Eksoplaneetta hukassa

Planeettakunta tasapainon reunalla

10.2.2022 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus , Koostumus , Synty ja kehitys

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Havaintojen rajamailla: Uusi epätodennäköinen eksokuu

14.1.2022 klo 11.50, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Synty ja kehitys

Jättiläisplaneettojen ympärillä pörrää gravitaation vääjäämättömien lakien vankina tyypillisesti monipuolinen armada kaikenlaisia sekundäärisiä planeettoja ja pienempiä kiertolaisia, joita kutsutaan tutummin kuiksi. Ainakin Aurinkokunnassa, pienemmät kappaleet ovat monin verroin suurempia todennäköisempiä, eikä ole ainuttakaan syytä olettaa, etteikö sama tilanne vallitsisi muuallakin. Vaan eksokuista ei ole edelleenkään saatu selkeää havaintoa, joka olisi hyväksytty tähtitieteilijöiden armottoman kriittisessä yhteisössä oikeaksi, varmennetuksi löydöksi. Joitakin merkkejä toisten tähtijärjestelmien planeettoja kiertävistä kuista on saatu mutta niiden oikeellisuutta ei ole saatu varmennettua tai niiden olemassaolo on kyseenalaistettu.

Uunituore kandidaatti, Kepler-1708 b I, on kyllä vaikuttava eksokuukandidaatiksi muttei muuta kokonaistilannetta miksikään. En ole sen havainnon oikeellisuuden suhteen kovinkaan toiveikas, ja pohjimmiltaan siihen on kaksi syytä. Postuloitu kuu on kooltaan 2.7 kertaa Maan kokoinen, mikä tekee siitä tyypiltään minineptunuksen ja sellaisten päätymistä jättiläisplaneetan kiertolaiseksi ei mikään planeettojen syntymalli ole kyennyt selittämään ongelmitta. Havainto on myös vain juuri ja juuri tilastollisesti merkitsevä, ja perustuu vain kahden jättiläisplaneetan ylikulun kohdalla havaittuihin anomalioihin, jotka saavat tyypillisesti symmetriset ylikulut vaikuttamaan epäsymmetrisiltä (Kuva 1.).

Löydön tehneen David Kippingin johtaman ryhmän työskentelystä voi joka tapauksessa antaa vain hyvää palautetta. Tutkijat ovat analysoineet dataa eri keinoin lähes kolmen vuoden ajan, koettaen tehdä kaikkensa, jotta voisivat osoittaa kuun olemassaolosta kertovien havaintojen olevan väärin. Vasta epäonnistuttuaan kaikissa yrityksissään selittää havainnot erilaisilla tähden tai instrumentin fysikaalisilla prosesseilla tai kohinalla, tutkijat joutuivat hyväksymään tilanteen, jossa kuun olemassaolo näyttää olevan kaikkein todennäköisin selitysmalli. He raportoivat kuitenkin omankin epävarmuutensa auliisti, ja ilmaisivat selkeästi kyseessä olevan vain kandidaatti eksokuuksi, koska löytö on edelleen varmentamatta. Tarvitaan ensin toisen, riippumattoman tutkimusryhmän selvitys ja datan uudelleen analysointi, jotta varmistuu, etteivät tutkijat ole jättäneet mitään ilmeisiä selitysmalleja huomioimatta. Sen jälkeen tarvitaan riippumaton havainto. Esimerkiksi Hubble -avaruusteleskoopin avulla saattaisi voida selvittää onko kuu todella olemassa, jos sellaisia havaintoja vain on mahdollista tehdä.

Jos löytö on tosiaan oikea, se herättää runsaasti kysymyksiä jättiläismäisten kuiden syntyprosessista. On periaatteessa kaksi vaihtoehtoista tapaa saada lähes Neptunuksen kokoinen kuu kiertämään valtavaa kaasujättiläistä. Jos kuu on muodostunut planeetan kiertoradalle, on mahdotonta kuvitella miten kaasumainen aines muodostaisi kaksi suurta kappaletta yhden suuren jättiläisplaneetan sijaan. Ei ole olemassa planeetttojen syntymalleja, jotka kykenisivät selittämään monia kertoja Maata massiivisemman kappaleen synnyn jättiläisplaneetan kiertoradalle. Planeetan ympärille sen syntyvaiheissa muodostuvassa kertymäkiekossa ei missään tapauksessa riitä alkuunkaan materiaa niin suuren kuun muodostumiseen. Toinen vaintoehto on kaasumaisen naapuriplaneetan kaappaaminen kuuksi myöhemmässä vaiheessa. Sekin vaikuttaa epätodennäköiseltä, vaikka tapahtuma voikin olla mahdollista perustuen simulaatioihin.

On kuitenkin selvää, että kuiden havaitsemisen ollessa erittäin hankalaa, ensimmäiset löydöt ovat vääjäämättä kohteita, jotka ovat poikkeuksellisen suurikokoisia ja siten erikoisia. Syy on yksinkertaisesti siinä, että vajavaiset havaintolaitteemme ovat sitä herkempiä mitä suuremmista kappaleista on kyse. Enkäpä olemme siis jo nähneet varjoja ensimmäisistä eksokuista ja puutteellinen ymmärryksemme niiden monimuotoisuudesta maailmankaikkeudessa estää meitä pitämästä löytöjä kovinkaan varmoina. Se on kuitenkin vain hyväksyttävä, koska valtavan kiinnostavat tieteelliset tulokset vaativat aina taustalleen valtavan vankkaa todistusaineistoa.

