Eksoplaneetta hukassa

Viimeinen tutkimusmatka, osa 3

24.11.2022 klo 14.32, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Synty ja kehitys

Pakkasen vuosittain kylmettämässä maassa sitä ei tule ajatelleeksi, miten subtrooppisilla alueilla on aivan omat ongelmansa. Kun maa ei jäädy, ja lämpötilakin putoaa pakkasen puolelle vain muutamana talvisena yönä, on eläinmaailman pienillä sankareilla yksi ongelma vähemmän — kylmältä ei juuri tarvitse suojautua. Se voi kuitenkin olla ihmisille kiusallista, koska paikallisiin hämähäkkieläimiin kuuluu esimerkiksi jalkojen kärkiväliltään viisitoistasenttinen chilentarantula (Grammostola rosea). Vielä kiusallisempi kotien kutsumaton vieras on myrkyllinen ruskohämähäkki (Loxosceles laeta), jonka purema saa ihokudoksen kuolioon ja voi aiheuttaa muutamassa tapauksessa sadasta jopa kuoleman, jos myrkkyä pääsee verenkiertoon. Se on kuitenkin vain yksi tapa, jolla ilmasto-olosuhteet ja maantiede vaikuttavat ihmisiin. Ei silti ole syytä hukata aikaa peläten kohtaamisia kahdeksanjalkaisten eläinmaailman edustajien kanssa. Tyypillisesti ne haluavat joka tapauksessa piilotella jossakin suojaisassa lattianlistan raossa tai ulkona seinän halkeamissa. Vaatteiden jättämistä läjään lattialle piilopaikkoja luomaan on kuitenkin vältettävä.

Katsomme kaukana vihreän laakson tuolla puolen kohoavaa betonihelvettiä, jonka yläpuolella leijuu sankan savusumun muodostama ruskea sumukerros. Santiagon keskustan ilma ei ole parantunut huolimatta kaupungin johdon pyrkimyksistä vähentää liikennettä ja päivittää lämmitysjärjestelmiä kivihiiltä ja puuta polttavista pannuista puhtaammiksi ja modernimmiksi. Kaupunki kyllä puhdistuu, mutta prosessi on suorastaan kivuliaan hidas. Ilma ei ole varsinkaan keskikesällä terveellistä keuhkoille, mutta syynä ei suinkaan ole vain fossiilisten polttoaineiden ja puun poltto, vaan myös maantiede. Santiago sijaitsee vuorten ympäröimässä, laajassa kattilalaaksossa, johon Pedro de Valdivia, espanjalainen konkistadori, sen perusti 1500-luvun puolessa välissä huolimatta paikallisten alkuperäisasukkaiden sinnikkäästä vastustuksesta. Ongelmia aiheuttavat myös jokakesäiset maastopalot kaupungin lähistöllä. Niiden savu saattaa jäädä leijumaan laakson päälle uhkaavaksi pilveksi päivien ajaksi jopa palojen jo tultua sammutetuiksi.

Keväinen ilma on kuitenkin lempeä, eikä ilmassa ole liiaksi ilmansaasteiden tunkkaisuutta. Kuin merkiksi raikkaasta aamusta, monet keskustan kadut ovat saaneet purppuranvärisen hunnun, kun jakarandat (Jacaranda mimosifolia), Argentiinasta peräisin olevat kadunvarsien puut, kukkivat täydessä loistossaan. Kyse on vettä armotta muilta puulajeilta rosvoavasta vieraslajista, mutta siitä pidetään puun kauniin kukinnan ja sitkeyden vuoksi.

---

Saliin on kokoontunut kolmisenkymmentä tähtitieteen tutkijaa ja opiskelijaa. Tarkkailen heidän sekalaista joukkoaan minut seminaariin kutsuneen Jose Prieton ja professori James Jenkinsin vuoroin kertoessa lyhyesti kuulijoille kuka oikein olen. Puhun tunnin verran niistä teknisistä yksityiskohdista, jotka on otettava huomioon mallinnettaessa tähdenpilkkujen vaikutusta tähdistä tehtyihin havaintoihin. Mainitsen myös lyhyesti miten olen onnistunut löytämään uuden planeetan kiertämässä yhtä lähitähdistä, mutta juuri kukaan ei osoita minkäänlaisia merkkejä yllättymisestä — eksoplaneettalöydöt ovat arkipäivää ja yleisön joukossa on useita eksoplaneettatutkijoita, jotka itsekin tehtailevat uusia löytöjä tämän tästä. Esitelmääni seuraava mahdollisuus kysymyksille muodostuu erityisen mielenkiintoiseksi, koska vaikuttaa siltä, että lähes kaikilla on kysymyksiä kehittämieni menetemien sovellusalueesta ja niiden tarjoamista mahdollisuuksista uusiin tutkimusavauksiin. Tähtitieteilijät ovat tavallisesti varsin ujoja, ja kysymyksiä esitetään vain vähän. Tilanne on kuitenkin varsin epämuodollinen ja turvallinen, mikä tekee ilmapiirin sopivammaksi kommunikointiin.

Tapaan Diego Portalesin yliopistolle vierailulle tulleen chileläisen astronomin Barbara Rojas-Ayalan, joka toimii professorina Tarapacán yliopiston Santiagon toimipisteessä. Tutustuimme vuonna 2019 Barbaran järjestämässä konferenssissa ollessani tuolloinkin Chilessä vierailulla. Nyt tapaamiseen on jälleen mainio syy: tutkimukselliset tavoitteemme ovat yhtenevät. Barbara on pienten punaisten kääpiötähtien spektroskopiaan erikoistunut asiantuntija, joka on kehittänyt uuden menetelmän niiden alkuainepitoisuuksien aiempaa tarkempaan kartoittamiseen käyttämällä infrapuna-alueen havaintoja. Hän on havainnut noin sadan Aurinkoa lähellä olevan punaisen tähden spektrit ja tarkoituksenamme on nyt tarkastella riippuvatko tähtiä kiertävien planeettojen määrä ja ominaisuudet siitä, kuinka paljon tähtien kaasukehässä näkyy vetyä ja heliumia raskaampia aineita. Planeettojen tarkastelu tässä yhteydessä on puolestaan minun erikoisalaani, joten luvassa on kiinnostavia tuloksia kunhan saamme havaintojen vaivalloiset tietokoneanalyysit valmiiksi.

Suunnitelma on ehkä yksinkertainen, mutta se voi tuottaa merkittäviä tietoja maailmankaikkeuden planeettojen moninaisuudesta ja ominaisuuksista. On yleisesti tiedossa, että varhaisen maailmankaikkeuden tähdet syntyivät likiman pelkästään vedystä ja heliumista — joukossa oli vain pieniä määriä muita alkuaineita, pääasiassa kolmanneksi keveintä ainetta litiumia. Vuosimiljardien kuluessa supernovaräjähdykset kuitenkin rikastuttivat tähtienvälisen kaasun tähtien sisuksien ydinreaktioissa syntyneillä raskaammilla alkuaineilla ja ajan saatossa muodostui yhä enemmän raskaampia alkuaineita sisältäviä tähtisukupolvia. Planeetat eivät kuitenkaan koostu vain vedystä ja heliumista, vaan niiden muodostuminen riippuu oleellisesti raskaammista alkuaineista ja monenlaisista yhdisteistä, kuten metalleista, silikaateista ja jäästä. Silloin on selvää, että eri aikoina syntyneet planeettasukupolvet ovat ominaisuuksiltaan toisistaan poikkeavia.

Yleisesti ottaen ajattelemme, että planeettojen rakennusaineksia on sitä enemmän mitä runsaammin raskaampia alkuaineita on ollut saatavilla. Sen enempää emme kuitenkaan uskalla arvella. On täysin hämärän peitossa miten saatavilla olevan materiaalin koostumus vaikuttaa planeettojen ominaisuuksiin, ratoihin ja runsauteen. Samalla kuitenkin selvitämme perustavanlaatuisesti planeettojen syntymekanismien lainalaisuuksia ja sitä, kuinka yleisiä planeetat ovat maailmankaikkeudessa. Se on suunnattoman kiinnostavaa perustutkimusta, joka auttaa kirjaimellisesti vastaamaan kysymyksiin elämästä, universumista ja kaikesta.

---

Jatkan tyypilliseen tapaani kirjoittamista vielä alkuillasta, kun tekstinkäsittelyohjelmani äkkiä jumittuu. Tietoliikenneyhteydet ovat katkenneet. Se vaikuttaa kirjoittamiseen, koska käytämme tyypillisesti työkaluja, jotka ovat verkossa. Silloin tutkimusryhmän eri jäsenet voivat muokata tekstiä kukin tahollaan ja muutokset tallentuvat kaikkien nähtäväksi reaaliaikaisesti. Samoin opiskelijoiden ohjaaminen helpottuu, kun voi seurata heidän tekstintuottamistaan ja antaa välitöntä palautetta. Se toki tekee kirjoitustyön riippuvaiseksi verkkoyhteyksistä mutta se riippuvuus on olemassa joka tapauksessa, koska käsillä pitää jatkuvasti olla kaikki oleellinen tieteellinen kirjallisuus, jotta ainuttakaan faktaa ei eksy valmiiseen tekstiin ilman asiaan kuuluvaa lähdeviittausta.

Nyt poikki ei kuitenkaan ole vain verkkoyhteys, vaan sähköt. Se rajoittaa käytännössä kaiken työnteon siihen muutamaan tuntiin, joiden ajaksi kannettavan tietokoneen akussa riittää virtaa ja silloinkin on mahdollista tehdä vain hyvin vähän rajallisia asioita. Chilessä ihmiset pyrkivät kuitenkin varautumaan kaikkeen, koska infrastruktuuri on verrattaen huonossa kunnossa ja sen hajoaminen ja toiminnan ongelmat ovat yleisiä. Santiagon kaupungin laidalla, Pirquen maalaispitäjässä, ei lisäksi ole tyypilliseen tapaan ketään päivystämässä, jotta sähkölaitos voisi ryhtyä selvittämään sähkön saatavuuden ongelmia mahdollisimman nopeasti. Paikalliset käynnistävät siksi mahdollisuuksiensa mukaan generaattorinsa tuottaakseen itse sähköä. Aurinkosähköjärjestelmiä tosin näkyy tuskin lainkaan, vaikka aurinkoenergiaa olisi saatavilla kesäaikaan keskeytyksettä noin 12 tuntia vuorokaudessa.

Asiat kyllä hoituvat, vaikka niissä kestäisikin hiukan kauemmin kuin mihin olemme alati kiireisinä pohjoiseurooppalaisina tottuneet. Voin jatkaa kirjoittamista huomenissa sähköverkon ja tietoliikenneyhteyksien ollessa jälleen kunnossa. Sitä ennen, hikisen hellepäivän päätteeksi, voin hypätä vaikkapa Jamesin takapihalla kutsuvana odottavaan uima-altaaseen seuraamaan chilenhaukkojen kaartelua sinisellä taivaalla niiden etsiessä seuraavaa ateriaansa.

---

Viimeinen tutkimusmatka, osa 2

8.11.2022 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Koostumus

Aivan aluksi nukun. Ihmisen kognitiiviset kyvyt heikkenevät merkittävästi, jos hän kokee merkittävää unenpuutetta. Sellaiseksi lasketaan kokonaisen yön valvominen, yhteensä 27 tuntia matkustamista ja vuorokauden siirtäminen viisi tuntia myöhempään eri aikavyöhykkeelle saapumisen merkiksi. Olen kuitenkin toipunut matkasta lähes 16 tunnin katkonaisilla unilla ja perjantaiaamun Aurinko loistaa Andien länsireunan matalampien huippujen yläpuolella. Vuoret ovat siinä, missä ennenkin mutta niiden läsnäolo on aina jotenkin yllättävää ja kunnioitusta herättävää laakeisiin suomalaisiin maisemiin tottuneelle pohjoisen pojalle.

Ehdimme käynnistää tieteelliset keskustelumme jo saavuttuani, oltuani vielä matkustuksen jäljiltä väsymyksen kevyessä sumussa. Kävi ilmi, että James Jenkinsin, Chileläisen kollegani ja ystäväni, eräs lahjakas opiskelija on ottanut tutkimussuunnakseen aiheen, joka voisi aivan yhtä hyvin olla minun ideoimani. Ja tavallaan se onkin, koska projekti liittyy eksoplaneettahavaintojen bayesilaiseen käsittelyyn ja erityisesti ennakkoinformaation mahdollisimman tarkoituksenmukaiseen hyödyntämiseen, mistä julkaisin lyhyesti jo vuonna 2013 ja kirjoitin väitöskirjassani. Ennakkoinformaatiolla tarkoitetaan sitä, mitä tiedämme vaikkapa jostakin havaitusta planeettakunnasta ennen kuin edes tarkastelemme siitä tekemiämme havaintoja. Kyseeseen tulee vaikkapa se ilmeiseltä vaikuttava asia, että puhumme planeetan kokoisista ja massaisista pienemmistä kappaleista kiertämässä tähden kokoista ja massaista suurempaa kappaletta. Jo se aikaansaa reunaehtoja, joita kutsumme ennakkoinformaatioksi. Samoin tiedämme ennakkoon, että planeetat ja tähti liikkuvat avaruudessa suhteellisuusteorian tarkasti ennustamalla tavalla, jota voimme mainiosti approksimoida Keplerin laeiksi kutsutuilla yksinkertaisilla yhtälöillä. Edelleen, sellaisen gravitaatiovoiman yhteen sitoman järjestelmän on oltava stabiili, koska muuten se ei voisi olla olemassa emmekä sitä koskaan havaitsisi. Planeettojen ratojen on siis oltava sellaisia, että niiden keskinäinen vetovoima ei aiheuta kaoottista käyttäytymistä ja lähiohituksia tai törmäyksiä. Asiaan littyy vielä paljon muutakin, mutta pohjimmiltaan meillä on tosiaan runsaasti tietoa planeettakunnista ennen kuin edes suuntaamme teleskooppejamme niitä kohti.

Planeettakuntien ennakkoinformaatioon liittyy eräs kiinnostava yksityiskohta, jonka ehkäpä kuuluisin seuraus tunnetaan Titiuksen-Boden lakina. Planeettojen radat vaikuttavat nimittäin olevan likimain tasaisin välein ratajaksonsa logaritmin muodostamassa koordinaatistossa. Se on oikeastaan vain gravitaatiovuorovaikutuksen tuottama efekti, koska planeettojen radat ovat niin lähellä toisiaan kuin vain voivat tekemättä järjestelmästä epästabiilia. Mitä kauempana Auringosta planeetat kiertävät, sitä hitaammin ne liikkuvat heikommassa vetovoimakentässä planeettakunnan ulko-osissa. Silloin ne tarvitsevat enemmän tilaa, jotta planeettojen keskinäiset vetovoimat eivät ole liian suuria heikentääkseen järjestelmän stabiiliutta. Aurinkokunnassa asia huomattiin jo 1700-luvulla ja tunnetut eksoplaneettakunnan näyttävät noudattavan samaa periaatetta. Ja tietenkin ne noudattavat, koska kyse on vain gravitaatiovuorovaikutuksen yksinkertaisesta seurauksesta. Asian huomioiminen ennakkoinformaationa data-analyysissa ei kuitenkaan ole aivan ongelmatonta, ja koetamme ratkaista siihen liittyviä hankaluuksia yhteistyössä chileläisten kanssa. Sellainen tieteellinen ongelmanratkaisu taas on tehokkainta keskeytymättömän keskusteluyhteyden vallitessa. Siksikin nykyaikana on edelleen tarpeellista matkustaa tekemään tieteellistä työtä toiselle mantereelle. Ihminen on sosiaalinen eläin, joka on parhaimmillaan kasvotusten tapahtuvassa vuorovaikutuksessa lajikumpaniensa kanssa.

Ikkunan läpi tuijottavat vuoret eivät kuitenkaan jätä minua rauhaan ja keskeyttävät tuon tuosta ajatustyön. Mieleni laukkaa kirjaimellisesti aivan muihin maailmoihin. Pohdin kuinka tyypillisiä vuoristomaisemat ovat muilla planeetoilla. Päädyn nopeasti siihen lopputulokseen, että vuoria on aivan kaikilla eksoplaneetoilla, joilla vain on kiinteä pinta. Aurinkokunnassakin vuoria ja vuoristoja on kaikkialla — korkein ja mahtavin vuorenhuippu löytyy Marsista, jossa Olympus Mons kohoaa peräti 21.9 kilometrin korkeuteen. Tiedämme siksi varmuudella, ettei Maa ole vuoristoineen uniikki. Eksoplaneettojen vuorista emme tosin voi tehdä havaintoja. Emme ainakaan vielä.

---

Katson mietteliäänä, kun jokin paikallinen, pienikokoinen haukka (luullakseni chilenhaukka, Accipiter chilensis) laskeutuu katonräystäälle tarkkailemaan pihamaata. Se on iskenyt silmänsä koiran ruokakuppiin, jossa on proteiinipitoisia nappuloita syömättä. Lintu tarkkailee vuoroin kuppia ja vuoroin ovea, jonka avautuminen merkitsee potentiaalista vaaraa ihmisten saapuessa paikalle. Se kuitenkin toteaa tilaisuutensa tulleen, lennähtää ruokakupille nappaamaan muutaman koirannappulan nokkaansa ja lentää pois arvatenkin viemään saaliinsa pesässään odottaville nälkäisille suille. Tilaisuus on tehnyt varkaan, mutta vaikka haukka onkin hiukan poikkeuksellisen ravinnon äärellä, ei sen käyttäytymisessä ole mitään uutta. Höyhenpeitteisiä, lentokykyisiä dinosauruksia on ollut olemassa ainakin 150 miljoonaa vuotta, ja niiden ravinnonhankinta on luultavasti perustunut aina sopivien tilaisuuksien maksimaaliseen hyödyntämiseen. Linnut ovat aktiivisia eläimiä, jotka tarkkailevat ympäristöään herkeämättä tarttuakseen jokaiseen tarjoutuvaan mahdollisuuteen ja toisaalta välttyäkseen joutumasta jonkin lähempänä ravintoketjun huippua olevan saalistajan ateriaksi. Niiden lentokyky edellyttää keveyttä ja siroutta, jolloin ne eivät voi olla pääasiallisia huippusaalistajia. Ja tilanne on luultavasti sama muuallakin, koska samat fysikaalisen maailmamme rajoitukset pätevät takuuvarmasti mudenkin elävien planeettojen pinnoilla. Jos jollakin kaukaisella planeetalla on älykkäitä, lehtäviä opportunisteja, niiden käyttäytyminen muistuttaa luultavasti monella tavalla oman planeettamme lintuja. Aivan samalla tavalla muut biologisen sukupuumme lentokyvyn kehittäneet haarat ovat päätyneet noudattamaan samankaltaisia käyttäytymismalleja. Lepakot ja muinaisuuden pterosaurukset ovat sellaisista mainioina esimerkkeinä.

Konvergentti evoluutio tarjoaa mahdollisuuden tehdä Maapallolla näkemästämme elämästä universaaleja yleistyksiä. Jos jossakin on samankaltaiset olosuhteet kuin Maassa, voimme olla varmoja, että elämä sopeutuu niihin samankaltaisilla tavoilla. Jos jonkin planeetan pinnalle saapuu Aurinkoa vastaavan tähden säteilyä planeetan kaasukehän ollessa sille läpinäkyvä, on suorastaan varmaa, että monisoluiset organismit sopeutuvat käyttämään säteilyn suomia mahdollisuuksia hyväkseen kehittämällä näkemiseen soveltuvia elimiä. Jo Maapallola sellaisia silmiksi kutsuttuja elimiä on kehittynyt toisistaan riippumatta eri eläinryhmissä arviolta 40 kertaa, joten kyseessä on suorastaan vääjäämätön kehityskulku, jos vain näkökyvyn asteittaiset parannukset tuovat organismeille mahdollisuuden tuottaa muita tehokkaammin lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Emme tietenkään voi ennustaa millaisia rakenteita evoluutio täsmälleen tuottaa muilla planeetoilla, mutta voimme silti arvioida, että esimerkiksi kyky liikkua on tärkeää niin saalistajille kuin joillekin niitä vältteleville saaliseläimillekin. Toiset saaliseläimet taas koettavat välttyä tulemasta havaituksi maastoutumalla ympäristöönsä mahdollisimman hyvin. Yksinkertaiset fysikaaliset ja geokemialliset reunaehdot taas tuottavat herkästi elävien muotojen valtaisan moninaisuuden, mihin olemme planeetallamme tottuneet. Sekin on universaali tosiasia, koska Maan elämä on monimuotoistunut samankaltaisella tavalla useaan otteeseen toivuttuaan massasukupuuttoaaltojen aiheuttamasta lajirikkauden äkillisestä kapenemisesta.

Mutta minkälaisia reunaehtoja vaikkapa punaisten kääpiötähtien heikko punainen säteilyspektri ja armottomat purkaukset asettavat niitä kiertävien planeettojen elämälle? Voimme lopultakin vain arvailla, koska emme tunne sellaisesta elämästä ainuttakaan esimerkkiä. On silti mielenkiintoista koettaa arvioida näiden maailmankaikkeuden yleisimpien planeettojen olosuhteita perustuen siihen, mitä olemme saaneet selville punaisten kääpiötähtien ominaisuuksista ja fysiikasta. Kyseessä on kiinnostava tutkimusprojekti, jota olen käynnistämässä Helsingin yliopistolla. Siihen tarvitaan osaamista niin eksoplaneettojen ominaisuuksista kuin tähtien pinnan prosesseistakin, joten kyseessä on suorastaan täydellinen tilaisuus tehdä lähitulevaisuudessa yhteistyötä Santiagon eksoplaneettatutkijoiden ja Helsingin aktiivisiin tähtiin erikoistuneiden astrofyysikoiden välillä.

---

Sunnuntain aamukahvin ääressä käytävä keskustelu käy välittömästi kiinnostavaksi, kun sen lomaan on puolihuolimattomasti asetettu kysymyksen muotoon puettu toteamus: mitä mieltä muuten olet tästä uudesta löytämästäni planeetasta? Jamesilla on havaintoja oranssien jättiläistähtien planeettakunnista, enkä oikein voi kuin nyökätä hyväksyvästi ja todeta asian kiinnostavaksi. Mutta onko planeetan havaittu kiertoaika oikea? Onko olemassa vaihtoehtoisia ratkaisuja, jotka selittävät havainnot yhtä hyvin tai vieläkin paremmin? Voiko havaintoon luottaa niin, että sen voisi julkaista? Keskustelemme pitkään jaksollisten signaalien havaitsemisen problematiikasta ja siitä, kuinka laskostumiseksi kutsuttu ilmiö voi toisinaan johdattaa harhaan. Jättiläistähdet myös sykkivät ja pyörivät verkkaisesti, mikä saattaa aiheuttaa havaintoihin jaksollisuuksia, joita ei voi tulkita merkeiksi planeettojen olemassaolosta. Ehkäpä kuitenkin olemme jälleen saaneet seville jotakin kiinnostavaa maailmankaikkeudesta.

Vaikka tutkimuksemme etenee tieteelle tyypilliseen tapaan verkkaisella tahdilla, julkaisemme silti uusia tuloksia varsin säännöllisesti. Raportoimme vain pari viikkoa sitten uudesta neptunuksenkokoisesta planeetasta kiertämässä nuorta tähteä, joka tunnetaan luettelokoodilla HD 18599. Planeetta on kuuma neptunus, joita on vain vähän, koska ne menettävät kaasuvaippansa tähtiensä paahtavassa poltteessa varsin nopeassa tahdissa. Luultavasti myös HD 18599 b on kokenut kovia ja menettänyt merkittäviä määriä kaasuvaippaansa, koska sen Maata 2.7 kertaa suuremman halkaisijan sisään on pakattu peräti 26 Maan massan verran materiaa. Planeetan koostumuksen selittää noin kolme neljännestä kattava raudasta ja silikaateista koostuva ydin ja sitä peittävä vesivaippa. Keveämmät kaasut planeetta lienee menettänyt avaruuteen alttiina tähtensä voimakkaalle säteilylle mutta prosessi ei vain ole vielä ehtinyt edetä loppuun asti, koska kyseessä on varsin nuori järjestelmä. Saamme siis tarkkailla vasta hiljattain syntyneen vauvaplaneetan kärsimystä julman, aktiivisen tähtensä käsittelyssä. Asiasta ei tosin tarvitse tuntea sääliä, koska planeetat eivät ole tuntevia organismeja. Eikä HD 18599 b ole elävä planeetta, koska se ei ole koskaan voinut muodostaa pinnalleen biosfääriä — planeettaa peittää todennäköisesti kiehuvan kuuma meri, jonka olosuhteissa orgaaniset molekyylit tuhoutuvat joka tapauksessa millisekuntien aikaskaalassa.

