Mahdollisuus elinkelpoisille kuille
Planeettojen elinkelpoisuus on varsinainen enigma. On erittäin hankalaa arvioida eksoplaneettojen elinkelpoisuutta siitä yksinkertaisesta syystä, että planeetta voi olla elävä, tai ainakin elinkelpoinen, monella tapaa. Voimme ajatella elinkelpoisuutta maankaltaisuutena ja etsiä universumista mahdollisimman samankaltaisia paikkoja. Tai sitten voimme seurata elämän eliksiiriä, nestemäistä vettä, joka on kaiken tuntemamme biokemian liuottimena mahdollistamassa elävien organismien esiintymistä. Sitä löytyy suuria määriä myös oman planeettamme ulkopuolelta. Voimme laajentaa etsintöjämme huomioimalla kaikki mahdolliset fysikaaliset olosuhteet, joissa elävät organismit voivat edes periaatteessa elää. Saamme silloin lopputulokseksi valtavan määrän mahdollisia elinympäristöjä, joista elämää saattaisi olla kannattavaa etsiä. Niitä elinympäristöjä vaikuttaa olevan monenlaisten tuntemiemme eksoplaneettojenkin olosuhteissa. Ja sitten törmäämme siihen suunnattoman turhauttavaan hankaluuteen, ettemme kykene määrittämään havaitsemiemme eksoplaneettojen ominaisuuksia riittävällä tavalla voidaksemme päätellä ovatko ne elinkelpoisia vai eivät.
Jos saisimme tarkkoja tietoja jonkin planeetan ominaisuuksista, kaasukehästä ja geologiasta, voimme koettaa päätellä voisivatko jotkin Maan elävät organismit kukoistaa sen olosuhteissa. Esimerkkejä löytyy runsaasti jo omasta aurinkokunnastamme. Tiedämme Marsin olevan kuorikerroksensa pintaa lukuunottamatta soveltuva monenlaisille vastaavissa olosuhteissa Maassa eläville mikrobeille. Planeetan pinta kylpee voimakkaassa, orgaaniset molekyylit tuhoavassa ultraviolettisäteilyssä, mutta heti pinnan alla mikrobit voisivat olla hyvässä suojassa. Silloin ne tarvitsisivat elääkseen vain nestemäistä vettä, jota on kokonainen valtamerellinen Marsin pinnan alla, sekä energianlähteen, joksi kelpaa vaikkapa planeetan kuorikerroksen radioaktiivinen hajoaminen. Silti emme osaa päätellä varmuudella Marsin olevan elinkelpoinen, emmekä osaa tehdä havaintoja sen biosfääristä, jos sellainen planeetalla piilee. Sama pätee jopa Venuksen kaasukehän yläosiin. On ehdotettu, että Venuksen olosuhteissa saattaa kaikesta huolimatta esiintyä elämälle soveltuvat olosuhteet. Ehtotukselle ei ole suoraa todistusaineistoa, mutta emme osaa myöskään tehdä havaintoja, jotka osoittaisivat sen vääräksi.
Aurinkokunnassa on lisääkin mahdollisesti elinkelpoisia paikkoja. Sellaisia ovat vaikkapa kaasujättiläisten Jupiterin ja Saturnuksen kuut, Europa, Ganymedes ja pieni Enceladus, joiden jäisten kuorien alla lainehtivat nestemäiset meret. Niissä merissä on geotermistä energiaa, orgaanisia molekyylejä, ja runsain mitoin tilaa elämän esiintymiselle. Siksi astrobiologit ajattelevat yleisesti, että elämää voisi esiintyä niiden piilotetuissa valtamerissä. Samoin voisi olla muissakin planeettakunnissa, vaikka emme osaakaan vielä edes havaita eksoplaneettojen kuita. Kuiden synnystä jättiläisplaneettojen kiertoradoilla on kuitenkin saatu verrattaen selvää todistusaineistoa. Niitä on Aurinkokunnassa jokaisen kaasuplaneetan kiertolaisina, ja niiden synty vaikuttaa tapahtuvan osana luonnollista planeettojen syntyprosessia muuallakin. Mutta voisivatko ne olla elinkelpoisia kuten Maa?
