Eksoplaneetta hukassa

Kuumien jupiterien jäljillä

29.4.2024 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Havaitseminen , Tähtitiede

Yksi tähtitieteen monilahjakkuuksia 1900-luvun alkupuoliskolla oli baltiansaksalaiseen perheeseen syntynyt venäläinen astronomi Otto Struve. Hän opiskeli nykyisellään Venäjän imperialistisen sodan kourissa kärsivän Kharkivin yliopistossa Ukrainassa mutta pakeni maasta bolshevikien vallankaappauksen nostattaman väkivaltaisen kuohunnan vuoksi. Struven suku pelkäsi bolshevikkivainoja ja muutti ensin Sevastopoliin, josta Otto päätyi myöhemmin Turkkiin oltuaan tappiolle jääneiden valkoisten armeijassa sisällissodan pyörteissä. Pako oli varsinainen onnenpotku tähtitieteelle mutta tragedia nuorelle astronomille, joka menetti suuren osan perheestään.

Tähtitieteilijänä Struve tutki monenlaisten tähtien aallonpituusjakautumaa, eli spektriä, ja onnistui ensimmäisenä havaitsemaan tähtien pyörivän. Hän havaitsi myös pyörivien tähtien pinnan liikkeessä säännönmukaisuuksia, jotka johtuvat tähden spektriluokasta ja siten massasta. Havainto johti ymmärrykseen tähtien kehityksestä, elämästä ja kuolemasta. Struve tutki tähtien magneettikenttiä, kaasukehiä ja niiden turbulenssia, ja kuorikerroksia. Hän erikoistui kaksoistähtien tarkasteluun ja kehitti menetelmiä niiden tutkimiseen spektrihavaintojen perusteella. Struve rakensi tutkimuksiaan varten itselleen jopa teleskoopin — Austinin yliopiston McDonaldin observatorion 2.1 metrinen teleskooppi Yhdysvaltain Texasissa oli valmistuessaan vuonna 1939 maailman toiseksi suurin tähtitieteellinen havaintolaite. Struve julkaisi urallaan yli 900 tieteellistä artikkelia tai kirjaa ja oli yksi tuotteliaimmista modernien aikojen tähtitieteilijöistä.

Struve ajatteli tieteenalaansa laajasti, ja teki laajalti erilaisia huomioita tähtitieteen tutkimuksesta ja tutkimuskohteista. Yhdessä vain vähän huomiota saaneessa artikkelissaan Struve pohti eksoplaneettojenkin havaitsemista. Hän piti tärkeänä, että tähtitieteilijät ryhtyisivät pohtimaan mahdollisuuksia havaita toisia tähtiä kiertäviä planeettoja, jotta saataisiin tietoa niiden yleisyydestä lähitähtien kiertolaisina. Samalla Struve viittasi astrometrisillä havainnoilla saatuihin tuloksiin, joita oli alkanut pulpahdella pinnalle erityisesti Sproulin observatorion suunasta, Yhdysvalloista.

---

Vuoden 1943 artikkelissaan, yhdysvaltoihin muuttanut tanskalainen tähtitieteilijä Kaj Strand julkaisi tuloksia, joiden mukaan toista kaksoistähden 61 Cygni tähdistä kiersi näkymätön kumppani. Strandin mukaan se oli massaltaan hyvin pieni, vain kuudeskymmenesosan Auringon massasta tai noin kuusitoistakertaa Jupiteria massiivisempi. Hän ei epäröinyt sanankäänteissään, vaan ilmaisi löytämänsä ”pimeän kappaleen” olevan kirkkaudeltaan niin vähäinen, että sen kutsuminen planeetaksi tähden sijaan olisi perusteltua. Strand antoi ymmärtää kyseessä olevan ensimmäisen kerran, kun planeetan aiheuttamaa liikettä on onnistuttu havaitsemaan Aurinkokunnan ulkopuolella. Havainto tehtiin Sproulin observatoriossa, Yhdysvalloissa, jonka johtajana vaikutti tuolloin muuan Peter van de Kamp.

Strand raportoi planeetan kiertoajaksi 4.9 vuotta ja sen radan olevan muodoltaan hyvin eksentrinen, eli soikea (Kuva 1.). Havainnoissa oli kiinnostava ongelma — ei tiedetty kumpaa 61 Cygnin tähdistä havaittu planeetta kiersi, koska tähtien paikkoja taivaalla oli mitattu vain suhteessa toisiinsa. Mutta se ei estänyt näkymättömän kappaleen massan määrittämistä. Massa oli selvästi pienempi kuin minkään tuolloin tunnetun aurinkokunnanulkopuolisen kohteen.

Strandin havainto oli yksi Otto Struvea innoittanut tieteellinen tulos. Toinen oli van de Kampin vuonna 1944 julkaisema tieto (3), jonka mukaan tähden Lalande 21185 sekä Barnardin tähden liikkeessä taivaalla oli havaittu poikkeamia, jotka kertoivat liikkeen muuttuvan, mahdollisesti niitä kiertävien pienimassaisten kumppaneiden vetovoimavaikutuksesta. Niin Sarah Lippincottin tutkima Lalande 21185 kuin Barnardin tähtikin olivat havaintokohteina Sproulin observatorion kampanjassa, jonka takuumiehenä toimi Peter van de Kamp. Jokainen havainnoista osoittautui myöhemmin vääriksi, osaltaan Sproulin observatorion instrumenttien muutosten vuoksi, osaltaan tuntemattomista syistä.