---

Eksoplaneettatutkimuksen mullistava James Webb -avaruusteleskooppi

3.1.2022 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus , Havaitseminen

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

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

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

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

Uuden sukupolven instrumentti

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

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

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

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

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

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

---

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

Koko tähtitieteen tutkijayhteisö odottaa Webbin saattamista toimintakuntoon lähes henkeään pidätellen.

---

Punaisten aurinkojen steriilit planeetat — vai onko elämällä sittenkin mahdollisuus?

20.12.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

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

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

---

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

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

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

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

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

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

---

Universaaleja eksobiologian lainalaisuuksia

7.12.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat

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

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

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

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

---

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

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

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

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

Elämän edellytykset

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

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

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

---

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

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

---

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

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

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

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

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

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

Elävä biokemia

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

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

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

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

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

---

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

---

Kun kuvaamme maailmoja

16.11.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen

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

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

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

---

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

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

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

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

---

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Suuret suunnitelmat

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

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

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

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

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

---

Aurinkokunnan 36 planeettaa — modernin ajan harharetki planeettojen luokittelussa

1.11.2021 klo 14.58, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat

Joskus näemme tarkemmin lähelle katsomalla kauas. Tarkkailemalla teleskooppiemme välityksellä universumin kaukaisia kohteita, olemme oppineet omasta itsestämme ja paikastamme maailmankaikkeudessa. Olemme oppineet, että Aurinkokunta on vain yksi Linnunradan monista planeettakunnista ja Maa yksi järjestelmämme planeetoista. Aivan samoin Linnunratakin on vain yksi lukemattomista miljardeista vastaavanlaisista galakseista siinä osassa kosmista nurkkaustamme, jota kykenemme havaitsemaan. Katsomalla kauas olemme saaneet selville oman paikkamme mutta aivan samalla tavalla voimme katsoa menneisyyteen ja asettaa nykyhetken historialliseen kontekstiinsa. Voimme tarkastella historiaa ja oppia nykyisyydestä.

---

Tajusin hiljattain, että olin jättänyt ajatteluni puolitiehen. Se, mikä vielä hetki sitten näytti itsestään selvältä, ilmeiseltä tosiasialta, alkoikin vaikuttaa perustelemattomalta ajattelun hairahdukselta. Kirjoitin vuonna 2016 siitä, miten Pluto on aivan oma maailmansa ja ei ole mitään perusteita olla luokittelematta sitä planeetaksi riippumatta siitä, mitä kansainvälisen tähtitieteen unionin (IAU) heikosti perusteltu Aurinkokunnan planeettojen määrittely sanoo. En kuitenkaan jatkanut pidemmälle ja pohtinut asian seurauksia Aurinkokunnan kontekstissa. Siksi yllätyin nähtyäni asian kirjoitetuna auki hiljattain julkaistussa artikkelissa. Historiallisesti kappaleen geologinen kompleksisuus on toiminut tekijänä, joka määrittää kappaleen luonteen. Oli vain planeettoja, jotkut pienempiä kuin toiset, ja sekundäärisiä planeettoja, jotka sattuvat kiertämään jotakin toista, suurempaa planeettaa. Kappaleen luokitus määräytyi sen mukaan, onko se riittävän massiivinen kyetäkseen merkittäviin geologisiin prosesseihin ja päätyäkseen hydrostaattiseen tasapainotilaan muttei niin massiivinen, että sen ytimessä käynnistyy fuusioreaktioita. Siten Aurinko on tähti, ei planeetta, ja noin 36 muuta kappaletta Aurinkokunnassa on planeettoja — tarkkaa lukumäärää on vaikeaa sanoa, koska kaukaisimpien kääpiöplaneettojen luonteeseen liittyy suuria epävarmuuksia ja tiedoissamme on suuria aukkoja.

Ongelmana on IAU:n määrittelyn vaatimus, että planeetan tulee tyhjentää ratansa ympäristö pienemmistä kappaleista. Tarkkaan ottaen vaatimus tarkoittaa sitä, että edes Jupiter ei ole planeetta, koska sen radan ympäristössä suorastaan vilisee troijalaisiksi kutsuttuja asteroideja. On lisäksi absurdia ajatella, että kappaleen luonne riippuisi siitä mitä toisia kappaleita sen ympärillä on tai minkälaisessa liiketilassa tai gravitaatiopotentiaalissa se sijaitsee. Esimerkiksi tuoli pysyy tuolina, vaikka veisin sen keittiöstäni kadulle. Myös planeetat pysyvät planeettoina, vaikka ne ajautuisivat gravitaatiovuorovaikutusten seurauksena synnyinjärjestelmänsä ulkopuolelle tähtienvälisen avaruuden planeetoiksi.

