Havainto elämän merkeistä eksoplaneetalla?
Tähtitieteilijät ovat havainneet elämän merkkejä kaukaisen planeetan kaasukehästä. Niin ainakin sanotaan, erilaisin variaatioin, monen uutismedian otsikoissa kerrottaessa uudesta James Webb -avaruusteleskoopilla tehdystä havainnosta ja sen tulkinnasta. Asia ei tietenkään ole niin yksioikoinen, ja suoranaisia elämän merkkejä ei ole havaittu. Emme ole nähneet elävien organismien temmeltävän eksoplaneetan savanneilla tai havainneet edes vilausta kasvillisuudesta yhdenkään eksoplaneetan pinnalla. Mikrobeistakaan ei ole havaittu minkäänlaisia suoranaisia merkkejä. On kuitenkin saatu varsin luotettavalta vaikuttava havainto kahdesta yksinkertaisesta molekyylistä planeetan K2-18 b kaasukehässä. Havainto on kaikkiaan kiinnostava tieteellisesti, vaikka pidättäytyisimme hyppäämästä spekulaatioihin elämän esiintymisestä planeetan olosuhteissa, koska se kertoo planeetan ominaisuuksista. Mutta mistä oikein on kyse?
Astronomit ovat havainneet verrattaen kaukaista, noin 124 valovuoden etäisyydellä Aurinkokunnasta sijaitsevaa tähteä K2-18 käyttäen JWST:n huikaisevaa havaintotarkkuutta. Tähti tarjoaa mainion mahdollisuuden sitä kiertävän, noin yhdeksän kertaa Maata massiivisemman ja 2.7 kertaa kookkaamman planeetan havaitsemiseen ylikulkumenetelmällä, koska planeetta kulkee radallaan tähden editse oman planeettakuntamme suunnasta katsottuna. Kyseeseen tulee transmissiospektroskopiaksi kutsuttu menetelmä, jossa havaitaan kuinka paljon tähden säteilyä planeetta peittää kulkiessaan sen editse. Tarkasteltaessa eri aallonpituuksia voidaan silloin havaita planeetan olevan näennäisesti eri kokoinen, koska sen kaasukehä läpäisee eri aallonpituuksien säteilyä eri tavoin, riippuen kaasukehän koostumuksesta. Se antaa mahdollisuudne tutkia mitä molekyylejä planeetan kaasukehän yläosissa on.
Planeetta on luokiteltu hyseaaniseksi planeetaksi, mikä tarkoittaa vain sitä, että sen suhteellisen paksun, pääasiassa vedystä koostuvan kaasukehän arvellaan piilottelevan allaan valtamerta. Se on planeetta, jollaisia omassa planeettakunnassamme ei ole ainuttakaan. K2-18 b on jonkinlainen kivi- ja kaasuplaneetan välimuoto. Se ei oikein ole tyypillinen minineptunus, koska paksu kaasuvaippa vaikuttaa puuttuvan, muttei missään nimessä tavallinen kivinen supermaapallokaan, vaan jotakin omituista siltä väliltä. Koostumuksesta kertoo planeetan keskitiheys, joka on saanut tutkijat ehdottamaan planeetan koostuvan suurelta osaltaan vedestä. Se olisi silloin vetypitoisen kaasukehän verhoama valtameriplaneetta, joka sattuu sijaitsemaan keskellä tähtensä elinkelpoista vyöhykettä.
