Jäätynyt valtameriplaneetta
Lähin tunnettu elinkelpoisen vyöhykkeen eksoplaneetta, Proxima b, on ominaisuuksiltaan ja luonteeltaan lähes täysin hämärän peitossa. Se on lähin mahdollinen kandidaatti maankaltaiseksi, elämää pinnallaan ylläpitämään kykeneväksi planeetaksi, vaikka vaikuttaakin siltä, että punaisten kääpiötähtien planeetat eivät ole kovinkaan hyviä ylläpitämään biosfäärejä. Pohjimmiltaan tietojemme putteellisuus johtuu käytettävissä olevien havaintomenetelmien rajoitteista. Proxima b ei kulje näkökulmastamme katsottuna tähtensä editse, joten sen suorat koonmittaukset ja koostumuksen arvioinnit esimerkiksi läpäisyspektroskopian avulla eivät tule kyseeseen. On tyydyttävä arvioon planeetan massasta, oletuksiin sen luonteesta kiviplaneettana ja todennäköisenä pidettävään joukkoon koostumusmalleja.
Pieni minimimassa, joka on ainoa planeetan fysikaalisesta luonteesta havaintomenetelmillä saatava parametri, kertoo Proxima b:n olevan suurella todennäköisyydellä kiviplaneetta. Silloin sen massasta karkeasti kolmannes on metallisessa ytimessä ja loput kivisessä vaipassa. Järjestelmästä havaittu sisempi planeetta takaa sen, että Proxima b ei ole syntynyt kaikkein sisimpänä järjestelmässään, joten sillä tuskin on Merkuriuksen tapaan merkittävästi massiivisempaa metalliydintä. Vain aivan sisimpänä syntyneet planeetat voivat saavuttaa siihen vaadittavan, riittävän suuren metallipitoisuuden. Proxima b voi olla myös hyvin vetinen. Vaikka veden määrälle ei ole mahdollista asettaa alarajaa, sitä saattaa olla planeetan koostumuksesta peräti neljänneksen verran.
On siis perusteltua ajatella Proxima b:n voivan olla valtameriplaneetta, jonka pinnalla lainehtii jopa satojen kilometrien paksuinen vesimassa. Vaikka varmojen johtopäätösten teko on vaikeaa, voimme olettaa vettä olevan planeetan pinnalla ja tarkastella sitten minkälaiseksi sen pintakerrokset muotoutuisivat perustuen hyvin tunnettuihin fysiikan lakeihin, kuten termodynamiikkaan. Planeetta pysyy sisuksistaan lämpimänä aivan kuten maakin, mutta lisänä ovat läheisen tähden suuremmat vuorovesivoimat. Myös maata suurempi massa tarkoittaa, että Proxima b:n sisuksissa on enemmän radioaktiivisia aineksia, jotka tuottavat hajotessaan lämpöä. Tähden säteilykin on hyvin tiedossa, ja sen lämmittävä vaikutus Proxima b:n pinnalla osataan arvioida hyvin tarkasti. Ne tiedot antavat reunaehdot, joiden pohjalta planeetan ominaisuuksia voidaan arvioida perustuen erilaisiin oletuksiin sen koostumuksesta.
Vailla kasvihuoneilmiötä
Kasvihuoneilmiön lämmittävään vaikutukseen vaaditaan kaasukehä, jossa on lämpöä sitovia kaasuja kuten hiilidioksidia tai metaania. Myös vesihöyry voi voimistaa kasvihuoneilmiötä, ja sitä onkin helposti saatavilla vetisen valtameriplaneetan olosuhteissa. Punaisten kääpiötähtien aktiivinen luonne vain tuottaa planeetoille haasteensa. Tähtituuli, voimakkaat purkaukset ja intensiivinen korkeaenerginen säteily riistävät helposti tähtiä lähellä radallaan kiertävien planeettojen kaasukehien ainesta. Ensin karkaavat keveimmät alkuaineet. Ultraviolettisäteilyn hajoittaessa vettä ja metaania, vapautuu vetykaasua, joka karkaa herkimmin avaruuteen. Myös raskaammat molekyylit voivat karata, ja niiden vuoto avaruuteen miljoonien vuosien aikaskaalassa heikentää kaasukehän kasvihuonevaikutusta. Se saa planeetan pintalämpötilan putoamaan merkittävästi aina lähelle laskennallista tasapainolämpötilaa, jossa planeetan pinnalle saapuvaa tähden säteily kyllä lämmittää mutta lämpöä myös karkaa planeetan säteillessä sitä avaruuteen.
Punaisten kääpiötähtien planeettojen suhteen vuorovesilukkiutuminen tuo mukanaan omat rajoitteensa. Tähden säteilyä saapuu vain planeetan valaistulle puoliskolle, ja pimeän puoliskon lämpötilat romahtavat nopeasti hyvin kylmiksi, koska ohut kaasukehä ei riitä tasaamaan lämpöä puoliskojen välillä. Proxima b:n tapauksessa lämpö saattaa riittää pitämään sulana vain ympyränmuotoisen alueen valoisan puoliskon keskellä. Sekin saattaa umpeutua pehmeän jään liikkeiden peittäessä avoveden ja lopputuloksena on kauttaaltaan jäätynyt maailma, joka muistuttaa suurikokoista jään peittämää kuuta kuten Europa tai Enceladus. Mutta mitä kohtalo jäätyneenä maailmana tarkoittaisi esimerkiksi Proxima b:n kohdalla?
Kivisen planeetan globaali valtameri ei voi jäätyä kuin pinnaltaan, koska kivisen vaipan lämpö riittää mainiosti vesivaipan pitämiseen sulana jääkuoren alla. Veden olomuotoon vaikuttavat oleellisesti lämpötila ja paine. Tutusta kolmen olomuodon maailmastamme poiketen, vesi ei kuitenkaan käyttäydy kiltisti ja yksinkertaisella tavalla planeettojen sisuksissa. Kasvava paine tuo mukanaan tavallisen jään lisäksi muitakin korkean paineen kiinteitä muotoja, jotka eivät kellu nestemäisen veden päällä (Kuva 1.). Lopputuloksena on kerrostuneita rakenteita, jotka aiheutuvat paineen ja lämpötilan kasvusta syvemmälle mentäessä. Järjestystä kuitenkin rikkoo geoterminen lämpö, joka sulattaa korkeassa paineessa jäätä nestemäiseksi vedeksi saaden sen karkaamaan keveämpänä ylemmäksi ja siirtämään samalla lämpöä ja mineraaleja nestemäisen meren alueelle. Sillä on merkittävät seurauksensa globaalin valtameren koostumukseen.
Maata hiukan suurempana Proxima b:n jääkuori ei voisi helposti pysyä sulana kuin runsaan kilometrin paksuisena kerroksena. Jos kaasukehä on ohut ja planeetan pintalämpötila vastaa karkeasti sen laskennallista tasapainolämpötilaa. Kasvihuoneilmiön ollessa heikkoa, Proxima b on pinnaltaan ehdottomasti jäässä jääden viileään, noin -16 celciusasteen lämpötilaan. Vuorovesilukkiutumisen ansiosta planeetan lämpötilajakautuma ei kuitenkaan voi olla tasainen, joten sulaa vettä voi esiintyä sen valaistulla puoliskolla. Se antaa planeetalle erikoisen, silmää muistuttavan ulkoasun. Valaistun puolen keskellä oleva avovesi höyrystyy ja muodostaa yläpuolelleen pysyvän pilvimuodostelman. Avoveden ulkopuolella näkyy kuitenkin vain jäätä, joka halkeilee lämpimällä puolella jatkuvalla tavalla voimakkaiden vuorovesivoimien puristuksessa.
Jään peittämän planeetan ei tarvitse olla pinnaltaan kovinkaan yhtenäinen. Tiedämme jo Aurinkokunnan jäisten kappaleiden perusteella, että niiden pinta voi olla monenlaisten voimien ja mekanismien muokkaama. Vuorovesivoimien ja jäänalaisen valtameren lämpölaajenemisen vuoksi pinta muistuttaa kuin halkeillutta munankuorta, jonka alta orgaanisen aineksen ja suolojen kyllästämä merivesi pääsee pintaan. Merkkinsä jättävät myös meteorit. Niiden osumakohtiin saattaa muodostua paineaallon vaikutuksesta syviä halkeamia, jotka sitten täyttyvät merivedellä. Jäisellä pinnalla esiintyy myös kryovulkanismia, eli tulivuoritoimintaa muistuttavaa jään käyttäytymistä. Lämmin jää tai sula vesi voi purkautua pinnalle magman tavoin muodostaen laakeita purkausvuoria ja geysireitä, joita näkyy näyttävimmillään Enceladusin pinnalla. Vaikka jään korkeuserot tasoituvat tyypillisesti nopeasti, jäälautat saattavat vaeltaessaan törmäillä muodostaen satojen metrien harjanteita.