---

Oma ensiarvioni nähdessäni Kuvan 1. havainnot oli se, että tuloksen tilastollinen merkitsevyys ei ole riittävä havaintojen vähäisen määrän vuoksi ja jaksolliselta näyttävät variaatiot aiheutuvat siksi puhtaasta sattumasta. Muutaman minuutin havaintojen analysointi riittikin varmentamaan intuitioni oikeaksi. Havainnoissa näkyy mainiosti kaksoistähtien toisiinsa kohdistama vetovoima (Kuvassa 1. se on poistettu häiritsemästä) muttei sitten mitään muuta. Jos olettaa Strandin arvioineen havaintojensa virheet täysin oikein, ja että ylimääräisiä virhelähteitä ei ole, voi havainnoista tosiaan huomata jaksollisen 4.9 vuoden periodin, mutta silloinkaan se ei aivan ole tilastollisesti riittävän merkitsevä, jotta sitä voitaisiin pitään minkäänlaisena havaintona. Harvoin sitä kuitenkaan käsittelee likimain satavuotiasta havaintosarjaa, jonka ensimmäiset havainnot on tehty jo vuonna 1914.

Nykyajan kontekstissa Strandin julkaisussa on silmiinpistävää, että hän ei tehnyt tiedettään yksin, vaikka hän esiintyykin ainoana artikkelin kirjoittajana. Artikkelin lopussa on maininta, että suuren osan laskelmista on tehnyt neiti Virginia Burger, joka toimi myös havaintojen käsittelijänä tehden tähtien paikkamittaukset kaikkiin Sproulin observatorion valokuvauslevyihin. Nykyisellään artikkelin kirjoittajina mainittaisiin ehdottomasti Strand ja Burger, mutta 80 vuotta sitten käytännöt olivat toisenlaiset. Virginia Burger esiintyy samalla tavalla myös muiden Strandin tieteellisten artikkeleiden tekijänä ja hän oli palkattuna assistentiksi Sproulin observatoriota ylläpitäneen Swarthmoren yliopiston opiskelijana. Käytännöt olivat armasti erilaiset mutten sittenkään voi olla ajattelematta, että tuolloin naisille jäi vähäpätöisempi rooli myös tieteessä — tai ainakin kunniaa jaettiin hiukan eri kriteerein.

Havaittavina kuumat jupiterit

Otto Struve totesi sopivien havaintojen voivan paljastaa toisia tähtiä kiertävien planeettojen olemassaolon. Hän suhtautui skeptisesti astrometriseen tähtien paikan mittaamiseen taivaalla, ja aavisteli sen hyödylliseksi vain rajatuissa tapauksissa, joissa voidaan tutkia riittävän kaukana toisistaan yhteistä massakeskipistettään kiertäviä kaksoistähtiä. Niiden liike voisi Kaj Strandin havaintojen tapaan paljastaa jompaa kumpaa tai molempia kiertävien planeettojen olemassaolon. Se ei kuitenkaan auttaisi jupiterinmassaisten planeettojen havaitsemiseen, joten astrometriaan ei ehkäpä kannattaisi luottaa, jos aikoo löytää jupitereja kiertämässä tähtiään kaukaisilla radoilla.

Kriittistä on juuri puhe kaukaisista radoista. Strandin planeettahavainnot kertoivat kohteesta verrattaen kaukana tähdestä, vaikkei hänen olettamansa näkymätön kiertolainen ollutkaan niin kaukana tähdestään kuin Jupiter on Auringosta. Mutta miksei massiivisia planettoja voisi esiintyä aivan tähtiensä lähelläkin? Struve otti tieteellisen lähestymistavan ja kirjoitti, että olisi kiinnostavaa koettaa havaita aivan tähtiensä lähellä kiertäviä jättiläisplaneettoja jo siksi, että saataisiin selville onko niitä vai ei. Jos kaksoistähdet saattoivat olla erittäin lähellä toisiaan, kiertäen toisensa vain muutamien päivien aikaskaalassa, mikseivät planeetatkin voisi kiertää tähtiään aivan yhtä lyhyillä kiertoradoilla? Struve teki karkeita laskelmia siitä, minkälaisia radiaalinopeussignaaleja kuumat jupiterit voisivat aiheuttaa. Hän arvioi tähtien radiaalinopeuden voivan muuttua luokkaa 0.2 km/s, mikä olisi saattanut tuolloin olla juuri ja juuri havaittavissa parhailla spektrografeilla. Jos kuumia Jupitereita siis oli olemassa, ja etenkin jos osa niistä oli paljon Jupiteria massiivisempia, niiden havaitseminen oli mahdollista.

