Eksoplaneetta hukassa

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.

---

Punaisen tähden minimaapallo

2.9.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus , Havaitseminen

Voimme tehdä Aurinkokuntaa tutkimalla yksinkertaisen havainnon: suurin osa Aurinkokunnan kappaleista on Maata pienempiä. Se ei tietenkään hämmästytä ketään, koska maailmankaikkeudella on taipumuksena suosia pienempiä kappaleita suurempien kustannuksella. Aurinkokunnassa tiedetään yleisesti olevan neljä Maata suurempaa planeettaa, jotka ovat kaikki kaasuplaneettoja. Niistä kaksi on kaasujättiläisiä ja kaksi pienempiä jääjättiläisiä — jälkimmäinen kategoria viittaa kaasuplaneettoihin, kotka koostuvat pääosin vetyä ja heliumia raskaammista aineista, tyypillisesti erilaisista jäistä. Minineptunukset ja supermaapallot, maata suuremmat mutta Neptunusta pienemmät planeetat, Aurinkokunnasta puuttuvat, joten seuraavaksi pienemmän kokoluokan planeetat ovat suunnilleen samankokoiset ja -massaiset kiviplaneetat Maa ja Venus.

Maata pienempiä, hydrostaattisen tasapainotilan mukaisesti likimain pallomaisia kappaleita Aurinkokunnassa riittääkin sitten runsaasti. Maa on siis pallo, jonka säde on noin 6400 km. Pienemmistä planeetoista Marsin ja Merkuriuksen säteet ovat tästä noin ja 53% ja 38%. Ne ovat siten kooltaan selvästi Maata pienempiä. Ja koska planeetan massa on suhteessa sen tilavuuteen, niiden massat ovat vain 11% ja 6% Maan massasta. Suurista kuista ja Aurinkokunnan kääpiöplaneetoista lisäksi Ganymedes, Titan ja Callisto ovat kooltaan ainakin kolmanneksen Maasta, kun taas Io, Kuu, Europa, Triton, Pluto ja Eris ylittävät jokainen säteeltään 1000 km rajapyykin.

Jokainen näistä Aurinkokunnan palloista on omanlaisensa maailma, jolla on oma syntyhistoriansa, koostumuksensa, ja muut ominaisuutensa. Ne kuitenkin tarjoavat vain vilauksen siitä pienten planeettojen ja muiden kappaleiden kirjosta, joka maailmankaikkeudessa odottaa löytämistään. Ongelma vain on, että pienten maailmojen havaitseminen muiden tähtien järjestelmissä on äärimmäisen vaikeaa — kaikki havaintomenetelmät ovat sitä tehokkaampia tuottamaan havaintoja, mitä suuremmista kohteista on kyse. Siksi emme tiedä juuri mitään esimerkiksi eksoplaneettojen kuista tai eksoplaneettajärjestelmien kääpiöplaneettojen ominaisuuksista. Tuoreimman askeleen uuden tiedon äärelle kuitenkin tarjoaa lähitähteä kiertävä kuuma kiviplaneetta L 98-59 b.

Maata pienempiä planeettoja on löydetty ennenkin mutta L 98-59 b tarjoaa mainion esimerkin kappaleesta, joka kiertää lähitähteä ja on massaltaan Maata pienempi. Se on pienin eksoplaneetta, jonka massa on kyetty mittaamaan radiaalinopeusmenetelmällä samalla kun koko on saatu selville planeetan ylikulkuja havaitsemalla. Planeetta on kooltaan 85% Maasta ja massaltaan noin 40% Maan massasta, asettuen kokovertailussa Maan ja Marsin välimaastoon (Kuva 1.). Parasta kuitenkin on, että koon ja massan arvioista on mahdollista laskea keskitiheys. Se on suuruudeltaan noin kaksi kolmannesta Maan tiheydestä ja tarkoittaa, että planeetalla on suhteellisesti Maata pienempi rauta-nikkeli ydin. L 98-59 b on luultavasti jokseenkin marsinkaltainen planeetta, joka onkuitenkin kooltaan hiukan Marsia suurempi. Erottavana tekijänä tosin on planeetan noin 350 celciusasteen kuumuus, joka tekee siitä ehdottomasti elinkelvottoman kappaleen.

Järjestelmän muut planeetat, joita on ainakin kolme, luultavasti jopa neljä, ovat jokainen Maata suurempia supermaapalloja mutta järjestelmän sisimmät planeetat tuskin ovat elinkelpoisia kuumuutensa ja muiden ominaisuuksiensa vuoksi. Vaikka planeetta L 98-59 d onkin keskitiheydeltään muita kevyempi, mikä viittaa siihen, että sen koostumuksesta jopa 30% olisi vettä, eivät planeetan kuumuus ja todennäköinen vesihöyrypitoisen kaasukehän voimakas kasvihuoneilmiö anna elämälle suuriakaan mahdollisuuksia sen olosuhteissa. Tuorein löytö, uloin planeetta L 98-59 f, puolestaan voi hyvinkin olla elinkelpoinen meriplaneetta. Kaikeksi epäonneksi sen ylikulkua ei kuitenkaan ole havaittu ja planeettan tiheys ja koostumus ovat siksi täysin arvailujen varassa. Tiedämme siitä vain radiaalinopeusmenetelmällä mitatun massan alarajan, joka on 2.5 kertaa Maapallon massa. Ongelmana on tietenkin se, että emme ole saaneet tehtyä havaintoa planeetan radan kallistuskulmasta ja siksi massan todellinen arvo ei ole tiedossa. Planeettojen radat ovat kuitenkin erittäin todennäköisesti likimain samassa tasossa, joten voimme päätellä, että mitattu minimimassa vastaa hyvin tarkalleen todellista massaa. Silloin L 98-59 f voisi hyvinkin tarjota paikan, jossa on elinkelpoisen vyöhykkeen tonttimaata, jos vain sen kaasukehä tarjoaa planeetan pinnalle sopivan lauhkeat olosuhteet.

Toistaiseksi tunnetaan vain kourallinen planeettakuntia, joiden planeetoista vähintään kahden koko ja massa on saatu mitattua. Olemme siten tekemässä vasta alustavaa kartoitusta siitä eksoplaneettojen erilaisten koostumuksien kirjosta, joka odottaa havaitsemista lähitähtien järjestelmissä. Maata pienempien planeettojen tutkiminen taas on vasta alkanut, koska niitä tunnetaan niin vähän. Tähden L 98-59 järjestelmän minimaapallo tarjoaa siksi astronomeille tärkeän esimerkkitapauksen Maapalloa pienemmistä planeetoista Aurinkokunnan lähinaapurustossa. Sen myötä olemme ottaneet jälleen yhden harppauksen kohti ensimmäisen kaikilta havaittavilta ominaisuuksiltaan maankaltaisen planeetan löytämistä.

---

Merenpinta vetykehän alla

28.8.2021 klo 12.29, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus , Koostumus

Ernest Rutherfordin kerrotaan sanoneen, että tiede on joko fysiikkaa tai postimerkkien keräilyä. Lausahduksen taustalla on se ajatus, että useasta tieteenalasta puuttuvat perimmäiset lainalaisuudet, joita fysiikaalisesta maailmasta on löytynyt gravitaatiolaista ja yleisestä suhteellisuusteoriasta aina termodynamiikkaan ja kvanttimekaniikkaan asti. Muissa tieteissä vastaavia perustavanlaatuisia lainalaisuuksia on vain vähän, joten on jouduttu tyytymään asioiden luokitteluun ja kategorisointiin — hiukan kuin asetettaessa postimerkkejä järjestykseen niiden ominaisuuksien mukaan. Näkemystä voi hyvällä syyllä pitää loukkaavana ja muita tieteenaloja halventavana mutta esimerkiksi biologit kyllä tyypillisesti itsekin myöntävät, että ennen evoluutioteorian muodostamista oli vain vajavaisin tiedoin toteutettua taksonomiaa, jossa lajeja järjesteltiin ryhmiin ja luokkiin niiden ominaisuuksien mukaan.