---

Kirjoitus on toinen osa matkapäiväkirjastani Chilen Santiagoon marraskuussa 2022.

---

Viimeinen tutkimusmatka

4.11.2022 klo 12.41, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen

Siellä, missä on mantereen reuna, alkaa valtameri. Planeettamme suurin. Kun erilaiset henkiolennot vielä vaelsivat vuoristoisilla mailla inkojen imperiumin laidalla, missä Maule -joki virtaa, aluetta asuttivat myös ”maan lapsiksi” itseään kutsuvat asukkaat. He olivat kulttuurillisesti ja kielellisesti omanlainen Etelä-Amerikan yhteisönsä, joka ei muodostanut inkojen tapaan valtiota, vaan lähinnä löyhemmän linnoitettujen kylien verkoston nykyisen Chilen ja Argentiinan alueilla. Mapuchet ovat edelleen Chilen lukumäärältään merkittävin alkuperäiskansa. Heidän mytologiassaan vesi tuo tulvan ja tuhon, kun kuivuus palauttaa kiinteän maan ja auringonpaisteen jatkuvassa hyvän ja pahan väliseksi rinnastuvassa kamppailussaan. Geologisesti nuoren Andien vuoriston alueella jäätiköiden sulamisvedet ja maanjäristysten tuottamat tsunamit tosiaan tuovat tuhon jatkuvissa sykleissä mutta laaksojen hedelmällinen maa antaa myös elannon niille, jotka muistavat kohdella sitä kunnioittavasti.

Nykyään ilmastonmuutos ei jätä Mapuche-kansan maita rauhaan. Kun Andien jäätiköt hupenevat, ne vievät mukanaan niin sulamisvesistä riippuvaiset joet kuin suuren osan maatalouttakin. Chileä vaivaa vesipula ja se vaikuttaa aivan kaikkeen mutta kyseessä on täysin keinotekoinen kriisi jopa unohtaen ilmaston lämpenemisen. Kriisin keskiössä on ravinteikas, ruskean kuoren peittämä hedelmä, jonka vihreän sisällön kasvava kysyntä Euroopassa ja Yhdysvalloissa on saanut viljelijät laajentamaan sen viljelyyn käytettyä maa-alaa Chilen hedelmällisissä laaksoissa Santiagon pohjoispuolella. Diktatuurilta peritty talousmalli ja halpa maa tarjosivat mainiot olosuhteet tuottaa runsain mitoin avokadoja länsimaiden ahnaille markkinoille mutta kuten lähes aina, riistävä liiketoimintamalli rikastutti harvoja ja johti ulkoisvaikutuksinaan vakaviin ongelmiin.

Kun valtavat avokadoplantaasit imevät jokien koko virtaaman, näivettäen ne kuiviksi uomiksi, paikalliset asukkaat joutuvat rajoittamaan veden käyttöä ja jopa tuomaan juomavetensä muualta. Samalla monokulttuuriset plantaasit kiihdyttävät eroosiota ja heikentävät viljelysmaan laatua ja niiden viljelyssä käytetyt runsaat torjunta-aineet saastuttavat pohjaveden. Chilen markkinaliberaali lainsäädäntö on kuitenkin antanut maanomistajille lähes vapaat kädet käyttää omistamiensa maiden resursseja haluamallaan tavalla. Vaikka maiden läpi virtaisi joki, ei yksityisten omistajien ole juurikaan tarvinnut piitata alajuoksulle aiheuttamastaan vesipulasta tai sinne valuvista saasteista. Kourallinen suuria maanomistajia pitääkin hallussaan suurinta osaa Petorca -provinssin vedestä, mikä vain kuvastaa yksityisomistuksen vahingollisuutta varallisuuden annettaessa kasautua rajoitta harvoille. Alue on lisäksi valtaosan vuodesta kuivaa ja avokadon kasvattaminen vaatii runsaasti vettä, peräti 320 litraa jokaista hedelmää kohti, mikä on johtanut pysyvään kuivuuteen provinssin laaksoissa luonnolle ja ihmisille tuhoisalla tavalla.

Suuret tuottajat kukoistavat samalla kun ihmiset kärsivät. Sama kehityskulku on nähty uudelleen ja uudelleen aivan liian monessa yhteydessä mutta Chile on murrosvaiheessa, pyristelemässä eroon viimeisistä uusliberaalin sotilasdiktatuurin kahleista. Lakimuutokset, erityisesti yritys saattaa voimaan Chilen uusi perustuslaki, ovat tuomassa mukanaan parempaa. Vesi määriteltiin jo lainsäädännöllisesti loukkaamattomaksi ihmisoikeudeksi. Uusi perustuslaki taas tähtää tieteen ja tutkimuksen aseman parantamiseen, luonnon ja ympäristön suojeluun, sekä koulutuksen aseman, rahoituksen ja saatavuuden merkittävään parantamiseen. Vaikka se kaatuikin kansanäänestyksessä paljolti taloudellisen eliitin käynnistämän propagandakampanjan ja konservatiivien vastustuksen turvin, uutta dokumenttia pidetään laajasti parannuksena verrattuna diktatuurin aikana tuotettuun nykyiseen perustuslakiin. Päätellen ainakin siitä, että kirjoittajina on demokraattisesti valittu joukko kansalaisjärjestöjen edustajia, tutkijoita, opettajia ja opiskelijoita, sekä alkuperäiskasojen edustajia, eikä niinkään sotilaita, taloudellista eliittiä tai poliitikkoja, on hyviä syitä luottaa uuden perustuslain tuovan mukanaan mahdollisuuden parempaan, jos se vain saadaan voimaan.

Mutta tarkoitukseni ei ole kirjoittaa Chilen poliittisesta ilmapiiristä tai edes planeettamme ekosysteemejä ja ihmisyhteisöjä uhkaavasta ilmastokatastrofista. Ne luovat vain näyttämön omalle tutkimusmatkalleni Etelä-Amerikan länsirannikolle, Andien valtavan vuoriston kupeeseen. Olen matkustanut Chileen tekemään tutkimusta, tapaamaan pitkäaikaisia yhteistyökumppaneitani ja kollegoitani, sekä ystäviä. Chile on tähtitieteen paratiisi, jossa sijaitsee yli 70% kaikesta ihmiskunnan rakentamasta tähtitieteellisestä valon keräämiseen suunnitellusta kapasiteetista peilipinta-alalla mitattuna. Olen käynyt maassa aiemmin neljästi ja jokainen vierailu on ollut menestys niin tieteen etenemisen kuin paikallisten opiskelijoidenkin kannalta. Ounastelen kuitenkin tämän viidennen kerran olevan viimeinen, vaikken oikein osaakaan perustella miksi.

---

Mannertenväliset lennot tuovat mukanaan monenlaista tuskaa. Huomaan kipuilevani jo astuessani lentokentän terminaalirakennuksen maanpäälliseen kulutushelvettiin, joka muistuttaa kuhinaltaan lähinnä painajaismaisia joulumarkkinoita myynnin maksimointiin suunnitellussa kauppakeskuksessa. Lepopaikkoja tai rauhaa ei juuri ole, ja jokainen epämukava istuinkin on asetettu siten, että ihmiset ohjataan kuluttamaan maksimaalisesti. Kaikkialla on matkamuistoja ja kaikenlaista rojua, jota kukaan ei tarvitse, sekä loppumattomat rivit luksustuotteita, joita heikossa asemassa olevat epätoivoiset ihmiset tuottavat kaukoidän hikipajoissa. Minkä dystopian olemmekaan luoneet!

Yhtä kivuliasta on viettää lentokoneen aivan liian pienessä tuolissa vajaat parikymmentä tuntia koettaen lääkitä kipeytynyttä selkää ja puutuneita jalkoja kirjallisuudella ja runsaalla määrällä punaviiniä. Koska nukkuakaan ei voi, lentokoneessa tulee vietettyä aikaa ajatellen. Päällimmäisenä mielessä on seuraava kipuilun aihe — lennosta aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt. Vaikka olenkin kompensoinut päästöni rahoittamalla väliamerikkalaisia pienviljelijöiden metsitysprojekteja ja siten koettanut ostaa itselleni hyvän omatunnon, en osaa olla tyytyväinen. Ilmastokatastrofi uhkaa meitä kaikkia ja jokainen toimenpide tarvitaan. Sen sijaan, että ”kompensoimme” toiminnastamme aiheutuvat päästöt meidän tulisi vähentää sitä päästöjä tuottavaa toimintaa ja samanaikaisesti toteuttaa kaikki kompensaatioiksi kaavaillut toimenpiteet. Enkä aivan luota kompensaatiopalveluita tarjoavien yritysten toimintaan, koska ei ole lopultakaan mitään takeita, että ne tosiaan toimivat luvatulla tavalla.

Motiivini kestää kaikki lentomatkailusta aiheutuva kipu on kuitenkin yksinkertainen. Olen akateemisen maailman nomadi, vailla virkaa ja siten taloudellista turvaa, ja joudun pyrkimään tutkimustyöni tuotteliaisuuden maksimointiin tai riskeeraan työttömyyden ja siitä aiheutuvan taloudellisen ahdingon. Olen yhteiskuntamallin vankina epävarmassa taloudellisessa tilanteessa ja minun on käytännössä pakko takertua jokaiseen tarjottuun oljenkorteen — on tartuttava kynään kirjoittaakseni hakemuksen jokaiselle mahdolliselle tutkimusrahoitusta tarjoavalle säätiölle ja huolehdittava verkostoitumisesta, julkaisuluettelon laajuudesta ja kokemuksesta. Chilestä en saa tulevaisuudessa rahoitusta mutta matkan on tarkoitus tuottaa muita oljenkorsia.

Lentokoneessa on kuitenkin vain hyvin rajallisesti tilaa tehdä mitään järkevään kuten valmistella seminaariesitystä, koska kannettava tietokone mahtuu vain juuri ja juuri edessä olevalle pienelle kokoontaitettavalle pöydälle. Käsiäkin on vaikeaa saada tietokoneen käyttöön soveltuvaan asentoon, jos viereiset istuimet eivät ole vapaina. Onnistun kuitenkin laatimaan esitystä jonkin verran — aiheena on Proxima Centaurin rikas planeettakunta ja siitä tehtyjen havaintojen uudelleenanalysointi. Yksi Santiagon Diego Portalesin yliopiston paikallisista tutkijoista, Jose Prieto, on pyytänyt minua pitämään esitelmän aiheesta. Yliopisto on yksityinen, mikä on suomalaisesta näkökulmasta omituinen järjestely, mutta en tuhlaa aikaani hallinnollisten asioiden pohtimiseen. Minulla on kiinnostavaa esitettävää liittyen Proxima Centaurin planeettojen ominaisuuksiin ja varmentamiseen riippumattomilla havainnoilla. Olen nimittäin onnistunut riipimään olemassaolevista havainnoista aiempaa enemmän informaatiota puhtaasti matemaattisen data-analyysin keinoin, ja haluan kuulla mitä chileläiset kollegani asiasta ajattelevat. Olen saanut uutta tietoa planeettakunnasta mutta samalla olen onnistunut määrittämään itse tähden pintarakennetta — sen pilkut vaikuttavat niin kirkkaushavaintoihin kuin spektroskooppisiinkin mittauksiin ja niiden koko ja näennäinen liike tähden pinnalla sen pyöriessä kiinteästä kappaleesta poikkeavalla tavalla vaihtelevalla nopeudella eri leveyspiireillä antavat tietoa tähden itsensä magneettisesta dynamosta ja sen fysiikasta.

