Uusi malli Maan synnylle
Kopernikaaninen periaate tarkoittaa sitä, että emme ole maailmankaikkeudessa minkäänlaisessa erityisasemassa. Toisin kuin ennen havaintojen tukemaa näkemystä Maasta yhtenä Aurinkoa kiertävistä planeetoista ajateltiin, emme ole maailmankaikkeuden keskipisteessä. Kaikki maailmankaikkeuden kolkat ovat keskenään samanarvoisessa asemassa. Niissä on samat syy- ja seuraussuhteet, samaa ainetta ja energiaa, ja maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta katsoipa sitä mistä tahansa paikasta käsin ja mihin tahansa suuntaan. Luonnonlait noudattavat tarkasti kopernikaanista periaatetta, eikä niissä havaita poikkeamia siirryttäessä eri paikkaan tai suuntaan, tai katsottaessa tapahtumia eri aikakausina. Kopernikaanisen periaatteen varaan on ollut hyvä rakentaa aina vain tarkempia malleja maailmankaikkeudesta.
Sama pätee linnunrataamme. Se on kotigalaksimme, joka on vain yksi noin tuhannestamiljardista galaksista näkyvän maailmankaikkeuden alueella. Horisontin takana on vielä mittaamaton määrä muita galakseja, kukin omien havaitsijoidensa linnunratoja. Emme tosin koskaan näe niitä, mutta ei ole mitään syytä ajatella, että niistä mitään olisi myöskään erityisasemassa. Aivan kuin ei ole Linnunratakaan.
Aurinkokaan ei ole erityinen tähti. Se on yksi monista keltaisista kääpiötähdistä, joita maailmankaikkeudessa riittää. Jotakin erikoista Auringossa kuitenkin on, sillä se ei edusta yleisintä tähtityyppiä, eikä kuulu punaisten kääpiötähtien runsaslukuiseen joukkoon. Niitä on noin kolme neljästä kaikista tähdistä. Auringonkaltaisia tähtiä on noin yksi kymmenestä, joten aurinkokuntamme on aavistuksen harvinaisemman tähtityypin ympärillä. Se voi olla merkitsevä tieto. Aurinkokunta on muutoinkin hiukan erityislaatuinen. Jättiläisplaneetta Jupiter hallitsee sitä vetovoimallaan, mutta jupiterinkaltaisia kaasujättiläisiä on vain yhdellä auringonkaltaisella tähdellä kymmenestä. Punaisten kääpiöiden ympärillä ne ovat vieläkin harvinaisempia.
Se planetaarinen ympäristö, johon Maa on syntynyt, on siis lähtökohtaisesti jo suhteellinen harvinaisuus. Ei täysin uniikki tai uhanalainen, mutta edustaa vain prosenttia kaikista galaksimme ja luultavasti maailmankaikkeuden planeettakunnista. Silloinkin Linnunradassa olisi kuitenkin noin kaksimiljardia vastaavanlaista planeettakuntaa, ja vaikka lukema kuulostaa suurelta, on se noin kahdensadanmiljardin tähden joukossa selkeä vähemmistö. Kopernikaaninen periaate ei siis sittenkään päde omalla kohdallame kovinkaan hyvin. Se antaa viitteitä, että elinkelpoisten planeettojen synnyssä on jotakin erityistä, jokin valintaefekti, joka estää niitä muodostumasta kaikkialle. Sellaisen johtopäätöksen vetäminen on tosin hyvin hataralla pohjalla perustuen vain yhteen yksittäiseen datapisteeseen, joka edustaa elävää planeettaa Maa.
Jos tarkastellaan jotakin tapahtumaa jälkikäteen, kaikkia sen yksityiskohtia ei voida ehkä koskaan saada selville. Jokainen tapahtumaan vaikuttanut tekijä ei ehkä ole enää varmennettavissa, ja lukuisista yksityiskohdista kaikki tieto saattaa olla jo menetetty, koska ne eivät jättäneet itsestään mitään jälkikäteen havaittavia merkkejä. Tapahtuman jälkeen olemmekin tilanteessa, jossa on käsillä vain vajavainen arkisto siihen vaikuttaneista tekijöistä. Saatamme kyetä päättelemään mitkä tekijöistä olivat oleellisia ja mitkä vain satunnaista kohinaa. Saatamme kyetä selvittämään tapahtuman etenemisen loogisen järjestyksen, syine ja seurauksineen, tai sitten emme. Epävarmuus jää kuitenkin hallitsevaan rooliin ja sumentaa näkökenttäämme sitä varmemmin mitä kauemmas havaittavista tosiasioista liikumme.