Luokittelussa on olellista sen yleisyys ja sovellettavuus. Aurinkokunta on vain yksi lukemattomista planeettakunnista ja määritellessämme mitä tarkoitamme sanalla planeetta meidän on kyettävä kuvaamaan kaikkia tietynlaisia kappaleita kaikkialla. Myös eksoplaneetat ovat kiistatta planeettoja, ja Aurinkokunnan käsittely omana erikoistapauksenaan ei siten ole perusteltua. Sen, mikä on planeetta yhtäällä, on oltava sellainen myös toisaalla. Jos esimerkiksi havaitsisimme plutonkaltaisen kappaleen kiertämässä jotakin toista tähteä, luokittelisimme sen silmääkään räpäyttämättä planeetaksi. Silloin oman Aurinkokuntamme Plutonkin pitäisi olla yhtä ehdottomasti planeettojen luokkaan kuuluva kappale. Näin ainakin ajattelin vuonna 2016. Nyt on aika viedä ajattelu loogiseen päätökseensä.

Planeetan käsitteen historia

Alkujaan kreikankielinen sana planētai tarkoitti vaeltajaa. Sana oli looginen valinta paljaalla silmällä taivasta tarkkailleille ihmisille, jotka erottivat planeetat taustataivaan tähdistä niiden liikkeen perusteella. Planeetat olivat ”vaeltavia tähtiä” ja ne liikkuivat taivaalla omia reittejään. Sana vakiintui merkitsemään viittä tunnettua vaeltajaa mutta kopernikaaninen mullistus ja kaukoputken myötä tehdyt lukuisat uudet löydöt pakottivat miettimään planeettojen luokkaa tarkemmin. Silloin luotiin tieteellinen pohja sille, mitä planeetalla tarkoitetaan, ja määritettiin pragmaattisesti geofysiikkaan perustuva planeettojen luokka. Se sisälsi niin antiikin ajan planeetat kuin monet suuret kuutkin, joita kutsuttiin sekundäärisiksi planeetoiksi. Ajattelussa oli keskeistä se, että kappaleiden statukseen planeettana vaikuttivat vain niiden itsensä ominaisuudet, ei se minkälaisella radalla ne kiertävät tai minkälaisia muita kappaleita niiden ratojen lähettyvillä esiintyy.

Kopernikaaninen mullistus tarkoitti siirtymää maakeskeisestä maailmankuvasta (Kuva 1.) aurinkokeskeiseen malliin, joka sopi havaintoihin paremmin. Siirtymä kuitenkin oli kuitenkin tapahtumassa vasta aikakauden tieteentekijöiden keskuudessa, eikä maakeskeisen mallin kannatus noussut tavallisten ihmisten parissa kovinkaan nopeasti vielä pariin vuosisataan. Silloinkin astrologia vaikutti tieteeseen perehtymättömän suuren yleisön ajatteluun voimakkaasti ja yleiskielessä planeetoiksi kutsutut antiikin klassiset planeetat olivat taivaan merkityksellisimpiä kappaleita. Tilanne muuttui vain vähän, kun Uranus ja Neptunus havaittiin 1700- ja 1800-luvuilla, eikä Pluton lisääminen tunnettujen planeettojen luetteloon vuonna 1930 muuttanut juuri mitään.

Koko tiedeyhteisö vaikuttaa menettäneen mielenkiintonsa planeettoihin 1900-luvun alkupuoliskon ajaksi. Ennen avaruusluotaimien aikaa niistä oli vaikeaa oppia juuri mitään uutta ja vaikka tähtitieteilijät puhuivat primäärisistä ja sekundäärisistä planeetoista vielä 1920-luvulla, uudet sukupolvet omaksuivat kansan parissa kulkeneen epätieteellisen käsityksen planeetoista. Se heijastuu edelleen vuoden 2006 planeetan määritelmään, jossa on samaan aikaan haluttu säilyttää klassinen käsitys planeetoista kiertämässä vain Aurinkoa ja korostaa joitakin Aurinkokunnan kappaleita toisten kustannuksella. Geofysiikkaan perustuva taksonomia olisi tieteellinen tapa luokitella kappaleita, mutta IAU ei halunnut astua suuren yleisön varpaille, vaan käveli mielummin tieteellisesti perustellun taksonomian yli.

---

Jos hyväksymme Pluton olevan planeetta, olemme pakotettuja hyväksymään koko joukon muitakin Aurinkokunnan pikkukappaleita planeetoiksi. Sellainen on esimerkiksi Ceres, joka on suurin Marsin ja Jupiterin välisen asteroidivyöhykkeen kappaleista. Ceresin lisäksi asteroidivyöhykkeellä ei ole muita hydrostaattisessa tasapainotilassa olevia kappaleita (Vesta on lähellä mutta on säilyttänyt epäsäännöllisen muotonsa), joten sisemmän Aurinkokunnan planeetat ovat Merkurius, Venus, Maa, Mars ja Ceres. Niistä Ceres on ehdottomasti pienin, ollen halkaisijaltaan vain 940 km mutta sekin on likimain hydrostaattisessa tasapainotilassa, mikä tarkoittaa sitä, että kappaleen geologiaa on muokannut mm. raskaimpien aineiden painuminen lähemmäs keskipistettä sekä erilaiset mineralisoitumiset. Vaikka Ceres on huomattavasti esimerkiksi Merkuriusta (halkaisija 4880 km) pienempi, se siis täyttää planeetalle asettamamme geofysikaaliset vaatimukset. Sen pinnalla esimerkiksi esiintyy geofysikaalista aktiivisuutta, kuten kryovulkanismia — jään muodostamia ”tulivuoria”.