Eksoplaneettatutkimus on suurelta osin edelleen postimerkkeilyä. Kyseessä on niin nuori tähtitieteen haara, että emme toistaiseksi edes tunne kuin kourallisen esimerkkejä siitä valtavasta planeettojen kirjosta, jonka maailmankaikkeus pitää sisällään. Luokittelemme ja kategorisoimme planeettoja kuten biologit lajeja ennen evoluutioteoriaa tietämättä tarkalleen minkälaisiin hierarkioihin niitä tulisi asettaa. Alalle tunnusomaista ovat jatkuvat uusien planeettatyyppien löydöt, kun astronomit saavat tarkempia tietoja havaitsemistaan planeetoista ja vertaavat niitä aiemmin tunnettuihin todeten, että tällaisia emme olekaan vielä nähneet. On omasta planeettakunnastamme tuttuja kiviplaneettoja ja kääpiöplaneettoja. On Neptunuksen kokoluokan jääjättiläisiä ja suurempia kaasujättiläisiä. Ja lisänä on valtaisa kirjo eksoplaneettoja minimaapalloista ja supermaapalloista aina minineptunuksiin ja eksentrisiin jupitereihin saakka. Planeettojen monimuotoisuus on huikaisevaa ja tietomme siitä tarkentuvat jatkuvasti.

---

Minineptunuksella tarkoitetaan planeettaa, jolla on merkittävä kaasuvaippa mutta joka on Neptunusta pienempi. Tarkemman tiedon puuttuessa, olemme vain päätyneet asettamaan kaikki merkittävän kaasuvaipan omaavat Neptunusta pienemmät planeetat yhteen lokeroon riippumatta siitä kuinka samankaltaisista kappaleista oikeastaan edes on kyse. Tyypillisesti planeettoja luokitellaan niiden koon tai massan avulla. Ylikulkuhavainnoista mitattu planeetan fyysinen koko antaa kuitenkin vain vähän tietoa sen ominaisuuksista. Samoin radiaalinopeusmenetelmällä mitattu massa, tai oikeastaan vain sen alaraja, antaa korkeintaan viitteitä siitä, millainen kappale on havaittu. Jos molemmat havainnot ovat olemassa, voidaankin sitten jo arvioida planeetan keskitiheyttä ja saada selville ensimmäisen asteen approksimaatio sen koostumukselle keskitiheyden avulla. Mutta sittenkin planeetasta tiedetään vain hyvin vähän.

Kun tunnemme planeetan kiertämän tähden ja kiertoradan ominaisuuksia, voimme arvioida planeetan tähdeltään saaman säteilyn määrää ja siten lämpötilaa. Lämpötila taas tarjoaa uuden ulottuvuuden planeettojen luokitteluun: puhumme kuumista jupitereista ja neptunuksista tai viileistä supermaapalloista tai jostakin muusta planeetan lämpötilan ja koon yhdistelmästä. Kaikkein mielenkiintoisinta on ollut koettaa löytää lämpimiä maapalloja — planeettoja, jotka ovat kooltaan samankaltaisia kuin Maa ja pintalämpötilaltaankin sellaisia, että vesi pysyy niiden pintaolosuhteissa nestemäisessä muodossaan. Ne ovat parhaita kandidaatteja eläviksi planeetoiksi mutta kaikki riippuu kolmannesta tekijästä. Planeettojen elinkelpoisuuden ratkaisee oleellisesti niiden koostumus ja erityisesti niiden kaasukehän ominaisuudet.

Cambridgen yliopiston tutkija Nikku Madhusudhan otti käyttöön käsitteen ”hyseaaninen planeetta” kuvatakseen identifioimaansa minineptunusten luokkaa. Asiasta uutisoi myös Tähdet ja avaruus. Kyseessä on englanninkielen vetyä ja valtamerta tarkoittavien sanojen yhdistelmä. Sillä viitataan valtameriplaneettohin, joilla on merkittävä, suurelta osaltaan vedystä koostunut kaasukehä. Ne kykenevät Maata massiivisempina pitämään kiinnit vetymolekyyleistä kaasuvaipassaan ja niiden keskitiheys on tyypillisesti niin matala, että vesi muodostaa jopa kolmanneksen niiden massasta. Hyseaanisia planeettoja peittää siis ainakin satojen, jopa tuhansien kilometrien syvyinen valtameri, joka on piilossa verrattaen paksun kaasukehän tai -vaipan alla. Ne näyttävät lisäksi olevan varsin yleinen planeettojen luokka. Moni lähitähtiä kiertävä eksoplaneetta, kuten esimerkiksi K2-18 b (Kuva 1.), voidaan luokitella hyseaaniseksi planeetaksi — Madhusudhan ryhmineen tarjoaa esimerkeiksi 11 tunnettua eksoplaneettaa, joiden havaitut ominaisuudet ovat yhteensopivia hyseaanisen rakenteen kansssa.

Kaikki riippuu planeetan koostumuksesta. Hyseaaniset planeetat voivat olla kooltaan moninaisia, massaltaan jotakin kahden ja ehkäpä kymmenen Maan massan välillä, mutta oleellista on Maata pienempi keskitiheys. Pienempään keskitiheyteen päästään, kun merkittävä osa planeetan koostumuksesta on vettä, maailmankaikkeuden yleisintä yhdistettä. Tosin veden tarkka määrä ei ole kovin oleellista — kunhan sitä on riittävästi, jotta planeetan keskitiheys on tyypillistä maankaltaista kiviplaneettaa pienempi (Kuva 2.). Esimerkiksi kahden Maan massan kappale voi olla kooltaan 30% tai jopa 80% Maan halkaisijaa suurempi, ja planeetan ominaisuudet ja luokittelu pysyvät paljolti samoina. Parasta kuitenkin on, että planeettojen valtamerissä voi olla elämälle otolliset olosuhteet lähes riippumatta etäisyydestä tähdestään. Vesi vaikuttaa pysyvän nestemäisessä olomuodossaan vetyvaipan alla varsin helposti. Vain lähellä tähteä on niin kuumaa, että hyseaaniset planeetat kuumenevat liiaksi, menettävät vetypitoisen kaasukehänsä ja ehkäpä myös kaiken vetensä muuttuen karuiksi, kuumiksi supermaapalloiksi.

Merellisten minineptunusten elinkelpoisuus vaikuttaa odottamattomalta mutta se on seurausta runsaasta veden määrästä sekä siitä, että paksu kaasukehä tarjoaa sopivan paineen ja lämpötilan, jotta vesi pysyy nestemäisessä olomuodossaan tarjoten eläville organismeille elintilaa. Veden voi lisäksi havaita. Planeetan K2-18 b runsaan vedyn kyllästämästä kaasukehästä onkin havaittu selkeitä merkkejä vesihöyrystä, mikä tarjoaa suoraa tukea arvioille planeetan vetisestä koostumuksesta. Madhusudhan tutkimusryhmineen spekuloikin sillä, että hyseaanisten planeettojen voidaan ajatella tarjoavan mahdollisuudet uudenlaiselle elinkelpoiselle ympäristölle, joka olisi vieras omalle kallion, veden ja ilman vuorovaikutusten tarjoamalle biosfäärillemme. Jos hyseaaniset planeetat voivat olla eläviä, elinkelpoisten planeettojen määrä maailmankaikkeudessa on moninkertainen verrattuna siihen, mitä tähtitieteilijät ovat arvelleet — sopivia planeettoja nimittäin on paljon enemmän kuin perinteisiä, maankaltaisia elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja.