Tosiasioita on kuitenkin aina. Niitä on selvittäessämme historiallisten tapahtumien kulkua, sivilisaatiomme syntyä tai lajimme kehityshistoriaa. Voimme tehdä havaintoja siitä, miten afrikkalaiset apinat päätyivät kävelemään kahdella jalalla tai käyttämään työkaluja. Voimme katsoa vieläkin kauemmas historiaan ja koettaa päätellä miten monisoluiset organismit saivat alkunsa tai miten koko elämäksi kutsuttu prosessi itsessään käynnistyi — ja minkälaiselle planeetalle elämää tässä maailmankaikkeuden kolkassamme pääsi syntymään. Voimme kysyä minkälainen planeetta nuori Maa oli, ja miten se sai alkunsa. Sen koko ja koostumus, kiertorata ja sisarplaneettansa, ovat tietynlaisia. Miksi ne ovat juuri sellaisia kuin ovat? Voisivatko ne olla toisenlaisia? Miten Maa sai alkunsa ja tarjosi mahdollisuuden tuntemallemme elämälle oma lajimme mukaan lukien?
Kysymyksiä on helppoa kysyä mutta tutkijat osaavat nykyään myös vastata niihin henkeäsalpaavalla tarkkuudella. Me tiedämme hyvin tarkkaan miten Maa syntyi, mutta uudet mallit pääsevät vielä edellisiäkin suurempaan tarkkuuteen. Vaikka kirjoitin asiasta aivan hiljattain, uudet tiedot kertovat jo nyt uutta Maan synnystä ja siitä, miten se nivoutui osaksi muiden planeettojen muodostumista Aurinkokuntamme historiassa.
Lukuisia yksityiskohtia
Osaamme arvioida kuinka Maa sai alkunsa osana Aurinkokunnan muodostumista. Perinteisesti on ajateltu materian olleen jakautuneena varsin tasaisesti sisäplaneettakunnan alueella ennen kiviplaneettojen syntyä. Ajatus on houkutteleva sen yksinkertaisuuden vuoksi mutta se on myös täysin väärä. On mahdotonta saada aikaiseksi tunnettua sisäplaneettakuntaa tasaisesti jakautuneesta sisäplaneettakunnan alueen materiasta, koska lopputuloksena Merkuriuksesta ja Marsista tulisi yhtä massiivisia kuin Maasta ja Venuksesta. Myös planeettojen radat olisivat väljemmin pakkautuneet ja niiden välissä olisi enemmän tilaa. Tarvitaan siis muutakin.
Monet ajatukset siitä muusta ovat keskittyneet materian epätasaisen jakautuman ympärille. Jos ainesta planeettojen syntyyn olisi ollut saatavilla pääasiassa noin 0.7-1.0 maan ratasäteen etäisyydellä nuoresta Auringosta sijainneessa rengasmuodostelmassa, olisi saatettu hyvinkin päätyä suunnilleen nykyiseen sisäplaneettakunnan rakenteeseen. Ajatusmallissa Mars olisi lopulta päätynyt planeettojenvälisten vetovoimavaikutusten myötä hiukan ulommaksi syntysijoiltaan, noin 1.5 Maan ratasäteen etäisyydelle. Sopiva planeettojen syntyyn tarvittavan materian rengas olisi ollut hyvin kapea ja rajoitettu, mikä puolestaan vaatii omat fysikaaliset selityksensä. Ei ole alkuunkaan selvää, että materia pakkautuisi rengasmaiselle aulueelle automaattisesti.
