Arkisto
- maaliskuu 2023
- helmikuu 2023
- tammikuu 2023
- joulukuu 2022
- marraskuu 2022
- lokakuu 2022
- syyskuu 2022
- kesäkuu 2022
- toukokuu 2022
- huhtikuu 2022
- maaliskuu 2022
- helmikuu 2022
- tammikuu 2022
- joulukuu 2021
- marraskuu 2021
- lokakuu 2021
- syyskuu 2021
- elokuu 2021
- kesäkuu 2021
- toukokuu 2021
- huhtikuu 2021
- maaliskuu 2021
- helmikuu 2021
- tammikuu 2021
- joulukuu 2020
- marraskuu 2020
- lokakuu 2020
- syyskuu 2020
- elokuu 2020
- kesäkuu 2020
- toukokuu 2020
- huhtikuu 2020
Webb näkee mistä planeetat on tehty
Kaukaisten eksoplaneettojen havaitsemista pidettiin likimain mahdottomana vielä runsaat kolme vuosikymmentä sitten. Mutta kun löytöjä sitten ryhdyttiin tekemään, ja niitä varten rakennettiin asialle omistettuja avaruuteen lähetettäviä robotisoituja observatorioita, kaikki muuttui yhdessä rysäyksessä. Tunnemme yli 5000 eksoplaneettaa kiertämässä läheisiä ja kaukaisia tähtiä omassa galaksissamme. Tiedämme, että niitä on aivan kaikkialla, jopa aivan lähimmissä tähtijärjestelmissä. Ja miljardit planeetat galaksissamme voivat olla elinkelpoisia — tiedämme sen, koska voimme jo arvioida eksoplaneettapopulaation yleisiä ominaisuuksia, muodostumista ja historiaa, sekä koostumusta. Koskaan ennen ei kuitenkaan ole ollut mahdollista selvittää yhtä tarkasti mistä ne on tehty kuin nyt.
James Webb -avaruusteleskooppi on osoittautunut juuri niin tarkaksi instrumentiksi kuin suunniteltua. Sen laukaisu onnistui suunnitellulla tavalla ja sen ensimmäiset tieteelliset havainnot ovat osoittautuneet yhtä merkittäviksi kuin ounasteltiinkin. Eksoplaneettatutkimuksen kannalta merkittävintä on kuitenkin teleskoopin spektrografi, joka rekisteröi useita eri infrapunasäteilyn aallonpituuskaistoja samanaikaisesti havaitessaan tähtiä. Se auttaa havaitsemaan eksoplaneettojen kaasukehien koostumuksia nerokkaalla tavalla, jota kutsutaan transmissiospektroskopiaksi (Kuvat 1 ja 2).
Ensin on tiedettävä milloin eksoplaneetta kulkee radallaan tähtensä editse. Sopivia eksoplaneeettoja tunnetaankin tuhansia mutta erityisesti ne, joiden kiertoradat ovat lyhyitä ja sijaitsevat lähellä tähteään ovat parhaita kandidaatteja spektroskooppisille havainnoille. Syy on yksinkertainen. Mitä nopeampi planeetan ratakierros on, sitä vähemmän aikaa on odotettava ennen seuraavaa ylikulkua, jotta voidaan tehdä havaintoja sen aikana. Eksoplaneetta WASP-39 b on mainio kohde, koska planeetta kiertää tähtensä vain noin neljässä päivässä. Kyseessä on aivan tavanomainen kuumaksi jupiteriksi kutsuttu eksoplaneetta, vaikka se onkin massaltaan vain noin 30% Jupiterista. Kuvassa 1. näkyvässä Webbin havaintosarjassa on yksi planeetan ylikulku, jonka aikana se himmentää tähden näennäistä kirkkautta taivaalla noin kahden prosentin verran. Merkittävää on kuitenkin se, että himmeneminen on erisuuruista eri aallonpituuksilla — planeetta näyttää siis hiukan suuremmalta tai pienemmältä, riippuen aallonpituusalueesta. Miten se voi olla mahdollista?
