Arkisto

• maaliskuu 2023
• helmikuu 2023
• tammikuu 2023
• joulukuu 2022
• marraskuu 2022
• lokakuu 2022
• syyskuu 2022
• elokuu 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

---

Eksoplaneettojen yhteyttävän elämän vyöhyke

13.3.2023 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Punaiset kääpiötähdet ovat lukumäärältään galaksimme ja koko maailmankaikkeuden yleisimpiä tähtiä. Lähes kolme neljästä tähdestä on punaisia kääpiötähtiä jo Auringon lähinaapurustossa, joten myös meitä lähinnä sijaitsevat eksoplaneettakunnat ovat tyypillisesti punaisten kääpiötähtien järjestelmissä. Kyseessä on kuitenkin himmeiden, likimain täysin punertavaa valoa säteilevien tähtien joukko, jonka ominaisuuksien tutkiminen on muita tähtityyppejä vaikeampaa siitä yksinkertaisesta syystä, että himmeys vaikeuttaa havaitsemista. Punaiset kääpiöt eivät loista taivaalla kirkkaina, paljain silmin havaittavina kohteina, vaan niiden tarkkailuun vaaditaan aina teleskooppeja. Kolme Aurinkoa lähinnä sijaitsevaa punaista kääpiötä — Proxima Centauri, Barnardin tähti ja Wolf 359 löydettiinkin vasta 1900-luvun alkupuolella, kun havaittiin niiden ominaisliikkeen taivaalla olevan niin suurta, että tähtien täytyi olla hyvin lähellä.

Viimeisen vuosikymmenen aikana, tehokkaiden eksoplaneettojen etsintään erikoistuneiden avaruusteleskooppien myötä, on tullut selväksi, että punaisia kääpiöitä kiertää myös hyvin usein joukko monella tapaa maankaltaisia kiviplaneettoja. Ne esiintyvät tyypillisesti tiukkaan pakatuissa järjestelmissä, joissa planeetat kiertävät tähtiään hierarkisilla radoilla hyvin lähellä toisiaan ja tähteään. Punaisten kääpiöiden heikko, punaisille aallonpituuksille keskittynyt säteily ei kuitenkaan kuumenna sellaisia planeettoja elinkelvottomiksi, vaan niistä moni — keskimäärin jopa yksi planeetta kahta tähteä kohti — on sopivassa lämpötilassa, jotta vesi voi pysyä niiden pinnoilla nestemäisessä olomuodossaan. On mahdollista, että jopa valtaosa maailmankaikkeuden elämästä esiintyy punaisten kääpiötähtien kiertoradoilla ja oma kuumemman, keltaisen tähden järjestelmämme on poikkeus. Ne ovat joka tapauksessa mielenkiintoisia kandidaatteja elinkelpoisiksi planeetoiksi mutta vaikka voimme spekuloida miltä niiden pinnoilla näyttää, emme oikeastaan tiedä paljoakaan voisiko esimeriksi maankaltainen yhteyttämiseen perustuva elämä edes kukoistaa niin kovin erilaisissa valaistusolosuhteissa. Jo elämän esiintyminen on epävarmaa, koska lähellä tähteään, punaisten kääpiöiden planeetat saattavat kärsiä tähden voimakkaista purkauksista ja hiukkastuulesta.

---

Elämän mahdollisuuksia selviytyä ja kukoistaa punaisten kääpiötähtien kiertoradoilla ei tietenkään voida tutkia paikan päällä, vaan on tyydyttävä laboratoriossa tapahtuvaan tutkimukseen. Voimme testata vaikkapa minkälaisia säteilyolosuhteita oman planeettamme mikrobit pystyvät sietämään niiden elintoimintojen vaarantumatta. Tiedämme esimerkiksi sen, että monet mikrobit voivat sietää säteilyolosuhteita, jotka olisivat ihmiselle tappavia — mikrobit selviävät avaruuden olosuhteissa alttiina tyhjiölle ja kosmiselle säteilylle ja kukoistavat jopa maanpäällisissä ydinreaktoreissamme, joissa säteilyannos ylittää kaikki turvallisuusstandardit sekunneissa. Näistä ekstremofiileistä Deinococcus radiodurans on niin kestävä, että se löytyikin sattumalta, kun säilykeruokaa koetettiin steriloida gammasäteilyllä ja havaittiin ruoan kaikista yrityksistä huolimatta pilaantuvan mikrobitoiminnan ansiosta. Bakteerit siis kykenevät selviämään haastavissa olosuhteissa mutta kykenevätkö ne myös yhteyttämään eksoplaneettojen eksoottisissa säteilyolosuhteissa ja muodostamaan siten perustan punaisten kääpiötähtien biosfääreille?

Omalla planeetallamme sinilevät eli syanobakteerit ovat yhteyttämisen pioneereja. Ne keksivät kauan sitten evoluutionsa saatossa tavan sitoa Auringon säteilyenergiaa kemialliseksi sidosenergiaksi, ja oppivat siten tuottamaan niin energiaa kuin kasvun ylläpitämiseen vaadittavia monimutkaisia orgaanisia molekyylejä. Kun bakteerien symbioosi suurempien solujen kanssa sai sitten alkunsa ja syntyi monisoluisia organismeja, jotka käyttivät soluihinsa vangittuja sinileviä yhteyttämiseen, luotiin edellytykset koko planeettamme pinnan vihertymiselle yhteyttämiseen kykenevien organismien vallatessa merten lisäksi kuivan maan. Kasvienkin yhteyttäminen perustuu kuitenkin sinileviin, joiden kasvisolujen sisällä kasvavia jälkeläisiä kutsutaan viherhiukkasiksi. Siksi juuri sinilevien ominaisuuksien tutkiminen on oleellisessa roolissa yhteyttämisen mahdollisuuksien astrobiologisessa tutkimuksessa.

