Luettelo parhaista maailmoista elämälle
Paras tuntemamme paikka elämälle on ehdottomasti Maa. Oma planeettamme on riittävän kaukana aurinkomme räiskeestä mutta silti sopivalla etäisyydellä voidaksemme nauttia sen miellyttävästä lämmöstä. Ei ole liian kuuma tai kylmä virtaavalle vedelle, jota ilman elämää ei nykykäsityksen mukaan olisi. Aurinko pitää kasviemme energiantuotannon käynnissä, muttei kykene tappamaan meitä suurienergisellä säteilyllään ja voimakkaalla hiukkastuulellaan. Niiltä meitä suojaa ilmakehämme säteilynsuojana toimiva otsonikerros ja muut sen molekyylit, sekä planeettamme sisuksissa syntyvä magneettikenttä.
Olemme turvassa kosmisessa kehdossamme, eikä meitä uhkaa kuin planeettamme kanssa törmäyskurssille sattuva satunnainen asteroidi. Nekin ovat tosin niin harvinaisia, että yksittäinen ihmiskunnalle merkittävää vaaraa aiheuttava törmäys voi sattua vain kerran useiden kymmenienmiljoonien vuosien aikaskaalassa. Kotimme on turvapaikkamme siinä noin miljoonan vuoden aikaikkunassa, joka nisäläslajeilla keskimäärin on käytettävissään olemassaoloonsa.
Maa oli kuitenkin elinkelpoinen jo varhain, ja elämääkin ehti syntymään jo ainakin 4.1-4.2 miljardia vuotta sitten. Tuolloin Aurinko oli noin kolmanneksen himmeämpi nuori tähti ja planeetallamme ei ollut ultraviolettisäteilyltä suojaavaa otsonikerrosta. Sen suojan saimme vasta yhteyttävän elämän kyllästettyä planeettamme kaasukehän kuona-aineena tuottamallaan hapella. Ultraviolettisäteily oli ehkä tappavaa pinnalla, mutta se auttoi myös muodostamaan veteen liukenevia orgaanisia yhdisteitä hajottaessaan varhaisen kaasukehän molekyylejä. Orgaaniset molekyylit kasautuivatkin moniin paikkoihin, mutta erityisesti valtamertemme pinnan alla, minne ultraviolettisäteily ei yltänyt tekemään tuhojaan, pääsi tapahtumaan merkittävää kemiallista monimutkaistumista. Merenpohjien purkausaukkojen geoterminen energiavirta muuntui kemialliseksi kompleksisuudeksi, kun syntyi molekyylejä, jotka vaikuttivat omaan kemialliseen vakauteensa positiivisesti. Kompleksisuuden kasvua vauhditti orgaanisten molekyylien pitoisuuden kasvu huokoisen laavakiven ja monenlaisten lipidimolekyylien muodostamien kalvojen sisällä. Pian syntyi itsensä kopiointiin kykeneviä rakenteita ja biologinen evoluutio otti vallan, muuttaen kaiken.
Sen muutoksen seurauksena mekin olemme planeettamme pinnalla pohtimassa omaa olemassaoloamme ja koettamassa havaita toisia elinkelpoisia planeettoja. Monella tapaa olemme kuitenkin jo onnistuneet. Tunnemme tuhansia eksoplaneettoja, ja niistä kourallinen saattaa hyvinkin kyetä toimimaan elämän kehtoina kuten Maakin. Kyse on modernin tähtitieteen huikeasta menestystarinasta. Voimme saavuttaa tietoa planeettojen ominaisuuksista ja olosuhteista, ja kykenemme vertailemaan niitä toisiinsa sekä Maahan. Osaamme arvioida vieraiden planeettojen elinkelpoisuutta.
Mutta mikä tekee planeetasta elämälle sopivan? Mitä ehtoja sen olosuhteiden on täytettävä, ja mitkä ominaisuudet ovat omalla planeetallamme vain ylimääräisiä sattumuksia, joista elämän olemassaolo ei ole riippuvaista? Asiaa voidaan arvioida tieteellisen analyyttisesti. Se vain ei ole aivan helppoa.
Lähtökohdat elämälle
Ensimmäinen lähtökohta elämälle on planeetan sopiva koko. Elinkelpoinen planeetta ei voi olla niin suuri, että sillä on peittonaan paksu kaasuvaippa. On oltava mahdollisuus kiinteään pintaan. Vaikka kaasukehä voi sittenkin olla varsin laaja, jos se koostuu keveästä vedystä, se ei saa tuottaa planeetan pinnalle korkeaa painetta ja kuumuutta, mitkä hävittäisivät elämän edellytykset. Venuksen esimerkki osoittaa mainiosti, että pienikin kiviplaneetta voi olla elinkelvoton pinnaltaan, jos sillä on liian paksu kaasukehä. Kelvottomuus on taattua, jos kaasukehä tuottaa äärimmäisen voimakkaan kasvihuoneilmiön, joka kärventää planeetan pinnan elinkelvottomaksi. Mahdollisuuksien rajoihin voi mahtua myös kaasukehän pilvikerroksen suojissa pysyttelevä biosfääri. Sellaisen olemassaolo tarvitsee kuitenkin sekin taustalleen pienen, kiinteän pinnan omaavan planeetan, jonka olosuhteissa elämän synty ja hidas sopeutuminen elämään puhtaasti kaasukehässä on ollut mahdollista.