Yksi kuva arvioidusta hyseaanisesta elinkelpoisesta vyöhykkeestä kertoo enemmän kuin tuhat sanaa (Kuva 3.). Jos meriplaneetat voivat todellakin olla eläviä vetykehän alla, valtaosa maailmankaikkeuden elinkelpoisesta tilavuudesta on niiden sisuksissa. Elämää voi silloin esiintyä runsaasti erilaisilla tähtityypeillä, aina pienimmistä punaisista kääpiötähdistä, jotka ovat massaltaan vain 10% Auringon massasta, auringonkaltaisiin ja massaisiin keltaisiin kääpiötähtiin. Lisäksi, nestemäisen veden olemassaololla on voimakkaita rajoitteita vain aivan lähellä tähtiä, mistä minineptunuksia on joka tapauksessa havaittu vain kourallinen — hyseaanisia, nestemäistä vettä sisältäviä planeettoja voi olla laajalla skaalalla etäisyyksiä tähdistään.

Ennen pidemmälle vietyjä päätelmiä, on kuitenkin vastattava useisiin kysymyksiin hyseaanisten planeettojen luonteesta ja elinkelpoisuudesta. Onko niiden valtamerten pohjissa geologisesti aktiivisia paikkoja, joissa orgaanisten molekyylien tiheys voi saavuttaa elämän synnyn mahdollistavan suuruuden? Sopivat lämpötilaolosuhteet ja nestemäinen vesi eivät vielä riitä tekemään planeetasta elollista. Elämän on voitava saada alkunsa, emmekä tiedä onko se mahdollista massiivisen meriplaneetan valtameren pohjassa, jossa paine on niin suurta, että vesi voi olla jopa kiinteässä olomuodossaan, eksoottisena tyypin VII kristallina. On ainakin vaikeaa kuvitella miten orgaaniset molekyylit saataisiin reagoimaan keskenään tuottaen monipuolista biokemiaa ilman nestemäisen veden ja vulkaanisen kallion kosketuspintaa. Toinen kynnyskysymys on sopiva energiagradientti. Hyseaanisten planeettojen merissä paksu kaasukehä estää luultavasti säteilyn pääsyn pinnalle tehden fotosynteesistä mahdotonta ja valtamerten syvyys taas saattaa estää geotermisen energian laajamittaisen hyödyntämisen. Mikrobit voisivat varmasti elää ja kukoistaa hyseaanisten planeettojen merissä vaikkapa radioaktiivisen hajoamisen tuottaman energian turvin, ja geotermistä energiaakin saattaisi hyvinkin olla saatavilla syvällä valtameren pohjassa, mutta runsaasti vapaata energiaa vaativien monisoluisten eläimien ja pitkien ravintoketjujen olemassaolo saattaisi silti olla estynyttä.

Voimme samalla miettiä mitä mahdollisuuksia olisi havaita merkkejä mahdollisesti hidaskasvuisesta mikrobitason elämästä hyseaanisten planeettojen kaasukehissä. Paksu, alaosaltaan tiheä kaasukehä luultavasti ainakin tekee siitä hankalaa, ellei mahdotonta mutta havainnon mahdollisuutta ei voida sulkea poiskaan. Yksinkertaisia molekyylejä, kuten vaikkapa rikin, hiilen, kloorin ja typen yhdisteitä voitaisiin havaita kaasukehistä mutta esimerkiksi metaani ja ammoniakki voisivat esiintyä niissä aivan luonnostaan, joten yksinkertaiset jo lähitulevaisuudessa havaittavissa olevat biomarkkerit evät välttämättä riitä elämän merkkien varmistamiseen. Toisaalta, paksu kaasukehä tekee erilaisten molekyylien havaitsemisesta helpompaa, koska ylikulkujen yhteydessä käytetty transmissiospektroskopia tuottaa voimakkaampia havaintoja. Paksumpi kaasukehä tarjoaa suuremman alueen, jolta tähden valo suodattuu kaasukehän läpi havaintolaitteisiimme. Mutta yksinkertaisten biomarkkereiden ollessa riittämättömiä, paksu kaasukehä estää myös tehokkaasti elämän merkkien havaitsemisen esimerkiksi suoran kuvaamisen keinoin. Jos taas kaasukehä on hyvin ohut, planeetta vastaa tyypiltään valtameriplaneettaa, joiden on jo pitkään ajateltu olevan potentiaalisesti elinkelpoisia, jos ne ovat korkeintaan muutaman Maapallon verran massaltaan. Hyseaanisten planeettojen dilemma saattaakin olla vetypitoisen kaasuvaipan olemassaolo. Riittävän paksuna, se mahdollistaa valtameren pysymisen nestemäisenä laajalla skaalalla etäisyyksiä planeettakunnan keskustähdestä. Samalla paksu kaasuvaippa voi estää tehokkaasti havaitsemasta ratkaisevia merkkejä planeetan elävistä organismeista.

Meidän näkökulmastamme, hyseaanisia planeettoja saattaa siis vaivata kirous. Voimme havaita niiltä merkkejä elävistä organismeista vain, jos niiden vetypitoinen kaasukehä on ohuen puoleinen ja ne muistuttavat enemmän maankaltaisia valtameriplaneettoja. Ehkäpä olemme silloin palanneet takaisin lähtöruutuun. Meriplaneetat ovat hyviä kandidaatteja eläviksi planeetoiksi ilman vetypitoista vaippaansa, sijaitessaan perinteisellä elinkelpoisella vyöhykkeellä. On oltava riittävän lämmin, jotta veteen ei muodostu elämän merkit sisäänsä sulkevaa jääkuorta mutta riittävät viileää, jotta vesi ei höyrysty kaasukehään tekemään planeetasta valtaisaa, kuumaa ja kosteaa painekattilaa elämälle tuhoisin seurauksin. Hyseaanisten planeettojen olemasaolo uutena planeettojen luokkana on sekin epävarmaa. Todennäköisesti planeetoilla on monenlaisia tapoja asettua alkeellisiin lokeroihimme massan, säteen ja lämpötilan suhteen. Siksi eksoplaneettatutkimus on edelleen postimerkkeilyä — ja erittäin jännittävää sellaista. On täysin mahdotonta ennustaa minkälainen maailma odottaa karkeaa luokitteluamme jo heti seuraavan kohteen havaintoja analysoidessamme.

Emme kuitenkaan ole maailmankaikkeuden napa, ja elämälle on aivan samantekevää kykenemmekö me havaitsemaan sitä. Hyseaanisten planeettojen valtamerten elämä, jos sitä on, voi hyvin ja kukoistaa riippumatta sitä osaammeko nähdä siitä merkkejä vai emme.

---

Otettuani käyttöön termin ’hyseaaninen’, havaitsin, että sitä käytti ensimmäisenä Tekniikka jaTalous -julkaisun toimittaja Matti Ranta. Se on terminä oikein mainio, onhan suomenkielessä käytössä myös esimerkiksi ’oseaaninen’, tarkoittamassa merellistä tai mereen liittyvää. Se, vakiintuuko termi käytettäväksi tähtitieteilijöiden ja tieteestä kirjoittavien keskuudessa on kuitenkin epävarmaa.

