Eksoplaneetta hukassa

Valot päälle, Proxima b

7.6.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Miljardit lamput, jotka valaisevat kotejamme, teitämme ja muuta infrastruktuuriamme, auttavat meitä selviämään heikon yönäkömme aiheuttamista haasteista. Emme kompastu yöaikaan katukiviin, koska katulamput valaisevat kokonaisia kaupunkeja ja asuinalueita niin tehokkaasti, että edes nukkuminen ei tahdo onnistua, jos emme pimennä makuuhuoneitamme verhoilla. Valaisulla on kuitenkin vääjäämättömät seurauksensa. Osa valosta heijastuu tavaalle maanpinnasta tai rakennuksistamme ja osa karkaa sinne suoraan suunnattuamme valonlähteemme epäoptimaalisilla tavoilla. Valosaasteemme on saanut meidät kautta planeettamme unohtamaan miltä tähtitaivas todellisuudessa näyttää ja sen häiritsevä vaikutus on saanut yöllä liikkuvat eläimet sekaisin niille tuhoisin seurauksin. Mutta lähettämämme valo sisältää myös merkittävän viestin. Se voisi olla havaittavissa toiselta planeetalta, kaukaa aurinkokuntamme ulkopuolelta, kielien planeettamme olevan teknisen sivilisaation asuttama. Viestimme tavallaan valolla jatkuvasti avaruuteen merkkisignaalia omasta olemassaolostamme ja on mahdollista, että joku on jo huomannut valomerkkimme — aivan kuten on mahdollista, että joku on havainnut vaikkapa planeettamme ylikulun Auringon editse.

Moninaiset sähkövalomme loistavat planeettamme pimeällä puolella niin voimakkaina, että niiden havaitseminen Maan kiertoradalta on suorastaan naurettavan helppoa. Kaupungit loistavat kellertävää valoaan sitä voimakkaammin mitä tiheämmin asuttuja ne ovat ja mitä suuremmiksi ne ovat kasvaneet. Kyseessä on yksinkertainen keinovalon tuominen niihin vuorokaudenaikoihin ja paikkoihin, joissa näköaistimme ei riitä tuottamaan riittävän yksityiskohtaista kuvaa ympäristöstämme. Jos jokin toinen tekninen sivilisaatio on sopeutunut käyttämään näkyvää valoa elinympäristönsä havainnointiin, on syytä uskoa sen voineen keksiä kyvyn tuottaa valoa aivan samoista syistä. Silloin voimme kääntää kysymyksenasettelun päälaelleen: jos jonkin lähitähden planeetalla on tekninen sivilisaatio, voisimmeko havaita sen olemassaolon tarkkailemalla onko planeeetan pimeällä puolella keinovaloja?

---

Kirjoitin aiemmin israelilais-yhdysvaltalaisen astrofyysikon, Avi Loebin uskomattomasta hypoteesista, jonka mukaan Aurinkokunnan läpi lentänyt tähtienvälisellä radalla oleva komeetta ’Oumuamua, olisikin jonkin teknisen sivilisaation rakentama valopurjeella toimiva luotain. Juuri kukaan ei usko hypoteesin paikkansapitävyyteen, koska vaikka sitä ei voidakaan sulkea pois, havaintomme komeetasta voidaan selittää aivan yhtä hyvin tuntemiemme fysiikan lakien avulla ja mikään ei viittaa siihen, että olisi syytä tehdä valtaisa oletus miljardeja luotaimia lähettävän teknisen sivilisaation olemassaolosta. Loeb kääntää mielellään kysymyksenasettelun päälaelleen todeten senkin olevan oletus, että muita teknisiä sivilisaatioita ei ole. Tavallaan aivan totta mutta tiedettä tehtäessä valitaan aina se havaintoihin sopiva selitysmalli, joka sisältää vähiten ylimääräisiä oletuksia. Itse ainakin aion pitäytyä kunnioittamaan tätä Occamin partaveitseksi kutsuttua periaatetta, ja leikata fantastisen kompleksiset hypoteesit pois rönsyilemästä luotettavien selitysmallien joukosta, jos niitä ei ehdottomasti tarvita selittämään havaintoja. Ja nyt ei tarvita. Mutta Loebilla on muitakin kiinnostavia ajatuksia.

Tuoreessa artikkelissaan (1) Loeb ja Elisa Tabor tarkastelevat toista hypoteettista vaihtoehtoa. Entäpä, jos lähin tuntemamme elinkelpoisen vyöhykkeen eksoplaneetta, Proxima b, onkin aivan oikeasti elämälle suotuisa? Entäpä, jos vastoin kaikkia odotuksia, Proxima b on kyennyt pitämään kiinni kaasukehästään ja elinkelpoisuudestaan tähtensä voimakkaista purkauksista ja hiukkastuulesta huolimatta? Entäpä, jos planeetan meret eivät ole kiehuneet, vaan sen pinnalla, valoisan ja pimeän puoliskon rajalla, on syntynyt elämää, monisoluisia organismeja, väritykseltään mustia kasveja ja moninaisia eläimiä muodostaen kokonaisen biosfäärin? Entäpä, jos jokin planeetan laji ryhtyi muokkaamaan ympäristöään, kehittäen siihen työkaluja, halliten tieteen ja osaten rakentaa infrastruktuuria, kuten sähköverkkoja ja valaistusta? Silloin olisi mahdollista, että se laji olisi muokannut Proxima b:n pimeän puolen kodikseen ja rakentanut sinne kaupunkinsa suojaan valoisan puolen voimakkaalta säteilyltä. Ehkäpä silloin voisimme havaita planeetan pimeällä puolella valon kajastusta, joka kertoo teknisen sivilisaation olemassaolosta.

Kaksikon tekemien laskelmien mukaan, Proxima b:n pimeän puolen keinovalot voitaisiin havaita, jos ne vastaavat kirkkaudeltaan noin 5% planeetan tähdestään saamasta säteilystä. On vaikeaa kuvitella miksi sivilisaatio valaisisi planeettansa niin kirkkaaksi — vaadittava kirkkaus on noin 500 kertaa suurempi kuin missään parhaiten valaistuissa kaupungeissa oman planeettamme pinnalla. Jos jo sivilisaation olemassaolo lähijärjestelmässä vaikuttaa epätodennäköiseltä, on kaiken huipuksi todella hankalaa kuvitella sen rakentavan kaupunkeja, jotka loistavat kahdeskymmenesosan kirkkaudella planeettaa valaisevasta tähdestä.

Tulevaisuudessa havaintomahdollisuudet paranevat entisestään (2). Proxima b:n pimeän puolen kaupunkisoitumisen tulisi olla suuruusluokkaa yksi prosentti planeetan pinnasta, jotta havainto tulisi mahdolliseksi suunnitteilla olevilla tulevaisuuden instrumenteilla. Havaintokynnyksen ylittyminen vastaa oman planeettamme kaupunkisoitumistrendin mukaan tilannetta, joka meillä saavutetaan suunnilleen 2200-luvun puolessa välissä, mikäli sivilisaatiomme ei romahda ylitettyämme planetaarisen kantokyvyn. Tämän Thomas Beattyn tuoreen arvion mukaan jopa 80 lähitähteä on lähitulevaisuudessa kuvattavissa tarkkuudella, jolla voimme erottaa niiden kiviplaneettojen megakaupungit, jos ne vain peittävät merkittävän osan planeettojen pinnoista. Silloin teknisten sivilisaatioiden havaitsemisesta tulee jo todellista tieteellisen hypoteesin testausta, joka jäädessään vaille ainuttakaan havaintoa tuottaa silti konkreettisia rajoja kaupunkeja rakentavien teknisten sivilisaatioiden olemassaololle.

---

Epätodennäköisyydestään huolimatta, havaintoa toisten planeettojen keinovaloista kannattaa yrittää. Vaikka se on niin monen häkellyttävän mahdottomalta vaikuttavan sattumuksen takana, se olisi onnistuessaan sivilisaatiomme historian merkittävin havainto ja ratkaisisi kerralla niin Fermin paradoksin kuin muutkin tärkeät kysymykset koskien elämän ja kehittyneiden sivilisaatioiden yleisyyttä maailmankaikkeudessa. Kyseessä ei ole edes villein ehdotus, mitä tähtitieteilijät ovat keksineet miettiessään mahdollisuuksia havaita merkkejä teknisistä sivilisaatioista. Yksi mielikuvituksellisimmista hypoteeseista, jonka olen nähnyt, on ehdotus siitä, että erään nimellä KIC 8462852 tunnetun Kepler-avaruusteleskoopin kohdetähden kirkkaudenvaihtelut selittyvät tähden ympärille rakenteilla olevan Dysonin pallon avulla. Tähtitieteilijät ehdottivat paikallisen sivilisaation rakentavan pallokuoren muotoista rakennelmaa koko tähden ympärille, valjastaakseen käyttöönsä tähtensä kaiken säteilyn. Hypoteesia teknisestä sivilisaatiosta ei tosin tarvita, koska KIC 8462852:n tapauksessa havainnot voidaan selittää aivan luonnollisin syin.

Spekulointi puolestaan on hauskaa ja sitä tarvitaan. Jo seuraava havaintomme voi tuoda eteen todistusaineistoa toisesta teknisestä sivilisaatiosta. Tai sitten emme koskaan näe merkkejä muista tiedettä ja taidetta harjoittavista lajeista. Toistaiseksi kumpaakaan mahdollisuutta ei voida pitää toistaan uskomattomampana.

---

Onko eksoplaneetoilla kuita?

20.5.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen

Jupiterin järjestelmä on kuin Aurinkokunta pienoiskoossa. Planeettakuntamme suurinta planeettaa kiertää kokoelma erikokoisia kappaleita, joista neljä suurinta löysi jo itse Galileo Galilei yli neljä vuosisataa sitten hänen suunnattuaan yhden maailmanhistorian ensimmäisistä kaukoputkista maanpäällisten kohteiden sijaan taivaalle. Jupiteria kiertämästä on havaittu jo 79 erikokoista kiertolaista, jotka muodostavat valtavan kirjon erilaisia, omalaatuisia kappaleita ja maailmoja. Ehkäpä kiinnostavimmat Jupiterin kuista ovat Europa, Ganymedes ja Kallisto, joiden paksujen jääkuorten alla vellovat suolaiset valtameret, joissa ehkä jopa elävät organismit voisivat kukoistaa geotermisen energian voimin. Mutta myös Aurinkokunnan tuliperäisin kappale, tulivuorten täplittämä Io on mielenkiintoinen maailmansa.

Saturnusta kiertää vieläkin monimuotoisempi kirjo erilaisia kappaleita. Sen 82 tunnetusta kuusta Enceladus piilottelee valtamerta jääkuorensa alla ja Titan on aivan omanlaisensa kemian omaava kiertolainen, jonka pinnalla jäätynyt vesi muodostaa peruskallion ja nestemäinen metaani järvet. Tiedämme havaintojemme perusteella, että kuut ovat paljon yleisempiä kuin planeetat, koska pienemmät kappaleet ovat aina suurempia lukuisampia. Eikä ole mitään syytä olettaa, että muissa tähtijärjestelmissä ja planeettakunnissa olisi toisin. Ainuttakaan eksokuuta, eli eksoplaneettaa kiertävää luonnollista satelliittia, ei tosin ole vielä luotettavasti havaittu. Vai onko?

