Eksoplaneetta hukassa

Lumivaipan peittämä

18.4.2023 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Noin 650 miljoonaa vuotta sitten päiväntasaajalla satoi lunta. Kyse ei ollut mistään hetkellisestä sään oikusta ja poikkeuksellisesta ilmavirtauksesta napa-alueen tuntumasta, vaan lunta satoi pitkään. Se peitti tropiikin hiljalleen hyytävään huomaansa, ja muutti maan valkeaksi.

Oli kylmä. Ilmasto oli viilennyt ja napajäätiköt olivat hiljalleen laajenneet ja saavuttaneet keskileveyspiirit. Niiden poikkeuksellinen laajuus siirsi kuitenkin koko ilmastojärjestelmän uuteen tasapainotilaan. Valtavat jäätiköt heijastivat vaalean peilin tavoin niin suuren osan Auringon säteilystä pois, että planeetta ei enää lämmennyt kuin ennen, vaan alkoi viilenemisen kierre. Viilennyt ilmasto sai jäätiköt laajenemaan kohti päiväntasaajaa, mikä sai suuremman osuuden säteilystä heijastumaan pois lämmittämästä planeettaamme. Syntyi voimakas positiivinen takaisinkytkentä ja lopulta mikään ei pysäyttänyt kylmyyttä. Päiväntasaajan lämpötila laski jopa yhtä alhaiseksi kuin nykyään Etelämantereen keskiosissa ja Maapallo peittyi miljooniksi vuosiksi jäiseen vaippaan, kilometrien paksuiseen jääkuoreen.

Tämän lumipallomaa -vaiheen vaikutukset elämään olivat tietenkin valtaisat, koska paksu jääkuori esti tehokkaasti sinibakteerien yhteyttämisen ja energiantuotannon planeettamme pintavesissä. Vaikka jääkuoren paksuudessa ja kattavuudessa oli varmasti runsaasti vaihteluita, ja päiväntasaajalla oli ajoittain avovettä, sen vaikutukset olivat valtaisat, koska ne tyrehdyttivät merkittävimmän biologisen perustuotannon planeetallamme. Monisoluisia organismeja oli jo olemassa mutta niiden monimuotoistuminen ja lukumäärän räjähdysmäinen kasvu odotti vielä yli sadan miljoonan vuoden päässä siintävää kambrikautta ja sen otollisempia olosuhteita.

Lumipallomaa -vaihe loppui vasta, kun mannerliikunnat saivat aikaiseksi voimakkaampaa tulivuoritoimintaa, ja ilmakehään vapautunu hiilidioksidi sulki planeettamme lämmittävään syliinsä. Paksu jääkuori aiheutti luultavasti itse oman tuhonsa, koska se esti tehokkaasti ilmakehän hiilidioksidin normaalin kierron ja poistumisen ilmakehästä sedimentoitumalla kuolleen biomassan mukana merten pohjiin. Ilmasto muuttui jälleen — tällä kertaa kuumaksi ja kosteaksi, kun kasvihuoneilmiö voimistui ja jäätiköt pakenivat napa-alueille ja korkeimpien vuoristoalueiden ylängöille.

Kuitenkin, jopa lumi- ja jäävaipan peittämänä valkeana pallona Maa oli elävä planeetta, jolla oli verrattaen monipuolinen biosfääri. Monenlaiset mikrobit olivat vallanneet niin meret kuin kallioperänkin, ja kukoistivat jopa jään päällä ja ajoittaisissa sulan veden alueissa. Kun planeetta saa elämästä infektion, sitä ei voi steriloida enää juuri mikään geologinen voima. Vain jättiläismäisen asteroidin törmäyksen aiheuttama tuho ja auringon saapuminen vakaan keski-ikänsä päähän voivat hävittää biosfäärin kauttaaltaan.

---

Lumipallovaiheen aikana planeettamme elämä koki kovia mutta selviytyi sopivissa, joskin rajatuissa ekologisissa lokeroissa. Merenpohjan geologinen aktiivisuus tuotti mustiksi savuttajiksi kutsuttuja purkauskohtia, joissa maankuoren sisällä lämmennyt vesi vapautuu kohtaamaan kylmän merenpohjan luoden valtavan lämpötilagradientin ja sen myötä anaerobisille mikrobeille mahdollisuuden käyttää maankuoren mineraaleja energiantuotantoonsa. Niiden elinympäristössä merenalainen elämä ei juuri piitannut pinnan talvisista olosuhteista. Mikrobit selviytyivät myös jään sisälle jääneissä suolaisen veden taskuissa, tulivuorten lämmittävissä olosuhteissa, ja jopa jään pinnan tuntumassa, sekä jäljelle jääneissä vaihtelevissa avoimen veden alueissa, joita tutkimusten mukaan oli jäänyt erityisesti päiväntasaajan alueelle muun planeetan oltua umpijäässä. Kallioperän valtava mikrobisto ei sekään piitannut pintaolosuhteiden muutoksista, vaan jatkoi toimintaansa ja kasvuaan aivan kuten ennenkin, mineraaleja ja radioaktiivisen hajoamisen satunnaisia vapaita radikaaleja ravintonaan käyttäen.

On mahdollista, että Maan elämä jopa aiheutti globaalin lumipallovaiheen. Satojen miljoonien vuosien ajan, sinilevät olivat pumpanneet happea Maan ilmakehään tasaisena virtana mutta se oli radikaalina molekyylinä reagoinut välittömästi esimerkiksi raudan kanssa muodostaen meriveteen ruosteeksikin kutsuttua rautaoksidia, joka sitten kerrostui sedimenttien mukana merenpohjaan. Nykyiset rautaesiintymämme ovat siten muinaisten yhteyttäjien toiminnan tulosta. Lopulta vapaa rauta ja muut mineraalit olivat hapettuneet, jolloin happi jäi vapaaksi molekyyliksi ilmakehään ja sen määrä kasvoi nopeasti. Happi on kuitenkin voimakas myrkky anaerobiseen soluhengitykseen tottuneille organismeille, joten sen määrällä oli valtavat seuraukset biosfäärille. Lopulta aitotumalliset organismit, joihin me ihmisetkin kuulumme, oppivat käyttämään reaktiivista happea tehokkaasti osana soluhengityskoneistoaan, mikä osaltaan mahdollisti monisoluisen elämän nousun kambrikaudella. Kaikki liittyy kaikkeen, ja Maan elämä muokkasi jo varhaisista ajoista lähtien planeettamme ilmastoa ja kemiaa aivan kuten geokemialliset ja ilmastolliset reunaehdot vaikuttivat evoluutioon. Vastaavanlaiset vuorovaikutukset ovat takuuvarmoja myös eksoplaneetoilla, joilla elämä vain on saanut alkunsa.