---

Punaisen taivaan paradoksi

23.8.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat

Kuinka monta elävää planeettaa galaksissamme on? Kuinka monella niistä kehittyi monisoluista elämää, monimutkaisia ravintoketjuja, älykkyyttä tai tekninen sivilisaatio? Minkälaisten tähtien kiertoradoilta voimme löytää biosfääriä ylläpitäviä planeettoja? Kuinka yleistä elämä on maailmankaikkeudessamme? On helppoa kysyä valtaisan mielenkiintoisia tieteellisiä kysymyksiä mutta niihin vastaaminen on lähestulkoon mahdotonta perustuen niihin tietoihin, joita meillä on. On vain yksi esimerkki elävästä planeetasta ja sen käyttäminen suurten elämän yleisyyttä koskevien kysymysten arviointiin on päätähuimaavaa ekstrapolointia ja tieteellistä varomattomuutta.

Yleisemmin, todennäköisyyksien arvionti perustuen ainutkertaisiin tapahtumiin on tieteellisesti tarkasteltuna äärimmäisen hankalaa ja suureksi osaksi täysin turhaa. Voimme tehdä päätelmiä elämän yleisyydestä maailmankaikkeudessa vain subjektiivisesti, koska ennakko-oletuksemme vaikuttavat tuloksiin voimakkaammin kuin yksittäinen havaintomme. Pohjimmiltaan on kyse siitä, että tunnemme vain yhden elävän planeetan kiertämässä yksittäistä tähteä. Tunnemme vain yhdenlaisen elämän biokemian, joka syntyi yhden planeetan tietynlaisista geokemiallisista sykleistä ja jonka ainutkertainen evoluutiohistoria tarjoaa vain yksittäisen esimerkin. Emme tiedä mitkä omaa elävää planeettaamme koskevat tiedon muruset voidaan yleistää koskemaan kokonaista planeettojen populaatiota edes omassa galaksissamme. Aina voimme kuitenkin yrittää tehdä valistuneita arvauksia.

Tiedämme galaktisesta tähtinaapurustostamme sen, että valtaosa tähdistä on punaisia kääpiötähtiä, jotka ovat Aurinkoa pienempiä niin massaltaan kuin kirkkaudeltaankin ja loistavat voimakkaimmin punaisella näkyvän valon alueella. Tiedämme varsin hyvin myös sen, että keskimäärin jokaista punaista kääpiötä kiertää noin yksi kivinen planeetta sellaisella etäisyydellä tähdestään, että planeetan pinnalla voisi olla elämälle otolliset lämpötilaolosuhteet. Lisäksi, punaiset kääpiöt elävät vähintäänkin kymmeniä kertoja kauemmin kuin auringonkaltaiset tähdet, mikä takaa niiden planeettakunnille stabiilit olosuhteet kymmenien, jopa satojen vuosimiljardien ajaksi. Kaikkein lähin tuntemamme eksoplaneetta, Proxima b, on juuri sellainen maailma, mikä osoittaa sekin osaltaan, että tilastolliset arviomme punaisia kääpiötähtiä kiertävien planeettojen yleisyydestä pätevät jopa aivan lähimpiin tähtinaapureihimme. Mutta omalla taivaallamme loistaa keltainen tähti, joka on galaksimme mittakaavassa jo paljon harvinaisempi. Kun punaisia kääpiöitä on kaikista tähdistä noin kolme neljännestä, keltaisia auringonkaltaisia tähtiä on vain noin viisi prosenttia. Onko kyse puhtaasta sattumasta vai voimmeko vetää jotakin johtopäätöksiä siitä, että taivaallamme loimottaa punaisen sijaan paljon harvinaisempi keltainen plasmapallo?

Vaikka yhdysvaltalainen tähtitieteilijä David Kipping onkin nimennyt kysymyksen huomiota herättääkseen ”punaisen taivaan paradoksiksi”, ei kyseessä tarvitse olla minkäänlainen paradoksi tai edes selitystä kaipaava asia. Voi olla mahdollista, että olemme syntyneet epätodennäköiseen paikkaan keltaisen auringon kiertoradalle täysin sattumalta — siitäkin huolimatta, että meidät löytää juuri tällä hetkellä, tähtien määrän ja eliniän huomioiden, kertoimella 100 epätodennäköisemmin juuri täältä kuin punaisen kääpiön kiertoradalta. Tässä mielessä olemme siis sattumalta erityislaatuisessa paikassa, keskimääräisistä elämän kehdoista poikkeavalla planeetalla. Mutta silloin tulemme myöntäneeksi olevamme erityisasemassa ja rikomme ajattelussamme perinteikästä kopernikaanista periaatetta, jonka mukaan Maapallossa ja Auringossa ei ole mitään erityistä tai erikoista, eivätkä ne ole minkäänlaisessa erityisasemassa galaksissamme tai maailmankaikkeudessamme. Voisiko taustalla siis olla jotakin muutakin?

Voimme seurata Kippingin päättelyketjua, ja laskea todennäköisyyden sille, että älykästä elämää syntyi juuri tälle planeetalle, G-spektriluokan keltaisen kääpiötähden kiertoradalle. Se on noin yksi mahdollisuus sadasta huomioidessamme tähtien yleisyyden ajassa ja avaruudessa. Silloin kuitenkin huomaamme, että yhtä auringonkaltaisen tähden älykästä elämää ylläpitävää järjestelmää kohti, yksittäisenä ajanhetkenä, on olemassa noin 100 samanlaista järjestelmää M-spektriluokan punaisten kääpiöiden ympärillä. Jos siis olemme täällä sattumalta, ylivoimainen valtaosa kaikesta älykkäästä elämästä löytyy punaisen taivaan alta. Tällä tavalla ajateltuna paradoksi muuttuu hetkessä ilmeiseksi. Kipping ei edes huomioi havaittuja tietoja planeettojen yleisyydestä. Auringonkaltaisilta tähdiltä löytää keskimäärin noin 0.05 lämpötilaltaan ja kooltaan maankaltaista planeettaa mutta M-spektriluokan tähdille niitä on keskimäärin peräti yksi per tähti. Siten todennäköisyys, jolla taivaallamme on keltainen tähti on suunnilleen yksi kahdestatuhannesta — olettaen, että elämä voi syntyä ja kehittyä samalla tavalla riippumatta tähdestään. Ja kun punaisten kääpiötähtien planeettakuntien älykäs elämä on näillä oletuksilla niin paljon yleisempää, törmäämme välittömästi Fermin paradoksiin — voiko jokin kosminen tekijä tehdä älykkäästä elämästä punaisen taivaan alla epätodennäköisempää kuin maankaltaisilla planeetoilla auringonkaltaisten tähtien järjestelmissä?

---

Punaisen taivaan näennäiselle paradoksille on olemassa muitakin ratkaisuja, joista Kipping nimeää julkaisemassaan artikkelissa kolme. Jos älykkään elämän kehittyminen on yksinkertaisesti todennäköisempää auringonkaltaisen tähden järjestelmässä, huomioiden erot tähtien eliniässä, on seurauksena se, että punaisten kääpiöiden älykkään elämän on oltava ainakin kaksi kertaluokkaa harvinaisempaa. Se on täysin mahdollista, vaikka emme osaakaan arvioida älyllisten organismien kehittymisen nopeutta ja esteitä erilaisissa planeettakunnissa. Toinen mahdollisuus on, että punaiset kääpiöt eivät pysy suotuisina älykkään elämän synnylle yhtä kauan kuin auringonkaltaiset tähdet. Erilaiset astrofysikaaliset prosessit, kuten tähtien aktiivisuus, purkaukset ja suurienerginen säteily voivat muuttua tähtien ikääntyessä muuttaen samalla elämän synnyn ja kehityksen mahdollisuuksia. On hyvinkin mahdollista, että punaisten tähtien järjestelmissä elämän kehittyminen on mahdollista esimerkiksi vain tähtien nuoruudessa, vain muutaman sadan miljoonan tai korkeintaan miljardin vuoden aikaikkunassa, mikä tarkoittaisi sitä, että löydämme itsemme todennäköisimmin auringonkaltaisen tähden kiertoradalta.

