Dynaaminen kaaos planeettakuntien muovaajana

19.2.2024 klo 10.50, kirjoittaja
Kategoriat: Eksoplaneetat , Synty ja kehitys

Keplerin lait, joilla tähtitieteilijät ovat jo vuosisatoja kuvanneet planeettojen liikettä omassa planeettakunnassamme, ovat mainio malli myös eksoplaneettakuntien rataliikkeiden kuvaamiseen. Olen itse käyttänyt niitä tuhansien eksoplaneettojen ratalaskelmiin koko ikäni ja havainnut niiden olleen merkitsevästi pielessä vain yhdessä erikoisessa tapauksessa. Tiedämme mallin olevan vain karkea approksimaatio, joka ei toimi luotettavasti monessakaan tilanteessa, mutta se on silti toimivuutensa ja helppokäyttöisyytensä vuoksi suosittu työkalu planeettojen rataliikkeiden kuvaamiseen ja ennustamiseen.

Pohjimmiltaan helppokäyttöisyyteen on syynä mallin staattisuus kahden kappaleen muodostaman järjestelmän ratojen ennustamisessa. Jos kyseessä on vaikkapa tähden sekä planeetan muodostama järjestelmä, tai mikä tahansa kahden kappaleen järjestelmä, kuten kaksoistähti tai planeetan ja kuun muodostama pari, Keplerin lait ennustavat kappaleiden liikkeen olevan täysin määritettyä mielivaltaisen pitkälle tulevaisuuteen, kunhan vain tunnetaan massat ja rataparametreiksi kutsutut suureet. Astrofyysikon työ on helppoa, jos mallit tarjoavat lopullisen vastauksen. Ja vaikka kappaleita olisikin useampi kuin kaksi, ovat kahden mallin ennusteeseen aiheutuvat häiriöt tyypillisesti hyvin pieniä vuosien tai vuosikymmenten aikaskaaloissa — sitä pidempiä havaintosarjoja ei ole toistaiseksi kertynyt yhdenkään eksoplaneetan rataliikkeestä.

Yleisesti ottaen todellisuus ei tietenkään anna mahdollisuuksia vastaavaan lopulliseen determinismiin. Jo kolmen kappaleen muodostaman järjestelmän liikkeitä on mahdotonta ennustaa kaikissa tapauksissa, ja sen kompleksisuudet ovat edelleen aktiivisen tutkimuksen kohteena. Myös suhteellisuusteorian tuomat korjaukset Keplerin liikelakeihin muuttavat tilannetta, ja tuovat mukanaan ongelmallisia monimutkaisuuksia, kuten vaikkapa Merkuriuksen rataellipsin hidas kääntyminen, joka oli yksi suhteellisuusteorian varmentamiseen käytetyistä testeistä — sitä Keplerin lait ja myöhemmin Newtonin vetovoimalait eivät nimittäin ennustaneet. Keplerin lakien determinismi on kuitenkin osaltaan vaikuttanut tähtitieteilijöiden mielenmaisemaan, jossa monet dynaamiset järjestelmät mielletään vakaiksi, koska yksi tärkeimmistä niiden kuvaamiseen käytetyistä malleista on vakaa siinä yksinkertaisessa erikoistilanteessa, jossa sitä useimmin sovelletaan. Aurinkokunta ei kuitenkaan ole edes likimääräisesti kahden kappaleen järjestelmä, vaan usean kappaleen dynaamisen kaoottinen kokonaisuus, johon vaikuttavat lisäksi ulkoisetkin tekijät.

Kaoottisuudella viitataan siihen, että järjestelmä on sisäsyntyisesti ennustamattomassa tilassa. Kaoottinen planeettakunta tarkoittaa sellaista, että mielivaltaisen pienet muutokset planeettojen paikoissa ja liikkeissä tuottavat mielivaltaisen suuria muutoksia niiden paikkoihin ja liikkeisiin tulevaisuudessa. Se tarkoittaa samalla sitä, että planeettojen radat eivät lopultakaan ole vakaita, vaan muuttuvat hiljalleen ajan kuluessa. Vaikka Aurinkokuntaa kutsutaankin stabiiliksi planeettakunnaksi, koska sen kappaleet tuskin karkaavat kovinkaan kauaksi nykyisiltä radoiltaan Auringon elinaikana, jo pienet muutokset voivat vaikuttaa merkittävillä tavoilla planeettoihin. Maa tuskin suistuu radaltaan tulevaisuudessakaan, mutta pienetkin muutokset sen kiertorataan Auringon ympäri voivat muuttaa esimerkiksi ilmastollisia olosuhteita merkittävällä tavalla.

Joskus tähdet tulevat lähelle

Aurinko on yksi galaksimme noin 200 miljardista tähdestä, joista jokainen kiertää yksinään tai kumppaniensa kanssa galaksimme keskustaa moninaisilla radoilla, joihin vaikuttaa galaksin tähtien ja sen sisältämän pimeän aineen yhdistetty vetovoima. Ajoittain tähdet ajautuvat lähelle toisiaan galaksia kiertäessään, jolloin tähdet pääsevät vaikuttamaan toistensa ratoihin. Tähtien radat galaksin ympäri siis muuttuvat ja elävät, ja on mahdotonta ennustaa mitkä tähdet sattuvat olemaan lähekkäin vaikkapa kymmenien miljoonien vuosien aikaskaaloissa. Aurinko ei ole poikkeus. Juuri nyt omaa avaruuden saarekettamme lähin tähtijärjestelmä on Alpha Centaurin kolmoistähti, johon kuuluvat komponentit A ja B kiertämässä toisiaan noin 80 vuoden kiertoajalla sekä Proxima Centaurina tunnettu komponentti C, joka on kauempana parista mutta Auringon suunnassa, joten se on tällä hetkellä Aurinkoa lähin tähti. Tilanne kuitenkin muuttuu vuosituhansien saatossa (Kuva 1.).

Kuva 1. Aurinkoa lähinnä sijaitsevat tähdet aikavälillä 20 000 vuotta sitten ja 80 000 vuoden kuluttua tulevaisuudessa. Kuva: R.A.J. Matthews.

Jo noin 10 000 vuoden kuluttua Barnardin tähti saapuu yhtä lähelle kuin Alpha Centaurin A+B pari, poistuakseen taas nopeasti Auringon läheltä. Arviolta 33 000 vuoden kuluttua Ross 248 on lähin tähti menettääkseen taas paikkansa 44 000 vuoden kuluttua Gliese 445:lle. Noin 50 000 vuoden kuluttua lähin tähtemme on taas Alpha Centaurin A+B pari, Proxima Centaurin on karattua radallaan sitä hiukan kauemmaksi. Lähimmillään Alpha Centauri, Ross 248 ja Gliese 445 saapuvat noin kolmen valovuoden etäisyydelle, joten ne eivät saavu häiritsemään Aurinkokunnan kappaleiden kiertoratoja. Vuosimiljoonien saatossa sattuu kuitenkin runsain mitoin paljon läheisempiä tähtien ohituksia, joilla on vaikutusta.

Noin 2.8 miljoonaa vuotta sitten nykyisellään noin 250 valovuoden päässä meistä sijaitseva auringonkaltainen tähti HD 7977 saapui hyvin lähelle Aurinkoa. Se sattui niin lähelle, että se tunkeutui Aurinkoa ympäröivän komeettojen kodin, Oortin pilven sisälle, jossa se taatusti häiritsi lukemattomien komeettojen ratoja siepaten niitä jopa omiksi kiertolaisikseen. Tähti saapui todennäköisesti vain 0.2 valovuoden etäisyydelle ja ehkä jopa vain 0.06 valovuoden päähän Auringosta aiheuttaen vetovoimallaan häiriöitä planeettojen ratoihin. Vaikka häiriöistä ei olekaan suoriin havaintoihin perustuvaa todistusaineistoa, on tietokonesimulaatioiden perusteella selvää, että vastaavat lähiohitukset tekevät jopa Maan radan ennustamisen vaikeaksi yli muutaman kymmenen miljoonan vuoden päähän menneisyyteen ja tulevaisuuteen.

Toisen tähden kulku Aurinkokunnan ulko-osien läpi muuttaa jättiläisplaneettojen ratoja. Ne taas vaikuttavat hiukan muuttuneilla radoillaan sisempään planeettakuntaan ja aiheuttavat ennustamattomia muutoksia kiviplaneettojen ratoihin. Ilmeisin mekanismi on Maan radan eksentrisyyden eli soikeuden muutokset, jotka vaikuttavat merkitsevästi planeettamme ilmastoon. Silloin Maan historian ilmasto-olosuhteiden muutokset ovat voineet osaltaan aiheutua galaksimme muiden tähtien lähiohituksista — ainakin on selvää, että Linnunradan paikallinen tähtipopulaatio on yksi planeettojen ratojen kaoottisuuden lähde.

Planeettakunnat syntyvät kaaoksesta, kehittyvät kaoottisina järjestelminä, ja toisinaan jopa kuolevat omaan kaoottisuuteensa planeettojen kokiessa lähiohituksia tai törmätessään tähteensä. Ne eivät myöskään ole yksin, vaan tanssivat yhdessä muiden galaksimme tähtien kanssa galaktisessa vetovoimakentässä, jonka kaoottiset muutokset ja häiriöt johtavat ajoittain tähtien lähiohituksiin ja vuorovaikutuksiin vetovoimansa välityksellä. Niillä vuorovaikutuksilla taas on pitkäkestoiset seurauksensa, ja pienetkin muutokset jättiläisplaneettojen radoissa voivat siirtyä planeettakunnan kaikkiin muihinkin kappaleisiin merkittävillä tavoilla. Jupiter ei suojele meitä, vaan kiertää vain Aurinkoa radallaan mutta voi kyllä mainiosti välittää ohittavien tähtien vetovoimavaikutukset Maan rataankin asti. Se taas tarkoittaa, että pitkällä aikavälillä mikään ei ole pysyvää. Eivät edes planeettojen radat tähtien kiertoradoilla.


Planeettojen ratojen kaoottiset muutokset voivat vaikuttaa jopa Maan ilmastoon mutta se ei tarkoita, että nykyinen, nopea globaali keskilämpötilan nousu ja sen aiheuttama ilmastokatastrofi voisivat aiheutua Maan radan muutoksista. Sellaisia muutoksia ei ole sattunut ja ilmastokatastrofi on täysin ihmisen kasvihuonekaasupäästöillään aiheuttama fysikaalinen ilmiö.

Yksi kommentti “Dynaaminen kaaos planeettakuntien muovaajana”

  1. Lasse Reunanen sanoo:

    Jokin ulkoinen tekijä voi rataliikkeitä muuttaa, mutta muutoksen jälkeenkin kappaleet pyrkii asettautumaan voimakkaimman tekijän ratatasapainoon. Siis vaikka Aurinkoa kiertävistä kappaleista jotkin lähtisi radoiltaan niin mikäli Aurinkokunnassa yhä pysyisivät ne asettautuisivat uudelleen melko vakaille radoilleen Aurinkoa kiertämään…

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Muinaisen meren jäljillä

5.2.2024 klo 09.57, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Mars yllättää jatkuvasti siitä kiinnostuneet. Planeettatutkijat ovat jo parinkymmenen vuoden ajan koettaneet selvittää mistä planeetan kaasukehässä havaitut matalat metaanipitoisuudet voisivat olla peräisin. Aina ajoittain, marsluotainten tarkat havaintolaitteet rekisteröivät joidenkin kymmenien miljardisosien paikallisia pitoisuuksia kaasukehässä. Aivan kuin metaania purkautuisi jostakin kaasukehään poistuakseen verrattaen nopeassa tahdissa tuntemattoman kemiallisen mekanismin avulla.

Metaani on toki vain yksi pieni molekyyli, mutta sillä on taustallaan oma tarinansa. Metaanin synty Marsin fysikaalisissa ja kemiallisissa olosuhteissa ei onnistu kovinkaan helposti. Tarvitaan joko tulivuoritoimintaa tai elävien solujen aineenvaihduntaa — molemmat selitysmallit olisivat äärimmäisen kiinnostavia astrobiologisesti tarkasteltuna ja tarkoittaisivat joko elämän tai sen mahdollistavien olosuhteiden havaitsemista planeetan pinnan alla. Mahdollista on myös, että jotkin marsperän mineraalit reagoivat vesimolekyyylien kanssa syvemmällä planeetan pinnan alla, jossa paine on korkeampi. Selviä merkkejä metaanin alkuperästä ei ole vielä saatu mutta jotain voidaan jo päätellä perustuen siihen, missä sitä esiintyy. Yksi erityinen alue on Medusae Fossaen hiekkadyynimuodostelma planeetan päiväntasaajan lähellä, muinaisen valtameren rannikon tietämillä. Se alueelta on havaintoja vapautuneesta metaanista (Kuva 1.).

Kuva 1. Marsin korkeuskartta. Matalimmat alueet on merkitty vaalenasinisellä kun taas punaisella värillä korostettua ylänköaluetta täplittävät korkeat valkoiset tulivuorenhuiput. Planeetan ja Aurinkokunnan korkein tulivuori, mahtava Olympus Mons, sijaitsee alanko- ja ylänköalueiden välisellä vyöhykkeellä. Kuva: ESA.

Metaanin tulkinta merkiksi elävien organismien aineenvaihdunnasta on tietenkin se kaikkein kiinnostavin selitysmalli. Silloin oman planeettamme metanogeenejä muistuttavat mikrobit puuhastelisivat Marsin pinnan alla omissa oloissaan hiilidioksidin pelkistämistä metaaniksi, aivan kuten tapahtuu kaikenaikaan Maan kallioperässä jopa kilometrien syvyydessä jalkojemme alapuolella. Mallin mukaan metaani pääsisi aina ajoittain vapautumaan marsperästä, syvältä pinnan alta, selittäen siitä kaasukehässä tehdyt ajoittaiset havainnot. Tulkinnan puolesta ei kuitenkaan ole esitetty minkäänlaista konkreettista todistusaineistoa. Elämän esiintyminen vaatisi kuitenkin nestemäisen veden olemassaoloa syvällä Marsin pinnan alla, joten olisi ensiarvoisen tärkeää saada esiin merkkejä veden olemassaolosta niillä alueilla, joiden yläpuolella metaania on havaittu.

Siksi on merkittävä positiivinen yllätys saada uusi havaintotulos, jonka mukaan Medusae Fossaen alueella on runsaita vesijäätä sisältäviä kerrostumia, jotka parhaimmillaan ovat jopa kolme kilometriä paksuja pinnan satojen metrien paksuisen hiekka- ja pölykerroksen alla (Kuva. 2.). Arvioiden mukaan vettä on jopa niin runsaasti, että jakautuessaan Marsin pinnalle tasaisesti, se peittäisi planeetan noin parimetriseen kerrokseen. Löytö vastaa vesimäärää, joka löytyy vaikkapa maanpäällisestä Punaisesta Merestä — enemmän vettä Marsista on havaittu vain sen pohjoisen napa-alueen jäätiköltä. Kerrostumat osoittavat osaltaan, että Marsin muinainen valtameri ei haihtunut kauttaaltaan ultraviolettisäteilyn hajottaessa vesimolekyylejä planeetan heikosta vetovoimakentästä karkaavaksi vedyksi ja hanakasti pinnan rautapitoisiin mineraaleihin ruosteeksi sitoutuvaksi hapeksi.

Kuva 2. Marsin Medusae Fossae -muodostelma koostuu hiekka- ja pölydyynien peittämistä kerrostumista, jotka sisältävät runsaasti jäätä. Jääkerrostumat ovat parhaimmillaan jopa kolmen kilometrin paksuisia. Kuva: ESA

Vaikka ajatukset naapuriplaneetallamme esiintyvästä elämästä ovat tässä vaiheessa vain spekulaatiota, on syytä pitää mielessä niiden konteksti. Mars oli muinoin huomattavan paljon maankaltaisempi, ja planeetan alavaa pohjoista puoliskoa peitti miljardeja vuosia sitten jopa kokonainen valtameri. Meren todennäköinen olemassaolo on helppoa nähdä jo planeetan korkeuskartasta kuvassa 2, jonka mukaan ylänköalueella tavanomaiset meteorikraaterit puuttuvat alavimmilta alueilta likimain kokonaan, mikä kertoo alueiden kokeneen merkittävää veden aikaansaamaa eroosiota. Vesi kun sekä estää tehokkaasti pienempien kraatereiden synnyn kuin pyyhkii pois merkit suuremmista kraatereista geologisessa silmänräpäyksessä vuosituhansien ja -miljoonien kuluessa. Tharsis -nimellä tunnetusta ylänköalueesta osa on toki sekin harvakseltaan kraaterien täplittämää, mutta sen selittää alueen valtavien tulivuorien keskittymä. Laajat alueet planeetan ylänköä ovat muinaisuudessa peittyneet purkautuvien massiivisten tulivuorten laavakenttiin.

Marsin kaasukehä on myös ollut aiemmin paksumpi, koska planeetalla on ollut auringon hiukkastuulelta suojaava magneettikenttä. Nyt magneettikentän hiivutua geologisen aktiivisuuden heikennyttyä, pirstaleiset magneettikentän rippeet eivät enää kykene suojaamaan kaasukehää hiukkastuulelta, vaan kaasukehän molekyylejä vuotaa hiljalleen avaruuteen tehden siitä paljon ohuemman kuin muinaisuudessa. Siksi vesikään ei enää pysy nestemäisenä planeetan kylmällä pinnalla ja planeetan pinta on nykyinen kylmä ja karu autiomaa.

Elämällä oli kuitenkin mahdollisuus ja sitä on saattanut muodostua planeetalla aivan kuten tapahtui Maapallollakin. Silloin mikrobit olisivat vain ilmastollisten ja fysikaalisten olosuhteiden muuttuessa päätyneet ainoisiin jäljelle jääneisiin elinkelpoisiin elinympäristöihin planeetan pinnan alapuolelle, jossa esiintyy edelleen radioaktiivisen hajoamisen myötä energiavirtoja sekä vettä, joka pysyy saatavilla planeetan sisusten lämmön ja paineen tehdessä siitä jopa nestemäistä.

Ajatusrakennelma kuulostaa hurjalta, mutta voimme kuvitella Marsin tilalle oman planeettamme. Jos Maan magneettikenttä hiipuisi ja ilmakehämme kokisi Marsin kohtalon, planeettamme pinnasta saattaisi tosiaan tulla karu ultraviolettisäteilyn ja huikkastuulen korventama autoimaa, jossa kaikki orgaaniset molekyylit hajoaisivat hetkessä tehden elämästä planeettamme pinnalla mahdotonta. Silloinkin elävät organismit kuitenkin vain jatkaisivat toimintaansa aivan normaalisti kallioperän sisällä, kuten ovat tehneet jo miljardeja vuosia pinnan hektisestä elämänmenosta piittaamatta. Ja mikä voi tapahtua omassa aurinkokunnassamme, on voinut tapahtua vieraissa planeettajärjestelmissä miljardeja kertoja jo omassa galaksissamme.

Ei siksi ole viisasta tuomita ainuttakaan pientä ja kivistä mutta pintaolosuhteiltaan kuolleelta vaikuttavaa planeettaa elottomaksi. Voi olla niin, ettemme vain onnistu havaitsemaan niiden rikkaita, monenlaisista mikrobeista koostuvia eliöstöjä kovinkaan helposti. Ehkäpä jopa valtaosa maailmankaikkeuden elämästä on havaittavissa vain pienenpienistä planeetan kaasukehän kemiallisen koostumuksen anomalioista, joita nyt havaitsemme vain vaivoin marsluotaintemme avulla. Se ainakin osaltaan selittäisi miksemme ole onnistuneet havaitsemaan elämästä minkäänlaisia merkkejä planeettamme ulkopuolella.

2 kommenttia “Muinaisen meren jäljillä”

  1. Ajatusrakennelma että aurinkotuuli aiheuttaisi (Marsin) ilmakehän ohenemista on usein nostettu esiin, mutta sitä voidaan kritisoida monin argumentein:

    1) Nykyinen happipako Marsista, Maasta ja Venuksesta on mitattu, ja ne ovat suunnilleen samaa suuruusluokkaa keskenään eli noin puoli kiloa sekunnissa. Se vastaisi Marsin tapauksessa vain noin puolen metrin globaalia vesikerrosta 5 miljardissa vuodessa. Vaikka olettaisi että aurinkotuuli olisi ollut Auringon nuoruudessa nykyistä vahvempi, tuosta on vaikea saada geologisesti merkittävää satojen metrien tai kilometriluokan vesikerroksen poistumaa.

    2) Jos oletetaan että väite olisi totta, miksi prosessi olis jättänyt ilmakehästä pienen osan jäljelle, sen sijaan että prosessi olisi mennyt päätyyn asti ja tehnyt Marsista Merkuriuksen kaltaisen ilmakehättömän planeetan. Satummeko vain elämään aikana jolloin prosessi ei ole ihan vielä valmis? Yläilmakehän pako- ja muut prosessit eivät riipu siitä kuinka syvä ja tiheä ilmakehä niiden alla on. Tai riippuvat sen verran että jos ilmakehä on hyvin korkea, sen yläosat ovat jonkin verran matalammassa painovoimakuopassa kuin planeetan pinta, jolloin molekyylien karkaaminen sieltä on helpompaa. Mutta Marsin tapauksessa tuo efekti lienee varsin pieni.

    3) Magnetosfääri kyllä suojaa planeetan ilmakehää suoralta aurinkotuulelta, mutta toisaalta magnetosfääri mahdollistaa uusia pakomekanismeja kuten revontulialueen ylöspäin menevät (happi)ionisuihkut. Jos planeetalla on magnetosfääri, sen ja aurinkotuulen kontaktipinta-ala on suurempi kuin planeetan ilmakehän pinta-ala – Maan tapauksessa pari kertalukua suurempi – mikä periaatteessa voisi lisätä pakoprosessien käytettävissä olevaa aurinkotuulesta saapuvaa tehoa. Näiden asioiden mallinnus on vaikeaa, ja usein käytetyt mallit sisältävät yksinkertaistuksia joita on vaikea perustella fysikaalisesti.

    4) Vastaesimerkkinä Venus on on säilyttänyt ilmakehän, vaikka sillä ei ole magneettikenttää ja vaikka se on lähempänä aurinkoa kuin Maa ja Mars. Toki voidaan ehdottaa että ehkä näin on siksi että Venuksen ilmakehä on ollut alun alkaenkin kovin paksu.

    Lähtisin etsimään selitystä Marsin ilmakehän nykyiselle matalalle paineelle siitä dynaamisesta tasapainosta, joka vallitsee kaasumaisen ja härmistyneen hiilidioksidin välillä napa-alueilla. Jos Marsiin tuotaisiin lisää kaasumaista hiilidioksidia, silloin pintapaine nousisi, ja samoin nousisi sublimaatiolämpötila. Talvella navalle härmistyy koko ajan hiilidioksidia, joten pinnan lämpötila on sama kuin sublimaatiopiste. Kun nyt sublimaatiopiste on korkeampi, talven aikana tapahtunut ulossäteily on Stefan-Boltzmannin lain mukaan suurempi, joten talven aikana navalle ehtii härmistyä paksumpi kerros hiilihappojäätä. Kesän lämpö puolestaan jaksaa haihduttaa samanpaksuisen kerroksen kuin ennenkin. Nettovaikutus on että kiinteän hiilidioksidin kerros paksunee navoilla, kunnes saavutetaan alkuperäinen pintapaine jossa talven härmistymä ja kesän haihdunta ovat tasapainossa. Paksumman CO2-ilmakehän aiheuttama voimakkaampi kasvihuoneilmiö tosin vaikuttaa toiseen suuntaan, eli tätä prosessia hillitsevästi, mutta koska hiilidioksidin absorptiovyöt ovat Marsissa jo todennäköisesti saturoituneet, lisä-CO2 lisää säteilypakotetta vain hitaasti (kaiketi logaritmisesti, jos viivaprofiilit ovat gaussisia).

    1. Mikko Tuomi sanoo:

      Olet oikeassa, tilanne on varsin monimutkainen, eivätkä yksinkertaiset mallit todennäköisesti riitä kuvaamaan tilannetta.

      Vertailun vuoksi, TRAPPIST-1 järjestelmän planeettojen kaasukehät saattavat jokainen olla mennyttä. Kaksi sisintä kappaletta on jo todettu liki kaasukehättömiksi ja niin saattaa simulaatioiden mukaan olla ulompienkin planeettojen laita:

      https://arxiv.org/abs/2401.16490

      Molekylaarisen vedyn karkaaminen planeetan kaasukehästä on kuitenkin yksi planeettaa kuivattava tekijä, jota edesauttaa planeetan pieni massa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Evoluutio ja Fermin paradoksi

16.1.2024 klo 13.15, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat

Vaikka osaamme parantaa merkittävän määrän tappavia sairauksia parhaimmillaan jopa huijaten kuolemaa yksilöiden kohdalla, eivät evoluution lainalaisuudet ole lakanneet vaikuttamasta lajiimme. Ihmisyksilöiden välillä on runsain mitoin perinnöllisiä eroavaisuuksia, jotka vaikuttavat lisääntymiseen ja jälkeläisten määrään. Vaikka kulttuurilliset tekijät olisivatkin merkittävin lisääntymistä sääntelevä tekijä, eivät evolutiiviset prosessit ole lakanneet, vaan jylläävät edelleen taustalla sopeuttaen lajiamme hiljalleen elinympäristöömme. On tavallaan vain sivuseikka, että sitä elinympäristöä hallitsee nykyisellään korkea tekninen ja tieteellinen osaamisemme, jotka saavat kaiken muuttumaan nopeassa tahdissa.

Korkea teknologiamme on oikeastaan vain jatkumoa satojen tuhansien vuosien kulttuurilliselle kehitykselle, jonka aikana olemme hioneet nykyiseen huippuunsa työkalujen käytön. Kykenemme teknologiamme avulla hallitsemaan entistä paremmin elinympäristöämme haluamallamme tavalla, mikä on sekin vain jatkumoa lajimme historiallisille pyrkimyksille kaikilla elinalueillaan. Ihmislajin vahvuus on kyky muokata ympäristö soveltuvammaksi selviämiselle ja se taito on kehittynyt huippuunsa evoluution avustamana. Kyse saattaa kuitenkin olla heikkoudesta olosuhteissa, joissa liian tehokas muokkaaminen tekee ympäristöstä alttiin sen kantokyvyn romahdukselle. Heikkoudella on ilmeisiä seurauksia.

Planetaarisesti katsottuna yksittäisen esiteollisen ajan ihmispopulaation toimet ovat tietenkin likimain merkityksettömiä mutta ihmislaji on erityisen tehokas oppimaan uusia tapoja käyttää hyväkseen luonnollisia resursseja. Oppiminen on vieläpä kulttuurillisesti kasautuvaa — kun jokin tapa hyväksikäyttää ympäristöä on opittu, se ei enää unohdu kovinkaan helposti ja uuden resurssin käyttö edesauttaa käytön omaksuneiden ihmisten levittäytymistä laajemmalle maantieteellisesti. Resurssien hyödyntäminen tehostuu ja mittakaava kasvaa, mistä aiheutuu suurempaa vahinkoa ympäristölle. Ja samaan aikaan resursseista hyötyvät ihmisryhmät voivat levittäytyä entistäkin laajemmalle. Siinä on pähkinänkuoressaan syy siihen, miksi ihmislaji on kehittynyt pienistä pystyssä kävelevien apinoiden paikallisyhteisöistä globaaliksi lajiksi, joka tulee toimeen planeettamme kaikissa elinympäristöissä.

Avainroolissa on kulttuurillinen oppiminen, kun uusia tapoja hyödyntää elinympäristöä omaksutaan osaksi tapa- ja perinnekulttuuria. Prosessi on itseään voimistava ja kumuloituva, ja on johtanut globaaliin tekniseen sivilisaatioomme, joka hyväksikäyttää jo merkittävää osaa planeettamme rajallisista resursseista, kuten alava maapinta-ala, virtaava makea vesi, tai muut luonnolliset resurssit. Kyse on menestyksen tekijästä, joka on mahdollistanut lajimme populaation räjähdysmäisen kasvun mutta tiedämme jo, ettei kasvu voi jatkua. Planeetallamme on kantokyky, jota ihminen voi toki muokata teknologiallaan suuremmaksi mutta joka lopulta asettaa rajat sille kuinka paljon resursseja on käytettävissä. Samalla planetaaristen resurssien hyväksikäytön vaarat ovat tulleet enemmän kuin ilmeisiksi aiheuttamamme ilmastokatastrofin ja kuudennen massasukupuuttoaallon muodossa.


Ihmiskunnan historiassa on paljon esimerkkejä siitä, miten ihmisyhteisöt ovat onnistuneet pysyttelemään resurssiensa käytössä kestävällä tasolla. Niitä on kuitenkin havaittu yhdistävän eräs hälyttävä piirre. Uuden arvion mukaan, kestävyys on historian saatossa tyypillisesti onnistunut vasta sitten, kun siinä on ensin epäonnistuttu ja on aiheutunut ympäristön rajoitteista johtuva pakko muuttaa toiminta kestäväksi. Toisinaan prosessi on sujunut verrattaen kivuttomasti mutta toisinaan se on johtanut kokonaisten ihmisyhteisöjen tuhoutumiseen elämäntapoineen heidän kulutettuaan kriittisiä resursseja loppuun. Johtopäätökset liittyen nykyhetken globaaliin kriisivyyhteen ovat ilmeisen vakavat.

Kestävyys voidaan kuitenkin saavuttaa tietyillä reunaehdoilla. Ehtona on ihmisyhteisöistä tehtyjen havaintojen perusteella saumaton yhteistyö ja sosiaalisen verkostoston olemassaolo sillä tasolla, jolla kestävyys on saavutettava. Alueellisessa kestävyydessä vaaditaan siten alueellista ihmisyhteisöjen välistä sääntelyn, vuorovaikutuksen ja teknologian käytön yhteispeliä, jossa on onnistuttukin lukemattomia kertoja eri aikakausina. Globaaleihin kestävyyskriiseihin taas on vastattava globaalilla sosiaalisella sopimuksella, jonka rikkominen ei ole hyväksyttyä missään ja jonka noudattamista pidetään tärkeänä kautta planeettamme. Se vastaa sitovan ilmasto- ja luontosopimuksen ratifiointia globaalisti siten, että jokaisesta rikkomuksesta ollaan valmiita rankaisemaan rikkojia. On vaikeaa nähdä miten sellainen sopimusjärjestelmä voitaisiin saada aikaiseksi omaa lyhyen aikavälin etua kilpaillen tavoittelevien ihmisyhteisöjen, kaupunkien, valtioiden ja suuryritysten maailmassa. Säännöille tarvittaisiin lisäksi ruohonjuuritason hyväksyntä kaikkialla, joten olisi varmistettava, että ihmisyhteisöt ja niiden jäsenet kokevat kaikkialla hyötyvänsä sopimuksesta. On helppoa katsoa ympärilleen ja todeta, että ilmasto- ja luontotoimet eivät nauti riittävää sosiaalista hyväksyntää, koska tarpeeksi moni ei koe hyötyvänsä toimista riittävällä tai riittävän välittömällä tavalla.

Omalta osaltamme voimme siten ounastella, että ihmislaji ei kykene muuntumaan galaktiseksi lajiksi ja muuttamaan toisten tähtien planeettakuntiin. Jos planetaariset rajoitteet tulevat teknisen sivilisaation kehittymistä rajoittavaksi tekijäksi ennen mahdollisuuksia tähtienväliseen matkailuun, on selvää, että matkailun vaatimaa teknologiaa ei koskaan saada aikaiseksi. Lajityypilliseen tapaan, sivilisaatio vain hiipuu kuten niin monet paikallisemmat sivilisaatiot ovat tehneet törmätessään elinympäristönsä luonnollisten resurssien rajoitteisiin. Ja selvästi emme ole vielä saavuttaneet kykyä tähtienväliseen matkailuun, vaikka kiistatta olemmekin saavuttaneet globaalit rajoitteemme. Ennusteet eivät lupaa hyvää sivilisaatiollemme, vaikka sen tuhkasta saattaisikin nousta jokin kestävyyteen kykenevä uusi tapa organisoida globaali yhteiskunta.

Evoluutio Fermin paradoksin taustalla

Yleistäminen perustuen yhteen ainoaan havaintoon on aina niin kovin vaarallista mutta aion koettaa sitä kaikesta huolimatta. Voimme nimittäin mainiosti olettaa evoluution tuottavan vastaavanlaisissa olosuhteissa vastaavia ratkaisuja elävien organismien selviämisen ja lisääntymisen aiheuttamiin haasteisiin. Ajatus ei ole millään tavalla kaukaa haettu — konvergentti evoluutio on tosiasia planeetallamme, ja tiedämme samankaltaisten ratkaisuiden kehittyvät toistuvasti vastaamaan samankaltaisiin ongelmiin. Yksi mainio esimerkki on eläinten näkökyky, mikä tarjoaa valtavan valintaedun olosuhteissa, joissa planeetan kaasukehä on läpinäkyvä kaistalle tähden säteilemää valoa. Evoluutiohistorian saatossa näkökykyyn vaadittavat elimet, eli silmät, ovat kehittyneet ainakin kymmeniä elleivät jopa satoja kertoja toisistaan riippumatta. On siksi jokseenkin todennäköistä, että Maapallolla havaitsemiamme kehityskulkuja esiintyy muillakin monisoluisten eliöiden täyttämillä planeetoilla, jos vain olosuhteet ovat soveltuvia.

Kun lajille kehittyy kulttuurillisia piirteitä kuten ihmiselle ja monille muille planeettamme lajiryhmille (apinoille, valaille, linnuille, jne.) on kehittynyt (konvergenttia evoluutiota sekin), on selvää, että sillä on vaikutuksia lajin ja sen yksilöiden selviytymiseen. Jos seurauksena on tehokkaampi elinympäristön resurssien hyväksikäyttö, seurauksena on kulttuurin omaksuneiden yksilöiden ja yhteisöjen parempi menestys, jolloin kilpailevat yhteisöt hiljalleen joko tulevat syrjäytetyiksi tai omaksuvat itsekin tehokkaamman resurssienkäytön mahdollistavan kulttuurin. Evoluutio suosii tällöin pitkässä juoksussa niitä, jotka herkemmin omaksuvat uusia toimintamalleja ja kehittävät niitä kekseliäämmin mutta samalla aiheutuu kulttuurievoluutiota, joka tehostaa prosessia. Koko ihmiskunnan esiteollista aikakautta määrittää voimakas kulttuurievoluutio, kun uteliaat ihmislajin yksilöt ja ryhmät ovat koettaneet pärjätä kilpailijoitaan paremmin. On oikeastaan vaikeaa nähdä miten tekniseen sivilisaatioon johtanut pitkän aikavälin kehityskulku saataisiin nopeassa tahdissa pysäytettyä, jotta elinympäristöjen entistä tehokkaampi hyväksikäyttö saataisiin päätökseen ennen resurssien loppumista ja kantokyvyn romahtamista.