Vuonna 2017 Alex Teacheyn tutkimusryhmä julkaisi ensimmäisiä viitteitä eksokuusta perustuen heidän löytämäänsä ylikulkuun Kepler-avaruusteleskoopin havainnoista kohteesta Kepler-1625. Tähteä kiertää valtaisa jättiläisplaneetta, Jupiteria lähes 12 kertaa massiivisempi kaasujättiläinen. Se on vain juuri ja juuri tarpeeksi pienimassainen ollakseen planeetta eikä ruskea kääpiötähti ja sen ylikulku on ollut helppoa havaita Keplerin tarkoista havainnoista, vaikka planeetan suhteellisen pitkä 287 päivän kiertoaika tähtensä ympäri mahdollisti vain kolmen yksittäisen ylikulun havaitsemisen. Jokaisessa niistä näkyi kuitenkin anomalioita (Kuva 2.), pieniä vääristymiä ja lisähimmenemistä, joka voisi johtua neptunuksenkokoisesta kuusta kiertämässä planeettaa Kepler-1625 b. Kaikeksi huipuksi, himmentymät eivät olleet tasaisesti planeetan varjon molemmin puolin kuten voisi olettaa rengasjärjestelmän aiheuttaman himmenemisen olevan, vaan näyttivät vaihtavan paikkaa, kuten kiertoradalla oleva kuu. Kuun arvioitu valtaisa koko herätti välittömästi epäilyksiä, kuten sekin, oliko havaintojen tarkkuus edes riittävää sen havaitsemiseen kyseessä ollessa järjestelmä peräti 8000 valovuoden päässä.

Vaikka oletetun planeettaa Kepler-1625 b kiertävän kuun ylikulut olivat juuri ja juuri tilastollisesti merkitsevä havainto, se ei kuitenkaan ollut niin vakuuttava, että löytö olisi hyväksytty muitta mutkitta ensimmäiseksi tunnetuksi eksokuuksi. Edes tutkijat itse eivät olleet täysin vakuttuneita, vaan kirjoittivat varovaiseen sävyyn miten hypoteettisen eksokuun Kepler-1625 b I olemassaolon puolesta on todistusaineistoa muttei tutkijoiden ”kultastandardiksi” ajatteleman ”viiden sigman verran” ja että kuun olemassaoloon on suhtauduttava varovaisuudella.

Nepunuksenkokoisen kuun olemassaolo vaikutti myös hankalalle selittää suhteessa tietoihin planeettakuntien synnystä. On miltei mahdotonta kuvitella miten Neptunus voisi päätyä massiivisen super-Jupiterin kiertoradalle stabiiliksi kuuksi. Ei siksi ollutkaan yllätys, että löytö asetettiin heti kyseenalaiseksi, kun riippumaton tutkijaryhmä uudelleenanalysoi Keplerin ottamat havainnot ja huomasi kuuksi tulkitun signaalin olemassaolon riippuvan käytetystä menetelmästä poistaa havainnoista kohinaa ja häiriöitä. Lisäksi, kaikeksi yllätykseksi tutkijat huomasivat kohinan voivan tuottaa havaintoihin kuuksi tulkittavia merkkejä jopa 10% todennäköisyydellä. Kuten monien muidenkin jännittävien löytöjen tapauksissa, ensimmäinen eksokuukin näytti haihtuvan ilmaan dataa käsitelleiden tutkijoiden tietokoneiden näytöillä.

Ensimmäisen eksokuun saaga ei kuitenkaan ollut ohi. Löydön tehneet Alex Teachey ja David Kipping havaitsivat kohdetta Hubble-avaruusteleskoopilla koettaen nähdä tarkemmin planeetan ylikulun ja selvittääkseen oliko kuun olemassaolosta viitteitä riippumattoman teleskoopin mittauksissa. Heidän saatuaan havaittua vielä yhden ylikulun ja nähtyään jälleen viitteitä kuun olemassaolosta, he julkistivat kuun olemassaolon olevan havaintojen tukemaa kahden eri instrumentin mittausten puoltaessa sen olemassaoloa. Tulosta ei kuitenkaan voida katsoa täysin varmistetuksi, koska vaihtoehtoiset selitykset havainnoista löytyneille anomalioille ovat edelleen hyvinkin mahdollisia, minkä toiset tutkijat luonnollisesti toivat esiin heti perehdyttyään tieteeseen tuloksen taustalla.

Lisää viitteitä eksokuista

Kepler-avaruusteleskoopin planeettakandidaatin numero 1625 kuulöytö näyttää mahdolliselta mutta sitä ei ole varmistettu eikä sitä siten voida pitää kiistattomana, ensimmäisenä havaintona eksokuusta. Kuita voidaan kuitenkin havaita myös niiden vetovoiman vaikutuksesta, vaikka niiden ylikuluista tähtien editse ei olisikaan mitään viitteitä niiden pienen koon vuoksi.

Kuu vetää kiertämäänsä planeettaa puoleensa vetovoimansa avulla. Aivan samoin kuin planeettoja voidaan havaita ainoastaan niiden vetovoiman vaikutusten perusteella, myös kuita voidaan havaita tarkkailemalla pieniä muutoksia siihen, milloin planeetat kulkevat tähtiensä editse. Pienet, muutamien minuuttien muutokset planeettojen tavallisesti kellontarkoissa ylikulkuaikatauluissa antavat viitteitä siitä, että jotkin suhteellisen massiiviset kappaleet vetävät niitä puoleensa. Sellaisia kappaleita ovat esimerkiksi planeettoja kiertävät kuut. Planeetan kiertäessä sen itsensä ja kuun yhteisen massakeskipisteen ympäri, ylikulku sattuu vuoroin hiukan aiemmin ja vuoroin hiukan myöhemmin kuin olisi odotettavissa, jos kuu puuttuisi. Pienet, joidenkin minuuttien mittaiset jaksolliset heilahtelut ylikulkuaikataulussa paljastavat siten kuun olemassaolon — ainakin teoriassa.

Chris Fox ja Paul Wiegert julkaisivat kesällä 2020 raporttinsa, jonka mukaan jopa kuusi Kepler-avaruusteleskoopilla havaittua pientä planeettojen ylikulkujen aikatauluanomaliaa olisi selitettävissä planeettoja kiertävien kuiden vaikutuksella. Tilanne on varsin mielenkiintoinen. Toisaalta, samat anomaliat voidaan tulkita havaitsematta jääneiden järjestelmän muiden planeettojen aiheuttamiksi mutta aivan yhtä hyvin ne voivat olla merkkejä eksokuiden olemassaolosta. Tutkijoiden laskelmat osoittavat, että molemmat skenaariot ovat karkeasti arvioiden yhtä todennäköisiä — kahdeksasta valitusta kohteesta kahdelle planeetan vaikutus selittää havainnot hiukan paremmin mutta kuudelle muulle kuun vetovoima on aavistuksen parempi selitys. Kyseisiä kuutta anomaliahavaintoa on siis mahdollista ajatella todellisina ensimmäisinä eksokuukandidaatteina.

Ehkäpä ensimmäisiä eksokuita ei ole vielä havaittu mutta saavutus alkaa olemaan aivan instrumenttiemme tavoitettavissa. Aivan kuten eksoplaneettahavaintojenkin kanssa, ensin alan pioneerit tekevät hartiavoimin työtä ensimmäisten havaintojen mahdollistamiseksi. Havainnoista kiistellään aikansa, koska osa tutkijoista ei pidä niitä uskottavina. Osa ensimmäisistä havainnoista osoittautuukin virheellisiksi ja epäilijät saavat uutta vettä myllyynsä. Mutta lopulta ensimmäinen kiistaton havainto saadaan tehtyä ja pian kuita löydetään useista kohteista, erilaisista mielenkiintoisista järjestelmistä, usean tutkimusryhmän voimin. Voimme olla varmoja, että eksokuiden havaitseminen tulee paljastamaan mullistavia uusia löytöjä. On käytännössä varmaa, että lukuisilla jättiläisplaneetoilla ja pienemmillä planeetoilla on kuita kumppaneinaan muissakin tähtijärjestelmissä. Siitä varmistuakseen ei tarvitse kuin havaita Aurinkokunnan kuiden valtaisaa määrää ja diversiteettiä ja todeta kuiden muodostuvan väistämättä kaikkialle missä vain on planeettojakin. Niin ainakin ajattelemme tähtitieteen tutkijoiden keskuudessa. Tulevaisuuden havainnot näyttävät olemmeko oikeassa.

Asiassa on vieläpä valtaisa bonus. Jotkin eksokuut, sellaiset, joiden havaitseminen alkaa olemaan mahdollista, voivat olla elinkelpoisia, maankaltaisia paikkoja. Ja kuitenkin varmasti niin kovin erilaisia kuin oma kotimme, Maa.

---

Nimihirviö ”Kepler-1625 b I” on rakennettu samalla periaatteella kuin Jupiterin suurimpien kuiden Ion, Europan, Ganymeden ja Kalliston nimeäminen — niitä kutsuttiin alkujaan nimillä Jupiter I, Jupiter II, Jupiter III ja Jupiter IV. Kyseessä on siis planeetan Kepler-1625 b ensimmäinen kuu, jota merkitään roomalaisella numerolla I.

---

Kun suojakerroin ei riitä — miten elämä voi piiloutua säteilyltä

4.5.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Proxima Centauria, Aurinkokunnan lähintä tähtinaapuria, kiertää luultavasti kokonainen planeettojen joukko, oma erityislaatuinen planeettakuntansa. Tutkimusryhmäni raportoitua planeetasta tähden kiertoradalla vuonna 2016, Proxima Centauri on ollu intensiivisen tutkimuksen kohteena ja seurauksena tunnemme tähden kiertoradoilta jo kaksi, mahdollisesti jopa kolme planeettaa. Jo varmistuneiden Proxima b:n ja Proxima c:n lisäksi järjestelmässä saattaa olla vielä kolmaskin planeetta. Myös tähteä ympäröivästä pölykiekosta on saatu viitteitä.

Kokonaiskuvamme lähimmästä galaktisesta planeettakuntanaapuristamme alkaa siis muotoutumaan ja monipuolistumaan, paljastaen monia tuttuja yksityiskohtia, joita olemme tottuneet näkemään Aurinkokunnassa mutta saamme selville myös paljon omalle järjestelmällemme omituisia, vieraita tiedonmurusia. Suunnilleen joka kuukausi julkaistaan jokin uusi, kiinnostava tutkimus Proxima Centaurin ja sen planeettakunnan ominaisuuksista, joten tietomme karttuvat varsin nopeassa tahdissa. Tämäkään kuukausi ei ollut poikkeus, kun laaja kansainvälinen tutkijaryhmä raportoi Proxima Centaurin äkillisestä purkauksesta, joka sai tähden kirkastumaan ultraviolettialueella peräti 14000 kertaiseksi normaalista kirkkaudestaan. Havainnolla on dramaattisia seurauksia tulkinnallemme Proxima b:n ominaisuuksista ja elinkelpoisuudesta.

Proxima b kylpee tähtensä lähellä voimakkaassa säteilyssä. Lämpösäteilyä planeetan pinnalle saapuu juuri sopivasti, jotta nestemäisen veden olemassaolo sen pinnan olosuhteissa voisi olla mahdollista mutta muilla aallonpituusalueilla Proxima Centauri ei kohtele seuralaistaan aivan yhtä lempeästi. Ultraviolettisäteily Proxima b:n pinnalla on voimakasta, joidenkin arvioiden mukaan tyypillisesti 30 kertaista Maahan verrattuna. Kyseessä on voimakas säteily-ympäristö, johon emme ole lempeän aurinkomme rauhallisessa loimotuksessa, otsonikerroksen suojissa tottuneet. Elämän edellytyksiä se ei kuitenkaan täysin tuhoa, koska planeetan kaasukehä voi heikentään pinnalle saapuvaa säteilyä riittävästi ja pienikin kerros vettä estää joka tapauksessa tehokkaasti UV-säteilyn molekyylejä hajottavan vaikutuksen. Tähdenpurkausten kanssa on kuitenkin toisin — jopa 14000 kertaiseksi hetkellisesti voimistuva säteily ja ja purkausten hiukkastuuli voivat aikojen saatossa riistää planeetalta koko sen kaasukehän, haihduttaa kaiken veden avaruuteen ja hajottaa jokaisen pinnalla esiintyvän orgaanisen molekyylin elämälle katastrofaalisella tavalla. Tähden purkaukset voivat steriloida planeettoja. Proxima Centauri purkautuu jopa päivittäin ja sen purkaukset ovat noin sata kertaa voimakkaampia kuin Auringon kaikkein energisimmät purkaukset. Ei silti ole selvää, että kyseessä on planeetan täydellisesti steriloiva säteily-ympäristö.

Voimakaskin ultraviolettisäteily pysähtyy pieneen määrään ainetta, kuten vedenpintaan tai kiviainekseen. Niiden alla elävät organismit eivät piittaisi tuon taivaallista vain senttimetrien päässä UV-valossa kärventyvästä pinnasta. Purkausten hiukkastuulikin pysähtyy tehokkaasti magneettikenttään, joka Proxima Centaurilla on luultavasti huomattavasti Maata voimakkaampi, koska planeetta on Maata massiivisempi ja omaa siksi todennäköisesti magneettisesti aktiivisemman vaipan ja ytimen. Magneettikentän tarjoama säteilysuoja näkyisi planeetan taivaalla voimakkaina, jatkuvina revontulina, jotka loistaisivat planeetan pimeällä puolella kaiken aikaa valaisten sen pintaa sinisen ja vihreän väreillä. Jos Proxima b on kyennyt pitämään kiinni kaasukehästään, intensiivinen säteily ja purkaukset ovat kenties tappavia kaikelle elämälle juuri tähden suunnassa mutta mahdolliset elävät organismit hämärän rajamailla, jossa tähti loimuaa ikuisesti horisontissa, eivät ehkä saisi kuolettavaa annosta säteilyä edes pinnan olosuhteissa. Proxima b näyttää nimittäin aina saman puoliskonsa tähteensä päin, ja se saattaa mahdollistaa planeetan pysymisen elinkelpoisena jopa intensiivisessä säteily-ympäristössä.

Jos Proxima b:n pinnalla on monisoluisia, liikkumiskykyisiä eläviä organismeja, niille on elinehto kyetä havaitsemaan jokainen orastava ultraviolettivalon välähdys. Sellaisen havaitseminen kertoo alkavasta muutaman sekunnin kestävästä tähden purkauksesta, jolloin on kiirehdittävä mahdollisimman nopeasti piiloon tappavalta annokselta säteilyä. Niin ainakin spekuloi Proxima Centaurin purkauksia jo vuosia tutkinut tähtitieteen professori Meredith MacGregor pohtiessaan mitä vaikutuksia voimakkailla purkauksilla olisi Proxima b:n hypoteettiselle biosfäärille. Kyseessä on tietenkin vain ajatusleikki mutta monet Maan elävät organismit kykenevät havaitsemaan ultraviolettivaloa mainiosti, ja sellaisen kyvyn syntyminen sopeumana elinympäristössä, jossa ultraviolettivalon määrä kertoo kuolettavasta tähden purkaudesta vaikuttaa hyvinkin realistiselta. Proxima Centauri kuitenkin purkautuu voimakkaasti noin kerran päivässä, joten purkaukset muodostavat olenaisen osan sitä ympäristöä, jossa Proxima b tähteään kiertää.

---

Riippumatta siitä onko juuri Proxima b todellisuudessa elinkelpoinen vai ei, lukuisat planeetat kiertämässä Proxima Centaurin kaltaisia punaisia kääpiötähtiä voivat luultavasti olla elinkelpoisia. Jo siksikin Proxima Centaurin ja sen järjestelmän ominaisuuksien tutkiminen kannattaa — se on lähimpänä naapurinamme yksi helpoimmin havaittavissa olevia kohteita ja sen tutkiminen edesauttaa muidenkin vastaavanlaisten järjestelmien ymmärtämistä. Voimakkaat päivittäiset tähdenpurkaukset ovat osa eksoottista maailmaa, ja Maan elonkirjo ei ole koskaan joutunut sopeutumaan niiden mukanaan tuomiin ongelmiin. On tietenkin mahdollista, että Proxima b:n elonkirjo ei sekään koskaan sopeutunut planeetan säteily-ympäristöön, vaan planeetan kaasukehä ja meret, jos niitä koskaan oli, haihtuivat avaruuteen jo vuosimiljardeja sitten jättäen jälkeensä karrelle palaneen, kuolleen maailman. Sellaisen kehityskulun varmistuminen olisi kuitenkin sekin mielenkiintoista ja auttaisi lisäämään ymmärrystämme niistä miljardeista planeetoista, joita esiintyy jo omassa avaruuden saarekkeessamme, Linnunradan galaksissa.

---

Planeetta, jonka ilmaa emme voi hengittää

20.4.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Koostumus , Synty ja kehitys

Alussa oli vain kaasua ja pölyä. Mutta pölyhiukkaset eivät siedä avaruuden yksinäisyyttä, vaan takertuvat toisiinsa herkästi törmätessään, muodostaen suurempia ja suurempia kappaleita. Lopulta aines oli kasautunut niin isoiksi kimpaleiksi, että gravitaatiovoima otti vallan ja ja syntyi protoplaneetta, jonka pinnalle satoi materiaa ympäröivästä pöly- ja kaasupilvestä. Raskaimpina aineina rauta ja nikkeli, joista Maapallon ydin muodostuu, putosivat pohjalle planeetan saavutettua hydrostaattisen tasapainotilan ja muotouduttua pallomaiseksi. Sen päälle jäivät keveämmät alkuaineet ja hapen, piin, alumiinin ja monen muun aineen muodostama silikaattivaippa ja kuori. Maapallon alussa oli sulaa laavaa ja pääosin vedystä ja sen yksinkertaisista yhdisteistä muodostunut kaasukehä mutta pian kuori jähmettyi muodostaen kiinteän pinnan, jota kutsumme maankamaraksi. Sen jälkeen biogeokemialliset prosessit ottivat vallan ja muuttivat kaiken.

Primitiivinen vedystä ja sen yhdisteistä kuten vedestä, metaanista ja ammoniakista koostunut pelkistävä kaasukehä syntyi tietenkin planeettamme synnyn sivusuotteena, koska planeetat syntyvät keskellä tähteään ympäröivää, pääosin kaasumaisen vedyn ja heliumin muodostamaa kertymäkiekkoa. Vetyä on silloin kaikkialla ja vaikka se keveänä molekyylinä karkaakin helposti avaruuteen maankaltaisen kiviplaneetan pinnalta, sen hapen, hiilen ja typen kanssa muodostamat tutut yhdisteet pysyvät raskaampina planeettamme gravitaatiokaivossa. Pian primitiivinen kaasukehä kuitenkin korvautui voimakkaan tulivuoritoiminnan vapauttamilla kaasuilla. Vety hävisi ja tilalle tuli hiilidioksidin ja typpimolekyylien muodostama kaasuseos. Silloin alkoi myös hiilen geologinen kiertokulku, kun kaasukehän hiili liukeni ensin meriin ja sitoutui merenpohjien karbonaateiksi ja siten osaksi maankuorta, josta tulivuoret vapauttivat sen taas kaasukehään vuosimiljoonien kuluessa.

Lopulta syntyivät elävät solut ja niistä tuli voima, joka muokkasi Maan kaasukehää geologisten aikakausien saatossa. Ne oppivat yhteyttämään ja tuottivat vapaata happea, joka sitoutui aluksi hanakasti rautaoksideiksi ruostuttaen planeettamme kauttaaltaan. Lopulta happea oli kuitenkin liikaa, joten se jäi kaasukehään ja muodosti yhden tärkeän komponentin myöhempien eliöiden tehokkaampaan aineenvaihduntajärjestelmään. Maan ilmakehä ei ole ollut samanlainen aina, vaan se on ollut jatkuvassa muutoksessa. Eksoplaneetoilla tuskin on toisin.

Pienten, koostumukseltaan kivisten eksoplaneettojen ominaisuuksien kartoittaminen ja tutkimus on vasta lapsenkengissään, koska havaintojen tekeminen kaukaisia tähtiä kiertävien kivenmurikoiden ominaisuuksista on niin tavattoman vaikeaa olemassaolevilla instrumenteilla. Uudet lähitähtien eksoplaneettalöydöt kuitenkin tarjoavat lupaavia kandidaatteja planeetoiksi, joiden kaasukehää voidaan tulevaisuudessa havaita. Vain runsaan 26 valovuoden päässä sijaitsevaa planeettaa Gliese 486 b ehdittiinkin jo kuvaamaan kiviplaneettojen Rosettan kiveksi, yhdeksi parhaista kiviplaneetoista, joiden kaasukehien tutkiminen olisi mahdollista avaten kokonaan uuden planeettatutkimuksen haaran — koostumukseltaan maankaltaisten kiviplaneettojen kaasukehätieteen. Toinen aiemmin löydetty planeetta Gliese 1132 b ehti kuitenkin edelle. Sen kaasukehän koostumuksesta onnistuttiin tekemään havaintoja Hubble-avaruusteleskoopilla.

---

Gliese 1132 on aivan tavanomainen punainen kääpiötähti, jota kiertää järjestelmä pieniä planeettoja, kuten luultavasti likimain jokaista vastaavankaltaista pientä tähteä Auringon galaktisessa naapurustossa. Sen planeettakunnan sisin kiertolainen, Gliese 1132 b, on kuitenkin yksi niistä harvoista lähitähtien planeetoista, joka kulkee radallaan säännöllisesti tähtensä editse mahdollistaen ylikulkujen havaitsemisen. Havaintojen perusteella tiedetään kyseessä olevan noin 16% Maata kookkaampi planeetta, joka on massaltaan noin 70% Maata suurempi. Siten kyseessä on samalla keskimäärin Maata hiukan tiheämpi kappale, joka on takuulla kiviplaneetaksi luokiteltava kiertolainen. Planeetalla tosin on todennäköisesti aavistuksen Maata suurempi rautanikkeliydin ja suhteessa ohuempi silikaattivaippa. Gliese 1132 b ei kuitenkaan ole millään muulla muotoa maankaltainen, koska sen kiertorata aivan tähtensä pintaa viistäen tekee planeetasta liian kuuman esimerkiksi nestemäisen veden esiintymiselle. Laskennallinen pintalämpötila 140 celciusastetta on liikaa jopa Maan sitkeimmille kuumaa kestämä än erikoistuneille mikrobeille, ekstremofiileille.