Lisää pienempiä planeettoja löytyy Neptunuksen radan tuolta puolen. Pluton lisäksi kääpiöplaneetoiksi kutsumamme kappaleet on luokiteltava planeetoiksi, jos haluamme pitää taksonomiamme tieteellisesti perusteltuna. Hydrostaattisessa tasapainotilassa olevia kappaleita ja siten planeettoja ovat silloin ainakin Haumea, Makemake, Eris, Orcus, Quaoar, Gonggong ja Sedna, joskaan Sednan statusta ei ole saatu varmennettua, vaan pidetään vain todennäköisenä, koska sen tiheys on edelleen tuntematon. Tällöin meillä on kahdeksan klassisen planeetan lisäksi toiset yhdeksän kääpiöplaneetoiksi kutsuttua kappaletta, jotka on kaikki asetettava planeettojen luokkaan tieteellisessä taksonomiassa. Luettelo on kuitenkin edelleen epätäydellinen, koska esimerkiksi Kuun luonne sekundäärisenä planeettana oli selvää jo kopernikaanisen revoluution alkuaikoina. Aivan samoin Jupiterin suuret kuut muodostavat kokonaisen sekundääristen planeettojen järjestelmän.

Joudumme siis luokittelemaan myös Kuun yhdeksi Aurinkokunnan planeetoista. Se on sekundäärinen planeetta, joka on sidottu Maahan gravitaatiovoiman välityksellä. Maan ja Kuun muodostamaa paria on siten kutsuttava kaksoisplaneetaksi aivan samoin kuin Plutoa ja Charoniakin. Jupiterin kumppanit Io, Europa, Ganymedes ja Callisto muodostavat niin ikään sekundääristen planeettojen hierarkisen järjestelmän. Olisi suorastaan hassua jättää esimerkiksi Ganymedes planeettaluokituksen ulkopuolelle vain siksi, että se sattuu sijaitsemaan väärässä paikassa — kyseessä on kuitenkin neljänneksen Merkuriusta suurempi maailma. Saturnuksen ympärillä sekundäärisiä planeettoja on vieläkin enemmän, kokonaista seitsemän: Mimas, Enceladus, Tethys, Dione, Rhea, Titan, ja Iapetus. Sekundääristen planeettojen luettelon täydentävät Uranuksen Miranda, Ariel, Umbriel, Titania ja Oberon, sekä Neptunuksen Triton. Aurinkokunnan planeettojen lukumääräksi muotoutuu tälloin kokonaiset 36 — ja sekin on vain alaraja, koska luultavasti Neptunuksen radan takana on vielä useita planeetoiksi luokiteltavia kappaleita löytämättä ja/tai luokittelematta.

---

Monet tähtitieteilijät esittävät tietenkin heikosti perustellut vastaväitteensä, joista yksi suosituimpia on viime vuosina ollut se, että planeettojen määrä ajautuu täyteen kaaokseen, jos emme voi olla edes varmoja kuinka monta planeettaa Aurinkokunnassa tarkalleen on. Se on kovin ironinen näkemys, koska tieteessä juuri mikään ei ole kiistatonta ja erilaisia luokituksia tehtaillaan eri asioille eri tarkoituksia silmällä pitäen jatkuvasti. Luokitusten on kuitenkin noudatettava parhaaseen tietoon perustuvaa ymmärrystä, eikä niiden tulisi piitata kansantarustoon rinnastettavissa olevista näkemyksistä siitä, mitkä kappaleet kelpaavat planeetoiksi ja mitkä eivät.

On tieteellisesti heikosti perusteltua kutsua Aurinkokuntaa kahdeksan planeetan järjestelmäksi. Se on lisäksi järjestelmämme väheksymistä, koska Aurinkokunnan typistäminen keskustähteen ja kahdeksaan kiertolaiseen aliarvioi sen valtaisaa diversiteettiä ja monipuolisuutta. On kaksoisplaneettoja ja kokonaisia sekundääristen planeettojen järjestelmiä. On jättiläisplaneettoja ja aivan pienen pieniä geologisten prosessien palloiksi muovaamia kappaleita järjestelmän laidoilla. On elävä planeetta, se ainoa tuntemamme, ja se on keskellä moninaista planeetojen kokoelmaa tarjoten meille kodin ja oman kosmisen nurkkauksemme. Se nurkkaus on eräässä keltaisen kääpiötähden järjestelmässä yhdessä vähintään 35 muun planeetan kanssa.

Planeetoiksi on luokiteltava kappaleet, jotka eivät ole onnistuneet käynnistämään fuusioreaktioita ytimissään ja jotka kuitenkin ovat riittävän suuria, jotta ovat saavuttaneet hydrostaattisen tasapainotilan. Silloin voin viedä Pluton suhteen heränneen ajattelun loogiseen päätökseensä. Aurinkokunnassa on ainakin 36 planeettaa, mikä tulisi kirjata jo aivan perustason oppikirjoihin asti.