Koska evoluution lainalaisuudet ovat kaikkialla samoja, on selvää, että vastaavanlaisiin tilanteisiin päädyttäisiin ainakin hyvin suurella todennäköisyydellä muillakin planeetoilla, joille pääsee syntymään teknisiä sivilisaatioita. Silloin Fermin paradoksin muodossa ennustettu pullonkaula tähtienväliseen matkustukseen kykenevien teknisten sivilisaatioiden synnyssä on evoluution itsensä asettama. Teknisiä sivilisaatioita vaikuttaa voivan syntyä vain olosuhteissa, joissa kulttuurievoluution keinoin tähdätään maksimaaliseen elinympäristön resurssien hyväksikäyttöön, joten teknisen sivilisaation itsensä synty asettaa sen omat rajoitteet. On huomattavan paljon todennäköisempää, että laji käyttää ensisijaisesti teknologiaansa resurssien käytön maksimointiin, kuten se on koko kehityshistoriansa ajan tehnyt, kuin avaruusmatkailuun toisiin tähtijärjestelmiin. Ja silloin se todennäköisesti päätyy kuluttamaan loppuun kriittisiä resursseja tai aiheuttamaan muutoin tuhoa toimiensa sivutuotteena. Siihen todellisuuteen olemme itse teknisenä sivilisaationa juuri nyt havahtumassa tarkastellessamme alati pahenevia ilmastokatastrofia ja kuudetta massasukupuuttoaaltoa.

Ihmiskunnalla ei toistaiseksi ole esittää poispääsyä omasta evolutiivisen kehityshistoriansa asettamasta pitkän aikavälin ansastaan. Se ei kuitenkaan tarkoita, ettemme kekseliäänä lajina voisi sellaista löytää. Pahinta kuitenkin on, että kyse ei ole ongelmasta, jonka voisimme edes periaatteessa ratkaista teknologiamme avulla, käyttämällä niitä evoluution saatossa kehittyneitä uteliaisuuden ja kekseliäisyyden mukanaan tuomia kykyjä. Kulttuurillisten piirteiden tuottamiin pitkän aikavälin ongelmiin kun on vain kovin harvoin teknologisia ratkaisuita. Ratkaisut ovat siten samaten kulttuurillisia. On uitava resurssien käytön maksimointiin tähtäävien kulttuurillisten ja evolutiivisten voimien suhteen vastavirtaan ja tuotettava uusi kestävyyden puitteisiin mahtuva kulttuuri ja yhteiskuntamalli.

Voidaan vetää hiukan mutkia suoriksi ja arvioida, että galaksimme meitä varhaisemmat tekniset sivilisaatiot epäonnistuivat vastaavassa kulttuurillisessa u-käännöksessä. Muutoinhan he olisivat jo vierailleet luonamme ja Enrico Fermi ei olisi koskaan kysynyt kuuluisaa kysymystään: ”Missä he kaikki ovat?” Se on kuitenkin selvää, että onnistuttuaan tähtienvälisessä matkailussa sivilisaatio kyllä levittäytyy verrattaen nopeassa tahdissa koko galaksiimme. On siis oltava painavia syitä, jotka estävät onnistumisen. Ylikulutus ja sitä seuraava resurssien loppu ovat yksi sellainen erittäin painava syy.

Ehkäpä jotkut toiset tekniset sivilisaatiot ovat kaikesta huolimatta saavuttaneet kestävyyden ja rakentaneet sivilisaationsa ja yhteiskuntansa elinympäristönsä rajoitteiden edellyttämällä tavalla. Koska heillä jo on kaikki tarvitsemansa, ei silloin välttämättä edes esiinny tarvetta lähteä mukavan kotiplaneetan ulkopuolelle, vaivalloiselle avaruusmatkalle kohti toisia planeettakuntia. Se saattaa olla Fermin paradoksin toinen syy. Kehittyneempien kulttuurien tuottamia motiiveja toimia voidaan kuitenkin vain arvailla eikä mikään arvaus ole oikeastaan toista parempi tieteellisesti katsoen.

3 kommenttia “Evoluutio ja Fermin paradoksi”

  1. HARJUNHARJA JUHANI sanoo:

    Hyvää pohdintaa tuossa kaiken kaikkiaan. Toisaalta ihmiskunnan kehityksen ja elossa säilymisen ongelmaryppääseen näyttää liittyvän voimakkaasti riistoa ja sotia aiheuttava kilpailuvimma. Tämä todella tuhoisa kilpailuvimma näkyy nyt sekä sodissa että niiden myötä syntyvissä kilpa varusteluissa ihan ydinaseet mukaan lukien. Joukkotuhonnan välineiden suunnittelu, kehittäminen, rakentaminen ja sodissa testaaminen on taasen kiihtynyt kaikkialla. Myös meidän entisessä Impivaarassamme Suomen niemessä, jossa tunnutaan haettavan turvaa juuri joukkotuhonnan välineistä ja niitä sekä valmistavista että omistavista valtio muodostelmista ja sotilasliitoista Nato mukaan lukien. Tilanne näyttää nyt todella pahasti kärjistyvän sellaiseksi sopaksi, jonka päätepisteenä on koko lajimme tuho. Samalla muidenkin lajien tuho. Sodan ihannointi peräti demokratiaan ratkaisukeinona on järkyttävällä tavalla tullut jokapäiväiseksi ei vain Afganistanin miehityssodan (kesti 20 vuotta) vaan myös nyt tuon Ukrainan ja Gazan sotien myötä. Näyttää vakavasti siltä, että nyky ihminen tuhoaa itsensä pikemmin kuin arvaammekaan.. Typeryys kukoistaa…

  2. Heikki Väisänen sanoo:

    Ihmiskunnan suurin mullistus oli 6-7 miljoonaa vuotta sitten. Apinat siirtyivät puista savanneille ilmeisesti silloisen ilmastonmuutoksen pakottamina.
    Pystyasentoon johtivat monet muutokset kehossa. Evoluutio esimerkiksi suosi naaraita, joiden rinnat kehittyivät suuremmiksi seksuaaliviestejä antaneen takapuolen sijaan. (Desmond Morris: Hellyyden anatomia).
    Vaikka suvullinen lisääntyminen tuottaa hiukan toisistaan eroavia yksilöitä, lajina emme kilpaile elinympäristöstä toisen ihmislajin kanssa, koska niitä ei enää ole. Suuressa mittakaavassa ravintotilanne ja jopa kulttuuri on kaikkialla samaa.

    Ihmiskunnan evoluutio on pysähtynyt.

    Tiedettä ja tekniikkaa ei pidä yliarvioida maapallon resurssien riittävyydessä. Ne ovat talouden apuvälineitä. Ja talous on pielessä tuotantovälineiden yksityisen omistuksen takia. Myös maa on tuotantoväline. Pohjois-Amerikan alkuperäisväestö, intiaanit, eivät ymmärtäneet miksi valkoinen mies halusi ostaa heidän maitaan. Sehän oli jo kaikkien yhteistä omaisuutta.
    Parta-Kalle Marx analysoi kapitalismia todeten kasautuvan yksityisomistuksen olevan väärin, Rooman Paavin mukaan kasvavat ympäristöongelmat johtuvat ihmisen ahneudesta. Konstantinopolin ortodoksinen Patriarkka terävöitti seikkaa julistaen ympäristötuhon johtuvan suurfirmojen (ja ihmisten) voitonpyynnistä. Kuuluisa kanadalainen Naomi Klein osallistuu yhteiskunnalliseen keskusteluun tuhokapitalismista ja ruotsalainen nuori Greta Thunberg pääsee YK:hon ym puhumaan ilmastosopimusten ja tekojen välisestä ristiriidasta. Meteorologi, tietokirjailija Kerttu Kotakorpi kirjoitti Helsingin Sanomissa 14-17.01.2024: ”Nythän on tullut ilmi, että öljy-yhtiöt ovat maksaneet tosi paljon (ilmastovaikutuksia käsittelevien) tutkimustulosten hämärtämisestä”.
    Tekniikassa itsessään ei ole moitittavaa vaan siinä mihin sitä käytetään ja kuka saa rahat.

    Me emme voi tietää onko jonkun eksoplaneetan mereen kehittyneen bakteerin perimän kaksoiskierre samansuuntainen kuin meillä tai onko sitä ollenkaan sekä toimiiko valkuaisainesynteesi ihan toisin. Entä, jos ne vain möllöttävät myrkyllisessä alkumeressä aloittamatta fotosynteesiä ja hapen tuottamista.
    Jos nyt kuitenkin jokin tieteellistekninen sivilisaatio olisi noussut avaruuslentojen tasolle, se ei ”verrattaen nopeasti” levittäytyisi koko galaksiimme. Nopeuden noustessa 40 prosenttiin vastaantulevat varauksettomat alkeishiukkaset grillaavat matkustajat sekä mikropiirit. 10% voisi olla jopa saavutettavissa. Tähtienvälisen matka-ajan ollessa tuhansia tai kymmeniä tuhansia vuosia matkustajien pitäisi olla kuolemattomia ja avaruusaluksen takuuajan enemmän kuin Tesloilla. Mahdotonta.

  3. Ensin asutetaan oma aurinkokunta, vasta joskus sen jälkeen on tähtimatkojen vuoro. Kunhan opitaan elämään keinotekoisissa asemissa jotka on rakennettu pienkappaleiden raaka-aineista, kulttuuri voi levitä galaksiin siirtymällä lähinaapuriaurinkokuntien välillä, jos/kun on niin että likimain jokaisessa aurinkokunnassa on pienkappaleita tarjolla.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Eläviä planeettoja, demoneita ja termodynamiikkaa

8.1.2024 klo 10.00, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Termodynamiikan toinen pääsääntö on ehkäpä yksi kiinnostavimmista mutta väärinymmärretyimmistä fysikaalista maailmaamme kuvaavista lainalaisuuksista. Kaikessa yksinkertaisuudessaan se kertoo, että suljetussa järjestelmässä epäjärjestys kasvaa aina, tai ainakin pysyy samana, jos mitään ei tapahdu. Kyse on fyysikkojen muotoilemasta säännöstä sille tosiasialle, että on huikean paljon enemmän tapoja saada vaikkapa lastenhuone epäjärjestykseen kuin järjestykseen. Jos sitten siirtelemme sen sisältöä satunnaisella tavalla, on huikean paljon todennäköisempää päätyä tilaan, jossa huone on sotkuinen kuin sellaiseen, että huone on siisti. Myös pudottaessamme mummin antiikkiposliinin lattialle se menee epäjärjestelmälliseksi sotkuksi pirstaleita mutta voimme viettää vaikka koko loppuikämme pudottamassa pirstaleita lattialle ja ne eivät koskaan muodosta ehjää posliinikuppia. Tällä epäjärjestystä kuvaavalla tilastollisella lailla onkin tärkeitä seurauksia.

Fyysikot käyttävät epäjärjestykselle nimeä entropia. Entropian ollessa minimissään, ollaan täydellisessä järjestyksessä ja sen kasvaessa maksimiinsa, ollaan niin täydellisessä epäjärjestyksessä kuin olla saattaa. Lastenhuoneen tapauksessa se tarkoittaisi kaikkien huoneen tavaroiden levittäytymisen satunnaiseen kohtaan huonetta. Näin ajateltaessa on samalla selvää, että jo painovoima tuo huoneeseen järjestystä. Vain satunnaiset ilmaa kevyemmällä kaasulla täytetyt vappupallot tuovat poikkeuksen siihen sääntöön, että kaikki huoneen tavarat ovat tyypillisesti lattialla tai toistensa päällä. Aivan samoin on selvää, että huoneen saattaminen järjestykseen vaatii työtä, ja kuluttaa energiaa. Sen tietää mainiosti jokainen lastenhuonetta siivonut lapsi ja vanhempi. Voimme kuitenkin käyttää energiaa, siivota huoneen, ja palauttaa sen jonkinlaiseen parhaaksi katsomaamme entropiaminimiinsä ja siten järjestykseen.

Vaikka termodynamiikan toinen pääsääntö ei ole kuin vain tilastollinen laki, se on silti aivan perustavanlaatuinen fysikaalista maailmaamme määrittävä tekijä. Lain ja maailmasta tehtyjen havaintojen avulla voidaan päätellä, että entropiaa voidaan tosiaan paikallisesti pienentää. Koko sivilisaatiomme ja planeettamme biologinen elämä perustuu siihen, että asetellaan aine järjestykseen, jotta se toimii halutulla tavalla. Asettelemme mineraalit, raudan ja veden teräsbetonina taivaalle kohoaviksi rakennelmiksi aivan kuten puut asettavat sokerimolekyylinsä selluloosaksi ja siitä tehdyiksi pitkiksi rungoiksi kohottaessaan lehtensä kohti korkeuksia. Samoin, rakennamme sähkövirtaa tuottavia paneeleitamme tarkalla kemiallis-fysikaalisella prosessilla sellaisiksi, että voimme sitoa niillä Auringon energiaa sähköiseksi potentiaaliksi, jolla voidaan tehdä työtä. Vastaavasti, puut valmistavat klorofyllimolekyylinsä sitoakseen Auringon energian kemialliseksi energiaksi.

Taustalla toimii kuitenkin aina sama prosessi: energiaa käytetään paikallisen entropiaminimin rakentamiseen. Mutta koska entropia ei voi vähetä suljetussa järjestelmässä, kuten maailmankaikkeudessa, on käyttämämme energian tuottamisen täytynyt kasvattaa entropiaa jossakin muualla enemmän kuin mitä olemme sitä onnistuneet paikallisesti pienentämään. Fyysikot ovat laskelmillaan ja Maxwellin demonina tunnetuilla ajatuskokeillaan varmistaneet, että juuri niin käykin. Esimerkiksi Auringon fuusioreaktiossa entropia kasvaa koko ajan enemmän kuin sitä voisi edes teoriassa aurinkopaneeleilla kaapatun säteilyenergian avulla vähentää.

Termodynamiikan toisen pääsäännön avulla voidaan todeta, että koko maailmankaikkeus pyrkii kohti maksimientropiaansa, jossa kaikki aine ja energia on jakautunut maailmankaikkeuden alueelle maksimaalisessa epäjärjestyksessä, vailla rakenteita tai mitään huomattavaa sisältöä. Kun tähdet ovat palaneet loppuun, galaksit hajaantuneet, mustat aukot kiehuneet kuoliaiksi Hawkingin säteilyn avulla, ja viimeinenkin protoni ja neutroni on hajonnut, on jäljellä enää alati viilenevä taustasäteilyjakauma, joka muistuttaa siitä, mitä maailmankaikkeudessamme joskus oli. Ei kuitenkaan ole syytä pelätä tätä universumin lämpökuolemaa, koska prosessissa kestää paljon kauemmin kuin mikään ihmisen millään tavalla hahmotettavissa oleva ajan mitta kykenee luotettavasti mittaamaan.

Termodynamiikka pätee kuitenkin aivan kaikkeen jo nykyisellään ja asialla on seurauksia planeettojen elinkelpoisuudelle.

Elämä kylvää entropiaa

Elävät solut tarvitsevat ylläpitoonsa monenlaisia virtoja. Virtaavat vedet toki auttavat, vaikkeivät välttämättömiä olekaan, mutta moni muukin asia ikään kuin virtaa biologisten organismien läpi. Aineenvaihdunta muodostaa yhden virtauksen, kun molekyylit otetaan osaksi organismin rakennetta, niitä muokataan monenlaisilla tavoilla osana biokemiallisen koneen toimintaa, ja loputa tarpeettomat ainekset hylätään organismin ulkopuolelle. Samoin tarvitaan energian virta, jonka vaikutuksesta organismin biokemia toimii evoluution jatkuvasti testaaman ja huippuunsa hioman mallin mukaisesti. Energia kuluu reaktioiden ylläpitämiseen ja aineenvaihdunnan ylläpitoon, sekä rakenteelliseen energiaan, joka mahdollistaa monimutkaiset rakenteet kuten mäntyjen rungot, riikinkukkojen pyrstösulat tai vaikkapa haiden selkäevät, joita tyypillisesti ihailemme erityisesti monisoluisissa organismeissa.

Mutta tarvitaan vielä yksi virtaus. Elämä toimii vain entropiavirran avulla, kun elävien solujen on omaa entropiaminimiään ylläpitääkseen kylvettävä entropiaa ympärilleen. Ravintona saadun kemiallisen energian avulla tehdään kemiallista työtä, joka vähentää entropiaa organismin sisällä, koska organismien biokemiallisen koneiston on oltava hyvinkin tarkasti järjesteltynä. Ja koska kokonaisuutena entropia ei saa vähentyä, on sen lisäännyttävä organismin ulkopuolella enemmän kuin se organismin sisällä pienenee.

Jos kerran elävät organismit tuottavat entropiaa levittäen sitä ympärilleen, on selvää, että elävät planeetat tuottavat samoin enemmän entropiaa kuin elottomat. Mutta entropiantuotanto riippuu fysikaalisista olosuhteista, joihin vaikuttaa esimerkiksi saatavilla olevan energian määrä. Mitä enemmän energiaa on saatavilla, sitä korkeampaan entropiantuotantoon voidaan päästä — kyse ei kuitenkaan ole vain planeetan kiertämän tähden säteilyenergiasta, koska liiallinen kuumuus tekee planeetoista elinkelvottomia haihduttamalla kaiken universaalina liuottimena pidetyn veden, jonka puitteissa tuntemamme elämä esiintyy.

Kaikki riippuu siitä suhteesta, jolla planeetta saa tähtensä säteilyenergiaa ja säteilee sitä itse pois. Se taas riippuu niin tähden kuin planeetan lämpötiloista, planeetan rataetäisyydestä ja tähden koosta, sekä planeetan heijastavuudesta, eli kertoimesta, jolla planeetta heijastaa tähden säteilyä pois sen sijaan, että säteily vaikuttaisi planeettaan. Maalla kerroin on noin 0.3, mikä tarkoittaa, että 30% kaikesta Auringosta saapuvasta säteilystä heijastuu pois ja vain 70% sitoutuu planeettamme ilmakehään, meriin, maaperään ja kasvillisuuteen. Kaasukehän tarkempi koostumus ei kuitenkaan vaikuta suoraan siihen maksimiin, jolla entropiaa on mahdollista tuottaa, joten määritettäessä millä planeetoilla entropiantuotanto voi olla korkeinta ja siten biosfäärit kompleksisimpia ei ole tarpeen ottaa kantaa planeetan kaasukehän kemiaan. Se taas on mainio käytännön etu, koska erityisesti pienten kiviplaneettojen kaasukehien kemiasta on niin kovin vaikeaa saada tietoa.

Maksimaalisen entropiantuotannon tarkastelu erilaisille tähdille paljastaa, että parhaat mahdollisuuden entropiantuotantoon on kirkkaammilla, G ja F spektriluokkien tähdillä, joiden pintalämpötilat ovat korkeimmat (Kuva 1.). Jos käytämme Aurinkoa vertailukohtana, vain Aurinkoa kirkkaammat tähdet ovat parempia tarjoamaan entropiantuotantoa maksimoivia ympäristöjä ja siten parempia paikkoja elämän esiintymiselle. Entropia siis suosii kirkkaampia tähtiä elävien planeettakuntien keskuksina, vaikka onkin mahdotonta sulkea pois edes himmeämpien punaisten kääpiötähtien kelpoisuutta elävien planeettojen koteina.

Kuva 1. Planeetan maksimaalinen entropiatuotanto (vasemmalla) ja sitä vastaava vapaan energian määrä (oikealla) erilaisille tähdille. IHZ ja OHZ tarkoittavat elinkelpoisen vyöhykkeen sisä- ja ulkoreunoja ja vihreä katkoviiva kuvaa oman planeettamme entropiantuotantoa ja energiaa. Kuva: L. Petraccone.

Tähtitieteilijöiden on kuitenkin tehtävä valintoja etsiessään planeettoja, joiden pinnoilla elämä kukoistaa ja joiden elämästä olisi siis edes periaatteessa mahdollista tehdä havaintoja. Ensimmäinen valinta on tehtävä silloin, kun päätetään mihin planeettoihin kannattaa kohdistaa rajalliset havaintoresurssit koettaessamme saada esiin elämän merkkejä. Tarkasteltaessa tunnettujen elinkelpoisen vyöhykkeen eksoplaneettojen maksimaalista entropiantuotantoa, voidaan arvioida mitä planeettoja kannattaa havaita tarkemmin entropiakriteetin valossa, jos halutaan löytää tehokkaimmin merkkejä elämästä (Kuva 2.).

Kuva 2. Tunnetujen Aurinkokuntaa lähellä sijaitsevien maankaltaisten eksoplaneettojen planetaarisia entropiantuotantoja (vasemmalla) ja vapaita energioita (oikealla). Kuva: L. Petraccone.

Tyypilliset elinkelpoisten eksoplaneettojen tilastojen kärjessä olevat kohteet, kuten TRAPPIST-1 järjestelmän planeetat tai lähin kandidaatti elinkelpoiseksi planeetaksi, Proxima b, eivät pärjää kovinkaan hyvin maksimaalisen entropiantuotannon mittarilla. Itse asiassa, oikein mikään tunnettu maankaltaiseksi määritetty eksoplaneetta ei pärjää omalle kotiplaneetallemme entropiamittarilla. Se ei ole yllättävää, koska niistä jokainen kiertää Aurinkoa himmeämpää tähteä. Tilanne kuitenkin muuttuu, kun tarkastellaan tunnettuja hyseaanisia planeettoja (Kuva 3.). Likimain jokainen niistä kykenee entropiakriteerin mukaisesti korkeampaan maksimaaliseen entropiantuotantoon, ja siten potentiaalisesti ylläpitämään suurempaa biosfääriä. Niiden olosuhteissa maksimaalinen entropiantuotanto on suorastaan huomattavan paljon korkeampaa, ja siksi kysymys hyseaanisten planeettojen elinkelpoisuudesta saa uutta mielenkiintoa. Jos tosiaan on niin, että hyseaanisten planeettojen paksujen vetypitoisten kaasukehien alla velloo massiivisia valtameriä, niin kyseisen planeettatyypin edustajia kannattaa havaita koettaessamme havaita merkkejä biologisesta aktiivisuudesta.

Kuva 3. Tunnetujen hyseaanisten eksoplaneettojen planetaarisia entropiantuotantoja (vasemmalla) ja vapaita energioita (oikealla). Kuva: L. Petraccone.

Asiassa on vain monta tuntematonta muuttujaa. On mahdotonta sanoa onko melkoisiin yksinkertaistuksiin perustuva entropiakriteeri mistään kotoisin — aivan samoin kuin on mahdotonta sanoa onko hyseaanisten planeettojen valtamerten elinkelpoisuus tosiasia. Samalla on tietenkin muistettava, että koko elinkelpoisen vyöhykkeen käsitteemme perustuu melkoisille yksinkertaistuksille, joita maailmankaikkeuden ei missään tapauksessa tarvitse noudattaa. Vasta uudet havainnot voivat paljastaa miten asia on mutta voimme joka tapauksessa sanoa, että entropiakriteetri ei varsinaisesti auta sulkemaan pois minkään elinkelpoisiksi ajateltujen planeettatyyppien potentiaalia ylläpitää elämää. Se kuitenkin tarjoaa yhden tieteellisen näkemyksen, jonka perusteella huomio kannattaisi kiinnittää massiivisempiin supermaapalloihin, jotka kykenevät suojaamaan valtamerensä kirkkaiden tähtiensä kuumuudelta peittämällä ne paksuun vetypitoiseen vaippaan.


Kirjoituksen otsikossa lupasin kertoa demoneista, joten muutama sana Maxwellin demonista lienee paikallaan. Kyse on ajatuskokeesta, jossa kuvitellaan pikkuruinen demoni istumaan kahta astiaa yhdistävälle portille. Astioissa on kaasua ja sen eri molekyylit liikkuvat eri nopeuksilla lämpötilan edellyttämän jakautuman mukaisesti. Mutta demoni tuleekin sotkemaan järjestelyä, ja päästää portista valikoiden kaikkein nopeimmin liikkuvat molekyylit toiselle puolelle. Valinnan seurauksena toisen astian molekyylit liikkuvat pian keskimäärin nopeammin, mikä tarkoittaa astian aineksen kasvanutta lämpötilaa. Toisen astian lämpötila taas on laskenut vastaavissa määrin. On siksi selvää, että kokonaisuutena järjestys on kasvanut ja siten entropia on vähentynyt tavalla, jonka on ajateltu paradoksaalisesti rikkovan termodynamiikan toista pääsääntöä.

Asiassa ei kuitenkaan ole minkäänlaista todellista paradoksia, koska demoni itse on tuonut mukaan energiaa ja informaatiota avaamalla ja sulkemalla porttia tiettyinä aikoina sopivalla tavalla. Kokonaisuutena entropia ei siis ole vähentynyt, vaan demoni on ollut työssään luomassa järjestystä, käyttänyt energiaa, ja kasvattanut omaa entropiaansa paljon enemmän. Mukaan on kuitenkin tullut informaation käsite, koska demonin täytyy käsitellä informaatiota siitä, mikä on kyllin nopeasti liikkuva molekyyli ja mikä ei. Se taas on oma mielenkiintoinen sivupolkunsa tieteen ihmeellisessä maailmassa ja jätän sen suosiolla tarkasteltavaiksi jossakin sopivammassa ajankohdassa lähitulevaisuudessa.

4 kommenttia “Eläviä planeettoja, demoneita ja termodynamiikkaa”

  1. Heikki Väisänen sanoo:

    Entropia ei synnytä eläviä soluja.
    Elämän syytä ja syntyä pitää etsiä kemiasta ja biologiasta eikä fysiikan lämpöopista.

  2. Onko seuraava oikein ymmärretty: Planeetan tuottama entropia ilmenee sen säteilemien infrapunafotonien määränä. Planeetta muuntaa tähden valon fotoneja pitkäaaltoisemmiksi. Fotonien määrä moninkertaistuu, koska energia fotonia kohti pienenee murto-osaan. Entropia kasvaa, koska se on verrannollinen fotonien määrään. Jos oletetaan että elinkelpoisen planeetan lämpötila on aina sama, sen entropiantuotantokyky on yksinkertaisesti verrannollinen planeetan pinta-alaan.

    1. Lukuunottamatta lähellä ykköstä olevaan korjaustekijään (1-Tplanet/Tsta)r tai jotain sinnepäin.

    2. Mikko Tuomi sanoo:

      Koko säteilyspektri vaikuttaa, ja eniten vaikuttaa suurienergisempi säteily. Laskelmat ovat melko yksinkertaistettuja, kuten alkuperäisjulkaisusta näkee:

      https://academic.oup.com/mnras/article/527/3/5547/7425639

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Missä vedet vain virtaavat

19.12.2023 klo 10.00, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus , Havaitseminen

Olemme jo pitkään ajatelleet elämän voivan esiintyä siellä, missä vain on nestemäistä vettä. Samalla olemme vähintäänkin alitajuisesti ajatelleet planeettamme pintaolosuhteiden vettä jokien, järvien ja merten muodossa, ja antaneet intuitiomme johdattaa itseämme harhaan. Meille, ihmislajiin kuuluville kaksijalkaisille apinoille, kylpyvesi on sellaista parasta mahdollista vettä ja siksi näemme helpoiten vettä vain siellä, missä esiintyy selkeitä veden ja ilman rajapintoja. Näemme joissa virtaavat vedet, näemme järvien syvänteet ja merten aallokon. Ne ovat ehkäpä juuri lajimme kokemuspiiriin keskeisimmin kuuluvia veden esiintymiä, mutta maailmankaikkeuden mittakaavassa kuitenkin siitä harvinaisemmasta päästä.

Vettä on runsain mitoin muuallakin. Arviolta ainakin valtamerten verran vettä esiintyy jo planeettamme kallioperän sisuksissa, sitoutuneena mineraaleihin ja täyttäen kivisen aineksen pienenpieniä halkeamia. Kallioperä tarjoaa valtavasti elintilaa eläville organismeille aivan jalkojemme alla, eikä inhimilliseen kokemuspiiriin kuuluvaa vettä tarvita ylläpitämään sellaisten elävien solujen aineenvaihduntaa. Tunnemme samoin monia muita välittömän kokemuspiirimme ulkopuolella olevia elinympäristöjä, joiden koko olemassaolo on selvinnyt meille vasta viime vuosikymmeninä. Tiedämme järvistä Antarktiksen mannerjään alapuolella, eristyksissä planeettamme pinnan elinympäristöistä. Vastaavia olosuhteita saattaa löytyä jopa Marsin napajäätiköiden alapuolelta. Samoin olemme oppineet tuntemaan merenpohjan geologisesti aktiivisten alueiden ekosysteemit. Samankaltaisia paikkoja, joissa geokemiallisten ja biologisten prosessien välinen rajapinta on saattanut ylittyä, saattaa esiintyä Europan ja Enceladusin valtamerten pohjista.

Kuten aina tieteessä, tutkimuskysymykset ja menetelmät niihin vastaamiseen valitaan tunnetun tiedon lähtökohdista. Siten ihmislähtöinen ajattelumme on vain yksi ymmärrykseemme harhoja aiheuttava tekijä, jonka kahleita on yllättävän vaikeaa ravistaa pois edes luonnontieteiden analyyttisessa ja matemaattisen metodologisessa maailmassa. On siksi aina ilahduttavaa nähdä sellaisten kahleiden heikkenevän ja putoavan pois haittaamasta tiedettä. Nyt niin on käymässä vinhaa vauhtia vanhentuneille ajatuksille nestemäisen veden ja elämän edellytysten esiintymisestä maailmankaikkeudessamme.


Valtaosa maailmankaikkeuden elämästä tuskin esiintyy keltaisessa auringonvalossa kimmeltävän sinisen valtameren suolaisissa aalloissa. Rantakallioihin paiskautuvat aallot, hiekkarantojen aaltoilevat kuviot vesirajassa, ja moninaiset vuorovesilammikoiden labyrintit ovat ehkä vain harvinaisia veden muodostamia elinympäristöjä, joista valtaosalla universumimme elävistä organismeista ei ole minkäänlaista kokemusta. Maa on historiansa saatossa ollut jään peitossa, mutta monia oman aurinkokuntamme kappaleista peittää ikijää, jonka alla velloo suolainen meri. Nyt tutkijat ovat ensi kertaa koettaneet huomioida sellaisten maailmojen elinkelpoisuutta arvioidessaan elinkelpoisten planeettojen lukumääriä maailmankaikkeudessa.

Oleellisessa roolissa on tietenkin nestemäinen vesi. Sen esiintymisen arviointi on kuitenkin kaikkea muuta kuin helppoa, vaikka tähtitieteilijät ovatkin julkaisseet erilaisia arvioitaan eksoplaneettojen vedestä jo niin kauan kuin planeettoja on tunnettu toisten tähtien kiertoradoilta. Tyypillisesti on keskitytty arvioimaan minkälaisissa olosuhteissa vesi voi virrata planeetan pinnalla ihmislajille tutuilla tavoilla. Kyse on silloin siitä, että etsimme maankaltaisia olosuhteita muilta planeetoilta ja koetamme oleellisesti määrittää eksoplaneettojen elinkelpoisuutta suhteessa omaan planeettaamme. Logiikka on tietenkin oikein toimivaa — kun kerran omalla planeetallamme esiintyy runsain mitoin elämää, sitä voi esiintyä muualla samankaltaisissa olosuhteissa. Tuloksena on saatu arvioita monenlaisista klassisista elinkelpoisista vyöhykkeistä, jotka rajoittuvat oleellisesti omasta planeettakunnastamme tutuilla tavoilla. Voimme sanoa karkeasti, että planeetan ollessa liian kylmä kuten Mars, sen vesi on jäässä ja elämää tuskin esiintyy. Samoin, jos planeetta on liian kuuma, kuten Venus, sen kasvihuoneilmiö karkaa käsistä ja muodostuu kuuma, elinkelvoton pätsi. Todellisuus on kuitenkin paljon monimuotoisempi.

Jää tarjoaa mainion suojan veden nestemäiselle olomuodolle, ja siksi sen esiintyminen on oleellisessa roolissa. Kun klassinen elinkelpoinen vyöhyke auttaa arvioimaan edellytyksiä maankaltaiselle elämälle, sen ulkopuolella ei periaatteessa ole kuin kevyitä rajoitteita sille, kuinka kauas elinkelpoinen vyöhyke voi ulottua, jos ei tarvitse rajoittua maankaltaisiin olosuhteisiin. Tarvitaan kuitenkin jokin lämmön lähde, joka voi pitää veden virtaamassa eristeenä toimivan jääkuoren alapuolella, kuten radioaktiivinen hajoaminen, planeetan synnystä jäljelle jäänyt lämpö, vuorovesivoimien aiheuttama kitkalämpö, tai niiden jonkinlainen kombinaatio. Vaikka jättiläisplaneettojen kuut muodostuvat tällöin merkittäväksi elinkelpoisten ympäristöjen reserviksi, myös perinteinen tavallisten kiviplaneettojen elinkelpoinen vyöhyke laajenee ulospäin (Kuva 1.).

Kuva 1. Arvioita elinkelpoisen vyöhykkeen sijainnista eri lämpötilan tähdille suhteutettuna Auringosta Maahan saapuvaan säteilyvuohon. Sama säteilyvuo saavutetaan Aurinkoa (lämpötila 5800 K) viileämmille tähdille huomattavasti lähempänä niiden pintaa, mikä aikaansaa voimakkaita vuorovesivoimia ja vuorovesilukkiutumisen (harmaa katkoviiva) likimain kaikille viileitä tähtiä kiertäville elinkelpoisille planeetoille. Punainen, tähdestä katsottuna kaukaisin katkoviiva kuvaa säteilyolosuhteita, joissa nestemäinen vesi voi vielä esiintyä kivisen planeetan pinnalla jäätiköiden alla. Sisimmät siniset katkoviivat edustavat elinkelpoisia olosuhteita jään alla vuorovesilukkiutuneiden planeettojen pimeällä puolella. Kuva: A. Wandel.

Suurimmat vaikutukset ovat kuitenkin punaisten kääpiötähtien vuorovesilukkiutuneille kiviplaneetoille, jotka ovat lähellä tähteään liian kuumia nestemäisen veden esiintymiselle mutta vain valoisalta puoleltaan. Niiden pimeät puolet pysyvät viileinä ja voivat pysyä jäätiköiden peitossa vaikka tähden säteily olisi peräti 150% voimakkaampaa (2.5 kertaista) kuin maapallolla. Lähin esimerkki sellaisesta planeetasta on Proima b, jonka pinnalleen saama säteily on noin 35% heikompaa kuin omalla planeetallamme. Mutta Proxima b ei ole yksin, vaan likimain kaikki kiviplaneetat, jotka kiertävät punaisia kääpiötähtiä kiertoradoilla, joilla vuoden pituus on mitä tahansa muutamasta päivästä muutamaan kymmeneen päivään, mahtuvat mainiosti uuden, laajennetun elinkelpoisen vyöhykkeen sisälle. Se tarkoittaa valtavaa lisäystä potentiaalisesti elinkelpoisten planeettojen määrään Auringon lähinaapurustossa ja linnunradassamme. Potentiaalisesti nestemäistä vettä ja siten elämälle soveltuvia elinympäristöjä on silloin keskimäärin ainakin yhdellä planeetalla jokaista linnunradan tähteä kohti.

Tärkeässä roolissa planeettojen elinkelpoisuuden arvioinnissa on tietenkin kaasukehä, josta emme tiedä oikein mitään yhdellekään maankaltaiselle eksoplaneetalle. Nyt voimme kuitenkin esittää optimistisia arvioita, että elinkelpoisia alueita saattaa esiintyä likimain jokaisella lähitähtien kiviplaneetalla, jonka vain kykenemme löytämään. Ja se tarkoittaa myös mahdollisuuksia havaita merkkejä maanulkopuolisesta elämästä.

Voimme kuvitella läheistä pientä tähteä kiertävän pienen kiviplaneetan, jonka valoisa puoli on kuuma ja karu autiomaa, jonka olosuhteissa mikään elävä organismi ei voi selviytyä. Sillä voi kuitenkin olla pimeällä puolellaan paksu jäätikkö, jonka alla virtaa nestemäinen vesi, ja jossa on omat monipuoliset ekosysteeminsä, jotka saavat energiansa geologisesta aktiivisuudesta. Dynaamisena järjestelmänä sellainen jäätikkö olisi alati tähden vuorovesivoimien muokattavana, mistä aiheutuisi halkeamia ja railoja, ja osittaista sulamista sekä uudelleen jäätymistä kaasukehän virtausten kuljettaessa aina ajoittain haihtuvan veden takaisin pimeälle puolelle. Sellaisissa olosuhteissa geysirit voisivat vapauttaa jään alta materiaa kaasuksi planeetan kasukehään, tuottaen muutoin kuivaan kaasukehään vesihöyryä ja sen mukana merkkejä orgaanisista molekyyleistä. Sellaisia, jotka voisimme havaita vaikkapa transmissiospektroskopian keinoin, jos vain planeettan ylikulkuja tähtensä editse voidaan tarkkailla.

2 kommenttia “Missä vedet vain virtaavat”

  1. Elämä tarvitsee vettä, ravinteita ja energiaa. Biologinen pöhinä skaalautuu sen mukaan mikä noista kolmesta on minimitekijä. Esim. kallioperän raoissa tai Europan meressä minimitekijä on arvatenkin energialähde. Antroposentrismiä on hyvä varoa, mutta toisaalta ihmiselle tuttu ympärstö, esim. aurinkoinen ranta, on absoluuttisessakin mielessä aika vahva noiden kolmen tuotannontekijän suhteen.

    Viimeisessä kappaleessa kuvattu transmissiospektroskopian käyttö kuulostaa lupaavalta tutkimussuunnalta.

  2. Seniorikosmetologi sanoo:

    Vaikka mikrobitason elämää löytyykin syvältä Maan kallioperästä ja Antarktiksen jään alta, olen ajatellut niin, että sellainen elämä on syntynyt alkujaan maankuoren pinnalla Auringon valon ja lämmön vaikutuspiirissä. Mantereiden liikkeet ja tulivuoritoiminta on johtanut siihen, että osa mikrobeista on vajonnut syvälle maaperään tai peittynyt jääkuoren alle. Niistä mikrobeista on jäänyt eloon sellaisiin olosuhteisiin sopeutuneet, muut ovat kadonneet. Kallioperässä ja paksun jääkuoren alla esiintyvä mikrobielämä ei siis ole syntynyt siellä. Se ei myöskään ole kehittynyt, vaan jäänyt satojen miljoonien tai muutaman miljardin vuosien takaiselle tasolleen.

    Eksoplaneetoilla ja planeettojen kuissa esiintyvän mikrobitasoisen elämän olisi siis mielestäni täytynyt syntyä suurin piirtein samalla tavalla kuin Maassakin. Kylmässä (tai lämpimässä) pimeydessä jään alla tai kallioperässä en usko elämää syntyvän missään. Se voi vain siirtyä sinne olosuhteiden muuttuessa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Uusia arvioita elämästä lähitähtien planeetoilla

4.12.2023 klo 10.00, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Onko maailmankaikkeutemme ja galaksimme elämä yleistä vai harvinaista? Onko sitä syntynyt jo kauan ennen Aurinkokunnan muodostumista vai edustaako planeettamme ensimmäistä elävien planeettojen sukupolvea? Kuinka monta elävää planeettaa galaksissamme on? Moniko niistä sijaitsee kosmisessa lähinaapurustossamme vain kymmenien valovuosien päässä? Kuinka kaukana on lähin elävä planeetta?

Kysymyksiä liittyen elämään maailmankaikkeudessa on erittäin helppoa esittää mutta luotettavien vastausten löytäminen onkin sitten likimain mahdotonta, koska tunnemme vain yhden esimerkin elävien planeettojen luokasta. Yrityksen puutteesta tutkijoita ei kuitenkaan voi syyttää. Tähtitieteilijät ja modernit astrobiologit ovat koettaneet valjastaa tiedettä vastatakseen kysymyksiin elämästä, universumista ja kaikesta niin kauan kuin nykymuotoista tieteellistä tutkimusta on tehty. Yksittäinen anekdootti ei vain salli kummoisiakaan yleistyksiä ja se, että olemme pohtimassa koko kysymystä elämän yleisyydestä takaa vastausten olevan jo lähtökohtaisesti olemassaolomme vääristämiä.

Rustatessaan eräänlaista todennäköisyyksillä leikittelevää yhtälöään lasinaluseen, Frank Drake, yhdysvaltalainen tähtitieteilijä, tuskin aavisti kirjoittavansa varsinaista kulttimaineeseen nousevaa laskukaavaa. Hän hahmotteli karkeaa tapaa arvioida teknisten sivilisaatioiden välisen kommunikoinnin mahdollisuuksia perustuen sarjaan helpommin käsiteltäviä arvioita vaadittavista reunaehdoista. Voimme esimerkiksi arvioida tähtien syntynopeutta, auringonkaltaisten tähtien yleisyyttä niiden joukossa, ja planeettojen esiintymistä niiden kiertolaisina koettaessamme arvioida kuinka usein (maankaltaiset) elämälle soveltuvat olosuhteet syntyvät. Voimme spekuloida moniko planeetoista soveltuu elämälle ja monelleko niistä elämää sitten syntyy. Sitten voimme koettaa arvioida kuinka todennäköisesti kehittyy älykkäitä lajeja, teknisiä sivilisaatioita, ja kyky kommunikoida vaikkapa radiosignaalien välityksellä muiden vastaavien sivilisaatioiden kanssa. Lopuksi voimme arvailla minkälaista halukkuutta vieraalla sivilisaatiolla olisi sellaiselle toiminnalle ja kuinka kauan sivilisaatio olisi olemassa harjoittaakseen kommunikointia.

Draken laskukaavassa ei toki sinällään ole mitään vikaa. Se vain on mahdoton käyttää millään luotettavuudella käytännön tarkoituksiin, koska sen tekijöistä vain tähtitieteellistä puolta voidaan arvioida — biologisia ja kulttuurillisia reunaehtoja voimme vain arvailla perustuen siihen, mitä oman planeettamme elämästä olemme oppineet. Onko esimerkiksi todennäköistä, että vieraan lajin tekninen sivilisaatio olisi edes millään tavalla kiinnostunut kommunikoimaan toisten sivilisaatioiden kanssa, vaikka sillä tekniset edellytykset siihen olisikin? Emme voi tietää vastauksia kuin vain kapeasti oman lajimme lähtökohdista.


On selvää, että voimme unohtaa arviot koskien teknologisten sivilisaatioiden määriä mutta elämän edellytysten esiintymisen arviointi onnistuu oikein mainiosti jatkaen Draken viitoittamalla polulla. Laskelmat eivät kuitenkaan ole aivan yksinkertaisia. On huomioitava kuinka nopeasti tähtiä on syntynyt galaksimme historian saatossa ja kuinka suuri osuus tähdistä on mitäkin tyyppiä. Syntynopeus on muuttunut jatkuvasti, riippuen paikallisista olosuhteista. Esimerkiksi Auringon syntyä 4.6 miljardia vuotta sitten edelsi noin miljardi vuotta aiemmin tapahtunut tähtien syntyryöppy. Sen kestäessä miljardit tähdet syttyivät jonkin galaktisen häiriötekijän saatua tähtienvälisen kaasun ja pölyn pilvet luhistumaan ja tuottamaan läjäpäin tähtiä. Samalla syntyi tietenkin suunnaton määrä planeettoja tähtien kiertoradoille, mikä on huomioitava elämän yleisyyttä koskevissa laskelmissa.

Toinen merkittävä tekijä on raskaampien alkuaineiden määrä. Varhaisemmassa maailmankaikkeudessa oli vähemmän heliumia raskaampia tähtitieteilijöiden yleisnimellä ”metalli” kutsumia alkuaineita. Se hidasti jättiläisplaneettojen syntyä, joten vasta ensimmäisten tähtisukupolvien kuoltua ja vapautettua raskaita alkuaineita avaruuteen supernovaräjähdysten myötä, jättiläisplaneettojen muodostuminen on päässyt vauhtiin ja on voinut syntyä enemmän aurinkokunnankaltaisia hierarkisia järjestelmiä. Edelleen, on huomioitava, että tähdet eivät elä ikuisesti, vaan tähtien elinikä riippuu oleellisesti niiden massasta. Keveimmät punaiset kääpiötähdet elävät pisimpään, jopa satoja miljardeja vuosia, ja ne eivät ole ehtineet maailmankaikkeuden eliniän aikana omaa taaperovaihettaan pidemmälle. Aurinkoa kirkkaammat ja massiivisemmat tähdet taas kuolevat supernovina jo korkeintaan parin miljardin vuoden ikäisinä kun taas Auringonkaltaiset keltaiset kääpiötähdet elävät kymmenisen miljardia vuotta.

Galaksimme noin parisataa miljardia tähteä ovat siis eri ikäisiä ja eri kokoisia, ja omaavat erilaiset koostumukset, mitkä kaikki vaikuttavat niitä ympäröivien planeettakuntien koostumukseen ja ominaisuuksiin, sekä elinkelpoisuuteen. Auringon naapurustossa, josta on tarkkoja Gaia -avaruusteleskoopin havaintoja, on arvioiden mukaan tapahtunut ainakin neljä merkittävää tähtien syntyryöppyä noin 1, 2, 6 ja 10 miljardia vuotta sitten. Jokaisen aikana syntyi tähtiä, joiden koostumus oli keskimäärin erilainen, ja Aurinko edustaa metallipitoisuudeltaan keskimääräistä tähteä. Luonnollisesti, vanhimmat tähdet ovat vähämetallisimpia kun taas nuorimmissa tähdissä metallipitoisuus on korkein.

Tarkastellessamme perinteisiä elinkelpoisia vyöhykkeitä, eli etäisyyksiä tähdistä joilla nestemäisen veden esiintyminen kiviplaneetan pinnalla olisi mahdollista, on lisäksi huomioitava tähtien kehitys. Tyypillisesti tähdet kirkastuvat vanhetessaan. Ne polttavat ytimestään vetyä fuusioreaktiossa tuottaen heliumia vedyn tilalle. Helium taas vaatii fuusioonsa huomattavasti korkeampia lämpötiloja, joten ytimen vetyvaraston vähetessä energiantuotanto hiipuu, mikä saa gravitaation ottamaan vallan ja puristamaan ydintä kovemmin kasaan. Se taas nostaa lämpötilaa vedyn fuusioreaktioon vaadittavalle tasolle myös ydintä ympäröivissä kerroksissa, jotta tähti pysyisi tasapainotilassa. Vedyn fuusiota ylläpitävä ydin siis laajenee, ja samalla ytimen lämpötila kasvaa, mikä saa myös tähden kirkastumaan. Samalla elinkelpoisen vyöhykkeen etäisyys tähden pinnasta karkaa kauemmaksi kasvaneen kuumuuden myötä. Esimerkiksi Aurinko kuumenee hiljalleen tavalla, joka tekee omasta planeetastamme korventuneen, elottoman kivenmurikan noin miljardin vuoden kuluttua. Sellaisella aikataululla saapuvasta maailmanlopusta ei kuitenkaan tarvitse huolestua.

Kaikkiaan, noin 330 valovuoden etäisyydellä Aurinkokunnasta on noin 11 000 elinkelpoisen vyöhykkeen kiviplaneettaa. Se planeettapopulaatio on kaikkein kiinnostavimmassa asemassa, koska kauempaa merkkejä elämästä on huomattavasti vaikeampaa havaita. Kun yllämainittujen tekijöiden vaikutus on huomioitu, on mahdollista arvioida alkeellisen elämän yleisyyttä naapurustossamme erilaisilla reunaehdoilla.

Yksi kriittinen tekijä on oranssien K-sarjan kääpiötähtien suotuisuus elämälle. Ne ovat stabiileja tähtiä Auringon tapaan, mutta hiukan pienempinä paljon auringonkaltaisia tähtiä yleisempiä. Jos niitä kiertävistä elinkelpoisista planeetoista edes prosentille syntyisi elämää kuten omalle planeetallemme, voidaan arvioida lähimmän elävän planeetan olevan vain 65 valovuoden etäisyydellä. Vastaavasti, jos elävien mikrobien synty on epätodennäköinen sattumus, joka onnistuu vain yhdellä kymmenestätuhannesta sille soveltuvasta planeetasta, on mahdollista, että Auringon lähinaapurustossa noin 11 tuhannen elämälle soveltuvan planeetan joukossa ei esiinny muuta elämää kuin omamme.

Jos taas elämän synty on todennäköinen seuraus geokemiallisten prosessien käynnistymiselle nestemäisen veden virratessa, on selvää, että elämä on vanhaa ja ensimmäiset biosfäärit muodostuivat jo yli 8 miljardia vuotta sitten varhaisessa maailmankaikkeudessa. Jopa kolmannes elävistä planeetoista olisi näitä varhaisen synnyn planeettoja, muiden elämän ollessa tuoreempaa alkuperää Maan tapaan. Fotosynteesin käynnistymiseen puolestaan kului kauemmin Maapallolla, ja sen seurauksena kaasukehämme muuttui suuren hapettumisen aikakautena happipitoiseksi mahdollistaen energeettisemmät elävän kemian reaktiot ja siten pidemmät ravintoketjut ja lopulta oman itsemme. Jos tapahtumat ovat edenneet samalla vauhdilla muualla, voimme ennustaa Auringon lähinaapuruston olevan täynnä vastaavia happea aineenvaihdunnassaan käyttävän biokemian ympäristöjä. On siis kaikki mahdollisuudet törmätä happipitoisen kaasukehän ympäröimään maankokoiseen eksoplaneettaan, kun vihdoin onnistumme tekemään havaintoja elinkelpoisella vyöhykkeellä sijaitsevien pienten kiviplaneettojen kaasukehistä.

Tarkkojen arvioiden tarjoaminen elävien planeettojen määrästä kosmisessa naapurustossamme on tietenkin mahdotonta, koska emme osaa tehdä yleistyksiä elämän synnystä perustuen vain yhteen havaittuun esimerkkiin. Voimme silti perustellusti sanoa, että elämä on todennäköisesti yleistä, ja parhaimmillaan suorastaan hävyttömän yleistä maailmankaikkeudessamme, vaikka lähimmälle elinkelpoiselle planeetalle saattaisi sittenkin olla matkaa jopa sadan valovuoden verran. Silloinkin omassa galaksissamme on miljoonia, ellei jopa miljardeja eläviä planeettoja. Seuraavaksi ne on vain kyettävä tunnistamaan ja on onnistuttava havaitsemaan merkkejä niiden elämästä.

Se taas on oma tulevaisuuden seikkailunsa, jonka ainakin minä toivon ihmiskunnan kokevan vielä oman elinikäni puitteissa.

Yksi kommentti “Uusia arvioita elämästä lähitähtien planeetoilla”

  1. Jotenkin tuntuu että vaikka metallipitoisuudella varmasti on vaikutusta, ehkä sen merkitystä on yliarvioitu (ehkä siksi että kyseinen parametri on mahdollista mitata, tähden spektristä, helpommin kuin moni muu eksoparametri). Toki jos metalleja ei ole juuri lainkaan, silloin ei kai maankaltaisia planeettoja voi syntyä, mutta muuten tuntuu että kaikenlaisilla tähdillä on monenlaisia planeettoja. Muistan nähneeni esim. jonkin paperin jonka aiheena oli ”galaktinen elämänvyöhyke”, joka oli jokin rengas galaksissa jonka ulkopuolella on liian vähän metalleja ja sisäpuolella liikaa supernovia. Arvelen että todellisuudessa tuollainen elinkelpoisuusrengas olisi kuitenkin aika leveä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Tunnettua materiaa tiheämmät asteroidit — fantastisen pseudotieteen anatomia

6.11.2023 klo 10.00, kirjoittaja
Kategoriat: Tähtitiede

Jos se kuulostaa fantastisen uskomattomalta, se luultavasti on niin fantastista, että kyse on todellakin fantasiasta. Tieteen popularisoinnissa mitä hulluimpia väitteitä päätyy ajoittain kiertoon, ja on toisinaan vaikeaa ymmärtää miksi. Tieteen populaarijulkaisuja tietenkin sitovat markkinoiden armottomat lait, ja lukijoita sekä maksajia saa eniten, jos kykenee tarjoamaan jotakin huomiota herättävää. Toisinaan vain pyritään herättämään huomiota tarjoamalla villejä spekulaatioita varmennetun tieteen sijaan, ja samalla tehdään karhunpalvelus niin tieteelle kuin omalle uskottavuudellekin.

Muistamme mainiosti ajoittaiset spekuloinnit siitä, onko maanulkopuolista elämää löydetty milloin joltakin eksoplaneetalta, milloin vaikkapa Venuksen kaasukehästä. Niiden kohdalla kyse on tyypillisesti siitä, että tutkijat ovat saaneet viitteitä biomarkkerista, eli jonkinlaisesta elämän aineenvaihduntatuotteeksi tulkitusta molekyylistä planeetan kaasukehässä. Tyypillisesti asiasta uutisoidaan dramaattisin sanankääntein mutta tieteellisesti tarkasteltuna merkit molekyylistä jäävät varmentamatta ja sen rooli merkkinä elävistä organismeista pysyy niin ikään pelkkänä spekulaationa.

Aivan samoin spekuloidaan ajoittain myös havainnoilla vieraista teknisistä sivilisaatioista, koska mikäpä olisi kiinnostavampaa kuin fantastiset merkit lentävillä lautasilla liikkuvista muukalaisista. Kuulemme esimerkiksi arvioita huikean spekulatiivisista vieraiden teknisten sivilisaatioiden määristä — olisi uskomattoman fantastista, jos vailla havaintoja asiasta voisimme laskea niitä olevan 36 omassa galaksissamme. Silti sellaisiakin tuloksia ajoittain uutisoidaan perustuen jonkin tieteellisen artikkelin hataraan arvioon. Toisinaan havaitaan jonkinlainen signaali, jonka määritetään olevan teknisen sivilisaation tuottama. Uutisiin asia tietenkin päätyy, jos signaali tulee esimerkiksi lähimmän tunnetun eksoplaneettakunnan, Proxima Centaurin järjestelmän, suunnasta, mutta kyse on aina oman sivilisaatiomme tuottamasta signaalista, vaikka sen alkuperä jäisikin hämärän peittoon. Tieteellisesti tarkasteltuna olemme yksin. Ei ole merkkejä vieraiden teknisten sivilisaatioiden vierailuista planeetallamme eikä sellaisia merkkejä ole havaittu koko aurinkokunnastamme.

Hulluimmillaan julkisuudessa esiintyy alkuperältään ikivanhoja spekulaatioita jopa siitä, että jaksottaisia pandemioita aiheutuisikin virusten saapuminen planeetallemme ohikulkevien komeettojen mukana. Sivuuttaen evoluutiobiologia, orgaaninen kemia, säteilyfysiikka ja monta muuta tieteenalaa, sekä se, ettei asialle ole minkäänlaista todistusaineistoa, on sittenkin suorastaan hurjaa, että joku uskoo fantastisia ajatuksia komeettojen tuomista viruksista sen sijaan, että suostuisi myöntämään ihmistoiminnan olevan pandemioiden syy. Häiritessämme ja muokatessamme planeettamme biosfääriä päästämme samalla taudinaiheuttajia valloilleen kiihtyvällä vauhdilla. Emme tarvitse komeettoja tai muita taivaallisia, suorastaan keskiaikaisia selityksiä vitsauksillemme.

Sittenkin, leukani oli loksahtaa sijoiltaan ja kahvini läikkyä näppäimistölle nähdessäni tuoreimman fantastisuuden populaaritieteen saralla. Lähiasteroidin vihjattiin koostuvan tuntemattomasta, kaikkia tunnettuja alkuaineita raskaammasta materiasta. En ensin tiennyt edes mitä sanoa, koska mieleni täyttivät kysymykset siitä kenelle moinen tulisi edes mieleen. Päätin kuitenkin taivastelun sijaan katsoa tarkemmin, mistä tällaiset fantasiat oikein ovat peräisin.

Ultratiheät asteroidit

Oletetaan huvin vuoksi, että on olemassa asteroidi, jonka tiheys on niin suuri, ettei mikään tunnettu alkuaine riitä selittämään sen pieneen tilavuuteen pakattua valtavaa massaa. Voimme luonnollisesti sivuuttaa nopeasti hajoavat radioaktiiviset aineet, ja olettaa asteroidin koostuvan stabiileista alkuaineista. Aiemmin raskaimpana, stabiilina alkuaineena pidetty vismutti paljastui epästabiiliksi, vaikkakin sen puoliintumisaika on maailmankaikkeuden ikää pidempi. Se kuitenkin havaittavasti hajoaa, joten raskaimman stabiilin atomin kruunu asettuu lyijylle, jonka tiheys 11.3 grammaa kuutiosenttiä kohden tarjoaa siten konkreettisen ylärajan myös havaittavalle aineelle lukuunottamatta kovassa paineessa ja lämpötilassa puristunutta materiaa tähtitieteellisissä kohteissa.

Jotta asteroidi koostuisi edes lyijystä, olisi oltava jokin mekanismi, jolla suuri määrä lyijyä päätyy muodostamaan kokonaisen havaittavissa olevan tähtitieteellisen kappaleen. Huomioiden, että aurinkokunnassa esiintyy lyijyä vain 0.1 osaa miljardista (ppb), olisi suorastaan fantastisen uskomatonta, että muodostuisi asteroidi, joka koostuisi edes merkittävältä osaltaan lyijystä. Asteroidi voi toki olla jonkin muinaisen planeetan palanen, joka on päätynyt avaruuteen valtavassa kosmisessa törmäyksessä. Silloinkin olisi hurjan fantastista, että se koostuisi merkittävästi lyijystä huomioiden, että edes omalla planeetallamme lyijyä ei ole kuin hiukan sen ollessa maankuoressa 38. yleisin alkuainen ja esiintyessä pitoisuuksissa 14 miljoonasosaa (ppm). Voimme siten katsoa, että lyijystä merkittävästi koostuvia asteroideja ei ole olemassa. Yleisempää rautaa (7.9 grammaa kuutiosenttiä kohden) merkittävästi sisältäviä asteroideja sen sijaan on runsain mitoin avaruudessa. Niiden pudotessa maanpinnalle, voi jäädä jäljelle rautameteoriitteja mutta avaruudessa niiden tiheys on tyypillisesti luokkaa 3-4 grammaa kuutiosenttiä kohden, joten valtaosa niiden materiasta on rautaa keveämpiä alkuaineita.

Jos siis jo yleisintä raskaammista metalleista, rautaa, on vaikeaa saada avaruudessa muodostamaan asteroideja, on vielä huikean paljon fantastisempaa ajatella, että voisi olla jostakin tuntemattomasta, raskaasta alkuaineesta merkittävissä määrin koostuvia asteroideja. Jos sellaista alkuainetta olisi asteroidin muodostumiseen vaadittavia määriä, kyse olisi jonkin muinaisen protoplaneetan sisäosien tiheämmästä aineksesta koostuvasta metalliasteroidista. Ja silloin kyseistä metallia olisi runsain määrin myös omalla planeetallamme ja tuntisimme sen ominaisuudet sen ollessa osana alkuaineiden jaksollista järjestelmää. Samat luonnonlait pätevät tietenkin muissakin aurinkokunnissa, eikä ultratiheä asteroidi voisi olla niistäkään peräisin oleva luonnonoikku.

Mistä fantastinen väite asteroidien tuntemattomista raskaista alkuaineista on siis peräisin? Tiedeuutisissa esiintyy Johann Rafelski, sekä maininta hänen tutkimuksestaan. Kyse on Arizonan yliopiston ydinfysiikan professorista, joten lähdettä ei ainakaan suoralta kädeltä voi tyrmätä epäluotettavana. Hän toteaa, että jos asteroideissa tosiaan esiintyy supertiheitä alkuaineita, herää lukuisia kysymyksiä miten alkuaineet ovat muodostuneet ja miksi niitä ei ole havaittu muualla kuin asteroideissa. Ne ovatkin tosiaan hyviä kysymyksiä mutta mistä on peräisin ajatus tunnettuja alkuaineita raskaammista aineista asteroideissa?

Uutisessa puhutaan edelleen kompaktien, ultratiheiden kohteiden luokasta ja yhtenä esimerkkinä mainitaan asteroidi 33 Polyhymnia. Sen tiheydeksi on mitattu peräti 75 grammaa kuutiosenttiä kohti, perustuen mittauksiin sen vetovoiman vaikutuksesta toisten asteroidien ratoihin. Vaikka arvion ilmoitettu epävarmuus on noin 10 grammaa kuutiosenttiä kohti, on tosiaankin selvää, että mikään tunnettu alkuaine tai niiden yhdistelmä ei voi selittää kymmentä kertaa rautaa tiheämpää lukuarvoa. Vastaavia, poikkeuksellisen suuria tiheyksiä on raportoitu myös muille asteroideille, ja ne on tavallisesti vain kuitattu virheellisiksi mittauksiksi. Uusissa arvioissa saman asteroidin tiheydeksi on saatu 4-12 grammaa kuutiosenttiä kohti, jolloin arvio on virhe huomioiden yhteensopiva tyypillisten rautapitoisten asterodien kanssa. Emme siis tarvitse uusia alkuaineita asteroidin tiheyden selittämiseen — mittavirhe riittää selittämään yksittäisen fantastisen lukeman. Vastaavia tuloksia on saatu myös muille ultratiheiksi kohteiksi virheellisesti kuvatuille asteroideille.

Tässä kohdassa kuvaan kuitenkin astuu herra Rafelski. Hänen julkaisunsa (konferenssijulkaisu) vuodelta 2013 tarkastelee nimenomaan kompakteja, ultratiheitä kohteita. Siinä lähdetään tarkastelemaan voisiko pimeä aine kaikkialla ympärillämme selittyä tuntemattomalla alkuaineella, joka tekisi joistakin aurinkokunnan kappaleista poikkeuksellisen raskaita. Teksti on kokoelma anekdootteja hiukkasfysiikasta, asteroideista ja niiden aiheuttamista kraatereista aurinkokunnan kappaleissa, sekä koko galaksistamme, ja näiden anekdoottien ympärille punotaan kertomus kompakteista, ultratiheistä kohteista, vaikkei sellaisia edes todellisuudessa tarvita selittämään yhtään mitään. Kyseessä on siis yksittäisen fyysikon tajunnanvirta, jossa hypitään oman osaamisalan ulkopuolelle. Sama professori on julkaissut kuluvana vuonna kirjoituksen, joka keskittyy vain asteroideihin, ja ehdottaa jopa ultratiheiden kohteiden olevan mainioita paikkoja kaivostoiminnalle. Kirjoitus perustuu hänen kahden kollegansa kanssa kirjoittamaan ydinfysiikan alan artikkeliin, jossa tarkastellaan mahdollisuutta selittää ultratiheiden asteroidien luonne raskailla alkuaineilla. Kyse on siten vain spekuloinnista, mikä ei tietenkään ole tieteessä kiellettyä. Todellisuutta se vain ei kuvaa, koska asteroidien suuria havaittuja tiheyksiä selittävät hankalassa massan mittauksessa tehdyt virheet.

Ajatukset ultratiheistä asteroideista ja tunnettuja alkuaineita raskaammista atomeista ovat tietenkin kiinnostavia siksi, että ne olisivat valtavan suuria löytöjä pitäessään paikkansa. Ydinfyysikot ovatkin pitkään etsineen niin sanottua stabiilien ydinten saareketta jossakin tunnettuja atomiytimiä raskaampien aineiden tuntemattomilla vesillä. Sellaisesta ei ole konkreettista todistusaineistoa, vain teoreettisia spekulaatioita, mutta vaikka sellaisia atomeita olisikin olemassa, on siitä vielä pitkä matka ultratiheiden asteroidien koostumuksen selittäjäksi. Niin pitkä, että joutunemme tyytymään tähtitieteelliseen selitykseen. Siis siihen, että asteroidien aikaansaama vetovoima ja siten niiden massat on arvioitu väärin, syystä taikka toisesta.


Kuten kaikki fantastiset tieteelliset väitteet, myös ajatus ultratiheiden asteroidien eksoottisesta koostumuksesta on nopeasti heitetty historian romukoppaan jo pintapuolisella todistusaineiston tarkastelulla. Julkaistut kirjoitukset ja tieteen popularisoinnit eivät kuitenkaan katoa mihinkään, vaan jäävät tyypillisesti elämään omaa elämäänsä jonnekin tieteen ja tieteiskirjallisuuden välimaastoon. Siellä ne sitten joko hiipuvat hiljaa unohduksiin tai ponnistavat uudelleen pinnalle uusien sensaatiohakuisten tieteen popularisointien ja tulkintojen myötä. On kuitenkin mitä luultavimmin niin, että fantastisten spekulointien ja muun suoranaisen pseudotieteen määrä on suoraan verrannollinen kunnollisen, luotettavan ja kritiikkiä kestävän tieteen määrään. Sitä taas tuotetaan nykyisellään enemmän kuin koskaan ennen ihmiskunnan historiassa.

Yksi kommentti “Tunnettua materiaa tiheämmät asteroidit — fantastisen pseudotieteen anatomia”

  1. Lasse Reunanen sanoo:

    Otsikon alku jo viittasi kertomaasi virhetietoon kun oli kyse tunnettua tuntemattomasta, josta ei todisteita ollut.
    Lopun verrannollinen esimerkkisi menee myös arvioksi, jossa paino sanalla luultavammin (ei lasketuista luvuista tehtynä).
    Ihmiskunta saanut painotuotteiden ja tietokoneiden kautta jatkuvasti lisääntyvää tietoa. Siinäkin verrannollista lienee elävien ihmisten lisääntynyt määrä, joka noin 60 vuoden aikana tuplaantunut (4 miljardia liki 8 miljardiin). Suomessa kuitenkin oli viime vuonna syntyviä vähemmän kuin 1860-luvun nälkävuosista (noin 44 000) kun sotien jälkeen syntyi yli 100 000 syntyneen vuosia.
    Kuitenkin Suomen väestö yhä kasvanut kun maahan muuttanut enemmin kuin kuollut (yli 50 000 vuosittain). Viimeisen vuosikymmenen aikana maahamme onkin muuttanut jo parin vuoden syntyvyyden verran ihmisiä. Maailman väestö yhä kasvaa vaikka sotia ja sairauksia ollutkin ja siitä tiedon ja muun kerronnan lisääntymistä (em. lukuni muistista eikä ns. tieteen tarkkoja).
    Heikki Ojan suoraa tiedekirjansa esittelyä katsoin myös äsken kirjastossa, mutta ääntä ei nyt saanut (kuulokkeille vaan ollut).

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Tavallisten ihmisten epätavallinen toimistotyö

1.11.2023 klo 10.00, kirjoittaja
Kategoriat: Tähtitiede

”Et sinä näytä tähtitieteilijältä.”

Mitä kummaa sellaiseen toteamukseen vastaisi?

En varmastikaan näytä sellaiselta kuin tähtitieteilijöistä populaarikulttuuriin luodut stereotypiat antavat ymmärtää. Ne vanhat, observatorioitaan hallitsevat valkotakkiset miehet, joilla on silmälasit ja tukka sekaisin, ja joiksi tähtitieteilijät tyypillisesti kuvataan, ovat vain Hollywoodin luoma illuusio paljon monimuotoisemmasta todellisuudesta. Jopa television dokumenteissa tähtitieteilijä saatetaan esitellä poikkeavana, tähtitieteilijöiden stereotypioita rikkovana ja siksi kiinnostavana hahmona, jos hän erottuu joukosta ulkonäkönsä vuoksi. Asia näkyi tuoreeltaan YLE:n Areenassa katsottavissa olevassa mainiossa dokumentissa Etsimässä planeetta yhdeksää (joka joidenkin arvioiden mukaan on jo saattanut löytyä). Tähtitieteilijät Chad Trujillo ja Mike Brown esiteltiin puhumalla heidän meriiteistään ja löydöistään. He sopivatkin hillityssa olemuksessaan ja kauluspaidoissaan, harmaantuneissa tukissaan, sekä Brownin tapauksessa silmälaseissaan, stereotypioiden sisälle. Mutta nuori, mustiin pukeutuva ja rullalaudalla toimistoonsa tullut kollega Konstantin Batygin, kuvattiin vaihtoehtorockin kuuntelijana ja thainyrkkeilijänä, vaikka ne tuskin määrittävät sitä, mitä hänellä on tähtitieteestä sanottavanaan.

Mutta mitä tähtitieteilijöiden on soveliasta harrastaa ja miltä heidän tulisi näyttää? Olenko vakuuttava tähtitieteilijänä entisenä rock-muusikkona, mustassa kynsilakassa, pitkän tukkani pipolla peittäessäni ja viettäessäni vapaa-aikani biljardisalilla? Stereotypioista sovin varsin huonosti niihin, joita on viljelty kautta aikojen jo lastenohjelmista lähtien, kun tutkijat kuvataan kaikenlaisina tohtorisykeröinä ja muina harmaahapsisina kaukoputkeen tuijottavina setinä. Sanasta tutkija ihmisille ylipäätään tulee mieleen klassikkokuvat eräästä hyvinkin tunnetusta, edesmenneestä harmaantuneesta ja pörrötukkaisesta miehestä. Einsteinin ulkonäkö on suorastaan syöpynyt kollektiiviseen tajuntaamme kuvaukseksi tutkijoiden ja siten samalla tähtitieteilijöiden ulkomuodosta, ja vahvistusharha ja populaarikulttuuri hoitavat loput. Suomessa Esko Valtaoja sopii stereotypiaan niin mainiosti, että valtaosalle suomalaisista tuottaa vaikeuksia edes nimetä ketään muita tieteentekijöitä ainoaltakaan alalta.

Kuva 1. Allekirjoittanut poseeraamassa harrastajateleskoopin vieressä Hertfordshiren yliopiston sisäpihalla. Kuva on lavastettu ja sen teleskooppi ei liity millään tavalla yliopistossa tekemääni työhön. Kuva: C. O’Leary.

On selvää, että tähtitieteilijät ovat vain tavallisia ihmisiä, vaikkakin toimivat yhdessä harvinaisimmista ammateista. Arviolta vain astronauttien ammattikuntaan kuuluu selvästi vähemmän ihmisiä maailmassa. Tähtitieteilijöitä on silti likimain joka maassa ja jokaisella mantereella, he ovat kaikennäköisiä ja kaikenlaisia, ja heitä on mahdoton erottaa muista ihmisistä ennen kuin keskustelee heidän kanssaan. Ja silloin kannattaa istua kuuntelemaan. Käytännössä jokainen tähtitieteilijä kertoo kysyttäessä enemmän kuin innoissaan tähtitieteestä, avaruudesta ja sen kohteista, sekä tietenkin omasta tutkimuksestaan.


Tähtitieteilijöiden työtä, sitä leipämme tuottavaa toimintaa, on erityisen vaikeaa kuvailla asiasta kyseleville pinttyneiden stereotyyppisten näkemysten vuoksi. Vanhassa vitsissä sanotaan, miten baarikeskustelussa toinen osapuoli kertoo olevansa astronomi ja toinen vastaa siihen innostuneena olevansa vaaka. Se ei kuitenkaan ole vitsi, koska vastaaviin tilanteisiin joutuu tämän tästä ravintoloissa, lentokoneissa, tai muissa paikoissa, joissa ihmiset käyvät tuntemattomien kanssa keskustelua istuessaan lähekkäin. Astrologia ja astronomia nyt vain menevät helposti sekaisin, sillä kaikki eivät ole niin kiiinnostuneita taivaallisista kohteista.

Toisin kuin stereotyyppisesti ajatellaan, modernin ajan tähtitieteilijät eivät juurikaan vilkuile kaukoputkiinsa tai edes vieraile teleskoopeilla kuin vain harvoin, jos silloinkaan. Uusimmat instrumentit ovat pitkälle robotisoituja, ja vaikka koko havaintoprojekti ei olisikaan automatisoitu alusta loppuun asti, on teleskooppeja tyypillisesti mahdollista ohjata etäyhteyden välityksellä. Monessa observatoriossa on käytäntönä, että tähtitieteilijät vain esittävät suunnitelmansa havaintoprojektiksi, ja jos se valitaan toteutettavaksi useiden suunnitelmien joukosta, havainnot tekee teleskoopin operoimiseen erikoistunut joukko teknikkoja ja teleskooppioperaattoreita. Esimerkiksi avaruusteleskooppien kontrollikeskuksiin, ohjelmisto- ja avaruustekniikkainsinöörien sekaan, tähtitieteilijöillä ei tyypillisesti ole mitään asiaa, joten käytäntönä on asettaa havainnot elektronisiin arkistoihin jokaisen tutkijan saataville pienellä viiveellä. Havaintosuunnitelman tehneet tutkijat saavat normaalisti etuoikeuden havaintoihin vuoden ajaksi ja sen jälkeen niitä voi käyttää omiin tutkimuksiinsa kuka tahansa.

Tähtitieteilijät kyllä toisinaan harrastavat taivaan kohteiden satunnaista tarkkailua omilla pienillä kaukoputkillaan. Se on ymmärrettävästi kohtalaisen suosittu harrastus alan tutkijoiden keskuudessa. Läheskään kaikki tähtitieteilijät eivät kuitenkaan ole tähtiharrastajia tai edes havaitsijoita, vaan joukkoon mahtuu data-analyysiin, tilastotieteeseen ja tieteelliseen laskentaan erikoistuneita tutkijoita (kuten allekirjoittanut), sekä monenlaisia teoreetikkoja, laskelmien ja simulaatioiden parissa työskenteleviä tutkijoita, jotka kyllä tekevät yhteistyötä havaitsijoiden kanssa mutta jotka eivät aina edes osaisi käyttää ainuttakaan teleskooppia, vaikka niiden toiminnan perusperiaatteet tuntevatkin.

Tähtikuvioiden tuntemus on toinen yleinen tähtitieteilijöistä vastaan tuleva myytti. Subjektiivisten, kuvitteellisten viivojen vetäminen eri tähtien välille on vain yksi ihmisaivojen sisäänrakennettua hahmontunnistusalgoritmia miellyttävä valinta, jolle ei ole sen kummempia perusteita kuin historian perinteet. Tähtitieteilijöille tähtikuvioilla ei ole mitään merkitystä eikä niiden tuntemus edes ole alkuunkaan tavallista alan tutkijoiden keskuudessa. Havaittavien kohteiden paikat taivaalla ovat tietenkin mitä oleellisimmassa roolissa, koska havaintoja voi tehdä vain pois päin Auringosta (eli yöllä) ja riittävän kaukana vaikkapa täydestä kuusta, jotta herkät instrumentit eivät vahingoittuisi liiasta valosta. Lisäksi tähdet näkyvät vain osan aikaa taivaalla johtuen Maan pyörimisestä ja havaitsijan sijainnista planeettamme pinnalla, joten oleellisessa roolissa ovat tähden koordinaatit, joiden perusteella voidaan laskea sen havaittavuus pitkälle tulevaisuuteen.

Tähtikuviot voivat kuitenkin olla käytännön sivuroolissa, kun koetetaan selvittää lehdistötiedotteissa suurelle yleisölle missä päin taivasta koordinaattien numerosarjaa 14 29 42.9461 -62 40 46.1647 vastaava tähti sijaitsee (kyse on lähitähdestä Gliese 551, joka tunnetaan myös nimellä Proxima Centauri). Silloinkin kyse on kuitenkin vain värikynän käytöstä tiedotteen ja tiedeuutisen saamiseksi lähestyttävämmäksi suurelle yleisölle.

Mitä tähtitieteilijät sitten tyypillisesti tekevät? Itselläni on kannettavalla tietokoneellani työskennellessäni käsillä verkkoselain tiedonhakuun ja kirjoittamiseen, sekä kommunikointiin kollegoideni ja opiskelijoideni kanssa. Tyypillinen kommunikointi tapahtuu tylsästi sähköpostitse, jotta eri aikavyöhykkeille levittäytyneet modernit tutkimusryhmät voisivat kommunikoida jokaiselle sopivalla tavalla ja temmolla ja jotta kommunikoinnista jää aina merkintä yksityiskohtien tarkistamiseksi jälkikäteen. Kirjoitamme artikkeleita, havaintoaika- ja rahoitushakemuksia, valmistelemme esitelmiä seminaareihin ja luennoille, sekä kirjoitamme luentokokonaisuuksia ja jopa oppikirjoja sekä monenlaista tieteen popularisointia kuten tämäkin blogiteksti osoittaa.

Kirjoitan kannettavallani sivutolkulla tietokonekoodia erilaisiin tarkoituksiin simulaatioista data-analyysiin, kuvien tuottamiseen ja käsittelyyn ja muuhun aineistojen graafiseen visualisointiin. Tyypillisesti valmiita tietokoneohjelmistoja niihin hyvin tarkkaan rajattuihin tarkoituksiin, joita tieteenalalla tulee vastaan, ei ole olemassa, joten likimain kaikki on kirjoitettava itse tarkoituksenmukaisilla ohjelmointikielillä. Tieteellistä laskentaa varten on tietenkin myös käytävä tarkasti läpi tarvittavat yhtälöt ja niihin liittyvä matematiikka, jotta voidaan varmistua koodiksi kirjoitettujen algoritmien laskevan tarvittavat asiat oikein. Se tarkoittaa käytännössä kynään ja paperiin tarttumista ja yhtälöiden pyörittelyä sopiviin muotoihin laskennan helpottamiseksi tai uusien laskentamenetelmien kehittämiseksi.

Matematiikkaa tarvitaan joka tapauksessa runsaasti, koska tähtitieteessä, jonka fysiikaksi kutsuttu osa-alue on vastuussa valtavasta määrästä käsillämme olevaa teknologiaa, käsitellään matemaattisesti mallinnettavissa olevia tutkimuskohteita. Mallinnamme tähtiä, planeettakuntia ja universumia. Laskemme miten tähdet toimivat, miten planeetat liikkuvat, ja miten galaksit pyörivät oman vetovoimansa vaikutuksen alaisena. Laskemme miten maailmankaikkeus laajenee ja koetamme arvioida minkälainen se on ollut varhaisempina aikoina. Tai oikeammin, annamme maailman tehokkaimmille tietokoneille ohjeet, miten laskut suoritetaan ja sitten vain odotamme tuloksia.

Oleellisessa roolissa tähtitieteilijän työssä on myös opetus. Opetamme luennoilla ja laskuharjoituksissa, ohjaamme kandidaatin ja maisterin töitä sekä väitöskirjoja. Teemme yhteistyötä eri tasoilla opintojaan suorittavien opiskelijoiden kanssa ja koulutamme heistä itse tutkimusprojektiemme tarvitseman työvoiman, koska kukaan muukaan ei sitä tutkimukseen vaadittavaa osaamista voi tarjota kuin alan tutkija itse. Haemme rahoitusta itsemme lisäksi opiskelijoillemme, ja toimimme esihenkilöinä ja mentoreina. Lisäksi osallistumme laitoksen, tiedekunnan ja lopultakin yliopiston toimintojen pyörittämiseen monella tapaa lähtien laitos- ja tiedekuntaneuvostoista ja päätyen erilaisiin seminaareihin ja keskustelutilaisuuksiin, joissa suunnitellaan tulevaa ja informoidaan muita.

Toimimme myös kansainvälisesti tieteen eturintamassa. Käymme konferensseissa ja kokouksissa puhumassa ja esitelmöimässä, verkostoidumme ja suunnittelemme tulevia yhteistyöprojekteja. Tarkastamme kollegoidemme artikkeleita toimien vertaisarvioitsijoina ja hyväksymme parhaimmat tutkimukset julkaistavaksi kun taas heikommille suorituksille annetaan armotonta kritiikkiä vailla suosituksia sen julkaisuun. Arvioimme myös monenlaisia rahoitushakemuksia ja tietenkin sitä, mihin havaintoprojekteihin suurten teleskooppien arvokas havaintoaika jaetaan. Kaiken sen lisäksi kommentoimme erikoisosaamisalueemme tuloksia julkisuudessa ja pyrimme jakamaan tietoa myös suurelle yleisölle yliopistoinstituution kolmannen tehtävän mukaisesti, vaikka siihen ei koskaan olekaan suotu minkäänlaisia resursseja.


Lopultakin tähtitieteilijän työ näyttäytyy ulkopuoliselle seuraajalle lähinnä tylsänä toimistotyönä, jota tekevät niin kokeneet tutkijat yliopistojen toimistoissa kuin opiskelijat, nuoremmat tutkijat ja muut akateemiset nomadit aivan huomaamatta kodeissa, kahviloissa tai vaikkapa kirjastoissa. Tähtitieteilijät tekevät tutkimustaan päämäärätietoisesti, hitaasti edistyen, vailla populaarikulttuurin täyttämiä kuvauksia heureka -hetkistä, joissa tehdään hetkessä mullistava havainto. Todellisuudessa asiat tapahtuvat verkkaisesti ja tieto karttuu hiljalleen, ja jossain vaiheessa vain ylitetään se raja, kun jotakin merkittävää löytöä voidaan sanoa tilastollisesti merkitseväksi. Ja silloinkaan ei korkata shampanjapulloja, vaan jatketaan puurtamista, lukemista, kirjoittamista ja sen sellaista, tuloksen tieteellisten kriteerien mukaista raportointia silmällä pitäen.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Alku kuin tähdillä — osa planeetoista syntyy romahtavista kaasupilvistä

9.10.2023 klo 10.00, kirjoittaja
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Synty ja kehitys

Puhuttaessa planeettojen synnystä, tutkijoilla on pitkään ollut oleellisesti kaksi erilaista, ajoittain kilpailevaa näkemystä siitä, millä mekanismeilla synty tapahtuu. Oleellista on, aloitetaanko mittakaava-asteikon ala- vai yläosasta. ”Alhaalta ylös” -mekanismilla tarkoitetaan planeettojen muodostumista pienemmistä kappaleista. Aluksi pölyhiukkaset törmäilevät ja takertuvat toisiinsa nuorta tähteä ympäröivässä kertymäkiekoksi kutsutussa rakennelmassa, ja kasvavat hiljalleen lopulta kilometrien kokoisiksi kunnes niiden omat vetovoimat ryhtyvät vaikuttamaan viereisillä radoilla oleviin vastaaviin kappaleisiin. Törmätessään kappaleet muodostavat protoplaneettoja, joista suurimmat voivat saavuttaa jopa noin 10 Maan massan koon ja ryhtyä vetovoimansa avulla imuroimaan ratansa ympäristön kaasua itseensä. Prosessissa syntyvät niin jättiläisplaneetat kuin pienemmät kiviplaneetatkin, sekä läjäpäin kaikenkokoisia pikkukappaleita asteroideista komeettoihin.

Vaihtoehtoisesti planeettojen muodostuminen voi noudattaa ”ylhäältä alas” -mekanismia. Sen mukaan, tähteä ympäröivään kertymäkiekkoon muodostuu tiheysaaltoja, joista jokin tai jotkin saavuttavat kriittisen tiheyden ja koko kiekko muuttuu epästabiiliksi luhistuen lopulta oman vetovoimansa vaikutuksesta tähteä kiertäväksi planeetaksi tai planeetoiksi. Jättiläisplaneetat muodostuvat silloin yhdessä rysäyksessä epävakaan kiekon materiasta, jonka jälkeen pienempien planeettojen muodostuminen voi jatkua ”alhaalta ylös” -mekanismilla.

Pohtiessaan näiden kahden mekamismin herkkyyttä tuottaa planeettoja suhteessa tunnettuun jättiläisplaneettojen populaatioon, tähtitieteilijät näyttävät kuitenkin unohtaneen yhden tieteen perusperiaatteista: kyseenalaista kaikki. Uudet tulokset osoittavat, että on turhaa ajatella kaikkien jättiläisplaneettojen syntyvän tähtien kertymäkiekoista tähtien synnyn sivutuotteina, kun niitä voi muodostua aivan mainiosti ilmankin. Uusi James Webb -avaruusteleskoopilla tehty joukko löytöjä kertoo planeettojen syntyvän myös kolmannella tavalla: kuin tähdet, suoraan tähtienvälisen kaasu- ja pölypilven materiasta, sen romahtaessa kasaan oman vetovoimansa vaikutuksesta. Käsillä on vapaiden planeettojen vallankumous.

Kuva 1. Pieni osa JWST:n infrapuna-alueen komposiittikuvasta Orionin sumusta. Kuvassa näkyy viisi planeetta-planeetta paria, koostuen noin 3-7 jupiterinmassaisista kappaleista. Kuva: Pearson & McCaughrean.

Tutkijat kertovat löytäneensä peräti 540 planeettojen massaluokkaan kuuluvaa kappaletta läheisestä Orionin sumusta otetuista infrapuna-alueen kuvista (Kuva 1.). Sillä tarkoitetaan kappaleita, jotka eivät massaltaan ylitä 13 Jupiterin massan rajaa, joka katsotaan veteen piirretyksi viivaksi planeettojen ja ruskeiden kääpiötähtien luokitusten välillä. Lukema on valittu siksi, että noin 13 Jupiterin massaa riittää kappaleen ytimen paineeseen, joka saa deuteriumin, vedyn raskaamman isotoopin, fuusioitumaan heliumiksi ja vapauttamaan samalla energiaa. Siksi rajan alapuolella olevat kappaleet loistavat kyllä syntynsä ylijäämälämpöä ja aineksensa differentioitumisesta vapautuvaa energiaa mutteivät kykene tuottamaan tähtien tapaan fuusioenergiaa ytimessään.

Sinällään ei siis ole yllättävää, että juuri lämpösäteilyä havaitseva JWST on tehnyt uudet löydöt. Sen pitikin kyetä näkemään nuoria, vastasyntyneitä planeettoja perustuen niiden vapauttamaan infrapunasäteilyyn. Uuden löydön tekee kuitenkin odottamattomaksi se, että yhdeltä tähtiensynnyn alueelta löytyy niin suuri määrä vapaina vaeltavia planeettoja. Vieläkin odottamattomampaa on se, että peräti 9% planeetoista on avaruudessa pareittain, kumppaninaan vain toinen vastaavankokoinen planeetta (Kuva 1.). Planeetat siis syntyvät usein kahden tasa-arvoisen planeetan pareina, jääden avaruuden pimeään, ikuiseen paritanssiinsa toistensa ympäri, vuosimiljardeiksi, vaille tähden valoa ja lämpöä. Kyse on varsin yllättävästä planeettakuntien tyypistä — planeetat ovat kaukana pareistaan, noin 25-400 AU:n etäisyydellä, joten ne eivät pääse merkittävästi häiritsemään toistensa ympärille muodostuneita pienempien kappaleiden joukkoja. Niillä on kuita likimain varmasti — planeettojen syntyessä kuin tähdet, niiden kiertoradoille muodostuu vääjäämättä kokoelma pienempiä kiertolaisia, joita kutsumme kuiksi.


Olemme tienneet vapaiden planeettojen olemassaolosta jo vuosia, mutta ne vaikuttavat jo tämän yksittäisen tuloksen perusteella olevan paljon yleisempiä kuin olemme osanneet aavistella. Ei ole silti alkuunkaan yksinkertaista arvioida mitä tuoreet löydöt merkitsevät arvioille niiden kokonaismäärästä galaksissamme. Uusista havainnoista saa kuitenkin runsaasti vinkkejä suurten planeettojen ja pienten tähtien muodostumiseen. Esimerkiksi kaukaiset kaksoisplaneetat, joissa kappaleiden etäisyys on ainakin 100 AU:n verran, ovat yleisempiä kuin vastaavat ruskeiden kääpiötähtien muodostelmat mutta vähemmän yleisiä kuin punaisten kääpiötähtien parit — puhumattakaan auringonkaltaisista tähdistä, joista valtaosa on kaksoistähti- tai vieläkin moninkertaisemmissa järjestelmissä. On siksi kiinnostavaa selvittää tulevaisuudessa miksi planeetat syntyvät ruskeita kääpiöitä herkemminin pareittain. On lisäksi kiinnostavaa tutkia kuinka suuri osa vapaista planeetoista syntyy tähtien kiertoradoilla ja päätyy tähtijärjestelmän ulkopuolelle tähtikumppaneiden kaoottisten vetovoimavaikutusten heittämänä ja kuinka suuri osa syntyy kokonaan yksin.

Sen vaikuttaa joka tapauksessa selvältä, että kaksoisplaneettojen olemassaolo on äärimmäisen vaikeaa selittää muutoin kuin niiden itsenäisenä syntynä suoraan tähtienvälisestä pölystä ja kaasusta. Se taas herättää ilmeisiä kysymyksiä siitä, mikä oikeastaan on se kappaleiden luokka, jota kutsumme sanalla planeetta.