Cambridgen yliopiston astronomi Nikku Madhusudhan, joka on tutkinut planeettaa ja sen ominaisuuksia jo vuosia, ehdotti vetistä koostumusta jo muutama vuosi sitten. Hän myös otti käyttöön nimityksen ’hyseaaninen’, joka on vain yhdistelmä englannin kielen vetyä ja valtamerta tarkoittavista sanoista. Kuitenkin, vaikka puhutaankin valtavasta määrästä vettä, ei ole lainkaan varmaa, että planeetan valtamerellä on edes pintaa. Jos kaasukehä on riittävän paksu, se muuttuu alaosissaan nesteeksi suuressa paineessa vailla selkeää kaasun ja nesteen erottavaa rajapintaa. Nykyisistä havainnoista ei voida myöskään varmuudella sanoa, onko kyse valtamerestä, vaikka vesihöyryn olemassaolo onkin havaittu planeetan kaasukehän yläosissa tilastollisesti merkitsevällä tavalla. Silti, edes vesimolekyylien olemassaolo kaasukehässä ei ole täysin aukottomasti osoitettu, ja sitä on joka tapauksessa vain hyvin pieninä, korkeintaan tuhannesosan pitoisuuksina.
Juuri Madhusudhan ryhmineen julkaisi jo aiemmin viitteitä eräästä toisesta molekyylistä, dimetyylisulfidista, planeetan K2-18 b kaasukehässä. Viitteitä oli vain vähän, mutta ne herättivät tutkijoiden ja koko astrobiologiyhteisön mielenkiinnon. Havainto tehtiin sekin JWST:n ylikulkumittauksista, mutta käytetty teleskoopin instrumentti ei ollut kovinkaan hyvin soveltuva juuri dimetyylisulfidin havaitsemiseen. Siksi ryhmä päätti hakea havaintoaikaa toistaakseen havainnot sopivammalla instrumentilla. Mutta mikä tekee juuri dimetyylisulfidista kiinnostavan yhdisteen?
Koko päättelyketjun pohjalla on Maapallon elämä ja sen toiminta meille tutuissa olosuhteissa. Mikrobit nimittäin tuottavat dimetyylisulfidia maapallolla käyttäessään rikkipitoisia yhdisteitä aineenvaihdunnassaan. Merkittävää on se, että dimetyylisulfidia vapauttavat merelliset mikrobit, täsmällisemmin kasviplanktoniksi luettavat merten yhteyttävät organismit. Jos siis merelliseksi arvellun elinkelpoisen vyöhykkeen eksoplaneetan olosuhteissa esiintyy merelliselle yhteyttävälle elämälle tyypillistä aineenvaihduntatuotetta, on syytä ryhtyä pohtimaan onko asioilla ilmeinen yhteytensä. Ja vaikka sitä sopiikin pohtia, on syytä pitää mielessä, että kyse saattaa olla toisistaan riippumattomista sattumuksista.
Aiemmat Cambridgen ryhmän tulokset olivat jo osoittaneet, että planeetan K2-18 b kaasukehässä on metaania ja hiilidioksidia. Niitä on merkittävinä, noin prosentin pitoisuuksina planeetan vetykaasun kyllästämässä kaasukehässä. Lisäksi, ammoniakin havaittavien merkkien puute antaa olettaa kyseen olevan valtameriplaneetasta, koska ammoniakin olemassaolo sulkisi tehokkaasti pois merellisen luonteen kemiallisena mahdottomuutena. Ammoniakin olemassaolo kertoisi planeetan kaasukehän olevan paljon arveltua paksumpi, mikä sulkisi tehokkaasti pois mahdollisuuden nestemäisestä merestä. Kyse on siten tavallaan toisiinsa sopivista yksittäisistä havainnoista, joilla voi olla jokin muukin selitys kuin valtameri, mutta meren olemassaolo on kuitenkin erittäin varteenotettava hypoteesi.
Siinä tilanteessa uudet entistä selvemmät havainnot dimetyylisulfidista ja sen kemiallisesta lähisukulaisesta dimetyylidisulfidista antavat lisää ihmeteltävää. Nyt niiden olemassaolo on päätelty tilastollisesti merkitsevällä tavalla, vaikka virhemahdollisuuus on edelleen olemassa. Tiedotteessaan Madhusudhan ryhmineen sanoo selvin sanankääntein kyseen olevan tähän asti lupaavimmista elämän merkkien havainnosta, ja heillä on väitteelleen hyvät perustelut. Dimetyylisulfidin havainto vaikuttaa selvältä, vaikka jatkohavaintoihin onkin edelleen syytä. Sen jättäminen pois mallinnetusta kaasukehän spektristä heikentää yhteensopivuutta havaintoihin merkittävästi, joten seuraavaksi on pohdittava mitä havainto merkitsee. Emme voi vain rynnätä julistamaan planeetan olevan merellinen paratiisi, jossa yhteyttävä elämä täyttää suunnattoman meren pintakerrokset.
Ensinnäkin, sekä veden että dimetyylisulfidin havainnot ovat edelleen varmentamatta tutkijoiden hamuamalla ”viiden sigman” tilastollisella varmuudella. Kyse voisi olla vastaavasta sattumasta, kuin tapahtuu heittäessämme kolikolla yhdeksän kertaa peräkkäin kruunan. Se on toki mahdollista, mutta vaikuttaa varsin epätodennäköiseltä. Jos dimetyylisulfidia ei olekaan, havaittavat anomaliat saattavat sattua kahdesti toistaessamme havainnot tuhat kertaa. Kyse voi siis edelleen olla sattumuksesta. Suurempi ongelma on kuitenkin vesi. Veden havainto on vielä dimetyylisulfidiakin epävarmempi, ja planeetta saattaa todellisuudessa olla minineptunuksille tyypilliseen tapaan paksun kaasuvaipan peittämä maailma, jossa vettä toki voi esintyä kaasukehän yläosien pilvinä. Silloin dimetyylisulfidikin olisi korkeintaan jonkin elottoman kemiallisen reaktioketjun tuotosta.
Sellaisia elottomia reaktioketjuja on olemassa. Tutkijat toteavat artikkelissaan, että dimetyylisulfidia voi muodostua metaanin ja tavallisen rikkivedyn reagoidessa keskenään ultraviolettivalon tai sähköisten purkausten tehdessä reaktioista energeettisesti mahdollista. Molemmat ovat niinikään mahdollisia planeetan K2-18 b olosuhteissa, koska sen tähti on pieni punainen kääpiötähti, jonka purkauksissa vapautuu ultraviolettisäteilyä varsin usein. Sähköiset purkaukset taas tarkoittavat vain salamointia, jota tiedetään esiintyvän Maan lisäksi muillakin planeetoilla ja ne ovat hyvin yleisiä vaikkapa Jupiterin kaasukehässä. Miksei niitä siis esiintyisi minineptunustenkin kaasukehissä?
Tutkijat kuitenkin arvelevat, että eloton dimetyylisulfidin tuotanto olisi aivan liian heikkoa selittääkseen havaitut pitoisuudet. Pitoisuudet ovat yli 10 miljoonasosaa, mikä vaikuttaa suorastaan hämmentävän suurelta suhteessa Maan elämän tuottamiin alle miljardisosan pitoisuuksiin yhdisteen hajotessa nopeasti ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta. Joko dimetyylisulfidin tuotanto on huomattavasti tehokkaampaan K2-18 b:n olosuhteissa, tai sitten sen kaasukehässä yhdisteen elinikä on huomattavati Maata pidempi. Lisäksi, dimetyylisulfidin elottomaan syntyyn vaaditaan suuria määriä rikkivetyä ja molekyylistä ei näy JWST:n havainnoissa merkkiäkään. Kyse on jälleen suuntaa antavasta, epäsuorasta tuesta hypoteesille elämästä. Jos kuitenkin yhteyttävän elämän esiintyminen on oikea selitys, sitä olisi oltava havaitun dimetyylisulfidin tuotantoon ainakin noin kaksikymmentä kertaa enemmän kuin omalla planeetallamme. On vaikeaa nähdä miten se olisi mahdollista planeetalla, jonka pinta-ala on vain seitsemän kertaa Maata suurempi.