Kolmas ratkaisu on ehkäpä kaikkein todennäköisin. Ehkäpä vain äärimmäisen harva punaista kääpiötä kiertävä planeetta on ylipäätään elämän synnylle ja älyn kehitykselle suotuisa. Tällaista mahdollisuutta onkin ounasteltu, sillä punaisten kääpiöiden lämpötilansa puolesta elinkelpoiset planeetat kiertävät lähellä tähteään alttiina niin suurienergiselle säteilylle, hiukkastuulelle ja tähden purkauksille kuin vuorovesilukkiutumisellekin. Silloin todennäköisyys, että sopivat planeetat ovat menettäneet jopa kaasukehänsä tähtensä vihamielisessä säteily-ympäristössä, on auringonkaltaisten tähtien planeettoja suurempi. On mahdollista, että elämän ja siten älyllisen elämän edellytykset ovat vain heikommat punaisten kääpiöiden kiertoradoilla.

Yksi selittävä tekijä punaisten kääpiöiden elinkelpoisten planeettojen heikommalle kyvylle ylläpitää monimutkaisia biosfäärejä ja toimia siten älykkäiden organismien kehtoina saattaa olla saatavilla olevan säteilyenergian heikompi laatu. Vaikka lämpötila olisikin elämälle soveltuva, biosfäärin kehitystä saattaa haitata yhteyttämiseen sopivan säteilyn heikko intensiteetti punaisten kääpiöiden kiertoradoilla. Heikko valaistus saattaa estää kompleksisten yhteyttävien kasvien synnyn, runsaan perustuotannon ja siten monimutkaisten ravintoverkostojen kehittymisen. Se taas tekisi runsaasta biodiversiteetista riippuvaisista ravintoketjujen yläpäiden älykkäistä organismeista erittäin harvinaisia ja ratkaisisi osaltaan punaisen taivaan paradoksia.

Asiaan on tietenkin mahdotonta saada kattavaa vastausta ennen kuin kykenemme löytämään toisia esimerkkejä elävistä planeetoista tai älykkäistä sivilisaatioista. Voimme silti arvioida mikä on todennäköistä ja mikä ei tekemällä havaintoja tunnetusta eksoplaneettapopulaatiosta. Kyseessä on koko eksoplaneettoja tutkivan tähtitieteilijöiden yhteisön yhteinen projekti, joka etenee ehkäpä turhauttavan hitaasti mutta silti vääjäämättömästi kohti tarkentuvaa tietoa.

Kilpajuoksu kohti punaisia aurinkokuntia

10.8.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen

Saksalainen maisema on junan ikkunasta katsottuna varsin vaihteleva. Näyttää siltä kuin maa olisi peltojen, metsien ja sievien pikkukylien loppumaton tilkkutäkki tuulimyllyineen, jokineen ja viinitiloineen. Illuusio kuitenkin särkyy nopeasti, kun saapuu Hampurin suurkaupungin meteliin. Metsätkin olivat vain radan reunaan istutettuja plantaaseja ja näkösuojia, jotka estävät huomaamasta miten viljaa viljellään valtavissa monokulttuureissa, biodiversiteettiä halveksuvilla teollisilla tuotantoalueilla. Kehitys on vienyt mukanaan saksalaisen maaseutuidyllin ja tuonut tilalle tehomaatalouden ja alhaisten yksikkötuotantokustannusten tieltä hävitetyn luonnon.

Maan metsät eivät voi sen paremmin — lehtimetsän aikanaan kattama germaanisten heimojen asuttama alue on vaihtunut pelloiksi kauttaaltaan ja alkuperäiset metsät on jo kauan sitten hakattu pois häiritsemästä maatalouden kasvavia tuotantovaatimuksia. Vaikka noin kolmannes saksan maapinta-alasta on metsää, kyseessä ovat puuplantaasit lukuunottamatta joitakin kansallispuistojen rauhaan jätettyjä metsikköjä ja Schwarzwaldin vuoristoalueen havumetsiä.

Jatkan matkaa Hampurista etelään, kohti Göttingenin pientä kaupunkia Ala-Saksin osavaltiossa. Vuosi on 2011 ja olen matkalla tapaamaan toista nuorta tähtitieteilijää, Guillem Anglada-Escudea, joka on kutsunut minut vierailemaan Göttingenin yliopistolla kertomassa tutkimuksestani ja tulevaisuuden suunnitelmistani liittyen työskentelyyn eksoplaneettojen parissa. Yhteistyömme tuottaakin historiallisia tuloksia kulminoituen Aurinkokuntaa lähimmän eksoplaneetan, Proxima b:n löytöön, mutta en tietenkään tiedä sitä vielä.

---

Vuoden 2011 tapaamisemme keskittyi Doppler-spektroskopisen eksoplaneettojen havaitsemiseen sovelletun menetelmän tarkkuuden parantamiseen. Keskellä Werner Heiselbergin, Max Bornin, Paul Diracin, Max Planckin, Wolfgang Paulin ja muiden suurten 1900-luvun teoreettisen fysiikan nobelistien kotikaupunkia, suunnittelimme maankaltaisten planeettojen havaitsemiseen vaadittavan tarkkuuden saavuttamista puhtaasti data-analyysin keinoin. Ajatuksenamme oli yhdistää kaksi lähestymistapaa parantaa tarkkuutta eksoplaneettojen aiheuttamien signaalien havaitsemisessa. Guillem oli kehittänyt algoritmin tähden spektrien tehokkaampaan hyödyntämiseen laskettaessa tähtien näkösäteen suuntaista heilumista niitä kiertävien planeettojen vaikutuksesta. Minä taas olin kehittänyt entistä herkempiä menetelmiä planeettojen aiheuttaman heilahtelun erottamiseen tähden aktiivisuudesta ja teleskoopin ja instrumentin tuottamasta havaintoihin aiheutuvasta taustakohinasta. Tiesimme, että havaintoaineistoja käytetään tehottomasti. Tähtitieteilijät saattoivat käyttää satoja miljoonia uusiin teleskooppeihin mutta jättivät sijoittamatta muutamaan henkilötyövuoteen, jotta saataisiin lähes vastaava hyöty parantamalla ja tehostamalla havaintoaineistojen analyysimenetelmiä.

Osoittaaksemme menetelmien mukanaan tuoman herkkyyden paranemisen ja sen, että kykenisimme löytämään entistä pienempiä, jopa maapallonkaltaisia planeettoja, tarvitsimme esimerkkikohteen. Proxima Kentaurin aineiston analysointi ei ollut vielä käynyt edes mielessä, vaan Guillem ehdoti testikohteeksi lähitähteä Gliese 676A, jota oli havaittu vuosien ajan HARPS-instrumentilla. Tähteä kiertämästä oli juuri raportoitu massiivinen kaasujättiläinen mutta Guillemin mukaan tähden havainnoissa oli viitteitä muustakin.

”Kuin pyydystäisimme kaloja katiskasta.”