Kuuman kiviplaneetan ylikulkua voidaan kuitenkin tarkastella transmissiospektroskopialla. Se on menetelmä, jossa mitataan kuinka paljon planeetta tähtensä editse kulkiessaan heikentää tähdestä saapuvaa valoa eri aallonpituuksilla. Vaikka pallomainen kiviplaneetta tietenkin peittää saman osuuden tähden pinnasta tarkasteltiin sitä millä aallonpituusalueella hyvänsä, planeetan ohuen kaasukehän suhteen on toisin. Planeetan Gliese 1132 b kaasukehä imee itseensä joitakin aallonpituuksia paremmin kuin toisia, joten tähti näyttää himmenevän joillakin aallonpituuksilla enemmän kuin toisilla — se tarkoittaa, että planeetalla on kaasukehä. Eri kaasukehän molekyylit sitovat eri aallonpituuskaistojen säteilyä, joten riittävän tarkoilla havainnoilla voidaan selvittää erilaisten molekyylien, kuten vaikkapa yksinkertaisten hiilen yhdisteiden vetysyanidin ja metaanin olemassaoloa kaasukehässä (Kuva 2.). Juuri niitä havaittiinkin Gliese 1132b:n kaasukehästä tehdyissä havainnoissa.

Kun sopivan energian fotoni osuu planeetan kaasukehään, se virittää kehän molekyylejä korkeampiin energiatiloihin. Jokaisella molekyylillä on ominaiset energiansa ja siten säteilyn aallonpituudet, joilla ne virittyvät ja suodattavat vastaavan säteilyn pois meitä kohti saapuvasta valosta. Esimerkiksi yksinkertaisen vedystä, hiilestä ja typestä koostuvan vetysyanidin virittää infrapunavalo 1.5 ja 1.6 mikrometrin aallonpituuksien välillä, jolloin tähti näyttää himmenevän hiukan enemmän niillä aallonpituuksilla. (Kuva 2.). Havainnosta vedetyt johtopäätökset ovat kuitenkin mielenkiintoisia.

Ilmeisesti planeetta on menettänyt alkuperäisen vedystä ja heliumista koostuneen kaasukehänsä. Maan tavoin, Gliese 1132 b ei ole tarpeeksi massiivinen, jotta sen vetovoima riittäisi pitämään kiinni pienistä ja vikkelistä vedyn ja heliumin molekyyleistä. Pelkkä lämpöliike saa niiden nopeudet ylittämään planeetan pakonopeuden ja ne vuotavat miljoonien vuosien saatossa avaruuteen. Uuden, raskaampia molekyylejä sisältävän kaasukehän on siksi täytynyt muodostua planeetan syntyaikojen jälkeen. Silloin havainto kaasukehän vetysyanidista ja metaanista on merkki tulivuoritoiminnasta planeetan pinnalla — valtavat laavakentät voisivat vuotaa tuliperäisiä kaasuja planeetan kaasukehään havaittavia määriä. Havaitsemalla pienten kiviplaneetojen kaasukehiä saamme siis tietoa niiden geologiasta, kehityksestä ja muodostumisesta, mikä auttaa ymmärtämään galaktista planeettapopulaatiota ja sen syntyä entistä paremmin.

Havainto on mielenkiintoinen. On ajateltu, että kuumat supermaapallot muodostuvat, kun neptunuksenkaltaiset planeetat ajautuvat liian lähelle tähteään ja tähden säteily ja voimakas hiukkastuuli riisuu niiden kaasukehät pois jättäen jäljelle vain karrelle palaneen kivisen pinnan. Mutta se ei ole loppu, vaan planeetan geologinen aktiivisuus voi tuottaa sille uuden kaasukehän tehden siitä täysin uudenlaisen kappaleen, joita emme tienneet olevan olemassakaan. Kuumat neptunukset voivat siten muuttua kuumiksi supermaapalloiksi, jotka muistuttavat lähinnä Danten helvettiä laavakenttineen ja myrkyllisine kaasukehineen. Niiden ilmaa me emme voi hengittää mutta ne voivat tarjota meille runsain mitoin tietoa yhden yleisen planeettaluokan, kuumien kiviplaneettojen synnystä, kehityksestä ja ominaisuuksista. Tutkimusmatkamme on vasta alussa.

---

Universumin vanhimmat maailmat

6.4.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Synty ja kehitys

Maailmankaikkeus on noin 13.8 miljardia vuotta vanha. Se ei ole ollut olemassa aina, vaan sillä on ollut alku, jota kutsumme leikkisästi ”alkuräjähdykseksi” tietäen hyvin, että mikään ei todellisuudessa räjähtänyt. Koko universumillamme, materialla, ajalla ja jopa itse avaruudella on siis ollut alku — ajanhetki, jota ennen mitään niistä ei ollut olemassa. Siksi on varmaa, että tähtiäkään ei ole ollut aina. Ensimmäiset tähdet muodostuivat, kun maailmankaikkeus oli laajennut ja jäähtynyt riittävästi, noin 0.1-0.3 miljardia vuotta alun jälkeen, mutta tuolloin oli olemassa alkuaineista vain vetyä ja heliumia, sekä ripaus litiumia ja ensimmäisten tähtien ympärille ei luultavasti syntynyt kovinkaan paljon planeettoja.

Kaikki muuttui, kun ensimmäiset massiiviset tähdet räjähtelivät supernovina vapauttaen raskaampia alkuaineita tähtienväliseen avaruuteen. Silloin planeettojen synty tähtien synnyn sivutuotteena käynnistyi ja miljardien maailmojen synty kävi mahdolliseksi. Räjähtäneiden tähtien pölystä syntyivät myöhemmin planeettojen lisäksi kaikki ne tutut asiat, jota maailmoista ainoan elinkelpoiseksi tiedetyn pinnalta tunnemme, kuten vaahterat, peruskalliot, meret ja ihmiset.

Mutta oma planeettamme Maa on vain 4.5 miljardia vuotta vanha. Sitä ennen tähdet planeettakuntineen ovat syntyneet ja kuolleet jo miljardien vuosien ajan ja osa varhaisen maailmankaikkeuden synnyttämistä planeetoista on edelleenkin havaittavissa, aivan Aurinkokunnan lähiavaruudessa.

Helsingin Sanomat kirjoitti tuoreesta eksoplaneettalöydöstä nimeltään TOI-561 b. Se on 561. TESS-avaruusteleskoopin löytämä eksoplaneettakandidaatti, ja sitä kuvattiin ”yhdeksi vanhimmista löydetyistä kiviplaneetoista.” On helppoa olla samaa mieltä siitä, että 10 miljardia vuotta vanha eksoplaneetta tosiaankin saattaa olla yksi maailmankaikkeuden vanhimmista, onhan se syntynyt hulppeat 5.5 miljardia vuotta ennen Maata, maailmankaikkeuden ollessa vain noin neljänneksen nykyisestä iästään. Mutta miten oikeastaan tiedämme kaukaisen kiviplaneetan iän?

---

Tähdet ja niitä kiertävät planeetat syntyvät suunnilleen samoihin aikoihin massiivisten tähtienvälisen aineen pilvien romahtaessa oman gravitaationsa vaikutuksesta prototähdiksi ja niitä ympäröiviksi kertymäkiekoiksi, joita kansoittamaan muodostuvat protoplaneetoiksi kutsutut kappaleet. Planeettojen ja tähtien yhteinen synty takaa myös sen, että ne ovat aina likimain samanikäisiä. Planeettojen verrattaen tarkkaan iänmääritykseen riittää siis tähden iän määrittäminen, mikä voidaankin tehdä käyttämällä hyväksi tähtien asettamista fysikaalisten ominaisuuksiensa perusteella oikeaan kohtaan niiden elinkaarta. Tähdet nimittäin muuttuvat — Aurinkokin kirkastuu hiljalleen ja säteilee lopulta niin voimakkaasti, että noin miljardin vuoden kuluttua Maan meret ja kaasukehä kiehuvat avaruuteen ja tekevät planeetastamme elinkelvottoman autiomaan. Aurinko kuitenkin kirkastuu aivan samoin kuin muutkin yhtä massiiviset keltaiset kääpiötähdet. Asettamalla tähtiä niiden massan ja kirkkauden mukaisesti järjestykseen, voidaan tähtien elinkaarta mallintamalla arvioida kuinka kauan tähdet ovat loistaneet (massan arviointi on sekin varsin kompleksinen prosessi). Sivutuotteena saadaan planeettakuntien ikä.

Tällä tekniikalla arvioitiin myös TOI-561:n ikää ja saatiin tulokseksi, että se on noin 10 miljardia vuotta vanha. Hitaasti muuttuvien vanhojen tähtien iän määrittäminen on kuitenkin hyvin epätarkkaa, joten ikäarvion epävarmuus on noin 3 miljardia vuotta kumpaan tahansa suuntaan. Se taas tarkoittaa, että tähti voi olla syntynyt aivan universumimme alkuaikoina tai vain noin 2.5 miljardia vuotta Aurinkoa ennen — mikä tahansa ikä tältä väliltä on arvion epävarmuuksien rajoissa. Tunnemme kuitenkin tätäkin vanhempia planeettakuntia ja niistä yksi sijaitsee aivan Auringon galaktisessa lähinaapurustossa.

---

Tutkimusryhmäni raportoi vuonna 2014 mielenkiintoisesta planeettakunnasta, kahden supermaapallon muodostamasta järjestelmästä läheisen punaisen kääpiötähden, Kapteynin tähden ympärillä (2). Kyseessä on ikivanha tähti. Kapteynin tähden iäksi on arvioitu noin 11.5 miljardia vuotta — arvion alaraja on 10 ja yläraja noin 12, joten tähti on todennäköisesti vieläkin vanhempi kuin TOI-561. Tiedämme siksi, että jo noin 2.3 miljardia vuotta vanhassa maailmankaikkeudessa muodostui kivisiä planeettoja kiertämään varhaisen maailmankaikkeuden tähtikaartia. Iänmääritys on kuitenkin ongelmallinen. Vaikka Kapteynin tähti on kiistatta vanha — se on itse asiassa syntynyt Linnunradan pienessä seuralaisgalaksissa, joka vuosimiljardien saatossa sulautui omaan galaksiimme — iänmäärityksessä on epävarmuuksia, koska vakaasti loistavat punaiset kääpiöt tarjoavat määritykseen vain vähän havaittavissa olevaa informaatiota. Yksi tapa arvioida ikää onkin se tosiasia, että Kapteynin tähti on osa Omega Centauriksi kutsuttua vanhojen tähtien joukkoa — jäljellä olevaa hajanaista kokoelmaa tähtiä, joka kiertää Linnurataa tyypillisestä poikkeavilla radoilla ja jonka tähdet ovat syntyneet suunnilleen samoihin aikoihin, suunnilleen 11.5 miljardia vuotta sitten.

Mutta edes Kapteynin tähden järjestelmä ei ole vanhin paikka, josta planeettoja on havaittu. Tunnetaan vieläkin muinaisempi planeetta, omituinen PSR B1620−26 b, joka kiertää kahden kuolleen tähden, pulsarin ja valkoisen kääpiötähden muodostamaa paria. Planeetta on vajaat kolme kertaa Jupiteria massiivisempi mutta sen arvioitu ikä on peräti 12.7 miljardia vuotta. Ikä tunnetaan, koska PSR B1620−26 on osa pallomaista tähtijoukkoa yli 12 000 valovuoden päässä Aurinkokunnasta. Joillekin joukon tähdistä iänmääritys on onnistunut ja sen perusteella, että joukoissa kaikki tähdet ovat tyypillisesti hyvin saman ikäisiä, on voitu päätellä myös tämän omituisen, kahdesta kuolleesta tähdestä ja jättiläisplaneetasta koostuvan kolmikon ikä.