Tunnemme tuhansia eksoplaneettoja kiertämässä lähitähtiä. Vaikka potentiaalisesti olosuhteiltaan maankaltaisia planeettoja tunnetaan vain pieni kourallinen, nekin ovat liki poikkeuksetta punaisten kääpiötähtien kiertoradoilla, jolloin vuorovesilukkiutuminen ja tähtien purkaukset heikentävät niiden elinkelpoisuutta. Mutta kirkkaampien auringonkaltaisten tähtien kiertolaisina tunnetaan suuri määrä elinkelpoisen vyöhykkeen planeettoja, jotka eivät ole pieniä kiviplaneettoja, vaan luonteeltaan jättiläismäisiä kaasuplaneettoja. Niiden kuut voisivat hyvinkin olla elämälle soveltuvia paikkoja, jos vain ne ovat riittävän suuria. Sellaisten suurien kuiden synty voi olla mahdollista, mutta mahdollisuus ei alkuunkaan tarkoita, että niitä myös syntyisi. Aivan kuten planeettojenkin syntyä, kuiden syntyä voidaan tutkia tietokonesimulaatioiden avulla. Jos selvitämme tietokonesimulaatioiden avulla minkälaisiin tähtijärjestelmiin ja minkälaisten planeettojen kiertoradoille elämälle soveltuvia kuita voi syntyä, voimme etsiä sopivia jättiläisplaneettoja elinkelpoisten kuiden etsintöjen kohteiksi.
Periaatteessa sopivia planeettoja tunnetaan useita. Tunnettujen jättiläisplaneettojen joukossa on runsaasti sellaisia, joiden etäisyys tähdestään on juuri sopiva (Kuva 1.). Kun katsotaan eksoplaneettoja, jotka ovat massaltaan vähintään Jupiteri verran, voidaan havaita, että niistä yli viisikymmentä (Kuva 1.; vaaleanvihreät ympyrät) on sopivalla etäisyydellä tähdestään. Toiset viisikymmentä (tummanvihreät ympyrät) on kauempana mutta sittenkin optimistisen elinkelpoisen vyöhykkeen puitteissa. Siten noin neljännes jättiläisplaneetoista on periaatteessa sopivia pitämään elinkelpoisia kuita ympärillään. Elinkelpoisuutta arvioitaessa pelkkä etäisyys tähdestä ei kuitenkaan riitä, koska planeetta vapauttaa sekin energiaa ja lämmittää kuuta omalla monipuolisella tavallaan. Planeetan lämmittävä vaikutus mahdollistaa kuiden elinkelpoisuuden myös kauempana tähdestä.
Jättiläisplaneettojen ympärille muotoutuu niiden ikiomat elinkelpoiset vyöhykket aivan kuten tähtienkin ympärille (Kuva 2.). Tähden suhteen elinkelpoista aluetta kontrolloi vain tähden säteily, mutta jättiläisplaneetta tuo kuvaan mukaan muitakin lämmön lähteitä. Planeetatkin säteilevät. Ne vapauttavat lämpösäteilyä, joka vastaa sitä lämpötilaa, johon ne kuumenevat tähdestä saapuvan säteilyn ansiosta. Mutta osa tähden säteilystä myös heijastuu planeetasta, ja antaa lisänsä sitä kiertävän kuun lämpöbudjettiin. Kaiken sen päälle, kuita lämmittävät myös planeetan vuorovesivoimat. Ne muovaavat kuiden kiviainesta kuin muovailuvahaa, ja tuottavat merkittävän lämmönlähteen niille kuille, jotka ovat kaikkein lähimpänä. Vuorovesivoimat voivatkin pitää planeettaa kiertävän kuun veden virtaamassa nesteenä ja sen pinnan elinkepoisena jopa kaukana tähden elinkelpoisen vyöhykkeen konservatiivisen osan ulkopuolella (Kuva 1.).
Jättiläisplaneettaa kiertävän kuun sijainti elinkelpoisella vyöhykkeellä on kokonaisuutena monen tekijän summa, ja siihen vaikuttavat oleellisesti jopa kuun kumppanit. Jos planeetalla on useita kuita tiiviissä järjestelmässä, kuten Jupiterilla, niiden keskinäiset vetovoimavuorovaikutukset tekevät kuiden kiertoradoista aavistuksen soikeita. Se puolestaan saa kuut liikkumaan vuoroin aavistuksen planeetta lähemmäksi ja vuoroin kauemmaksi, mikä tuottaa merkittäviä kuun pintaa muokkaavia vuorovesivoimia. Sellaiset kuut lämpenevät enemmän ja pystyvät ylläpitämään nestemäisen veden varantoja, vaikka niiden kiertämä planeetta olisi hyvinkin kaukana järjestelmän keskustähdestä ja tähden lämmittävä vaikutus olisi siksi pientä. Vastaavasti, yksinäinen suurikokoinen kuu on elinkelpoisella vyöhykkeellä paljolti tähden säteilyn ansiosta, ja sen on sillloin kierrettävä planettaa, joka on perinteisellä tähden elinkelpoisella alueella.
