Eksoplaneetta hukassa

Elinkelpoisuuden takaava ja tuhoava vesi

6.2.2023 klo 12.02, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat

Nestemäinen vesi on elämän edellytys — ainakin sellaisen elämän, jota omalla planeetallamme esiintyy. Vesi on erinomainen liuotin tarjoten median, jonka sisällä elämän tarvitsemat kemialliset reaktiot voivat tapahtua. On vaikeaa kuvitella mitään muuta vastaavaa liuotinta, joka toimisi elämän kemian perustana yhtä hyvin. Vesimolekyyli on polaarinen molekyyli, joka muodostaa siksi sidoksia monenlaisten yhdisteiden kanssa muttei rasvojen kanssa, mikä edesauttaa solukalvojen muodostumista veteen liukenemattomista rasvamolekyyleistä. Olemme syntyneet vedestä ja kannamme vettä mukanamme jokaisen solumme sisällä, jotta elämäksi kutsutut monimutkaiset orgaanisen kemian reaktiot voivat tapahtua kontrolloidusti. Siksi vesipitoiset planeetat ovat jo pitkään olleet kiinnostavia kohteita toisiksi eläviksi planeetoiksi. Myös muualla veden peittämät planeetat ovat saattaneet synnyttää biosfäärejä, joissa valtaisa elämän kirjo noudattaa evoluution lainalaisuuksia kuten omallakin planeetallamme. Vesi ei kuitenkaan takaa automaattisesti elämän edellytyksiä kaikissa olosuhteissa, vaan saattaa toisinaan jopa estää elämän esiintymisen.

Yksi suhteellisen tuore tähtitieteilijöiden määrittämä planeettatyyppi — valtameriplaneetat — saattaa tarjota yhden vastaesimerkin. Kun vettä on planeetan pinnalla satojen tai jopa tuhansien kilometrien paksuinen kerros, se voi kyllä muodostaa vapaana virtaavan meren mutta estää elämän synnyn ja siten biosfäärin muodostumisen. Esimerkin tarjoavat Kepler-138 järjestelmän kaksi supermaapalloa, jotka paljastuivat hiljattain valtameriplaneetoiksi. Syvällä niiden sisuksissa vesi on kovassa paineessa puristuneena eksoottisiksi jään muodoiksi, eikä enää virtaakaan nestemäisenä. Silloin kosketuspintaa nestemäisen veden ja geologisesti aktiivisen kallioperän välillä ei enää synny, ja geologisen energiagradientin valjastaminen elollisten organismien aineenvaihdunnaksi abiogeneesissä, eli elämän synnyssä elottomista prosesseista, muuttuu epätodennäköisemmäksi. Emme tietenkään voi väittää elämän synnyn olevan sellaisten planeettojen sisuksissa mahdotonta mutta olosuhteet vaikuttavat tekevän siitä vähintäänkin hankalampaa. Siksi meriplaneettojen ja hyseaanisten planeettojen syvissä vesissä voi olla heikentynyt mahdollisuus elämän synnylle.

Selvästi siis veden määrä kontrolloi eksoplaneettojen elinkelpoisuutta. Jos vettä ei ole tai se ei ole nestemäisessä olomuodossaan, on vaikeaa nähdä miten elämän vaatima kemiallisten reaktioiden kirjo voisi saada alkunsa ja pysyä käynnissä. Jos vettä taas on liiaksi, sen määrä estää tyypilliset kiviplaneettojen pintakerrosten kemialliset reaktiopolut ja elämän synty voi vaikeutua. Punaisten kääpiötähtien elinkelpoisen vyöhykkeen kiviplaneetat taas kohtaavat aivan oman ongelmavyyhtinsä, mikä aiheutuu pitkälti siitä, että niiden pyöriminen on lukkiutunut vuorovesivoimien vaikutuksesta sellaiseksi, että planeetat näyttävät aina tähdelleen saman puoliskonsa. Se vaikuttaa kaikkeen, mutta ennen kaikkea veteen planeetan pinnalla.