Tulisiko planeettapareja sitten ensinkään kutsua planeetoiksi, sillä termi planeetta on tyypillisesti varattu vain tähtiä kiertäviin oman vetovoimansa pyöreäksi pusertamiin mutta silti tähtiä keveämpiin kappaleisiin? Jos niitä ei kutsuta planeetoiksi, mitä nimitystä niistä tulisi käyttää? Ja jos päädymme luokittelemaan tähden tapaan syntyneet planeetan massaluokan kappaleet joksikin muuksi kuin planeetoiksi, miten erotamme vaikkapa yksittäisestä kolmen Jupiterin massaisesta kappaleesta onko se tähtensä kiertoradalta avaruuteen sinkoutunut planeetta vai itsenäisesti syntynyt epäplaneetta? Näihin kysymyksiin on nyt pakko ottaa kantaa, koska on varmaa, että jokin nimitys näille vapaille, itsenäisesti syntyneille kappaleille vakiintuu. Oma näkemykseni on, että niitä tulisi kutsua planeetoiksi geofysikaaliseen määritelmään nojaten, kuten kaikkia muitakin vapaita tai tähtijärjestelmiin vetovoiman avulla sidottuja planeettoja mukaan lukien Aurinkokunnan arviolta 36 planeettaa.

5 kommenttia “Alku kuin tähdillä — osa planeetoista syntyy romahtavista kaasupilvistä”

  1. Anne Liljeström sanoo:

    Olenkin pienessä mielessäni miettinyt, että eihän planeettaa (tai muuta sellaisen massaista kökkärettä) kiinnosta, millä tapaa se on tullut olemaan. Jos tähtienvälisen pilven romahtaessa tulee noin suunnilleen kaiken kokoisia tähtiä ja pienimassaisia eniten, niin miksipä rajoituttaisiin vain ruskeisiin kääpiöihin? Eihän pilvi varmaan vedä liinoja kiinni, kun saavutetaan 13 Jupiterin massa. (Ok, omana opiskeluaikanani omassakin alkavassa tutkimuksessa kummitteli nk. Initial Mass Function, eli että mikä ihme rajaa syntyvän tähden massan.) Luonto ei käyttäytyne siististi ja valitse tasan yhtä tapaa kokkailla planeettoja.

    Kyllä nää on musta kaikki planeettoja. Planeetan massan alarajasta voidaan tietty keskustella.

    Kaiken kaikkiaan homma näyttää riemukkaasti sekavammalta kuin muinoin kuviteltiin. Komeettamaisesti käyttäytyviä asteroidejakin! Hävytöntä!

    1. Mikko Tuomi sanoo:

      Tässä on vielä ylimääräisiä komplikaatioita, joita en edes tekstissä maininnut.

      Jos nyt siis hyväksymme, että havaitut kaksoisplaneetat ovat tosiaan planeettoja, ja että syntymekanismi, liiketila ja se, missä gravitaatiopotentiaalissa kappale sattuu olemaan, ei vaikuta sen statukseen planeettana, olemme vääjäämättä planeettojen geofysikaalisen määritelmän äärellä. Silloin planeetan kokoiset kappaleet kiertämässä toisia planeettoja ovat planeettojen luokkaan kuuluvia kappaleita muuallakin, eikä ole mitään syytä olla kutsumatta vaikkapa suuria kuita sekundäärisiksi planeetoiksi, eli siis planeettojen ilmeisen laajaan luokkaan kuuluviksi kappaleiksi. Planeetta voi siis olla kuin kuu, toisen planeetan kiertoradalla, tai kuin tähti, oman järjestelmänsä keskuksena avaruudessa.

      1. Anne Liljeström sanoo:

        Jep! Tää onkin kiinnostavaa.

        Ja sitten toisaalta itse kappaleet ei tietty muutu miksikään, vaikka niiden pintaan lätkäistäisiin mikä nimilappu tahansa.

        1. Mikko Tuomi sanoo:

          Tietenkin. Suosikkivertaukseni on, että tuoli on aina tuoli, se ei muutu epätuoliksi, jos sen lähettää tähtienväliseen avaruuteen. Samoin on planeettojen laita.

  2. Seniorikosmetologi sanoo:

    Voisiko taivaankappaleet määritellä seuraavasti:

    – TÄHTI on pallomainen, omavaloinen taivaankappale
    – PLANEETTA on pallomainen taivaankappale, joka ei ole omavaloinen
    – KUU on taivaankappale, joka kiertää planeettaa

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *


Roihuavien liekkien loisteessa

3.10.2023 klo 12.29, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Aurinko on planettakuntaamme kaikkein voimakkaimmin määrittävä komponentti, sen keskus ja energianlähde. Se sisältää yli 99% kaikesta planeettakuntamme massasta ja kaikki muut kappaleet vain tanssivat avaruudessa Auringon ympäri, koska ovat kourallista poikkeuksia lukuunottamatta sidottuja Auringon vetovoimakentän potentiaalikaivoon. Ilman Aurinkoa ei olisi mitään — planeetatkin ovat karkeasti vain sen synnyn ylijäämämaterian sivutuotteita, joita ei tarvitsisi olla olemassa lainkaan ja tähtemme ei piittaisi asiasta millään tavoin, vaan loistaisi aivan samalla tavalla kiertäessään omalaatuisella radallaan ympäri galaksimme keskuspullistumaa.

Huolimatta sen keskeisestä roolista Aurinkokunnassa — puhumatakaan tähtien keskeisestä roolista tähtitieteen tutkimuskohteina — emme silti oikein ymmärrä kuinka Aurinko ja muut samankaltaiset tähdet toimivat. Perusperiaatteet nyt ovat hyvin tunnettuja: Aurinko on hydrostaattisessa tasapainotilassa pysyttelevä plasmapallo, koska sitä kasaan puristava gravitaatiovoima koettaa puristaa ainetta kasaan yhtä voimakkaasti kuin plasmaa laajentamaan pyrkivä ydinfuusion vapauttaman lämpöenergian tuottama paine pyrkii sitä laajentamaan. Prosessin yksityiskohdat, kuten tähtien magneettiset dynamot ja magneettisten napojen paikanvaihto, differentiaalirotaatio ja aineksen liike pinnan alapuolella, ja vaikkapa Auringon harvan kaasukehän, koronan, kuumeneminen peräti miljoonan asteen lämpötiloihin ovat kuitenkin yksityiskohdiltaan edelleen aktiivisen tutkimuksen kohteena. Rajatulla valikoimalla havaintomenetelmiä on vaikeaa saada kattavaa kuvaa siitä monimutkaisesta dynaamisesta ilmiöstä, jota kutsumme erisnimellä Aurinko. Se on silti kaikkein helpoimmin tutkittavana tähtenä keskeisessä roolissa koettaessamme ymmärtää myös muiden aurinkojen toimintaa.

Kuin todistaakseen dynaamisuuttaan, auringot purkautuvat usein ja aktiivisesti. Yksi suurienerginen purkaus sopivasti suunnattuna riittäisi vahingoittamaan Maan kiertoradan satelliitteja, joihin luotamme niin kommunikoinnissa, paikanmäärityksessä kuin tieteellisissä mittauksissakin. Samalla aiheutuisi vahinkoa maanpäällisille sähköverkoille johtaen katkoksiin ja kokonaisten kaupunkien pimentymisiin ja lentoliikenne olisi pakotettu tiukasti maan kamaralle. Vaarana on liki ennennäkemätön kriisitilanne, johon maailman valtiot eivät oikeastaan ole varautuneet, koska suurienerginen purkaus sattuu vain noin kerran sadassa vuodessa. Siksi Aurinko ja muut auringonkaltaiset lähitähdet ovat intensiivisen tutkimuksen kohteina Helsingin yliopistossa. Sen lisäksi, että tutkimme Aurinkoa ymmärtääksemme muita tähtiä, on ymmärrettävä mitä muut tähdet tekevät, jotta voisimme paremmin ennustaa mitä oma Aurinkokuntaa hallitseva energianlähteemme tekee. Samalla saamme kiinnostavaa tietoa siitä, minkälaisessa ympäristössä tuhansien tunnettujen eksoplaneettajärjestelmien planeetat kiertävät omia aurinkojaan.

Avaruussää ja eksoplaneetat

Kaikki tähdet eivät ole kuten Aurinko. Tähtiä on monenlaisia mutta niiden käyttäytyminen riippuu oleellisesti vain kourallisesta tekijöitä, merkittävimpinä massa ja ikä. Massiivisemmat tähdet loistavat kirkkaampina ja kuumempina mutta käyttävät ytimensä vedyn nopeammin loppuun fuusioidessaan sitä heliumiksi. Ne myös saavuttavat elinkaarensa pään nopeammin. Massiiviset tähdet elävät vain hetken verrattuna pienimassaisiin, himmeisiin ja verrattaen viileämpiin tähtiin, joita on valtaosa kaikista tähdistä. Tähden ikä taas vaikuttaa sen aktiivisuuteen — nuoret, vasta parhaimpaan loistoonsa päässeet tähdet ovat aktiivisia ja usein purkautuvia, oikuttelevia nuorten planeettakuntien keskuksia. Niiden pintoja täplittävät suuret pilkut ja ne vapauttavat suurienergistä säteilyä, voimakasta hiukkastuulta ja purkautuvat usein. Ne viettävät aktiivisia nuoruuspäiviään satojen vuosimiljoonien ajan.

Planeettojen kokema avaruussää riippuu siis merkittävästi tähden ominaisuuksista ja muuttuu vuosimiljoonien ja -miljardien kuluessa, kun nuoret ja aktiiviset tähdet hiljalleen rauhoittuvat ja niiden loiste muuttuu vakaammaksi. Vaikka Aurinkokin saattaisi purkautuessaan aiheuttaa suurta tuhoa tekniselle yhteiskunnallemme romahduttamalla sähköverkkoja ja rikkomalla satelliitteja, olemme olleet onnekkaita avaruussään suhteen. Valtaosalla muista maailmankaikkeuden planeetoista olosuhteet ovat hurjemmat. Se ei tietenkään ole välttämättä sattumaa. Lempeä tähtemme on saattanut olla merkittävässä roolissa mahdollistamassa elämän kehittymistä nykyiseen monimuotoisuuteensa planeetallamme — erityisesti nuoruudessaan, kun se on ollut huomattavasti nykyistä aktiivisempi muttei silti lähellekään yhtä väkivaltainen kuin monet muut tähdet.

Erityisen hankalaa avaruusää on planeetoille, jotka kiertävät radoillaan aivan tähtiensä lähellä. Lämpötilansa puolesta muutoin elinkelpoisen vyöhykkeen planeetat ovat suuressa vaarassa punaisten M-spektriluokan pienten kääpiötähtien kiertoradoilla, koska lämpösäteilyn puolesta sopivat kiertoradat ovat aivan tähtien lähellä. Ensimmäiset todelliset yritykset havaita sellaisten kiviplaneettojen kaasukehiä James Webb -avaruusteleskoopilla ovat epäonnistuneet, koska kohteena olleet TRAPPIST-1 -järjestelmän kaksi sisäplaneettaa ovat vain karuja merkuriuksenkaltaisia kiviä vailla merkittäviä kaasukehiä. Myös läheistä tähteä LHS 475 kiertävä kiviplaneetta vaikuttaa täysin kaasukehättömältä kappaleelta. Tähden aktiivisuudella saattaa olla paljonkin tekemistä asian kanssa — voimakas hiukkastuuli ja intensiiviset purkaukset ovat saattaneet haihduttaa planeettojen kaasukehät avaruuteen.


Tähdet ovat kaikkea muuta kuin yksinkertaisia plasmapalloja avaruudessa. Ne kuplivat ja kiehuvat vapauttaessaan ytimessään fuusioreaktiossa muodostuvaa energiaa säteilynä joka suuntaan. Energia kulkeutuu ytimestä pintaan joko säteilemällä tai konvektion avulla, kuten kiehuvan kuuma vesi kulkeutuu pintaan liedellä kuumenevassa kattilassa. Se aiheuttaa alati muuttuvan konvektiosolujen rakenteen tähden pintaan. Mutta tähdet myös pyörivät, mikä aikaansaa omat voimansa kontrolloimaan sen pinnan ja sisempien kerrosten toimintaa ja liikettä. Pyöriminen on erilaista eri etäisyyksillä tähden päiväntasaajasta ja erilaisilla syvyyksillä, jolloin plasman virtaukset eri osissa tähteä ovat erisuuruisia. Se taas tuottaa magneettisia ilmiöitä ja magneettikentän vaihteluita, jotka liittyvät ajoittain pinnan voimakkaisiin purkauksiin. Magneettikentän välittämä energia on myös vastuussa koronan kuumenemisesta jopa miljooniin asteisiin, reilusti tähden tuhansien asteiden pintalämpötilan yläpuolelle.

Kaikilla tähden pinnan ilmiöillä on vaikutuksensa pinnan ulkopuolelle — niihin fysikaalisiin ilmiöihin, jotka tuottavat tähteä kiertävien planeettojen kokeman avaruussään. Rauhallisimmillaan kyse on vakaasta hiukkastuulesta, tähden pinnalta vapautuvien hiukkasten vuosta. Hiukkasia voi kuitenkin vapautua niin runsaasti, että Aurinkoa raskaammat ja voimakkaammin säteilevät, kuumat tähdet voivat menettää lyhyen loisteensa aikana jopa puolet kaikesta massastaan. Auringonkaltaiset ja Aurinkoa pienemmät tähdet puolestaan eivät menetä merkittäviä määriä massaansa avaruuteen hiukkastuulen mukana.

Tähden pinnan magneettikenttien kokiessa nopeita muodonmuutoksia, aiheutuu paikallisia purkauksia, joissa vapautuu suuria määriä säteilyä. Syntyvät roihupurkaukset voidaan havaita mainiosti lähitähtien pinnoilla, koska ne kirkastavat tähden hetkellisesti jopa moninkertaiseksi normaalista. Purkaukset nähdään parhaiten näkyvän valon aallonpituuksilla mutta samalla vapautuu suuria määriä röntgensäteilyä, joka suuntautuessaan kohti tähden lähellä olevia planeettoja voi osaltaan steriloida niiden pintoja hajottaen monimutkaisia molekyylejä yksinkertaisiksi atomeikseen. Purkausten ollessa voimakkaita, voi vapautua myös varattuja hiukkasia, jolloin kyseessä on massapurkaus. Voimakkaimmat massapurkaukset puolestaan voivat viedä mukanaan ainesta planeetan kaasukehästä suuntautuessaan suoraan planeettaa kohti. Aktiivisten tähtien planeettakuntien kivisillä sisäplaneetoilla voi olla huomattavia aikeuksia pitää kiinni kaasukehistään massapurkausten ja voimakkaan tähtituulen vaikutuksille alttiina. Suoria havaintoja ei vielä juurikaan ole, mutta tiedämme, että jopa karkeasti 20 kertaa massiivisempien neptunuksenkaltaisten planeettojen kaasukehä voi vuotaa voimakkaan tähtituulen vaikutuksesta avaruuteen.

Vaikka tähtiään lähellä kiertävät kiviplaneetat olisivatkin kaasukehättömiä merkuriuksenkaltaisia planeettoja, hiukan kauempana planeettojen magneettikentät voivat suojata niiden kaasukehiä mainiosti varattujen hiukkasten purkauksilta. Säteilyä magneettikenttä ei kuitenkaan torju, joten ultraviolettisäteily pääsee planetan pinnalle, jos kaasukehä on vain ohut kuten Marsin tai Maan pinnalla. Paksummat kaasukehät voivat siksi suojata planeetan pintaa tappavalta säteilyltä mutta myös vuorovesilukkituminen voi pelastaa monen planeetan elinkelpoisuuden oikuttelevalta avaruussäältä. Jos vain toinen planeetan puolisko on aina kääntyneenä tähteä kohti, toinen puolisko välttyy säteilyn haitallisilta vaikutuksilta.

Kokonaiskuvan saaminen eksoplaneettojen kokemasta avarussäästä on erittäin vaikeaa, koska voimme tarkastella vain kourallista keskenään täysin erilaisia erikoistapauksia. Vaikka osaamme tehdä tähdistä havaintoja, jotka paljastavat niiden tuottaman avaruussään, jonka puitteissa eksoplaneetat radoillaan kiertävät, emme voi kuin arvailla sen vaikutuksia planeettojen olosuhteisiin. Syy on siinä, että emme toistaiseksi ole sonnistuneet saamaan kattavia havaintoja pienten eksoplaneettojen kaasukehistä tai magneettikentistä.

Tilanne on kuitenkin nyt muuttumassa, koska uudet nerokkaat havaintoprojektit ovat onnistuneet tekemään ensimmäisiä karkeita havaintoja molemmista. Radioteleskoopeilla on mahdollista saada tietoa eksoplaneettojen magneettikentistä, jos vain havaintostrategiat ja kohteet valitaan huolella, ja JWST kykenee periaatteessa tuottamaan havaintoja lähiplaneettojen kaasukehistä. Molemmilla tutkimussuuntauksilla on valtava potentiaali sen ymmärtämisessä kuinka monen eksoplaneetan pinnalla biologisten organismien syntyyn ja kehitykseen soveltuvat olosuhteet ovat mahdollisia.

2 kommenttia “Roihuavien liekkien loisteessa”

  1. Seniorikosmologi sanoo:

    Uskon Maassa parhaillaan ilmenevän ilmaston lämpenemisen johtuvan pääosin, ellei jopa kokonaan, ihmiskunnan tekemisistä ja tekemättä jättämistä. Joidenkin mielestä syy lämpenemiseen löytyy kuitenkin Auringossa meneillään olevista poikkeusilmiöistä.

    Onko Auringon käyttäytymisessä meneillään jotain sellaista, joka voi selittää Maan ilmaston lämpenemisen?

    1. Mikko Tuomi sanoo:

      Auringon käyttäytyminen tunnetaan oikein hyvin, ja voidaan sanoa täydellä varmuudella, että Aurinko ei ole syypää planeettamme lämpenevään ilmastoon. Auringon lämmittävä vaikutus on, jos jotakin, heikentynyt aavistuksen viime vuosikymmeninä.

      Is the Sun causing global warming?

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *