Eksoplaneettojen irenesfäärit
Jalkojemme alla on elämää. En kuitenkaan tarkoita vain monenlaisia nilviäisiä ja niveljalkaisia lehtikarikkeen alla, maan koloissa tai mullan alla, vaan tarkoitan elämää, jota löytyy syvemmältä. Tarkoitan elämää peruskallion sisällä. Elävät mikrobit voivat pärjätä mainiosti kallioperässä. Ne tarvitsevat nestemäistä vettä, jota ne saavat kallion halkeamiin ja huokosiin kulkeutuvasta vedestä. Kaikki niiden tarvitsemat alkuaineet ovat mainiosti saatavilla erilaisissa silikaattimineraaleissa epäpuhtauksineen. Ja viimeisenä, ne voivat pyörittää elämänsä moottoria, aineenvaihduntaansa, ympäristöstään saamansa kemiallisen energian avulla. Sitä energiaa on saatavilla vaikkapa reaktiivisina kemiallisina radikaaleina, joita syntyy maankuoren raskaiden alkuaineiden radioaktiivisesta hajoamisesta. Mitään muuta ei tarvita. Elämä selviää alapuolellamme ikuisen rauhan vyöhykkeessä.
Tutkijat ovat lanseeranneet vyöhykkeelle nimeksi irenesfääri, millä tarkoitetaan rauhan- tai rauhallisuuden kehää. Se muodostuu antiikin Kreikan mytologian rauhan jumalattaren Eirenen ja englannin palloa tarkoittavan sanan yhdistelmästä. Termin on lanseerannut Arecibon observatorion Abel Mendez viitaten huhujen mukaan samalla kollegansa, planeettatutkija Irene Schneiderin nimeen. Mendezin määrittelyssä irenesfääri koski kaikkea sitä planeetan puitteissa olevaa tilavuutta, jossa lämpötila ja paine vain pysytttelevät sopivissa rajoissa elämälle — kallioperää, merta ja kaasukehää.
Jos jätämme kuitenkin tarkastelun ulkopuolelle kaasukehän ja pinnan perinteisesti elinkelpoisena pidetyt alueet, jotka ovat kaukana rauhallisista, sekä planeettojen pintaveden, irenesfäärille saadaan sen moderni merkitys. Se viittaa planeetan pinnan alapuolella olevaan lämpötilaolosuhteiltaan vakaaseen elinkelpoiseen ympäristöön, jossa mikrobit voivat tietojemme mukaan selvitä — ainakin periaatteessa. Käytännössä termillä tarkoitetaan kallioperän sisuksia, joiden rauhaa emme ole omalla planeetallamme onnistuneet häiritsemään kuin kourallisella syviä kaivoksia ja porauskuiluja — ja niilläkin vain hyvin satunnaisesti ja pienimuotoisesti. Sellainen rauhankehä ei ole Maalle uniikki, vaan vastaavia on lähes kaikilla muillakin kivisillä tai jopa jäisillä planeetoilla, kunhan ne vain eivät ole olosuhteiltaan liian kuumia tai jäätyneet kauttaaltaan elottomiksi. Alustavien arvioiden mukaan elinkelpoisia irenesfäärejä on mahdollisesti jopa kertaluokkia enemmän kuin Maasta tuttuja elinkelpoisia pintaolosuhteita. Tuoreessa tutkimuksessaan astrobiologit ovat kartoittaneet maailmankaikkeuden irenesfäärejä varsin kattavasti.
Kuinka paksuja planeettojen irenesfäärit ovat?
Jotta mikrobit voisivat elää kiven sisällä, lämpöä ei voi olla liikaa tai liian vähän. Lämpö karkaa planeetoilta herkästi, jos ne ovat hyvin pieniä. Vastaavasti, suuremmat maailmat pitävät kiinni syntyaikojensa lämmöstä miljardeja vuosia. Lämpöä tuottavat myös radioaktiivinen hajoaminen, joka voi olla yllätävänkin tehokasta, sekä vuorovesivoimat, jotka muokkaavat kivistä kuorikerrosta vapauttaen kitkalämpöä. Kriittistä on sopivan lämpöisen kiviaineksen määrä, mikä ei ole kovinkaan helppoa arvioida planeetoille, joiden koostumuksesta on jopa parhaimmin tunnettujen eksoplaneettojen suhteen käsillä vain valistuneita arvauksia. Oikotien arvioihin tarjoavat aurinkokunnan paremmin ymmärretyt kappaleet, joita voi mainiosti käyttää hyväksi arvioitaessa aurinkokunnan ulkopuolisten kappaleiden irenesfäärejä. Moni kivinen eksoplaneetta on keskitiheydeltään maankaltainen, joten Maan noin kolmanneksen suuruinen rautaydin ja sitä ympäröivä kahden kolmanneksen silikaattivaippa edustavat hyvää likiarvoa kivisten eksoplaneettojen yleisestä koostumuksesta. Olettamalla maankaltainen koostumus voimme siten arvioida planeettojen ominaisuuksia tekemättä perusteettomia oletuksia.
Ensin on seurattava vettä. Joidenkin planeettojen koostumuksesta voi olla vettä jopa valtaosa, mikä tuottaa kerrostuneita maailmoja, joissa pinnan mahdollisesti jääkuoren peittämän valtameren pohjalla on paksu kerros erilaisia veden eksoottisia, kovan paineen jään muotoja. Oleellista on nestemäinen vesi, jota voi olla myös huokoisessa kallioperässä suuria määriä virtaamassa verrattaen vapaana. Kaikki nestemäinen vesi ei kuitenkaan tarjoa elämän edellytyksiä, vaan veden on oltava sopivissa lämpötilarajoissa. Maan mikrobit selviävät noin 20 pakkasasteesta aina 120 asteen kuumuuteen saakka. Kovassakin pakkasessa vesi voi olla nestemäistä, jos se on erittäin suolaista ja pane auttaa sitä pysymään nesteenä yli sadan asteen lämpötiloissa. Mikrobeille rajoitteet ovat tiukempia ja mitä todennäköisimmin universaaleja. Kylmemmässä kemialliset reaktiot eivät voi tapahdua riittävän nopeasti aineenvaihdunnan ylläpitämiseksi ja kuumemmassa lämpö aiheuttaa organismeille niin suurta vahinkoa, että niiden korjausmekanismitkin ylikuormittuvat. Elämää ei voi olla, jos molekyylit hajoavat nopeammin kuin niitä voi rakentaa. Orgaanisiin yhdisteisiin, hiilen ketjuihin perustuva kemia ei luultavasti salli elämälle laajempaa lämpötilan vaihteluväliä millään keinoilla.
Huomioiden planeetan rataetäisyyden ja siten sen pinnalleen saaman säteilyn, ja olettamalla maankaltainen koostumus, tutkijat ovat arvioineet irenesfäärien paksuuksia planeettojen kivikuorten sisällä perustuen yksinkertaisiin planeettojen rakennemalleihin. Paksuimmat irenesfäärit löytyvät maankaltaisille planeetoille olosuhteista, joissa myös planeetan pinta on elinkelpoinen (Kuva 1.). Kaikkiaan irenesfäärejä voi esiintyä maankaltaiselle planeetalle jopa Merkuriuksen radan sisäpuolella ja aina Jupiterin radan ulkopuolelle asti. Tulos tarkoittaa, että mahdollisuuksia elinkelpoisuuteen aliarvioidaan systemaattisesti, jos turvaudutaan tarkastelemaan vain pinnan elinkelpoisuutta perinteisten elinkelpoisten vyöhykkeiden avulla.
Maan rataetäisyydellä esiintyvä paksu irenesfääri ei ole millään tavalla malliin asetettu ominaisuus, vaan fysikaalisista ja geokemiallisista lainalaisuuksista seuraava tulos. Se, että paksuin irenesfääri sattuu suunnilleen Maan rataetäisyydelle (oikeastaan 10% kauemmas Auringosta) kuvastaa ehkäpä vain sitä, että planeetan pinnan elinkelpoisuus maksimoi myös sen irenesfäärin tilavuuden, ja vailla pintaelinkelpoisuutta emme olisi pohtimassa asiaa. On kuitenkin loogista, että pinnan kuumetessa tai jäähtyessä merkittävästi, sen elinkelpoisuus katoaa ja irenesfäärin yläreuna asettuu syvemmälle pinnan alle. Riittävän kuumissa tai kylmissä olosuhteissa sen tilavuus häviää olemattomiin.
Planeetan massa vaikuttaa myös. Olettaen Maan koostumus, irenesfääri olisi paksuin, jos planeetta olisi massaltaan aavistuksen Maata suurempi. Keveämmillä planeetoilla rajoitteeksi muodostuu lämpötilan nopeampi kasvu syvemmälle mentäessä. Siitä huolimatta irenesfäärin paksuus heikkenee vain hyvin vähän keveämmillä planeetoilla, koska planeetan kutistuessa sen vetovoima ei enää purista kiviainesta niin herkästi tiiviiksi estämään nestemäisen veden esiintymistä kallioperän huokosissa. Suurempi massa puolestaan saa kiviaineksen nopeasti tiiviksi ja vähentää irenesfäärin paksuutta, vaikka planeetan kasvanut koko tuokin sille lisää tilaa.
Kokonaisuutena Maapallon irenesfäärin tilavuus on peräti 2.6 kertaa Maan valtamerten tilavuutta suurempi. Ne eivät kuitenkaan ole aivan vertailukelpoisia lukemia, koska meret ovat elinkelpoisia kauttaaltaan mutta kiven sisällä mikrobit voivat kukoistaan vain murto-osassa tilavuutta, huokosissa ja halkeamissa. Sen seurauksena elinkelpoista tilavuutta on vain noin kymmenyksen verran Maan valtamerten kokonaistilavudesta.
