Eksoplaneetta hukassa

Viimeinen tutkimusmatka, osa 2

8.11.2022 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Koostumus

Aivan aluksi nukun. Ihmisen kognitiiviset kyvyt heikkenevät merkittävästi, jos hän kokee merkittävää unenpuutetta. Sellaiseksi lasketaan kokonaisen yön valvominen, yhteensä 27 tuntia matkustamista ja vuorokauden siirtäminen viisi tuntia myöhempään eri aikavyöhykkeelle saapumisen merkiksi. Olen kuitenkin toipunut matkasta lähes 16 tunnin katkonaisilla unilla ja perjantaiaamun Aurinko loistaa Andien länsireunan matalampien huippujen yläpuolella. Vuoret ovat siinä, missä ennenkin mutta niiden läsnäolo on aina jotenkin yllättävää ja kunnioitusta herättävää laakeisiin suomalaisiin maisemiin tottuneelle pohjoisen pojalle.

Ehdimme käynnistää tieteelliset keskustelumme jo saavuttuani, oltuani vielä matkustuksen jäljiltä väsymyksen kevyessä sumussa. Kävi ilmi, että James Jenkinsin, Chileläisen kollegani ja ystäväni, eräs lahjakas opiskelija on ottanut tutkimussuunnakseen aiheen, joka voisi aivan yhtä hyvin olla minun ideoimani. Ja tavallaan se onkin, koska projekti liittyy eksoplaneettahavaintojen bayesilaiseen käsittelyyn ja erityisesti ennakkoinformaation mahdollisimman tarkoituksenmukaiseen hyödyntämiseen, mistä julkaisin lyhyesti jo vuonna 2013 ja kirjoitin väitöskirjassani. Ennakkoinformaatiolla tarkoitetaan sitä, mitä tiedämme vaikkapa jostakin havaitusta planeettakunnasta ennen kuin edes tarkastelemme siitä tekemiämme havaintoja. Kyseeseen tulee vaikkapa se ilmeiseltä vaikuttava asia, että puhumme planeetan kokoisista ja massaisista pienemmistä kappaleista kiertämässä tähden kokoista ja massaista suurempaa kappaletta. Jo se aikaansaa reunaehtoja, joita kutsumme ennakkoinformaatioksi. Samoin tiedämme ennakkoon, että planeetat ja tähti liikkuvat avaruudessa suhteellisuusteorian tarkasti ennustamalla tavalla, jota voimme mainiosti approksimoida Keplerin laeiksi kutsutuilla yksinkertaisilla yhtälöillä. Edelleen, sellaisen gravitaatiovoiman yhteen sitoman järjestelmän on oltava stabiili, koska muuten se ei voisi olla olemassa emmekä sitä koskaan havaitsisi. Planeettojen ratojen on siis oltava sellaisia, että niiden keskinäinen vetovoima ei aiheuta kaoottista käyttäytymistä ja lähiohituksia tai törmäyksiä. Asiaan littyy vielä paljon muutakin, mutta pohjimmiltaan meillä on tosiaan runsaasti tietoa planeettakunnista ennen kuin edes suuntaamme teleskooppejamme niitä kohti.

Planeettakuntien ennakkoinformaatioon liittyy eräs kiinnostava yksityiskohta, jonka ehkäpä kuuluisin seuraus tunnetaan Titiuksen-Boden lakina. Planeettojen radat vaikuttavat nimittäin olevan likimain tasaisin välein ratajaksonsa logaritmin muodostamassa koordinaatistossa. Se on oikeastaan vain gravitaatiovuorovaikutuksen tuottama efekti, koska planeettojen radat ovat niin lähellä toisiaan kuin vain voivat tekemättä järjestelmästä epästabiilia. Mitä kauempana Auringosta planeetat kiertävät, sitä hitaammin ne liikkuvat heikommassa vetovoimakentässä planeettakunnan ulko-osissa. Silloin ne tarvitsevat enemmän tilaa, jotta planeettojen keskinäiset vetovoimat eivät ole liian suuria heikentääkseen järjestelmän stabiiliutta. Aurinkokunnassa asia huomattiin jo 1700-luvulla ja tunnetut eksoplaneettakunnan näyttävät noudattavan samaa periaatetta. Ja tietenkin ne noudattavat, koska kyse on vain gravitaatiovuorovaikutuksen yksinkertaisesta seurauksesta. Asian huomioiminen ennakkoinformaationa data-analyysissa ei kuitenkaan ole aivan ongelmatonta, ja koetamme ratkaista siihen liittyviä hankaluuksia yhteistyössä chileläisten kanssa. Sellainen tieteellinen ongelmanratkaisu taas on tehokkainta keskeytymättömän keskusteluyhteyden vallitessa. Siksikin nykyaikana on edelleen tarpeellista matkustaa tekemään tieteellistä työtä toiselle mantereelle. Ihminen on sosiaalinen eläin, joka on parhaimmillaan kasvotusten tapahtuvassa vuorovaikutuksessa lajikumpaniensa kanssa.