Vaikka Struve ei puhunutkaan kuumista jupitereista, koska sellaista terminologiaa ei ollut vielä olemassa, on selvää, että hän spekuloi juuri sellaisilla planeetoilla, joiden löydöt 1990-luvulla tekivät eksoplaneettatutkimuksesta todellisen, vakavastiotettavan tieteenalan muutamien astronomien hatarien haihatteluiden sijaan. Struve pohti myös ylikulkujen havaitsemisen mahdollisuuksia ja arvioi, että suurikokoisimpien eksoplaneettojen ylikulut aiheuttaisivat noin 2% heikkenemisen tähdestä saapuvaan valoon. Myös se oli mahdollista havaita 1950-luvun instrumenteilla, mutta Struven arvion mukaan havaintojen tarkkuus olisi radiaalinopeusmenetelmää heikompaa.

---

Ensimmäinen osa kolmiosaisesta kirjoituksesta liittyen kuumien jupitereiden havaitsemiseen ja yrityksiin ymmärtää miten ne muodostuvat. Kirjoitukseen innoitti Juliette Beckerin teksti ”Bizarre ‘Hot Jupiter’ Planets Keep Surprising Astronomers”, Scientific American -lehdessä.

---

Montako planeettaa yksi tähti voi syödä?

4.4.2024 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Synty ja kehitys

Planeettakuntien kaoottiseen syntyvaiheeseen liittyy eräs kiinnostava piirre. Kun protoplaneetat törmäilevät toisiinsa ja tekevät lähiohituksia, jotka muuttavat niiden ratoja, osa päätyy taatusti törmäyskurssille tähtensä kanssa. Asia on varmennettu moneen kertaan tietokonesimulaatioilla, joissa on tarkkailtu miten varhainen protoplaneettapopulaatio muuntautuu väkivaltaisessa prosessissa stabiiliksi planeettakunnaksi.

Lisää törmäyksiä sattuu, jos planeettakunnassa on sen sisäosiin vaeltavia jättiläisplaneettoja. Aurinkokunnnan jättiläisplaneetat liikkuivat muinoin radoillaan jopa nykyisen asteroidivyöhykkeen tietämille, mikä vaikutti merkittävällä tavalla sisäplaneettakunnan kiviplaneettoihin. Aurinkokunnan sisäosien kiviplaneetat ovat pieniä ja ne ovat verrattaen harvassa luultavasti siksi, että Jupiter vaelsi muinaisuudessa paljon nykyistä sijaintiaan lähemmäksi ja siivosi sisempää planeettakuntaamme protoplaneetoista, pölystä ja kaasusta. Luultavasti juuri siksi Aurinkokunnassa ei ole ainuttakaan maailmankaikkeuden yleisistä planeettatyypeistä — järjestelmästämme puuttuvat täysin supermaapallot ja minineptunukset.

Joissakin planeettakunnissa jättiläisplaneetat ehtivät vaeltaa koko sisemmän planeettakunnan läpi ennen kuin nuori aurinko ryhtyy kunnolla loistamaan ja käynnistää tähtituulensa myötä järjestelmänsä siivousopraation jäljelläolevasta kaasusta. Vasta kaasun ja sen aikaansaamien kitkavoimien poistuminen pysäyttää jättiläisplaneetojen muuttoliikkeen sisemmäs, mutta jotkut planeetat päätyvät aivan tähtiensä lähelle jääden voimakkaan säteilyn syleilyyn kuumiksi jupitereiksi. Kaikki eivät kuitenkaan pysähdy edes tähtiensä lähelle, vaan päätyvät vuotamaan materiaa tähteensä ja lopulta sulautumaan niiden plasmaan. Ne tulevat syödyiksi ahnaiden tähtiensä toimesta ja katoavat siksi ikuisiksi ajoiksi mutta eivät jälkiä jättämättä.

---

Planeetat ovat syntyneet tähtiensä kiertoradoille nuoren tähden kertymäkiekoksi kutsutun materiamuodostelman sisällä. Ne kasvavat pölyhiukkasten törmäillessä ja tarttuessa toisiinsa vuosimiljoonien aikana, kunnes saavuttavat riittävän massan, jotta voivat vetää kiekon jäljellä olevaa kaasua itseensä gravitaationsa avulla. Massiiviset planeetat muodostavatkin nopeasti kertymäkiekkoon rengasmaisia aukkoja imuroidessaan kaasun ja pölyn itseensä. Vaikka ne saavat prosessissa itselleen paksun vedystä ja heliumista koostuvan kaasuvaipan, ne kuitenkin koostuvat korostetusti raskaammista materiaaleista syntytapansa vuoksi. Tähtitieteessä pölyllä tarkoitetaan kiinteitä aineita, joita kertymäkiekossa esiintyy. Se viittaa tähden lähellä esimerkiksi rautaan, nikkeliin ja silikaatteihin, mutta myös vesijäähän ja monenlaisiin hiilen ja typen yhdisteisiin kaukaisiemmilla kiertoradoilla, jossa ne voivat olla kiinteinä aineina matalammissa lämpötiloissa.