Planeetan kiertoradalle muodostuvan kuun koko on monella tapaa kriittistä elinkelpoisuuden suhteen. Siihen vaikuttaa moni tekijä, kuten planeettaa ympäröivän kertymäkiekon tiheys kuiden muodostuessa. Suurempi tiheys ja siten suurempi kuiden muodostumiseen käytettävissä oleva materian määrä tuottaakin pienemmän määrän suurimassaisempia kuita. Simulaatiot kuitenkin paljastavat myös planeetan etäisyyden tähdestä olevan oleellinen tekijä. Kauempana tähdestä kuita muodostuu enemmän ja ne ovat keskimäärin pienempiä. Kauempana tähdestä pienet kuiden alkiot voivat pysyä vakailla radoilla kauempana planeetasta, jolloin niiden kasvu hidastuu. Samalla kuiden kasvu suuremmiksi tulee epätodennäköisemmäksi.
Kuiden elinkelpoisuudelle oleellinen alue on tähden elinkelpoinen vyöhyke. Sen ulkopuolella elinkelpoisuus on käytännössä mahdollista vain vuorovesivoimien lämmittävän vaikutuksen ansiosta, aivan planeetan lähellä. Siksi elinkelpoisten kuiden määrä vähenee dramaattisesti siirryttäessä tähden elinkelpoisen alueen ulkopuolelle. Koska tähden säteilyn mahdollistaman elinkelpoisuuden puitteissa on enemmän vaihtoehtoja, pääosa kaikista elinkelpoisista kuista syntyy simulaatioissa tähden elinkelpoisella vyöhykkeellä kiertävien planeettojen ympärille.
Vähintäänkin Marsin kokoluokan ja jopa Maapallon kokoisten kuiden synty on mahdollista massiivisimpien jättiläisplaneettojen radoilla. Sillä tarkoitetaan superjupitereita, useita kertoja Jupiteria massiivisempia kaasujättiläisiä. Sopivia planeettoja elinkelpoisten kuiden olemassaololle kuitenkin tunnetaan jo useita. Jos simulaatiot onnistuvat ennustamaan kuiden syntyä luotettavalla tavalla, jopa kolmannes syntyvistä kuista kiertämässä tähden elinkelpoisen vyöhykkeen jättiläisplaneettoja voi olla suotuisia elämälle tähden säteilyn lämmittävän vaikutuksen ansiosta. Kauempana tähteään kiertävien jättiläisplaneettojen tapauksessa mahdollisuuksia elinkelpoisiin kuihin on myös, mutta vain prosentti smulaatioissa syntyvistä kuista päätyy sopivalle etäisyydelle, jotta ne voivat olla elämälle suotuisia sijaitessaan planeettaa ympäröivällä elinkelpoisella vyöhykkeellä. Elinkelpoisten kuiden etsinnänkin tulisi siksi keskittyä pääasiassa järjestelmiin, joissa on elinkelpoisen vyöhykkeen jättiläisplaneetta.
Etsiessämme elinkelpoisia kolkkia läheisistä tähtijärjestelmistä, on hyvä pitää mielessä suurten, elinkelpoisten kuiden mahdollisuus. Niiden etsintä on ainakin kertaluokkaa hankalampaa kuin elinkelpoisten planeettojen havaitseminen, mutta havaintomahdollisuuksien ja instrumenttien parantuessa, eksokuutkin saapuvat hiljalleen ulottuvillemme arkipäiväisiksi havaintokohteiksi. Aivan aluksi niitä on vain löydettävä. Vaikka ainuttakaan luotettavaa eksokuun havaintoa ei ole vielä tehty, ei myöskään ole mitään syitä olettaa, ettei niitä olisi merkittävissä määrin. Päin vastoin. Kaikki tietomme viittaavat siihen, että eksokuut ovat yleisiä, valtavan moninaisia ja monipuolisia, ja suurella todennäköisyydellä myös elinkelpoisia kiertäessään jättiläisplaneettoja, joiden rataetäisyys tuottaa sopivasti tähden säteilyä niiden pinnoille.