Ikkunan läpi tuijottavat vuoret eivät kuitenkaan jätä minua rauhaan ja keskeyttävät tuon tuosta ajatustyön. Mieleni laukkaa kirjaimellisesti aivan muihin maailmoihin. Pohdin kuinka tyypillisiä vuoristomaisemat ovat muilla planeetoilla. Päädyn nopeasti siihen lopputulokseen, että vuoria on aivan kaikilla eksoplaneetoilla, joilla vain on kiinteä pinta. Aurinkokunnassakin vuoria ja vuoristoja on kaikkialla — korkein ja mahtavin vuorenhuippu löytyy Marsista, jossa Olympus Mons kohoaa peräti 21.9 kilometrin korkeuteen. Tiedämme siksi varmuudella, ettei Maa ole vuoristoineen uniikki. Eksoplaneettojen vuorista emme tosin voi tehdä havaintoja. Emme ainakaan vielä.

---

Katson mietteliäänä, kun jokin paikallinen, pienikokoinen haukka (luullakseni chilenhaukka, Accipiter chilensis) laskeutuu katonräystäälle tarkkailemaan pihamaata. Se on iskenyt silmänsä koiran ruokakuppiin, jossa on proteiinipitoisia nappuloita syömättä. Lintu tarkkailee vuoroin kuppia ja vuoroin ovea, jonka avautuminen merkitsee potentiaalista vaaraa ihmisten saapuessa paikalle. Se kuitenkin toteaa tilaisuutensa tulleen, lennähtää ruokakupille nappaamaan muutaman koirannappulan nokkaansa ja lentää pois arvatenkin viemään saaliinsa pesässään odottaville nälkäisille suille. Tilaisuus on tehnyt varkaan, mutta vaikka haukka onkin hiukan poikkeuksellisen ravinnon äärellä, ei sen käyttäytymisessä ole mitään uutta. Höyhenpeitteisiä, lentokykyisiä dinosauruksia on ollut olemassa ainakin 150 miljoonaa vuotta, ja niiden ravinnonhankinta on luultavasti perustunut aina sopivien tilaisuuksien maksimaaliseen hyödyntämiseen. Linnut ovat aktiivisia eläimiä, jotka tarkkailevat ympäristöään herkeämättä tarttuakseen jokaiseen tarjoutuvaan mahdollisuuteen ja toisaalta välttyäkseen joutumasta jonkin lähempänä ravintoketjun huippua olevan saalistajan ateriaksi. Niiden lentokyky edellyttää keveyttä ja siroutta, jolloin ne eivät voi olla pääasiallisia huippusaalistajia. Ja tilanne on luultavasti sama muuallakin, koska samat fysikaalisen maailmamme rajoitukset pätevät takuuvarmasti mudenkin elävien planeettojen pinnoilla. Jos jollakin kaukaisella planeetalla on älykkäitä, lehtäviä opportunisteja, niiden käyttäytyminen muistuttaa luultavasti monella tavalla oman planeettamme lintuja. Aivan samalla tavalla muut biologisen sukupuumme lentokyvyn kehittäneet haarat ovat päätyneet noudattamaan samankaltaisia käyttäytymismalleja. Lepakot ja muinaisuuden pterosaurukset ovat sellaisista mainioina esimerkkeinä.

Konvergentti evoluutio tarjoaa mahdollisuuden tehdä Maapallolla näkemästämme elämästä universaaleja yleistyksiä. Jos jossakin on samankaltaiset olosuhteet kuin Maassa, voimme olla varmoja, että elämä sopeutuu niihin samankaltaisilla tavoilla. Jos jonkin planeetan pinnalle saapuu Aurinkoa vastaavan tähden säteilyä planeetan kaasukehän ollessa sille läpinäkyvä, on suorastaan varmaa, että monisoluiset organismit sopeutuvat käyttämään säteilyn suomia mahdollisuuksia hyväkseen kehittämällä näkemiseen soveltuvia elimiä. Jo Maapallola sellaisia silmiksi kutsuttuja elimiä on kehittynyt toisistaan riippumatta eri eläinryhmissä arviolta 40 kertaa, joten kyseessä on suorastaan vääjäämätön kehityskulku, jos vain näkökyvyn asteittaiset parannukset tuovat organismeille mahdollisuuden tuottaa muita tehokkaammin lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Emme tietenkään voi ennustaa millaisia rakenteita evoluutio täsmälleen tuottaa muilla planeetoilla, mutta voimme silti arvioida, että esimerkiksi kyky liikkua on tärkeää niin saalistajille kuin joillekin niitä vältteleville saaliseläimillekin. Toiset saaliseläimet taas koettavat välttyä tulemasta havaituksi maastoutumalla ympäristöönsä mahdollisimman hyvin. Yksinkertaiset fysikaaliset ja geokemialliset reunaehdot taas tuottavat herkästi elävien muotojen valtaisan moninaisuuden, mihin olemme planeetallamme tottuneet. Sekin on universaali tosiasia, koska Maan elämä on monimuotoistunut samankaltaisella tavalla useaan otteeseen toivuttuaan massasukupuuttoaaltojen aiheuttamasta lajirikkauden äkillisestä kapenemisesta.

Mutta minkälaisia reunaehtoja vaikkapa punaisten kääpiötähtien heikko punainen säteilyspektri ja armottomat purkaukset asettavat niitä kiertävien planeettojen elämälle? Voimme lopultakin vain arvailla, koska emme tunne sellaisesta elämästä ainuttakaan esimerkkiä. On silti mielenkiintoista koettaa arvioida näiden maailmankaikkeuden yleisimpien planeettojen olosuhteita perustuen siihen, mitä olemme saaneet selville punaisten kääpiötähtien ominaisuuksista ja fysiikasta. Kyseessä on kiinnostava tutkimusprojekti, jota olen käynnistämässä Helsingin yliopistolla. Siihen tarvitaan osaamista niin eksoplaneettojen ominaisuuksista kuin tähtien pinnan prosesseistakin, joten kyseessä on suorastaan täydellinen tilaisuus tehdä lähitulevaisuudessa yhteistyötä Santiagon eksoplaneettatutkijoiden ja Helsingin aktiivisiin tähtiin erikoistuneiden astrofyysikoiden välillä.

---

Sunnuntain aamukahvin ääressä käytävä keskustelu käy välittömästi kiinnostavaksi, kun sen lomaan on puolihuolimattomasti asetettu kysymyksen muotoon puettu toteamus: mitä mieltä muuten olet tästä uudesta löytämästäni planeetasta? Jamesilla on havaintoja oranssien jättiläistähtien planeettakunnista, enkä oikein voi kuin nyökätä hyväksyvästi ja todeta asian kiinnostavaksi. Mutta onko planeetan havaittu kiertoaika oikea? Onko olemassa vaihtoehtoisia ratkaisuja, jotka selittävät havainnot yhtä hyvin tai vieläkin paremmin? Voiko havaintoon luottaa niin, että sen voisi julkaista? Keskustelemme pitkään jaksollisten signaalien havaitsemisen problematiikasta ja siitä, kuinka laskostumiseksi kutsuttu ilmiö voi toisinaan johdattaa harhaan. Jättiläistähdet myös sykkivät ja pyörivät verkkaisesti, mikä saattaa aiheuttaa havaintoihin jaksollisuuksia, joita ei voi tulkita merkeiksi planeettojen olemassaolosta. Ehkäpä kuitenkin olemme jälleen saaneet seville jotakin kiinnostavaa maailmankaikkeudesta.

Vaikka tutkimuksemme etenee tieteelle tyypilliseen tapaan verkkaisella tahdilla, julkaisemme silti uusia tuloksia varsin säännöllisesti. Raportoimme vain pari viikkoa sitten uudesta neptunuksenkokoisesta planeetasta kiertämässä nuorta tähteä, joka tunnetaan luettelokoodilla HD 18599. Planeetta on kuuma neptunus, joita on vain vähän, koska ne menettävät kaasuvaippansa tähtiensä paahtavassa poltteessa varsin nopeassa tahdissa. Luultavasti myös HD 18599 b on kokenut kovia ja menettänyt merkittäviä määriä kaasuvaippaansa, koska sen Maata 2.7 kertaa suuremman halkaisijan sisään on pakattu peräti 26 Maan massan verran materiaa. Planeetan koostumuksen selittää noin kolme neljännestä kattava raudasta ja silikaateista koostuva ydin ja sitä peittävä vesivaippa. Keveämmät kaasut planeetta lienee menettänyt avaruuteen alttiina tähtensä voimakkaalle säteilylle mutta prosessi ei vain ole vielä ehtinyt edetä loppuun asti, koska kyseessä on varsin nuori järjestelmä. Saamme siis tarkkailla vasta hiljattain syntyneen vauvaplaneetan kärsimystä julman, aktiivisen tähtensä käsittelyssä. Asiasta ei tosin tarvitse tuntea sääliä, koska planeetat eivät ole tuntevia organismeja. Eikä HD 18599 b ole elävä planeetta, koska se ei ole koskaan voinut muodostaa pinnalleen biosfääriä — planeettaa peittää todennäköisesti kiehuvan kuuma meri, jonka olosuhteissa orgaaniset molekyylit tuhoutuvat joka tapauksessa millisekuntien aikaskaalassa.

---

Kirjoitus on toinen osa matkapäiväkirjastani Chilen Santiagoon marraskuussa 2022.