Kapteynin tähden planeetat ovat kuitenkin vanhimpia tunnettuja kandidaatteja eläviksi planeetoiksi. Planeetan Kapteyn b pinta on luultavasti paksun jääkuoren peitossa lämpötilan ollessa kymmeniä celciusasteita pakkasen puolella. Jääkuoren alla, vuorovesivoimien lämmittämässä valtameressä elämä voi kuitenkin kukoistaa ja on voinut tehdä niin jo yli kaksi kertaa yhtä kauan kuin elämää on esiintynyt oman kotiplaneetamme pinnalla. Muinaisilla planeetoilla myös elämä voi olla ikivanhaa perua. Kukapa tietää minkälaisia elämänmuotoja maailmankaikkeudessamme on ehtinyt kehittyä jo niiden vuosimiljardien kuluessa, kun omaa aurinkoamme ja planeettakuntaamme ei ollut vielä edes olemassa.

---

Eksoplaneettatutkimuksen Rosettan kivi — Gliese 486 b

9.3.2021 klo 09.55, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Koostumus

Eksoplaneettoja on havaittu jo tuhansia. Joukossa on monia mielenkiintoisia maailmoja ja planeettojen ominaisuuksista tiedetään päivä päivältä enemmän. Olemme oppineet tuntemaan useita joillakin kriteereillä maankaltaisia kappaleita ja planeettojen ominaisuuksista on paljastunut, että oma aurinkokuntamme on varsin tylsä ja erikoinen tapa järjestää planeetat tähden kiertoradalle. Koko ala perustuu havaintoihin, joita on tehty pääasiassa kahdella toisiaan täydentävällä menetelmällä. Ensimmäiset auringonkaltaisia tähtiä kiertävät planeetat havaittiin radiaalinopeusmenetelmällä, jossa havaitaan Doppler-siirtymästä aiheutuvaa pienenpientä tähden valon puna- tai sinisiirtymää planeetan heilauttaessa sitä meihin ja meistä poispäin vetovoimansa avulla. Toinen avaruusteleskooppien Kepler ja TESS tehokkaasti mahdollistama menetelmä on ylikulkujen havainnoiminen, mikä tarkoittaa tähden näennäisen himmenemisen havaitsemista planeetan kulkiessa sen pinnan editse.

Menetelmissä on eroja ja siksi niiden mukanaan tuoma kirous vaivaa eksoplaneettatutkimusta. Ylikuluista saadaan mitattua planeetan koko mutta se on mahdollista vain harvemmalle kuin joka sadannelle planeetalle, ja silloinkin yleensä vain niille, jotka kiertävät tähteään aivan sen pintaa viistäen. Radiaalinopeushavainnoista taas saadaan arvioitua planeetan massa mutta se onnistuu helposti vain lähellä Aurinkoa sijaitsevien tähtien kiertolaisille. Siksi kahden menetelmän mahdollisuudet havaita sama planeetta ovat hyvin rajalliset, mikä on hidastanut valtavasti pienten kiviplaneettojen koostumuksen tutkimista. Voimme nimittäin arvioida planeettojen keskitiheyttä ja siten koostumusta vain, jos planeetta voidaan havaita molemmilla menetelmillä mutta sellaisia planeettoja on vain kourallinen, ja niistäkin valtaosa on liian kaukana tarkempaan tutkimukseen. Gliese 486 b kuitenkin on lähellä ja sen massa ja halkaisija on saatu mitattua.

Kuultuani tähteä Gliese 486 kiertävän planeetan löydöstä, riensin heti tarkastamaan saamani tulokset, koska muistin analysoineeni kohteen havaintoja muutama vuosi sitten. Tuloksissani ei näkynyt viitteitä planeettojen signaaleista, koska dataa oli ollut käsillä vain hyvin vähän ja havaintojen herkkyys mahdollisti mahdollisti vain yli kolmen Maapallon massaisten planeettojen havainnoinnin.. Mutta tähti on kiinnostava, koska se on yksi Auringon lähinaapuruston tähdistä. Se on punainen kääpiötähti, joita on noin kolme neljännestä kaikista tähdistä, ja joita kiertää keskimäärin ainakin kolme planeettaa. Se on vain 26 valovuoden päässä meistä, ja siten yksi lähimmistä kiviplaneetoista, jonka koostumusta voidaan arvioida (Kuva 2.). Planeettalöydön tehnyt tutkimusryhmä raportoikin sen olevan todennäköiseltä koostumukseltaan maankaltainen, metalliytimen omaava kiviplaneetta.

Eksoplaneettojen ominaisuudet tunnetaan tavallisesti huonosti, ja silloinkin vain perustuen kouralliseen numeroarvioita fysikaalisista ominaisuuksista. Tyypillisiä numeroita ovat planeetan säde ja massa, sekä arvioitu säteilytasapainon edellyttämä pintalämpötila. Niitä voidaan mainiosti vertailla Maapallon vastaaviin tunnuslukuihin. Planeetan Gliese 486 b lämpötila, noin 430 celciusastetta, ei varsinaisesti tee siitä olosuhteiltaan maankaltaista. Sama pätee näennäisesti myös planeetan kokoon ja massaan — Gliese 486 b on kooltaan noin 31% Maata suurempi ja massaltaankin noin 2.8 kertainen. Se on siis niin kutsuttu kuuma supermaapallo, jonka pinnalla nestemäistä vettä ei voi olla ja siksi elämän edellytyksiä ei ole. Mutta vaikka planeetan keskitiheys on noin neljänneksen Maata suurempi, sen koostumus on todennäköisesti hyvinkin maankaltainen. Planeetta ei koostu puhtaasti raudasta ja raskaista metalleista, vaan omaa paksun silikaattivaipan kuten Maakin. Sillä tuskin on merkittävää määrää vettä pinnallaan kuten ei Maallakaan ole (jodenkin promillen osien veden osuus planeetan massasta ei ole merkittävää), ja siltä Maan tavoin puuttuu paksu kaasuvaippa, joka on tyypillinen suuremmille planeetoille. Gliese 486 b on tavallinen kiviplaneetta, ja siltä osin hyvinkin maankaltainen kappale.

Parasta kuitenkin on Gliese 486 b:n läheisyys yhdistettynä havaintoon ylikuluista. Sen kaasukehää on mahdollista tutkia transmissiospektroskopialla tulevaisuudessa — on mahdollista tehdä havaintoja sen kaasukehän ominaisuuksista tarkkailemalla muutoksia, joita tähden valossa tapahtuu valon kulkiessa planeetan kaasukehän ylimpien kerrosten läpi. Menetelmällä on saatu tietoja useiden kaasuplaneettojen koostumuksesta mutta rakenteeltaan maankaltaisten kiviplaneettojen kaasukehien havainnointi on saanut vielä odottaa itseään. Siksi Gliese 486 b:n on sanottu olevan eksoplaneettatutkimuksen Rosettan kivi — planeetta, joka ensi kertaa antaa mahdollisuuden tarkastella Aurinkokunnan ulkopuolisten kiviplaneettojen kaasukehää ja koostumusta.

Emme ole toistaiseksi onnistuneet tekemään havaintoja kiviplaneettojen ominaisuuksista, koostumuksesta ja ja kaasukehästä, muutoin kuin arvailemalla karkeasti mitkä simuloidut rakennemallit sopisivat planeettojen havaittuihin kokoihin ja massoihin (Kuva 2.). Siksi Gliese 486 b tarjoaa uniikin mahdollisuuden. Planeetta on niin lähellä Aurinkokuntaa, että sen kaasukehän ominaisuuksia — jos sillä siis on kaasukehä — voidaan havaita lähitulevaisuudessa olemassaolevin instrumentein ja teleskoopein. Ensimmäistä kertaa pääsemme tutkimaan suorin havainnoin läheisen kiviplaneetan ominaisuuksia. Se avaa uuden ikkunan planeettatutkimuksen alalla ja tarjoaa mielenkiintoisen esimerkin koostumukseltaan Maata muistuttavasta mutta muutoin täysin erilaisesta planeettojen luokasta. Ensimmäistä kertaa pääsemme tutkimaa tarkemmin yhtä galaksimme yleisimmistä planeettatyypeistä, kuumaksi supermaapalloksi luokiteltavaa planeettaa.

---

Viisi kuvaa eksoplaneetasta Proxima b

2.3.2021 klo 12.17, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Tiedämme lähimmästä eksoplaneetasta, Proxima Centauria kiertävästä planeetasta Proxima b, vain hyvin vähän. Sen kiertorata on kohtuullisen hyvin tunnettu ja osaamme sanoa, että Proxima b:n maailmassa vuoden pituus on noin 11.2 Maan päivää. Tiedämme, että sen etäisyys tähdestään on vain vajaat viisi prosenttia Maan etäisyydestä Auringosta, joten tähden voimakkaat vuorovesivoimat ovat todennäköisesti saattaneet planeetan pyörimisen synkroniin sen kiertoajan kanssa — silloin Proxima b näyttää aina saman puoliskonsa tähdelleen, joten Maalle tyypillistä vuorokausivaihtelua planeetalla ei esiinny.

Proxima b:n muut ominaisuudet ovat vieläkin heikommin tunnettuja. Sen massaa on kyetty arvioimaan radiaalinopeushavaintojen perusteella ja tulokseksi on saatu noin 30% Maan massaa suurempia arvioita. Kyseessä on kuitenkin vain varovainen alarajan arvio ja suurempia massa-arvioita on vaikeaa sulkea täysin pois havaintojen perusteella. Suurella todennäköisyydellä Proxima b on kuitenkin pieni kiviplaneetta, jolla ei ole merkittävää kaasuvaippaa ympärillään.

Emme tiedä onko Proxima b:n pinnalla kaasukehää, ja jos on, sen koostumuksesta ja paksuudesta voi esittää korkeintaan valistuneita mutta vain erittäin spekulatiivisia arvioita. Emme osaa sanoa onko planeetan pinnalla vettä, vaikka pinnan lämpötilaolosuhteet luultavasti sallivatkin sen esiintymisen nestemäisessä olomuodossaan. Veden olemassaolo ei kuitenkaan ole vain mahdollista, vaan jopa jossakin määrin todennäköistä, koska samankaltaista tähteä TRAPPIST-1 kiertävä kiviplaneettojen seitsikko koostuu hyvinkin vesipitoisesta materiaalista ja vesi on joka tapauksessa universumimme yleisin kemiallinen yhdiste. Proxima Centaurin voimakas hiukkastuuli ja säteily ovat kuitenkin saattaneet jo kauan sitten hajottaa Proxima b:n pinnalla esiintyneet vesimolekyylit hapeksi ja vedyksi, jolloin happi olisi vain päätynyt reagoimaan pinnan kiviaineksen kanssa ja vety olisi karannut avaruuteen vuosimiljardien saatossa.

Valtavista epävarmuuksista huolimatta on mielenkiintoinen ajatuskoe koettaa arvioida miltä Proxima b näyttää. Sitten planeetan löytymisen vuoden 2016 alkusyksystä, monia valistuneita arvioita onkin jo esitetty.

---

Ensimmäiset spekulaatiot Proxima b:n ulkonäöstä tarjoili Euroopan eteläisen observatorion (ESO) graafikko Martin Kornmesser. Kun planeetan löytö ESO:n teleskoopeilla julkistettiin, lehdistötiedote koristeltiin arvioilla planeetan ulkonäöstä (Kuva 1.). Sama kuva päätyi jopa tutkimuksen julkaisseen tiedelehden Nature kanteen. Kuvassa selvästi kivisen, kiinteän pinnan omaava Proxima b paistattelee tähtensä Proxima Centauri kelmeän punertavassa loisteessa. Taustalla näkyvät kaukaisuudessa järjestelmän kaksi muuta tähteä, Alpha Centauri A ja B. Huomionarvoista on planeetan pinnalla näkyvä valoa hyvin heijastava, epäsäännöllisen muotoinen läiskä. Se kuvastaa järveä, koska Proxima b:n pintalämpötila mahdollistaa nestemäisen veden esiintymisen. Tällainen visuaalinen kuvaus on tietenkin erittäin huomiotaherättävä — nestemäinen vesi planeetan pinnalla tarkoittaa elämän esiintymisen edellytysten täyttymistä planeetan pinnalla.

Samankaltaiseen näkemykseen päätyi Calanin observatoriossa tapaamani opiskelija Ricardo Ramirez, joka perehtyi eksoplaneettojen visuaalisten ominaisuuksien simulointiin. Palkkasin hänet vuonna 2017 tuottamaan kuvan löytämästäni toisesta lähiplaneetasta, Lalande 21185 b, mutta hänen kätensä jälki näkyy myös Proxima b:n yhteydessä (Kuva 2.). Näkemys on hyvin yhtenevä Kornmesserin visualisoinnin kanssa. Ramirez piirsi vieläpä Proxima Centaurin taivaalle luonnollisemmassa koossa mutta hänen grafiikassaan on toinenkin merkittävä ero Kornmesserin vastaavaan — Proxima b:n pinnalla ei näy vettä. Ramirez kuvaa planeetan kuivana autiomaana, jota ehkä täplittävät erilaiset geologiset muodostelmat ja kaasukehässä esiintyvät vaaleammat pilvet, mutta planeetan pinta on Marsin tapaan kuiva. Kyseessä on pienenpieni mutta merkittävä ero. Karuna autiomaana, vailla vettä, Proxima b ei voisi olla elinkelpoinen.

Muut taiteilijat ovat visioineet erilaisia värimaailmoja mutta päätyneet oleellisesti samankaltaiseen ulkonäköön. Arecibon observatorion artistit visioivat Proxima b:lle paksumman pilvisen kaasukehän ja vaaleamman pinnan (Kuva 3.). Kyseessä on kuitenkin edelleen kuiva kiviplaneetta, jonka pinnalla ei esiinny havaittavissa määrin nestemäistä vettä, kuten suuria järviä tai meriä. Se on näky, jonka planeettaa joskus tulevaisuudessa lähestyvät ensimmäiset tähtienväliset luotaimemme ehkä kohtaavat lentäessään koko järjestelmän läpi valtavilla relativistisilla nopeuksilla.

Yhdysvaltain avaruushallinnon NASA:n graafikot ovat rakentaneet planeetasta jopa simulaatiomallin, jonka avulla sen pintaa pääsee tarkastelemaan haluamastaan suunnasta. Heidän näkemyksensä on Proxima b:n elinkelpoisuuden suhteen huomattavasti optimistisempi (Kuva 4.) — simulaatiossa planeetan pintaa täplittävät pienet meret ja järvet ja ulkoasun väriksi on valittu vaalea aines, jonka lomassa näkyy tummempia alankoalueita, ehkäpä kuivuneita vesistöjä tähden säteilyn hajotettua veden molekyylit. Todellisuudessa planeetan pinta tuskin näyttää ihmissilmällä katsottuna näin vaalealta, koska tarjolla on vain Proxima Centaurin punaisen kääpiötähden kelmeän punertavaa valoa. Ihmissilmälle valkoista väriä tuskin näkyy, koska valkoiselta näyttävät pinnat, jotka heijastavat koko valon säteilyspektriä. Sinisen ja vihreän säteilyn puuttuessa lähes kokonaan, niitä ei siten voi mistään heijastuakaan ja tarjolla olevat värit ovat tummanpunaisen erilaisia sävyjä kaikkein kirkkaimpien pilvien ehkäpä näyttäytyessä kirkkaanpunaisina.

Punertavaa värimaailmaa tarjoaakin Kornmesserin kuvaus näkymästä planeetan pinnalta (Kuva 5.), joka julkaistiin planeettalöydöstä raportoineen lehdistötiedotteen kuvituksena ja joka on päätynyt lukemattomien lehtien ja artikkelien kuvituskuvaksi puhuttaessa Proxima Centaurin järjestelmästä ja planeetoista. Kuvassa on selvästi vieras maisema, Maan olosuhteista poikkeava ympäristö ja taivaalla loistavat erikoiset kolme tähteä, joista lähin valaisee horisonttia punertavalla valollaan kahden muun ollessa paljon kauempana. Vettä kuvassa ei näy mutta yksittäisessä maisemassa planeetan pinnalla sitä ei välttämättä olekaan, jos valtameriä ei ole kuten Maapallolla. Kuva vastaa hyvinkin omaa mielikuvaani planeetan pintaolosuhteista.

Kaikki toistaiseksi tuotetut kuvaukset Proxima b:n ulkonäöstä ovat kuitenkin takuulla vääriä. Parhaimmillaan ne vastaavat vain hyvin karkeasti sitä, miltä planeetta todellisuudessa näyttää ja pahimmillaan ne eivät kuvasta Proxima b:n olosuhteita miltään osin oikein. Puutteellinen tieto ja olemassaolevien tiedonmurusten epävarmuus tekevät lähes kaikkien eksoplaneettojen graafisesta kuvaamisesta lähes mahdottoman projektin, jossa voidaan saavuttaa vain visuaalisesti näyttäviä tieteiskirjallisuuden alaan kuuluvia taideteoksia.

Sillä aikaa tutkijat eivät tyydy arvailemaan, vaan rakentavat pala kerrallaan tieteellistä palapeliä planeettojen fysikaalisista ja geokemiallisista ominaisuuksista ja koettavat selvittää millaisia maailmoja oikein olemme havaineet kiertämässä lähitähtiä. Kun lopulta saamme niistä oikeita kuvia joko valtavien seuraavien sukupolvien rakentamien teleskooppien tai jopa ohilentoluotainten avulla, voimme tarkastella kuinka hyviä arvioita planeettojen ulkonäöstä olemme vuosien saatossa kyenneet luomaan. Varmaa kuitenkin on, että yllätyksiä on luvassa ja jotkut tunnetuista eksoplaneetoista eivät muistuta alkuunkaan sitä, mitä olemme aavistelleet. Proxima b saattaa hyvinkin olla yksi niistä.

---

Kohti eksoplaneettojen suoraa kuvaamista: Alpha Centauri

15.2.2021 klo 11.43, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen

Eksoplaneettojen suora kuvaaminen on seuraava suuri askel planeettatutkimuksessa ja maankaltaisten planeettojen etsinnässä. Toistaiseksi suorat kuvat eksoplaneetoista ovat kuitenkin rajoittuneet lähitähtien kaukaisiin, jättiläismäisiin kumppaneihin, jotka loistavat edelleen suhteellisen voimakkaasti muodostumisestaan jäljelle jäänyttä lämpöä. Suurin ongelma on mitättömän planeetasta saapuvan valon erottaminen havainnoista, kun sen vieressä, meidän näkökulmastamme aivan kylki kyljessä, loistaa jättiläismäinen kuumasta plasmasta koostuva fuusioreaktori, jota myös tähdeksi kutsutaan. Silti planeettojen suora kuvaaminen on ollut jo rutiinia ja useiden jättiläisplaneettojen lähettämää valoa onkin saatu havaittua suoraan. Mutta edelleen, maankaltaisten planeettojen suora kuvaaminen tuntuu suorastaan kaukaiselta, mahdottomalta tekniseltä suoritukselta nykyisille instrumenteille. Tilanne on kuitenkin nopeasti muuttumassa.

Ensimmäinen osoitus muutoksesta tuli vastaan hiukan yllättäen, kun tutkijat raportoivat vuoden 2020 keväällä mahdollisesta planeetan Proxima c suorasta havainnosta kuvaamalla. Vaikka havainto on kaikkea muuta kuin varma, koska kyseessä saattaa olla vaikkapa kohinan tuottama anomalia, Proxima c:n olemassaolo näyttää varmistuneen ja sen oletettu havainto saattaa siksi olla todellinen. On kuitenkin syytä olla varovainen kaikissa johtopäätöksissä, koska vain juuri ja juuri mahdolliset havainnot ovat alttiita monenlaisille virhelähteille, epävarmuuksille ja väärintulkinnoille — planeettojen suoriksi havainnoiksi tulkittujen kirkastumien on nähty kirjaimellisesti jopa haihtuvan ilmaan jatkettaessa niiden tarkkailua. Olemme kuitenkin ylittäneet kynnyksen, jonka toisella puolella eksoplaneettojen kuvaaminen ei ollut mahdollista mutta tällä puolella se onnistuu. Nyt on saatu viitteitä jopa planeetasta kiertämässä Alpha Centauri A:ta (Kuva 1.).

Kun tutkijat havaitsivat Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopilla Alpha Centaurin kaksoistähtijärjestelmää 100 tunnin ajan, heidän tarkoituksenaan oli etsiä planeettoja tähtien tuntumasta. Ei ole lainkaan hämmästyttävää, että kuvista löytyi pieni kirkastuma, joka saattaisi aiheutua A-komponenttia kiertävästä planeetasta. Planeettoja on kaikkialla, kiertämässä likimain jokaista tähteä, ja niiden löytyminen lähimmän auringonkaltaisen tähden kiertoradalta ei olisi minkäänlainen ihmetyksen aihe. Havainto voi kuitenkin olla jotakin aivan muutakin. Se saattaa aiheutua tähtijärjestelmän kiertoradalla olevasta pölystä tai instrumentin pienestä häiriöstä mutta tulkinta uudeksi eksoplaneetaksi, Neptunusta jonkin verran suuremmaksi kaasuplaneetaksi, on ehkäpä kaikkein kiinnostavin mahdollisuus.

Olisiko oletettu Neptunusta hiukan massiivisempi kiertolainen voinut jäädä havaitsematta etsittyämme planeettoja Alpha Centaurin järjestelmästä jo vuosikymmenten ajan? Yllättäen vastaus on kyllä. Lily Zhao ryhmineen osoitti hiljattain, että jopa puolen Saturnuksen massaiset planeetat saattavat edelleen piileskellä aivan silmiemme alla Alpha Centaurin järjestelmässä, tähdistä massiivisemman A-komponentin kiertoradalla (Kuva 2.). Ne olisivat voineet jäädä havaitsematta radiaalinopeusmenetelmällä, joka on sitä herkempi mitä pienempää tähteä tarkkaillaan. Alpha Centaurin tähtikolmikon massiivisimpana tähtenä A:n kiertolaisten havaitseminen on siis kaikkein vaikeinta. Lisäksi, yksittäisen planeetan ylikulku tähtensä editse on harvinainen tapahtuma, joten ylikulkuhavaintojen puuttuminen on tyypilliselle tähdelle ja sen planeetalle se ylivoimaisesti todennäköisin tilanne. Ehkäpä Alpha Centauri A b on todellinen mutta se on vain jäänyt havaitsematta.

Tutkijat tunnustavat kuitenkin löytönsä epävarmuudet. He eivät väitä löytäneensä planeettaa Alpha Centaurin järjestelmästä, vaan vain pienen kirkastuman, jonka voi selittää tähteä A kiertävä planeetta. Heidän varovaisuutensa on erittäin ymmärrettävää — vuonna 2012 tutkijat julkistivat löytäneensä pienen kiviplaneetan komponentin B kiertoradalta vain kokeakseen muiden tähtitieteilijöiden täystyrmäyksen. Tulos osoittautui puutteellisen tilastollisen analyysin aiheuttamaksi väärintulkinnaksi, ja planeetaksi tulkittu signaali aiheutui todennäköisesti tähden aktiivisen pinnan havaintoihin aiheuttamasta kohinasta. Kukaan ei enää halua hirttäytyä julkisesti yhteen potentiaalisesti väärään tulkintaan tilanteessa, jossa on runsaasti aivan yhtä päteviä havainnot selittäviä hypoteeseja.

Planeettojen havainnointi lähitähtien kiertoradoilla suoran kuvauksen keinoin on kuitenkin ottamassa niitä harppauksia, joilla siitä tulee tulevaisuuden merkittävin planeettojen etsintään ja tutkimiseen käytetty menetelmä. Silloin emme joudu enää tyytymään epäsuoriin havaintoihin ja tietoihin, jotka perustuvat siihen miten planeetta vaikuttaa tähdestään havaintolaitteeseemme saapuvaan valoon. Olemme käynnistämässä uuden, äärimmäisen mielenkiintoisen eksoplaneettahavaintojen aikakauden, joka perustuu niiden suoraan valokuvaamiseen.

---

Sivilisaatioiden täyttämä universumi — vai olemmeko yksin?

1.2.2021 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia

Ehkäpä onkin niin, että emme ole yksin. Ehkäpä Fermin paradoksin ainoa oikea ratkaisu on se, että emme ole vielä osanneet etsiä oikealla tavalla, oikeasta paikasta. Ehkäpä kehittyneemmät sivilisaatiot ovat tarkkailleet meitä vain satunnaisilla luotaimilla, joista viimeinen vieraili satojatuhansia vuosia sitten tai ehkäpä he haluavat jättää meidät rauhaan omaan aurinkokuntaamme, galaksin syrjäisen osan periferiaan, joka ei ole kenenkään mielestä erityisen mielenkiintoinen tai uniikki paikka. Ehkäpä galaktiset liikennereitit karttavat omaa Linnunradan nurkkaamme, tai ehkäpä olemme yhdellä sektorin luonnonsuojelualueista, joilla primitiivisten elämänmuotojen annetaan kukoistaa häiritsemättä niiden toilailuja.

Valtaosa astronomeista arvelee, että elämä on yleistä maailmankaikkeudessa. Sitä syntyy aina, kun fysikaaliset ja geokemialliset olosuhteet ovat sopivat, ja elinkelpoisia paikkoja, eläviä kuita ja planeettoja, esiintyy siksi useita jokaisessa aurinkokunnassa. Omassa tähtienvälisen avaruuden saarekkessamme elämän esiintymiselle soveltuvia planeettoja voi olla vain kaksi, mutta elämän mahdollistavat olosuhteet saattavat löytyä useiden jääkuoren peittämien kuiden pinnan alla. Moni on samalla taipuvainen ajattelemaan, että tekniset sivilisaatiot ovat huomattavasti harvinaisempia ja niitä on ehkäpä koko galaksissamme vain kourallinen, turvallisesti tuhansien valovuosien päässä toisistaan, mikä tekee kommunikoinnista lähes mahdotonta. Kaikki eivät kuitenkaan ajattele niin ja hyvästä syystä: asiantuntijuus astronomiassa ei tee kenestäkään asiantuntijaa elämän synnyn bio- ja geokemiassa eikä varsinkaan eksoplaneettojen elämänmuotojen etologiassa ja kulttuurievoluutiossa tai niiden tuottamassa teknologiassa. Yksi heistä on Avi Loeb.

---

Hiljattain Aurinkokunnan läpi viiletti vierailija toisesta tähtijärjestelmästä. Se oli selvästi litteänpuoleinen, noin jalkapallokentän kokoinen kappale, joka pyörähteli itsensä ympäri aina kahdeksan tunnin kuluessa. Komeetaksi tulkittu kappale, joka sai nimen ’Oumuamua (Kuva 1.), kiisi jo kovaa vauhtia pois planeettakunnastamme, kun se edes saatiin havaittua. Mutta havaitsijat huomasivat välittömästi, että kappaleen radassa oli jotakin erityistä. Se ei ollut tavallinen komeetta, jotka ovat osana Aurinkokuntaa ja kyvyttömiä pakenemaan Auringon vetovoimakentästä. ’Oumuamuan liike osoitti kyseessä olevan jotakin aivan muuta — se on tähtienvälinen matkalainen, jonka rataa Auringon gravitaatio muutti mutta jonka liike-energia riittää helposti viemään sen pois järjestelmästämme. ’Oumuamua oli lähellämme vain käymässä, kuin tehdäkseen pienen suunnanmuutoksen keskellä tähtienvälistä matkaansa. Kappaleen liikkeessä oli muutakin omituista. Poistuessaan aurinkokunnasta sen havaittiin kiihdyttävän vauhtiaan.

Komeetoilla on keinonsa vaikuttaa nopeuteensa. Niiden pitkälti jäinen pinta höyrystyy Auringon puolella, jolloin vapautuva kaasu tuottaa pienen työntövoiman pois päin Auringosta. Siten komeettojen pinnat toimivat kuin heikkotehoiset, kaoottiset rakettimoottorit, kun niiden pinnalta purkautuu materiaa. ’Oumuamuan vauhdin havaitun kiihtymisen olisi voinut selittää se, että peräti 10% kappaleen massasta olisi höyrystynyt. Silloin prosessissa vapautunut kaasumainen aines joutuu Auringon hiukkastuulen viemäksi ja komeetoille muodostuvat niiden tunnusomaiset pitkät pyrstöt, jotka suuntautuvat aina pois päin Auringosta. Mutta toisin kuin kaikilla tunnetuilla komeetoilla, ’Oumuamualla ei havaittu minkäänlaisia merkkejä pyrstöstä. Kaasun vapautuminen sen pinnalta ei siis selittänyt kiihtyvää liikettä. Kaiken lisäksi, ’Oumuamuan vauhti ei kiihtynyt kaoottisella tavalla purkausten ja satunnaisesti vapautuvan kaasun toimesta, vaan tasaisen varmasti. Eikä kappale edes näyttänyt säteilevän lämpösäteilyä, kuten auringonvalossa lämpenevät komeetat.

On toinenkin tapa, jolla Aurinkokunnan pikkukappaleet voivat muuttaa liikettään ja kiihdyttää vauhtiaan. Sen tarjoaa Auringon säteily — säteilypaine tuottaa pienen, tasaisen työntövoiman pois päin Auringosta. Niinpä Loeb yhdessä kollegansa Shmuel Bialyn kanssa tekikin laskelmat sen selvittämiseksi, mitä säteilypaineen kiihdyttävä voima merkitsisi ’Oumuamuan ominaisuuksien kannalta. Heidän arvionsa osoitti, että vain hämmästyttävän kevyt ja laakea kappale, massaltaan vain 0.1g neliösenttimetriä kohden, voisi selittää havaitun kiihtyvyyden. Se vastaisi ohutta, paksuudeltaan 0.3-0.9 mm kalvoa, joka toimisi aurinkopurjeena ja kiihdyttäisi vauhtiaan heijastamalla Auringon säteilyä. Kyseessä on teknologia, jonka tunnemme aurinkopurjeena, ja jonka prototyyppejä ihmiskunta on saattanut avaruuteen testimielessä viime vuosikymmeninä. Laskelmien merkitykset ’Oumuamuan luonteelle olivatkin päätähuimaavat. Jos ’Oumuamuan vauhti muuttui säteilypaineen vaikutuksesta, se ei voisi olla luonnollisten prosessien avulla muodostunut kappale, vaan kyseessä täytyisi olla teknisen sivilisaation valmistama, aurinkopurjeella varustettu tähtienväliseen liikenteeseen suunniteltu alus.

Havainnoissa on vielä muutakin omituista. ’Oumuamua on erittäin laakea, ja sen havaittu kirkkaus vaihtelee kertoimella 10 sen pyörähdellessä avaruudessa. Se sai havaitsijat arvelemaan, että kyseessä olisi pitkulainen kappale, jonka kirkkausvaihtelut selittää se määrä pintaa, joka on heijastamassa Auringon valoa teleskooppeihimme. Mutta havaintoihin sopii mainiosti myös laakea, levymäinen kappale. Lisäksi, se heijastaa valoa jopa kertaluokkaa paremmin kuin tyypilliset komeetat, mikä viittaa tavallista sileämpään pintarakenteeseen, joka on harvinaista komeetoilla. Mikä ’Oumuamua siis oikeastaan on, jos sen havaitut ominaisuuden osoittavat kappaleen olevan hyvin epätodennäköisesti luonnon muovaama kappale, kuten asteroidi tai komeetta?

Loeb sanoo havaintojen asettavan hypoteesin ’Oumuamuan luonnollisesta synnystä osana tyypillistä tähtiä ympäröivää komeetta- ja asteroidipopulaatiota kiusalliseen valoon. Hänen mukaansa kappaleen havaitut ominaisuudet ovat äärimmäisen epätodennäköisiä luonnollisten prosessien kautta syntyneelle kappaleelle.

---

Kopernikaaninen mullistus teki Maasta vain yhden planeetan muiden joukossa. Sittemmin tutkijat ovat keränneet järjestelmällisesti tietoa luonnosta, luonnonlaeista ja koko maailmankaikkeudesta, ja havainneet kaikkien kuvittelemiemme erityislaatuisuksiemme olevan pelkkää mielikuvituksen tuotetta. Aurinko on vain yksi tähti galaksimme miljardien tähtien joukossa. Samoin galaksimme on vain yksi tavanomaisista tähtijärjestelmistä näkyvässä maailmankaikkeudessa. Myös ihminen on vain yksi planeettamme lukuisista eliölajeistaja ja ehkäpä planeettamme elämäkin on vain yksi biosfääri muiden joukossa, niillä lukemattomilla planeetoilla, joita tiedämme kiertävän jo aivan lähitähtiämme. Miksei siis tekninen sivilisaatiommekin olisi vain yksi muiden joukossa, ja silloin miljardien vuosien ikäisessä maailmankaikkeudessa yksi niistä aivan nuorimmista?

Planeettoja syntyi jo aikana, jolloin maailmankaikkeus oli hyvin nuori. Oletus siitä, että elämää ja teknisiä sivilisaatioita olisi syntynyt vasta miljardeja vuosia myöhemmin Maapallolla vaikuttaa siinä valossa vain yhdeltä oletukselta omasta erikoisasemastamme. Mutta mikään ei ole tieteessä niin radikaalia kuin yhden anekdootin kutsuminen uniikiksi anomaliaksi. Aivan samoin kuin emme oleta Maapallon olevan uniikki, ei ole syytä olettaa Maan elämän tai sen synnyttäneen teknisen sivilisaationkaan olevan yhtään sen ainutlaatuisempia. Silloin Fermin paradoksi näyttäytyy aivan uudenlaisessa valossa. Ehkäpä vastaus kysymykseen ”missä kaikki ovat” on nähtävillä silmiemme edessä ja ’Oumuamua on siitä esimerkkinä.