Tuoreissa tuloksissani on kuitenkin muutakin kiinnostavaa. TESS -avaruusteleskoopilla ja muilla instrumenteilla tehtyjen kirkkaushavaintojen variaatiot aiheutuvat paljolti kahdesta lähteestä: roihupurkauksista ja tähdenpilkuista. Erityisesti pilkut, joita tähden pyöriessä saapuu jatkuvasti sen näkyvälle puolelle himmentäen näennäistä kirkkautta ja poistuu toisella reunalla, aiheuttavat järjestelmällisiä variaatioita noin 83 päivän sykleissä. Roihupurkaukset taas näkyvät tähden merkittävänä kirkastumisena satunnaisina ajankohtina minuuttien tai korkeintaan kymmenien minuuttien ajaksi. Molemmat ilmiöt voivat antaa kiinnostavaa tietoa tähden pinta-aktiivisuudesta ja siten fysiikasta mutta ne voivat myös peittää alleen huomattavasti pienemmät kirkkausvaihtelut: sellaiset, jotka aiheutuvat planeettojen liikkeestä tähden editse. Vaikka Proxima b ei olekaan sopivalla radalla kulkeakseen tähden pinnan editse, jokin järjestelmän muista planeetoista saattaa hyvinkin olla. Siksikin kirkkausvariaatioiden ymmärtäminen on tärkeää.

Raapustan muutaman yhtälön muistikirjaani ja mietin mitä ne tarkoittavat. On mahdotonta pohtia tiedettä kovinkaan kauan ahtaassa, hikisessä lentokoneen kapselissa, vaan käytän mielummin aikani kulttuurin parissa. Kun olkalaukusta löytyy kiinnostavaa kirjallisuutta on aina mahdollista paeta lukemattomiin maailmoihin jättäen oman ruumiinsa kärsimään puutuneista jaloista ja kipeytyneestä selästä pienikokoisemmille ihmisille suunnitellussa istuimessa.

Saavun pian Santiagon miljoonakaupunkiin, jonka paksu savusumu peittää kaupungin toisen laidan näkyvistä. En kuitenkaan jää pilaamaan keuhkojani huonolaatuisella hengitysilmalla, vaan matkaan ystäväni ja kollegani James Jenkinsin kanssa aavistuksen verran kaupungin ulkopuolelle, Pirquen maalaismaakuntaan, missä viinitilat kukoistavat ja ilma on raikasta. Apulaisprofessorina Diego Portalesin yliopistossa toimiva James Jenkins on yksi pitkäaikaisimmista yhteistyökumppaneistani ja olemme yhdessä julkaisseet vuosikymmenen aikana noin 30 tieteellistä artikkelia. Puitteet hedelmälliseen yhteistyöhön ovat siis ainakin kunnossa.

---

Kirjoitus on ensimmäinen osa matkapäiväkirjastani Chilen Santiagoon marraskuussa 2022.

---

Marsilaisen elämän nousu ja tuho

17.10.2022 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat

Voidaan todeta, että ihmiskunta on suorittamassa planeetallaan ainutlaatuista tieteellistä koejärjestelyä, joka liittyy elävän planeetan biofäärin muokkaamiseen muuttamalla geofysikaalisia olosuhteita. Olemme parhaillaan heilauttamassa planeettamme kaasukehän koostumusta pumppaamalla siihen hiilidioksidia ja muita kasvihuonekaasuja. Seuraukset ovat hyvin tunnettuja niiden tultua todennetuksi tieteellisesti vuosikymmenten saatossa. Ilmakehän kasvanut kasvihuonekaasupitoisuus nostaa planeettamme lämpötilaa ja hiilidioksidi liukenee hiljalleen meriin tehden niistä happamampia. Niiden seurauksena napajäätiköt sulavat ja merenpinta nousee; sademäärät kasvavat siellä, missä sataa paljon, koska lämmennyt ilma sitoo enemmän vesihöyryä; kuumuus lisää kuivuutta siellä, missä sataa vähemmän; ja monenlaiset tuhotulvat, maastopalot, pyörremyrskyt, lämpöaallot, kuivuudet ja muut sään ääri-ilmiöt yleistyvät ja voimistuvat.

Mutta se ei ole koko totuus. Kuivuudet ja merenpinnan nousu tekevät pelloistamme käyttökelvottomia samalla kun merten happamoituminen romahduttaa niiden ravintoketjut. Yhdessä alati kasvavan maankäyttömme kanssa, luonnolle jää aina vain vähemmän tilaa, ja meneillään onkin planeettamme historian kuudes massasukupuuttoaalto — ensimmäinen yksittäisen lajin aiheuttama sellainen.

Suuri osa planeettamme biologisista organismeista ei toki välitä hiukkaakaan aiheuttamastamme muutoksesta, vaan elää kuten on aina elänyt syvällä kiven sisällä jalkojemme alla. Maan kivinen kuori kuhisee soluja, joita ei kinnosta niin kaasukehän koostumus, pintalämpötila, kuin maanpäälliset sukupuutotkaan. Ne ovat tiukasti omassa ekologisessa lokerossaan, vuosimiljardeja muuttumattomana pysyneessä kivisessä elinympäristössään ja jäävät sinne vielä pitkiksi aikakausiksi sitten, kun meidän lajimme on kohdannut vääjäämättömän loppunsa. Viemme kuitenkin planeettamme elinkelpoisuutta heikentävällä uhkarohkealla kokeellamme lukuisia lajeja sukupuuttoon. Saatamme itsekin päätyä yhdeksi niistä osoituksena siitä, että teknologiset sivilisaatiot, jotka oppivat muuttamaan planeettansa geofysikaalisia olosuhteita eivät ole kovinkaan pitkäikäisiä. Mutta vaikka koejärjestelymme on oman planeettamme kontekstissa ainutkertainen, se ei ehkä ole sitä maailmankaikkeuden mittakaavassa — tai edes omassa planeettakunnassamme.

---

Mars on voinut olla nuoruudessaan elävä planeetta. Sen olosuhteet ovat olleet suorastaan maankaltaiset — nestemäinen vesi on virrannut Marsin pinnalla noin 4 miljardia vuotta sitten. Tuolloin planeetan kaasukehä oli nykyistä paksumpi ja planeetta oli lämpimämpi, mikä mahdollisti kokonaisen valtameren esiintymisen peittämässä planeetan pohjoista puoliskoa. Ensimmäisten elävien mikrobien synty olisi ollut aivan samalla tavalla mahdollista kuin Maassa, jossa elämän synty ajoittuu suunnilleen juuri 4 miljardin vuoden päähän. Elämää syntyi omalla planeetallamme likimain heti, kun sen pinta muodostui kiinteäksi ja vesi ryhtyi virtaamaan vapaana, joten samankaltainen kehityskulku on ollut mahdollinen Marsissakin. Kuten Maassa, mikrobeja on voinut aivan mainiosti esiintyä Marsin pinnan alapuolella, huokoisen kallion sisällä suolaisen veden täyttämissä halkeamissa, missä ympäristö tarjoaa mainion suojan ultraviolettisäteilyltä. Ne ovat voineet elää, kehittyä ja kuolla miljoonien tai jopa satojen miljoonien vuosien ajan rauhassa Marsin pinnan alla tuottaen metaania yksinkertaisen metaboliansa avulla.

Sopivien primitiivisten metanogeeneiksi kutsuttujen mikrobien toiminta olisi vaatinut runsaasti vetyä, jotta metaanin tuotanto hiilidioksidista olisi ollut mahdolista. Varhaisen Marsin kaasukehässä vetyä onkin ollut runsaasti ja sitä syntyy myös ultraviolettisäteilyn hajottaessa vapaita vesimolekyylejä. Vedyn ja samalla veden ehtyminen kaasukehästä olisi jäähdyttänyt ja kuivattanut planeetan pakottaen mikrobit muuttamaan syvemmälle Marsin kallioperään. Mikrobit olisivat siten oleellisesti tehneet itse planeetasta kuivemman ja karumman elinympäristön, mikä olisi hävittänyt niistä valtaosan loppujen joutuessa kituuttamaan syvällä pinnan alla kallion sisällä sen pienissä halkeamissa. Sellaista elämään voi Marsissa esiintyä edelleenkin mutta sen kukoistuskausi on kaukana takana päin veden esiintyessä Marsin pinnalla vain harvakseltaan ja silloinkin lähinnä napajäätiköiden kiinteänä rakennusaineena.

Vaikka marsilaisista mikrobeista ei olekaan olemassa vakuuttavaa todistusaineistoa, niiden muinainen olemassaolo on varsin mahdollista sen perusteella, mitä tiedämme Marsin historiasta ja elävien organismien kehityksestä Maapallolla. Silloin on kuitenkin todennäköistä, että ne onnistuivat jopa hävittämään itse itsensä tai ainakin pakenivat viimeisiin elinkelpoisiin elinympäristöihin syvällä Marsin pinnan alla. Omalla planeetallamme ilmakehän korkea typpipitoisuus esti samankaltaisen kehityskulun, mutta eksoplaneettojen suhteen tulokset ovat lohduttomia.

Moni elinkelpoinen eksoplaneetta on saattanut kokea samankaltaisen kohtalon kuin mitä tutkijat ovat esittäneet tapahtuneen Marsissa. Moni biosfääri on saattanut omien prosessiensa sivutuotteena käynnistää biokemiallisen ilmastonmuokkauksen, jonka lopputuloksena on ollut planeetan elinkelpoisuuden hiipuminen. Siksi saatamme löytää lukuisia elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja, joiden elämän biokemiallisen koneiston käynnistyminen sai paradoksaalisesti elinkelpoisuuden hiipumaan. Elämä kyllä löytää evolutiivisten mahdollisuuksiensa puitteissa keinot selviytyä monenlaisissa olosuhteissa mutta joskus se saa itse aikaan olosuhteiden peruuttamattoman, tuhoisan muuttumisen.

Tässä universaalissa kontekstissa oma planeetan elinkelpoisuutta heikentävä toimintamme on lähinnä vain kuriositeetti, joka ei milloinkaan voi olla yhtä kattavaa ja perinpohjaista kuin muualla. Se on silti perinpohjaista niille jopa miljoonille lajeille, joita viemme mukanamme hävittäessämme biosfäärimme mahdollisuuksia kasvaa ja kukoistaa. Pahimmillaan päädymme vain hävittämään oman lajimme, minkä jälkeen biosfääri kyllä palautuu miljoonien vuosien saatossa yhtä rikkaaksi kuin se oli esiteolllisella aikakaudella. Eromme mikrobeihin on kuitenkin selvä: tiedostamme toimintamme seuraukset ja voimme ennustaa miten valintamme vaikuttavat siihen, mitä tulevaisuus tuo tullessaan. Voimme valita muuttaa tapojamme. Voimme välttää marsilaisten mikrobien kohtalon, jos niin haluamme.

---

Ratojensa hallitsijat

4.10.2022 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Synty ja kehitys

James Webb -avaruusteleskoopin yksi erityisyyksiä on sen sijainti kiertämässä Lagrangen pisteeksi kutsuttua paikkaa Kuun radan tuolla puolen. Kyse on pisteestä, jossa mikä tahansa kappale voi pysyä paikallaan suhteessa Auringon ja Maan muodostamaan järjestelmään pitkiä aikoja. Vaikka kyseessä onkin pohjimmiltaan epästabiili piste, josta satelliitti lipuisi hiljalleen pois ilman jatkuvia ratakorjauksia, se voi silti säilyttää paikkansa Maan radan tuolla puolen kuluttamatta merkittäviä määriä polttoainetta. Toinen vastaava piste Maan ja Auringon muodostamassa järjestelmässä olisi Juuri Maan radan sisäpuolella, jossa kappaleiden vetovoimat ovat tasapainossa. Se on mainio paikka esimerkiksi satelliiteille, jotka tarkkailevat Aurinkoa kuten SOHO. Kolmas Lagrangen piste taas löytyy Auringon toiselta puolelta, mutta se on vieläkin epästabiilimpi, koska muiden planeettojen vetovoima pisteessä on Maata voimakkaampi.