Kun planeetta päätyy niin lähelle tähteään, että tähden vetovoima ottaa vallan, planeetta alkaa hajota ja sen massan vuotaminen tähden pintaan käynnistyy. Prosessia on lähes mahdotonta pysäyttää ja sen kännistyttyä koko planeetta saattaa lopulta sulautua tähteensä. Silloin planeetan raskaammat ainekset päätyvät tähden pintakerroksiin ja muokkaavat sen kemiallista koostumusta, jolloin tarkoista spektrihavainnoista on mahdollista nähdä merkkejä menneestä planeettojen tuhosta. Sitä varten on kuitenkin kyettävä erottamaan toisistaan korostetusti vetyä ja heliumia raskaammasta aineksesta alkujaan muodostuneet tähdet niistä, joiden tähtitieteellinen metallipitoisuus on kohonnut planeettojen materian ansiosta. Tutkijat keksivät ongelmaan mainion ratkaisun.

Katsotaan tähtikaksosia

Kaksoistähdet muodostuvat, kun oman vetovoimansa vaikutuksesta romahtava tähtienvälisen aineksen kaasu- ja pölypilvi pyörii niin vinhasti, että materia päätyy kahteen, toisiaan kiertävään tiivistymiskeskukseen. Kyse on vain pyörimismäärän universaalin säilymislain yksinkertaisesta sovelluksesta, mutta loputuloksena onkin yksittäisen tähden sijaan toisiaan kiertävien tähtien pari. Koska tähdet ovat syntyneet samasta kosmisesta aineksesta, niiden kemiallinen koostumuskin on alkujaan aivan identtinen. Poikkeamia voi syntyä vain tähtien vanhetessa ja muuttaessa kemiallisia koostumuksiaan fuusioreaktioissaan tai jos tähdet nielevät planeettakuntiaan. Samalla tarjoutuu mahdollisuus tutkia kuinka yleistä planeettojen joutuminen tähtiensä tuhoamiksi oikein onkaan.

Tuoreen tutkimuksen mukaan noin 8% tähdistä syö planeettojaan. Tutkijat vertailivat 91 kaksoistähden kemiallista koostumusta, ja havaitsivat kemiallisia poikkeamia niistä seitsemässä. Planeettojen päätyminen tähtiensä nielemiksi on siten huomattavan yleistä — yleisempää kuin esimerkiksi aurinkokunnankaltaisten planeettakuntien esiintyminen, koska vain noin 7% tähdistä on massiivinen kaasujättiläinen kiertolaisenaan Jupiterin tapaan kaukaisella kiertoradalla.

Havainto voi vaikuttaa ymmärrykseen planeettakuntien synnystä. Jo varhain 2000 -luvun vaihteessa, tähtitieteilijät huomasivat, että jättiläisplaneettoja löytyy todennäköisemmin sellaisten tähtien kiertolaisina, joilla on kaasukehässään enemmän raskaita alkuaineita. Syntyi hypoteesi planeettojen synnystä herkemmin sellaisesta tähtienvälisestä aineksesta, jonka seassa on enemmän raskaita aineita. Hypoteesin mukaan, syntyvien tähtien ympärille muodostuu materiakiekkoja, joissa on enemmän pölyä ja siitä syntyy siten todennäköisemmin suuria planeettoja, joita varhaisissa havainnoissa etsittiin lähinnä niiden vetovoimavaikutuksen avulla, radiaalinopeusmenetelmällä. Silloin raskaammasta aineksesta syntyneillä tähdillä olisi enemmän planeettoja kiertolaisinaan ja niitä havaittaisiinkin todennäköisemmin.

Vaihtoehtoinen selitysmalli on kuitenkin edelleen voimissaan. On mahdollista, että jättiläisplaneettojen syntyessä tähden kiertoradalle, ne liikkuvat radallaan herkästi kohti tähteään ja suistavat useita muita planeettoja radoiltaan — osa planeetoista päätyy silloin myös törmäyskurssille tähden kanssa. Silloin jättiläisplaneetat voisivat aiheuttaa tähtien raskaampien aineiden kohonneet pitoisuudet eikä toisin päin. Kyseessä on kuitenkin klassinen korrelaatiotapaus, eikä ole selvää, mitkä ovat perimmäisiä syitä ja mitkä seurauksia. Aivan kuten jäätelönsyönti ei saa ihmisiä vähentämään pukeutumistaan, vaikka niiden välillä onkin korrelaatio, on epäselvää mikä on lopultakin raskaiden aineiden pitoisuuksien ja jättiläisplaneettojen yhteys.

