Kaaoksen tuhkasta
Aurinkokunnan syntyä ja kehitystä nykyiselleen on muokannut ehkäpä voimakkaimmin Jupiter ja sen massiivinen vetovoima. Jupiterin synty ulkoplaneettakunnan rajamaille kaiversi aukon planeettojen syntymaterian kiekkoon, ja mikään ei enää ollut entisellään. Protoplanetaariseen kiekkoon Jupiterin radan ympärille muodostunut aukko esti sisä- ja ulkoplaneettakunnan merkittävän materianvaihdon. Ne jäivät toisistaan eristyksiin, sallien Maan ja muiden kiviplaneettojen muotoutumisen nykyiselleen vailla merkittäviä määriä vettä ja muita keveitä molekyylejä. Vesipitoinen materia ei koskaan päässyt merkittävissä määrin sisäplaneettakunnan alueelle toisin kuin lukemattomissa muissa planeettakunnissa.
Aurinkokunta ei ole normaali planeettakunta. Useimmissa järjestelmissä kaasujättiläisiä ei ole koskaan syntynyt ja niiden vetovoima ei ole päässyt häiritsemään pienempien planeettojen muodostumista. Vaikka tiedoissa Aurinkokunnan synnystä riittää edelleen puutteita, eksoplaneettakuntien synty on yleisellä tasolla vieläkin suurempien epävarmuuksien peitossa ainakin lukuisilta yksityiskohdiltaan. Kokonaiskuva on kuitenkin hahmottumassa, koska tunnemme jo niin monia vieraiden tähtien järjestelmiä. Tarvitaan samankaltaista planeettojen muodostumista kuin Aurinkokunnassakin mutta lisänä on oltava runsaasti kaaosta ja sattumaa.
Kaaos ei tarkoita, että mitä tahansa voi tapahtua. Se tarkoittaa vain, että menetämme mahdollisuuden ennustaa tapahtumia millään varmuudella, koska mielivaltaisen pienet muutokset alkutilassa voivat johtaa mielivaltaisen suuriin muutoksiin. Kaoottisuus on tarkkaan määritelty järjestelmän matemaattinen tila. Se ei tarkoita sotkuisuutta, vaan perustavanlaatuista yksityiskohtien ennustamattomuutta. Silti voimme tarkastella hyvinkin luotettavalla tavalla kokonaisuuksia.
Planeettakuntien syntyyn liittyy eräs kiinnostava yleismaailmallinen lainalaisuus. Kun puhutaan asioista, jotka eivät vanhene kuten ihmiset ja männyt, karhukaiset ja kärpässienet, voimme havaita, että asioiden jäljellä oleva elinikä pitenee niiden ikääntyessä. Se kuulostaa kovin nurinkuriselta, koska tiedämme oman jäljellä olevan elinikämme vähenevän ikääntyessämme. Elottomiin asioihin ajatus ei kuitenkaan päde. Jos jokin asia on ollut olemassa kauan, se luultavasti pysyy olemassa vielä pitkään. Syynä on se yksinkertainen tosiasia, että jos jokin asia on ollut olemassa jo pitkään, se on suurella todennäköisyydellä hyvin kestävä. Jos taas jokin asia on ollut olemassa vain hetken, se keskimäärin lakkaa olemasta hyvin pian. On huomattava, että kyse on vain keskiarvoista ja odotusajoista. On helppoa katsella ympärilleen ja todeta lainalaisuuden pitävän melko hyvin paikkansa vaikkapa arkisten asioiden suhteen.
Mitä tekemistä asioiden eliniällä on eksoplaneettakuntien kanssa? Paljonkin, mutta tarvitaan muutamia täsmennyksiä. Planeettakunta ei käytännössä voi lakata olemasta, vaan se korkeintaan muuttaa muotoaan erilaisten kosmisten katastrofien kourissa. Planeettojen radat sen sijaan voivat muuttua paljonkin, joten voimme katsoa planeettakunnan eliniän tarkoittavat sitä aikaa, jonka verran se pysyy sellaisena, kuin sen havaitsemme. Silloin voidaan katsoa kuinka kauan planeetakunta pysyy vakaana eikä koe radikaaleja muutoksia.
Oletetaan, että käsillä on vaikkapa tuhat vastasyntynyttä planeettakuntaa. Mikään mahti maailmankaikkeudessa ei voi niitä tuhota, mutta voimme kysyä tieteellisiä kysymyksiä liittyen niiden elinikään. Kuinka moni selviää lähes muuttumattomana miljoona vuotta? Entäpä satamiljoonaa vuotta? Tai miljardin verran? Niihin kysymyksiin saammekin eri planeettakuntien suhteen erilaisia vastauksia. Vain harva vastasyntynyt planeettakunta kestää miljardin vuoden verran. Ylivoimainen valtaosa niistä muuttuu kaoottisiksi vain miljoonissa vuodessa ja muotoutuu uudelleen toisenlaiseksi planeettojen ratojen muuttuessa ja joidenkin planeettojen poistuessa järjestelmistään. Vielä hiljattain luulimme planeettakuntien syntyvän vakaina. Uudet tutkimustulokset ovat kuitenkin osoittaneet asian olevan toisin.
Kun planeettakunta syntyy planeettojen kasautuessa kertymäkiekon pölystä, ne ovat edelleen kiekon kaasun ympäröimiä. Kaasulla taas on vaikutus planeettojen ratoihin. Se vaimentaa ratojen muotojen muutoksia, joita toisten planeettojen vetovoimavaikutukset aiheuttavat. Planeettojen lähiohitukset ja voimakkaatkin keskinäiset vetovoimavaikutukset ovat siksi varsin sallittuja varhaisessa vaiheessa olevissa planeettakunnissa. Tilanne muuttuu kertarysäyksellä, kun kaasu poistuu nuoren tähden käynnistyvän tähtituulen puhaltaessa sen avaruuteen. Äkkiä planeetat ovatkin toistensa vetovoimavaikutuksille alttiita ja sillä on merkittävät seurauksensa. Toistuvat lähiohitukset pumppaavat planeettojen ratoja soikeammiksi ja vetovoimavaikutukset kasvavat. Lopulta koko järjestelmä ajautuu kaoottiseen tilaan. Jokin tai jotkin planeetoista törmäävät toisiinsa tai tähteen, ja osa planeetoista saattaa myös sinkautua pois koko planeettakunnasta viettääkseen oman ikuisuutensa jäähtyessä hiljalleen vapaana planeettana, kaukana tähtien valosta ja lämmöstä.
Lopputuloksena on planeettakunta, joka on vakaa pitkiä aikoja. Sen planeetat on pakattu väljemmin, jotta kaoottisuutta aiheuttavia lähiohituksia ei enää synny. Planeettoja on myös keskimäärin vähemmän, koska osa on paennut täydentämään pimeää planeettapopulaatiota. Mutta miten asiaa voitaisiin havaita käytännössä? Planeettakunnista ei niin vain päätellä kuinka kauan ne ovat olleet sellaisia kuin minä ne näemme.
Miten planeettakuntien ikä resonoi?
Syntyessään pölykiekon sisällä, planeetat ajautuvat tyypillisesti niin lähelle toisiaan kuin vain voivat. Se johtaa yleisesti resonanssiratojen syntyyn, jolloin planeettojen ratajaksojen suhteeksi muodostuu jokin yksinkertainen kokonaislukusuhde. Resonanssi vastustaa planeettojan lipumista lähemmäksi, jolloin järjestelmä tiivistyy muttei hajoa. Tyypillisimpiä resonansseja on ratajaksojen suhde 2:1, jolloin sisempi planeetta kiertää tähden kahdesti ulomman ehtiessä suorittaa yhden kierroksen. Se ei kuitenkaan ole ainoa mahdollisuus. Muita tyypillisiä resonansseja ovat suhdeluvut 3:2, 4:3 ja vaikkapa 3:1. Toisinaan syntyy jopa pitkiä resonanssiketjuja, joista yksi näyttävimmistä on havaittu tähden TRAPPIST-1 planeettakunnassa. Järjestelmän kiviplaneetat ovat muodostaneet resonanssiketjun, jossa kiertoaikojen suhteet ovat 24:15:9:6:4:3:2. TRAPPIST-1 on kuitenkin vanha tähti ja sen planeettakunta on samaten iäkäs. Se on harvinaisuus eksoplaneettakuntien joukossa, koska sen syntyaikojen rataresonanssit ovat edelleen olemassa. Mikään ei ole saanut järjestelmää suistumaan kaaokseen.
Muualla planeettakunnat eivät ole yhtä onnekkaita. Yleisesti ottaen resonanssiradat ovat sitä harvinaisempia mitä vanhemmasta järjestelmästä on kyse. Kaikkiaan resonanssijärjestelmiä löytyy alle sadan miljoonan vuoden ikäisistä planeeettakunnista lähes 90% todennäköisyydellä. Likimain kaikkien planeettakuntien kiertoratojen joukossa on siten resonanssiratoja niiden syntyessä. Mutta ikääntyneempien, miljardin vuoden ikäisten järjestelmien keskuudessa resonanssiratojen osuus putoaa enää noin viidennekseen (Kuva 1.). Se tarkoittaa resonanssiratojen määrän romahdusta, minkä voi selittään vain kaaos. Resonanssiradoilla planeettakunnat ajautuvat herkemmin kaaokseen ja lopputuloksena on väljemmin pakattuja järjestelmiä, joista resonanssit puuttuvat.
Samalla on selvää, että mitä vanhempaa planeettakuntaa katsomme, sitä todennäköisemmin se pysyy samanlaisena vielä pitkiä aikoja. Katsottaessa nuorempia järjestelmiä, voidaan todeta, että ne ovat todennäköisesti ajautumassa kaaokseen eivätkä voi pysyä samanlaisina pitkään. Planeettakunnatkin siis ikääntyvät käänteisesti. Mitä kauemmin jokin planeettakunta on ollut olemassa, sitä pidempään voimme olettaa sen myös kestävän.
Vaikka nuoretkaan planeettakunnat eivät yleensä ole sellaisenaan kaoottisia, ne ovat kuitenkin läheisten resonanssiratojensa vuoksi alttiita kaaokselle. Tarvitaan vain jokin alkusysäys, joka heittää järjestelmän täyteen kaaokseen ja ratamuutosten kurimukseen. Planeettojen lähiohitukset voivat tuottaa tarvittavan alkusysäyksen mutta se ei aina riitä. Toisinaan syypää voi tulla muualta, kun jokin tähti vaikuttaa järjestelmän planeettojen ratoihin laukaisten kokonaisen muutosten ketjureaktion. Tähtien lähiohitukset ovat yleisiä, ja toisinaan jokin tähti saapuu niin lähelle, että se heilauttaa uloimpien planeettojen ratoja merkittävällä tavalla. Heilahdukset välittyvät nopeasti jopa sisäplaneettakuntaan asti ja tuottavat tuhoaan. Mutta on toinenkin mekanismi. Erityisesti pienten planeettojen äärimmäisen tiiviisti pakatut järjestelmät ovat niin herkkiä muutoksille, että jo suurten komeettojen syöksyminen sisäplaneettakuntaan saattaisi suistaa ne kaaokseen. TRAPPIST-1 on yksi sellainen järjestelmä, joten vaikuttaa suorastaan ihmeelliseltä, että se voi edes olla olemassa.
Kaaos ei myöskään ole rajoittunutta vain eksoplaneettakuntiin. Myös Aurinkokunta voi suistua kaaokseen jonkin ulkoisen voiman vaikutuksesta. On noin prosentin todennäköisyys, että Aurinkokunta ajautuu itsestään kaaokseen seuraavan viiden miljardin vuoden aikana. Sen lisäksi, on puolen prosentin todennäköisyys, että jokin tähti tekee läheisen ohituksen ja suistaa ulkoplaneettakunnan kappaleet kaoottisille radoille samassa ajassa.
Aurinkokunnalla on oma kaoottinen vaiheensa jo takanaan, noin neljän miljardin vuoden päässä historiassa. Tuolloin ulkoplaneettakunta ajautui kaaokseen ja planeettojen lähiohitukset heittivät planettoja ulospäin siirtäen ne väljemmäksi järjestelmäksi. Ulkoplaneettakunnassa oli tuolloin ehkä jopa kolmas jääjättiläinen, Uranuksen ja Neptunuksen sisar, joka sinkautui tähtienväliseen avaruuteen jättäen jäljelle vakaan planeettakunnan. Tapahtumista on saatu tietoa laskemalla Kuun kraatereita. Niiden määrä osoittaa törmäyksien olleen erityisen yleisiä vain noin sata miljoonaa vuotta Aurinkokunnan synnyn jälkeen, 4.4 miljardia vuotta sitten, mikä kertoo lukuisten Aurinkokunnan pikkukappaleiden sinkautuneen radoiltaan niihin aikoihin. Se kertoo suoraan planeettakuntamme kaaoksesta, ja antaa sille aikataulun. Aurinkokunnan alkuperäinen rakenne ei ollut kestävä ja siksi se rikkoutui hyvin pian antaen tilaa vakaammalle järjestelmälle, jonka nykyisellään tunnemme.
Aurinkokunta kuitenkin kohtaa muut sisäiset rajoitteensa samassa aikaskaalassa. Noin viiden miljardin vuoden kuluttua Aurinko on polttanut kaiken ytimensä vedyn ja se puhaltaa ulko-osansa avaruuteen ryhtyen viilenemään ja kutistumaan valkoiseksi kääpiöksi. Se tietää viimeistään planeettamme tuhoa, vaikka muutos elinkelvottomaksi saapuukin jo miljardeja vuosia aiemmin. Planeettakuntamme kuitenkin luultavasti kestää paljolti nykyisellään Auringon kuolemaan saakka. Onhan se kestänyt samanlaisena jo miljardeja vuosia.
Kirjoitukseen innoitti yhdysvaltalaisen astrofyysikon Sean Raymondin mainio blogi useine kiinnostavine teksteineen.
Facebookissa Ursan kommenteissa haluttaisiin tietää, että tarkoittaako tämä nyt sitä, että elämän yleisyys koki takaiskun?