Merenpinta vetykehän alla
Ernest Rutherfordin kerrotaan sanoneen, että tiede on joko fysiikkaa tai postimerkkien keräilyä. Lausahduksen taustalla on se ajatus, että useasta tieteenalasta puuttuvat perimmäiset lainalaisuudet, joita fysiikaalisesta maailmasta on löytynyt gravitaatiolaista ja yleisestä suhteellisuusteoriasta aina termodynamiikkaan ja kvanttimekaniikkaan asti. Muissa tieteissä vastaavia perustavanlaatuisia lainalaisuuksia on vain vähän, joten on jouduttu tyytymään asioiden luokitteluun ja kategorisointiin — hiukan kuin asetettaessa postimerkkejä järjestykseen niiden ominaisuuksien mukaan. Näkemystä voi hyvällä syyllä pitää loukkaavana ja muita tieteenaloja halventavana mutta esimerkiksi biologit kyllä tyypillisesti itsekin myöntävät, että ennen evoluutioteorian muodostamista oli vain vajavaisin tiedoin toteutettua taksonomiaa, jossa lajeja järjesteltiin ryhmiin ja luokkiin niiden ominaisuuksien mukaan.
Eksoplaneettatutkimus on suurelta osin edelleen postimerkkeilyä. Kyseessä on niin nuori tähtitieteen haara, että emme toistaiseksi edes tunne kuin kourallisen esimerkkejä siitä valtavasta planeettojen kirjosta, jonka maailmankaikkeus pitää sisällään. Luokittelemme ja kategorisoimme planeettoja kuten biologit lajeja ennen evoluutioteoriaa tietämättä tarkalleen minkälaisiin hierarkioihin niitä tulisi asettaa. Alalle tunnusomaista ovat jatkuvat uusien planeettatyyppien löydöt, kun astronomit saavat tarkempia tietoja havaitsemistaan planeetoista ja vertaavat niitä aiemmin tunnettuihin todeten, että tällaisia emme olekaan vielä nähneet. On omasta planeettakunnastamme tuttuja kiviplaneettoja ja kääpiöplaneettoja. On Neptunuksen kokoluokan jääjättiläisiä ja suurempia kaasujättiläisiä. Ja lisänä on valtaisa kirjo eksoplaneettoja minimaapalloista ja supermaapalloista aina minineptunuksiin ja eksentrisiin jupitereihin saakka. Planeettojen monimuotoisuus on huikaisevaa ja tietomme siitä tarkentuvat jatkuvasti.
Minineptunuksella tarkoitetaan planeettaa, jolla on merkittävä kaasuvaippa mutta joka on Neptunusta pienempi. Tarkemman tiedon puuttuessa, olemme vain päätyneet asettamaan kaikki merkittävän kaasuvaipan omaavat Neptunusta pienemmät planeetat yhteen lokeroon riippumatta siitä kuinka samankaltaisista kappaleista oikeastaan edes on kyse. Tyypillisesti planeettoja luokitellaan niiden koon tai massan avulla. Ylikulkuhavainnoista mitattu planeetan fyysinen koko antaa kuitenkin vain vähän tietoa sen ominaisuuksista. Samoin radiaalinopeusmenetelmällä mitattu massa, tai oikeastaan vain sen alaraja, antaa korkeintaan viitteitä siitä, millainen kappale on havaittu. Jos molemmat havainnot ovat olemassa, voidaankin sitten jo arvioida planeetan keskitiheyttä ja saada selville ensimmäisen asteen approksimaatio sen koostumukselle keskitiheyden avulla. Mutta sittenkin planeetasta tiedetään vain hyvin vähän.