Ulkoplaneetat ja sisäplaneetat

Gliese 676A on osana kaksoistähteä, jonka komponentit, kaksi punaista kääpiötähteä, kiertävät toisensa noin 20 000 vuodessa. Komponentti A on tähdistä massiivisempi, noin 75% Auringosta ja sen kiertoradalta havaittiin vuonna 2009 valtaisa, noin viisi kertaa Jupiteria suurempi jättiläisplaneetta. Havainnoissa oli kuitenkin muutakin. Ne osoittivat muutoksia tähden nopeudessa — kiihtyvyttä, joka osoitti tähden liikkuvan jonkin toisenkin massiivisen kappaleen vetovoiman vaikutuksesta. Tähteä havainnut sveitsiläis-ranskalainen Thierry Forveillen tutkimusryhmä raportoi sen liikkeessä kiihtyvyyttä, jonka selittäisi sitä kiertävä toinen massiivinen planeetta tai ruskea kääpiötähti. Selittävänä tekijänä ei voinut olla kaksoistähden komponentti B, joka oli havaittavaa kiihtyvyyttä aiheuttaakseen aivan liian kaukana.

Huomasimme nopeasti, että Gliese 676A:n kiihtyvyys ei ole tasaista, vaan kasvavaa (Kuva 1. oikealla ylhäällä). Se tarjosi mahdollisuuden tutkia minkälainen kappale voisi vetovoimineen aikaansaada havaittua kiihtyvyyden kasvua. Keplerin lakien mukaisesti, Gliese 676A vaikutti liikkuvan avaruudessa kahden jättiläisplaneetan vetovoiman vaikutuksesta. Kävi ilmi, että tähteä heiluttavat valtavat kaasuplaneetat, jotka ovat molemmat massaltaan noin seitsemän Jupiterin kokoisia. Ne kiertävät tähtensä noin 1000 ja 7000 päivän kuluessa. Kuin Jupiter ja Saturnus, Gliese 676A:n ympärillä on ulkoplaneettojen järjestelmä — planeetat vain olivat tuttuja oman aurinkokuntamme kaasujättiläisiä huomattavasti massiivisempia ja lähempänä tähteään.

Huolellisen havaintomateriaalin analyysin jälkeen paljastui lisää. Saimme selville, että järjestelmän sisäosissa on kaksi pienempää planeettaa, noin neljä kertaa Maata massiivisempi kuuma supermaapallo ja toinen minineptunukseksi luokiteltava kuuma, luultavasti paksun kaasuvaipan omaava planeetta (Kuva 1.). Olimme onnistuneet osoittamaan analyysimenetelmiemme tehon tekemällä merkittäviä löytöjä Forveillen ryhmän keräämästä datasta. Tehokkaammilla menetelmillämme onnistuimme saamaan datasta selville kokonaisen planeettakunnan olemassaolon yhden jättiläisplaneetan sijaan.

Havainnot paljastivat tähden Gliese 676A olevan erittäin poikkeuksellisen planeettakunnan ympäröimä. Järjestelmä muistuttaa Aurinkokuntaa, koska se on samalla tavoin hierarkinen — Gliese 676A:n ulommat kaasuplaneetat kiertävät tähteä rauhallisilla radoilla, suhteellisen kaukana, järjestelmän viileissä ulko-osissa. Pienemmät sisäplaneetat taas ovat radoillaan lähempänä tähteä. Aurinkokunnan näkökulmasta on kuitenkin omituista, että kaikki planeetat ovat 5-10 kertaa suurempia kuin vastineensa, Aurinkokunnan sisä- ja ulkoplaneetat, mutta kiertämässä Aurinkoa pienempää tähteä. Lisäksi, punaisten kääpiötähtien jättiläisplaneetat ovat harvinaisia — keskimäärin punaisia kääpiöitä kiertää vähintään kolme planeettaa mutta jättiläisplaneettoja on vain noin yhdessä järjestelmässä kahdestakymmenestä.

Yhteistyöni Guillemin kanssa oli alkanut menestyksekkäästi mutta se oli vasta alussa. Olimme osoittaneet, että havaintojen tarkkuutta — ja siten niistä saatavan tiedon määrää — oli mahdollista kasvattaa puhtaasti matemaattisin, tilastollisin ja laskennallisin keinoin. Keskittymällä entistä tehokkaampaan havaintojen analysointiin oli jopa mahdollista havaita planeettoja, joita havainnot tehneet tutkijat itse eivät olleet nähneet. Päätimme kuitenkin testata menetelmiämme kattavammin. Hankin käsiini toisen läheisen punaisen kääpiötähden Gliese 163:n Doppler-spektroskooppiset havainnot, jotta voisimme koettaa menetelmiemme toimivuutta vielä toisenkin esimerkin kanssa. Harmiksemme tähden havainnoista vain noin 35% oli julkaistu — loput materiaalista oli vielä rajattu, tyypilliseen tapaan, vain tähteä havainnoineen saman sveitsiläis-ranskalaisen tutkimusryhmän käyttöön Euroopan Eteläisen Observatorion havaintoarkistossa. Päätimme silti selvittää mihin menetelmämme pystyisivät ja ryhdyimme aikaa vievään, vaivalloiseen datan analysointiin.

Tiukkaan pakatut planeettakunnat

Gliese 163:n järjestelmän eksoplaneetta sai löytyessään runsaasti julkisuutta. Se herätti huomiota, koska kyseessä on supermaapalloksi kutsuttu Maata massiivisempi planeetta, joka kiertää tähteään sen elinkelpoisella vyöhykkeellä. Vaikka Gliese 163 c on yli seitsemän kertaa Maata massiivisempi, se saattaa silti olla kiinteän pinnan omaava kiviplaneetta, ja löytö huomioitiin nopeasti kandidaattina eläväksi planeetaksi.

Planeetan Gliese 163 c löytö raportoitiin poikkeuksellisesti tähtitieteen konferenssissa vuoden 2012 syyskuussa ja tehdyistä havainnoista tai siitä, mitä tarkalleen oli löydetty, ei ollut tarjolla muuta kuin esitelmä muille tähtitieteilijöille. Tieteellistä artikkelia, dokumenttia, joka vaaditaan, jotta muut tähtitieteilijät voivat varmistua havainnon olevan tieteellisesti hyvin perusteltu, ei ollut olemassa. Yhdessä Guillemin kanssa ymmärsimme, että olimme myöhässä — olimme saaneet arkistoiduista havainnoista planeetan olemassaolon selville jo heinäkuussa mutta suunnittelemamme tieteellinen artikkeli oli vasta alkutekijöissään. Emme voineet enää raportoida uutta planeettaa, koska sen olemassaolo oli jo julkista tietoa. Kiirehdimme silti analyysiemme kanssa ja kirjoitimme artikkelin valmiiksi, jotta voisimme julkaista tuloksemme. Siitä alkoi yksi kiusallisimmista julkaisuprosesseista, joissa olen tieteellisen urani aikana ollut mukana.

---

Tieteessä varmistetaan uusien tutkimustulosten oikeellisuus käyttämällä vertaisarvioinniksi kutsuttua menetelmää. Ajatuksena on, että uudet tulokset lähetetään arvioitaviksi alan asiantuntijoille, jotka päättävät joko suositella tulosten ja niistä kirjoitetun artikkelin julkaisemista tai hylkäämistä. Arvioijat voivat myös suositella muutoksia ja korjauksia artikkeliin, jotta se saadaan muokattua heidän mielestään julkaisukelpoiseen kuntoon. Tällä tavalla voidaan varmistaa, että uudet tutkimukset on tehty tieteellisen metodin edellyttämällä huolellisuudella, olemassaoleva tieteellinen tieto huomioiden ja toimivia menetelmiä käyttäen. Virheet, epätarkkuudet tai huolellisuuden puute havainnoinnissa, niiden käsittelyssä ja johtopäätösten teossa, tulevat silloin armotta esiin, kun tavallisesti yhdestä kolmeen asiantuntijaa koettaa etsiä tutkimuksesta heikkouksia, jotka estäisivät julkaisemisen. Prosessin läpäissyt tiede ei välttämättä ole lopulta kaikilta osiltaan oikein, mutta epätieteellinen roska ja räikeät virheellisyydet karsiutuvat julkaistavien tulosten joukosta erittäin tehokkaasti.