Puuttuva lisä sisäplaneettojen syntyyn onkin saatu mallista, jonka puitteissa Jupiter on vieraillut sisäplaneettakunnan alueella jättäen Marsin pieneksi ja planeettojen muodostukseen saatavilla olevan materiamäärän suhteellisen vähäiseksi. Muuttaessaan nykyistä huomattavasti lähemmäksi ja taas takaisin Saturnuksen vetovoiman muutettua muuttoliikkeen suuntaa, Jupiter olisi voinut tuottaa planeettojen synnylle konkreettisen ulkorajan ja jättää Maata ulompana olleet protoplaneetat vaille mahdollisuuksia kasvaa Marsia suuremmiksi. Samalla olisi saatu materianvaihtoa sisä- ja ulkoplaneettakunnan välille ja selitys sille miksi karkeasti puolet asteroidivyöhykkeestä koostuu sisäplaneettakunnan metalleista ja silikaateista kun taas toinen puoli on ulkoplaneetakunnan likaista jäätä.
Jupiterinkaan muuttoliike ja visiitti sisäplaneettakunnassa ei kuitenkaan selitä planeettojensyntyalueen sisäreunaa noin 0.7 Maan ratasäteen etäisyydellä, ja kokonainen mallien joukko on kehitetty ratkaisemaan ymmärryksessämme olevia puutteita. On kuitenkin todennäköistä, että nuoren Auringon oltua viileämpi kuin nykyään, silikaatit olivat kiinteinä materiaaleina noin yhden maan ratasäteen etäisyydellä mutteivät sisempänä. Se olisi auttanut muodostamaan planeettojen syntyyn saatavilla olevalle materiarenkaalle sisäreunan. Myöhemmin, raja siirtyi puolen Maan ratasäteen kohdalle Auringon kirkastuttua, mutta vaikutukset planeettojen syntyyn eivät enää olleet peruttavissa.
Yhdeksi oleelliseksi mekanismiksi on myös ehdotettu ulkoplaneettakunnan jättiläisplaneettojen ratojen epävakautta, joka sai esimerkiksi sisäplaneettakunnan kappaleet kokonaisen meteoripommitusaallon kohteiksi. Se saattoi johtaa jopa Kuun syntyyn protoplaneetan törmättyä nuoreen Maahan. Kokonaiskuvaa on joka tapauksessa mahdotonta saada huomioimatta koko Aurinkokuntaa havaittuine ominaisuuksineen ja pieniltäkin vaikuttavat tekijät saattavat muokata kokonaisuutta merkittävillä tavoilla. Sellaisia ovat esimerkiksi Auringon aktiivisuus ja hiukkastuuli, joka siivoaa nuoren sisäplanettakunnan sisäosia materiasta ja jättiläisplaneettojen vetovoiman tuottamat materian tiheysaallot vaihteluineen.
Uudet yhdysvaltalaisten ja ranskalaisten tutkijoiden tulokset pyrkivätkin huomioimaan mahdollisimman monta erilaista tekijää, jotta olisi mahdollista selvittää mitkä tekijät olivat Aurinkokunnan synnyssä oleellisessa roolissa. David Nevornyn ja Alessandro Morbidellin simulaatiomallissa tutkijat huomioivat myös ajallisen kehityksen reaunaehdoissaan. He simuloivat kaasumaisen materiakiekon ensimmäisten miljoonien vuosien aikana, ennen kiinteiden aineiden asettumista pölynä kiekon tasoon. Malli sisälsi jättiläisplaneettojen keskinäisten vetovoimien aiheuttaman epävakauden 5-15 miljoonan vuoden välimaastossa ja sitä seuranneen planeettojen muuttoliikkeen, sekä myöhäisen vaiheen 50 miljoonasta vuodesta eteenpäin, kun jättiläisplaneetat olivat jo karlkeasti nykyisillä paikoillaan ulkoplaneettakunnassa.
Mallissa huomioitiin myös mahdollisuus sisäplaneettojen syntymaterian asettumiseen yhdeksi tai useammaksi renkaaksi. Lisäksi huomioitiin materian virtaus tähteä kohti tai siitä poispäin kitkavoimien tai vetovoimavaikutusten ansiosta, sekä kaasukiekon elinikä. Kun nuori tähti puhaltaa ydinreaktioiden käynnistyttyä materiaa pois aina vain laajemmalta alueelta alkaen aivan tähden läheltä, käynnistyy planeettojen synnyn aikaa mittaava kello, joka pysähtyy kiekon sisäreunan saavutettua planeetan radan. Silloin planeetta ei voi enää kasvaa muutoin kuin suurten kappaleiden välisten törmäysten myötä — kaasua ja pölyä se ei enää kerää itseensä. Jokaista mahdollista vaikuttavaa tekijää kohti tutkijat toteuttivat tuhansia simulaatioita katsoen miten planeetat syntyvät, millaisille etäisyyksille tähdestä ne päätyvät, ja minkälainen lopputuloksena muodostuva planeettakunta on ominaisuuksiltaan ja koostumukseltaan.