Madhusudhanin tutkimuksesta herää taatusti enemmän kysymyksiä kuin mihin se lopultakaan vastaa monenlaisten epävarmuuksien lomasta. Ajatukselle elävästä hyseaanisesta planeetasta on kuitenkin vieläkin merkittävämpiä esteitä. Maan elämä on, mitä luultavimmin, saanut alkunsa geokemiallisten, elottomien prosessien luotua paikallisia entropiaminimejä, joissa syntyi järjestystä kemiallisten reaktioiden käytyä riittävän monimutkaisiksi. Syntyi molekyylikalvojen rajaamia objekteja, jotka kykenivät lisäämään sisällään kemiallisiin reaktioihinsa tarvittavien lähtöaineiden pitoisuuksia tavalla, joka mahdollisti reaktioiden hallinnan ja tehokkaamman hyödyntämisen omien rakenteiden ylläpitoon. Ne objektit olivat varhaisia soluja, jotka syntyivät energiavirran, veden ja mineraalien rajapinnassa. Niiden syntyyn tarvittiin siis geologista aktiivisuutta, vettä ja kallioperä.
Vastaavanlaisten olosuhteiden olemassaolo huomattavasti massiivisemman planeetan K2-18 b olosuhteissa ei ole varmaa, koska paksu valtameri muuttuu herkästi pohjansa valtavassa paineessa erilaisiksi veden kiinteiksi muodoiksi. Syntyy jään outoja faaseja, joten kallioperän ja veden kohtaaminen meren pohjalla ei ehkä ole edes mahdollista. Silloin elämän synty vastaavilla tavoilla kuin Maassa ei olisi sekään mahdollisuuksien rajoissa. Vaikka panspermiahypoteesia ei siinäkään tapauksessa voida sulkea pois, on syytä miettiä pohjamutiaan myöten minkälaisia mahdollisuuksia elävien organismien synnylle ja olemassaololle todellisuudessa olisi hyseaanisten planeettojen olosuhteissa.
On joka tapauksessa selvää, että ensimmäinen jonkinasteisen biomarkkerin havainto on nyt saatu, mutta se vaatii ensi tilassa riippumattomien tutkimusryhmien varmennusta. Ennen riippumatonta varmistusta emme voi pitää tulosta millään tavalla luotettavana, koska havaintojen analysoinnissa on lukemattomia hankaluuksia ja vaihtoehtoisia lähestymistapoja. Tieteellinen yhteisö tekee nyt työnsä ja saamme hyvin pian selville onko tulos luotettava vai ei. Se, onko kyse tosiasiallisesti biomarkkerista vai elottoman kemian tuotteesta, on myös nyt käynnistyneen tieteellisen keskustelun kohteena. Maankaltainen, yhteyttävä elämä tuottaisi lisäksi suuria määriä vapaata happea. Siitä ei ole planeetan K2-18 b havainnoissa merkkiäkään, joten jos dimetyylisulfidi on elävien organismien tuote, se elämä poikkeaa taatusti Maan vastaavasta. Eikä vapaa happikaan ole välttämättä minkäänlainen merkki elämästä.
Toisaalta, jos elämän merkit onkin nyt kaikesta huolimatta löydetty, on mahdollista, että olemme havainneet yhden maailmankaikkeuden pitkäikäisimmistä elollisista ympäristöistä. Hyseaaniset planeetat kun voivat joidenkin arvioiden mukaan ylläpitää elämälle soveltuvia olosuhteita kymmeniä miljardeja vuosia jopa vailla tähtensä valoa ja lämmittävää säteilyä. Ensimmäisestä potentiaalisen biomarkkerin havainnosta on kuitenkin siitäkin vielä pitkä matka sen päätelmän tekoon, että olemme havainneet toisen biosfäärin eksoplaneetan pinnalta.