Kuusi miljardia maapalloa

22.9.2020 klo 12.00, kirjoittaja
Kategoriat: Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Aurinko on vain yksi Linnunradan, oman kotigalaksimme tähdistä. Samoin Linnunrata on vain yksi näkyvän universumin galakseista. Tähtiä on siten taivaalla havaittavissa niin käsittämätön määrä, että inhimillisen käsityskyvyn rajat tulevat vastaan niiden kokonaismäärää laskettaessa.

Jätämme nyt huomiotta sen tosiasian, että maailmankaikkeus jatkuu siitä näkemämme pienen nurkkauksen ulkopuolella. Voimme havaita vain pienen osan universumiamme, koska valonnopeuden rajallisuuden ja universumin 13.8 miljardin vuoden iän vuoksi valoa on ehtinyt saapua havaintolaitteisiimme vain rajallisesta osasta maailmankaikkeutta. Se osa on muodoltaan pallo, joka kasvaa valonnopeudella, mutta emme kykene edes arvioimaan kuinka suuri maailmankaikkeus on tämän havaittavan osan ulkopuolella. Emme tiedä universumistamme tässä mielessä edes perusasioita.

Kuva 1. Näkyvä maailmankaikkeus logaritmisella etäisyysasteikolla. Kuva: P. C. Budassi.

Linnunradassa on arviolta 100 miljardia tähteä. Jos kaikki näkyvän universumin noin 1000 miljardia galaksia ovat suunnilleen saman kokoisia, voimme arvioida, että näkyvässä osassa universumia on noin 1023 tähteä. Maapallon hiekkarannoilla ei ole läheskään niin montaa hiekanmurusta. Parasta asiassa on se, että likimain jokaista tähteä kiertää planeetta tai planeettoja. Näkyvässä maailmankaikkeudessa on siis noin 100000000000000000000000 (23 nollaa) planeettaa. Olisi omituista, täysin hämmästyttävän outoa, jos niiden joukkoon ei mahtuisi maankaltaisia planeettoja — sellaisia maailmoja, joden pinnalla vesi virtaa ja joita ympäröi silikaattivaipan ja kaasukehän rajapinnassa biosfääriksi kutsuttu ohut kerros, jossa elävät organismit kukoistavat.


Aurinko on kaikenlaista luokittelua rakastavien tähtitieteilijöiden jargonissa ”pääsarjaan kuuluva G-spektriluokan tähti”. Sellaiset tähdet loistavat väriltään keltaisina. Himmeämpiä oransseja tähtiä kutsutaan K-spektriluokan tähdiksi ja hiukan kirkkaammat kohteet ovat spektriluokassa F. Näitä kolmea tähtien luokkaa pidetään yleisesti suunnilleen auringonkaltaisina ja Linnunradan tähdistä niitä onkin yhteensä noin 20% — yleisempiä ovat vain punaiset M-spektriluokan kääpiötähdet, tai lyhyesti punaiset kääpiöt, joita on suunnilleen kolme neljännestä kaikista tähdistä.

Spektriluokalla tarkoitetaan karkeasti sitä, millä aallonpituusalueella tähdet loistavat kirkkaimmin. Aurinko loistaa voimakkaimmin näkyvän valon keltaisella aallonpituusalueella, kun taas K-luokan tähdet ovat himmeämpiä ja loistavat kirkkaimmillaan oranssin värin alueella. F-luokan tähdet taas loistavat Aurinkoa voimakkaammin vaaleankeltaista valoa. Planeettojen ja niiden olosuhteiden osalta oleellista on tähtien kirkkaus. Auringonkaltaiset tähdet säteilevät kirkkaammin ja kuumempana kuin punaiset kääpiöt, mikä vaikuttaa niitä kiertävien planeettojen pintalämpötiloihin. Viileiden punaisten kääpiöiden planeetoilla voi esintyä nestemäistä vettä, jos niiden kiertoradat ovat tähtiä lähellä ja vuoden pituus on kymmeniä päiviä. Auringonkaltaisten tähtien kiertoradoilla vastaavat lämpötilat saavutetaan radoilla, joilla vuoden pituus on kymmenien sijaan satoja päiviä. Erolla on merkittäviä vaikutuksia planeettojen olosuhteisiin.

Kuva 2. Elinkelpoisella vyöhykkeellä (vihreä) tarkoitetaan etäisyyyksiä tähdestä, joilla vesi voi pysyä planeettojen pinnalla nestemäisessä olomuodossaan. Himmeämpien ja viileämpien tähtien elinkelpoiset vyöhykkeet ovat siten lähempänä tähden pintaa ja kirkkaammilla ja kuumemmilla tähdillä ne ovat kauempana. Käsite ”elinkelpoinen vyöhyke” ei viittaa elämän esiintymiseen, vaan vain sen mahdollistaviin lämpötilaolosuhteisiin. Kuva: NASA/Kepler Mission/Dana Berry.

Tähtien vetovoima aiheuttaa niitä kiertäviin, oman akselinsa ympäri pyörähteleviin planeettoihin vuorovesivoimia, jotka nostavat ja laskevat veden pintaa kuten Maapallolla tai jopa muokkaavat planeetan vaippaa ja kuorta tuottaen kitkalämpöä ja lämmön aiheuttamaa aktiivisuutta. Miniatyyriversio tilanteesta on Jupiterin ja sen kuun Ion muodostama pari. Jupiterin vuorovesivoimat muokkaavat Ion pintaa voimakkaasti saaden sen kuumenemaan ja laukaisemaan tulivuoritoimintaa. Io onkin Aurinkokunnan aktiivisin taivaankappale. Mutta vuorovesien ehkäpä merkittävin seuraus on se, että Ion pyöriminen on synkronissa sen kiertoajan kanssa. Vuorovesivoimat ovat muokanneet kuun pyörimistä kunnes se on lukkiutunut kiertoaikaan ja Io näyttää aina saman puolen Jupiteriin. Oman planeetamme kiertolainen, Kuu, on samalla tavalla synkronissa. Tilanne on maailmankaikkeudessa yleinen.

Valtaosa tähtiä lähellä kiertävistä planeetoista on todennäköisesti synkronissa tähtien voimakkaiden vuorovesivoimien vuoksi. Vain kauempana tähteään kiertävät planeetat välttyvät vuorovesivoimien lukitsevalta vaikutukselta. Siksi vain auringonkaltaisten tähtien elinkelpoisella vyöhykkeellä olevat planeetat voivat pyöriä vapaasti. Vapaa pyöriminen puolestaan tasoittaa planeetan eri puolien lämpötilaeroja lisäten siten elämän edellytyksiä. Se on suurin yksittäinen syy siihen, että lähintä eksoplaneettaa Proxima b ei pidetä kaikilta osin maankaltaisena planeettana. Proxima b:n pyöriminen on synkronissa, koska planeetta matkaa ratakierroksen vain noin 11 päivässä, lähellä tähden pintaa, alttiina vuorovesivoimille.

Vaikka vuorovesivoimilla on muitakin vaikutuksia — ne pyöristävät lähellä tähtiään kiertävien planeettojen radat lähes täydellisiksi ympyröiksi vähentäen vuodenaikojen vaihteluita — elävien, maankaltaisten planeettojen löytämiseksi on parasta tarkastella planeettoja kiertämässä auringonkaltaisia tähtiä. Kepler-avaruusteleskoopin havaintokentässä niitä oli monia kymmeniä tuhansia.


Arvioitaessa kuinka paljon tietyn tyyppisiä planeettoja on kiertämässä kohteeksi valittuja tähtiä, on otettava huomioon mitä havaittiin sekä se, mitä olisi voitu havaita mutta ei havaittu. Periaate on yksinkertainen. Jos löydetään vaikkapa kaksi jollakin kriteerillä maankaltaista planeettaa, kun on havaittu esimerkiksi tuhatta tähteä, ei voida suoraan sanoa, että maankaltaisia planeettoja kiertää kahta promillea tähdistä. Arvioon vaikuttaa kuinka monen tähden maankaltaisia kiertolaisia oltaisiin voitu havaita — kaikkien havaitseminen ei juuri koskaan ole mahdollista. Jos esimerkiksi vain 20 tähdistä on sellaisia, että maankaltaisen planeetan löytö olisi mahdollista tehdä vaivalla hankitun havaintomateriaalin perusteella, lopputuloksena voidaan sanoa, että maankaltaisten planeettojen esiintymisfrekvenssi on 10% — niitä on siis joka kymmenennen tähden kiertolaisina. Se tosiasia, että joukossa oli 980 tähteä, joiden maankaltaisia kiertolaisia ei kyetä näkemään ei vaikuta tulokseen.

Kepler-avarusteleskooppi tarkkaili havaintokampanjansa kuluessa taivaan aluetta, jossa on kymmeniätuhansia tähtiä. Niiden perusteella on laskettu useita erilaisia arvioita planeettojen esiintymisestä galaksissamme. Esimerkiksi Michelle Kunimoto ja Jaymie Matthews kävivät huolellisesti läpi Keplerin kohdeluettelon. He tarkastelivat luettelon tähtien havaittuja ominaisuuksia ja saivat kasatuksi noin 96000 suunnilleen auringonkaltaisen tähden listan rajaamalla liian kuumat ja liian kylmät tähdet pois luettelostaan. Heidän määritelmänsä ”auringonkaltaisiksi tähdiksi” oli F, G ja K luokan tähdet, joiden lämpötila on välillä 3900-7300 kelvinastetta — vertailun vuoksi, Auringon lämpötila on noin 5800 K. Seuraavaksi oli vain selvitettävä minkä kokoisia planeettoja kohteiksi valittujen tähtien kiertoradoilla oli erilaisilla kiertoradoilla sekä kuinka pienet planeetat milläkin radalla olivat havaintojen tavoittamattomissa.

Kunimoto ja Matthews saivat huolellisen analyysinsa päätteeksi selville paljonkin maankaltaisten planeettojen esiintymisestä. Ongelmana vain on miten määritellään maankaltainen. Maankaltaiseksi voi kutsua vaikkapa planeettaa, joka on kooltaan suunnilleen Maan kokoinen, korkeintaan 50% pienempi tai suurempi. Kun ottaa huomioon kuinka moni planeetoista on tähtiensä elinkelpoisella vyöhykkeellä, arvioksi maankaltaisten planeettojen yleisyydestä saadaan optimistisesti laskettuna keskimäärin 0.66 planeettaa jokaista tähteä kohti. Se on valtava määrä, ja tarkoittaa sitä, että Linnunradassa on 26 miljardia ehdot täyttävää planeettaa. Kunimoto ja Matthews kuitenkin tyytyivät pessimistisempiin ehtoihin maankaltaisuudesta, ja arvioivat realistisemman määrän olevan korkeintaan noin kuusi miljardia — kokonsa ja pintalämpötilansa puolesta maankaltaisia planeettoja kiertää siis keskimäärin joka viidettä auringonkaltaista tähteä. Silloin pessimistisenkin arvion mukaan potentiaalisesti elinkelpoisia planeettoja on kirjaimellisesti aivan kaikkialla.

Punaisten kääpiötähtien planeetat ovat vielä tätäkin yleisempiä. Planeettoja on vähintään kolme jokaista punaista kääpiötä kohti ja maankaltaisia planeettoja — jos jättää synkronisen pyörimisen maankaltaisuutta heikentävän vaikutuksen huomiotta — on keskimäärin suunnilleen yhtä paljon kuin tähtiä. Silloin punaisten kääpiötähtien maankaltaisia planeettoja olisi galaksissamme valtaisa määrä, vähintään noin 75 miljardia. Vaikka jokaista punaista kääpiötähteä ei välttämättä ole kiertämässä ainuttakaan planeettaa, toisten kiertoradoilla niitä on useita. Yksi parhaista esimerkeistä on pienikokoinen, verrattaen lähellä Aurinkokuntaa sijaitseva TRAPPIST-1 tähti. Sitä kiertää seitsemän kiviplaneettaa, joista jopa kuusi katsotaan kooltaan ja lämpötilaltaan mahdollisiksi elinkelpoisiksi planeetoiksi.

Kuva 3. Taiteilijan näkemys tähteä TRAPPIST-1 kiertävistä planeetoista. Kuva: NASA.

Esitetyt lukemat maapallonkaltaisten planeettojen esiintymisestä galaksissamme ovat käsittämättömiä, suorastaan naurettavan suuria ja uskomattomalta tuntuvia. Kolme vuosikymmentä sitten emme tienneet eksoplaneettoja edes olevan olemassa. Nyt tiedämme karkeasti maankaltaisia planeettoja olevan kaikkialla, kiertämässä käytännöllisesti katsottuna jokaista tähteä, galaksimme jokaisessa kolkassa. Siksi on perusteltua ajatella, että galaksimme — samoin kuin koko maailmankaikkeus — suorastaan kuhisee elämää, jota syntyy väistämättä planeettojen vetisten pintojen biokemiallisista prosesseista aina, kun prosessit vain pääsevät kunnolla vauhtiin. Sen lisäksi tarvitaan vain aikaa. Ja aikaa elämän kehittymiseen on ollut kaikkialla jo miljardeja vuosia.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *