Elämän ja kuoleman metallit
Tähtitietelijöillä on erikoisia tapoja luokitella asioita. Muiden tieteenalojen edustajat kauhistelevat tyypillisesti tähtitieteilijöiden monenlaisia approksimaatioita ja arviointeja. Kosmologille piin likiarvoksi voi riittää aivan hyvin numero 3, koska silloinkin saadaan yhden desimaalin tarkkuus ja ainakin lopputuloksen suuruusluokka oikein. Mutta erityisesti kemistien parissa herättää hilpeyttä astronomien terminologia, jossa sanalla metalli vitataan kaikkiin alkuaineisin, jotka ovat heliumia raskaampia. Maailmankaikkeudessa on siis vain vetyä, heliumia ja metalleja. Rauta nyt on metalli mutta tähtitieteilijöille yleisiä metalleja ovat hiili, typpi, happi, ja monet muut alkuaineet olivat ne sitten metalleja kemiallisessa mielessä tai eivät. Ihmiset koostuvat siten vedystä ja suuresta määrästä metalleja, joten tähtitieteellisessä mielessä olemme kaikki suureksi osaksi metallia.
Kontekstissaan määrittely on tietenkin järkevä approksimaatio, koska vety ja helium ovat universumin yleisimmät alkuaineet, ja siksi kaikki tähdet koostuvat pääasiassa niistä. Vetyä on noin 73% kaikesta materiasta ja heliumiakin noin 25%. Loppu 2% on metalleja, joiden pitoisuutta esimerkiksi tähtien kaasukehissä on tyypillisesti mitattu spektroskooppisesti, eli havaitsemalla tähtien säteilyn voimakkuutta eri aallonpituuksilla. Eri alkuaineet jättävät spektriin oman ominaisen absorptio- ja emissioviivojen kokoelmansa, joten eri tähtien toisistaan poikkeavia metallipitoisuuksia onkin mitattu jo pitkään spektrien avulla. Yksinkertaisin mahdollinen mittari tähden koostumukselle on juuri metallipitoisuus, eli heliumia raskaampien alkuaineiden osuus tähden kaasukehässä. Vaikka tutkijat usein mittaavatki tarkemmin monen eri alkuaineen pitoisuuksia erikseen, on yleinen ”metallipitoisuus” hyvin käytännöllinen suure määrittämään vaikkapa sitä, kuinka paljon heliumia raskaampia aineita oli juuri sen tähtienvälisen aineksen joukossa, josta kyseinen tähti sai alkunsa.
Tähden metallipitoisuus voi kertoa myös väkivaltaisesta historiasta, koska planeettojen törmääminen tähteensä voi jättää jälkeensä tähden kaasukehän kohonneen metallipitoisuuden. Tyypillisesti tilanne on kuitenkin päinvastainen: metallipitoisemmasta aineksesta alkunsa saaneiden tähtien kiertoradoilla on enemmän planeettoja. Tilanne havaittiin jo varhaisten radiaalinopeushavaintojen myötä ja se on saanut vahvistuksensa Kepler-avaruusteleskoopin löytämien tuhansien planeettojen tilastollisen analyysin avulla. Metallipitoisuus vaikuttaa kuitenkin myös tähden itsensä käyttäytymiseen.
Oletetaan, että vertailemme laboratoriossamme kahta muutoin samanlaista tähteä mutta toinen on metallipitoisempi kuin toinen. Ne ovat massaltaan samanlaisia, ja siten kooltaan likimain identtisiä. Ne loistavat yhtä kirkkaasti näkyvän valon aallonpituuksilla ja näyttävät aivan samanlaisilta nopeasti tarkasteltuna. Silti ne poikkeavat toisistaan merkittävästi — suurempi metallipitoisuus saa toisen tähdistä säteilemään ultraviolettivaloa poikkeavalla tavalla. Emme tietenkään voi oikeasti asettaa tähtiä laboratorioon tutkiaksemme niitä kontrolloiduissa olosuhteissa mutta voimme suunnitella täsmälleen haluamiamme koejärjestelyitä mallintamalla tähtien käyttäytymistä yksityiskohtaisilla tietokonesimulaatioilla. Silloin tähtien ominaisuuksien vaikutusta kokonaisuuteen voidaan testata täsmälleen halutulla tavalla.
Voimme siis mennä laboratoriokokeessamme pidemmälle. Oletetaan, että kahta tähteämme kiertää molempia maankaltainen, elinkelpoinen planeetta. Planeetat ovat samanlaisia ja samanlaisella kiertoradalla, jotka sijoittuvat tähtien elinkelpoisten vyöhykkeiden sisäpuolelle. Planeettojen olosuhteissa onkin päässyt kehittymään eläviä organismeja, jotka ovat oppineet yhteyttämään ja sitomaan siten tähden säteilyenergiaa orgaanisten yhdisteiden rakenne-energiaksi. Elämä kukoistaa molemmilla planeetoilla, ja yhteyttäminen tuottaa kaasukehään happea, joka muodostaa sen yläosiin otsonikerroksena tunnetun ultraviolettisäteilyltä suojaavan kerroksen. Koko tapahtumaketju voi vaikuttaa epätodennäköiseltä mutta tiedämme sen tapahtuneen kertaalleen ainoalla tuntemallamme elävällä planeetalla. Muilla tähdillä oleelliseksi muuttujaksi muodostuu juuri tähden metallipitoisuus. Ollessaan suurempaa, se vähentään ultraviolettisäteilyä kokonaisuutena, mutta samalla myös otsonin muodostumisprosessi hidastuu. Se taas tekee metallipitoisempien tähtien planeetoista epätodennäköisempiä maailmoja maankaltaiselle, pintaa peittävälle biosfäärille.
Ultraviolettisäteilyn tyypillä on väliä. Sen pidemmät aallonpituudet kyllä tuhoavat otsonia osuessaan planeetan kaasukehään mutta lyhyemmät aallonpituudet rikkovatkin happimolekyylejä synnyttäen otsonia, kun syntyvät happiradikaalit reagoivat muiden happimolekyylien kanssa. Syntyy tasapainotilanne, jossa otsonikerroksen paksuus rippuu saapuvan ultraviolettisäteilyn aallonpituuksista. Jos tähden metallipitoisuus on matalampi, sen ultraviolettisäteilystä suurempi osa on lyhyiden aallonpituuksien säteilyä, jolloin otsonia pääsee muodostumaan runsaasti ja planeetan elämä saa suojan tappavaa ultraviolettisäteilyä vastaan. Korkeamman metallipitoisuuden tähteä kiertävä planeetta taas saa ohuemman otsonikerroksen ja sen pinnalla ultraviolettisäteily hajottaa tehokkaasti orgaaniset molekyylit steriloiden planeetan elottomaksi. Kaikki toki riippuu siitä, että kaasukehässä on vapaata yhteyttävien kasvien tuottamaa happea, mikä kuvastaa vain sitä, että osaamme spekuloida planeettojen elinkelpoisuudella lähinnä vain perustuen yhteen ainoaan esimerkkiin elollisesta planeetasta — omaamme.
Tähden metallipitoisuus kertoo kuitenkin muutakin. Koska planeetat muodostuvat korostetusti juuri tähtitieteellisistä metalleista, eli heliumia raskaammista alkuaineista, niiden syntyyn vaikuttaa se, kuinka paljon näitä metalleja oli saatavilla planeettojen alettua muodostumaan tähtensä kiertoradoille. Mitä enemmän metalleja oli, sitä herkemmin planeettoja muodostui ja sitä yleisemmiksi ne tulivat. Siksi kaikkein metallipitoisimmat tähdet synnyttävät kyllä herkemmin planeettoja kiertoradoillleen mutta eivät ehkä päästä niitä kehittämään pinnoilleen kompleksisia yhteyttämiseen perustuvia biosfäärejä.
Kultaisen keskitien periaate pätee luultavasti tässäkin asiassa. Jos tähden metallipitoisuus on keskimääräistä luokkaa, kuten omalla tähdellämme Auringolla, sen kiertoradalle syntyy kyllä planeettoja mutta vain maltillisesti ja niistä sisimmät jäävät herkemmin kooltaan pieniksi. Silloin niistä jokin tai jotkut saattavat osoittautua ominaisuuksiltaan juuri sellaisiksi, että elämä saa alkunsa elottomista geokemiallisista prosesseista ja valtaa planeetan kuoren. Kuten kaikkea muutakin, metallejakin tarvitaan siksi juuri sopivasti, jotta tuntemamme kaltainen elämä voi kukoistaa maailmankaikkeudessa.
Metalleja, kuten mitään materiaa, ei ole ollut aina. Maailmankaikkeudellamme on alku, ja sen ensimmäisinä hetkinä saivat alkunsa niin keveimmät alkuaineet vety ja helium kuin myös ripaus kolmanneksi keveintä alkuainetta litiumia. Kaikki raskaimmat alkuaineet syntyivät sitten myöhemmin tähtien ydinreaktioissa, kun keveämmät alkuaineet fuusioituvat raskaammiksi vapauttaen energiaa tähtien energianlähteenä. Osa siitä aineksesta, kuten esimerkiksi suurin osa kaikkea litiumia, hiiltä ja typpeä, vapautui tähtienväliseen avaruuteen uusien tähtisukupolvien rakennusmateriaaliksi kuolevien pienimassaisten tähtien puhallettua metallien kyllästämät ulko-osansa avaruuteen elinkaarensa lopussa. Valtaosa muista yleisemmistä alkuaineista puolestaan vapautui massiivisempien tähtien sisuksista supernovaräjähdysten myötä.
Planeettojen materiaali ja siten myös elämän tarvitsemat alkuaineet syntyivät siis kirjaimellisesti räjähtävien tähtien siroteltua ne pölynä avaruuteen. Samalla supernovaräjähdysten paineaallot saattoivat toimia sopivana häiriötekijänä, joka sai tähtienvälisen aineksen pilvet luhistumaan tähdiksi ja niiden joukoiksi. Supernovatkin siis kylvivät elämän edellytyksiä mutta saattoivat samalla myös riistää ne. Supernovaräjähdykset nimittäin tuottavat pitkiä intensiivisen röntgensäteilyn purkauksia, jotka kestäessään jopa vuosikymmeniä, saattavat steriloida tehokkaasti läheisissä tähtijärjestelmissä sijaitsevia elinkelpoisia planeettoja. Supernovienkin suhteen olemme siten samalla riippuvaisia niistä ja alttiina vaaralle niiden sattuessa liian lähelle. Pelkoon ei kuitenkaan ole aihetta, sillä lähelle Aurinkokuntaa sattuva supernovaräjähdys on äärimmäisen epätodennäköinen tapahtuma, jota tuskin sattuu ihmislajin ollessa olemassa.
Olet oikeassa, että piin likiarvoksi riittää numero 3 esim. päässälaskuun, mutta esim. ympyrän kehää laskiessa hyvä ottaa keroimeksi myös desimaalit 3,14 – ja muistaa piin olevan ns. päättymätön numerojatkumo (tarkentuen jatkuvasti uusille desimaaleille).
Oletukseni on, että myös maailmankaikkeuden ja elämänkin jatkumoissa on mukana jokin tai joitakin päättymättömien lukusarjojen kertoimia – joilla kokemamme todellisuus mahdollistuu.
Tämän todentaminen oikein ei nyttemmin ole mahdollista, mutta ns. intuition oletus siihen suuntaan viitteitä antanut.
Kenties niissä kertomissasi aineen jakautumissakin alkuainesiin on mukana jokin vastaava jaksollisuus.
Sain eilen ma 8.5.2023 Salon pääkirjastosta sattumalta poistokirjan (valittu ilmaiseen jakoon):
(Pii -symbolina) Erään luvun tarina / Peter Beckman – Terra Cognita 2000:
Suomentanut Hannele Salminen (4. painos 1977 / 1975, 1971, 1970).
Sivulla 108 Piin 200 desimaalia (25 x 8 riviä), jotka 1800-luvulla oli selvitetty.
Vasta 1949 alkaen tietokoneilla saatu yli 1000 desimaalia ja sittemmin miljoonia…
Kirjan lopussa oli 10 000 ensimmäistä desimaalia,
joista katsoin kolmen ensimmäisen desimaalin esiintymiset (3,141)
– joita löysin 10 ja niistä yksi oli desimaalein: 3141 (myös alkuluku 3 desimaalina).
Mitään selvää toistuvaa jaksollisuutta niissä desimaaleissa ei ole havaittavissa
vaikka erilaisia numerosarjoja toistuukin.