Kuin Aurinkokunta
On olemassa vain yksi tunnettu elävä planeetta. Kotiplaneettamme Maa on meille erityislaatuinen, koska asutamme sen pintaa. Maailmankaikkeudessa on kuitenkin monia muitakin monella tapaa vastaavankaltaisia planeettoja, eikä ole mitään syitä olettaa Maan olevan uniikki edes siksi, että sen pinta on biosfäärin peitossa. Monet tähtitieteilijät uskovat, että oman galaksimme miljardien planeettojen joukossa on lukuisia toisiakin elinkelpoisia kivenmurikoita, joiden pinnoille elämää on myös syntynyt. Koska meillä joka tapauksessa on vain yksi esimerkki elävästä planeetasta, on järkevää etsiä samankaltaisia maailmoja samankaltaisista planeettakunnista, jotta voisimme löytää toisia eläviä planeettoja. Silloin olisi etsittävä Aurinkokunnan tapaan vastaavanlaisia hierarkisia, sisäplaneettakunnan kivenmurikoihin ja ulkoplaneettakunnan kaasujättiläisiin jakautuneita planeettajärjestelmiä. Mutta jos haluaisimme havaita toisen planeettakunnan, joka on ominaisuuksiltaan kuten oma Aurinkokuntamme, miten lähtisimme etsimää sellaista?
Ensimmäiseksi on rajattava tarkastelu yksinäisiin auringonkaltaisiin tähtiin, jotka eivät ole kaikkein yleisimpiä tähtiä maailmankaikkeudessa. Valtaosa, noin 70% tähdistä on huomattavasti himmeämpiä punaisia kääpiötähtiä, joiden ominaisuudet poikkeavat Auringosta niin paljon, että niitä on mahdotonta laskea auringonkaltaisiksi. Merkittävästi kirkkaammat ja massiivisemmat tähdet eivät myöskään muistuta Aurinkoa mutta ne ovat samalla harvinaisia, koska polttavat ytimiensä vedyn fuusioreaktioissaan loppuun nopeassa tahdissa ja kuolevat nuorina, vain miljoonien vuosien kuluessa. Siinä välissä on sitten auringonkaltaisten tähtien joukkio, joista niistäkin vain osa on yksinäisiä tähtiä Auringon tapaan.
Tyypillisesti tähtitieteilijät puhuvat auringonkaltaisista tähdistä asettamalla jotkin raja-arvot niiden lämpötiloille. Auringon laskennallinen pintalämpötila, niin sanottu efektiivinen lämpötila, on noin 5780 kelviniä, eli 5510 celciusastetta. Laskennallista lämpötilaa käytetään, koska on ilmeisen hankalaa saada lämpömittareita tähtien lähelle, ja koska sen avulla tähtiä voi verrata mainiosti keskenään. Jos ajattelemme, että tähti on tietyssä lämpötilassa, se säteilee lämpötilansa mukaisella tavalla säteilyä eri aallonpituuksilla Stefan-Boltzmannin lain ennustamalla tavalla. Efektiivinen lämpötila kertoo sen, missä lämpötilassa tähti vapauttaisi havaitun määrän säteilyenergiaa, jos se olisi ideaalinen mustan kappaleen säteilijä, joka vapauttaa säteilyä vain lämpötilansa edellyttämällä tavalla. Vaikka tähdet eivät ole täydellisiä mustan kappaleen säteilijöitä, vaan niiden säteilyspektrissä on monenlaisia vääristymiä kuten spektriviivoja, efektiivinen lämpötila antaa eri tähdille mainion vertailukelpoisen lukeman.
Jos katsomme kaikkia tunnettuja eksoplaneettakuntia, ja koetamme ensin etsiä ne järjestelmien keskustähdet, joiden lämpötila vastaa auringonkaltaista keltaista pääsarjan ja spektriluokan G tähteä, voimme rajata tarkasteluun lämpötilavälillä 5300-6000 K olevat tähdet. Jotta löytäisimme myös samankaltaisia planeettakuntia, on syytä rajata tarkastelu tähtiin, joita kiertää jupiterinkaltaisia jättiläismäisiä kaasuplaneettoja. Sellaiseksi voidaan ajatella vähintään noin 3 AU:n etäisyydellä tähdestä kiertävä jättiläisplaneetta, joka on massaltaan ainakin saturnuksenkokoinen. Kolmen AU:n etäisyys valitaan siksi, että sen kohdalla sijaitsee Aurinkokunnan lumiraja, jonka takana vesi ja muut helpommin haihtuvat molekyylit ovat kiinteässä muodossaan tarjoamassa jättiläisplaneettojen ydinten syntyyn riittävästi materiaa. Tällä hetkellä sopivia jättiläisplaneettoja tunnetaan auringonkaltaisten tähtien kiertolaisina 188 kappaletta. Kun vielä hylätään joukosta selvästi Jupiteria soikeammalla radalla olevat planeetat, päädytään 42 planeetan ja tähden muodostamaan pariin. Niistä jokainen muistuttaa Aurinkokunnan Aurinko-Jupiter -pariskuntaa perusominaisuuksiltaan.
Mutta joukossa on yksi kohde, joka on erityisen tarkasti kuten Aurinkokunta, jos huomioi vain Auringon ja Jupiterin. Noin 60 valovuoden päässä meistä, tähteä HD 154345 kiertää hyvin tarkkaan jupiterinkaltainen planeetta, ja kiertolaisensa ansiosta järjestelmää onkin pidetty tarkimpana analogiana Aurinkokunnalle. Sen sisäplaneettakunnasta puuttuvat kaikki kaasuplaneetat ja luultavasti jopa supermaapallot, joten maankaltaisten planeettojen järjestelmä on voinut kiertää tähteä sen elinkelpoisen vyöhykkeen sisällä tai lähettyvillä jo vuosimiljardeja, antaen biosfäärin kehittyä sopivissa olosuhteissa kaikessa rauhassa. Hiukan kauempana, vajaan 160 valovuoden etäisyydellä on toinen hyvinkin tarkkaan Auringon ja Jupiterin kaltainen pari tähden HD 136925 järjestelmässä. On siksi selvää, että täysin samankaltaisia planeettakuntia ei ole aivan Auringon lähinaapurustossa.
Aurinkokunnan kanssa analogisia järjestelmiä tunnetaan kymmeniä, mutta yhdestäkään niistä ei tunneta maankaltaisia planeettoja. Syy siihen on yksinkertainen. Maankaltaisten planeettojen löydöt ovat yksinkertaisesti liian vaikeita saavuttaa nykymenetelmillä. Ylikulkumenetelmällä se on käytännössä mahdotonta, koska ylikulkujen todennäköisyys on maankaltaisille planeetoille häviävän pieni ja yksittäisiä ylikulkutapahtumia sattuisi silloinkin vain kerran vuodessa. On erittäin epätodennäköistä, että yhdenkään tunnetun auringonkaltaisen tähden, jota kiertää jupiterinkaltainen planeetta, kiviplaneetat kiertäisivät tähteä sopivalla radalla, jotta ylikulkuja voisi edes periaatteessa sattua. Vaikka se onkin tietenkin mahdollisuus, kapasiteettia tehdä eri puolilla taivasta sijaitsevista yksittäisistä tähdistä jatkuvia havaintoja riittävän tarkoilla instrumenteilla ei yksinkertaisesti ole. Radiaalinopeushavainnoilla voisi periaatteessa tehdä havaintoja kaikista sopivista tähdistä, mutta maankaltaisten planeettojen vetovoimavaikutusten erottaminen havainnoista on nykymenetelmillä edelleen saavuttamattomissa. Muilla havaintomenetelmillä mahdollisuuksia on vieläkin vähemmän.
Tarkkojen Aurinkokunnan kopioiden etsimisen sijaan, voidaan arvioida kuinka paljon aurinkokunnankaltaisia planeetakuntia on olemassa perustuen jupiterinkaltaisten planeettojen havaittuihin määriin. Hierarkisia aurinkokuntia voi olla jopa kuudella prosentilla tavallisista tähdistä. Niistä lähimmät ovat silloin aivan Aurinkokunnan lähettyvillä, mutta on laajennettava ajatusta siitä, minkälaiset tähdet ovat hyväksyttyjä. Jos kelpuutamme kaikki vakaat tähdet, jotka vain loistavat miljardeja vuosia, lähimmät aurinkokuntaa muistuttavat tähtijärjestelmät ovat lähitähtiemme joukossa. Koska punaisten kääpiötähtien kiertoradoille masiivisia kaasuplaneettoja syntyy vain aniharvoin, todellinen jupiterien yleisyys auringonkaltaisten tähtien kiertoradoila on huomattavasti kuuden prosentin arviota suurempi.
Olen kirjoittanut aiemmin Epsilon Indin jättiläisplaneetasta ja siitä, kuinka järjestelmä on monella tapaa samankaltainen suhteessa omaamme, vaikka planeetta onkin Jupiteria soikeammalla radalla. Se ei kuitenkaan ole vain 12 valovuoden etäisyydellä edes lähin järjestelmä, jossa on karkeasti jupiterinkaltainen planeetta. Vielä lähempänä, vain runsaan 10 valovuoden päässä Auringosta, sijaitsee Epsilon Eridani ja sen kiertolainen AEgir — jupiterinmassainen kaasuplaneetta, joka kiertää tähden runsaassa seitsemässä vuodessa noin 3.5 AU:n etäisyydellä. Vaikka Epsilon Eridani on alle miljardin vuoden ikäisenä huomattavasti Aurinkoa nuorempi tähti, sen planeettakunnassa on jättiläisplaneetan lisäksi muitakin kiinnostavia ja hyvin tuttuja piirteitä.
Epsilon Eridanin järjestelmä on hyvin pölyinen. Lämpösäteilyn havainnot ovat paljastaneet, että tähteä ympäröi Auringon tapaan asteroidivyöhyke juuri jättiläisplaneetan kiertoradan sisäpuolella. Aurinkokunnasta poiketen, asteroidivyöhykkeitä vaikuttaa kuitenkin olevan toinenkin jättiläisplaneetan kiertoradan ulkopuolella. Se kertoo siitä, että AEgirilla ei ole seuranaan toista lähekkäistä jättiläisplaneettaa kuten Saturnus on Aurinkokunnassa Jupiterin seuralaisena. Vieläkin ulompana, noin 70 AU:n etäisyydellä, tähteä ympäröi niinikään verrattaen tarkkarajainen pölyrengas, mikä kielii toistaiseksi tuntemattomien planeettojen olemassaolosta paimentamassa materiaa ulkoplaneettakunnassa. Jo renkaan olemassaolo vaatii selityksekseen jatkuvia ulkoplaneettakunnan komeettamaisten kappaleiden törmäyksiä, jotka vapauttavat uutta pölyä, koska muutoin tähden säteily olisi poistanut pölyn tähden kiertoradalta.
Kuva 1. havainnollistaa mainiosti Aurinkokunnan ja Epsilon Eridaniin järjestelmän samankaltaisuuksia. Sisäplaneettakunnassa AEgir paimentaa asteroidivöhykkeen kappaleita kuten Jupiter Aurinkokunnassa, mutta silmiinpistävänä erona on tietojen puuttuminen Epsilon Eridanin mahdollisesta sisäplaneettakunnasta. Tyhjä alue asteroidivyöhykkeen sisäpuolella ei kieli planeetojen puutteesta, vaan siitä, että sisäplaneetoille on mainiosti tilaa lähempänä tähteä, elinkelpoisen vyöhykkeen tietämillä. Ulkoplaneettakunnatkin ovat monella tapaa samankaltaisia, kun jälleen huomioi varmojen tietojen Epsilon Eridanin ulommista planeetoista puuttuvan. Jos planeettoja kuitenkin on, mihin viittaa pölyrenkaiden selvärajaisuus, kyse on suurella todennäköisyydellä suunnilleen Uranuksen ja Neptunuksen kanssa analogisista kappaleista.
Epsilon Eridanin sisäplaneettakunnan olemassaolo on puhdasta spekulaatiota, mutta fysiikan lait ovat muuttumattomia. Samat prosessit, jotka johtivat Maan ja Aurinkokunnan muiden kiviplaneettojen syntyyn, ovat joka tapauksessa olleet toiminnassa myös Epsilon Eridainin järjestelmässä. Sisäplaneettakunnan pöly on taatusti kasautunut yhteen suuremmiksi kappaleiksi, aina protoplaneetoiksi asti, ja lopputuloksena on taatusti ollut jonkinlainen planeettakunta, jos pölyä vain on ollut riittävästi. Ei ole hyviä syitä uskoa, että planeettakunta olisi kadonnut jonkin kosmisen oikun seurauksena, kuten tähden lähelle muuttaneen ja tähteen lopulta törmänneen vaeltavan jättiläisplanetan ansiosta. Sellaisesta ei ole mitään merkkejä, joten planeettojen on oltava olemassa, jos ne vain pääsivät muodostumaan.
Täsmälleen aurinkokunnankaltaisia planeettakuntia on jokseenkin turhaa koettaa etsiä eksoplaneettajärjestelmien joukosta, koska tietomme ovat niin puutteellisia ja planeettojen synnyn satunnainen luonne varmistaa, että identtisiä eksoplaneettakuntia tuskin löytyykään. Jupiterinkaltaiset planeetat ovat kuitenkin verrattaen yleisiä, ja niitä on havaittu kiertämässä jo aivan lähimpiä tähtinaapureitamme. Niiden voidaan ajatella siivoavan sisäplaneettakunnan ympäristön vaarallisista protoplaneetoista ja suurista asteroideista, mikä vähentää jatkossa järjestelmässä sattuvien elämälle kohtalokkaiden törmäysten määrää merkittävällä tavalla. Jos planeettakunnasta lisäksi puuttuvat kaikki supermaapalllot ja kuumat kaasuplaneetat, niistä kannattaa myös etsiä maankaltaisia planeettoja. Ainakin mahdollisuudet sellaisten järjestelmien maankaltaisten planeettojen elinkelpoisuudelle ovat suuret. Niin ainakin tietomme, perustuen ainoaan tunnettuun elävään planeettaan maailmankaikkeudessa, vihjaavat.