Arvioijien valinnasta päättävät tieteellisten julkaisusarjojen toimittajat, jotka valjastavat alan parhaat asiantuntijat tarkastelemaan uusien tulosten laatua. Toimittajat ovat julkaisijan palkkalistoilla mutta arvioijat ovat tekemässä vapaaehtoistyötä — he eivät saa vaivannäöstään minkäänlaista korvausta, vaikka vastaavat julkaisusarjoille elintärkeästä laaduntarkastuksesta ja takaavat niiden luotettavuuden. Julkaisusarjat, usein kaupallisia, voittoatavoittelevia toimijoita, taas myyvät valmiit tieteelliset julkaisut lukijoilleen runsasta korvausta vastaan. Joskus arvioijat itsekin (tai heidän yliopistonsa) maksavat absurdisti pääsystä lukemaan tieteellisiä julkaisuja, joita ovat itse olleet arvioimassa.

Tieteentekijöiden hyväksikäyttö on institutionalisoitu liiketoimintamalli, jolle ei ole mitään kestäviä perusteita. Mutta julkaisupolitiikka on sekin subjektiivista ja toisinaan ongelmallista, joskus inhimillisistä vioista ja ominaisuuksista kärsivää toimintaa, josta pyrkimys objektiivisuuteen on kaukana. Joskus esiintyy jopa suoranaista epärehellisyyttä, kun kilpajuoksu merkittävistä löydöistä käy kuumimpana.

Havaitsimme tämän julkaistessamme Gliese 163:n planeettakunnasta raportoivaa artikkelia. Arvioija, jolle työmme oli lähetetty, viivytti sen julkaisua kaikissa käänteissä ja koetti estää sen julkaisun epätieteellisiin syihin vedoten ja maalitolppia siirrellen. Vikoja itse tutkimuksessa, menetelmissä tai tuloksissa ei ilmennyt. Viivyttelyn syy selvisi, kun otimme sen puheeksi julkaisun toimittajan kanssa. Arvioijamme oli kilpailevan tutkimusryhmän jäsen, sen saman ryhmän, jonka edustaja oli puhunut järjestelmän planeetoista syyskuisessa konferenssissa. Toimituksessa kuitenkin ymmärrettiin välittömästi syntynyt eturistiriita ja artikkelimme hyväksyttiin julkaistavaksi mutta vahinko oli jo tapahtunut. Gliese 163:n planeettakunnasta kertova kilpailevan ryhmän artikkeli oli hyväksytty julkaistavaksi samassa julkaisusarjassa omaamme ennen. Toimitus myönsi räikeän virheensä ja katsoi tarpeelliseksi varmistaa, että molemmat artikkelit ilmestyisivät samanaikaisesti. Ne julkaistiinkin rinta rinnan vuoden 2013 elokuussa, ja kunnia planeettakunnan löytämisestä jakautui lopulta tasan, molemmille tutkimusryhmille. On jälkikäteen tarkasteltuna erikoista, että arvioija ei missään vaiheessa suositellut artikkelimme julkaisua mutta se läpäisi silti vertaisarvioinnin. Tuolloin emme kuitenkaan asiasta välittäneet.

Julkaisussamme onnistuimme havainnollistamaan menetelmiemme toimivuuden ennenkuulumattomalla tavalla. Vaikka saimme käsiimme vain murto-osan tehdyistä havainnoista, kykenimme saamaan selville kokonaisen planeettakunnan olemassaolon aivan samalla varmuudella kuin kilpaileva tutkimusryhmä, jolla oli havaintoaineistoa lähes kolminkertainen määrä. Se ei tarkoita, että havaintoja olisi tarvittu vähemmän, vaan sitä, että tähtitieteilijät eivät kuulustelleet kallisarvoisia havaintojaan lähellekään tarpeeksi intensiivisesti saadakseen kaiken mahdollisen tiedon havaitsemastaan kohteesta. Ilmeisesti kilpailevassa ryhmässä ymmärrettiin, että olimme useita askeleita edellä havaintojen käsittelyn menetelmissä ja siksi artikkelimme julkaisua koetettiin viivytää epärehellisin keinoin.

---

Tähden Gliese 163 planeettakunta ja monet muut vastaavat löydökset osoittavat, miten supermaapallot ja minineptunukset muodostavat tyypillisesti verrattaen tiukkaan pakattuja planeettakuntia punaisten kääpiötähtien ympärille. Järjestelmässä on ainakin kolme planeettaa — kuuma minineptunus, lämmin supermaapallo, ja kylmä neptunuksenkokoinen planeetta. Näiden lisäksi on viitteitä yhdestä tai kahdesta muustakin kiertolaisesta mutta niiden olemassaolo ei ole täysin varmaa. Järjestelmässä on kuitenkin erilaisia planeettoja erilaisilla radoilla ja se tarjoaa mielenkiintoisen esimerkin monimuotoisesta planeettakunnasta, joka ei muistuta omaamme juuri miltään osin.

Tutkimuksessamme osoitimme, että Gliese 163:n järjestelmä on vain juuri ja juuri stabiilissa tilassa. Planeetat ovat pakkautuneet niin lähelle toisiaan, että niiden keskinäiset vetovoimat suistaisivat yhden tai useampia kappaleita radoiltaa, jos planeettojen etäisyydet olisivat hiukankin pienempiä tai niiden radat hiukan soikeampia. Se on tietenkin odotettavissa — planeettakuntaa ei voi havaita tilassa, joka on epästabiili, koska silloin se olisi jo kauan sitten hajonnut omaan mahdottomuuteensa. Mutta pelkkä sattuma ei tuota järjestelmiä, jotka ovat stabiiliutensa rajoilla. Ratkaisun täytyy löytyä fysiikan julmista, muuttumattomista laeista.

Mahdollinen selitys tiukkaan pakattujen planeettakuntien yleisyydelle on se, että Jupiterin ja saturnuksen kokoiset jättiläisplaneetat ovat harvinaisia punaisten kääpiötähtien kiertoradoilla. Kun tähden synnyssä yli jäävä kaasu ja pöly ei pääse kasautumaan yhdeksi tai kahdeksi jättiläisplaneetaksi, se muodostaa suuren määrän pienempiä kappaleita, aina Maapalloa pienemmistä kiviplaneetoista Neptunuksen kokoluokan kaasuplaneettoihin. Syntyvät lukuisten, verrattaen pienikokoisten planeettojen järjestelmät asettuvat sitten hiljalleen stabiiliin tilaan vuosimiljoonien ja -miljardien saatossa. Järjestelmien ollessa nuoria, tapahtuu planeettojen lähiohituksia ja niitä seuraavia väkivaltaisia törmäyksiä — jotkut planeetoista sinkoutuvat jopa tähtienväliseen avaruuteen, planeettakuntien ulkopuolelle. Jäljelle jääneet kappaleet ovat niitä, jotka pysyvät vakailla, tiukkaan pakatuilla radoilla — kaikki liian lähellä toisiaan olleet planeetat puuttuvat. Tilanne on lähinnä tautologinen. Planeettojen radat ovat stabiileja, koska epästabiileilla radoilla olleet planeetat ovat hävinneet jo kauan sitten.