Universaali elämä ja kuinka se havaitaan

19.10.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Havaitseminen

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

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

---

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

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

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

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

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

Mitä on elämä?

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

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

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

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

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

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

---

Mistä meidät voidaan nähdä?

5.10.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Havaitseminen

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

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

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

---

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

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

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

---

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

---

Planeettojen uumenissa — elämän uskomattomat mahdollisuudet maailmankaikkeudessa

7.9.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Kallio jalkojemme alla tarjoaa esillä ollessaan vaivalloisen kasvualustan männyille ja muille rankkoja olosuhteita kestäville, kitukasvuisille puille. Siihen puiden juuret eivät kiinnity kovin vahvasti ja vähät ravinteet huuhtoutuvat pois aina sateiden sattuessa. Karu ympäristön tekee kilpailusta vähäistä ja kasvussaan onnistuvista puista kallion valtiaita. Mutta niiden kasvu on hidasta ja kallioisen elinympäristön puilla ja muilla kasveilla kuivuuden mukanaan tuoma välitön kuolema uhkaa jatkuvasti, kuin yläpuolella roikkuva Damokleen miekka. Kallion päällä on silti hyvä kasvaa runsaassa valossa, jos kykenee yhteyttämään Auringon säteilyenergiaa ja ilman hiilidioksidia sokereiksi ja edelleen aineenvaihdunnan energiaksi ja rakennusaineiksi. Ja siihen puiksi kutsutut eukaryoottisolujen monimutkaiset organismit kykenevät. Missä on auringonvaloa, voi olla elämää, joka käyttää keräämänsä energian kasvuunsa. Auringon säteet eivät kuitenkaan yllä kaikkialle.

Olemme tottuneet ajattelemaan maaperän ja ilmakehän rajapinnan, sen maankamaran, jonka päällä kävelemme, olevan tuntemamme biosfäärin kehto. Mutta jo metsän keskellä havaitsemme biologisten organismien valloittaneen korkeudet. Sademetsissä valtaosa lajeista on latvustossa, jossa valo antaa elämän kasveille ja niitä ravintonaan käyttäville eläimille — latvuksen varjoon ja katveeseen saapuu vain murto-osa valosta ja siellä pärjää vain pieni osa kaikista sademetsien lajeista. Linnut, hyönteiset ja monenlaiset mikrobit ovat myös valloittaneet ilmakehämme kilometrien korkeuksiin asti, ja lentävät tai kulkeutuvat vaikeuksitta planeettamme korkeimpienkin vuorenhuippujen yli. Biodiversiteetti on siten levinnyt kaikkialle, minne ilmavirrat voivat kuljettaa organismeja.

Aivan viime vuosiin asti ajattelimme Maan tilavimpien elinympäristöjen olevan planeettamme kilometrien syvyisissä, lähes kauttaaltaan tutkimattomissa merissä. Mutta niitäkin suuremman tilavuuden kattaa elinkelpoinen kallioperä jalkojemme alla. Minne ikinä poraammekaan jopa kilometrien syvyisiä reikiä, löydämme mikrobeja, jotka eivät piittaa tuon taivaallista Auringosta, valosta, tai tavanomaisista ravinnesykleistä, joiden puitteissa oma lajimme on kehittynyt. Elämää on kiven sisällä kaikkialla planeetallamme, missä vain ei ole liian kuuma, jotta orgaaniset molekyylit tuhoutuisivat. Kallioperän sisällä on yli kaksi kertaa enemmän tilaa kuin kaikissa merissä yhteensä. Ja se kuhisee eläviä soluja.

---

Tieto elämästä syvällä jalkojemme alla on verrattaen uusi. Mutta kallioperä on yksi vanhimmista elinympäristöistä, joita on ollut olemassa ja joihin mikrobit ovat sopeutuneet vuosimiljardien saatossa. Elämä on luultavasti syntynyt merenpohjan vulkaanisen toiminnan ansiosta, paikoissa, joissa tulivuoritoiminta kohtaa jääkylmän merenpohjan veden. Olemme tottuneet ajattelemaan ensimmäisten elävien solujen synnyttyään vain valloittaneen meret ja lopulta mantereet mutta osa niistä löysikin elinkelpoisia paikkoja toisesta suunnasta, kallion sisältä, jossa ne edelleen kukoistavat kaukana tuliperäisistä alueista ja niiden lämpögradienttien muodostamista energiavirroista. Valon ja orgaanisten ravinnevirtojen tavoittamattomissa, mikrobit saavat aineenvaihduntansa ylläpitämiseen tarvittavan energian radioaktiivisen hajoamisen tuotteista. Mutta ne eivät luultavasti ole epätodennäköisiä, äärimmäisyyksiin tottuneita friikkejä — me planeetan pinnan erikoisen kaksiulotteisen ekosysteemin kädelliset nisäkkäät olemme.