Samanlaiset olosuhteet tuottavat konvergentin evoluution myötä samankaltaisia ratkaisuja, ja siksi voidaan mainiosti olettaa elävien organismien keksivän evoluution saatossa tehokkaita mekanismeja muuttaa säteilyenergiaa käyttökelpoisempaan muotoon. Silloin voisi muodostua kasvillisuutta, ja biosfäärejä, jotka muistuttaisivat oman planeettamme vihreitä metsiä ja meriä, joissa yhteyttävä elämä luon pohjan pitkille, monisäikeisille ravintoketjuille ja -verkostoille. Ei kuitenkaan ole selvää, että yhteyttävä elämä voisi kukoistaa kaikkien tähtien planeettakunnissa. Juuri punaisten kääpiötähtien planeetat voivat kärsiä siitä, että niiden pinnoilla ei ole riittävästi sopivan energeettistä säteilyä yhteyttämiseen.

---

Kirkaskin valo voi näyttää himmeältä vain, koska havaitsijan silmät eivät ole erikoistuneet sen sisältämien aallonpituuksien havaitsemiseen. Kyse on molekyylitason mekanismista, jossa kompleksiset orgaaniset molekyylit virittyvät kemiallisesti, kun niihin osuu sopivan energian, eli aallonpituuden, omaava fotoni. Sinilevien klorofyllimolekyylit toimivat samaan tapaan kasvimaailman tuotantoyksikköinä varastoiden valosta saamansa energian orgaanisten molekyylien rakenne-energiaksi. Yhteyttämiseksi kutsuttua reaktiota kykenevät kuitenkin ylläpitämään monet erilaiset klorofyllimolekyylien versiot, ja niiden pienet erot herkkyydessä säteilyn energialle on valjastettu käyttöön erilaisissa planeettamme säteilyolosuhteissa. Jo molekyylien moninaisuus kertoo, että yhteyttävä elämä tulee varsin hyvin toimeen monenlaisessa valossa. Tutkijat päättivät silti varmistaa asian laboratoriossa.

Koska tiedämme minkälaista valoa punaiset kääpiötähdet loistavat, voimme luoda laboratorio-olosuhteisiin samanlaisen valomaailman ja kokeilla miten maanpäälliset sinilevät sopeutuvat olosuhteisiin. Tehtyään kokeen tutkijat saivat tuloksen, joka ei yllättänyt ketään: sinilevät voivat mainiosti punaisen valon laboratorio-olosuhteissa, ja käyttivät hyväkseen klorofyllimolekyyliensä herkkyyttä punaisen valon aallonputuuksilla ja -energioilla. Ne kukoistivat mainiosti aivan kuin olisivat kotonaan punaisen tähden tuottamassa valossa. Tulos ei ole yllättävä, koska tiedämme sinilevien elävän merenpinnan alapuolella, niin syvällä, että vain punaista valoa on enää jäljellä sinisten aallonpituuksien sirottua pois. Tulos siis kertoo vain oman planeettamme elävien organismien sopeutumiskyvystä, mutta evoluution lahjomattomat lainalaisuudet takaavat sen, että jos kyky yhteyttää syntyy jollakin punaisen kääpiötähden planeetalla, on sillä täydet mahdollisuudet kukoistaa aivan kuten Maassakin.

Pelkkä yhteyttämiseen soveltuva tähden säteily ei kuitenkaan riitä varmistamaan elämän edellytyksiä, vaan on oltava myös nestemäistä vettä. Kaiken tietämämme mukaan, vesi on elämän edellytys, universaali liuotin, jonka märässä mediassa elämäksi kutsutut biokemialliset reaktiot voivat tapahtua. Mutta valo ei ole yhteyttämiselle otollista yhtä yhtä laajalti kuin nestemäisen veden olemassaolo on mahdollista. Lukemattomat vetiset planeetat saattavat olla paksun kaasukehän peitossa, joka estää tehokkaasti valon pääsyn planeettojen pinnoille tehden fotosynteesistä mahdotonta. Toisaalta, kaasukehän ollessa harva, valo kyllä läpäisee sen mainiosti, mutta sen paine ei välttämättä riitä pitämään vettä nesteenä ja elämän esiintymiselle ei ole edellytyksiä. Siksi on tarkoituksenmukaista tarkastella planeettojen olosuhteita molempien mittareiden suhteen. Yhteyttävän elämän vyöhyke on siihen soveltuva työkalu (Kuva 1.).

Arviot yhteyttävän elämän vyöhykkeestä ovat suorastaan musertavia punaisten kääpiötähtien elämälle. Vyöhyke on arvioiden mukaan likimain yhtä laaja kuin itse nestemäisen veden elinkelpoinen vyöhyke mutta vain, jos planeetan kaasukehä on erittäin harva ja päästää kaiken tähden valon lävitseen. Maapallonkaltaisille ilmakehän omaaville planeetoille vyöhyke on hyvin kapea, ja se häviää olemattomiin kun tähti on massaltaan alle puolet Auringon massasta. Silloin likimain jokainen punainen kääpiötähti rajautuu pois niiden tähtien joukosta, joiden planeetoilla yhteyttävää elämää voisi esiintyä. Se taas tarkoittaa, että maailmankaikkeudessa voi olla kymmeniä tai jopa satoja kertoja enemmän sellaisia planeettoja, joiden pinnalla nestemäinen vesi kyllä pääsee virtaamaan mutta joilla elämä ei voi käyttää yhteyttämistä energiantuotantoon.