Oikeastaan tähtien Gliese 676A ja Gliese 163 järjestelmät kuvastavat vain saman kolikon kahta eri puolta. Molemmat järjestelmät ovat omalla tavallaan tiukkaan pakattuja planeettakuntia. Kummassakaan ei ole juurikaan tyhjiä ratoja, joilla toistaiseksi tuntemattomat planeetat voisivat pysyä stabiileilla radoilla. Toisessa on jättiläismäisiä kaasuplaneettoja, joiden valtaisa vetovoima tyhjentää ratojensa ympäristöt pienemmistä kappaleista mutta toisessa ne voivat kiertää tähteään aivan vieri vieressä. Ero saattaa selittyä sillä, että Gliese 676A:n kertymäkiekossa oli planeettojen syntyvaiheessa enemmän materiaa, jolloin jättiläisplaneettojen synty oli mahdollista.

---

Tiedostimme yhdessä Guillemin ja monien muiden kollegoiden kanssa M-spektriluokan punaisten kääpiötähtien olevan runsaiden planeettakuntien saarekkeita jo lähes vuosikymmen sitten. Tiedon karttuessa näkemys on vain vahvistunut — tiedämme, että käytännössä jokaisen punaisen kääpiön ympärillä on planeettakunta ja että niistä valtaosa on tiukasti pakattuja järjestelmiä. Planeettoja on keskimäärin ainakin kolme jokaisessa järjestelmässä, luultavasti vielä sitäkin paljon enemmän. Planeettakuntia on myös aivan lähimpien punaisten kääpiöiden järjestelmissä. Vuonna 2011 emme sitä tienneet mutta tutkimuksemme johti lopulta kahden lähimmän eksoplaneetan löytöihin Proxima Kentaurin ja Barnardin tähden järjestelmistä. Se on kuitenkin vain yksi suurista tieteellisistä tuloksista, joka sai tavallaan alkunsa Göttingenin historiallisessa kaupungissa.

---

Punaisten maailmojen synty

14.6.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Synty ja kehitys

Valtaosa Linnunradan ja maailmankaikkeuden tähdistä on punaisia kääpiötähtiä. Niiden ympäriltä löytyy valtaisa määrä pieniä planeettoja — keskimäärin ainakin kolme planeettaa per tähti. Se taas tarkoittaa, että kaikki planeettojen yleisyydestä kertovat tilastot ovat punaisia kääpiötähtiä kiertävien planeettojen dominoimia. Emme voi siis alkuunkaan ymmärtää eksoplaneettojen moninaisuutta, yleisyyttä ja planeettakuntien diversiteettiä tarkastelematta ensimmäisenä juuri punaisten kääpiötähtien maailmoja. Kuinka oikeastaan saavat alkunsa ne lukemattoman moninaiset maapallojen, supermaapallojen ja minineptunusten järjestelmät, joita on niin runsaasti jo aivan Aurinkokunnan lähinaapurustossa?

---

Kaikki alkaa, kun tähdet syntyvät materian pudottua oman gravitaationsa tuottamaan potentiaalikaivoon. Prototähtien ympärille muodostuu silloin kertymäkiekko, jossa aines on vajonnut keskimääräisen pyörimisakselinsa määrittämään tasoon. Silloin materian tiheys kasvaa niin suureksi, että pölyhiukkaset ryhtyvät törmäilemään toisiinsa muodostaen suurempia kappaleita ja lopulta satoja protoplaneettoja, planeettojen alkioita ja esiasteita. Kehityskulkua ei kuitenkaan tarvitse arvailla, vaan sitä voidaan simuloida asettamalla näitä protoplaneettoja kiertämään tähteään keskelle kertymäkiekkoa ja katsomalla mitä tapahtuu. Käy ilmi, että lopputuloksena on hyvinkin havaitunkaltaisia planeettakuntia.

Vaikka kyseessä onkin kaoottinen prosessi, planeettakuntien synnyn etenemiseen vaikuttavat tekijät ovat aina samoja ja lopputulos samankaltainen. Pienet kappaleet törmäilevät hanakasti ja törmäyksissä muodostuu keskimäärin suurempia kappaleita. Lisäksi kertymäkiekon kaasun ja pölyn kitka hidastaa kappaleiden ratanopeuksia ja saa ne vajoamaan syvemmälle vastasyntyneen tähden gravitaatiokaivoon, eli lähemmäs tähteä. Lopulta, kun tähden säteily ja hiukkastuuli puhaltavat kiekon kaasun ja pölyn pois järjestelmästä, törmäily lakkaa. Jäljelle jääneiden kappaleiden kiertoradat ovat silloin riittävän väljiä, koska jäljellä ovat enää planeetoiksi kutsumamme suurimmat kappaleet tiukkaan pakatussa järjestelmässä aivan tähden lähellä (Kuva 1.). Sattuma määrää kuinka monta planeettaa järjestelmään jää ja mitkä niiden täsmälliset kiertoradat ovat mutta keskimäärin ne muodostavat kuumien maapallojen, supermaapallojen ja minineptunusten planeettakuntia, joita on havaittu useita aivan lähitähtien ympäriltä. Luonnonlait hiovat satunnaisuudesta esiin järjestystä ja tuottavat samankaltaisia lopputuloksia kaikkialla.

Planeetat syntyvät kertymäkiekon pölystä mutta kiekon kaasulla on syntyprosessiin merkittävä vaikutus. Planeettojen muodostuessa ja kertymäkiekon vielä ollessa voimissaan (Kuva 1., harmaa alue), tapahtuu valtaosa kappaleiden törmäyksistä ja planeetat saavuttavat likimain lopulliset massansa. Mutta samalla kaasu päätyy planeettojen pinnoille ja syntynyt planeettakunta saa jäsenilleen vetypitoiset kaasukehänsä. Sen jälkeen planeettojen kehityskaaret ja niiden kaasukehien koostumukset eriytyvät toisistaan riippuen niiden syntypaikasta ja etäisyydestä tähdestään. Etäisyys on planeettakunnissa kaikki kaikessa. Mutta lopulliset kiertoradat eivät ilmeisesti kerro paljoakaan siitä, millä etäisyydellä tähdestä protoplaneetat ovat syntyneet — aivan kuin järjestelmä unohtaisi alkutilansa pyyhkien pois kaikki merkit historiastaan ja kehityksestään. Se on huono uutinen eksoplaneettatutkijoille. Emme voi ennustaa esimerkiksi sitä, millä etäisyydellä tähdistä esiintyy enemmän vaikkapa meriplaneettoja. Syntyprosessin kaoottisuus varmistaa sen, että vettä voi olla runsaasti — tai vain hyvin vähän — riippumatta siitä, millä etäisydellä tähdestään planeetta sattuu kiertämään.

---

Planeettojen syntyprosessin satunnaisuus voi kuitenkin olla hyväkin asia. Se varmistaa, että jokainen planeettakunta on omanlaisensa maailmojen kokoelma ja jokainen uusi planeettakunta, jonka havaitsemme, on jollakin tavalla uniikki avaruuden saarekkeensa. Jo nopea, aivan lähimpien punaisten kääpiötähtien tarkastelu osoittaa että on mahdotonta ennustaa minkälainen planeettakunta yksittäisellä tähdellä on ympärillään mutta ne kaikki ovat mielenkiintoisia kohteita tutkimukselle ja uusille havainnoille. On kirjaimellisesti mahdotonta ennustaa mitä uudet havainnot lähimmistä tähdistä, kuten Proxima Centauri ja Barnardin tähti, tuovat tullessaan mutta se on varmaa, että löytöretkemme lähiavaruuden planeettakuntiin on vasta alussa.