Planeetan näennäisen koon vaihtelun voi selittää vain se, että sillä on ympärillään kaasukehä, jonka läpi tähden säteily pääsee eri tavalla riippuen säteilyn aallonpituudesta. Asiaan vaikuttaa kaasukehän kemiallinen koostumus. Jokainen kaasukehän molekyyli voi virittyä korkeampaan viritystilaan, jos siihen osuu tietyn energian omaava fotoni. Eri aineiden herkkyys taas osuu erilaisille fotonien energioille ja siten aallonpituuksille. Silloin voimme katsoa ylikulun kokoa eri aallonpituuksilla ja päätellä mitä molekyylejä kaasukehä sisältää. Webbin havaintojen mukaan, planeetta WASP-39 b näyttää hiukan suuremmalta noin 4.2 – 4.6 mikrometrin aallonpituusvälillä (Kuva 2.), koska niillä aallonpituuksilla planeetan kaasukehän hiilidioksidi suodattaa säteilyä tehokkaasti. Voidaan siis todeta, että kaasukehässä on runsaasti hiilidioksidia — havainto on niin selvä, että jopa tutkijat, jotka eivät juuri ajattele minkään tieteellisen tiedon olevan lopullinen totuus, kertovat nyt löydön olevan täysin varma. Se kuitenkin kertoo vain Webbin havaintojen valtavasta tarkkuudesta sen tarkkaillessa jättiläisplaneettojen kaasukehiä. Jättiläisplaneetan paksun kaasukehän toteaminen hiilidioksidin täyttämäksi on nyt muuttunut rutiininomaiseksi, helpoksi havannoksi.
Yhdessä toisen jättiläisplaneetan WASP-96 b kaasukehästä havaintun vesihöyryn kanssa, Webb on nyt osoittanut täysin kiistatta kykenevänsä havaitsemaan mainiosti yksinkertaisia molekyylejä eksoplaneettojen kaasukehissä ennennäkemättömällä tarkkuudella. Siksi sen seuraavat havainnot ovat entistäkin kiinnostavampia. Webb kykenee tarkkuutensa ja valonkeräyskykynsä ansiosta mittaamaan myös pienempien kiviplaneettojen kaasukehien ominaisuuksia. Yksinkertaisten molekyylien, kuten hiilidioksidin, metaanin ja veden havaitseminen on ensimmäinen askel selvittäessämme niiden luonnetta elinkelpoisina planeettoina. Saamme pian selville onko lähimpien elinkelpoisella vyöhykkeellä tähtiään kiertävien kiviplaneettojen joukossa sellaisia, joiden kaasukehässä on vesihöyryä merkkinä niiden merellisestä luonteesta ja hiilidioksidia taikka metaania merkkinä aktiivisesta geologiasta ja tulivuorista.
Elämme yhtä merkittävimmistä tähtieteen ja astrobiologian aikakausista. Ensi kertaa ihmiskunnalla on konkreettisia mahdollisuuksia selvittää suorin havainnoin mistä toiset maapallot on tehty. Havainnot auttavat samalla arvioimaan voiko niiden olosuhteissa esiintyä elämää. Sen jälkeen voimmekin ryhtyä etsimään niiden kaasukehistä merkkejä elämästä, jos vain pääsemme yhteisymmärrykseen siitä, mitkä voitaisiin tulkita kiistattomina merkkeinä sellaisesta.