Irenesfäärien kehitys ja esiintyminen
Planeetat eivät ole muuttumattomassa ympäristössä ja muuttuvat itsekin hitaasti vuosimiljardien saatossa. Ympäristöön tuottaa muutoksia tähtien kehitys, koska auringonkaltaiset tähdet kirkastuvat ytimensä vetyvarantojen ehtyessä. Muutoksia tapahtuu myös planeetassa itsessään. Radioaktiivisen hajoamisen tuottama lämpö vähenee radioaktiivisten ytimien määrän vähetessä. Juuri planeettojen sisäisen lämmöntuotannon hiipuminen miljardien vuosien aikana heikentää lämpötilan nousua siirryttäessä syvemmälle niiden pinnan alle, mikä laajentaa irenesfäärejä. Kauempana, missä planeetan pinta ei ole elinkelpoinen, irenesfäärit ryhtyvät kutistumaan muutaman miljardin vuoden jälkeen.
Irenesfäärit ovat myös hyvin laajoja ja niitä esiintyy suurelle kirjolle erilaisia säteilyolosuhteita ja rataetäisyyksiä. Monenlaiset tähdet voivat siten ylläpitää planeettakuntiensa irenesfäärejä eri rataetäisyyksillä. Monissa tapauksissa lähes koko nestemäisen veden kerros on myös osa irenesfääriä, ja pelkkä veden esiintyminen nesteenä riittää siten tuottamaan elinkelpoisia olosuhteita. Jos kuitenkin pyritään vastaamaan kysymykseen millä ehdoilla irenesfääri voi olla olemassa, päädytään hämmästyttävän ylimalkaiseen lopputulokseen (Kuva 3.). Irenesfäärejä voi olla auringonkaltaisilla tähdillä likimain missä vain, kunhan ei olla aivan tähden lähellä ja kunhan aurinkoa himmeämpien tähtien suhteen pysytellään 2-5 Maan rataetäisyyden sisäpuolella.
Irenesfäärien absoluuttisiksi rajoitteiksi muodostuvat siten vain planeettojen täysi jäätyminen pinnaltaan heikoissa säteilyolosuhteissa ja liiallinen kuumuus aivan tähden lähellä. Heikompia rajoitteita muodostuu monista eri tekijöistä, mutta lämpötila muodostaa kriittisimmät reunaehdot maankaltaisilla planeetoilla.
Arvioitaessa irenesfäärien esiintymistä omassa galaksissamme, nopea ekstrapolointi tuottaa arvioita irenesfäärien kokonaistilavuudesta, joka vastaa miljardia Maan merten tilavuutta pelkästään auringonkaltaisten tähtien planeettakunnissa. Tilavuus nousee suunnilleen kymmenkertaiseksi, jos myös elinkelpoisuutensa suhteen arvoituksellisemmat punaiset kääpiötähdet lasketaan mukaan. Kyse on suunnattomasta elinkelpoisten alueiden saaristosta, johon verrattuna planeettojen elinkelpoiset pintaolosuhteet tuovat kuvaan mukaan vain joitakin satunnaisia pintaolosuhteiltaan elämälle soveltuvia paikkoja. Elinkelpoisten valtamerten tilavuus voi galaksissamme olla vieläkin suurempaa, mutta valtameriplaneetoista ei toistaiseksi tiedetä senkään vertaa kuin kivisistä maailmoista.
Arvio on lisäksi hyvin konservatiivinen, koska se nojaa pelkkiin alarajoihin planeettojen esiintymisessä irenesfäärit mahdollistavilla etäisyyksillä tähdistään. Maankokoisten planeettojen määristä Maan rataetäisyyttä kauempana tähdistään ei edelleenkään ole varmoja tietoja, ja niitä saattaa hyvinkin olla paljon enemmän kuin toistaiseksi otaksumme. Arviosta puuttuvat myös pienemmät kappaleet, kuten kääpiöplaneetat ja monenlaiset jättijäisplaneettojen kuut, joiden tiedämme piilottelevan nestemäistä vettä ja elinkelpoisia lämpötilaolosuhteita pintojensa alla jo aurinkokunnassa. Olemme siksi vasta raapaisemassa galaktisen elinkelpoisuuden pintaa arvioillamme koettaessamme tottua niihin käsitteisiin ja työkaluihin, joita tarvitaan elinkelpoisten alueiden mittaamiseen ja etsintään.
Irenesfäärit ja arviot niiden laajuudesta ja ominaisuuksista ovat yksi askel eteenpäin pyrkiessämme ymmärtämään maailmankaikkeuden elinkelpoisten alueiden määriä ja laajuuksia. Ne auttavat ymmärtämään elämän olemassaolon edellytyksiä ja todennäköisyyksiä, mutteivät tarjoa suoria vastauksia kysymyksiimme siitä, kuinka laajalti elämää esiintyy maailmankaikkeudessa. Ehkäpä eksoplaneettojen irenesfäärit kuhisevat elämää. Tai sitten eivät. Emme tiedä kuin vain vähän mutta tietämyksemme elämän mahdollisuuksista kasvaa sittenkin jatkuvasti. Ja kuten aina tieteellisessä tutkimuksessa, tulevat tulokset saattavat yllättää monin tavoin.