Kun tunnemme planeetan kiertämän tähden ja kiertoradan ominaisuuksia, voimme arvioida planeetan tähdeltään saaman säteilyn määrää ja siten lämpötilaa. Lämpötila taas tarjoaa uuden ulottuvuuden planeettojen luokitteluun: puhumme kuumista jupitereista ja neptunuksista tai viileistä supermaapalloista tai jostakin muusta planeetan lämpötilan ja koon yhdistelmästä. Kaikkein mielenkiintoisinta on ollut koettaa löytää lämpimiä maapalloja — planeettoja, jotka ovat kooltaan samankaltaisia kuin Maa ja pintalämpötilaltaankin sellaisia, että vesi pysyy niiden pintaolosuhteissa nestemäisessä muodossaan. Ne ovat parhaita kandidaatteja eläviksi planeetoiksi mutta kaikki riippuu kolmannesta tekijästä. Planeettojen elinkelpoisuuden ratkaisee oleellisesti niiden koostumus ja erityisesti niiden kaasukehän ominaisuudet.
Cambridgen yliopiston tutkija Nikku Madhusudhan otti käyttöön käsitteen ”hyseaaninen planeetta” kuvatakseen identifioimaansa minineptunusten luokkaa. Asiasta uutisoi myös Tähdet ja avaruus. Kyseessä on englanninkielen vetyä ja valtamerta tarkoittavien sanojen yhdistelmä. Sillä viitataan valtameriplaneettohin, joilla on merkittävä, suurelta osaltaan vedystä koostunut kaasukehä. Ne kykenevät Maata massiivisempina pitämään kiinnit vetymolekyyleistä kaasuvaipassaan ja niiden keskitiheys on tyypillisesti niin matala, että vesi muodostaa jopa kolmanneksen niiden massasta. Hyseaanisia planeettoja peittää siis ainakin satojen, jopa tuhansien kilometrien syvyinen valtameri, joka on piilossa verrattaen paksun kaasukehän tai -vaipan alla. Ne näyttävät lisäksi olevan varsin yleinen planeettojen luokka. Moni lähitähtiä kiertävä eksoplaneetta, kuten esimerkiksi K2-18 b (Kuva 1.), voidaan luokitella hyseaaniseksi planeetaksi — Madhusudhan ryhmineen tarjoaa esimerkeiksi 11 tunnettua eksoplaneettaa, joiden havaitut ominaisuudet ovat yhteensopivia hyseaanisen rakenteen kansssa.
Kaikki riippuu planeetan koostumuksesta. Hyseaaniset planeetat voivat olla kooltaan moninaisia, massaltaan jotakin kahden ja ehkäpä kymmenen Maan massan välillä, mutta oleellista on Maata pienempi keskitiheys. Pienempään keskitiheyteen päästään, kun merkittävä osa planeetan koostumuksesta on vettä, maailmankaikkeuden yleisintä yhdistettä. Tosin veden tarkka määrä ei ole kovin oleellista — kunhan sitä on riittävästi, jotta planeetan keskitiheys on tyypillistä maankaltaista kiviplaneettaa pienempi (Kuva 2.). Esimerkiksi kahden Maan massan kappale voi olla kooltaan 30% tai jopa 80% Maan halkaisijaa suurempi, ja planeetan ominaisuudet ja luokittelu pysyvät paljolti samoina. Parasta kuitenkin on, että planeettojen valtamerissä voi olla elämälle otolliset olosuhteet lähes riippumatta etäisyydestä tähdestään. Vesi vaikuttaa pysyvän nestemäisessä olomuodossaan vetyvaipan alla varsin helposti. Vain lähellä tähteä on niin kuumaa, että hyseaaniset planeetat kuumenevat liiaksi, menettävät vetypitoisen kaasukehänsä ja ehkäpä myös kaiken vetensä muuttuen karuiksi, kuumiksi supermaapalloiksi.
Merellisten minineptunusten elinkelpoisuus vaikuttaa odottamattomalta mutta se on seurausta runsaasta veden määrästä sekä siitä, että paksu kaasukehä tarjoaa sopivan paineen ja lämpötilan, jotta vesi pysyy nestemäisessä olomuodossaan tarjoten eläville organismeille elintilaa. Veden voi lisäksi havaita. Planeetan K2-18 b runsaan vedyn kyllästämästä kaasukehästä onkin havaittu selkeitä merkkejä vesihöyrystä, mikä tarjoaa suoraa tukea arvioille planeetan vetisestä koostumuksesta. Madhusudhan tutkimusryhmineen spekuloikin sillä, että hyseaanisten planeettojen voidaan ajatella tarjoavan mahdollisuudet uudenlaiselle elinkelpoiselle ympäristölle, joka olisi vieras omalle kallion, veden ja ilman vuorovaikutusten tarjoamalle biosfäärillemme. Jos hyseaaniset planeetat voivat olla eläviä, elinkelpoisten planeettojen määrä maailmankaikkeudessa on moninkertainen verrattuna siihen, mitä tähtitieteilijät ovat arvelleet — sopivia planeettoja nimittäin on paljon enemmän kuin perinteisiä, maankaltaisia elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja.