Syvällä kallioperässä on kylmää, pimeää ja valtaisa paine. Mutta peruskallion ja merenpohjan sedimenttien sisällä on pieniä määriä radioaktiivisia aineita vapauttamassa energiaa hajotessaan. Niiden tuottama säteily voi hajottaa kallion lukemattomissa mikroskooppisissa halkeamissa ja taskuissa olevia vesimolekyylejä peroksideiksi tai vetyradikaaleiksi, joiden ärhäkästä reagoinnista ympäröivien mineraalien kanssa mikrobit saavat tarvitsemansa energian. Kyseessä on hidas tapa tuottaa riittäviä määriä energiaa ja orgaanisia molekyylejä, koska radioaktiivisten aineiden kuten uraanin pitoisuus on vain hyvin pieni, mutta hidaskasvuiset mikrobit voivat mainiosti tyydyttää aineenvaihdunta- ja energiatarpeensa maanalaisessa orgaanisten aineiden sopassaan.

Vaikka maan alaista biosfääriä ei voi vain mennä katsomaan ja tutkimaan, kaivoksista ja porausrei’istä saatuja näytteitä on voitu analysoida laboratoriossa ja ne ovat paljastaneet tärkeän vihjeen: heliumim. Toiseksi keveimmän alkuaineen esiintyminen syvällä maankuoressa on mahdollista vain radioaktiivisten aineiden hajotessa ja vapauttaessa alfa-hiukkasia, heliumatomin ytimiä. Samalla on syntynyt runsaasti vapaata vetyä, joka on mainiota ravintoa mikrobien aineenvaihdunnalle, sillä sitomalla sitä yhdisteiksi vapautetaan elämälle käyttökelpoista kemiallista energiaa. Elämä voi kukoistaa ydinreaktioiden varassa mutta mekanismiksi kelpaavat Auringon fuusioreaktion lisäksi myös muut ydinreaktiot.

Kallioperän biosfäärillä on tietenkin rajansa. Se voi ulottua vain niin syvälle, että lämpötila ei nouse liian korkeaksi tuhotakseen biologisia rakenteita nopeammin kuin niitä voidaan valmistaa. Samalla tilaa on aivan valtavasti — kaikkialla, jopa merenpohjien alla, on kilometreittäin maankuoren sedimenttikiveä, jonka sisällä olosuhteet mahdollistavat mikrobisolujen ikiaikaisen elämänkierron. Tutkijat ovat ottaneet näytteitä kallioperästä, jonka sisältämä vesi on ollut jopa kaksi miljardia vuotta eristyksissä planeettamme vesisykleistä. Sen sisältä paljastui runsaasti mikrobeja, jotka eivät elinympäristössään välitä tippaakaan Auringosta tai maanpäällisestä, meille tutummasta maailmasta. Syvällä maankuoressa esiintyvä elämä voisi olla aivan yhtä hyvin vaikkapa toisella planeetalla — niin vähän se vuorovaikuttaa maanpäällisen biosfäärin kanssa. Vertaus on tietenkin valittu tarkoitushakuisesti. Sopivaa kallioperää riittää Maan lisäksi muuallakin jo omassa aurinkokunnassamme ja sen ulkopuolella. Voisiko elämä kukoistaa muidenkin planeettojen kivisissä kuorikerroksissa, suojassa pinnan oikuttelevilta olosuhteilta?

Laajennettu elinkelpoinen vyöhyke

Planeetallamme on elämää aivan kaikkialla, missä biokemialliset reaktiot vain ovat lämpötilan ja paineen asettamissa puitteissa mahdollisia. Yläilmakehässä paine ja siten käytettävissä olevan aineen tiheys on niin pieni, että mikrobien aineenvaihdunta väistämättä pysähtyy. Liian kuumassa, suunnilleen 120 Celsiusasteen yläpuolella, lämpöliike tuhoaa biologisia molekyylejä nopeammin kuin niitä voi rakentaa. Mutta muutoin mikrobit pärjäävät suunnilleen kaikkialla, missä on ainetta ja biokemiallisiin reaktioihin valjastettavissa olevaa energiaa. Maan päällä energia saapuu Auringosta valona, sopivan energian omaavina fotoneina, jotka voidaan ohjata lataamaan biologisten organismien kemiallisia akkuja. Maan alla taas energia saadaan radioaktiivisesta hajoamisesta — tai geotermisellä energialla kuumaksi lämmitetystä merivedestä, johon liukenee runsaasti mineraaleja ja joiden kemiallista energiaa voi sitten vapauttaa hallitusti matalammissa lämpötiloissa. Näyttää yhä varmemmin siltä, että maanpäällinen elämä, johon itse olemme sopeutuneet, on vain omituinen pinnan olosuhteisiin sopeutuneiden kummallisten organismien verkosto. Elämä syntyi merenpohjan geokemiallisten prosessien osaksi ja on levinnyt sieltä laajalle planeettamme kuorikerroksen ja valtamerten sisällä. Pinnalla olevat organismit ovat planetaarisessa mittakaavassa vain anomalia.