Vastaa
Eksoplaneettojen elämän täyttämät meret
Yksi eksoplaneettatutkimuksen kiinnostavimmista päämääristä on löytää esimerkkejä toisista elävistä planeetoista, tai ainakin planeetoista, joiden olosuhteissa elämän esiintyminen on mahdollista. Vaikka tunnemmekin jo monta kandidaattia elinkelpoisiksi planeetoiksi, emme ole onnistuneet selvittämään täyttyvätkö elinkelpoisuuden kriteerit niistä ainoankaan pinnalla. Voimme mainiosti arvioida ja jopa havaita suoraan planeettojen kokoja ja massoja, jotka antavat tietoa niiden keskitiheydestä ja koostumuksesta, sekä siitä, onko niillä kivinen pinta. Arvioimme rutiininomaisesti tähdestä planeetan pinnalle saapuvan säteilyn määrää ja siten planeetan laskennallista pintalämpötilaa. Voimme jopa huomioida kasvihuoneilmiön vaikutuksen ja mitata karkeasti jodenkin planeettojen kaasukehän koostumusta ja siten todellisia olosuhteita. Emme kuitenkaan saa juuri tietoa edes tärkeimmästä elinkelpoisuutta määrittävästä tekijästä: onko planeetan pinnalla nestemäistä vettä.
Veden olemassaolosta voi saada suoria havaintoja, jos on mahdollista havaita planeetan kaasukehän koostumusta transmissiospektroskopiaksi kutsutulla menetelmällä. Siinä tähden valo suodattuu sen editse kulkevan planeetan kaasukehän läpi tuottaen havaittavia muutoksia teleskooppeihimme saapuvaan valoon. Vesihöyry planeetan kaasukehässä voidaan siten havaita suoraa, joskin sen merkkien kaivaminen esiin havainnoista on jo itsessään matemaattisen datankäsittelyn taidonnäyte. Havainnoissa on kuitenkin jo onnistuttu ja esimerkiksi planeetan K2-18 b kaasukehässä on vesihöyrystä koostuvia muodostelmia — niitä kutsutaan meille tutummin pilviksi. Joidenkin planeettojen pintaa kuitenkin peittää jopa tuhansien kilometrien paksuinen valtameri ohuen, pelkistävän pääosin vedystä koostuvan kaasukehän alla. Niiden merissä voi olla runsaasti elämää, jota emme voi koskaan päästä tarkastelemaan lähemmin.
Omalla planeetallamme meret pysyvät nestemäisessä olomuodossaan, koska Auringon säteily ja ilmakehämme kaasujen tuottama kasvihuoneilmiö pitävät pinnan lämpötilan sopivana, jotta vesi pysyy nestemäisessä olomuodossaan. Koemme sääilmiöitä kuten sadetta sen eri muodoissaan, koska vesi voi höyrystyä planeettamme pinnalla tiivistyäkseen taas pisaroiksi ylempänä kaasukehässä, jossa lämpötila on alhaisempi. Lämpötilan lisäksi oleellisia ovat paine ja kaasukehän koostumus, joka Maassa on muuttanut muotoaan useaan otteeseen planeettamme historian aikana. Primitiivinen, pelkistävä ja vetypitoinen kaasukehä on ollut mennyttä jo neljä miljardia vuotta. Toisilla planeetoilla sellainen alkuperäinen kaasukehä voi olla paksumpi ja siksi paljon pitkäikäisempi.
Supermaapalloja, joiden pintaa peittää paksu vetypitoinen kaasukehä, on kutsuttu nimellä hyseaaninen planeetta. Ne ovat eksoplaneettojen luokka, jonka olemassaolo on vasta hiljattain selvinnyt uusien avaruusteleskooppien tekemien havaintojen myötä. Kiinnostavaa on, että niiden kaasukehä kykenee ylläpitämään alapuolellaan paksua nestemäisen veden merta, jopa olosuhteissa, joissa tähden säteily ei riitä lämmittämään tarpeeksi. Liian lähellä tähtiä primitiiviset kaasukehät katoavat ja korvautuvat Aurinkokunnastakin tutummilla hiilidioksidipitoisilla kaasukehillä, koska tähden säteilyenergia saa keveimmät vetyatomit karkaamaan avaruuteen jättäen jäljelle vain raskaammat molekyylit. Jos lisänä on sopivasti geotermistä lämpöä, hyseaanisten supermaapallojen meret voivat pysyä nestemäisessä muodossaan kymmenien vuosimiljarden ajan jopa kaukana tähtien lämmittävästä vaikutuksesta.
Arviot hyseaanisten supermaapallojen elinkelpoisuudesta perustuvat tietokonesimulaatioihin, joissa on tutkittu planeettojen fysiikkaa erilaisilla ominaisuuksilla. Koska emme voi vain havaita erilaisia planeettoja ja tutkia niiden koostumusta suurimmillakaan teleskoopeilla, jäävät tietokonesimulaatiot ainoaksi tavaksi koettaa ymmärtää eksoottisten planeettojen fysiikkaa. Tulokset ovat kuitenkin yllättäviä vain omassa rajoittuneessa kontekstissamme. Se, että Aurinkokunnassa ei ole ainuttakaan hyseaanista, primitiivisen kaasukehän omaavaa supermaapalloa, on ehkä vain sattumaa, eikä kerro mitään niiden yleisyydestä maailmankaikkeudessa. Ne vaikuttavat kuitenkin olevan jopa maankaltaisia planeettoja yleisempiä, joten vetykehien alla syvissä merissä esiintyvä elämä saattaa olla oman planeettamme matalien merien ja mantereiden täyttämää elämää yleisempää. Mielenkiintoista on sekin, että joidenkin hyseaanisten planeettojen meret ja siten elinkelpoisuus voivat säilyä jopa siinäkin tilanteessa, että ne sinkoutuvat tähtensä kiertoradalta avaruuteen tähtienvälisiksi planeetoiksi.
Kysymysmerkkejä kuitenkin riittää ja hyseaanisten supermaapallojen elinkelpoisuuteen vaikuttaa monta muutakin tekijää. Kriittistä on esimerkiksi se, kuinka paksu primitiivinen kaasukehä sattuu olemaan. Pisimpään nestemäistä vettä kykenevät ylläpitämään jopa kymmenen kertaa Maata massiivisemmat supermaapallot, joiden kaasukehä on massaltaan kymmenesosan Maapallon massasta. Sellaisen massiivisen vetykehän suojissa meret voivat periaatteessa virrata korkeassa paineessa vapaana jopa yli 50 miljardia vuotta. On silti selvää, että olosuhteet ovat silloin täysin poikkeavat siitä, mitä Maapallolla esiintyy ja emme tiedä voiko sellaisissa olosuhteissa esiintyä eläviä organismeja. Asiaa saattavat lähitulevaisuudessa valaista James Webb -avaruusteleskoopin havainnot hyseaanisista planeetoista.
3 kommenttia “Eksoplaneettojen elämän täyttämät meret”
Vastaa
Nopeasti etenevä eksoplaneettojen tutkimus
Modernin tähtitieteen aikakautena tiede tapahtuu ajoittain kirjaimellisesti silmiemme alla. Se, minkä saamme selville tänään voi olla vanhentunutta tietoa jo heti huomenna. Se pätee erityisesti yhdellä tieteenalan nuorimmista haaroista, eksoplaneettatutkimuksessa — ajoittain uudet instrumentit päivittävät tieteellistä tietämystä uusilla, tarkemmilla havainnoillaan yhdessä rysäyksessä. James Webb -avaruusteleskooppi on parhaillaan mullistamassa tietomme maailmankaikkeuden varhaisista galakseista ja niiden synnystä, planeettojen ja planeettakuntien moninaisuudesta ja rakenteesta sekä monesta muusta tähtitieteen tutkimuskohteesta, josta voi saada tietoa infrapunasäteilyn aallonpituuksilla.
WASP-96 b on aivan tavanomainen kuuma jupiter. Kuten ensimmäinen löydetty auringonkaltaista tähteä kiertävä eksoplaneeta 51 Pegasi b, WASP-96 b on keveämpi kuin Jupiter mutta sen kaasukehä on kovassa kuumuudessa laajentunut ja planeetan halkaisija onkin Jupiterin halkaisijaa suurempi. Kyse on varsin tavallisesta kuumasta jupiterista, joita löytyy karkeasti joka sadannen auringonkaltaisen tähden kiertoradalta. Erityiseksi planeetan kuitenkin tekee se, että JWST suunnattiin sitä kohti aivan ensimmäisten kohteiden joukossa teleskoopin aloitettua tieteellisen työskentelynsä heinäkuun puolessa välissä. WASP-96 b kulkee tähtensä editse, joten sen kaasukehän havainnointi on mahdollista ennätyksellisen tarkasti James Webb -avarusteleskoopin spektrometrillä. Transmissiospektroskopialla voidaan siten tutkia planeetan kaasukehän koostumusta, vaikka se on peräti runsaan tuhannen valovuoden päässä meistä. JWST ei ole kuitenkaan ensimmäinen teleskooppi, jolla planeetan WASP-96 b koostumusta on koetettu selvittää.
Tyypilliseen tapaan, planeetan WASP-96 b ominaisuuksista oli tiedossa vain sen halkaisija ja massa, kun löytö raportoitiin vuonna 2014. Tarjolla oli myös arvio planeetan laskennallisesta pintalämpötilasta perustuen tunnettuun tähden säteilyyn sen rataetäisyydellä mutta sen enempää tietoa on likimain mahdotonta saada tarkastelematta planeetan kemiallista koostumusta. Vuonna 2018 julkaistut spektroskooppiset havainnot tuottivatkin uutta tietoa. WASP-96 b:n taivaan havaittiin olevan niin kirkas, että natriumin absorptiospektrin viivat olivat havaittavissa mahdollistaen natriumin määrän mittaamisen planeetan kaasukehässä. Tyypillisesti kuumien jupiterien (tai saturnusten) kaasukehien yläosat ovat niin paksujen pilvien peitossa, että natriumin määrää on mahdotonta mitata, joten samalla saatiin vahvistus planeetan kaasukehän pilvettömyydestä. Kyseessä on siis kuuma jupiter, jolla aurinko paistaa aina.
Havainto natriumista sai vahvistuksen heinäkuun ensimmäisellä viikolla, kun natriumin merkit noin 0.60 mikrometrin aallonpituusalueella havaittiin toisellakin instrumentilla. Samalla sai vahvistuksensa planeetan pilvettömyys. Planeetan spektrissä (Kuva 1.) näkyy kuitenkin myös veden merkkejä — noin 1.15 ja 1.40 mikrometrin kohdalla planeetan näennäinen koko näyttää hiukan suuremmalta, koska kaasukehän vesimolekyylit suodattavat valoa voimakkaammin. Vain vajaata viikkoa myöhemmin julkaistiin ensimmäinen James Webb -avaruusteleskoopin havaitsema spektri. Sen mukaan vettä on tosiaan runsaasti planeetan kaasukehässä (Kuva 2.) mutta spektristä käy ilmi myös vesihöyryn muodostaman usvan ja pilvien olemassaolo. Planeetan taivas ei siten olekaan kirkas, vaan vesihöyry muodostaa pilviä myös sen taivaalla — niiden havainnointi vain ei ollut mahdollista ennen JWST:n huikeaa tarkkuutta.
Vettä on havaittu eksoplaneettojen kaasukehistä ennenkin. JWST kykeneen kuitenkin havaitsemaan veden merkkejä kaukaisten eksoplaneettojen kaasukehistä huomattavasti herkemmin kuin aiemmat olemassaolevat instrumentit ja se onnistui havainnossa jo ensimmäisellä yrityksellään. Voimme toistaiseksi vain arvailla mitä tuloksia saadaan, kun JWST suunnataan kaukaisten jättiläisplaneettojen sijaan havaitsemaan läheisiä kiviplaneettoja ja veden merkkejä niiden kaasukehistä. Arvailua ei kuitenkaan tarvitse jatkaa kauan, koska läheiset TRAPPIST-1 -järjestelmän kiviplaneetat ovat jo lähitulevaisuudessa teleskoopin havaintojen kohteena. Ehkäpä saamme jo tämän vuoden puolella selville jonkin järjestelmän planeetoista olevat vetinen, merten peittämä planeetta Maan tapaan. Se olisi valtava askel eteenpäin etsiessämme merkkejä elämästä toisten tähtien planeettakunnissa. Ja vaikka vettä ei havaittaisikaa kiviplaneettojen kaasukehistä, uutta tietoa saadaan lähitulevaisuudessa varmasti, koska eksoplaneettatutkimus on murrosvaiheessa ja etenee jatkossakin kiihtyvällä vauhdilla.
Voisi ajatella, että hyseaanisen tai muunkinlaisen planeetan meren syvyydellä on suuri merkitys elämää etsittäessä. Niin hyvä kuin veden riittävyys onkin sen täytyy olla myös sopivan matalaa.
Vaikka Maan merissä löytyy elämää syvänteiden pohjallakin, elämä niissä on voimakkasti kuitenkin keskittynyt mataliin vesiin, jossa paine on vähäisempää ja valon määrä suurempaa. Siellä on maapallon elämän ja nykyisen pitkän ravintoketjun alku. Kuten tiedetään, elämän monimuotoisuus maapallolla on nimenomaan pitkän ravintoketjun seurausta. Ravintoa löytyy toki syvänteistäkin, mutta se vähäinenkin on tavalla tai toisella merten matalien, valoisien pintavesien tuottamaa.
Olenko ihan väärässä, jos väitän ettei eksoplaneettojen merten suuresta syvyydestä, siis veden suuresta määrästä, ole sinänsä hyötyä elämän synnylle ja olemassaololle, koska syvänteistä puuttuu valon puutteen ja suuren paineen vuoksi ravintoa. Planeettojen merissä pitää siisi olla myös matalikkoja. Ilman ravintoa, siis energiaa, kun eksoottinenkaan elämä ei voine kehittyä yksisoluista monimuotoisemmaksi, jos sellaiseksikaan.
Merten mataluus on yksi Maan uniikin, monimuotoisen elämän monista perusedellytyksistä. Miten ihmeellä pystyttäisiin selvittämään eksoplaneetoilla esiintyvän veden soveltuvuus myös elämän synnylle ja ylläpitämiselle eikä vain veden olemassaolo sinänsä?
On voimakasta spekulaatiota koettaa päätellä jotakin muiden hypoteettisten planeettojen elämästä perustuen siihen, mitä näemme omalla planeetallamme. Kuitenkin, vaikkapa mikrobit pärjäävät aivan mainiosti oman planeettamme merissä pinnalta syvänteisiin. Niitä esiintyy runsain mitoin jopa kilometrien syvyydessä merenpohjien alapuolella peruskallion sisällä. Vaikka kova paine saattaakin asettaa reunaehtoja erityisesti monisoluisille organismeille, ei se tunnu vaivaavan mikrobeja kovinkaan voimakkaasti. En siis itse olisi valmis spekuloimaan sillä, että elämän esiintymisen mahdollisuudet tällaisten vetisten supermaapallojen olosuhteissa olisivat kovinkaan rajoitettuja, vaikka ne toki poikkeavat siitä, mihin omalla planeetallamme olemme tottuneet.
Elämä tarvitsee vettä, ravinteita ja energialähteen. Pohjan lähellä on ravinteita ja vettä, mutta energialähteen pitäisi olla vulkaaninen. Pinnassa on vettä ja valoa, mutta lämpötilakerrostuneisuuden takia ravinteita puuttuu, paitsi mahdollisen napajäätikön lähellä missä vesipatsas on tasalämpöinen ja siten sekoittuva. Ehkäpä siis syvänkin meren planeetta voisi kelvata elämälle, jos se on riittävän viileä jotta navoilla on kelluvat jäätiköt.
Voisin kuvitella että kirkkaat valkoiset jäätiköt olisi yksi ensimmäisistä jutuista jotka pystyisi tunnistamaan, jos saadaan iso teleskooppi jolla nähdään eksoplaneetan heijastusvalokäyrä edes karkeasti.