Planeetan koko ja massa liittyvät koostumuksen määrittämissä fysikaalisissa ja geologisissa rajoissa toisiinsa. Suuri massa lisää mahdollisuuksia haalia paksu kaasuvaippa, ja siksi elinkelpoisten planeettojen massan on oltava pieni. Käytännössä pienuus tarkoittaa massaa, joka on yhteensopiva kiinteän pinnan ja ohuen kaasukehän kanssa. Sen ylärajaksi arvioidaan noin viidestä kymmeneen Maan massan verran vastaten kooltaan korkeintaan kaksinkertaista planeettaa Maahan verrattuna. Jotkut pinnaltaan kiviset planeetat voivat olla massaltaan jopa 10-20 kertaa Maata suurempia mutta siitäkin huolimatta noin viisinkertainen massa suhteessa Maahan on ylärajaksi varsin hyvä arvio perustuen planeettojen koostumusmalleihin. Massan alarajaa vain harvoin vaivaudutaan asettamaan, koska pienet marsinkokoiset planeetat voivat hyvinkin olla elinkelpoisia mutta niiden havaitseminen ei toistaiseksi ole mahdollista tähtien elinkelpoisilta vyöhykkeillä.
Tunnettujen planeettojen kiertoradat ovat yleensä myös tunnettuja, koska juuri ratojen määrittäminen on oleellisessa roolissa koko planeetan löytöprosessissa. Jos rataa ei saada määritetyksi luotettavalla tavalla, ei voida puhua myöskään planeetan löytämisestä. Merkittävää on rataetäisyys tähdestä, koska se määrittää kuinka paljon tähden säteilyä planeetan pinnalle saapuu. On vain ensin tunnettava tähden ominaisuudet suurella tarkkuudella ja käytettävä niitä planeetan pinnalleen saaman säteilyn määrän ja laadun arviointiin. Vasta silloin voidaan koettaa määrittää planeetan todennäköistä pintalämpötilaa ja sen vaihteluväliä.
Katsomalla tunnettuja planeettoja suhteessa niiden pinnalleen saamaan säteilyyn, käy hetkessä selväksi, että elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja tunnetaan runsain mitoin (Kuva 1.). Niitä vain esiintyy painotetusti kaikkein viileimpien tähtien kiertolaisina. Syynä on käsillä olevien havaintomenetelmien tuottama valintaefekti. Havaitsemme helpoimmin planeettoja, jotka kiertävät tähtensä mahdollisimman nopeasti, mahdollisimman lähellä. Sellaiset planeetat taas ovat elinkelpoisella vyöhykkeellä vain pienten ja himmeiden punaisten kääpiötähtien kiertoradoilla. Auringonkaltaisten, yli 5000 kelvinasteen lämpöisten tähtien elinkelpoisia planeettoja on edelleenkin erittäin vaikeaa havaita, mikä heijastuu niiden erittäin vähäisinä määrinä tunnettujen eksoplaneettojen joukossa.
Tulokset jäävät kuitenkin harhaanjohtaviksi, jos tyydymme tarkastelemaan pelkkää pintalämpötilaa. Elinkelpoisuuteen vaikuttavat monet muutkin tekijät ja esimerkiksi tähden magneettinen aktiivisuus on yksi niistä. Liian lähellä tähteään ja sen magneettista dynamoa planeettojen omat magneettikentät yhdistyvät tähden kenttään, mikä saa tähden hiukkastuulen virtaamaan suoraan planeetan kaasukehään. Seurauksena on kaasukehän haihtuminen ja elinkelpoisuuden menetys. Lähes kaikki punaisten lääpiötähtien elinkelpoisen vyöhykkeen planeetat ovat luultavasti kuolettavan alttiina magneettiselle aktiivisuudelle. On epäselvää voisiko edes niiden Maata voimakkaampi magneettikenttä pelastaa niitä kaasukehän nopealta eroosiolta.
Toinen tekijä on ultraviolettisäteily, jonka on oltava suuruudeltaan juuri oikeissa rajoissa. Liian vähäinen säteily ei auta monimutkaisempien orgaanisen molekyylien muodostumisessa ja liiallinen säteily tekee planeetan pinnan elinkelvottomaksi. Aivan pienimmilä punaisilla kääpiötähdillä ultraviolettisäteilyä on aivan liian vähän, vaikka tähden roihupurkaukset voivatkin tulla apuun ja tuoda elämän synnyn mahdollistavan lisänsä. Hiukan massiivisempien punaisten kääpiöiden mahdollisuudet toimia abiogeneesin, eli elämän synnyn mahdollistavina planeettakuntien keskuksina, ovat kuitenkin vain rajallisia. Ultraviolettisäteilyä on riittävästi vain niiden kehityksen ensimmäisen miljardin vuoden aikana.
Elinkelpoisuuden suhteen punaisten kääpiötähtien planeetat saattavat siksi olla varsin heikkoja. Se tarkoittaa, että valtaosa elinkelpoisten planeettojen luetteloinnista keskittyy planeettoihin, jotka eivät voi ylläpitää elämää. On kuitenkin mahdollista keskittyä tarkemmin samankaltaisuuksiin, joita planeetoilla on Maan ja tuntemiemme olosuhteiden kanssa.
Kuin Maa
Konservatiivisemmat rajaukset siihen, mitä pidetään elinkelpoisena, vähentävät aina mahdollisten elinkelpoisten planeettakandidaattien määrää. Mutta jos vertaamme suoraan omaan planeettaamme ja sen ominaisuuksiin, saamme hyvin toisenlaisen näkökulman eksoplaneettojen mahdolliseen elinkelpoisuuteen.
Voimme laskea maankaltaisuusindeksin, joka huomioi vaikkapa planeetan koon tai massan samankaltaisuuden suhteessa Maahan. Samoin, voimme huomioida samankaltaisuuden pintalämpötilan suhteen, ja keskittyä vain mahdollisimman tarkasti maankaltaisiin lämpötilaolosuhteisiin (Kuva 2.). Mutta maankaltaisuusindeksi antaa mahdollisuuden mennä vieläkin pidemmälle. Jos ajattelemme, että punaiset kääpiötähdet ovat planeettojensa elinkelpoisuuden suhteen heikentyneitä, voimme huomioida myös planeettojen kiertämien tähtien ja Auringon samankaltaisuuden.
Ei ole kuitenkaan selvää mitä mittareita olisi syytä tuijottaa. Eikä Maa ole edes millään varmuudella paras paikka elämälle, vaan voi olla olemassa planeettoja, joiden kyvyt ylläpitää elämää ovat Maatakin paremmat. Toinen ongelma on siinä, että jo Maapallolla elämää esiintyy paljon muuallakin kuin vain kivisellä pinnalla. Valtameret ovat Maan elämän kehto ja niiden pohjassa elämä sai luultavasti alkunsakin. Planeettamme laajin elinkelpoinen ympäristö on kuitenkin jalkojemme alla oleva kallio. Sen sisuksissa mikrobit puuhaavat omia asioitaan tyystin piittaamatta pinnan hektisestä elämäntyylistä Auringon säteilyineen ja helppoine energianlähteineen. Mikrobeja elää kilometrien syvyyksissä, jopa merenpohjien alapuolisessa kalliossa. Ja vaikka niiden elämänkertoja on hyvin hidasta, ne täyttävät sittenkin kaiken sopeltuvan kivisen tilavuuden. Vääjäämätön raja tulee vastaan, kun kuumuus riittää tuhoamaan biologisia rakenteita nopeammin kuin saatavilla oleva energia ja alkuaineet riittävät niiden tuottamiseen.
Voimme arvioida mitkä planeetat soveltuisivat elämälle kuten Maan kallioperä. Koska planeetoilla on aina sisuksissaan lämpöä ja kuumuus nousee paineen kasvaessa syvemmälle mentäessä, jokaisella Maata viileämmällä planeetalla on ainakin jonkinlainen elinkelpoinen kuorikerros. Se tarjoaa elämälle valtavasti mahdollisuuksia. Jokainen maankokoinen planeetta, jonka pinnalle saapuu vähemmän säteilyä kuin omalla planeetallamme, voi siten säilyttää ainakin jonkinlaiset edellytykset elämälle pintansa alapuolella. Sellaisia planeettoja vain ei vielä oikein osata havaita.
Tähden säteily ja magneettinen aktiivisuus voi hävittää punaisten kääpiöiden lämpötilaltaan sopivien planeettojen edellytykset ylläpitää elämää. Mutta niidenkin sisuksissa, turvassa säteilyltä, elämä voisi porskuttaa mainiosti jopa satoja miljardeja vuosia. Jos sellaiset planeetat muuttuvat tähtien purkausten ja hiukkasvuo myötä kaasukehättömiksi, elämälle on edelleen mahdollisuutensa niiden sisuksissa. Vuorovesilukkiutuneille planeetoille jää ilmeiset elinkelpoiset alueensa ikuisesti pimeälle puolelle muodostuvan jääpeitteen alle, jossa paine sulattaa suolaista vettä geotermistä lämpöä vapauttavan kallioperän yhteyteen. Elämä voi pärjätä kuten Maassa, Etelämantereen jääkuoren alla olevissa järvissä, ikuisesti havainnoilta piilossa.