Maan monipuolisella ja vaiherikkaalla geologisella, geokemiallisella ja ilmastollisella historialla on ilmiselviä seurauksia siihen, miten tulkitsemme tulevaisuuden havaintoja eksoplaneetoista, jotka ovat kandidaatteja eläviksi planeetoiksi. Happipitoinen kaasukehä on ehkä yksi selvimmistä kuviteltavissa olevista merkeistä siitä, että kaasukehä on kemiallisessa epätasapainossa, jonka voi saada aikaiseksi vain yhteyttävän elämän toiminta. Hapen puute tai sen vähäinen osuus taas voi tarkoittaa sitä, että yhteyttäviä organismeja ei ole kehittynyt tai että niiden toiminta on jostakin syystä heikkoa tai heikentynyttä — sitä ei voida tulkita minkäänlaiseksi merkiksi planeetan elottomuudesta. Sama pätee muihinkin biomarkkereiksi luokiteltuihin molekyyyleihin, joita saatetaan tulevaisuudessa havaita planeettojen kaasukehissä, jos vain lähitähtien kiviplaneetat ovat kaasukehien peittämiä.

Suorat havainnot puolestaan saattavat paljastaa eksoplaneetan heijastavan likimain kaiken siihen osuvasta tähden valosta, mikä kertoo planeetan pinnan levan kauttaaltaan jonkin heijastavan aineen peitossa. Vesijää on ilmiselvä ja erittäin todennäköinen mahdollisuus, mikä puolestaan saattaa kertoa planeetan olevan jäätynyt valtameriplaneetta tai vain hetkellistä jäätiköitymisvaihetta läpikäyvä maankaltainen, elollinen maailma. Tiedämme jääplaneettojen olevan mahdollisia ja luultavasti yleisiä, koska monet ulkoplaneettakuntamme kuut, kuten vaikkapa Enceladus, ovat jääkuorella varustetun valtameren peittämiä (Kuva 1.). Vesi puolestaan on ulkoplaneettakunnan yleisimpiä planeettojen rakennusmateriaaleja, joten vastaavia maailmoja on suurella varmuudella ainakin miljardeja jo omassa galaksissamme.

Koostumus sekä geokemiallisen ja ilmastollisen kehityksen yksityiskohdat ovat kuitenkin niitä ensiarvoisen oleellisia tekijöitä, jotka määrittävät pienten kivisten eksoplaneettojen elinkelpoisuutta. Toistaiseksi ne ovat juuri ja juuri havainnointikapasiteettimme ulottumattomissa, mutta se tilanne on muuttumassa. Eksoplaneettatutkimus on murroksessa James Webb -avaruusteleskoopin ja muiden lähitulevaisuuden uusien instrumenttien myötä. Ja ensimmäiset suoraan kuvaamalla havaittavat kiviset eksoplaneetat, sellaiset, jotka ovat kandidaatteja eläviksi planeetoiksi, ovat todennäköisesti jään peittämiä. Sellaiset kappaleet kun heijastavat parhaiten tähtensä valoa teleskooppiemme havaittaviksi.

---

Elämä terminaattorivyöhykkeellä

4.4.2023 klo 10.00, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Astrobiologia , Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus

Valo horisontissa pysyy aina vain vakaana. Se luo aavemaisen tunnelman, joka kuvastaa kauhua, kuolemaa ja hävitystä. Mutta kivikkoisessa maisemassa ei ole ainuttakaan pelokasta olentoa. Ei mitään, mikä juoksisi kauhuissaan karkuun, ryömisi kiven alle turvaan tai lentäisi pakoon kohti mustaa taivasta. Kelmeän auringon alla ei myöskään kasva mikään. Ei ole puita tai pensaita, eikä edes tuulessa heiluvia ruohonkorsia. On vain punaisena hohtava suuri valo, kuin kaiken näkevä silmä, joka on ikuisesti läsnä horisontissa, kallioisen maiseman tuolla puolen.

Maailma ei kuitenkaan ole eloton. Kivien ja kallioiden erilaisia mineraaleja hyödyntää kokonainen joukko kemiallista energiaa käyttäviä mikrobeja, jotka saavat tarvitsemansa hiilen ohuen kaasukehän hiilidioksidista. Kemosynteesi ylläpitää elämää punaisen auringon kelmeässä loisteessa mutta prosessin vaatimaton teho ei riitä ylläpitämään monimutkaisia ravintoverkkoja tai monisoluista elämää. Elämän vyöhyke ei tarkoita sitä, että syntyisi korkeaksi kasvavia kasveja ja monenlaisia niitä ravintonaan käyttäviä monisoluisia organismeja. On mahdollista, että elävä planeetta näyttäytyisi karuna ja kuolleena yhteyttävään kasvillisuuteen ja muuhun monisoluiseen elämään tottuneesta näkökulmastamme.

---

Yksi kiinnostavimmista eksoplaneettojen joukosta on punaisten kääpiötähtien pienet kiviplaneettat, jotka ovat pakkautuneena tiiviiksi järjestelmiksi aivan tähtensä lähelle, missä himmeän tähden säteily on sopivaa nestemäisen veden esiintymiseen planeettojen pinnoilla. Moni muu asia ei sitten luultavasti olekaan niin kovin sopivaa elämän esiintymiselle mutta ongelmana on, että yksityiskohtaista tietoa on niin kovin vaikeaa saada planeetoista, joita emme tunne omasta järjestelmästämme, ja joita emme voi havaita suoraan. Niiden monimuotoisuutta ja mahdollisia koostumuksia pääsemme puolestaan arvioimaan vain perustuen tietokonesimulaatioihin ja yksittäisiin perussuureisiin, kuten planeettojen halkaisija ja massa.

Tuore tutkimus käsittelee planeettojen terminaattorivyöhykkeen mahdollisuuksia tarjota edellytykset elämän esiintymiselle. Kyse ei siis ole tuhoajarobottien valloittamasta alueesta vieraalla planeetalla, vaan vuorovesilukkiutuneiden planeettojen pimeän ja valoisan puoliskon rajapinnasta. Punaisten kääpiötähtien elinkelpoiset vyöhykkeet ovat niin lähellä tähteä, että niiden sisälle mahtuvilla kiertoradoilla planeettojen pyörähtäminen lukkiutuu niiden kiertoaikaan tähden ympäri. Syynä tähän lukkiutumiseen ovat tähden voimakkaat, planeetan kuortakin muovaavat vuorovesivoimat. Lopputuloksena planeetat näyttävät tähdelle aina vain toisen puoliskonsa, joka kylpee ikuisessa valossa ja lämmössä, kun taas pimeäksi jäävä puolisko kokee ikuisen kylmyyden ja sitä valaisevat vain muut, kaukaisemmat pistemäisinä mustaa taivasta täplittävät tähdet. Planeetan toisen puoliskon ollessa kuuma ja toisen kylmä, on silti mahdollista, että elinkelpoisia olosuhteita esiintyy niiden välissä, terminaattorivyöhykkeen ikuisen aamuhämärän alueella. Edellytyksenä on kaasukehän olemassaolo, jotta olisi edes jokin mekanismi, jolla planeetan puoliskojen rajut lämpötilaerot pääsisivät tasautumaan, mutta asiaan liittyy useita tekijöitä, jotka asettavat elinkelpoisuudelle merkittäviä reunaehtoja.

Tähden tappava säteily

Siinä, että planeetat ovat lähellä tähteään, syvällä sen gravitaatiokaivon tiukassa huomassa, on omat puolensa. Tiiviisti pakatut planeettakunnat ovat kyllä hyvässä turvassa ulomman planeettakunnan kappaleiden aiheuttamilta häiriöiltä niiden ratoihin. Ne voivat selviytyä mainiosti tähtiensä kiertolaisina miljardeja ja jopa satoja miljardeja vuosia ja todennäköisyyden lait pitävät ne turvassa jopa vääjäämättömiltä toisten tähtien lähiohituksilta, koska pieneen tilaan pakattu planeettakunta on kovin pieni maali myös kaikenlaisille häiriötekijöille. Samalla planeetat ovat kuitenkin alttiita oman tähtensä säteilylle, hiukkastuulelle ja purkauksille.

Tähdet ovat rauhallisessa keski-iässäänkin arvaamattomia plasmapalloja, jotka saattavat purkautua milloin vain ja lähettää kohtalokkaan suurienergisen hiukkasryöpyn kohti niitä kiertäviä maailmoja. Punaisten kääpiötähtien tapauksessa huomionarvoista on kuitenkin niiden ikä. Suhteutettaessa tähtien elinikään, kaikki punaiset kääpiötähdet ovat nuoria, koska koko maailmankaikkeus ei ole vielä ehtinyt olla olemassa riittävän pitkään, jotta ne olisivat voineet saavuttaa keski-iän. Suhteellisen nuoruutensa seurauksena punaiset kääpiötähdet ovatkin usein samanikäisiä auringonkaltaisia tähtiä aktiivisempia. Ne purkautuvat usein ja vapauttavat purkautuessaan intensiivistä suurienergistä säteilyä gamma- ja röntgensäteilyn aallonpituuksilla, sekä voimakkaita hiukkasryöppyjä, joiden arvellaan voivan viedä vaikka kokonaisen kiviplanetan kaasukehän mennessään. Tyypillisesti punaiset kääpiöt onkin luokiteltu flare-tähdiksi niiden tavallisimpien purkausten perusteella. Esimerkiksi Aurinkoa lähinnä sijaitseva tähti, nimellä Proxima Centauri tunnettu punainen kääpiötähti luokitellaan purkautuvaksi, kirkkaudeltaan muuttuvaksi tähdeksi, koska sen aktiivisuus tuottaa jatkuvasti näkyvälläkin valolla havaittavissa olevia kirkastumisia flare-purkausten merkiksi.

Arvelin aiemmassa tekstissäni, että Proxima b saattaa kyetä säilyttämään elinkelpoisuutensa terminaattorivyöhykkeensä puitteissa. Vaihtoehtoisesti, planeetan kaasukehä on haihtunut avaruuteen aktiivisen tähden säteilyn, hiukkastuulen ja purkausten ansiosta, ja se muistuttaa lähinnä massiivisempaa versiota Merkuriuksesta vailla kaasukehää ja elämän edellytyksiä. On kuin kohtalon ivaa, että James Webb -avaruusteleskooppi paljasti planeetan TRAPPIST-1 b olevan juuri sellainen kuoliaaksi korventunut kivi saatuaan suoria havaintoja planeetan pintalämpötilasta, joiden avulla selvisi, että siltä puuttuu kaasukehä. Kyseessä on toki Proxima b:tä kuumempi planeetta mutta kohtalokas kaasukehän menetys saattaa olla kuoliniskuna monelle vastaavalle punaisten kääpiötähtien kiertolaisille ja erityisesti niiden elinkelpoisuudelle. Joidenkin tutkijoiden parissa on kuitenkin heränny jo huolta siitä, havaitaanko muiltakaan TRAPPIST-1 järjestelmän kiviplanetalta kaasukehiä, kun JWST:n havaintojen monitahoinen käsittely valmistuu ja on aika vetää johtopäätöksiä

Kuin kirsikkana kakun päällä, tutkijat ovat saaneet selville, että vaikka maanpäällinen elämä voisi aivan mainiosti yhteyttää hiilidioksidia ja vettä valon avulla sokereiksi myös punaisten kääpiötähtien olosuhteissa, ei sopivien säteilyolosuhteiden kirjo kuitenkaan osu kovinkaan hyvin yksiin niiden fysikaalisten olosuhteiden kanssa, jotka mahdollistavat nestemäisen veden esiintymisen. Tuoreiden tulosten mukaan punaisten kääpiötähtien planeetoilla ei ole juuri edellytyksiä paikallisten sinibakteerien ja muiden yhteyttävien organismien esiintymiselle, joten vaikka niiden pinnoilla elämää olisikin, se tuskin muistuttaa sellaista elämää, johon olemme metsäisellä, vihertävällä planeetallamme tottuneet.

Terminaattorivyöhykkeellä virtaava vesi

Yksi tuore tutkimustulos (1) joka tapauksessa tukee ajatusta siitä, että elinkelpoisen vyöhykkeen vuorovesilukkiutuneilla planeetoilla voisi olla nestemäistä vettä terminaattorillaan, ja siitä uutisoi äskettäin myös Tähdet ja avaruus. Maan ilmakehän mallintamiseen ja ennustamiseen rakentamamme ilmastomallit sisältävät vain perusfysiikkaa ja -kemiaa, joten niitä voidaan soveltaa mainiosti eksoplaneettojen olosuhteiden tutkimukseen tietyin oletuksin. Voimme mallintaa planeettaa, joka kylpee punaisen tähden säteilyssä siten, että säteilyä osuu kaikkina aikoina vain planeetan toiselle puoliskolle. Silloin pimeän ja valoisan puolen välissä, terminaattorin molemmin puolin, voisi olla elämälle suotuisat olosuhteet. Tällaiset pinnaltaan osittaisen elinkelpoisuuden maailmat saattavatkin muodostaa jopa valtaosan kaikista universumimme elinkelpoisista planeetoista, jos ne vain ylipäätään kykenevät ylläpitämään elämää.

Tärkein elämän edellytyksiä määrittävä tekijä on jälleen kerran nestemäinen vesi, jonka olemassaolo on ehdoton vaatimus kaikelle elämälle omalla planetallamme. Terminaattorin elinkelpoisuuteen kuitenkin vaaditaan, että vettä ei ole liikaa — jos planeettaa peittää syvä valtameri, tähden säteily saa vettä haihtumaan valoisalla puolella niin paljon, että planeettaa peittää pian paksu vesihöyryvaippa, jonka voimakas kasvihuoneilmiö tuhoaa koko planeetan elinkelpoisuuden. Kuivemmilla planeetoilla niin ei käy, vaan terminaattorin alueella voi olla nestemäistä vettä planeetan pinnalla, vaikka lähes koko valoisa puoli muuttuisikin elottomaksi autiomaaksi kaiken veden haihtuessa ja kulkeutuessa ilmavirtojen mukana pois. Suuri osa sellaisen planeetan vedestä lukkiutuisi planeetan pimeälle puolelle ikijääksi mutta terminaattorin alueella voisi silti olla elämälle suotuisat olosuhteet. Ikijää saattaisikin pelastaa monen lukkiutuneen planeetan terminaattorialueen elinkelpoisuuden. Kun valtaosa planeetan vedestä kulkeutuu pimeän puolen ikijääksi, jopa vetisemmistä lähtökohdista ponnistava planeetta saattaa päätyä elinkelpoiseksi kuivuttuaan valoisalta puoleltaan ja kasvihuoneilmiön heikennyttyä riittävästi.

Lukkiutuneiden planeettojen tutkiminen voisi silti osoittautua hankalaksi jopa tarkimilla avaruusteleskoopeilla, kuten JWST. Havainto planeetan lämpösäteilystä saattaisi olla mahdollinen myös hiukan viileämmälle planeetalle, jonka terminaattori on elinkelpoinen. Silloinkin liian ohut kaasukehä saattaisi kuitenkin jäädä havaitsematta, ja havaintojen tulkinta voisi olla samankaltainen kuin TRAPPIST-1 b:n tapauksessa. Kun voimme havaita lämpösäteilyä vain kuumemmalta valoisalta puoliskolta, ja jos merkkejä kaasukehästä ei näy, saattaa olla houkuttelevaa tehdä virheellinen johtopäätös planeetan elottomuudesta. Esimerkiksi Maan ilmakehää ohuempi kaasukehä on kuitenkin toistaiseksi havaintojen tavoittamattomissa, vaikka sellainen saattaisi hyvinkin riittää paineeseen, jossa nestemäisen veden esiintyminen onnistuu erilaisissa ilmasto-olosuhteissa.

Toivon mukaan ainakin yhdeltä TRAPPIST-1 -järjestelmän planeetoista voidaan havaita merkkejä kaasukehästä, jotta voimme varmistua, että kaasukehän menettäminen ei ole kaikkien punaisia kääpiötähtiä kiertävien vuorovesilukkiutuneiden planeettojen kohtalona ja elinkelpoisuuden esteenä. Kuten tieteessä aina, mikään ei ole varmaa ja toistaiseksi voimme vain toivoa kunnes saamme uusia havaintoja tarkasteltavaksemme.

---

Pieni alaston eksoplaneetta

27.3.2023 klo 23.29, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Elinkelpoisuus , Havaitseminen , Koostumus

Katson ulos ikkunasta, jossa lumihiutaleet viilettävät vinhaa vauhtia viistosti kohti maata. Niitä on kertynyt valkoiseksi peitteeksi jo yli kolmenkymmenen sentin paksuudelta, enkä voi välttyä siltä ajatukselta, että pian on lähdettävä lapioimaan niitä pois ovien edestä ja kulkuväyliltä. En kuitenkaan malta ihan vielä, koska ajatukseni ovat kirjaimellisesti muissa maailmoissa lukiessani uusimpia tutkimustuloksia lähitähtien eksoplaneetoista. En myöskään malta olla ajattelematta mitä ikkunasta tekemäni havainto kertoo planeetasta nimeltään Maa. Ainakin sen lämpötila ja kaasukehän paine mahdollistavat vesihöyryn kertymisen kaasukehään sekä sen tiivistymisen alas sataviksi jääkiteiksi, joita kutsumme lumihiutaleiksi. Selvästi planeetan pintalämpötila on ainakin paikallisesti niin alhainen, että vesi jäätyy. Kaasukehä on myös liikkeessä, mikä näkyy hiutaleiden sivuttaisena liikkeenä. Ilmeisesti planeetalla on lämpötilaeroja, jotka pyrkivät tasautumaan ja tuntuvat tuulena. Niitä voi aiheuttaa vaikkapa yön ja päivän vaihtelu planeetan pyörähtäessä oman akselinsa ympäri.

Eksoplaneetoista on ollut toistaiseksi mahdotonta saada näin yksityiskohtaista tietoa, koska emme pääse paikan päälle tekemään tarkkoja havaintoja. James Webb -avaruusteleskoopin myötä tilanne on kuitenkin muuttumassa nopeasti.

---

Tuorein JWST:n havainto koskee pientä planeettaa TRAPPIST-1 b, joka on noin 10% Maata suurempi ja 40% massiivisempi kiviplaneetta kiertämässä punaista kääpiötähteä vain noin 40 valovuoden päässä Aurinkokunnasta. Se on yksi seitsemästä tunnetusta kappaleesta järjestelmässään, ja niistä sisin, jonka kiertoaika tähtensä ympäri on vain puolitoista Maan vuorokautta. Planeetan on arvioitu olevan liian kuuma elinkelpoiseksi planeetaksi, mutta sen pintalämpötilaa on voitu arvioida vain tekemällä oletuksia sen kaasukehästä. Vuorovesilukkiutunut kiviplaneetta olisi viileämpi valoisalta puoliskoltaan ja lämpimämpi pimeältä puoleltaa, jos sillä olisi kaasukehä tasaamassa yön ja päivän puoliskojen lämpötilaeroa. Vaihtoehtoisesti planeetalla saattaisi olla paksu hiilidioksidipitoinen kaasukehä kuten Venuksella, ja sen voimakas kasvihuoneilmiö voisi tehdä kappaleesta kauttaaltaan helvetilisen pätsin, jonka kuumuudessa lyijykin sulaisi. Mutta miten JWST voisi saada tietoa kaukaista tähteä kiertävän pienen planeetan kaasukehästä?

Yksi mahdollisuus on transmissiospektroskopia, eli tähden valon tarkkailu eri aallonpituuksilla, kun se suodattuu planeetan kaasukehän läpi ylikulun aikana. Menetelmällä on tehty tarkkoja havaintoja useiden jättiläisplaneettojen kaasukehien koostumuksista. Havaintoa koetettiin aikaisemmin mutta merkkejä kaasukehän läpi suodattuneesta säteilystä ei saatu. Tutkijat onnistuivat sulkemaan pois sen mahdollisuuden, että planeetalla TRAPPIST-1 b olisi paksu vetypitoinen kaasukehä mutta muitakaan merkkejä kaasukehästä ei raportoitu ja asiasta ei vuoden 2022 joulukuussa julkaistu tutkimusraporttia. Tutkijoilla on kuitenkin muitakin valtteja hihassaan.