Huomiotaherättävää on lisäksi havaittujen tähtien ikä. Kyse ei ole nuorista tähdistä, joiden planeettakuntien syntyhetkien kaoottiset vuorovaikutukset olisivat saaneet jotkut planeetat suistumaan tähtiinsä. Kohteeksi valitut tähdet ovat vanhoja, ainakin pari miljardia vuotta vanhoja, joten jos havaitut muutokset koostumuksessa tosiaan ovat planeettojen aiheuttamia merkkejä, kyseessä ovat kaoottisuuden ja törmäyksien kynsiin kypsemmällä iällä ajautuneet planeettakunnat. Sekin olisi merkittävä tulos — silloin olisi selvää, että merkittävä osa eksoplaneettajärjestelmiä kokee kaoottista käyttäytymistä ja planeettojen lähiohituksia sekä törmäyksiä vielä vanhemmalla iällä, jolloin suurella osalla tunnetuista planeettakunnista vastaava tuomionpäivä saattaisi olla vielä edessä.

Yksi mahdollinen johtopäätös on se, että emme ehkä voikaan olettaa havaittavien planeettakuntien olevan stabiileja pitkällä aikajänteellä. Jos planeettakuntien hajoaminen omaan kaoottisuuteensa on vielä vanhemmallakin iällä yleistä, on mahdollista, että olemme tehneet väärintulkintoja monesta havaitusta planeettakunnasta, jotka ovat ratalaskelmien perusteella vaikuttaneet kaoottisilta. Aiemmin on ajateltu, että havaintoja on tulkittu väärin, ja jokin tai jotkin planeettojen aiheuttamiksi arvelluista signaaleista eivät olekaan todellisia, koska niitä vastaavat planeettakunnat olisivat kaoottisia hyvin lyhyellä aikajänteellä. Ehkäpä on sittenkin niin, että ne ovat todellisia mutta planeettakunta on kokemassa merkittäviä muutoksia lähitulevaisuudessa. Ehkäpä jotkut sen planeetoista suistuvat pian radoiltaan kosmisessa vetovoimaflipperissä ja päätyvät tähtensä syömiksi. Ehkäpä planeettakunnan kiertoratojen vakaus onkin lopulta se, joka erottaa oman järjestelmämme valtaosasta muita. Ehkäpä olemme olemassa vain, koska planeettamme ei koskaan suistunut radaltaa toisin kuin miljardit muut maankaltaiset maailmat.

---

Aktiiviset tähdet elämän luojina

3.4.2024 klo 14.24, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Tähtien aktiivisia ilmiöitä, kuten voimakasta hiukkastuulta, ionisoivaa säteilyä ja voimakkaita purkauksia on totuttu pitämään uhkana niitä kiertävien planeettojen elinkelpoisuudelle. On totta, että nuoren, aktiivisen tähden voimakas hiukkastuuli ja äkilliset purkaukset voivat puhaltaa jopa pienten kiviplaneettojen kaasukehät avaruuteen. Voimakas suurienerginen säteily, kuten ultraviolettisäteily taas tietää huonoja uutisia kaikille planeettojen pintojen orgaanisille molekyyleille. Ultraviolettisäteily saa orgaaniset molekyylit hajoamaan ja auttaa osaltaan steriloimaan kiviplaneettojen pintoja, jos niillä ei ole paksua kaasukehää ja sen molekyylien tuomaa suojaa. Yhdessä hiukkastuulen kanssa, aktiiviset tähdet kykenevät siten tekemään pienistä planeetoista karrelle palaneita, karuja autiomaita, joiden kohdalla voimme vain haaveilla elinkelpoisuudesta.

Synkällä kolikolla on kuitenkin valoisa kääntöpuolensa. Aktiivisten tähtien vaikutus on paljon monipuolisempaa kuin on tyypillisesti ymmärretty. Tähtien energeettinen hiukkastuuli voi, osuessaan planeetan kaasukehään, tuottaa kemiallisissa reaktioissa orgaanisia molekyylejä kuten amino- ja karboksyylihappoja, jotka ovat aivan oleellisessa roolissa elävien organismien biologisissa koneistoissa. Auringonkaltaiset tähdet ovat nuoruudessaan nykyistä Aurinkoa himmeämpiä, ja niiden tyypillinen hiukkastuuli ei siksi riitä merkittävään orgaanisten molekyylien tuotantoon kiertoradallaan olevien planeettojen kaasukehissä. Ne kuitenkin purkautuvat usein — valtavat superpurkaukset kiihdyttävät varattuja hiukkasia lähelle valonnopeutta, mikä mahdollistaa monien orgaanisten molekyylien tuotannon hiukkasten moukaroidessa planeetojen kaasukehiä.

Elämän synty on reunaehtoineen täynnä tieteellisiä kysymysmerkkejä. Voimme miettiä miksi olemme pohtimassa asiaa juuri keltaisen kääpiötähden kiertoradalla mutta lopultakin on selvää, että olemme olemassa, koska elämäksi kutsutut biokemialliset reaktiot käynnistyivät planeettamme pinnalla sen muinaisuudessa. On siksi erityisen kiinnostavaa selvittää mitä reunaehtoja tähden aktiivisuudesta aiheutuu eksoplaneettojen kaasukehille ja elinkelpoisuudelle. Sitä varten ei voida asettaa planeettaa laboratorioon tutkittavaksi, mutta simulaatiomalleilla voidaan aina tutkia mitä planeetoille tapahtuu erilaisissa olosuhteissa.