Elämän edellytykset
Voimme kuvitella elämän kukoistavan jään peittämän valtameriplaneetan olosuhteissa. Jos vettä ei ole niin paljon, että sen muodostama suuren paineen eksoottisten jäiden kerros eristää allaolevan kivisen vaipan nestemäisestä merestä, mineraalien kulkeutuminen valtamereen on mahdollista. Elämän edellytysten täyttyminen vaatii käytännössä sitä, että merenpohjan kivivaipan geologinen aktiivisuus pääsee kosketuksiin kylmän meriveden kanssa. Vain se voi vuottaa suuria lämpötila- ja kemiallisia gradientteja, joiden mahdollistamia kemiallisia reaktioita organismit voisivat käyttää aineenvaihduntansa ylläpitämisessä. Elämä tarvitsee energiavirran, jolla ylläpidetään entropiaminimiä ja rakenteellista, lisääntymiseen kykenevää kokonaisuutta.
Geoterminen energia voisi luoda myös lukemattomilla eksoplaneetoilla elämän lähteet, joita kutsumme omalla planeetallamme merenpohjan mustiksi savuttajiksi. Niiden eliöstö selviää mikrobien perustuotannon avulla, jossa bakteerisolut saavat energiansa purkausaukkojen kuumaan veteen liuenneista rautasulfideista ja muista energiaa sisältävistä yhdisteistä. Samalla ne saavat muita hivenaineita, ja hiiltä, jotta voivat kasvaa ja lisääntyä purkausaukkojen yhteydessä. Kyse on kemosynteesistä, joka on energiantuotantomuotona ehkäpä fotosynteesiä eli yhteyttämistä heikompi, mutta muitakaan mahdollisuuksia ei merenpohjan syvyyksissä ole. Jään peittämien planeettojen valtameristä puuttuu paljolti pinnan yhteyttävän elämän mahdollisuudet kokonaan, joten syvyyksien geoterminen kemosynteesi on elävien solujen ainoa vaihtoehto.
Jos jääpeite on kuitenkin riittävän ohut ja materianvaihto jään pinnan ja valtameren välillä on mahdollista, voimme kuvitella jääpeitteen pintakerroksissa esiintyvien yhteyttävien organismien kykenevän sinnittelemään elossa. Niiden on tosin oltava pinnan voimakkaalta ultraviolettisäteilyltä suojattuna, muutamia senttejä jään pinnan alla. Ne voisivat saada ravinteensa kryovulkanismin ja jään halkeamien myötä pintaan nousevasta merivedestä ja levitä ohuen kaasukehän tuulten mukana lepotilassa uusille alueille jäähiukkasten sisällä. Jään pinnalla ne voisivat saada lisäravinteita avaruudesta putoavan pölyn mukana, jota planeetoille sataa jatkuvasti suuria määriä, vaikka maapallon elämän suhteen se tarjoaakin vain huomaamattoman mitättömän materiaalisen lisän. Resurssiniukalla jääkentällä sekin pieni pölymäärä voisi kuitenkin olla oleellisessa roolissa ylläpitämässä elämän edellytyksiä.
Jäiset planeetat ovat joka tapauksessa yksi aliarvostetuimpia elämän kehtoja maailmankaikkeudessamme. Ne eivät voi ylläpitää maankaltaisia näyttäviä pinnan biosfäärejä, tai mahdollistaa sivilisaatioita rakentavien älykkäiden lajien olemassaoloa. Ne voivat kuitenkin olla yleisimpiä eläviä maailmoja ja tarjota ainakin laajimmat elämän esiintymiselle suotuisat olosuhteet maailmankaikkeudessamme. On mahdollista, että maankaltainen elämä on hyvin harvinaista. Jos niin onkin, sama ei välttämättä päde alkuunkaan jäisten valtameriplaneettojen tapaukseen. Niitä voi olla jopa jokaisessa tähtijärjestelmässä, ja lähin jäisen kuoren peittämä elinkelpoinen planeetta saattaa olla lähimmän järjestelmän Proxima b. Uunituore planeettalöytö HD 137010 b saattaa myös hyvinkin olla elinkelpoinen, jääkuoren peittämä valtameriplaneetta.
Olemme kuitenkin siinä onnellisessa asemassa, että voimme tutkia valtameriplaneettojen miniatyyriversioita jo omassa planeettakunnassamme. Se tutkimus saa lähitulevaisuudessa taatusti lisäkierroksia, kun Europa Clipper -luotain pääsee tutkimaan Jupiterin kuun Europan pintaa ja valtamerta vuoden 2030 keväällä.