Stabiiliutensa vuoksi kiinnostavia Lagrangen pisteitä ovat L4 ja L5, pisteistä neljäs ja viides, jotka sijaitsevat sivussa Maan ja Auringon määrittämältä suoralta. Ne ovat pisteitä Maan radan etäisyydellä Auringosta, täsmälleen 60 astetta Maan paikan edellä ja jäljessä avaruudessa, ja niiden olemassaolo johtuu pyörivän kahden kappaleen järjestelmän dynamiikan monimutkaisista piirteistä. Pieni kappale voi olla Lagrangen pisteeseen sidottuna siten, että se kiertää hiljalleen pisteen ympäri Maan kiertäessä Auringon ympäri radallaan ja pisteen samalla liikkuessa Maan mukana. Syntyy monimutkaista liikettä, joka voidaan tosin ennustaa laskennallisesti hyvinkin tarkkaan. Esimerkiksi Jupiterin ja Auringon muodostamassa kahden kappaleen järjestelmässä kyseiset L4 ja L5 pisteet ovat täynnä troijalaisiksi kutsuttuja asteroideja, jotka seilaavat hiljalleen pisteiden ympäri.

Kahden kappaleen luoman gravitaatiokentän ominaisuudet ovat olleet hyvinkin tarkkaan tiedossa jo lähes kolmen vuosisadan ajan. Mutta saman ominaisuudet löytyvät myös mistä tahansa eksoplaneettajärjestelmästä, jossa planeetan ja tähden muodostama kahden kappaleen järjestelmä dominoi pienempien kappaleiden liikettä. Se tuo mukanaan nerokaan, joskin epäsuoran tavan havaita vastasyntyneitä eksoplaneettoja nuorissa planeettakunnissa.

---

Millimetrialueen radioteleskoopeista ALMA on ollut viime vuosina yksi merkittävimmistä instrumenteista tuottamassa tietoa nuorista planeettakunnista. Planeettojen syntyessä tähtiä ympäröi pääasiassa kaasusta muodostunut kertymäkiekko, jonka seassa on myös runsaasti lämpösäteilyä vapauttavaa pölyä. Pöly muodostaa planeettojen siemenet, ja antaa alkunsa protoplaneetoille, joista jotkut kasvavat niin suuriksi, että kykenevät vetovoimansa avulla keräämään itselleen paksut kaasuvaipat. Niin syntyvät jättiläisplaneetat, jotka dominoivat valtavalla vetovoimallaan planeettakuntiaan. Kaikki tähteä kiekon tasossa kiertävä pöly ei kuitenkaan päädy osaksi planeettoja, vaan sen ollessa riittävän kaukana massiivisista planeetoista, se kiertää radallaan rauhaisaan tahtiinsa nuoren tähden ryhtyessä tähtituulensa avulla puhaltamaan kaasua tiehensä. Vaikka valtaosa pölystä lopulta katoaakin tultaessa miljardin vuoden aikaskaaloihin, sitä on runsaasti nuorten tähtien ympärillä. Ja tuottamansa millimetrialueen säteilyn avulla voimme havaita pölyn muodostelmia nuorissa tähtijärjestelmissä tehdäksemme niistä päätelmiä planeettojen olemassaolosta.

Esimerkkejä tunnetaan jo kymmeniä. Yksi parhaista on tähteä HL Tauri ympäröivä useaan renkaaseen jakautunut pölykiekkorakenne, joka kertoo planeettojen olemassaolosta tähden kiertoradoilla. Kun planeetat kiertävät keskustassa sijaitsevaa tähteä, ne siivoavat vetovoimallaan ratansa lähiympäristön valtaosasta materiaa, mikä näkyy tummina renkaina pölykiekon rakenteessa. Kuvaa katsomalla (Kuva 1.) on helppoa nähdä, että tähteä HL Tauri tosiaan ympäröi usean planeetan muodostama järjestelmä. Esimerkiksi sisintä tummaa rengasta vastaa planeetta, joka on varmasti kaasujättiläinen ja kiertää tähteä suunnilleen samanlaisella radalla kuin Saturnus kiertää Aurinkoa. Kiekon ulkoreuna on noin kolme kertaa kauempana tähdestä kuin Neptunus on Auringosta, joten kyseessä on varsin samankaltainen kiekkorakenne kuin mikä ympäröi Aurinkoa sen ollessa nuori.

Tummat renkaat laakeassa kiekossa eivät kuitenkaan kerro paljoakaan siitä planeetasta, joka ne on muodostanut. Emme voi määrittää planeetan kokoa tai paikkaa radallaan, vaikka voimme helposti määrittää planeetan ympyräradan mittasuhteet. Huomionarvoista on myös se, että aivan jokainen tumma rengas ei tarkoita, että kyseisellä radalla olisi oma planeettansa. Yksittäisen kiertolaisen vetovoima voi tuottaa kaksi tai useampia renkaita, kun aines poistuu planeetan vetovoiman vaikutuksesta niin planeetan radalta kuin sen resonanssiradoiltakin. Niillä aineksen kiertoaika planeetan ympäri suhteutuu planeetan ratajaksoon kuin kaksi pientä kokonaislukua suhteutuvat toisiinsa — tyypillisiä sellaisia resonansseja ovat 2:1, 3:2 ja 4:3 resonanssit. Mutta TL Taurin tapauksessa voidaan sanoa melkoisella varmuudella, että järjestelmässä on ainakin kolme suurta kaasuplaneettaa.

Aivan hiljattain tutkijat kuitenkin huomasivat, että havainnoissa on mahdollista mennä vieläkin pidemmälle. Heidän kohteenaan oli nuori pölykiekon ympäröimä tähti, LkCa 15, jonka kiertoradalla on vaihtelevasti joko raportoitu olevan planeettoja tai sitten niiden olemassaolo on kiistetty. Nyt tutkijat kuitenkin kiinnittivät uusilla ALMA -teleskoopin havainnoillaan huomionsa heikkoon 42 AU:n etäisyydellä tähdestä olevaan renkaaseen tähden pölykiekossa. Heikkoa rengasta ympäröi kirkkaampi toinen rengas merkkinä siitä, että materiaa on runsaasti tähden kiertoradalla, mutta kirkkaan renkaan selvä sisäreuna sai tutkijat tarkastelemaan havaintojaan syvällisemmin (Kuva 2.). Heikompi rengas nimittäin vastaa tilannetta, jossa Lagrangen pisteitä kiertävä materia on asettunut niin sanotulle hevosenkenkäradalle. Se on nimitys kahden kappaleen järjestelmässä liikkuville kiertolaisille, kuten pienille pölyhiukkasille, jotka seilaavat minne voivat liike-energiansa ja kahden massiivisemman kappaleen määrittämässä vetovoimakentässä.

Heikossa renkaassa näkyvät myös pienet pölyn kasautumat lähes täsmälleen 120 asteen kulmassa toisiinsa nähden katsottuna renkaiden keskipisteessä olevasta tähdestä. Ne ovat siten L4 ja L5 pisteitä vastaavissa paikoissa avaruudessa, jos olettaa, että pisteitä vastaavalla etäisyydellä niiden keskellä tähteä kiertää massaltaan noin Neptunusta vastaava planeetta (Kuva 2.). Itse planeettaa ei voida havaita suoraan mutta sen vetovoimavaikutukset tähteä ympäröivän pölykiekon rakenteessa selittyvät vain planeettan gravitaatiovaikutuksella. Havainnoista paljastuvat niin planeetan paikka kuin karkeasti sen massakin, ja sen kiertorata tähden ympäri — Kuvassa 2. planeetta kiertää tähteä vastapäivään L4 -pisteen pölyn kulkiessa sen edellä ja L5 -pisteen pölyn seuratessa perässä.

Teoreettiset mallit ovat ennustaneet Lagrangen pisteiden voivan toimia kertymäkiekon pölyä keräävinä alueina, mutta sellaisten alueiden näkyminen suorassa havainnossa on ensimmäinen laatuaan. Tähtitieteilijät ovat siis näyttäneet miten planeettoja voidaan havaita uudella keinolla tutkimalla kertymäkiekkojen pölyn jakautumista. Vaikka planeetan ominaisuuksien määrittäminen onkin vaikeaa, ja asiaan liittyy runsain mitoin epävarmuuksia, on kuitenkin erittäin todennäköistä, että tähden LkCa 15 pölykiekkoa paimentaa planeetta, jota emme näe mutta jonka vetovoimavaikutuksen voimme silti nähdä. Sellaisenaan havainto ei siis ole sen kummallisempi kuin moni muilla tekniikoilla tehty planeettahavainto — näemme epäsuorasti jonkin massallisen kappaleen vaikuttavan vetovoimallaan, vaikka emme näekään siitä meitä kohti saapuvaa valoa. Vastaavat epäsuorat, fysikaalisten lainalaisuuksien moninaisiin vaikutuksiin perustuvat mielenkiintoiset havainnot voivat olla tekijöilleen arkista tutkimusta mutta ne jaksavat edelleen yllättää jopa kokeneen tutkijan. Minulle tässä kuvaamani menetelmä eksoplaneettojen havaitsemiseksi ainakin tuli pienenä yllätyksenä.

---

Pienten planeettojen kirjo

22.9.2022 klo 14.37, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Koostumus , Synty ja kehitys

Auringonkaltaisia ja sitä keveämpiä kääpiötähtiä kiertää tyypillisesti kourallinen pieniä planeettoja. Niistä suurin osa on kivisiä kappaleita mutta joillakin voi olla hiukan paksumpi kaasuvaippa ympärillään, jolloin ne luokitellaan ennemminkin minineptunuksiksi kuin supermaapalloiksi. Tyypillisesti on ajateltu, että planeettoja on kokonainen jatkumo kiviplaneetoista kaasuplaneettoihin, veden ja muiden yleisten keveämpien aineiden muodostaessa joko pieniä puroja niiden pinnoilla tai jopa tuhansien kilometrien paksuisia valtameriä. Mutta pohjimmiltaan kyse ei välttämättä ole vain ihmisten subjektiivisesta rajanvedosta planeettojen koostumuksen jatkumossa, vaan jopa luonto vaikuttaa tekevän selvän jaottelun kivisiin supermaapalloihin ja kaasuvaipan omaaviin minineptunuksiin. Suurin osa pienistä planeetoista todellakin on kivisiä kappaleita, joilla on vain ohut kaasukehä, tai sitten halkaisijaltaan selvästi suurempia planeettoja, joilla on paksu kaasuvaippa ympärillään. Välimuotojakin on mutta ne ovat vaikuttaneet olevan verrattaen harvinaisempia.

Ilmeisesti on niin, että jotkut pienet planeetat saavuttavat useamman Maan massan koon riittävän nopeasti, jotta muodostuvassa planeettakunnassa on vielä merkittäviä määriä kaasua jäljellä, eikä muodostuva tähti ole vielä syttynyt loistamaan kunnolla puhaltaakseen sen pois. Toiset taas muodostuvat hitaammin, eivätkä ehdi koskaan haalimaan ympärilleen merkittävää kaasuvaippaa, vaan jäävät kivisiksi supermaapalloiksi. Syntyprosessin yksityiskohdat ovat edelleen hämärän peitossa mutta havainnot tukevat ajatusta siitä, että luonto jaottelee pienet planeetat karkeasti kahteen erilliseen ryhmään. Asiaa voidaan havainnollistaa katsomalla pienten planeettojen kokojakaumaa (Kuva 1). Siinä näkyy selvästi, että noin 80% Maata suuremmat planeetat muodostavat jonkinlaisen rajan, ja sen kokoluokan planeetat ovat suhteellisesti merkittävästi harvinaisempia kuin sitä pienemmät ja suuremmat kappaleet.

Asiaan liittyy kuitenkin runsaasti kaoottisia fysikaalisia prosesseja, kuten planeettojen muodostuminen, ratamigraatio, tähden varttuminen ja säteilyolosuhteiden muuttuminen, kaasukiekon haihtuminen, ja jopa planeettojen kaasukehän poiskiehuminen. Planeettojen synnystä on kokonaisuutena vain epäsuoria havaintoja, koska emme voi seurata planeettakunnan ja sen kappaleiden kehitystä miljardien vuosien ajan vanhaksi, stabiiliksi järjestelmäksi. Kuitenkin, jo havaitsemalla tähtien ja niitä kiertävien planeettojen karkeita ominaisuuksia, voidaan tehdä hämmästyttävän pitkälle vietyjä johtopäätöksiä. Lisää tietoa on saatu viime vuosina TESS -avaruusteleskoopin havainnoista, koska sen mittaukset ovat auttaneet havaitsemaan lukuisia pieniä planeettoja aivan Auringon lähinaapurustosta, jolloin planeettojen massat ovat mitattavissa radiaalinopeusmenetelmän keinoin.

