflikteja paikallisen faunan kanssa, mutta olipa se kuinka älykästä hyvänsä, sen tarpeet siirretään nopeasti sivuun ihmisten tarpeiden tieltä. Yksikään paikallinen laji ei voi uhata avaruusteknologian kehittänyttä vieraslajia muutoin kuin hetken verran jossakin hyvin rajatussa paikassa. Kolonialismi tulee väistämättä valmiiksi ja lopulta ihmiset asuttavat koko planeetan. Alkuperäinen luonto saa väistyä muualta paitsi kenties sille erikseen suunnitelluista luonnonpuistoista ja reservaateista, aivan kuten Maassakin.
Ennen tähtienvälisessä matkailussa onnistumista ja vierailuja lähimmillä eksoplaneetoilla, ensimmäisenä kolonialismin kohteena on Mars (Kuva 1.). Samalla kun hävitämme oman kotiplaneettamme viimeisiä luonnollisia elinympäristöjä, saatamme kyetä rakentamaan keinotekoisia biosfäärejä naapuriplaneetallemme. Jos selviämme Maassa aiheuttamastamme tuhosta ja vältämme sivilisaation romahduksen muuttaessamme ilmastoa ja kutistaessamme biosfäärin murto-osaan siitä, mitä se oli lajimme syntyessä ja kehittyessä, saatamme hyvinkin viedä tapamme ja taipumuksemme muillekin planeetoille. Kuvaan tulevat ensimmäisenä Marsin ja Kuun kaupungit ja teollisuuslaitokset asteroidien malmi- ja mineraalilouhoksilla. Samaan aikaan alkaa teollisen avaruusturismin aikakausi yritysten rakentaessa hotelleja ja lopulta pysyvää asutusta planeettamme kiertoradalle. Hiljalleen avaruusasemia valmistuu Aurinkokuntamme muidenkin kappaleiden kiertoradoille — tutkijat ovat jopa esittäneet mahdollisuuden rakentaa siirtokunta avaruushisseineen kääpiöplaneetta Ceresin kiertoradalle (1). Vaikka ensimmäiset siirtokunnat rakennetaankin oikeudelliseen tyhjiöön, ne tuskin jäävät vaille omia oikeusjärjestelmiään ja sopimuksia, joilla taataan edes joitakin inhimillisen elämän perusasioita. Dystooppisilta piirteiltä tuskin kuitenkaan voidaan täysin välttyä.
On yksi asia perustaa siirtokunta toiselle oman aurinkokuntamme planeetalle ja kokonaan toinen tehdä siitä omavarainen. Se edellyttäisi toimivan biosfäärikokonaisuuden siirtämistä aluksi avaruusalukseen ja lopulta toisen planeetan pinnalle siten, että sen vuorovaikutukset pitäisivät järjestelmän terveenä, kestävänä ja resistenttinä uusille olosuhteille. Sellaiseen ei olla kyetty vielä edes oman planeettamme pinnalla, jossa hengitysilma, lämpötila, säteilyolosuhteet ja muut kriittiset tekijät ovat suotuisia planeettamme biologisille organismeille, eikä paineistettuja suojakapseleita tarvita tappavassa ympäristössä selviämiseen. Asia saa aivan uudet mittasuhteet, jos ajattelemme toista tähteä kiertävän planeetan kolonisointia. Näköpiirissä olevalla teknologialla, jo lähimmän tähtemme Proxima Centaurin potentiaalisesti elinkelpoisen planeetan valitseminen siirtolaisten uudeksi kodiksi vaatisi vähintään sadan ihmisen populaation lähettämisen tuhansien vuosien matkalle vailla toivoa siitä, että matkaan lähtijät itse koskaan näkisivät määränpäätään.