Jos arviot osuvat oikeaan, on mahdollista, että kosmisessa lähinaapurustossamme on kyllä runsaasti eläviä planeettoja, joiden perustuottajat tyytyvät energeettisesti tehottomampiin mekanismeihin aineenvaihdunnassaan. Niissä ei silloin synny yhtä pitkiä ravintoketjuja, eikä ehkä edes monisoluista elämää, joka voisi lopulta kehittää teknologisia sivilisaatioita. On kuitenkin liian aikaista sanoa millään varmuudella mikä on totuus ja kuinka yleisiä yhteyttävän elämän täyttämät planeetat todellisuudessa ovat. Toistaiseksi voimme vetää johtopäätöksiä perustuen vain yhteen ainoaan tunnettuun esimerkkiin elävien orgamismien monimuotoisuudesta ja toimintakyvyistä.

---

Ei edelleenkään merkkejä vieraista teknisistä sivilisaatioista

20.2.2023 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat

Etelä-Suomen vuoroin vetisessä ja vuoroin jäisessä talvessa on usein varminta edetä iltakävelyllä tuijottaen jalkoihinsa, jotta voi nähdä paremmin vaaranpaikat ja välttyä liukastumisilta ja ikäviltä tapaturmilta. En kuitenkaan poikkeuksellisesti tuijottanut jalkojeni alla olevaa jäistä maata, vaan taivaalle, koska pitkän, usean viikon pilvisemmän jakson katkaisi tähtikirkas yö ja ylläni loistivat kymmenet kirkkaat tähdet. Kun vain satuin kävellessäni rittävän kauaksi lähimmistä katuvaloista, saatoin nähdä taivaalla tuttuja valopisteitä huolimatta taustan valosaasteesta. Pysähdyin pimeän puiston laitaan ja katsoin miten Mars loisti taivaalla punertavassa värissään punaisen jättiläistähden Aldebaranin ja Pleiadien seitsemän sisaruksen vieressä. Katsoessani lähemmäs taivaanrantaa näin Jupiterin tutun loisteen mutta sen alapuolella, aivan puurajassa oli toinen, Jupiteria huomattavasti kirkkaampi kohde, joka välkkyi punaista ja sinistä valoa hyvin epäsäännöllisesti aivan kauimmaisten rakennusten kattojen yllä.

Tavallisesti taivaan valot eivät saa kokenutta tähtitieteilijää hätkähtämään mutta tajusin, että näkemäni kohteen etäisyyden määrittäminen oli kiusallisen hankalaa. En osannutkaan sanoa oliko se ilmakehän sisä- vai ulkopuolella. Se vilkkui aktiivisesti ja vaikutti liikkuvan mutta pysähtyessäni paikalleni tarkkailemaan, en voinut havaita kohteen liikettä. Se ei ollut radiomaston valo, eikä kauempana lentävä lentokone. Tähdeksi kohde oli aivan liian kirkas ja se näytti kuin roikkuvan ilmassa kiusatakseen minua näytöksellään.

Havaitsemani taivaanrannassa vilkkuva kirkas valo ei kuitenkaan ollut merkki vieraan sivilisaation edustajista, eikä myöskään mikään oman teknologisen sivilisaatiomme tuotos, vaan kyse oli luonnollisesta valoilmiöstä. Vaikka tyypillisesti ajatellaan, että taivaan tähdet voidaan erottaa planeetoista sillä, että tähdet tuikkivat mutta planeetat eivät, ilmakehän kaoottinen pyörteily vaikuttaa myös planeetoista silmiimme saapuvaan valoon. Jos vain välissä on riittävän paksulti riittävän turbulenttia ilmakehäämme, myös Venuksen kirkas valo saattaa näyttää skintilloivan ja se tuikkii kuin tähti vaihtaen välillä hetkeksi jopa väriään reunoistaan joidenkin aallonpituuksien sirotessa hetkeksi pois näkyvistä. Havaitsin Venuksen kirkkaan loisteen taivaanrannassa. Se oli lähellä horisonttia, mikä tarjoaa vertailupisteen ja luo illuusion valonlähteen liikkeestä, jos havaitsija itse on liikkeessä. Valo myös kulkee maksimaalisen pitkän matkan ilmakehämme läpi antaen ilmakehän kaoottisille pyörteille mahdollisuuden vaikuttaa valoon mahdollisimman voimakkaasti. Se tuottaa tuikkimisen ja värinvaihtelut. Jaksollisesti mediassa palstatilaa saaneista, kuvitelluista vieraiden sivilisaatioiden lentävistä aluksista ei ollut kyse.

---

Jos niistä ylipäätään on syytä uutisoida, jokaisen median tulisi kirjoittaa ajoittaisista tunnistamattomista lentävistä esineistä kertovista huhupuheista kuten Ars Technican toimittaja Eric Berger: ”Kyse ei ole alieneista. Kyse ei todennäköisesti koskaan tule olemaan alieneista. Joten lopettakaa. Olkaa hyvä ja lopettakaa.” Mutta journalistit tuskin lopettavat, koska ihmiset haluavat kuulla spekulaatioita vieraiden sivilisaatioiden edustajien visiiteistä. Tunnistamattomat lentävät esineet eivät kuitenkaan ole merkkejä sellaisista, vaan niillä on aina luonnonilmiöihin tai ihmiskunnan omaan teknologiaan liittyvä selitys, vaikkemme sitä oikeaa havaintoja selittävää tekijää aina keksisikään. Aivan kuten näkemäni taivaanrannassa välkkyvä värikäs kohde ei ollut vieraan sivilisaation avaruusalus, ei mikään toistaiseksi havaitsemamme avaruuden tai ilmakehän asia, valo tai ilmiö vaadi selityksekseen sellaista. Havaintojen epäselvyys tai näennäinen selittävien tekijöiden puute ei riitä todistusaineistoksi toisen planeetan avaruusolentojen vierailusta. Sellaisen vierailun voidaan katsoa tapahtuneen vasta, kun asian taustalla on kiistämättömän vankkoja havaintoja. Erityisen fantastiset tieteelliset havainnot kun tarvitsevat taustalleen erityisen vankkaa todistusaineistoa — ja kyse tosiaankin on havainnosta, jota voidaan tarkastella tieteellisen metodin järkähtämättömien vaatimusten puitteissa.

Ei ole tietenkään mitään syytä miksei vieras, teknisesti riittävän kehittynyt sivilisaatio voisi olla kiinnostunut planeettamme biosfääristä ja omasta lajistamme. On mainiosti kuviteltavissa, että sellaisessa tilanteessa tulisi kyseeseen robottiluotainten lähettäminen paikanpäälle tutkimaan elävää planeettaamme lähemmin — jo pelkkä tieteellinen mielenkiinto voisi riittää motiiviksi. Lähetämmehän mekin robottejamme tutkimaan toisia planeettoja ja kuita, vaikkakin toistaiseksi vain oman planeettakuntamme puitteissa. Asiassa on kuitenkin noudatettava positiivisen todistusaineiston periaatetta. Vain todistusaineisto toisen sivilisaation teknologiasta antaa mahdollisuuden vetää johtopäätöksiä sellaisen olemassaolosta planeetallamme tai sen lähettyvillä. Se, että hatara todistusaineisto ei anna mahdollisuutta sanoa millään varmuudella mistä jossakin tietyssä havainnossa oli kyse ei ole todisteena minkään arvoinen. Vaikka emme kykene osoittamaan minkään luonnonilmiön tai ihmistoiminnan olevan syynä johonkin tehtyyn havaintoon, ei ole minkäänlaista syytä kehitellä fantastista hypoteesia toiselta planeetalta saapuneiden alieneiden vierailusta paikkaamaan tiedonpuutettamme. Asiaan liittyy tiiviisti pyrkimys selittää tieteelliset havainnot mahdollisimman yksinkertaisesti. Vieraan teknisen sivilisaation keksiminen selitykseksi on likimain vastakohta selityksen yksinkertaisuudelle — on suunnattoman paljon todennäköisempää, että kyse on vaikkapa silkasta havaintovirheestä.

---

Olen kirjoittanut aiheesta aiemminkin outojen radiosignaalien havaintojen yhteydessä. Silloinkaan ei ollut mitään kunnollista perustelua sille, että tulisi rakentaa monimutkaisia hypoteeseja vieraan teknisen sivilisaation teknologiasta. Jotkut tähtitieteilijät kuitenkin spekuloivat edelleen jopa kiusallisen äänekkäästi sillä mahdollisuudella, että Aurinkokunnassa on jo käynyt vieraita. Aiheesta nimittäin paasaa säännöllisesti Harwardin yliopiston Avi Loeb, jonka jaksolliset kommentit koskien milloin tähtienvälistä komeettaa ’Oumuamua tai spekulaatioita Proxima Centauri b:n hypoteettisen sivilisaation keinovalojen havaitsemisesta tuottavat nykyisellään tähtitieteilijöiden keskuudessa lähinnä voimakasta myötähäpeän tunnetta.

Ei ole edelleenkään mitään perusteita arvella ’Oumuamuan olevan vieraan sivilisaation luotain, koska kaikki siitä tehdyt havainnot ovat kappaleen luonnollisen syntyprosessin tukena. Silti Loeb kirjoittaa asiasta itsevarmaan sävyyn, kertoen, miten tulkintamme kappaleen luonnollisesta luonteesta voi olla väärä. Se on tietenkin totta. Mikä vain havainto tai sen tulkinta saattaa tulevaisuudessa osoittautua vääräksi, jos vain saamme havaintoja, jotka osoittavat sen kiistatta. Ja siinä Loebin ongelma piileekin. Koska sellaisia havaintoja ei ole, pidämme todenäköisimpänä selitysmallina sitä, että havaitsemamme universumin ilmiöt ovat seurausta luonnollisista prosesseista, tai korkeintaan omasta teknologiastamme. Selitysmalliksi ei voida kelpuuttaa huikean monimutkaista oletusta muualta tulleista vieraan teknisen sivilisaation edustajista ennen kuin sellaisista saadaan vankkaa todistusaineistoa. Ja nykyisellään sellaista todistusaineistoa ei yksinkertaisesti ole olemassakaan.

---

Elinkelpoisuuden takaava ja tuhoava vesi

6.2.2023 klo 12.02, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat

Nestemäinen vesi on elämän edellytys — ainakin sellaisen elämän, jota omalla planeetallamme esiintyy. Vesi on erinomainen liuotin tarjoten median, jonka sisällä elämän tarvitsemat kemialliset reaktiot voivat tapahtua. On vaikeaa kuvitella mitään muuta vastaavaa liuotinta, joka toimisi elämän kemian perustana yhtä hyvin. Vesimolekyyli on polaarinen molekyyli, joka muodostaa siksi sidoksia monenlaisten yhdisteiden kanssa muttei rasvojen kanssa, mikä edesauttaa solukalvojen muodostumista veteen liukenemattomista rasvamolekyyleistä. Olemme syntyneet vedestä ja kannamme vettä mukanamme jokaisen solumme sisällä, jotta elämäksi kutsutut monimutkaiset orgaanisen kemian reaktiot voivat tapahtua kontrolloidusti. Siksi vesipitoiset planeetat ovat jo pitkään olleet kiinnostavia kohteita toisiksi eläviksi planeetoiksi. Myös muualla veden peittämät planeetat ovat saattaneet synnyttää biosfäärejä, joissa valtaisa elämän kirjo noudattaa evoluution lainalaisuuksia kuten omallakin planeetallamme. Vesi ei kuitenkaan takaa automaattisesti elämän edellytyksiä kaikissa olosuhteissa, vaan saattaa toisinaan jopa estää elämän esiintymisen.

Yksi suhteellisen tuore tähtitieteilijöiden määrittämä planeettatyyppi — valtameriplaneetat — saattaa tarjota yhden vastaesimerkin. Kun vettä on planeetan pinnalla satojen tai jopa tuhansien kilometrien paksuinen kerros, se voi kyllä muodostaa vapaana virtaavan meren mutta estää elämän synnyn ja siten biosfäärin muodostumisen. Esimerkin tarjoavat Kepler-138 järjestelmän kaksi supermaapalloa, jotka paljastuivat hiljattain valtameriplaneetoiksi. Syvällä niiden sisuksissa vesi on kovassa paineessa puristuneena eksoottisiksi jään muodoiksi, eikä enää virtaakaan nestemäisenä. Silloin kosketuspintaa nestemäisen veden ja geologisesti aktiivisen kallioperän välillä ei enää synny, ja geologisen energiagradientin valjastaminen elollisten organismien aineenvaihdunnaksi abiogeneesissä, eli elämän synnyssä elottomista prosesseista, muuttuu epätodennäköisemmäksi. Emme tietenkään voi väittää elämän synnyn olevan sellaisten planeettojen sisuksissa mahdotonta mutta olosuhteet vaikuttavat tekevän siitä vähintäänkin hankalampaa. Siksi meriplaneettojen ja hyseaanisten planeettojen syvissä vesissä voi olla heikentynyt mahdollisuus elämän synnylle.

Selvästi siis veden määrä kontrolloi eksoplaneettojen elinkelpoisuutta. Jos vettä ei ole tai se ei ole nestemäisessä olomuodossaan, on vaikeaa nähdä miten elämän vaatima kemiallisten reaktioiden kirjo voisi saada alkunsa ja pysyä käynnissä. Jos vettä taas on liiaksi, sen määrä estää tyypilliset kiviplaneettojen pintakerrosten kemialliset reaktiopolut ja elämän synty voi vaikeutua. Punaisten kääpiötähtien elinkelpoisen vyöhykkeen kiviplaneetat taas kohtaavat aivan oman ongelmavyyhtinsä, mikä aiheutuu pitkälti siitä, että niiden pyöriminen on lukkiutunut vuorovesivoimien vaikutuksesta sellaiseksi, että planeetat näyttävät aina tähdelleen saman puoliskonsa. Se vaikuttaa kaikkeen, mutta ennen kaikkea veteen planeetan pinnalla.

---

Kun planeetan toinen puolisko on jatkuvassa tähden loisteessa ja toinen ikuisessa pimeydessä, syntyy puoliskojen välille voimakas lämpötilaero, jota kaasukehän virtaukset pyrkivät tasaaman. Ero aiheuttaa planeetan elinkelpoisuudelle merkittäviä rajoitteita ja ne koskevat likimain kaikkia punaisten kääpiötähtien elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja. Pohjimmiltaan ongelmat aiheutuvat siitä, että punaiset kääpiöt ovat hyvin himmeitä ja niiden elinkelpoiset vyöhykkeet ovat siksi tähtien lähellä, missä vuorovesivoimatkin ovat merkittäviä ja vuorovesilukkiutuminen yleistä. Koko planeetta ei silloin voi olla elinkelpoinen, vaan planeetan ollessa rataetäisyydeltään kauempana, elinkelpoisuus keskittyy keskelle ikuisen valon puoliskoa. Silloin planeetan pimeä puoli on ikijäässä. Planeetan ollessa hiukan lähempänä, ikuisen keskipäivän alueet ovat liian kuumia ja elinkelpoiset alueet löytyvät planeetan pinnalta rengasmaiselta ikuisen aamuhämärän alueelta. Tällaisia osittaisen elinkelpoisuuden maailmoja on tutkittu runsaasti tietokonesimulaatioilla, koska niistä on erittäin hankalaa saada yksityiskohtaisia tietoja havaitsemalla.

Vaikka tilanne, jossa planeetta on elinkelpoinen vain rengasmaisella ikuisen aamuhämärän vyöhykkeellä, vaikuttaa erikoiselta, simulaatiot kuitenkin osoittavat, että se on hyvinkin fysikaalisesti mahdollinen — mutta ehtona on se, että vettä on vain vähän. Kuuman ja autiomaaksi korventuneen puoliskon ja jään peittämän talvisen pimeyden väliin mahtuu elinkelpoinen rengasvyöhyke vain, jos veden määrä on rajattu ja se ei riitä voimistamaan kasvihuoneilmiötä kuten Venuksen pinnalla. Simulaatiomallien mukaan, valoisan puolen lämpö siirtyy tehokkaasti myös pimeälle puolelle, jos planeetan pinnalla ja samalla kaasukehässä on runsaasti vettä. Se voi samalla merkitä kuoliniskua monien valtameriplaneettojen elämälle, vaikka niiden vesivaipat olisivat vain hyvin maltillisia syvyydeltään.

Mutta pimeä puoli voi myös osoittautua elinkelpoisuuden pelastajaksi. Kun voimakkaat virtaukset tasaavat lämpöä valoisan ja pimeän puoliskon välillä, ne samalla kuljettavat kuumuudessa höyrystynyttä vettä pimeälle puolelle kertyväksi jäätiköksi. Lukkiutuneen planeetan pimeän puoliskon voimakas jäätiköityminen voi kuivattaa planeetan kaasukehää riittävästi, jotta se pysyy osittain elinkelpoisena rengasmaisella vyöhykkeellä. Silloin kaikki riippuu kaoottisen ilmastojärjestelmän oikuista ja siitä, miten planeetta muodostui ja kehittyi geologisesti ja kemiallisesti. Paljon riippuu myös tähden itsensä oikuista ja siitä, ovatko sen hiukkastuuli ja purkaukset maltillisissa rajoissa antaakseen elämälle mahdollisuuden.

Eksoplaneettojen elinkelpoisuutta rajoittaa moni muukin tekijä mutta vesi on ehdottomasti yksi tärkeimpiä elämän esiintymistä rajoittavia tai sen mahdollistavia tekijöitä. Se voi mainiosti liuottaa orgaanisia molekyylejä muillakin planeetoilla ja mahdollistaa pitkät reaktioketjut ja niiden monimutkaiset verkostot, joita kutsumme elämäksi.

---

Ennustaako 300-vuotias laki eksoplaneettojen ratoja?

18.1.2023 klo 11.06, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat

Optisten apuvälineiden avustaman tähtitieteen ottaessa vielä ensiaskeleitaan, 1700-luvun alkupuoliskolla tunnettiin 17 Aurinkokunnan planeettaa. Tuolloin kaikkia suurempia Aurinkokunnan kappaleita kutsuttiin planeetoiksi, mikä olisi lähinnä linjassa geofysikaalisen planeetan määritelmän kanssa. Sen mukaan planeettoja tunnetaan nykyään ainakin 36, kun kutsumme suurimpia kuita sekundäärisiksi planeetoiksi. Oli kuitenkin jo selvää, ettemme tunteneet jokaista järjestelmämme planeettaa ja tutkijat ymmärsivät, että Aurinkokunnassa saattoi piillä vielä monia tuntemattomia kappaleita. Tähtitieteilijät olivatkin huomaavinaan systematiikkaa planeettojen radoissa. Aivan kuin radat noudattaisivat jonkinlaista matemaattista lainalaisuutta ja laskentakaavaa, jonka perusteella planeettojen rataetäisyydet olisi helppoa muistaa. Jokin mekanismi oli saanut planeetat järjestymään kiertoradoille ihmisen selvitettävissä olevan säännön mukaisesti. Mutta mikä sellainen sääntö voisi olla?

Vuosisadan loppupuoliskolla Johann Daniel Titius ehdotti lainalaisuutta, jossa hän jakoi Saturnuksen ja Auringon välisen etäisyyden sataan yhtä pitkään pituusmittaan. Silloin Merkurius olisi 4 mitan etäisyydellä, Venus 4+3 mitan etäisyydellä Auringosta ja Maa 4+6 mitan etäisyydellä. Edelleen, Mars olisi 4+12 mitan päässä, Jupiter 4+48 mitan ja Saturnus itse 4+96 mitan päässä. Numerot on tarkoituksella kirjoitettu summiksi, joissa jokaisessa on asetettu Merkuriuksen etäisyys, 4 mittaa erikseen. Silloin jokaisen muun planeetan etäisyys lasketaan lisäämällä Merkuriuksen etäisyyteen luku 3 kerrottuna luvulla 2 niin monta kertaa kuin planeetan järjestysnumero edellyttää, jos vain Venukselle annetaan järjestysnumeroksi 0. Tässä hämmentävässä laskukaavassa on tavallaan kyse numerologiasta, jossa etsitään planeettojen rataetäisyyksiin sopiva numeroleikki, mutta koska kaava on hämmästyttävän tarkka ja planeettojen todelliset etäisyydet poikkeavat siitä korkeintaan vain muutamia prosentteja, se sai jonkin verran huomiota aikakauden astronomien keskuudessa. Niin Titius kuin hiukan myöhemmin Johann Elert Bode pitivät ilmeisenä, että vaikka etäisyydellä 4+24 ei kuitenkaan ollut tunnettua planeettaa, kyse oli vain siitä, että sellaista ei oltu vielä onnistuttu havaitsemaan. Lakia ei silti pidetty kovinkaan tärkeänä, vaan sen arveltiin olevan ehkäpä vain sattuman tuotosta.

Tilanne kuitenkin muuttui Uranuksen löydyttyä suunnilleen etäisyydeltä 4+192 vuonna 1781. Vuonna 1801 löydetty Ceres puolestaan sattui lähes täsmälleen Marsin ja Jupiterin väliin jääneeseen aukkokohtaan etäisyydellä 4+24. Tuolloin laki vaikutti sopivan tunnettuihin planeettoihin ja samalla onnistuneen ennustamaan kaksi uutta Aurinkokunnan planeettaa, mikä sai luonnollisesti tähtitieteilijät arvelemaan lain taustalla voivan piillä jotakin fysikaalista tietoa planeettakuntamme rakenteesta. Vaikka se ei enää soveltunut tuleviin löytöihin erityisesti Nep

/tunuksen poiketessa valtavasti ennustetusta, Titius-Boden laki jäi ehkäpä yksinkertaisuutensa ja historian menestyksensä vuoksi elämään astronomien keskuuteen ikään kuin kulttuuriperintönä, eikä sitä unohdettu tulevina vuosisatoina. Siitä tuli osa tähtitieteilijöiden kertomakirjallisuutta, ja laki otetaan toisinaan edelleenkin puheeksi käsiteltäessä yliopiston peruskurssilla tähtitieteen historiaa. Modernina aikakautena lakia ja sen monia variaatioita on myös koetettu soveltaa eksoplaneettajärjestelmiin. Sovelluksia on tuskin koetettu siksi, että olisi uskottu niiden voivan osua oikeaan, vaan ennemminkin siksi, että laskut ovat varsin helppoja.

---

Titius-Boden laki on oikeastaan vain yksinkertainen eksponentiaalisen kasvun laki, joka sanoo, että planeettojen väliset etäisyydet kasvavat joka askelmalla samalla kertoimella. Historiallisesti, puhuttaessa Aurinkokunnasta, kertoimena on ollu luku 2, vaikka monia muitakin arvoja on ehdotettu. Helpointa on kuitenkin vain määrittää luku planeettakunnasta sovittamalla matemaattisesti eksponentiaalisen kasvun käyrä planeettojen rataetäisyyksiin. Silloin Aurinkokunnan kertoimeksi saadaan noin 1.72 tai hiukan enemmän, riippuen valitusta laskutavasta. Ja koska Aurinkokunnan planeettojen rataetäisyydet sopivat tällaiseen eksponentiaaliseen lakiin niin kovin hyvin, on tavallaan luonnollista kysyä kuinka hyvin sellaiset lait voisivat ennustaa eksoplaneettajärjestelmien rakennetta.

Ennusteita onkin koetettu tuottaa. Kepler -avaruusteleskoopin ensimmäisten havaintojen jälkeen usean planeetan järjestelmiä on tunnettu jo kymmeniä ja yleistetyn Titius-Boden (YTB) lain pohjalta on ennustettu kymmenien planeettojen olemassaolo tunnetuissa järjestelmissä. Ennusteiden ongelmana on kuitenkin se, että vaikka niiden varmentaminen ei tarkemmilla havainnoilla onnistuisikaan, voidaan aina sanoa, että ennusteen mukaisella radalla oleva planeetta on vain liian pieni havaittavaksi vaikkapa ylikulkumenetelmällä. Vaikka ennustettujen planeettojen olemassaolo olisikin joskus mahdollista sulkea pois tarkastelemalla planeettakunnan stabiiliutta ja osoittamalla, että ennustetulla rataetäisyydellä ei ole stabiileja ratoja, sellaiset tilanteet eivät ole kovinkaan yleisiä. Yhden selvän poikkeuksen tarjoaa harvinainen planeettakunta Gliese 876, jossa poikkeuksellisesti kaksi jättiläisplaneettaa kiertää pientä punaista kääpiötähteä hyvin lähellä sekä tähteä että toisiaan. Planeetat ovat resonanssiradoilla, joilla ulompi kiertää tähden kerran aina sisemmän kiertäessä sen kahdesti. Se on ainutlaatuinen planeettakunta, jonka herkkä tasapainotila ja voimakkaat planeettojen väliset vetovoimat suistaisivat YTB ennusteiden mukaiset sisemmät planeetat välittömästi radoiltaan. Voidaan siis olla varmoja, että minkäänlainen YTB laki ei sovellu Gliese 876 tähden kiertolaisiin.

Toiset tähtitieteilijät ovatkin koettaneet varmentaa YTB-lakien tuottamia ennusteita, koska ennusteita tuottaneiden hypoteesien osoittaminen vääriksi on yksi ehkäpä tärkeimpiä tapoja edistää tieteellistä tutkimusta. Käytyään läpi havaintoja kymmenistä järjestelmistä, joille oli tehty ennusteita uusista planeetoista, tutkijat havaitsivat ennusteisiin sopivia uusia planeettoja vain kourallisen. Tulos sai heidät tylysti toteamaan YTB ennusteiden olevan todellisuudessa luotettavuudeltaan kyseenalaisia. Toteamus tarkoittaa käytännössä sitä, että ennustettu planeetta voi joskus olla olemassa, pääasiassa ei, mikä tekee ennusteesta lähinnä arvauksen ja melkoisen perusteettoman pohjan jatkotutkimuksille.

Asiassa on kuitenkin muutakin. Planeetat ovat nimittäin tyypillisesti suunnilleen samassa ratatasossa, joka on vain hyvin harvoin täsmälleen tähden ja havaintolaitteidemme välillä. Planeettojen ratataso voi olla mitä vain, mutta niiden havaitseminen on mahdollista vain siinä harvinaisessa tilanteessa, jossa planeetat kulkevat meidän näkökulmastamme katsottuna tähden editse. Silloin tähteä lähimpänä kiertävät planeetat ovat todennäköisemmin havaittavissa ja kaukaisempien planeettojen ylikulkutodennäköisyys pienenee sitä pienemmäksi mitä kauempana ne ovat. Se taas tarkoittaa, että kaikkia järjestelmien ulko-osiin ennustettuja planeettoja ei voikaan havaita, vaikka ne olisivatkin olemassa. Huomioimalla tämä korjaus, ja vaikka kaikki tähtitieteilijät eivät olekaan samaa mieltä, YTB laeilla saattaa sittenkin olla jonkinlainen tilastollinen ennustevoima.

Kyse on kuitenkin pohjimmiltaan siitä, että planeettakuntien muodostuessa planeettojen radat voivat olla vain niin lähellä toisiaan kuin järjestelmän stabiiliuden puitteissa voivat, mutta eivät yhtään lähempänä. Mikä voidaan tulkita Titius-Boden lakien kaltaisena järjestelmällisyytenä, onkin todellisuudessa vain planeettojen pakkautumista planeettakuntiin sellaisille radoille, joilla ne voivat kiertää tähtiään pitkiä aikoja. Muussa tapauksessa syntyy kaoottista käyttäytymistä ja planeetat joko törmäilevät toisiinsa tai tähteensä tai sinkoutuvat ulos järjestelmästä. Sellaisia planeettakuntia emme tietenkään voi olla havaitsemassa, koska ne ovat jo tuhoutuneet.