Planeetta Maa koeputkessa

Koejärjestely, jossa kokonainen planeetta asetetaan tutkittavaksi jonkin tähden kiertoradalle ja säädetään sen ominaisuuksia yksi toisensa jälkeen, jotta eri tekijöiden vaikutus planeetan ominaisuuksiin saadaan selville, on mahdollinen tietokonesimulaatioissa. Voimme esimerkiksi ottaa maankaltaisen planeetan ja asettaa sen vastaaviin lämpötilaolosuhteisiin mutta hyvin erilaiselle kiertoradalla erilaisen tähden ympärille. Punaisen kääpiötähden kiertoradalla elinkelpoisen planeetan kiertoaika tähden ympäri on hyvin lyhyt, vain noin parikymmentä päivää. Muut olosuhteet ovat vieläkin oudompia, koska läheisen tähden voimakkaat vuorovesivoimat saavat planeetan pyörimisen vuorovesilukkiutumaan siten, että se näyttää aina saman kyljen tähdelleen. Ikuisen yön tai päivän vyöhykkeet tuottavat Maan säännöllisiin vuorokausisykleihin tottuneille eksoottisen vihamielisen ympäristön.

Mutta ongelmallisempaa planeetan maankaltaisuuden kannalta ovat roihupurkaukset. Punaisten kääpiötähtien planeettoja piinaavat tähden jatkuvat purkaukset, joita tapahtuu yhtenään sellaisilla voimilla, että oma Aurinkomme kalpenee niiden rinnalla. Voimakkain tunnettu Auringon vapauttama purkaus, vuoden 1859 aurinkomyrsky, voisi sattuessaan lamauttaa kokonaisia maanpäällisiä sähköverkkoja ja suuren osa koko modernista tietoliikenneyhteiskunnastamme tuhotessaan merkittävän osan satelliiteista ja kommunikaatioteknologiastamme. Punaisten kääpiötähtien pinnoilla vastaavan voimakkuuden purkauksia tapahtuu suunnilleen joka kuukausi ja elinkelpoisten planeettojen sijaitessa radoillaan paljon lähempänä tähtiään kuin Maa Aurinkoa, purkaukset aiheuttaisivat merkittäviä muutoksia planeettojen kaasukehiin.

Vaikutukset ovat kuitenkin hyvinkin monitahoiset. Ensimmäisenä purkaukset vaikuttavat heikentämällä merkittävästi otsonikerrosta, jolloin tähden ultraviolettisätely pääsee planetaariseen kokeeseemme osallistuvan planeetan pinnalle lähes esteettä. Mutta ultraviolettisäteily toimiikin toiseen suuntaan, hajottaen happimolekyylejä vapaiksi radikaaleiksi, jotka muodostavat lisää otsonia nopeassa tahdissa. Lopputuloksena otsonin määrä itseasiassa kasvaa nopeasti purkausten yhteydessä. Koska ultraviolettisäteilyä vapautuu juuri tähden purkauksissa, syntyy paradoksaalinen tilanne, jossa edellisten purkausten vaikutukset kaasukehän kemiaan itse asiassa parantavat sen antamaa suojaa seuraavilta purkauksilta.

Mutta kaikki on suhteellista. Aktiivisten, taajaan purkautuvien tähtien vierellä säteilyolosuhteet olisivat hengenvaaralliset monille leutoon säteily-ympäristöön tottuneille planeettamme eliöille. Silti, elämän mahdollisuudet olisivat olemassa jopa bakteereja heikommin säteily-olosuhteita kestäville maanpäällisille monisoluisille organismeille, jos niiden asuttama planeetta vain onnistuisi välttämään kaikkein suurienergisimmät tähdenpurkaukset. Se on mahdollista, jos suurimmat purkaukset tapahtuvat lähellä tähtien napa-alueita eivätkä siten suuntaudu suunnilleen sen päiväntasaajan tasossa sijaitsevaan planeettakuntaan.

Purkaukset toisaalta mahdollistavat elämän tarvitsemien orgaanisten yhdisteiden synnyn mutta toisaalta sitten taas heikentävät vaikkapa planeetan biosfäärin suojana olevaa otsonikerrosta. Kaikki riippuu kuitenkin purkausten määrästä ja energiasta (Kuva 1.). Jos purkauksia on paljon tai ne ovat poikkeuksellisen suuria, niiden ultraviolettisäteily riittää tuottamaan elämän syntyyn vaadittavia orgaanisia molekyylejä. Jos kuitenkin tapahtuu liikaa liian suuria purkauksia, otsonikerros heikkenee tai ei pääse muodostumaan ja ultraviolettisäteilyä pääsee planeetan pinnalle liikaa, jolloin orgaanisten molekyylien määrä kääntyy laskuun säteilyn tuhoavan vaikutuksen ansiosta.

Vaikka suurin osa punaisista kääpiötähdistä purkautuu niin vähän, että planeettojen elinkelpoisuus ei ole liian suuressa vaarassa niiden elinkelpoisilla vyöhykkeillä, on samalla selvää, että myöskään elämän synnylle ei ole kovinkaan hyviä mahdollisuuksia niiden olosuhteissa. Suurienergista säteilyä tarvitaan aminohappojen ja nukleiinihappojen syntyyn, jotka toimivat elämän rakenneaineina, mutta sen on oltava sopivaa niin määrältään kuin intensiteetiltäänkin. Sopivien olosuhteiden puute punaisten kääpiötähtien ympärillä saattaa olla yksi punaisen taivaan paradoksia selittävä tekijä — emme elä punaisen kääpiötähden kiertoradalla, koska elämä ei synny niin herkästi niiden planeettakunnissa.

Auringon kuumempi pinta tuottaa tasaisen ultraviolettisäteilyvuon, ja se on saattanut mahdollistaa elämän synnyn omalla planeetallamme likimain heti, kun planeetan pinta on viilentynyt nestemäisen veden olemassaololle suotuisaksi. Punaisten kääpiötähtien elinkelpoisilla vyöhykkeillä likimain kaikki ultraviolettivalo taas on yhteydessä sitä vapauttaviin suurienergisiin roihupurkauksiin, mikä saattaa vaikeuttaa elämän syntyä punaisten tähtien planeetoilla. Mahdottomaksi se ei kuitenkaan muutu — kyse on vain erilaisista olosuhteista ja erilaisista todennäköisyyksistä, jolloin elämän synty saattaisi kyllä olla harvinaisempaa mutta sitä tapahtuisi silti.

Punaisten tähtien tarjoamat elinympäristöt ovat takuulla varsin erilaisia ja niissä ehkä elävät organismit kovin erilaisia kuin maapallolla. Elämä kuitenkin osaa hämmästyttää meitä resilienssillään jo omalla planeetallamme. Siksi se luultavasti kyllä sopeutuisi myös punaisten kääpiötähtien planeettakuntien olosuhteisiin, jos vain onnistuisi saamaan alkunsa geokemiallisista sykleistä tai valtaamaan planeettoja panspermian avulla.

---

Galaktinen panspermia

5.3.2024 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat

Kirjoitin hiljattain siitä, kuinka muut tähdet tulevat toisinaan niin lähelle Aurinkoa, että vaikuttavat jopa jättiläisplaneettojen ratoihin. Ne häiritsevät planeettojen dynaamista tanssia Auringon ympäri, ja aikaansaavat siihen pienenpieniä kaoottisia muutoksia, joilla voi olla kauaskantoisia seurauksia. Muutokset voivat vaikuttaa sisempään planeettakuntaamme ja pumpata jopa oman planeettamme radan eksentrisyyttä, eli soikeutta, suuremmaksi. Se taas muuttaisi Maan ilmastoa biosfäärille merkitsevällä tavalla, kuten kouriintuntuvasti ymmärrämme näin itseaiheuttamamme ilmastokatastrofin aikakautena.

Aurinkokuntamme Oortin pilven sisäpuolelle saapuva vieraileva lähitähti sai minut kuitenkin miettimään hiukan pidemmälle. Mainitsin ohimennen sen ilmiselvän asian, että Oortin pilven sisällä Auringon ohittava tähtinaapuri sieppaa varmasti pilven materiaa omalle kiertoradalleen — samoin käy vieraan tähden kaukaisimmille kiertolaisille ja komeettoja tai muita pienempiä ulomman tähtijärjestelmän kappaleita päätyy vastaavasti Aurinkoa kiertävälle radalle. Tähdet ja tähtijärjestelmät siis vaihtavat säännöllisesti materiaa toistensa kesken suorastaan vääjäämättömällä tavalla. Lisäksi mikään tähti ei pysy galaksissa ikuisesti yksin, vaan kokee varmasti muiden tähtien lähiohituksia, ja voimme siksi olla varmoja, että yksikään Linnunradan tähti ei ole fysikaalisesti eristyksissä muista tähdistä. Sillä voi olla kauaskantoiset seurauksensa.

---

Tietyin oletuksin voidaan laskea kuinka nopeasti mikrobit voivat levitä galaksissa luonnollisin mekanismein. On tietenkin mahdotonta tehdä suoria havaintoja asiasta, mutta tähtitieteilijät voivat muodostaa simulaation galaksista ja tarkkailla nopeutetusti mikä fysiikan lakien puitteissa on mahdollista. Vaikka panspermia ei ole kovinkaan todennäköistä staattisessa galaksissa (1), tähtien lähiohitukset muuttavat tilannetta aivan oleellisesti. Lähiohitusten ollessa hyvin yleisiä kautta galaksin, on selvää, että materia liikkuu tähtijärjestelmien välillä hyvinkin taajaan. Asiasta saadaan jopa viitteitä planeettamme historiasta.