Yksi kuva arvioidusta hyseaanisesta elinkelpoisesta vyöhykkeestä kertoo enemmän kuin tuhat sanaa (Kuva 3.). Jos meriplaneetat voivat todellakin olla eläviä vetykehän alla, valtaosa maailmankaikkeuden elinkelpoisesta tilavuudesta on niiden sisuksissa. Elämää voi silloin esiintyä runsaasti erilaisilla tähtityypeillä, aina pienimmistä punaisista kääpiötähdistä, jotka ovat massaltaan vain 10% Auringon massasta, auringonkaltaisiin ja massaisiin keltaisiin kääpiötähtiin. Lisäksi, nestemäisen veden olemassaololla on voimakkaita rajoitteita vain aivan lähellä tähtiä, mistä minineptunuksia on joka tapauksessa havaittu vain kourallinen — hyseaanisia, nestemäistä vettä sisältäviä planeettoja voi olla laajalla skaalalla etäisyyksiä tähdistään.
Ennen pidemmälle vietyjä päätelmiä, on kuitenkin vastattava useisiin kysymyksiin hyseaanisten planeettojen luonteesta ja elinkelpoisuudesta. Onko niiden valtamerten pohjissa geologisesti aktiivisia paikkoja, joissa orgaanisten molekyylien tiheys voi saavuttaa elämän synnyn mahdollistavan suuruuden? Sopivat lämpötilaolosuhteet ja nestemäinen vesi eivät vielä riitä tekemään planeetasta elollista. Elämän on voitava saada alkunsa, emmekä tiedä onko se mahdollista massiivisen meriplaneetan valtameren pohjassa, jossa paine on niin suurta, että vesi voi olla jopa kiinteässä olomuodossaan, eksoottisena tyypin VII kristallina. On ainakin vaikeaa kuvitella miten orgaaniset molekyylit saataisiin reagoimaan keskenään tuottaen monipuolista biokemiaa ilman nestemäisen veden ja vulkaanisen kallion kosketuspintaa. Toinen kynnyskysymys on sopiva energiagradientti. Hyseaanisten planeettojen merissä paksu kaasukehä estää luultavasti säteilyn pääsyn pinnalle tehden fotosynteesistä mahdotonta ja valtamerten syvyys taas saattaa estää geotermisen energian laajamittaisen hyödyntämisen. Mikrobit voisivat varmasti elää ja kukoistaa hyseaanisten planeettojen merissä vaikkapa radioaktiivisen hajoamisen tuottaman energian turvin, ja geotermistä energiaakin saattaisi hyvinkin olla saatavilla syvällä valtameren pohjassa, mutta runsaasti vapaata energiaa vaativien monisoluisten eläimien ja pitkien ravintoketjujen olemassaolo saattaisi silti olla estynyttä.