Tiedämme eksoplaneettakunnista ainakin sen, että niiden planeetat ovat tosiaan likimain tasaisin välimatkoin tähtiensä kiertoradoilla. Lisäksi planeettakunnissa on tyypillisesti korostetusti samankokoisia planeettoja ja harvemmin suuria kokoeroja. Se vaikuttaa hämmästyttävältä suurten kokoerojen Aurinkokunnasta katsottuna mutta Aurinkokunta ei olekaan täyteen pakattu järjestelmä, koska jättiläisplaneetat ovat vetovoimillaan estäneet tiiviin sisäplaneettakunnan synnyn. Samankaltaiset planeettojen koot johtavat kuitenkin siihen, että planeetat voivat olla suunnilleen tasaisin välimatkoin radoillaan — Gliese 876 järjestelmässä onkin hyvin poikkeuksellisesti Jupiteria massiivisempia planeettoja yhdessä pienten kiviplaneettojen kanssa.

Voidaan siis sanoa, että Titius-Boden laki heijastaa jotakin todellista planeettakunnista, vaikka sitä ei voidakaan pitää hyödyllisenä koetettaessa vaikkapa ennustaa millaisilla radoilla uusia planeettoja voisi todennäköisimmin löytyä. Siksi se pysyy luultavasti tulevaisuudessakin tähtitieteen perinteenä ja esimerkkinä ensimmäisistä yrityksistä ymmärtää miten planeetat valikoivat ratansa. Todellisuus vain on monin verroin yksinkertaisia laskukaavoja mielenkiintoisempi.

---

Yksinäisyyden saarekkeet

10.1.2023 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Synty ja kehitys

James Webb -avaruusteleskoopin kuvat ovat paljastaneet runsaasti uutta tietoa avaruuden erilaisista kohteista lähtien oman aurinkokuntamme planeetoista ja päätyen kaukaisiin, universumin varhaisimpiin galakseihin. Sen etäisyysasteikon välissä teleskooppi on tehnyt huikeita havaintoja eksoplaneettojen ylikuluista tutkien niiden koostumusta ja havainnut niitä jopa suoraan, sekä tutkinut vasta muodostumassa olevia nuoria aurinkokuntia toisten tähtien ympärillä. Infrapuna-alueen teleskooppina Webb kykenee näkemään syvälle tähtienvälisen aineksen pölypilvien sisälle, koska infrapunasäteily läpäisee helposti harvat tähtienväliset pölyn muodostelmat. Siten on mahdollista nähdä syntyvien tähtien ympärilleen kasaamia kertymäkiekoiksi kutsuttuja rakennelmia. Ne ovat aurinkokuntien nuoruusvaiheita, joissa kiekon tasoon tiivistyvä materia saa planeetat syntymään.

On suorastaan vaikeaa uskoa, että kykenemme näkemään suoraan tähtien ja planeettojen synnyn. Havainnot ovat kuin aikakone, jolla voimme siirtyä kauas menneisuuteen, noin 4.5 miljardin vuoden takaiseen historiaan ja aikakauteen, jolloin oma planeettakuntamme syntyi. Silloin Aurinkoakin ympäröi kaasun ja pölyn muodostama kiekko, jonka kaaoksesta planeetat saivat alkunsa materian kasauduttua aina vain suuremmiksi kappaleiksi.

Silmiinpistävintä on kuitenkin syntyvien planeettakuntien yksinäisyys. Ne ovat kaukana toisistaan, eristyksissä muita tähtiä kiertävistä vastaavanlaisista muodostelmista, vailla suuria mahdollisuuksia vuorovaikuttaa keskenään edes tähtitieteellisten aikojen kuluessa. Webbin kuvaama yksittäinen kertymäkiekko Orion 294-606 kuvastaa omankin planeettakuntamme yksinäistä luonnetta. Matka seuraavalle avaruuden saarekkeelle on niin valtaisa, että sen kuvaaminen sanoin on likimain mahdotonta. Kuvan 1. keskellä näkyvä yksinäinen kertymäkiekko on halkaisijaltaan noin 300 astronomista yksikköä, mutta matka sen tuntumasta seuraavalle avaruuden saarekkeelle on suuruusluokaltaan ainakin tuhat kertaa enemmän. Tässä vertailussa on syytä muistaa, että klassisista planeetoista uloimman, Neptunuksen, rataetäisyys Auringosta on vain 30 astronomista yksikköä. Ja sekin on matka, jonka taittamiseen kuluu nopeimmilta luotaimiltamme vuosikausia.

Luhistuessaan oman gravitaatiokaivonsa syövereihin, tähtienvälinen aine synnyttää tyypillisesti tähtiä vain harvakseltaan valtavien etäisyyksien päähän toisistaan. Ja vaikka yhdestä valtaisasta tähtienvälisen aineksen molekyylipilvestä voikin syntyä lukuisia tähtiä planeettakuntineen, ne ovat tyypillisesti syntynsä jälkeen yksin. Ne kiertävät galaksin keskusta omilla alati muuttuvilla radoillaan, silti galaktista gravitaatiopotentiaalia tiukasti noudatellen. Se on huono uutinen pyrkimykselleme matkata tähtiin. Luultavasti mekin, riippumatta teknologisista saavutuksistamme, olemme koko lajimme eliniän sidottuja omaan tähteemme ja sitä hierarkisessa järjestyksessä kiertäviin planeettoihin — omaan, yksinäiseen avaruuden saarekkeeseemme.