Mutta elinkelpoisuuden voivat säilyttää lukemattomat viileämmätkin planeetat. Pinnan kylmyys tarkoittaa vain sitä, että sopivat lämpötilaolosuhteet löytyvät hiukan syvemmältä pinnan alta. Aivan kuten Marsissa, kallioperässä voi olla runsaasti nestemäistä vettä ja se voi antaa mahdollisuuden elämälle. Planeetanlaajuisten jääkuoren alle jää mahdollisuus elämälle hyvinkin viileillä planeetoilla.
Elinkelpoisten planeettojen listausten kärjessä ovat jatkuvasti tutut nimet. Tuoreessa Cornellin yliopiston tutkijoiden Abigail Bohlin ja Lisa Kalteneggerin johtamassa tutkimuksessa parhaiksi kohteiksi luokitellaan eri kriteereillä TRAPPIST-1 -järjestelmän planeetat sekä Proxima b. Sen lisäksi kiinnostavana kohteena esiintyy Teegarden b, joka on tunnetuista planeetoista ominaisuuksiltaan kaikkein maankaltaisin. Niiden tutkimus tuottaa taatusti arvokasta tietoa ja auttaa arvioimaan elämän yleisyyttä maailmankaikkeudessa, vaikka mitään merkkejä elämästä tai elinkelpoisuudesta ei löytyisikään.
Kaikki edellämainitut ovat kuitenkin punaisten kääpiötähtien planeettoja, ja niiden elinkelpoisuudessa on siksi kysymysmerkkinsä. On vahvoja viitteitä, että planeetat ovat kelvottomia elämälle, mutta toisaalta, niiden olosuhteet ovat vuorovesilukkiutumisen myötä hyvin erilaiset kuin mihin olemme tottuneet. Kaasukehän menettäminen ei ehkä ole elämälle kuolinisku, mutta mahdollisuudet havaita siitä merkkejä olisivat siinä tapauksessa menneet ja planeettojen pinnat olisivat silloin elinkelvottomia.
Paras kohde jatkotutkimuksille on mitä todennäköisimmin Proxima b. Sen läheisyys tekee planeetasta yhden parhaista suoria havaintoja silmällä pitäen ja havainnot tulevatkin mahdolliseksi, kun superteleskooppi ELT aloittaa toimintansa vielä tämän vuosikymmenen kuluessa. Mutta ilman uusia tietoja siitä, kuinka punaisten kääpiötähtien planeetat voisivat säilyttää elinkelpoisuutensa aivan tähtiensä vieressä, on syytä kiinnittää huomio keltaisempiin kohteisiin. Ehkäpä olemme kuitenkin katsoneet väärään suuntaan ja elämää voikin esiintyä vain auringonkaltaosten tähtien järjestelmissä. Ehkäpä ajatuksemme Auringon erityislaatuisuudesta olivat sitten kuitenkin oikean suuntaisia.
Jos maailmankaikkeutemme elämä on rajoittunutta auringonkaltaisten tähtien kiertoradoille, luettelo kandidaateista elinkelpoisiksi planeetoiksi kutistuu muutamasta kymmenestä kolmeen. Niistä kolmesta kaksi on kaukaisia Kepler -avaruusteleskoopin havaitsemia kohteita Kepler-62 f ja Kepler-442 b, joiden tarkempi tutkiminen on niiden etäisyyden vuoksi hyvin hankalaa. Kolmas on läheisempi HD 137010 b, jonka löytöön liittyy edelleen huomattavia epävarmuuksia, ja joka saattaa olla aivan liian kylmä kyetäkseen säilyttämään pintansa elinkelpoisuuden. Emme osaa toistaiseksi sanoa millään tarkkuudella kuinka hyviä planeettoja ne todellisuudessa ovat elämälle, mutta alustavat tiedot ovat ainakin pääpiirteittäin lupaavia.
Todennäköisintä on kuitenkin se, että lähiavaruudessa on Auringonkaltaisten tähtien kiertoradoilla vielä paljon parempiakin kohteita odottamassa löytymistään. Maankaltaisia planeettoja voi olla esimerkiksi järjestelmissä, joissa on Jupiterin tapaan viileä kaasulättiläinen. Emme ehkä näe niitä ylikulkujen puutteessa ja niiden pienten massojen vuoksi vielä, mutta niidenkin aika päätyä planeettaluetteloihimme koittaa vielä.