Jos eksoplaneetta kulkee radallaan tähtensä editse aiheuttaen ylikulun, jolloin sen olemassaolo voidaan todeta yksinkertaisella tavalla tarkkailemalla tähden kirkkautta, on selvää, että planeetan ja tähden liike toistensa ympäri tapahtuu täsmälleen kohtisuorassa taivaankannen määrittämää tasoa vastaan. Kiertoradan geometria tarkoittaa silloin sitä, että planeetta liikkuu radallaan myös täsmälleen tähden takaa. Kulkiessaan tähden takaa planeetan meitä kohti näkyvä puolisko on tähden kirkkaasti valaisema ja kuumentama. Kuumentunut puoli taas lähettää lämpösäteilyä, eli infrapuna-alueen säteilyä, jolla JWST tekee havaintojaan. On siis mahdollista havaita tähden ja planeetan muodostaman järjestelmän näennäinen himmeneminen infrapuna-alueella planeetan kulkiessa tähden takaa. Kyse on hyvin heikosta efektistä, mutta JWST:n valtaisa herkkyys juuri infrapuna-alueella tekee havainnon mahdolliseksi (Kuva 1.).

Sekundäärisen ylikulun havainnossa on kyse suorasta planeetan säteilemän valon havainnoinnista. Jos tähden ja planeetan muodostama järjestelmä näyttää himmenevän havaittavasti planeetan kulkiessa tähden takaa, voimme määrittää tähden tarkan kirkkauden ja planeetan siihen tuottaman lisäyksen sen valaistun puoliskon näkyessä eri tavalla radan eri vaiheissa. Planeetta tietenkin säteilee tähdestään saamaansa energiaa, mutta säteilystä voidaan määrittää sen pintalämpötila. Pintalämpötilaa taas voidaan verrata laskennalliseen lämpötilaan tehden erilaisia oletuksia kaasukehän koostumuksesta ja paksuudesta — tai olettaen koko kaasukehän puuttumisen. On siten mahdollista selvittää minkälainen kaasukehä planeetalla on perustuen pelkkään hiuksenhienoon himmenemiseen havaitussa infrapuna-alueen mittaussarjassa.

TRAPPIST-1 b:n tapauksessa havaittu lämpötila selittyy mainiosti sillä, että planeetan kaasukehä on vain hyvin harva tai puuttuu kokonaan kuten Merkuriuksella, jolloin lämmönsiirtoa planeetan valoisan ja pimeän puoliskon välillä ei tapahdu lainkaan. Siten TRAPPIST-1 b on kuin jättiläismäinen versio Merkuriuksesta — kuuma ja karu kiviplaneetta, jonka mahdollisuuksien ylläpitää elämää voidaan katsoa nyt menneen. Sen valoisan puolen pintalämpötila on noin 230 celsiusastetta, mikä tekee pinnasta Merkuriusta kuumemman ja kaasukehän puute takaa sen, että planeetalla ei voi virrata elämän olemassaolon mahdollistavaa nestemäistä vettä.

JWST on vihdoinkin mahdollistanut TRAPPIST-1 tähden planeettojen ominaisuuksien tarkastelun. Vaikka on tavallaan hienoinen pettymys, että ensimmäiset havainnot paljastavat järjestelmän sisimmän planeetan olevan kuuma ja karu, kaasukehätön kappale, se on kuitenkin ensimmäisiä konkreettisia havaintoja planeettakunnan jäsenten todellisista ominaisuuksista. Toistaiseksi olemme onnistuneet määrittämään vain planeettojen koot ja massat, mikä antaa ainoastaan epäsuoraa tietoa niiden koostumuksesta keskitiheyden avulla. Mahdollisuus havaita yhdenkin planeetan pintalämpötila suoraan on aiempaan verrattuna valtava harppaus eteenpäin.

Uudet havainnot ovat kiinnostavia myös siksi, että kiertäessään tähtiään hyvin lähellä, pienten punaisten kääpiötähtien kiviset planeetat ovat alttiina tähtiensä voimakkaalle hiukkastuulelle ja purkauksille. Planeetan TRAPPIST-1 tapauksessa purkaukset ja suurienerginen säteily ovat saattaneet hävittää planeetan kaasukehän vuosimiljardien saatossa, mikä ei lupaa hyvää myöskään muiden järjestelmän planeettojen elinkelpoisuudelle. Ne ovat kuitenkin nyt JWST:n tarkan silmän alla, ja saamme mitä todennäköisimmin tietoa myös niiden kaasukehistä vielä kuluvan vuoden aikana. Järjestelmän kiviplaneettojen tutkimus auttaa joka tapauksessa arvioimaan minkälaisia mahdollisuuksia elämällä on syntyä ja kehittyä pienten punaisten tähtien järjestelmissä, joissa valtaosa universumimme planeetoista sijaitsee. Maapallolta tuttujen yhteyttämään kykenevien elämänmuotojen mahdollisuus esiintyä niiden pinnoilla näyttää joka tapauksessa kapealta.

---

Eksoplaneettojen yhteyttävän elämän vyöhyke

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

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

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

---

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

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

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

---

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

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

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

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

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

---

Ei edelleenkään merkkejä vieraista teknisistä sivilisaatioista

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

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

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

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

---

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

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

---

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

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

---

Elinkelpoisuuden takaava ja tuhoava vesi

6.2.2023 klo 12.02, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat

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

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

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

---

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

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

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

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

Ennustaako 300-vuotias laki eksoplaneettojen ratoja?

18.1.2023 klo 11.06, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat

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

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

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

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

---

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

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

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

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

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

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

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

Yksinäisyyden saarekkeet

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

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

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

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

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

---

Kun tähtitiede loikkaa eteenpäin

19.12.2022 klo 12.46, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat

Monen tähtitieteen tutkijan aamurutiineihin kuuluu sähköisten ennakkojulkaisujen arkiston arXivin tuoreiden julkaisujen silmäily aamukahvin lomassa. Se on ilmaiseksi selattavissa oleva arkisto, johon likimain jokainen tähtitieteen alan tutkimus tallennetaan tyypillisesti sen tultua hyväksytyksi julkaistavaksi jossakin tieteellisessä julkaisusarjassa. Tuorein tiede saatetaan siis kaikkien vapaasti luettavaksi ennen kuin sen varsinainen julkaisu monesti huomattavasti hitaammin toimivissa tiedeellisissä sarjoissa on ehtinyt tapahtua. Kyse on tieteen avoimuudelle ja saatavuudelle valtavan hyödyllisestä palvelusta ja menettelytavasta, ja suoraan sanoen ihmettelen miten niinkin moni kaupallinen julkaisija sietää palvelun olemassaoloa.

Tällä viikolla ei ole kuitenkaan mennyt päivääkään niin, että kahvi ei olisi ehtinyt jäähtymään jäätyäni aamuvarhaisella selaamaan tuoreita tutkimustuloksia. Muutoinkin nopeasti etenevässä eksoplaneettatutkimuksessa viikko on ollut aivan huikeaa uuden tiedon tykitystä ja vaikka jokainen tieteellinen artikkeli tuokin mukanaan vain jonkin pienen murusen uutta tietoa, tuntuu kuin olisimme tällä viikolla edistyneet vähintäänkin jonkinlaisen harppauksen verran tieteenalallamme.

Proxima b vaikuttaa elinkelvottomalta

Aiemmat arviot Proxima Centauria kiertävän elinkelpoisen vyöhykkeen eksoplaneetan Proxima b mahdollisesta elinkelvotomuudesta ovat saaneet lisää tukea. Uudessa tutkimuksessa arvioitiin planeetan pintaan osuvaa suurienergisen hiukkas- ja sähkömagneettisen säteilyn voimakkuutta. Ollessaan elinkelpoisella vyöhykkeellä, jossa nestemäistä vettä voi lämpötilan puolesta esiintyä, punaisia kääpiötähtiä kiertävät planeetat ovat hyvin lähellä tähteää ja kiertävät ne vain muutamassa tai korkeintaan muutamassa kymmenessä päivässä. Silloin ne altistuvat suurille annoksille säteilyä, jos tähti sattuu olemaan aktiivinen nuoruutensa tai muiden tekijöiden vuoksi.

Proxima Centaurilla on muiden kaltaistensa pienten tähtien tapaan magneettikenttä, jonka voimakkuutta voi arvioida mallintamalla sitä tietokoneella. Mallintaminen taas on mahdollista, koska magneettikentästä on tehty havaintoja Zeeman-Doppler -kuvantamisella. Periaate on yksinkertainen. Tähden säteilyn spektriviivat jakautuvat Zeeman-ilmiön vuoksi useaan osaa, jotka voidaan erottaa toisistaan tarkoilla spektrimittauksilla — oleellisesti kyseessä ovat samanlaiset spektrihavainnot, kuin millä havaitaan tähden radiaalinopeuden jaksollisia vaihteluita ja siten planeettoja. Havainnoista saadaan siten selville tähden magneettikentän rakenne ja voimakkuus ja sitä mallintamalla voidaan arvioida sitä sähkömagneettista dynamoa, joka kentän aiheuttaa. Dynamot taas perustuvat siihen, että liikkuva varaus aiheuttaa magneettikentän — tähden sisuksissa kyse on sähköisesti varatun plasman liikkeistä tähden pyöriessä ja kuumemman plasman virratessa pintaa kohti.

Tuoreiden tutkimustulosten mukaan, tähtituuli puhaltaa Proxima b:n radan etäisyydellä noin 100-300 kertaa voimakkaampana kuin Maapallolla. Tähden ollessa aktiivisimmillaan, tähtituulen voimakkuus voi kasvaa jopa monituhatkertaiseksi. Se taas tarkoittaa, että Proxima b ei välttämättä kykene pitämään kiinni kaasukehästään, puhumattakaan nestemäisestä vedestä, joten planeetan luonne kandidaattina elinkelpoiseksi planeetaksi on vähintäänkin kyseenalainen. On kuitenkin mahdollista, että Maata massiivisempana Proxima b:n oma magneetikenttä voisi olla Maan kenttää huomattavasti voimakkaampi ja tarjota suojaa vihamieliseltä tähdeltään. Se on kuitenkin vain spekulaatiota, koska havaintoja ei ole ollut mahdollista tehdä.

Uusia elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja

Vaikka Proxima b vaikuttaakin elinkelvottomalta, uudet lähitähteä Gliese 1002 kiertävät kiviplaneetat eivät ehkä ole sitä. Tuoreiden havaintojen mukaan, tähteä kiertää kaksi arviolta Maan massaista planeettaa etäisyydellä, jossa niiden pinnoilla on sopivat lämpötilaolosuhteet nestemäisen veden esiintymiselle. Tähti sijaitsee vain 16 valovuoden etäisyydellä, joten se tarjoaa uuden esimerkin Auringon lähinaapuruston elinkelpoisen vyöhykkeen planeetoista. Tunnemme jo peräti seitsemän lähijärjestelmää, joissa on ainakin yksi elinkelpoisen vyöhykkeen kiviplaneetta. Ne ovat siten hyvin yleinen planeettatyyppi, vaikkakin kaikki esimerkit ovat punaisten kääpiötähtien järjestelmissä.

Tutkijoiden uusi löytö ei kuitenkaan tullut aivan helpolla siitäkään huolimatta, että heidän käytössään oli maailman tarkimmat havaintolaitteet, mukaan lukien Euroopan Eteläisen Observatorion ESPRESSO -instrumentti, joka on asennettu 10 metrin teleskoopille nimeltään VLT. Havaintoja häiritsi tähden pinnalla oleva pilkkurakenne, joka tuottaa havaintoihin jaksollisia vaihteluita noin 115 päivän jaksoissa. Tutkijat kuitenkin onnistuivat suodattamaan tähdenpilkkujen aiheuttamat vaihtelut pois havainnoistaan, mikä riitti planeettojen olemassaolon paljastumiseen.

Vetisiä maailmoja

Kepler -avaruusteleskoopin havainnoista löydetyt lukuisat planeetat eivät ole unohtuneet tähtitieteilijöiltä, vaan niiden jatkotutkimukset ovat käynnissä ja tuottavat jatkuvasti uusia tietoja planeettoen ominaisuuksista. Nyt tutkijat ovat saaneet tarkempaa tietoa neljän planeetan järjestelmästä tähden Kepler-138 ympärillä. Kaksi planeetoista on saatu punnittua tekemällä havaintoja radiaalinopeusmenetelmällä ja massojen avulla on voitu arvioida planeetojen keskitiheyttä ja siten koostumusta.

Planeettojen Kepler-138 c ja d tutkimus paljasti, että ne koostuvat aineksesta, joka on keveämpää kuin kivi mutta raskaampaa kuin neptunuksenkaltaisten planeettojen vedystä ja heliumista koostuva kaasuvaippa. Ainoaksi realistikseksi vaihtoehdoksi jää silloin vesi, jota on jopa puolet planeettojen kaikesta massasta. Aiemmin on ajateltu, että vastaavat noin 50% Maata suuremmat supermaapallot ovat koostumukseltaan maankaltaisia planeettoja, joilla on vain ohut kaasukehä peittämässä silikaattivaippaa ja metalleista koostuvaa ydintä. Tähden Kepler-138 supermaapalloilla on kuitenkin pinnallaan tuhansien kilometrien paksuinen meri, jonka pohjalla vesi muuttuu kovassa paineessa eksoottiseksi jääksi, jonka fysiikkaa ei ole voitu tutkia kovinkaan tarkasti maapallon olosuhteissa.

Vaikka meriplaneettojen olemassaoloa onkin ehdotettu perustuen siihen, miten yleisiä vedestä (jäästä) koostuvat kappaleet ovat omassa planeettakunnassamme, näinkin pienten supermaapallojen vetinen koostumus oli silti tutkijoille yllätys. Se kuitenkin alleviivaa vanhaa totuutta, jonka mukaan luonto ei ole vain ihmeellisempi kuin kuvittelemme, vaan ihmeellisempi kuin edes voimme kuvitella. Havaitut eksomeret eivät kuitenkaan ole elinkelpoisia, koska planeetat ovat niin lähellä tähteään, että kuumuus tekee niiden vetisestä pinnasta kiehuvan painekattilan, jossa elämän edellytyksiä ei ole. Elämän esiintyminen meriplaneettojen olosuhteissa voisi kuitenkin olla mahdollista, jos niiden lämpötila on sppiva ja elämän synty ei ole estynyt meren valtavan syvyyden vuoksi.