Maan menneisyyttä jaksottavat ajoittaiset suuren impaktit, kun asteroidit tai komeetat ovat törmänneet planeettaamme tuhoisilla tavoilla. Tunnetuimpana törmäyksenä on massasukupuuton aiheuttanut ja lentokyvyttömien dinosaurusten aikakauden liitukauden myötä päättänyt noin 10km halkaisijaltaan olleen asteroidin osuma Jukatanin niemimaalle 66 miljoonaa vuotta sitten. Osuma aheutti halkaisijaltaan noin 200 kilometrin kokoisen kraaterin ja sen seurauksena koko planeettamme peittyi asteroidipölyyn, joka näkyy kautta planeettamme sen aikakauden kivissä kapeana iridiumpitoisena kerrostumana. Vastaavat osumat saattavat kuitenkin olla, ainakin välillisesti, tähtien lähiohitusten aikaansaamia. Epäsäännöllisen säännölliset impaktit kertovat mahdollisista muutoksista planeettojen rataparametreissa ja häiriöistä Aurinkokunnan pikkukappaleiden radoissa, ja lähiohittavat tähdet sopivat silloin kuvaan mainiosti. Osa merkittävistä törmäyksistä voisi jopa aiheutua toisia tähtiä kiertävien kappaleiden saapumisesta Aurinkokunnan sisäosiin tähtien lähiohitusten aikana.

Lähiohitukset lyhentävät tähtienvälisiä etäisyyksiä merkittävästi. Huomionarvoista on, että mikrobien tarvitsisi selvitä lepotilassa avaruuden olosuhteissa vain noin 20 000 AU:n tai 0.3 valovuoden mittaisia matkoja, jotta ne voisivat päätyä toisten tähtien planeettojen pinnoille (2). Se on ainakin kertaluokkaa lyhyempi matka kuin tähtien keskimääräinen noin 5 valovuoden etäisyys ja parantaa mikrobien selviämistodennäköisyyttä tähtienvälisistä matkoista avaruuden brutaaleissa olosuhteissa merkittävällä tavalla. Elämän synnyttyä planeetallamme, sopivia lähiohituksia on tapahtunut arviolta 140 kertaa, joten olemme saattaneet suoraan infektoida jo noin 140 muuta planeettakuntaa elämällämme. Jos elämä on löytänyt jalansijan vaikkapa vain joka kymmenennessä infektoidussa planeettakunnassa, vaikka kandidaatteja elinkelpoisiksi planeetoiksi onkin likimain kaikkialla, voidaan varovasti arvioiden todeta, että elämä on jo saattanut hyvinkin levitä planeetaltamme tuhansiin, mahdollisesti jopa satoihin tuhansiin toisiin planeettakuntiin. Tarkempien arvioiden saaminen ei kuitenkaan ole mahdollista ilman monimutkaisia, yksityiskohtaisia laskelmia.

Mutta tähtien lähiohitukset mahdollistavat panspermian toisellakin tapaa. Tähtien ohitukset muuttavat toistensa Oortin pilvien materian nopeuksia niin, että osa materiasta saavuttaa riittävän nopeuden paetakseen tähtensä vetovoimakentästä tähtienväliseen avaruuteen. Syntyy lukemattomia tähtienvälisiä komeettoja, joita on jo onnistuttu havaitsemaan kulkemassa Aurinkokunnankin läpi. Se taas voi osaltaan vauhdittaa elämän leviämistä toisiin tähtijärjestelmiin merkittävällä tavalla.

Tiedämme, että elämän infektoima planeetta on kauttaaltaan elävien solujen peitossa, ja silloin asteroiditörmäysten aikaansaama heittelemateriaali, joka poistuu planeetan vetovoimakentästä, on sekin elävien solujen infektoimaa. Tiedämme edelleen, että osa organismeista kykenee selviytymään pakomatkasta avaruuteen ja pysymään toimintakykyisenä avaruuden olosuhteissa. Selviämistä auttaa pienikin kivimateriaalin antama suoja, ja mikrobit voivat mainiosti levitä planeettakunnan sisällä aina sen ulko-osiin saakka. Silloin lähitähtien ohitukset voivat toimia sellaisena katalyyttinä, joka saa elämän leviämään toisiin aurinkokuntiin panspermiahypoteesin perinteisimmässä mielessä.

Voi siksi olla mahdollista, että kohdatessamme joskus tulevaisuudessa merkkejä maanulkopuolisesta elämästä toista tähteä kiertävällä planeetalla, se voi hyvinkin olla oman biologisen linjamme muinainen haara ja siksi meille sukua. Tai sitten ei. En kuitenkaan oikein osaa arvioida kumpi vaihtoehdoista olisi huikeampi loogisilta seurauksiltaan.

---

Dynaaminen kaaos planeettakuntien muovaajana

19.2.2024 klo 10.50, kirjoittaja Mikko Tuomi
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.).

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.

---

Muinaisen meren jäljillä

5.2.2024 klo 09.57, kirjoittaja Mikko Tuomi
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.).

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.

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.

---

Evoluutio ja Fermin paradoksi

16.1.2024 klo 13.15, kirjoittaja Mikko Tuomi
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.

---

Eläviä planeettoja, demoneita ja termodynamiikkaa

8.1.2024 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
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.

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.).

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.

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.

---

Missä vedet vain virtaavat

19.12.2023 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
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.).

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.

---

Uusia arvioita elämästä lähitähtien planeetoilla

4.12.2023 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
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.