Voimme samalla miettiä mitä mahdollisuuksia olisi havaita merkkejä mahdollisesti hidaskasvuisesta mikrobitason elämästä hyseaanisten planeettojen kaasukehissä. Paksu, alaosaltaan tiheä kaasukehä luultavasti ainakin tekee siitä hankalaa, ellei mahdotonta mutta havainnon mahdollisuutta ei voida sulkea poiskaan. Yksinkertaisia molekyylejä, kuten vaikkapa rikin, hiilen, kloorin ja typen yhdisteitä voitaisiin havaita kaasukehistä mutta esimerkiksi metaani ja ammoniakki voisivat esiintyä niissä aivan luonnostaan, joten yksinkertaiset jo lähitulevaisuudessa havaittavissa olevat biomarkkerit evät välttämättä riitä elämän merkkien varmistamiseen. Toisaalta, paksu kaasukehä tekee erilaisten molekyylien havaitsemisesta helpompaa, koska ylikulkujen yhteydessä käytetty transmissiospektroskopia tuottaa voimakkaampia havaintoja. Paksumpi kaasukehä tarjoaa suuremman alueen, jolta tähden valo suodattuu kaasukehän läpi havaintolaitteisiimme. Mutta yksinkertaisten biomarkkereiden ollessa riittämättömiä, paksu kaasukehä estää myös tehokkaasti elämän merkkien havaitsemisen esimerkiksi suoran kuvaamisen keinoin. Jos taas kaasukehä on hyvin ohut, planeetta vastaa tyypiltään valtameriplaneettaa, joiden on jo pitkään ajateltu olevan potentiaalisesti elinkelpoisia, jos ne ovat korkeintaan muutaman Maapallon verran massaltaan. Hyseaanisten planeettojen dilemma saattaakin olla vetypitoisen kaasuvaipan olemassaolo. Riittävän paksuna, se mahdollistaa valtameren pysymisen nestemäisenä laajalla skaalalla etäisyyksiä planeettakunnan keskustähdestä. Samalla paksu kaasuvaippa voi estää tehokkaasti havaitsemasta ratkaisevia merkkejä planeetan elävistä organismeista.
Meidän näkökulmastamme, hyseaanisia planeettoja saattaa siis vaivata kirous. Voimme havaita niiltä merkkejä elävistä organismeista vain, jos niiden vetypitoinen kaasukehä on ohuen puoleinen ja ne muistuttavat enemmän maankaltaisia valtameriplaneettoja. Ehkäpä olemme silloin palanneet takaisin lähtöruutuun. Meriplaneetat ovat hyviä kandidaatteja eläviksi planeetoiksi ilman vetypitoista vaippaansa, sijaitessaan perinteisellä elinkelpoisella vyöhykkeellä. On oltava riittävän lämmin, jotta veteen ei muodostu elämän merkit sisäänsä sulkevaa jääkuorta mutta riittävät viileää, jotta vesi ei höyrysty kaasukehään tekemään planeetasta valtaisaa, kuumaa ja kosteaa painekattilaa elämälle tuhoisin seurauksin. Hyseaanisten planeettojen olemasaolo uutena planeettojen luokkana on sekin epävarmaa. Todennäköisesti planeetoilla on monenlaisia tapoja asettua alkeellisiin lokeroihimme massan, säteen ja lämpötilan suhteen. Siksi eksoplaneettatutkimus on edelleen postimerkkeilyä — ja erittäin jännittävää sellaista. On täysin mahdotonta ennustaa minkälainen maailma odottaa karkeaa luokitteluamme jo heti seuraavan kohteen havaintoja analysoidessamme.
Emme kuitenkaan ole maailmankaikkeuden napa, ja elämälle on aivan samantekevää kykenemmekö me havaitsemaan sitä. Hyseaanisten planeettojen valtamerten elämä, jos sitä on, voi hyvin ja kukoistaa riippumatta sitä osaammeko nähdä siitä merkkejä vai emme.
Otettuani käyttöön termin ’hyseaaninen’, havaitsin, että sitä käytti ensimmäisenä Tekniikka jaTalous -julkaisun toimittaja Matti Ranta. Se on terminä oikein mainio, onhan suomenkielessä käytössä myös esimerkiksi ’oseaaninen’, tarkoittamassa merellistä tai mereen liittyvää. Se, vakiintuuko termi käytettäväksi tähtitieteilijöiden ja tieteestä kirjoittavien keskuudessa on kuitenkin epävarmaa.
Hyseaaninen nimikäytäntö sinulla ja kenties em. Mikko Ranta käyttänyt
Tekniikka ja Talous -julkaisussa – kahdella a-vokaalilla lienee siis
yleisempää suomalaista käytäntöä.
Ursan uutisessa käytetty vielä englannin kielestä suoraan;
Hysean nimikäytäntöä yhdellä a-vokaalilla.
Korjaan em. Matti Ranta käyttänyt – hydrogen = vety ja ocean = valtameri.