Uusia havaintoja James Webb -teleskoopilta

James Webb -avaruusteleskooppi on jo kirjaimellisesti ehtinyt mullistaa tähtitieteen. Emme ole kuitenkaan vielä nähneet mitä sen havainnot kertovat tasapainon reunalla keikkuvan TRAPPIST-1 järjestelmän planeettaseitsikosta. Havaintoja on tehty jo runsaasti, mutta niiden analysointi on edelleen kesken ja tuloksia ei ole julkaistu tutkijayhteisön nähtäville kokonaisuudessaan.

Tiedon murusia on kuitenkin jo ehditty paljastaa. TRAPPIST-1 järjestelmän planeettojen koostumus ei ole vielä tiedossa mutta tiedämme, että JWST kykeneen tekemään havaintoja niiden kaasukehien ominaisuuksista — jos niitä vain peittävät sopivan paksut kaasukehät. Tiedämme jo sen, että järjestelmän uloimmalla ylikulkevalla supermaapallolla TRAPPIST-1 g ei ole suojanaan paksua vedystä ja heliumista koostuvaa primitiivistä kaasukehää, joka peittää lukuisia minineptunuksia ja Neptunuksen kokoluokan planeettoja. Kyse on planeettakunnan suurimmasta planeetasta, joka sattuu sijaitsemaan tänden elinkelpoisella vyöhykkeellä. Primitiivisen vetypitoisen kaasukehän puute taas tarkoittaa sitä, että planeetta on luultavasti tyypillinen kiviplaneetta ja siten monella tapaa maankaltainen maailma. Koska kaasukehä ei ole vetypitoinen ja siten paksu ja helposti JWST:n havaittavissa, sen on oltava koostumukseltaan sellainen, jossa on suuria määriä painavampia molekyylejä kuten esimerkiksi hiilidioksidia. Vaikka koostumus ei olekaan vielä tiedossa, siitä julkistetaan varmasti lisää tietoa, kun havaintojen työläitä analyyseja saadaan valmiiksi lähitulevaisuudessa. Vastaavia viitteitä on saatu myös lämpimästä sisäplaneetasta TRAPPIST-1 b, jonka kaasukehältä niinikään puuttuu vetypitoiselle kaasukehälle tyypillinen paksuus ja ominaisuudet.

Tutkijat kuitenkin kertovat, että ensi vuoden puolella järjestelmän planeetoista saadaan kattavampaa tietoa, ja voimme ryhtyä tarkastelemaan niiden elinkelpoisuutta perustuen suoriin havaintoihin kaasukehien koostumuksista ja ominaisuuksista, eikä pelkästään laskennalliseen pintalämpötilaan ja tietokonesimulaatioihin.

---

Luvassa on kiinnostava tuleva vuosi eksoplaneettatutkimuksen saralla ja uskon, että mielenkiintoisten tutkimustulosten tulva jopa kasvaa lähitulevaisuudessa, kun esimerkiksi JWST:n havaintojen käsittelystä tulee uutuuden sijaan rutiinia. Aion henkilökohtaisesti osallistua niin eksoplaneettatutkimukseen kuin tulosten popularisointiinkin, joten kannattaa seurata tapahtumia tällä kanavalla.

Viimeinen tutkimusmatka, osa 4

8.12.2022 klo 09.22, kirjoittaja Mikko Tuomi
Kategoriat: Eksoplaneetat , Synty ja kehitys

Tieteellisessä työssä, kuten kaikissa inhimillisissä pyristelyissämme, on se puoli, että onnistumiset ruokkivat kunnianhimoa. Kun onnistuu selvittämään jonkin merkittävän tieteellisen faktoidin, pikkiriikkisen palasen tieteellisen tiedon kumuloituvaa kokoelmaa, on seurauksena lähes kokonaisvaltainen hyvänolontunne, joka saa tutkimuksen tekemisen ainaisen kamppailun vaikeudet ja rasitukset unohtumaan ainakin muutaman hetken ajaksi. Se tunne kantaa läpi vuosikymmenten. Kun on kerran saanut seistä jättiläisten harteilla ja nähdä kauemmas kuin kukaan muu, sinne haluaa aina vain uudelleen. Eksoplaneettatutkimuksessa tieteen rajaseudulla näkee kirjaimellisesti uusia maailmoja, eksoplaneettoja, joista emme aiemmin tienneet mitään ja joita voimme tulevaisuudessa tutkia yhä tarkemmin.

Meiltä eksoplaneettatutkijoilta kysytään usein miltä tuntuu löytää kokonaisia uusia maailmoja. Sitä tunnetta on jokseenkin mahdotonta kuvailla, koska sitä ei voi oikein verrata mihinkään yleisesti ihmisten kokemuspiirissä olevaan asiaan. Tieteen parissa työskentelevät kuitenkin tietävät tunteen, josta puhun. Uuden tieteellisen löydön tekeminen, uuden merkittävän oivalluksen saaminen, ja tieteen rajapinnan työntäminen hitusen verran kauemmas tuntemattomaan on se tutkijoita eteenpäin ajava voima. Se tuottaa sisäisen motiivin, jota voimakkaampaa ei koskaan voi saada rahalla ja joka auttaa vetämään akateemisen maailman kivirekeä aina vain eteenpäin. Kun sisäistä motivaation lähdettä ajoittain ruokkii sillä, että havaitsee uusia planeettoja, joiden pinnalla elämä voi kukoistaa monimuotoisena, on uravalinta varmasti lukittu loppuelämäksi, jos vain taloudelliset tekijät sen mahdollistavat.

---

Katson horisontissa kohoavaa El Plomon vuorta, jonka valkoinen huippu siintää yhtenä korkeimmista Andien huipuista Santiagon lähettyvillä. Sitä katsoivat kunnioittavasti jo inkat, jotka satoja vuosia sitten uhrasivat ihmishenkiä huipulle rakentamassaan temppelissä. Nyt vuoren rinteet ovat ohueen ilmaan sopeutuneiden vikunjojen ja niitä ajoittain saalistavien puumien valtakuntaa, jonne ihmiset kiipeävät korkeintaan vain hetkeksi katsomaan maisemia. Vieressäni kasvaa subtropiikkiin sopeutuneita palmuja ja läheiseen puuhun laskeutuu parvi patagonianaratteja (Cyanoliseus patagonus) kävellessäni yhdessä Las Condesin kaupunginosan suurista puistoista. Lumen peittämä huippu kaupungin yllä kertoo täysin erilaisesta maailmasta, joka näyttäytyy Santiagon trooppisesta kuumuudesta katsottuma lähinnä kaukaiselta unelta.

Tutkimusmatkani eteläiselle pallonpuoliskolle on tullut päätökseen ja minun on pakattava laukkuni lentääkseni Suomen hyiseen talveen. Minua odottavat lumityöt ovat ehkä kaukana maantieteellisesti mutta ajallisesti ne ovat vain muutaman päivän päässä, koska Etelä-Suomeen on luvattu jopa 20cm lumikinoksia lähipäivinä. Las Condesin artesaanikylästä saa onneksi lämpimiä alpakan villasta kudottuja puseroita kotiin tuotavaksi. Ne sopivat oikein mainiosti suomalaiseen viimaan.

Olen kuitenkin muuttanut mieltäni. En ajattele enää, että tämänkertainen matkani Etelä-Amerikkaan ja Chileen jäisi viimeiseksi. Tutkimuksellisesti matka on ollut täysosuma, ja useat tieteelliset projektit ovat nytkähtäneet eteenpäin sellaisella voimalla, että matkan kipupisteet tuntuvat sen rinnalla suorastaan mitättömiltä pikkujutuilta. Laskin mielessäni, että kuukauden visiitistä voi olla seurauksena yhteensä 4-6 tieteellistä artikkelia erilaisista eksoplaneettoihin liittyvistä asioista. Se on enemmän kuin osasin edes toivoa — joukkoon mahtuu niin tuoreita planeettalöytöjä kuin uusia matematiikan ja tilastotieteen menetelmien sovelluksia eksoplaneettojen havainnointiin. Edistyminen menetelmäpuolella taas tyypillisesti johtaa uusiin löytöihin ja tarkempaan tietoon tulevaisuudessa, kunhan sovellamme uusia työkaluja olemassaoleviin havaintoihin. Tutkimus etenee myös Suomessa. Opiskelijani ovat edenneet ja kykenevät varmasti osallistumaan tuleviin yhteistyöprojekteihin chilenojen kanssa. Sekin avaa uusia mahdollisuuksia tulevaisuudessa mutta vain aika näyttää mihin tarkalleen tieteellinen työ meidät kuljettaa.

Suomalaiseen ilmastoon tottuneena tuntuisi hienolta, jos pihassa kasvaisi oma sitruunapuu, josta saisi aina tarvittaessa hedelmiä ruokien tai juomien maustamiseen tai jos chilejä voisi kasvattaa pihamaan nurkassa, eikä tarvittaisi kasvihuonetta kasvukauden pituuden riittävyyden varmistamiseksi. Ajatukseni kuitenkin harhailevat ainaisiin rahoitushuoliin ja siihen, miten voin varmistaa oman tutkimusrahoitukseni jatkumisen niin pitkään, että voin tulevaisuudessakin vierailla Santiagossa tutkimusmatkalla. Tajuan kuitenkin nopeasti ajatteluni lähteneen väärille urille. Jos olen vielä viiden vuoden kuluttua työllistynyt tähtitieteilijänä, olen onnistunut hankkimaan niin paljon rahoitusta tutkimukseeni, että meriittini luultavasti riittävät virkaan suomalaisissa yliopistoissa. Jos taas en onnistu tutkimusrahoituksen hankkimisessa, en silloin luultavasti ole alan ammattilaisena, vaan olen ryhtynyt tekemään elääkseni jotakin muuta. Ehkäpä en siis enää palaa tälle ihmeelliselle vuorten ja valtameren rajoittamalle kapealle kaistaleelle maata, jolle maailman suurimmat teleskoopit rakennetaan. Pohdin silti mielessäni tulevani vielä takaisin vaikka sitten vain tapaamaan ystäviäni.

Nostan matkalaukkuni auton takapenkille ja istun itse kuljettajan viereen. Kuljemme mäkisen maaston läpi, jossa viljellään viiniä sekä alavammilla pelloilla mangoja ja avokadoja. Matkaan lentokentälle mutten halua ajatella edessä olevaa yli 30 tunnin matkustusrupeamaa, vaan käännän ajatukseni kaikkeen siihen, mitä ikkunasta sattuu näkymään. Santiagon esikaupunkialueet näyttäytyvät köyhyyden, toivottomuuden ja rikollisuuden piinaamina palasina paratiisia, jossa on aina lämmin ja jonka asukkaat ovat aina ystävällisiä ja vieraanvaraisia. Voin vain toivoa sen asukkaille parempaa hallitsijaonnea. Sellaista, josta olemme saaneet hyötyä vuosikymmenten ajan pohjoisessa. Chilenot jos ketkä sen ansaitsisivat.

---

Lentokentän tympeässä ympäristössä voi rentoutua, jos onnistuu sulkemaan ihmisvilinän ja kulutuskulttuurin pois mielestään keskittymällä lukemaan jotakin kiinnostavaa. Luen erään Diego Portalesin yliopiston opiskelijan kirjoittamaa artikkelia yrityksestä havaita lähitähteä kiertävän kuuman neptunuksen kaasukehän ominaisuuksia ylikulkumenetelmällä. Kuumat neptunukset ovat kaasuvaippansa tähden intensiivisen säteilyn syleilyssä säilyttäneitä planeettoja, jotka menettävät massaansa jatkuvasti tähden säteilyn ja hiukkastuulen haihduttamana ja myös vuotamalla kaasua tähteen vuorovesivoimien vaikutuksesta. Ne eivät siksi pysy neptunuksenkokoisina kauan, vaan päätyvät paljaiksi planetaarisiksi kivi- ja silikaattiytimiksi satojen miljoonien vuosien saatossa. Silloin ne luokitellaan kuumiksi supermaapalloiksi mutta niiden syntyhistoria poikkeaa täysin samankokoisista viileämmistä planeetoista. Ajatuksena on määrittää kuinka pitkälle prosessi on edennyt mittaamalla raskaampien ainesten pitoisuutta planeetan kaasukehässä mutta havaintojen tarkkuus ei riitä kuin antamaan arvio pitoisuuden ylärajalle.

Historiallisessa perspektiivissään tutkimus on kuitenkin suorastaan uskomaton. Toisen auringonkaltaisen tähden kiertoradalla havaittu planeetta on selviö, koska sen olemassaolo on osoitettu täysin kiistämättömällä varmuudella. Se on massaltaan Neptunusta suurempi mutta kiertää tähtensä alle päivässä, mikä on täysin ennenkuulumatonta meidän kotoisan planeettakuntamme kontekstissa. Vain kolme vuosikymmentä sitten sellaisten planeettojen olemassaoloon ei olisi uskonut kukaan mutta nykyään jopa niiden koostumuksen tutkiminen on opiskelijoille soveltuva pikkuprojekti. Joskus hämmästyn itsekin siitä, miten nopeasti eksoplaneettatutkimus on edennyt jo oman, varsin lyhyen, vajaan viisitoistavuotisen tutkijanurani aikana. Tuskin maltan odottaa mitä tiedämme seuraavan viidentoista vuoden kuluttua.