Käytännössä, kohdatessamme toisen elävän planeetan, ensimmäistä kontaktia vieraaseen elämään ei varmasti synny matkustamalla paikan päälle matkustusprojektin keston ja muiden valtavien vaatimusten vuoksi. Sen sijaan, havaitsemme luultavasti ensimmäiseksi jonkin nestemäistä vettä pinnallaan ylläpitävän planeetan kaasukehässä merkkejä kemiallisesta epätasapainosta, joka viittaa eläviin organismeihin. Sellaisia merkkejä saatettaisiin saada havaittua vaikkapa transmissiospektroskopialla — nykyisin käytössä olevalla menetelmällä, jossa tarkkaillaan miten tähden valo muuttuu sen kulkiessa planeetan kaasukehän läpi ylikulun aikana. Havainnoilla voitaisiin saada vain viitteitä biosfääristä, ja varmojen tulosten esittäminen tässä ensimmäisessä vaiheessa olisi luultavasti hyvin vaikeaa.
Seuraava askel on itse planeetan säteilyspektrin tutkiminen, johon vaaditaan suoraa kuvaamista lähitulevaisuuden maanpäällisillä jättiläisteleskoopeilla tai uusilla avaruusteleskoopeilla. Silloin voisi olla mahdollista havaita kompleksisia molekyylejä planeetan kaasukehästä kertomassa siitä, että pelkät elottomat kemialliset reaktiot eivät riitä selittämään planeetan kaasukehän kemiaa. Tässä vaiheessa tutkijat luultavasti jo itsekin uskaltaisivat arvella julkisuudessa löytäneensä elävän planeetan eivätkä vain planeettaa, jonka olosuhteissa elämän esiintyminen on mahdollista.
Sen jälkeen vuosikymmeniin ei luultavasti tapahtuisi juuri mitään. Planeetasta, sen olosuhteista ja elämästä saataisiin pieniä tiedon murusia jatkuvalla syötöllä mutta elävien organismien itsensä tarkkailuun ei olisi mitään mahdollisuuksia pitkiin aikoihin. Uusia vastaavia planeettoja saattaisi myös löytyä mutta niistä olisi mahdotonta saada sen tarkempaa tietoa. Paras, mihin pystyisimme, olisi mikroskooppisten robottiluotainten ohilentolaivueiden lähettäminen matkaan ja niiden tekemien havaintojen vastaanottaminen, kun luotaimet vuosikymmeniä myöhemmin lähettävät ensimmäiset havaintonsa radiovastaanottimiimme. Se tarkoittaisi tähtienvälisen avaruuden valloittamisen ensiaskelta mutta antaisi suuntaviitat myös tulevaisuudelle. Luultavasti kestää vielä satoja vuosia ennen kuin rohkenemme edes vakavasti harkita ihmisten lähettämistä tähtienväliselle matkalle. Sillä aikaa robottiluotaimemme tutkivat Aurinkokunnan joka kolkan ja suorittavat ensimmäisiä karkeita tutkimuksia myös lähitähtien järjestelmissä aivan kuin ne nyt tekevät esimerkiksi Marsin pinnalla.
Mutta kun ihmissiirtolaisten lähettäminen tähtiin alkaa, tuskin kukaan voi ennustaa mitä siitä seuraa. Se on oman sivilisaatiomme yksi mahdollinen tulevaisuus, jonka saamme itse kirjoittaa haluamallamme tavalla. Ehkäpä tieteiskirjailijat ovat osuneet kuvauksissaan oikeaan. Tai ehkä eivät. On syytä kuitenkin toivoa, että olemme ottaneet opiksi kolonialismin omalla planeetallamme aiheuttamasta tuhosta ja kärsimyksestä, emmekä päädy vain toistamaan historiamme virheitä. Toisaalta, jos historia meille jotain opettaa, niin sen, että emme lajina opi historiastamme yhtään mitään.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Lisää aiheesta
Lähteet
Gaia planeettajahdissa
James Webb -avaruusteleskooppi on jättänyt mediassa viime aikoina varjoonsa muut tuoreet tähtitieteen kehitysaskeleet. Kyseessä on tietenkin merkittävä havaintoinstrumentti mutta muitakin mainioita havaintolaitteita on ammuttu viime vuosina taivaalle ja niiden tuottamat havainnot ovat niin ikään mullistaneet käsityksemme lähitähdistä ja niiden planeettakunnista. TESS -avaruusteleskooppi on esimerkiksi havainnut lähes 5000 uutta eksoplaneettaa, joista valtaosa on edelleen varmentamatta ja sen havaintojen pohjalta on kirjoitettu jo lähes tuhat tieteellistä artikkelia. Mutta tähtitiedettä on palvellut vieläkin paremmin eräs hiukan tuntemattomammaksi jäänyt, Lagrangen toisessa pisteessä JWST:n seurana Aurinkoa kiertävä Gaia -satelliitti. On vain sopivaa, että Gaia tervehti kumppanikseen saapunutta JWST -instrumenttia ottamalla tästä kuvan (Kuva 1.).
Gaia on tuottanut aivan valtavasti perustavanlaatuista dataa Auringon kosmisesta lähinaapurustosta ja galaksimme kotinurkkauksesta. Sen havaintokampanja on yksinkertainen: Gaia kartoittaa useaan kertaan koko taivaan kaikki riittävän kirkkaat tähdet ja havaitsee niitä kourallisella erilaisia suodattimia. Se osaa kartoittaa tähtien tarkat paikat taivaalla ja selvittää niiden värit, joiden perusteella voidaan arvioida tähtien tyyppejä ja fysikaalisia ominaisuuksia. Lisäksi, paikkahavainnot tehdään useaan kertaan, joten on mahdollista selvittää tähtien liikkeet havaintokampanjan kuluessa. Kun havaintoja toistetaan puolen vuoden välein, Maan ja Gaia -satelliitin ollessa radallaan eri puolilla Aurinkoa, pääsemme näkemään tähtien parallaksin, eli paikan suhteellisen muutoksen verrattuna kaukaisiin taustataivaan tähtiin. Silloin saadaan kolmiomittauksen keinoin selville myös niiden etäisyydet. Gaia tuottaa siis kolmiulotteisen kartan Auringon lähinaapuruston tähdistä, mitaten verrattaen tarkasti jopa miljardin tähden paikat ja liikkeet omassa galaksimme nurkkauksessa.
Mutta Gaiakin voi nähdä planeettoja kiertämässä lähitähtiä. Toistaessaan tähtien paikkamittaukset noin 70 kertaa, Gaia voi antaa tietoa niiden heilahtelusta taivaalla johtuen jättiläisplaneettojen vetovoimavaikutuksesta. Menetelmää kutsutaan astrometriseksi menetelmäksi, ja se on ensimmäinen havaintotekniikka, jolla eksoplaneettojen havaitsemista koetettiin jo 1900-luvun alkupuoliskolla. Tuolloiset instrumentit olivat kuitenkin tarkkuudeltaan liian vaatimattomia ja eksoplaneettojen havaitseminen sai odottaa muiden tekniikoiden esiinmarssia. Mutta Gaia -avaruusteleskooppi on tekemässä myös astrometrisistä planeettahavainnoista arkipäivää (1). Gaian havainnoista on odotettavissa tuhansia uusia eksoplaneettoja ja useiden tunnettujen lähiplaneettojen varmennuksia, kun teleskoopin data saadaan prosessoitua ja julkaistua tutkijoiden tarkasteltavaksi (Kuva 2.). Astrometrinen menetelmä on parhaimmillaan keveiden lähitähtien massiivisten planeettojen havainnoinnissa mutta luvassa on todennäköisesti myös yllätyksiä, kun havaintojen käytännön tarkkuus selviää lähitulevaisuudessa.
Esimakua Gaian kyvyistä on kuitenkin jo saatu edellisten kahden havaintojen julkaisun myötä. Tajusimme muutama vuosi sitten, että Gaian havaittua tähtien paikkoja kahteen kertaan, ja määritettyä ensimmäistä kertaan kaikkien lähitähtien ominaisliikkeet ennätyksellisen tarkasti, tuli mahdolliseksi verrata saatuja ominaisliikkeitä aiempiin Hipparcos -satelliitin havaitsemiin arvoihin. Poikkeamat näiden kahden arvon välillä tarkoittavat sitä, että tähden liike on muuttunut, eli tähti on kokenut kiihtyvyyttä. Sellaista voisi aiheuttaa vain tähtikumppanin tai massiivisen planeetan vetovoima, joten pääsimme jo varhain tarkastelemaan olisiko minkään lähitähden liikkeessä havaittavissa olevaa kiihtyvyyttä. Ensimmäiset tulokset paljastivatkin jupiterinkaltaisen planeetan kiertämässä läheistä auringonkaltaista tähteä nimeltään Epsilon Indi, ja yhdistäessämme havainnot radiaalinopeusmenetelmällä havaittuun liikkeeseen onnistuimme määrittämään tähteä kiertävän jättiläisplaneetan radan (2) muodon ja orientaation avaruudessa.
Epsilon Indi b on runsaat kolme kertaa Jupiterin kokoinen massaltaan ja kiertää tähden 45 vuodessa mutta pelkkä planeetan vetovoiman aiheuttama tähden liikkeen muutos riitti määrittämään sen radan ominaisuudet ja massan. Kyseessä on lähin tunnettu jupiterinkaltainen jättiläisplaneetta ja se sijaitsee vain noin 12 valovuoden päässä Aurinkokunnasta. Epsilon Indi voi siis tarjota lähimmän esimerkin hierarkisesta planeettakunnasta auringonkaltaisen tähden ympärillä. Sellaisen, jossa ulompana on kaasujättiläinen tai jopa useampia ja sisempänä kivisiä maailmoja — ehkäpä jokin tai jotkut niistä ovat tähden elinkelpoisella vyöhykkeellä.
Lähiplaneetoista ainakin Proxima c, lähimmän tähtijärjestelmämme Proxima Centaurin viileä supermaapallo, on mahdollista varmentaa Gaian havainnoista (1). Sen olemassaolosta on saatu viitteitä peräti kolmella menetelmällä — radiaalinopeushavainnoista, Hubble -avaruustelekoopin astrometriasta ja suoralla kuvaamisella mutta planeetan olemassaolo on edelleen aavistuksen verran kyseenalaista. Gaian havainnoista planeetan olemassaolo voidaan varmistaa täysin riippumatta muilla menetelmillä saaduista tuloksista. Havaintoja päästään tarkastelemaan kesäkuussa, joten loppuvuodeksi on tiedossa paljon mielenkiintoisia tietoja lähitähtien planeettakunnista, kun tähtitieteilijät pääsevät asettamaan saatuja uusia havaintoja tähtitieteelliseen kontekstiinsa ja vertaamaan niitä tunnettuihin tietoihin lähitähtiä kiertävistä planeetoista.
Vaikka onkin mahdotonta sanoa ennakkoon mitkä planeettakandidaatit saavat varmennuksen ja mitkä osoittautuvat vaikkapa ruskeiksi kääpiöksi tai jopa kokonaan virhehavainnoiksi, se on kuitenkin varmaa, että ikivanha menetelmä, astrometria, nousee vihdoinkin tuottavuudessaan ja kiinnostavuudessaan muiden merkittävien eksoplaneettojen havaintotekniikoiden rinnalle. Pääsemme tutkimaan tarkemmin Auringon lähinaapuruston jättiläisplaneettojen populaatiota. Vaikka näitä planeettoja onkin havaittu runsaasti radiaalinopeusmenetelmällä, astrometristen havaintojen avulla saadaan vihdoinkin määritettyä niiden ratojen orientaatiot avaruudessa ja samalla tarkat massat, ei vain massan alarajaa.
Kirjoitus on julkaistu ensimmäisenä Tähtitieteellinen yhdistys Ursan blogissa Eksoplaneetta hukassa.
Mikko Tuomi
Satunnaislukuja 