---

Pienten planeettojen koostumuksesta on julkaistu monia tutkimuksia, ja yksi omista suosikeistani tiivistää koko asian mainiosti yhteen erittäin informatiiviseen kuvaajaan (Kuva 2.). Vaikuttaa tosiaan siltä kuin pienet planeetat olisivat jaoteltuina kahteen joukkoon, joiden välinen raja on jossakin karkeasti kahden Maapallon halkaisijan kohdalla. Niistä pienemmät koostuvat Maan tapaan lähinnä rautaytimestä, jota ympäröi silikaateista muodostunut paksu vaippa. Pinnalla saattaa esiintyä vettä ja sitä saattaa peittää kaasukehä mutta niiden kummankaan kokonaismäärä ei kata merkittävää osuutta planeettojen massasta. Tällaisia maankaltaisia kiinteän pinnan omaavia kiviplaneettoja näyttää voivan muodostua helposti erisuuruisina mutta niiden absoluuttinen yläraja on noin kymmenen Maan massan ja kahden Maan halkaisijan kokoluokassa. Sitä suuremmat kappaleet vetävät oman vetovoimansa avulla ympärilleen runsaita määriä kaasua eivätkä siten voi olla kiinteitä pinnaltaan.

Toiseen joukkoon kuuluvat planeetat, joiden koostumuksesta valtaosa on keveämpiä aineksia, kuten vettä ja muita helposti haihtuvia yhdisteitä. Sellaisia planeettoja ovat esimerkiksi hyseaaniset planeetat, joiden tuhansien kilometrien paksuista valtamerivaippaa peittää pääasiassa vedystä ja heliumista koostuva kaasukehä. Valtameriplaneettoja voi olla niitäkin useassa eri kokoluokassa, mutta niiden on arvioitu olevan massaltaan tyypillisesti jotakin kolmesta pariinkymmeneen Maan massaa. Kooltaan ne voivat olla peräti kolme kertaa omaa planeettaamme suurempia, mikä tekee niistä lähes yhtä suuria kuin Aurinkokunnan jääjättiläiset Uranus ja Neptunus.

Mutta tiedoissamme on puutteita. Eniten häiritsee havaittujen säteen ja massan suuret epävarmuudet. Pienten planeettojen ylikuluista on hankalampaa mitata planeetan koko, jos planeetta on valtavasti tähteä pienempi ja aiheuttaa vain vajaan promillen himmenemisen tähdestä havaintolaitteisiimme saapuvaan valoon. Planeettojen punnitsemisessa on sama ongelma. Massan voi määrittää sitä luotettavammin, mitä enemmän planeetta heilauttaa tähteään vetovoimansa avulla — mitä suurempi tähti on massaltaan, sitä enemmän se voi vastustaa planeetan vetovoimavaikutusta. On siis viisainta tutkia pienempien, keveiden tähtien planeettoja, koska niistä saadaan tarkempia mittauksia. Punaiset kääpiötähdet ovat juuri sopivia kohteita mutta ne ovat kiitollisia havaintokohteita myös siksi, että niiden kiertoradoilla on runsain mitoin pieniä planeettoja. Siksi voimme tutkia tarkemmin niiden planeettojen koostumuksia, jotka kiertävät punaisia kääpiöitä.

Koska planeettojen koon ja massan mittaaminen on vaikeaa, planeettojen yleisten ominaisuuksien tutkiminen saattaakin olla helpompaa, jos jättää tarkastelun ulkopuolelle kaikki ne planeetat, joiden ominaisuudet ovat liian epätarkasti tiedossa. Tulokset punaisia kääpiötähtien planeettojen ominaisuuksista ovat silloin suorastaan hämmentävän selkeitä. Planeetat näyttävät nimittäin jakautuvan kolmeen selvärajaiseen luokkaan: kivisiin maankaltaisiin planeettoihin, vetisiin meriplaneettoihin, ja kaasuvaipan omaaviin minineptunuksiin (Kuva 3.). Parhaiten jaottelua määrittävänä tekijänä näyttää toimivan planeetan keskitiheys — massa ja säde eivät mahdollista vastaavaa selkeää jaottelua, koska esimerkiksi noin kahden Maan säteen planeetta saattaa kuulua mihin tahansa kolmesta planeettojen tyypistä riippuen sen massasta.

• 

• 

Mikä voi olla syynä kolmeen selvään planeettojen luokkaan pienten tähtien kiertoradoilla? Vastauksen tarjoaa planeettojen muodostumisprosessi, ja lopputuloksen riippuvuus lämpötilasta ja prosessin nopeudesta. Lähellä tähteä planeettojen rakennusaineena toimivat pölyhiukkaset koostuvat kuumuutta kestävistä silikaateista ja metalleista kuten raudasta, ja siksi maankaltaiset planeetat heijastavat tätä alkuperäisen aineksen koostumusta. Koska kuumuus saa helpommin haihtuvat aineet kaasumaiseen muotoon, niitä ei kasaudu syntyvien planeettojen vaippaan merkittäviä määriä. Hiukan kauempana tähdestä, niin kutsutun ”lumirajan” takana, jo tavallinen vesi muodostaa kiinteitä jääkiteitä. Jää toimii planeettojen rakennusaineena näillä kaukaisemmilla etäisyyksillä, ja muodostuvat planeetat koostuvatkin pääosin vedestä. Jotkut planeetoista kuitenkin onnistuvat haalimaan itselleen niin paljon massaa, yli 10 Maan massan verran, että ne keräävät nuorta tähteä vielä ympäröivästä kertymäkiekosta kaasuvaipan itselleen, ja muuntuvat samalla minineptunuksiksi. Sellaisten muodostuminen on mahdollista vain planeettojen synnyn ollessa nopeaa ja sen tapahtuessa hyvissä ajoin ennen kuin kunnolla loistamaan syttyvä tähti entii puhaltamaan kaasun pois ympäriltään.

Planeetat siis näyttävät syntyvän hyvinkin yksinkertaisten reunaehtojen sisällä ja päätyvät hyvin erilaisiksi ominaisuuksiltaan ja koostumukseltaan vain hyvin yksinkertaisten tekijöiden vaikutuksesta. Mutta niiden jaottelu kolmeen karkeaan luokkaan luultavasi kuvastaa vain yhtä karkeaa luokittelua, jota koetamme tiedonjanossamme tehdä tarkastellessamme kaoottisen luonnon muovaamaa valtaisaa kappaleiden kirjoa. Ei ole sattumaa, että oman olemassaolomme ehto, vesi, on myös merkittävä tekijä eksoplaneettojen muodostumisessa. Merkittävää on kuitenkin se, että kykenemme havaitsemaan lähitähtien planeettoja luokitteluun ja syntyhistorian selviämiseen riittävällä tarkkuudella. Samalla selviää omakin paikkamme maailmankaikkeudessa, jossa seilaamme Auringon gravitaatiokaivon vankeina yhdellä pienellä kivisellä, biosfäärin peittämällä avaruusaluksellamme nimeltään planeetta Maa.

---

Suurin tieteellinen havainto

7.9.2022 klo 09.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat

Jos kävelee kirkkaana yönä taivasalle jossakin kaukana ihmiskunnan niin innokkaasti taivaalle heijastamasta keinovalosta ja kohottaa katseensa ylös, voi tehdä merkittävän tähtitieteellisen havainnon. Taivaalla voi näkyä jopa satoja pieniä valopisteitä, kuin pieniä reikiä taivaankannessa, jotka loistavat ja lähettävät meitä kohti näkyvää säteilyään kymmenien valovuosien päästä. Tähtien sijainteja taivaalla voi tarkastella suhteessa toisiinsa, ja ihmisaivoilla onkin ollut kautta historian tapana projisoida merkityksiä taivaankannella aikalailla satunnaisesti sijaitsevien tähtien kuvioihin. Paljaalla silmällä voi jopa nähdä miten eri tähdet poikkeavat väriltään aavistuksen verran toisistaan. Se kertoo osaltaan niiden lämpötiloista ja siten koosta ja tyypistä, mutta kovin tarkkaa informaatiota ei voi saada ilman tähtitieteellistä havaintolaitteistoa.

Ajattelemalla asiaa hiukan pidemmälle, voi kuitenkin havaita, että tähdet ovat lopultakin melkoisen harvassa taivaankannella, ja niiden väleissä on suuria määriä mustaa taivasta, joka kuvastaa tyhjää tähtienvälistä avaruutta. Jos avaruus on äärettömän suuri ja staattinen, voimme valita taivaalta minkä tahansa pisteen ja juuri siinä suunnassa, ehkäpä vasta jossakin suunnattoman kaukana, vastaan tulee tähden pinta. Saman ilmiön voi havaita mainiosti suomalaisessa talousmetsässä, josta muu luonto on tyypillisesti raivattu ja katse kohtaa puunrungon missä tahansa suunnassa, jos vain metsä on riittävän suuri. Mutta emme näe tähden pintaa jokaisessa pisteessä taivasta, koska silloin koko taivas näyttäytyisi kirkkaana kuin Auringon pinta. Sen sijaan, näemme sen pääasiassa kuin mustana kankaana, jota täplittävät pistemäiset yksittäiset tähdet ja katseemme ei kohtaa kirkasta tähden pintaa missä tahansa suunnassa. Jokin oletuksista on siis pielessä.

On mahdollista, että avaruus ei ole ääretön ja tähtiä on siksi vain hyvin rajallinen määrä. Toinen yksinkertainen vaihtoehto on se, että universumi ei ole ollut olemassa aina, ja siksi valo ei ole vielä ehtinyt saapua meille asti mielivaltaisen kaukaa. Oikeasti todellisuus on tietenkin paljon kompleksisempi ja laajeneva maailmankaikkeus esimerkiksi punasiirtää kaukaisten kohteiden valoa pois näkyvän valon aallonpituuksilta. Vaan se ei ole koko selitys. Tähän pimeän taivaan ongelmaksikin kutsuttuun Olbersin paradoksiin on selkeinpänä ratkaisuna se, että maailmankaikkeus ei ole äärettömän vanha ja näkyvä maailmankaikkeus ei siksi ole äärettömän suuri. On kuitenkin mahdollista tehdä vieläkin suurempia tieteellisiä havaintoja, jos vain ajattelee tarkasti näkemäänsä.

---

Seisoessaan tähtitaivaan alla, voi helposti jättää huomiotta, että kiinteä maankamara jalkojen alla on avaruuden halki kiitävän pallon pinta. Koko elonkirjo, ihmislaji mukaan lukien, on syntynyt ja kehittynyt kivisen planeetan geokemiallisista prosesseista, jotka monimutkaistuivat ja joista lopulta syntyi tehokkaasti itseään kopioivia biokemiallisia järjestelmiä. Prosessiin tarvittiin liuottimeksi vettä ja rakennusaineksi orgaanisia yhdisteitä, joiden tunnusomainen piirre ovat hiiliatomien muodostamat pitkät ketjut. Tarvittiin lisäksi jokin paikka, jossa ainekset voisivat vuorovaikuttaa rauhassa — kivisen planeetan vetinen pinta tarjoaa siihen loistavat olosuhteet, kun prosessille annetaan vain tarpeeksi aikaa. Elämän syntyyn planeettamme pinnalla kului korkeintaan vain muutamia satoja miljoonia vuosia, ja sen jälkeen evoluution lainalaisuudet ovat kontrolloineet prosessia tuottaen hiljalleen aina vain ihmeellisimpiä ratkaisuja biokemiallisten koneiden itsensä ylläpidon ja kopioinnin kohtaamiin haasteisiin. Ilmiselvästi planeetan olemassaolo oli kuitenkin edellytys elämän synnylle ja meidänkin olemassaolollemme. Voimme siten varmistua, että ilman planeettoja ei olisi elämää, emmekä olisi täällä ihmettelemässä asiaa.

Planeetat taas eivät voisi olla olemassa, ellei niitä syntyisi tähtien synnyn sivutuotteena, prosessin ylijäämämateriasta, joka ei päädy osaksi tähden ydinmiilua ja sen ytimen helvetillistä kuumuutta ja valtaisaa painetta. Meidän on siis välttämättä elettävä universumissa, jossa tähtien synty ja vakaa loiste ovat mahdollisia. Se taas tuo mukanaan rajoitteita sille, minkälaiset fysikaalisen maailman lainalaisuudet voivat kontrolloida asuttamaamme maailmankaikkeutta. Atomien on oltava stabiileja ja niitä on oltava riittävän montaa erilaista, jotta ne vuorovaikuttavat riittävän monipuolisesti tuottaakseen elämän esiintymisen vaatiman kemian. Ja maailmankaikkeuden on oltava riittävän pitkäikäinen, jotta tähtiä ja planeettoja ylipäätään ehtii syntyä elämää ylläpitämään. Kaikki nämä reunaehdot tietenkin täyttyvät, koska me olemme olemassa. Päättelyä kutsutaan antrooppiseksi periaatteeksi, joka on todellisuudessa vain valintaefekti — voimme havainta vain sellaisen universumin, jossa elämää on voinut syntyä, koska muutoin emme olisi tekemässä siitä havaintoja.

Voidaan kuitenkin mennä vieläkin pidemmälle, ja jotkut ovat menneetkin. On esitetty jopa ”osallistuvaa antrooppista periaatetta”, jonka mukaan maailmankaikkeuden voi katsoa olevan merkityksellisesti olemassa vain, jos joku tekee siitä havainnon. En voi kuitenkaan hyväksyä sellaista ajatusta, että vain niiden asioiden voidaan katsoa olevan olemassa, joita joku on havaitsemassa. Silloinhan minun omasta subjektiivisesta näkökulmastani katsottuna koko maailmankaikkeus katoaa ja lakkaa olemasta muodostuen aina uudelleen täsmälleen samanlaiseksi, kun vaikkapa räpäytän silmiäni, enkä ole tekemässä näköhavaintoja siihen kuluneen sekunnin murto-osan aikana. Subjektiivisuus on kyllä sisäänrakennettuna kaikkeen havaitsemiseen, kaikkeen tieteeseen ja tutkimukseen, mutta ei ole silti järkevää asettaa omaa havaintoaan erityislaatuiseen asemaan ja ajatella universumin tanssivan yksittäisen ihmisen kokemuksen mukaan. Maailmankaikkeus on jo kopernikaanisen periaatteen mukaan samanlainen kaikkialla, ja aivan riippumatta siitä, onko kaikkialla jatkuvasti havaitsijoita varmistamassa asiaa.

Varmaa on silti se, että maailmankaikkeuden rakenteen on oltava yhteensopiva sen tosiasian kanssa, että sen sisällä on muodostunut eläviä, ympäristöään havaitsemaan kykeneviä organismeja. Elämän olemassaolon ja esiintymisen on oltava mahdollista pienen keltaisen tähden kiertoradalla. Hiilen ja hapen ja monien muiden atomien on voitava muodostua maailmankaikkeuden erilaisissa prosesseissa. Samoin esimerkiksi ajan ja avaruuden on oltava olemassa, jotta voi olla se maailmankaikkeudeksi kutsuttu areena, jonka pienen nurkkauksen näyttämöllä näennäisen merkityksettömät biologiset syklimme esiintyvät. Niin on oltava, koska olemassaolomme osoittaa, että ei ole mitään muutakaan vaihtoehtoa.

---

Mutta asiaan liittyy paljon enemmän. Maailmankaikkeuteme noudattaa tietynlaisia sääntöjä, jotta se ylipäätään voi olla havaitunlainen (Kuva 1.), ja voimme ymmärtää niistä ainakin joitakin fyysikoiden ja muiden tieteilijöiden periksiantamattoman työn tuloksena. Samojen lainalaisuuksien taas on oltava voimassa muuallakin maailmankaikkeutemme sisällä, koska on epätodennäköistä, että juuri me olisimme pienessä poikkeavien luonnonlakien kuplassa ja siten erityisasemassa. Voimme siksi vetää sen johtopäätöksen, että elämää, älykkäitä organismeja ja teknisiä sivilisaatioita voi muodostua varsin mainiosti muuallakin maailmankaikkeudessamme.

Antrooppisen periaatteen kontekstissa yöllinen tähtitaivaan tarkkailu voi saada aivan uudenlaisen ulottuvuuden. Sadoista taivasta täplittävistä tähdistä likimain jokaisella on seuranaan monipuolinen planeettojen ja pienempien kappaleiden järjestelmä. Niistä taas jotkin ovat vääjäämättä sopivia maailmoja elävien organismien synnylle, kehittymiselle ja kukoistamiselle. Ehkäpä jollakin niistä on kiertoradallaan biosfäärin peittämä, elollinen planeetta, jonka pinnalla jokin älykäs orgamismi katsoo meidän laillamme taivaalle pohtien sitä suurinta mahdollista tieteellistä havaintoa, että on itse olemassa. Olisihan se valtaisaa kosmista tuhlausta, jos olisimme ainoa tähtitaivasta havaitsemaan kykenevä laji.

---

Webb näkee mistä planeetat on tehty

26.8.2022 klo 11.23, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Havaitseminen , Koostumus

Kaukaisten eksoplaneettojen havaitsemista pidettiin likimain mahdottomana vielä runsaat kolme vuosikymmentä sitten. Mutta kun löytöjä sitten ryhdyttiin tekemään, ja niitä varten rakennettiin asialle omistettuja avaruuteen lähetettäviä robotisoituja observatorioita, kaikki muuttui yhdessä rysäyksessä. Tunnemme yli 5000 eksoplaneettaa kiertämässä läheisiä ja kaukaisia tähtiä omassa galaksissamme. Tiedämme, että niitä on aivan kaikkialla, jopa aivan lähimmissä tähtijärjestelmissä. Ja miljardit planeetat galaksissamme voivat olla elinkelpoisia — tiedämme sen, koska voimme jo arvioida eksoplaneettapopulaation yleisiä ominaisuuksia, muodostumista ja historiaa, sekä koostumusta. Koskaan ennen ei kuitenkaan ole ollut mahdollista selvittää yhtä tarkasti mistä ne on tehty kuin nyt.

---

James Webb -avaruusteleskooppi on osoittautunut juuri niin tarkaksi instrumentiksi kuin suunniteltua. Sen laukaisu onnistui suunnitellulla tavalla ja sen ensimmäiset tieteelliset havainnot ovat osoittautuneet yhtä merkittäviksi kuin ounasteltiinkin. Eksoplaneettatutkimuksen kannalta merkittävintä on kuitenkin teleskoopin spektrografi, joka rekisteröi useita eri infrapunasäteilyn aallonpituuskaistoja samanaikaisesti havaitessaan tähtiä. Se auttaa havaitsemaan eksoplaneettojen kaasukehien koostumuksia nerokkaalla tavalla, jota kutsutaan transmissiospektroskopiaksi (Kuvat 1 ja 2).

Ensin on tiedettävä milloin eksoplaneetta kulkee radallaan tähtensä editse. Sopivia eksoplaneeettoja tunnetaankin tuhansia mutta erityisesti ne, joiden kiertoradat ovat lyhyitä ja sijaitsevat lähellä tähteään ovat parhaita kandidaatteja spektroskooppisille havainnoille. Syy on yksinkertainen. Mitä nopeampi planeetan ratakierros on, sitä vähemmän aikaa on odotettava ennen seuraavaa ylikulkua, jotta voidaan tehdä havaintoja sen aikana. Eksoplaneetta WASP-39 b on mainio kohde, koska planeetta kiertää tähtensä vain noin neljässä päivässä. Kyseessä on aivan tavanomainen kuumaksi jupiteriksi kutsuttu eksoplaneetta, vaikka se onkin massaltaan vain noin 30% Jupiterista. Kuvassa 1. näkyvässä Webbin havaintosarjassa on yksi planeetan ylikulku, jonka aikana se himmentää tähden näennäistä kirkkautta taivaalla noin kahden prosentin verran. Merkittävää on kuitenkin se, että himmeneminen on erisuuruista eri aallonpituuksilla — planeetta näyttää siis hiukan suuremmalta tai pienemmältä, riippuen aallonpituusalueesta. Miten se voi olla mahdollista?

Planeetan näennäisen koon vaihtelun voi selittää vain se, että sillä on ympärillään kaasukehä, jonka läpi tähden säteily pääsee eri tavalla riippuen säteilyn aallonpituudesta. Asiaan vaikuttaa kaasukehän kemiallinen koostumus. Jokainen kaasukehän molekyyli voi virittyä korkeampaan viritystilaan, jos siihen osuu tietyn energian omaava fotoni. Eri aineiden herkkyys taas osuu erilaisille fotonien energioille ja siten aallonpituuksille. Silloin voimme katsoa ylikulun kokoa eri aallonpituuksilla ja päätellä mitä molekyylejä kaasukehä sisältää. Webbin havaintojen mukaan, planeetta WASP-39 b näyttää hiukan suuremmalta noin 4.2 – 4.6 mikrometrin aallonpituusvälillä (Kuva 2.), koska niillä aallonpituuksilla planeetan kaasukehän hiilidioksidi suodattaa säteilyä tehokkaasti. Voidaan siis todeta, että kaasukehässä on runsaasti hiilidioksidia — havainto on niin selvä, että jopa tutkijat, jotka eivät juuri ajattele minkään tieteellisen tiedon olevan lopullinen totuus, kertovat nyt löydön olevan täysin varma. Se kuitenkin kertoo vain Webbin havaintojen valtavasta tarkkuudesta sen tarkkaillessa jättiläisplaneettojen kaasukehiä. Jättiläisplaneetan paksun kaasukehän toteaminen hiilidioksidin täyttämäksi on nyt muuttunut rutiininomaiseksi, helpoksi havannoksi.

Yhdessä toisen jättiläisplaneetan WASP-96 b kaasukehästä havaintun vesihöyryn kanssa, Webb on nyt osoittanut täysin kiistatta kykenevänsä havaitsemaan mainiosti yksinkertaisia molekyylejä eksoplaneettojen kaasukehissä ennennäkemättömällä tarkkuudella. Siksi sen seuraavat havainnot ovat entistäkin kiinnostavampia. Webb kykenee tarkkuutensa ja valonkeräyskykynsä ansiosta mittaamaan myös pienempien kiviplaneettojen kaasukehien ominaisuuksia. Yksinkertaisten molekyylien, kuten hiilidioksidin, metaanin ja veden havaitseminen on ensimmäinen askel selvittäessämme niiden luonnetta elinkelpoisina planeettoina. Saamme pian selville onko lähimpien elinkelpoisella vyöhykkeellä tähtiään kiertävien kiviplaneettojen joukossa sellaisia, joiden kaasukehässä on vesihöyryä merkkinä niiden merellisestä luonteesta ja hiilidioksidia taikka metaania merkkinä aktiivisesta geologiasta ja tulivuorista.

Elämme yhtä merkittävimmistä tähtieteen ja astrobiologian aikakausista. Ensi kertaa ihmiskunnalla on konkreettisia mahdollisuuksia selvittää suorin havainnoin mistä toiset maapallot on tehty. Havainnot auttavat samalla arvioimaan voiko niiden olosuhteissa esiintyä elämää. Sen jälkeen voimmekin ryhtyä etsimään niiden kaasukehistä merkkejä elämästä, jos vain pääsemme yhteisymmärrykseen siitä, mitkä voitaisiin tulkita kiistattomina merkkeinä sellaisesta.

---

Eksoplaneettojen elämän täyttämät meret

23.8.2022 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus , Koostumus

Yksi eksoplaneettatutkimuksen kiinnostavimmista päämääristä on löytää esimerkkejä toisista elävistä planeetoista, tai ainakin planeetoista, joiden olosuhteissa elämän esiintyminen on mahdollista. Vaikka tunnemmekin jo monta kandidaattia elinkelpoisiksi planeetoiksi, emme ole onnistuneet selvittämään täyttyvätkö elinkelpoisuuden kriteerit niistä ainoankaan pinnalla. Voimme mainiosti arvioida ja jopa havaita suoraan planeettojen kokoja ja massoja, jotka antavat tietoa niiden keskitiheydestä ja koostumuksesta, sekä siitä, onko niillä kivinen pinta. Arvioimme rutiininomaisesti tähdestä planeetan pinnalle saapuvan säteilyn määrää ja siten planeetan laskennallista pintalämpötilaa. Voimme jopa huomioida kasvihuoneilmiön vaikutuksen ja mitata karkeasti jodenkin planeettojen kaasukehän koostumusta ja siten todellisia olosuhteita. Emme kuitenkaan saa juuri tietoa edes tärkeimmästä elinkelpoisuutta määrittävästä tekijästä: onko planeetan pinnalla nestemäistä vettä.

Veden olemassaolosta voi saada suoria havaintoja, jos on mahdollista havaita planeetan kaasukehän koostumusta transmissiospektroskopiaksi kutsutulla menetelmällä. Siinä tähden valo suodattuu sen editse kulkevan planeetan kaasukehän läpi tuottaen havaittavia muutoksia teleskooppeihimme saapuvaan valoon. Vesihöyry planeetan kaasukehässä voidaan siten havaita suoraa, joskin sen merkkien kaivaminen esiin havainnoista on jo itsessään matemaattisen datankäsittelyn taidonnäyte. Havainnoissa on kuitenkin jo onnistuttu ja esimerkiksi planeetan K2-18 b kaasukehässä on vesihöyrystä koostuvia muodostelmia — niitä kutsutaan meille tutummin pilviksi. Joidenkin planeettojen pintaa kuitenkin peittää jopa tuhansien kilometrien paksuinen valtameri ohuen, pelkistävän pääosin vedystä koostuvan kaasukehän alla. Niiden merissä voi olla runsaasti elämää, jota emme voi koskaan päästä tarkastelemaan lähemmin.

Omalla planeetallamme meret pysyvät nestemäisessä olomuodossaan, koska Auringon säteily ja ilmakehämme kaasujen tuottama kasvihuoneilmiö pitävät pinnan lämpötilan sopivana, jotta vesi pysyy nestemäisessä olomuodossaan. Koemme sääilmiöitä kuten sadetta sen eri muodoissaan, koska vesi voi höyrystyä planeettamme pinnalla tiivistyäkseen taas pisaroiksi ylempänä kaasukehässä, jossa lämpötila on alhaisempi. Lämpötilan lisäksi oleellisia ovat paine ja kaasukehän koostumus, joka Maassa on muuttanut muotoaan useaan otteeseen planeettamme historian aikana. Primitiivinen, pelkistävä ja vetypitoinen kaasukehä on ollut mennyttä jo neljä miljardia vuotta. Toisilla planeetoilla sellainen alkuperäinen kaasukehä voi olla paksumpi ja siksi paljon pitkäikäisempi.

---

Supermaapalloja, joiden pintaa peittää paksu vetypitoinen kaasukehä, on kutsuttu nimellä hyseaaninen planeetta. Ne ovat eksoplaneettojen luokka, jonka olemassaolo on vasta hiljattain selvinnyt uusien avaruusteleskooppien tekemien havaintojen myötä. Kiinnostavaa on, että niiden kaasukehä kykenee ylläpitämään alapuolellaan paksua nestemäisen veden merta, jopa olosuhteissa, joissa tähden säteily ei riitä lämmittämään tarpeeksi. Liian lähellä tähtiä primitiiviset kaasukehät katoavat ja korvautuvat Aurinkokunnastakin tutummilla hiilidioksidipitoisilla kaasukehillä, koska tähden säteilyenergia saa keveimmät vetyatomit karkaamaan avaruuteen jättäen jäljelle vain raskaammat molekyylit. Jos lisänä on sopivasti geotermistä lämpöä, hyseaanisten supermaapallojen meret voivat pysyä nestemäisessä muodossaan kymmenien vuosimiljarden ajan jopa kaukana tähtien lämmittävästä vaikutuksesta.

Arviot hyseaanisten supermaapallojen elinkelpoisuudesta perustuvat tietokonesimulaatioihin, joissa on tutkittu planeettojen fysiikkaa erilaisilla ominaisuuksilla. Koska emme voi vain havaita erilaisia planeettoja ja tutkia niiden koostumusta suurimmillakaan teleskoopeilla, jäävät tietokonesimulaatiot ainoaksi tavaksi koettaa ymmärtää eksoottisten planeettojen fysiikkaa. Tulokset ovat kuitenkin yllättäviä vain omassa rajoittuneessa kontekstissamme. Se, että Aurinkokunnassa ei ole ainuttakaan hyseaanista, primitiivisen kaasukehän omaavaa supermaapalloa, on ehkä vain sattumaa, eikä kerro mitään niiden yleisyydestä maailmankaikkeudessa. Ne vaikuttavat kuitenkin olevan jopa maankaltaisia planeettoja yleisempiä, joten vetykehien alla syvissä merissä esiintyvä elämä saattaa olla oman planeettamme matalien merien ja mantereiden täyttämää elämää yleisempää. Mielenkiintoista on sekin, että joidenkin hyseaanisten planeettojen meret ja siten elinkelpoisuus voivat säilyä jopa siinäkin tilanteessa, että ne sinkoutuvat tähtensä kiertoradalta avaruuteen tähtienvälisiksi planeetoiksi.

Kysymysmerkkejä kuitenkin riittää ja hyseaanisten supermaapallojen elinkelpoisuuteen vaikuttaa monta muutakin tekijää. Kriittistä on esimerkiksi se, kuinka paksu primitiivinen kaasukehä sattuu olemaan. Pisimpään nestemäistä vettä kykenevät ylläpitämään jopa kymmenen kertaa Maata massiivisemmat supermaapallot, joiden kaasukehä on massaltaan kymmenesosan Maapallon massasta. Sellaisen massiivisen vetykehän suojissa meret voivat periaatteessa virrata korkeassa paineessa vapaana jopa yli 50 miljardia vuotta. On silti selvää, että olosuhteet ovat silloin täysin poikkeavat siitä, mitä Maapallolla esiintyy ja emme tiedä voiko sellaisissa olosuhteissa esiintyä eläviä organismeja. Asiaa saattavat lähitulevaisuudessa valaista James Webb -avaruusteleskoopin havainnot hyseaanisista planeetoista.

---

Nopeasti etenevä eksoplaneettojen tutkimus

2.8.2022 klo 09.55, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Koostumus

Modernin tähtitieteen aikakautena tiede tapahtuu ajoittain kirjaimellisesti silmiemme alla. Se, minkä saamme selville tänään voi olla vanhentunutta tietoa jo heti huomenna. Se pätee erityisesti yhdellä tieteenalan nuorimmista haaroista, eksoplaneettatutkimuksessa — ajoittain uudet instrumentit päivittävät tieteellistä tietämystä uusilla, tarkemmilla havainnoillaan yhdessä rysäyksessä. James Webb -avaruusteleskooppi on parhaillaan mullistamassa tietomme maailmankaikkeuden varhaisista galakseista ja niiden synnystä, planeettojen ja planeettakuntien moninaisuudesta ja rakenteesta sekä monesta muusta tähtitieteen tutkimuskohteesta, josta voi saada tietoa infrapunasäteilyn aallonpituuksilla.

---

WASP-96 b on aivan tavanomainen kuuma jupiter. Kuten ensimmäinen löydetty auringonkaltaista tähteä kiertävä eksoplaneeta 51 Pegasi b, WASP-96 b on keveämpi kuin Jupiter mutta sen kaasukehä on kovassa kuumuudessa laajentunut ja planeetan halkaisija onkin Jupiterin halkaisijaa suurempi. Kyse on varsin tavallisesta kuumasta jupiterista, joita löytyy karkeasti joka sadannen auringonkaltaisen tähden kiertoradalta. Erityiseksi planeetan kuitenkin tekee se, että JWST suunnattiin sitä kohti aivan ensimmäisten kohteiden joukossa teleskoopin aloitettua tieteellisen työskentelynsä heinäkuun puolessa välissä. WASP-96 b kulkee tähtensä editse, joten sen kaasukehän havainnointi on mahdollista ennätyksellisen tarkasti James Webb -avarusteleskoopin spektrometrillä. Transmissiospektroskopialla voidaan siten tutkia planeetan kaasukehän koostumusta, vaikka se on peräti runsaan tuhannen valovuoden päässä meistä. JWST ei ole kuitenkaan ensimmäinen teleskooppi, jolla planeetan WASP-96 b koostumusta on koetettu selvittää.

Tyypilliseen tapaan, planeetan WASP-96 b ominaisuuksista oli tiedossa vain sen halkaisija ja massa, kun löytö raportoitiin vuonna 2014. Tarjolla oli myös arvio planeetan laskennallisesta pintalämpötilasta perustuen tunnettuun tähden säteilyyn sen rataetäisyydellä mutta sen enempää tietoa on likimain mahdotonta saada tarkastelematta planeetan kemiallista koostumusta. Vuonna 2018 julkaistut spektroskooppiset havainnot tuottivatkin uutta tietoa. WASP-96 b:n taivaan havaittiin olevan niin kirkas, että natriumin absorptiospektrin viivat olivat havaittavissa mahdollistaen natriumin määrän mittaamisen planeetan kaasukehässä. Tyypillisesti kuumien jupiterien (tai saturnusten) kaasukehien yläosat ovat niin paksujen pilvien peitossa, että natriumin määrää on mahdotonta mitata, joten samalla saatiin vahvistus planeetan kaasukehän pilvettömyydestä. Kyseessä on siis kuuma jupiter, jolla aurinko paistaa aina.

Havainto natriumista sai vahvistuksen heinäkuun ensimmäisellä viikolla, kun natriumin merkit noin 0.60 mikrometrin aallonpituusalueella havaittiin toisellakin instrumentilla. Samalla sai vahvistuksensa planeetan pilvettömyys. Planeetan spektrissä (Kuva 1.) näkyy kuitenkin myös veden merkkejä — noin 1.15 ja 1.40 mikrometrin kohdalla planeetan näennäinen koko näyttää hiukan suuremmalta, koska kaasukehän vesimolekyylit suodattavat valoa voimakkaammin. Vain vajaata viikkoa myöhemmin julkaistiin ensimmäinen James Webb -avaruusteleskoopin havaitsema spektri. Sen mukaan vettä on tosiaan runsaasti planeetan kaasukehässä (Kuva 2.) mutta spektristä käy ilmi myös vesihöyryn muodostaman usvan ja pilvien olemassaolo. Planeetan taivas ei siten olekaan kirkas, vaan vesihöyry muodostaa pilviä myös sen taivaalla — niiden havainnointi vain ei ollut mahdollista ennen JWST:n huikeaa tarkkuutta.

Vettä on havaittu eksoplaneettojen kaasukehistä ennenkin. JWST kykeneen kuitenkin havaitsemaan veden merkkejä kaukaisten eksoplaneettojen kaasukehistä huomattavasti herkemmin kuin aiemmat olemassaolevat instrumentit ja se onnistui havainnossa jo ensimmäisellä yrityksellään. Voimme toistaiseksi vain arvailla mitä tuloksia saadaan, kun JWST suunnataan kaukaisten jättiläisplaneettojen sijaan havaitsemaan läheisiä kiviplaneettoja ja veden merkkejä niiden kaasukehistä. Arvailua ei kuitenkaan tarvitse jatkaa kauan, koska läheiset TRAPPIST-1 -järjestelmän kiviplaneetat ovat jo lähitulevaisuudessa teleskoopin havaintojen kohteena. Ehkäpä saamme jo tämän vuoden puolella selville jonkin järjestelmän planeetoista olevat vetinen, merten peittämä planeetta Maan tapaan. Se olisi valtava askel eteenpäin etsiessämme merkkejä elämästä toisten tähtien planeettakunnissa. Ja vaikka vettä ei havaittaisikaa kiviplaneettojen kaasukehistä, uutta tietoa saadaan lähitulevaisuudessa varmasti, koska eksoplaneettatutkimus on murrosvaiheessa ja etenee jatkossakin kiihtyvällä vauhdilla.