Kun kuvaamme maailmoja
Valonsäde jätti taakseen planeetan pinnan, sen meret täynnä vesikasveja, planktonia ja saalistajia korjaamassa niiden satoa, sekä vihreän kasvillisuuden peittämät mantereet vuoristoineen, järvineen, jokineen ja tasankoineen. Säde pakeni läpi planeettojenvälisen avaruuden, planeettakuntansa ulkopuolelle ja tähtienväliseen avaruuteen, suunnilleen kohti tavallista, vaatimatonta keltaista valoa loistavaa tähteä jossakin kaukana, galaksin reunamilla. Tähti ei ollut millään tavalla erikoinen, vaan aivan tavallinen keltainen kääpiötähti siinä suunnilleen kahdensadan miljardin muun tähden joukossa, jota kutsumme Linnunradan galaksiksi.
Kyseessä oli varsin onnekas sattumus. Valonsäde olisi varsin hyvin voinut heijastua tai taittua mihin tahansa suuntaan kulkiessaan planeetan tuulisen ja turbulenttisen, pääosin happea ja typpeä sisältävän kaasukehän läpi. Mutta siinä tapauksessa jokin toinen valonsäde olisi luultavasti ottanut sen paikan, koska fotonit, massattomat hiukkaset, joista valo koostuu, ovat lukuisampia kuin bakteerit hiekanjyvien pinnoilla miljoonalla hiekkarannalla.
Planeettojen pinnat heijastavat valoa tavallisesti oikein hyvin. Ne jopa säteilevät itse, vaikkakin ihmissilmälle näkymättömällä aallonpituusalueella, jota kutsutaan lämpösäteilyksi. Se tekee planeetoista signaalien lähettäjiä, jos vain joku haluaa ottaa asiakseen tulkita valonsäteisiin kirjoitettuja viestejä. Tähtitieteilijät ottavat. He ovat siinä ammattilaisia.
Valonsäde matkasi itsevarmasti eteenpäin, halki tähtienvälisen avaruuden. Se oli menossa kohti Maata, joka kiersi radallaan rauhallisesti Aurinkoa täysin tietämättömänä tulevasta kohtaamisesta. Maapallolla vuodet kuluivat mutta valonsäde ei vanhentunut eikä muuttunut. Fotoneille, sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkasille, joiden virtaa kutsumme arkisesti valoksi, aika ei merkitse mitään. Valonsäteet matkaavat kaikkialle ainaisella huippunopeudella, jota kovempaa mikään ei voi liikkua, ja omasta mielestään ne lähtevät liikkeelle ja saapuvat perille samalla hetkellä. Ne ovat löytäneet ikuisen nuoruuden lähteen eivätkä koskaan vanhene kuten kaikki varsinaisen aineen monimutkaiset muodot — ihmiset, männyt ja tähdet. Nopeus on niiden pakoreitti vanhuuden vaivoista.
Muut fotonit törmäilivät epäonnisina atomeihin ja molekyyleihin tähtienvälisellä matkallaan mutta meidän valonsäteemme, kuten sen lukemattomat kumppanitkin, selvisivät pitkästä avaruusmatkastaan vahingoittumattomina. Valonsäteen reitti taipui hiukan, sillä aika-avaruus itsekin taipuu kaikkien massallisten kappaleiden ympärillä, ja reitin lähettyvillä oli lukuisia massiivisia tähtiä. Mutta reitin pienet muutokset jäivät kaikilta havaitsijoilta huomaamatta, vaikka tarkkaavaisuuden puutteesta heitä ei voikaan syyttää.
Valonsäteemme oli yksi onnekkaimmista vielä saapuessaan Maan pyörteilevään ja vesihöyryn ja otsonin, sekä monien muiden molekyylien ja yhdisteiden, kyllästämään ilmakehään, joka esti suurta osaa muista fotoneista saapumasta perille. Säteellä oli onnea, koska se koostui näkyvän valon fotoneista ja ilmakehä on näkyvän valon aallonpituuksilla läpinäkyvä toisin kuin infrapunan ja ultraviolettisäteilyn kohdalla sähkömagneettista spektriä. Näkyvän valon fotonit pääsevät lähes esteettä maanpinnalle asti. Mutta onnekkaita olivat myös tähtitieteilijät. Valonsäde osui heidän fotoneja keräävään laitteeseensa, jonka huomattavin komponentti on teleskoopin valtaisa pääpeili. Siitä valonsäteen fotonit heijastuivat toiseen pienempään peiliin ja edelleen monimutkaiseen prismojen, suodattimien ja linssien järjestelmään havaintolaitteen sisällä.
Fotonien loppu koitti ja niiden energia ja määrä rekisteröitiin tarkasti. Niiden energia käytettiin elektronien virittämiseen ja sähkövirran muodostamiseen, kun ne jättivät sähköisen nollia ja ykkösiä käsittävän jäljen digitaalikameran muistipiireihin. Se jälki puolestaan muokattiin digitaaliseksi kuvaksi ja tähtitieteelliseksi havainnoksi fotonien synnyinpaikasta.
Maapalloa muistuttavan eksoplaneetan suoraan kuvaamiseen johtava tapahtumasarja saattaisi sattua suunnilleen yllä kuvatulla tavalla. Kuvaamisessa onnistumiseen vain on todella pitkä matka — teknologiamme ei riitä pienten, kivisten eksoplaneettojen suoraan kuvaamiseen. Meillä ei ole laitteistoja, joilla voisimme havaita riittävän monta pienen kiviplaneetan pinnasta saapuvaa fotonia, jotta erottaisimme sen taustataivaasta. Ei ainakaan vielä. Suunnitteilla kuitenkin on instrumentteja, joilla maapallonkaltaisten eksoplaneettojen suora havaitseminen tulee mahdolliseksi. Ensin näemme ne muutamana pienenä pikselinä (Kuva 1.) ja lopulta, teknologian kehittyessä, teemme niille jo yksityiskohtaisia sääennusteita.
Jos saisimme maapallonkaltaisen eksoplaneetan edes yhden pikselin suuruiseen, mitättömältä vaikuttavaan kuvaan, saisimme siitä valtavat määrät informaatiota. Se ei tietenkään vastaa vaikuttavaa, yksityiskohtaista megapikselitason valokuvaa, jossa näkyvän planeetan valtaisaa kauneutta voisimme ihastella, mutta tähtitieteilijöille se yksikin pikseli — pelkkä juuri ja juuri näkyvä mitätön tuhru — tarjoaisi mahdollisuuden saada mittaamattoman arvokasta tietoa.
Proxima Centaurin järjestelmästä raportoitu toinen planeetta, Proxima c, on ehdottomasti yksi potentiaalisia kuvauskohteita. Vaikka on jo esitetty mahdollisuus, että Proxima c itse asiassa näkyy VLT:n SPHERE-instrumentin kuvassa, ja planeetan olemassaolo on varmistunut, ei ole varmaa, että kuvassa näkyvä anomalia on juuri Proxima c. Varmaa sen sijaan on, että Euroopan Eteläisen Observatorion rakenteilla oleva ”Erittäin suuri teleskooppi” (ELT) kykenee näkemään Proxima b:n ja c:n, sekä järjestelmän muut mahdolliset planeetat pikselin kokoisina tuhruina kuvissaan, joista itse Proxima Centaurin punaisen kääpiötähden loiste on peitetty. Se yksikin pikseli informaatiota lähitähteä kiertävästä planeetasta avaa ikkunan valtavaan määrään uutta informaatiota.
Proxima b:n tapauksessa tiedämme planeetasta vain sen minimimassan ja kiertoradan koon sekä muodon. Tarkkailemalla edes yhden pikselin kokoisen planeetan kuvan liikettä tähtensä ympäri, saisimme määritettyä planeetan ratatason avaruudessa ja siten planeetan todellisen massan. Sen lisäksi saisimme ensimmäisen arvion planeetan pinnan tai kaasukehän heijastavuudesta ja siten karkeasta koostumuksesta. Planeetan heijastamaa valoa ja sen muutoksia voisi tarkkailla udseiden ratakierrosten ajan, saaden tietoa mahdollisista planeetan vuodenaikojen aiheuttamista vaihteluista.
Yksikin pikseli tarjoaisi lisäksi mahdollisuuden mitata planeetan spektri — sen heijastaman valon aallonpituusjakauma. Silloin voitaisiin tarkastella planeetan kaasukehän tai pinnan koostumusta suoraan, mikä tarjoaisi ikkunan planeetan kaasukehän kemialliseen tasapainotilaan ja sen pinnan geologiaan. Ne taas kertoisivat planeetan koostumuksesta ja elinkelpoisuudesta tai -kelvottomuudesta enemmän kuin mikään muu havainto. Kaasukehän vuodenaikavaihteluiden seuraaminen olisi myös mahdollista.
Planeetan pyöriminen ja liike radallaan tähtensä ympäri antaisivat mahdollisuuden havaita planeettaa eri suunnista. Havaitessamme maankaltaista planeettaa, jonka pinta on osin veden ja jään ja osin aavikoituneiden tai kasvillisuuden peittämien mantereiden peitossa, näkisimme yhden pikselin keskiarvon planeetan pinnan koostumuksesta. Tarkkailemalla pikseliä eri aallonpituusalueilla, saisimme runsaasti tietoa planeetan pinnasta. Riittävästi tarkkailtuamme voisimme siten selvittää karkeasti jopa planeetan mantereiden ja merien jakautumaa ja ryhtyä suunnittelemaan sen pinnalle sopivia ilmastosimulaatioita huomioiden kaasukehän koostumuksen, mantereet, meret ja fysikaaliset olosuhteet, kuten tähden säteilyn intensiteetin ja pintalämpötilan. Saisimme mahdollisuuden muodostaa kokonaisvaltainen käsitys havaitun planeetan ulkonäöstä ja ominaisuuksista.
Olisi luultavasti mahdollista tarkastella myös sitä, onko elämä saanut jalansijan osana planeetan geokemiallista kiertokulkua. Maapallolla elämä on vuorovaikuttanut planeetan elottoman pinnan ja kaasukehän kanssa aina syntymästään saakka. Merkkeinä siitä on esimerkiksi vapaa happi, joka ilman sitä tuottavaa fotosynteesiä reagoisi nopeassa tahdissa mineraalien kanssa ja sitoutuisi yhdisteiksi, pois kaasukehästämme. Ensimmäisten yhteyttäjien tuottamasta hapesta ovat muistona vaikkapa kerrostuneet rautamuodostelmat, jotka ovat syntyneet hapen sitoutuessa meriveden rautaan ja kerrostuessa pohjaan rautaoksideiksi eli ruosteeksi. Samoin biologisten prosessien toiminnasta alkunsa saava metaani poistuisi nopeassa tahdissa kaasukehästä elämän hävittyä planeetaltamme, joten sen olemassaolo voidaan tulkita merkiksi elämästä tai ainakin geologisesta aktiivisuudesta.
Yhdestäkin pikselistä voisimme nähdä onko planeetan kaasukehässä vettä, hiilidioksidia, happea tai typpeä. Näkisimme ovatko elävät organismit vaikuttaneet sen koostumukseen ja mahdollistaneet vaikkapa vapaan hapen muodostumisen. Vaikka havaitsisimmekin marsinkaltaisen kuivan, vedettömän planeetan, jolla on lähes pelkästä hiilidioksidista koostuva kaasukehä, voisimme ainakin tehdä päätelmiä marsinkaltaisten planeettojen yleisyydestä maailmankaikkeudessa. Mars on sekin ollut nuoruudessaan vetinen, elinkelpoinen planeetta valtamerineen, jokineen ja järvineen.
Yksittäinen pikseli ja sen sisältämä informaatio voisi antaa viitteitä myös siitä, onko planeetalla kiertolaisina kuita, ympäröikö sitä rengasjärjestelmä, ja onko sen pyöriminen tosiaan lukkiutunut sen ratajaksoon siten, että planeetta näyttää aina saman puolen tähdelleen.
Suuret suunnitelmat
Tähtitieteilijät eivät tietenkään ole tyytymässä yhden pikselin kuvaan eksoplaneetoista. On esitetty suunnitelmia avaruusteleskooppien lähettämisestä Auringon muodostaman gravitaatiolinssin fokukseen, vähintään 550 AU:n etäisyydelle Aurinkokunnan kaukaisille laitamille. Silloin tulisi mahdolliseksi havaita lähimpien eksoplaneettojen pintaa aivan uudella tarkkuudella.
Pienen, noin metrin halkaisijaltaan olevan ja Auringon valon estävällä koronografilla varustetun avaruusteleskoopin avulla voitaisiin päästä suunnattomaan tarkkuuteen käyttämällä hyväksi sitä suhteellisuusteorian tarkasti ennustamaa tosiasiaa, että valo taittuu Auringon gravitaatiokentässä. Kun lähitähden eksoplaneetasta saapuvat valonsäteet taittuvat Auringon massan vaikutuksesta hiukan, niiden valon Einsteinin renkaan havainnointi olisi mahdollista yhdeltä Aurinkokunnan laitamien alueelta. Kuuden kuukauden havainnointi riittäisi lähieksoplaneetan havainnointiin tarkkuudella, joka mahdollistaisi sen pinnan tutkimisen 25 kilometrin erotuskyvyllä. Voisimme kartoittaa vuoristoja, kanjoneita ja muita geologisia muodostelmia kaukaisten planeettojen pinnoilla.
Meillä on propulsioteknologia lähettää teleskooppeja Aurinkokunnan ulko-osiin. Niiden perille saamiseen menisi tosin ainakin vuosikymmen ja yhdestä paikasta voisi kerrallaan havaita vain yhtä lähiplaneettakuntaa mutta operaatio olisi toteutettavissa. Olisi mahdollista lähettää kokonainen teleskooppien joukko tekemään havaintoja tarkasti valitusta lähimpien eksoplaneettojen joukosta. Se tekisi eksoplaneettojen kuvaamisesta ja niiden olosuhteiden tarkasta tutkimisesta rutiininomaista, tavallista havaitsevaa tähtitiedettä. Se olisi valtava harppaus planeettatutkimuksen saralla — nykyään voimme tutkia maankaltaisia eksoplaneettoja lähinnä vain simuloimalla niiden olosuhteita erilaisten tähtien erilaisilla kiertoradoilla.
Käyttämällä spektrografia, tulisi lisäksi mahdolliseksi tarkastella lähieksoplaneettojen pintojen koostumusta, muodostaa niiden geologisia karttoja, tutkia maankaltaisten planeettojen merten ja mantereiden muotoja ja selvittää onko mitään viitteitä elämästä niiden pinnoilla. Kyseessä ei edes ole spekulointi, vaan nykyteknologialla toteutettavissa oleva suunnitelma. Se on silti vasta suunnitelma, jonka toteutuminen lähitulevaisuudessa on kaikkea muuta kuin varmaa.
Voimme saada valtaisan määrän informaatiota lähitähtiä kiertävistä pienistä kiviplaneetoista jopa alkeellisimmalla mahdollisella suoralla havainnolla. Voimme tarkastella planeettojen pintaa, kaasukehää, meriä, jäätiköitä ja mantereita. Voimme selvittää ovatko planeetat eläviä — onko elämä päässyt havaittavaksi osaksi planeettojen geokemiallisia syklejä. Mutta ensin tulisi tehdä se ensimmäinen havainto. Sitä varten taas tarvitsemme seuraavan sukupolven jättiläisteleskooppeja. Havaintovälineiden rakennustyöt maankaltaisten planeettojen suoraa havaitsemista varten ovat kuitenkin jo alkaneet ja vain mielikuvituksemme on rajana sille, mitä tietoa voimme saada lähimmistä eksoplaneetoista. Fysiikan lait eivät estä eksoplaneettojen tarkkaa valokuvaamista. Vain mielikuvituksemme ja maalliset resurssimme ovat rajana sille, mitä voimme havaita tulevaisuudessa.
Valonsäde mielenkiintoinen jatkumo, joka käytännössä lienee katkeamaton aaltonauha valofotoneita. Sähkölamppukin pimeässä huoneessa välittää ympärilleen valoa ja lampun sammuttaessa kaikki ympäristö heti pimenee. Tähdistä lähtenyt valomäärä, osuessaan eksoplaneettaan on itse tähden valo-osuutta paljon vähemmän ja siitä heijastuessaan vielä vähenee – eri suuntiin. Siten se havaitseminenkin vaikeutuu. Maassa pilvipeitteestä sitä valomäärien eroja havaitsee – kun auringonvalo läpäisee paksun pilven niin tähdet jää heti pilviharson taakse näkymättömiin, Kuu hieman pilviharsonkin läpi näkyy.
Hyvät laiteominaisuudet siis tarvitaan, jotta niitä eksoplaneettojen valoja nähdään Maahan asti – tai Maan kiertoradalta.