---

Kun planeetan toinen puolisko on jatkuvassa tähden loisteessa ja toinen ikuisessa pimeydessä, syntyy puoliskojen välille voimakas lämpötilaero, jota kaasukehän virtaukset pyrkivät tasaaman. Ero aiheuttaa planeetan elinkelpoisuudelle merkittäviä rajoitteita ja ne koskevat likimain kaikkia punaisten kääpiötähtien elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja. Pohjimmiltaan ongelmat aiheutuvat siitä, että punaiset kääpiöt ovat hyvin himmeitä ja niiden elinkelpoiset vyöhykkeet ovat siksi tähtien lähellä, missä vuorovesivoimatkin ovat merkittäviä ja vuorovesilukkiutuminen yleistä. Koko planeetta ei silloin voi olla elinkelpoinen, vaan planeetan ollessa rataetäisyydeltään kauempana, elinkelpoisuus keskittyy keskelle ikuisen valon puoliskoa. Silloin planeetan pimeä puoli on ikijäässä. Planeetan ollessa hiukan lähempänä, ikuisen keskipäivän alueet ovat liian kuumia ja elinkelpoiset alueet löytyvät planeetan pinnalta rengasmaiselta ikuisen aamuhämärän alueelta. Tällaisia osittaisen elinkelpoisuuden maailmoja on tutkittu runsaasti tietokonesimulaatioilla, koska niistä on erittäin hankalaa saada yksityiskohtaisia tietoja havaitsemalla.

Vaikka tilanne, jossa planeetta on elinkelpoinen vain rengasmaisella ikuisen aamuhämärän vyöhykkeellä, vaikuttaa erikoiselta, simulaatiot kuitenkin osoittavat, että se on hyvinkin fysikaalisesti mahdollinen — mutta ehtona on se, että vettä on vain vähän. Kuuman ja autiomaaksi korventuneen puoliskon ja jään peittämän talvisen pimeyden väliin mahtuu elinkelpoinen rengasvyöhyke vain, jos veden määrä on rajattu ja se ei riitä voimistamaan kasvihuoneilmiötä kuten Venuksen pinnalla. Simulaatiomallien mukaan, valoisan puolen lämpö siirtyy tehokkaasti myös pimeälle puolelle, jos planeetan pinnalla ja samalla kaasukehässä on runsaasti vettä. Se voi samalla merkitä kuoliniskua monien valtameriplaneettojen elämälle, vaikka niiden vesivaipat olisivat vain hyvin maltillisia syvyydeltään.

Mutta pimeä puoli voi myös osoittautua elinkelpoisuuden pelastajaksi. Kun voimakkaat virtaukset tasaavat lämpöä valoisan ja pimeän puoliskon välillä, ne samalla kuljettavat kuumuudessa höyrystynyttä vettä pimeälle puolelle kertyväksi jäätiköksi. Lukkiutuneen planeetan pimeän puoliskon voimakas jäätiköityminen voi kuivattaa planeetan kaasukehää riittävästi, jotta se pysyy osittain elinkelpoisena rengasmaisella vyöhykkeellä. Silloin kaikki riippuu kaoottisen ilmastojärjestelmän oikuista ja siitä, miten planeetta muodostui ja kehittyi geologisesti ja kemiallisesti. Paljon riippuu myös tähden itsensä oikuista ja siitä, ovatko sen hiukkastuuli ja purkaukset maltillisissa rajoissa antaakseen elämälle mahdollisuuden.

Eksoplaneettojen elinkelpoisuutta rajoittaa moni muukin tekijä mutta vesi on ehdottomasti yksi tärkeimpiä elämän esiintymistä rajoittavia tai sen mahdollistavia tekijöitä. Se voi mainiosti liuottaa orgaanisia molekyylejä muillakin planeetoilla ja mahdollistaa pitkät reaktioketjut ja niiden monimutkaiset verkostot, joita kutsumme elämäksi.