Jos Maa ja ihmiskunta eivät ole missään erikoisasemassa, ei ’Oumuamuakaan ole. Jo sillä faktalla, että ylipäätään havaitsimme ’Oumuamuan kaltaisen kappaleen hyvinkin rajallisilla havaintoresursseillamme, on seurauksia. Jotta havainto olisi ollut mahdollinen, kappaleita olisi oltava yksi jokaisessa Maapallon radan sisään mahtuvassa tilassa avaruutta. Silloin niitä mahtuisi jo Aurinkokuntaan noin miljoona miljardia. Se selviää jo lähitulevaisuudessa, kun tähtienvälisillä radoilla liikkuvien kappaleiden määrää tulee kartoittamaan rakenteilla oleva suuri, taivaan laaja-alaiseen kuvaamiseen suunniteltu 8.4 metrinen Vera Rubin observatorio.

---

Voimme todeta sarkastisen humoristisesti, että on olemassa kahdenlaisia tähtitieteilijöitä. Niitä, jotka eivät usko Aurinkokunnassa näkyvän merkkejä vieraista teknisistä sivilisaatioista ja Avi Loeb. Mutta hänen tulkintansa ’Oumuamuan havaituille ominaisuuksille on perusteltu. Se on samalla hypoteesi, joka tulisi ottaa vakavasti tutkiessamme avaruutta yhä kehittyneemmillä teknisillä apuvälineillä. Ehkäpä spekulatiiviset arviot teknisten sivilisaatioiden määrästä galaksissamme ovatkin oikeita, eivätkä vain arvailua. Emme kuitenkaan tiedä. Ennen kuin vedämme johtopäätöksiä, on muistettava, että yhden Aurinkokunnassa vierailleen, tuntemattomaksi jääneen pikkukappaleen liikkeen anomaliat eivät vielä riitä osoitukseksi siitä, että sivilisaatiomme ei olekaan yksin. Lisäksi, muulla tiedeyhteisöllä ei ole ollut vaikeuksia osoittaa, että ’Oumuamuan ominaisuuksissa ja liikkeessä ei luultavasti ole mitään erityistä tai mitään, mikä vaatisi selityksekseen muuta kuin fysiikan armottomat lait ja hiukan aikaa. Luultavasti havainnot ovat täysin sopusoinnussa tuntemiemme luonnonlakien kanssa ja Loebin huikeat spekulaatiot ovat vailla pohjaa.

Perustellut spekulaatiot on kuitenkin syytä ottaa vakavasti — varsinkin silloin, kun kyseessä ovat suuret kysymykset siitä olemmeko yksin. Olisihan se kuitenkin varsin epätodennäköinen sattumus, jos olisimme.

Kaukainen tähti, miksi kirkastut?

25.1.2021 klo 11.11, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen

Ylikulkumenetelmä on toistaiseksi menestyksekkäin tapa havaita eksoplaneettoja kiertämässä Auringon lähinaapuruston tähtiä. Kyse on periaatteessa vain planeetan varjon havaitsemisesta — tarkoituksena on määrittää kuinka paljon kohteena oleva tähti himmenee planeetan kulkiessa säännöllisesti sen editse. Menetelmä on epäsuora ja siinä havaitaan vain planeetan aiheuttamaa muutosta tähdestä havaintolaitteeseen tulevaan valoon, ei itse planeettaa. Karkeasti ajateltuna, kyseessä on planeetan varjon suora havaitseminen, vaikka joskus voidaankin havaita myös tähden valoa, joka suodattuu planeetan kaasukehän läpi. Menetelmä on tehokkaimmillaan, kun kohteena olevat tähdet ovat kymmenien tai korkeintaan joidenkin satoje valovuosien päässä mutta joskus planeettoja voi havaita tarkkailemalla paljon kaukaisempia tähtiä ja planeettojen aiheuttamia muutoksia niiden säteilemään valoon. Silloin havaitulla planeetalla ja tarkkailtavalla tähdellä ei ole mitään tekemistä toistensa kanssa — ne saattavat jopa olla tuhansien valovuosien etäisyydellä toisistaan. Miten se on mahdollista?

Tarvitaan astronomisen epätodennäköinen sattumus. Kun kolme tähteä asettuu lähes täsmälleen samalle suoralle, valo ensimmäisestä saapuu kolmanteen kulkien aivan tähdistä toisen vierestä. Tilanne ei kuulosta kovin erikoiselta, koska galaksimme sadat miljardit tähdet kiertävät galaktisen keskuspullistuman ympäri likimain samassa tasossa ja niiden keskinäiseen asemaan liittyvät sattumukset ovat varsin tavallisia. Mutta kolmannen tähden on oltava juuri Aurinko ja ensimmäisen tähden on oltava riittävän kirkas, jotta Maan astronomit voivat havaita sen valoa keräävillä laitteillaan. Sellaiset sattumukset ovat harvinaisia mutta tähtitieteilijät osaavat kuitenkin havaita niitä tarkkailemalla samanaikaisesti satoja tuhansia, jopa miljoonia tähtiä. Tavallisesti teleskoopit suunnataan Linnunradan keskuksen suuntaan, koska siellä on näkyvissä eniten kaukaisia tähtiä. Sattumukset tarjoavat mahdollisuuden havaita planeettoja hyvin erikoisella tavalla.

---

Ensimmäinen kokeellinen varmennus Albert Einsteinin visioimalle suhteellisuusteorialle saatiin tarkkailemalla miten tähtien valo taipuu Auringon painovoimakentässä. Vuoden 1919 auringonpimennys tarjosi mahdollisuuden mitata Auringon vieressä näkyvien tähtien tarkkaa paikkaa taivaalla. Pimennyksen aikana, Arthur Eddington ja Frank Dyson onnistuivat havainnoissaan ja varmistivat valon todellakin taipuvan gravitaatiokentässä Einsteinin ennustamalla tavalla. Astronomit olivat matkanneet Afrikan rannikolle ja Brasiliaan havainnoimaan auringonpimennystä kahdella eri paikkakunnalla ja heidän kokeelliset tuloksensa valon taipumisesta tekivät suhteellisuusperiaatteesta hyväksytyn fysikaalisen teorian yhdessä hetkessä. Mutta valo ei vain taivu. Katsoessamme tähden painovoimakentässä kulkevaa valoa sopivalta etäisyydeltä, olemme tähden muodostaman gravitaatiolinssin polttopisteessä ja näemme linssin voimistavan kaukaisen tähden valoa hetkeksi. Tilannetta kutsutaan mikrolinssi-ilmiöksi.

Havaittavan kohteen ja havaitsijan välissä oleva massiivinen kappale voi siis voimistaa kohteen kirkkautta toimimalla gravitaatiolinssinä. Esimerkiksi OGLE-projektin havainnoissa raportoitiin vuonna 2017 erään tähden kirkastuneen noin 16 kertaiseksi normaalista kirkkaudestaan. Kirkastuminen johtui pienestä punaisesta kääpiötähdestä, joka sattui kulkeutumaan juuri oikeaan kohtaan toimiakseen linssinä ja voimistaakseen taustan kohteen valoa. Itse linssinä toimiva tähti ei tule himmeytensä vuoksi näkyviin, vain sen voimistamaa taustataivaan kohteen valoa voidaan havaita. Mutta havannoissa tapahtui muutakin. OGLE-teleskoopin havaittua orastavaa kirkastumista, joka lopulta kesti kymmenien päivien ajan, kohdetta ryhdyttiin tarkkailemaan muillakin teleskoopeilla. Tuloksena oli havaito pienestä mutta merkittävästä lisäkirkastumisesta, ohikiitävän hetken verran (Kuva 2.). Joitakin tunteja kestänyt ylimääräinen kirkastuminen johtui tähteä kiertävän eksoplaneetan OGLE-2017-BLG-0482L b vaikutuksesta. Valo siis taipui planeetan vetovoiman vaikutuksesta hiukan, tehden planeetasta gravitaatiolinssin muutaman tunnin ajaksi. Se kirkasti taustataivaan tähdestä saapuvaa valoa vain aavistuksen verran, mutta kuitenkin riittävästi, jotta havainto oli mahdollinen.

Kyseessä on häkellyttävä tapa löytää planeettoja. Kirkastumisen perusteella, linssinä toiminut järjestelmä OGLE-2017-BLG-0482L koostuu punaisesta kääpiöstä, joka on massaltaan noin 20% Auringosta, ja sitä kiertävästä supermaapallosta, joka puolestaan on massaltaan noin yhdeksän kertaa Maata suurempi. Havainnoista voi määrittää myös planeetan 1.8 AU:n etäisyyden tähdestään mutta siinä on likimain kaikki, mitä tiedämme tai voimme saada selville. On varmaa, että havaintoa ei voi koskaan enää toistaa ja emme kykene tekemään uusia havaintoja planeetan emäntätähdestä sen kaukaisuuden ja himmeyden vuoksi. Edes kohteen etäisyys ei ole tiedossa kuin vain hyvin likimääräisesti — se on meistä karkeasti 5.8 kiloparsekin tai 19000 valovuoden päässä. Arvion epävarmuus on suunnilleen 6000 valovuotta kumpaankin suuntaan. Voimme havaita uudelleen vain linssin hetkeksi kirkastamaa tähteä, joka ei enää koskaan kerro sen ja meidän välissä kerran käväisseestä salaperäisestä planeettakunnasta.

Gravitaatiolinssimenetelmällä eksoplaneettoja etsivien astronomien työ on ehkäpä turhauttavinta tutkimusta, jota astronomit voivat harjoittaa. He havaitsevat kaukaisia planeettoja vain yhden ainoan kerran, tietäen, etteivät kykene havaitsemaan samaa planeettakuntaa toista kertaa. Heidän työnsä perusteella kuitenkin tiedämme, että galaksissamme on enemmän planeettoja kuin tähtiä. Kaukainen, massaltaan yhdeksän kertaa Maan kokoinen kiertolainen OGLE-2017-BLG-0482L b on nyt havaittu ja luetteloitu, mutta sitä ei päästä tutkimaan uudestaan enää koskaan.

---

Astronomien nimeämiskäytännöt turhauttavat varmasti kaikkia alaa seuraavia, jotka eivät jaksa katsella monimutkaisia numerosarjoja ja luettelokoodeja kuten OGLE-2017-BLG-0482L. Koodit saa kuitenkin tuntumaan siedettäviltä, kun perehtyy niiden merkitykseen. Esimerkin koodinimessä ”OGLE” viittaa havainnon tehneeseen teleskooppiin (Optical Gravitational Lensing Experiment) Chilen Las Campanasin observatoriossa ja ”2017” viittaa vuoden 2017 havaintokauteen. ”BLG” puolestaan kertoo, että kyseessä on kohde galaksimme keskuspullistuman (BuLGe) suunnassa ja numero ”0482” tarkoittaa havainnon järjestysnumeroa havaintokauden aikana. Kirjain ”L” kertoo kyseessä olevan gravitaatiolinssi. Helpompaa nimeä ei valitettavasti ole luvassa, sillä kansainvälinen tähtitieteen unioni IAU nimeää vain varmistettuja eksoplaneettalöytöjä ja kaikki mahdollisuudet saada kohteesta OGLE-2017-BLG-0482L minkäänlaisia lisähavaintoja ovat nyt ikuisesti menneet.