Ei ole syytä arvella muualla olevan toisin. Tarvitaan vain vettä, radioaktiivisia aineita, ripaus sulfideja ja veteen liuenneita karbonaatteja hiilen lähteeksi, ja omavarainen elinkelpoinen paikka on valmis. Sellainen voi löytyä aivan mainiosti vaikkapa Marsin pinnan alta. Elämä on varmasti vaikeuksissa Marsin pinnalla, jossa hajanainen magneettikenttä ei tarjoa suurtakaan suojaa kosmiselta hiukkastuulelta. Ultraviolettisäteilykin pääsee pinnalle lähes esteettä kaasukehän ollessa ohut ja vailla sitä estävää otsonia ja vesihöyryä. Siten orgaaniset yhdisteet tuhoutuvat nopeasti Marsin pinnan olosuhteissa. Mutta tiedämme, että planeetan pinnan alla virtaa vesi — geologista aktiivisuutta on hiukan ja radioaktiivista hajoamista tapahtuu kallioperässä varmasti. Lämmönlähteet, paine ja suolaisuus riittävät varmasti pitämään ainakin pieniä määriä vettä nestemäisessä olomuodossaan Marsin pinnan alla. Vaikka havainnot eivät kerrokaan mitään siitä onko Marsissa eläviä kotoperäisiä organismeja, voimme päätellä Marsin kamarassa olevan ainakin otolliset olosuhteet elämän esiintymiselle. Elävät solut voivat mainiosti puuhata omia elämiseen — ravinnonhankintaan, aineenvaihduntaan ja lisääntymiseen — liittyviä prosessejaan Marsin pinnan alla, aivan kuten Maassakin. Kaikki elämään tarvittava aine ja energia on saatavilla.

Marsin elollisuus vaatii tietenkin sen, että elämä on saanut siellä alkunsa. Vaikka elämän synnystä ei yleisellä tasolla tiedetä paljoakaan yksityiskohtia, tiedämme, että Maassa elämää syntyi suunnilleen heti, kun planeetan pinta jäähtyi riittävän viileäksi alun laavakenttien ja meteoripommituksen jäljiltä ja valtameret pääsivät muodostumaan. Planeettamme syntyi noin 4.54 miljardia vuotta sitten mutta elämä sai alkunsa viimeistään 3.77, ehkäpä jo 4.41 miljardia vuotta sitten — elämä syntyi mahdollisesti vain 140 miljoonaa vuotta vanhassa maailmassa. Se on geologisessa ja tähtitieteelisessä mittakaavassa vain kosminen silmänräpäys, joten elämä on vallannut planeettamme käytännössä välittömästi, kun sen nykyiset geokemialliset prosessit ovat kunnolla käynnistyneet.

Samoin on hyvinkin voinut käydä Marsissa, jossa pohjoista puoliskoa peitti laaja valtameri planeetan nuoruudessa mahdollistaen samankaltaiset olosuhteet kuin Maassa. Jos Marsissa syntyi elämää, se on ehkäpä vain hävinnyt pinnalta merten mukana mutta porskuttaa pinnan olosuhteista välittämättä planeetan pinnan alla aivan kuten on tehnyt jo miljardeja vuosia. On hyvinkin mahdollista, että Marsista on vain hävinnyt kaksi merkittävää elinympäristöä. Valtameret hävisivät planeetan pinnan kuivuttua. Samalla katosi se maanpinnan virtaavien vesien, tuulten, sateiden ja eroosiota kokevan kallion maailma, joka on meidän näkökulmastamme erityisasemassa vain siksi, että se synnytti oman lajimme.

Pelkän kostean kiviaineksen havaittu elinkelpoisuus laajentaa galaksimme elinkelpoiseksi arveltua tonttimaata aivan valtavasti. Marsin ilmeisen elinkelpoisuuden lisäksi, lukuisilla eksoplaneetoilla on kivinen pinta ja vettä, mikä tekee niistä elinkelpoisia riippumatta sitä kuinka voimakkaasti niiden tähdet piiskaavat planettojaan säteilyllään ja hiukkastuulellaan. Pinnan alle säteily ei pääse ja elämä, jos se kiviainekseen on kerran päätynyt, ei lähde sieltä kuin vain koko planeetan pintakerrokset höyrystävien kosmisten törmäysten myötä. Elämä on tietojemme mukaan erittäin sitkeää ja hankalaa tapettavaksi kerran planeetalle juurruttuaan.

---

Kuuluisa havainto mahdollisista marsilaisista mikrobeista Etelämantereelta löydetyn meteoriitin ALH 84001 sisältä on tässä kontekstissa odotettu (Kuva 3.). Marsin pinnan alla bakteerit ovat voineet kehittyä omaltakin planeetaltamme tutuiksi pitkulaisiksi muodoiksi ja niiden jäännösten päätyminen meteoriittien mukana Maahan olisi siten jopa todennäköistä. Jos mikrobeja on kiviaineksen sisällä kaikkialla, niitä on silloin ilman muuta myös niissä kappaleissa, jotka päätyvät meteorien impaktien tuottamien paineaaltojen sinkauttamana avaruuteen ja aina toisille planeetoille asti. Aurinkokunnan planeetat eivät ole eristyksissä toisistaan, vaan ne vaihtavat ainetta ja mikrobit voivat siksi hyppiä planeetalta toiselle valloittaen lopulta jokaisen kelvollisen elinympäristön Aurinkokunnassa ja ehkäpä jopa sen ulkopuolella. Tässä kontekstissa panspermia ei ole vain mahdollisuus, vaan suorastaan vääjäämätön, yleinen tapahtumakulku galaksissamme.

Elävät solut ovat valloittaneet kaikki kuviteltavissa olevat paikat planeettamme pintakerroksissa. Mannerlaattojen ja merenpohjien alla olevissa kerroksissa on jopa 10³⁰ bakteerisolua — se on yhden kertaluvun tarkkuudella sama lukema kuin bakteerisolujen määrä Maan valtamerissä. Siten kallioperä on yksi suurimmista planetaarisista ekosysteemeistä, mikä saattaa kertoa siitä, että monet koko universumin yleisimmistä elävien organismien elinympäristöistä olisivatkin ikuisesti havaintojemme tavoittamattomissa planeettojen pintakerrosten alla. Tarvitaan vain kiviplaneetta, jonka kallioperässä on ripaus radioaktiivisia aineita ja runsaasti vettä, universumin yleisintä liuotinta ja yhdistettä. Sellaisilla planeetoilla elävät mikrobit vähät välittäisivät yrityksistämme määritellä elinkelpoisia vyöhykkeitä vain huomioiden pintalämpötilojen kaltaisia meille tuttuja suureita, joiden arviointi sattuu olemaan suhteellisen helppoa.

Tarkasteltaessa kandidaatteja elinkelpoisiksi planeetoiksi voidaan havaita elinkelpoisen kallioperän olevan yleistä. Abel Mendezin johtama Planetary Habitability Laboratory on listannut tunnettuja eksoplaneettoja elinkelpoisten eksoplaneettojen luetteloonsa perustuen niiden maankaltaisuuteen, jota he ovat mitanneet erilaisilla indekseillä. Listan 24 maankaltaisinta planeettaa muodostavat siten hyvän näytteen potentiaalisesti elinkelpoisista planeetoista. Hylkäämällä massaltaan yli kaksi kertaa oman planeettamme kokoiset planeetat, joiden kaasukehä on luultavasti paljon omaamme paksumpi heikentäen elinkelpoisuutta, jäljelle jää 15 Maan kokoluokan planeettaa. Niistä jokaisen kivisen pinnan alla on erittäin todennäköisesti elinkelpoista kallioperää riippumatta siitä onko vesi tai jopa kaasukehäkin hävinnyt planeettojen pinnoilta tähden aktiivisuuden, purkauksien ja tähtituulen vuoksi. Luettelon kärjessä ovat Teegarden b ja uusi TESS-avaruusteleskoopin löytö TOI-700 d mutta kuudennella sijalla on lähin naapurimme Proxima b. Ensimmäisen asteen approksimaationa voidaan arvioida, että näistä jokaisella on elinkelpoista tilaa kuoressaan suunnilleen saman verran kuin Maapallolla, mikä tarkoittaa, että jopa pinnaltaan todennäköisesti autioitunut Proxima b voi hyvinkin olla biosfäärin omaava planeetta, jos elämä yksinkertaisesti jäi kukoistamaa suojassa pinnan tappavilta säteilyolosuhteilta. Sen tutkimiseen ei kuitenkaan toistaiseksi ole edellytyksiä — tarvitaan vähintäänkin mahdollisuus suoraan kuvaamiseen, jotta voidaan saada mitään tietoa planeetan kaasukehästä tai geologiasta.

Maailmankaikkeutemme planeetat voivat hyvinkin olla elinkelpoisempia kuin olemme ajatelleet. Ehkäpä olemmekin olleet täysin väärässä ja elämän yleisyyden arvionti, joka on perustunut ainoastaan planeettojen pintojen fysikaalisiin olosuhteisiin, tuottaakin harhaanjohtavia arvioita. Olemme ehkä antaneet oman kokemuspiirimme sanella yleisempiä reunaehtoja elämälle, sen esiintymiselle ja yleisyyydelle. Se ei olisi ensimmäinen kerta — ennakko-oletukset ovat usein hidastaneet tieteellisen tiedon karttumista, koska tutkijat eivät ole tunnistaneet omia subjektiivisia oletuksiaan ja ajattelunsa rajoitteita. Ehkäpä maailmankaikkeuden elämä ei olekaan vain yleisempää kuin olemme kuvitelleet, vaan jopa yleisempää kuin olemme edes osanneet kuvitella vajavaisissa mielissämme. Onneksemme toisten elävien planeettojen tutkiminen auttaa tulevaisuudessa vastaamaan moninaisiin kysymyksiimme elämästä maailmankaikkeudessa — jos siis onnistumme sellaisia löytämään.

---

Teksti sai inspiraation Jordana Cepelewiczin kirjoituksista ”Radioactivity May Fuel Life Deep Underground and Inside Other Worlds” ja ”Inside Deep Undersea Rocks, Life Thrives Without the Sun”, Quanta Magazine. Suuret kiitokset Lotta Purkamolle asiantuntijuutensa lainaamisesta käyttööni.