Rengasmuodostelman synty vaatii selityksensä, ja tutkijoiden simulaatiot paljastivatkin varsin elegantin syyn materian kasautumiselle karkeasti Maan ratasäteen etäisyydelle (Kuva 1.). Tähtituuli puhaltaa pienempiä kappaleita ulospäin aina Maan rataetäisyydelle saakka, kun taas kaasu, joka ympäröi kaikkia kappaleita, saa kitkavoimallaan materian valumaan tähteä lähemmäksi. Kokonaisuutena erikokoiset kappaleet pyrkivät kasautumaan karkeasti maan ratasäteen etäisyydelle tuottaen ympäristöään suuremman materiatiheyden. Maata massiivisemmat kappaleet olisivat päätyneet Aurinkokunnassakin lähelle tähteään ja muodostaneet tiiviisti pakatun järjestelmän, mutta ilmeisesti niitä ei koskaan syntynyt, koska sisäplaneettojen syntyyn käytettävissä olevan materian määrä jäi pieneksi ja Jupiterin synty ulkoplaneettakunnan reunalle esti lähes täysin materiaa virtaamasta ulkoplaneettakunnasta sisemmäksi.
Ulkoplaneettojen vetovoimavaikutukset ovat luultavasti olleet merkittäviä mutta kaikeksi onneksi ne eivät tehneet koko planeettakunnasta epävakaata. Nesvornyn ja Morbidellin simulaatiomallissa ulkoplaneettakunta muuttuu hetkellisesti epävakaaksi ennen planeettojen päätymistä nykyisille radoilleen. Mallissa on kuitenkin lisänä yksi ylimääräinen kappale (Kuva 2.), joka poistuu Aurinkokunnan ulkopuolelle vapaaksi planeetaksi.
Uuden mallin voima
Simulaatiomallin tuloksia on verrattava tunnettuihin tosiasioihin liittyen Aurinkokunnan rakenteeseen. Samalla tarvitaan kriteereitä, joiden mukaan simulaatioiden tuloksia arvioidaan. Ensimmäinen vaatimus liittyy Maahan ja Venukseen. Simulaatioiden on tuotettava täsmälleen kaksi planeettaa etäisyysvälille 0.5 – 1.2 Maan ratasädettä ja kappaleiden on oltava massaltaan vähintään puolet Maapallosta. Simulaatioiden on tuotettava marsinkaltainen planeetta 1.2 – 1.8 Maan ratasäteen etäisyydelle ja merkuriuksenkaltainen planeetta noin 0.5 Maan ratasäteen etäisyyden sisäpuolelle. Jälkimmäiset eivät saa kasvaa liian suuriksi, eikä niiden massa saa ylittää 20% Maan massasta. Lisäksi, syntyvän Maa-Venus parin on oltava verrattaen lähellä toisiaan, noin 0.3 Maan rataetäisyyden päässä toisistaan.
Nämä alustavat ehdot ovat vasta kriteereitä sille, että yksittäinen simulaatio voidaan hyväksyä kelvolliseksi selitysmalliksi Aurinkokunnalle ja otetaan lähempään tarkasteluun. Seuraava askel on vertailla simulaatiomallissa saatujen planeettojen kemiallista koostumusta havaittuun Maan ja Kuun kemialliseen koostumukseen. Mallin tulisi kyetä tuottamaan myös Venuksen kemiallinen koostumus sekä selitys sen heikolle magneettikentälle. Simulaatioissa Venukseen ei saisi törmätä muodostumisen myöhäisessä vaiheessa suuria kappaleita, jotka saattaisivat planeetan ytimen sekoittumaan tuottaen voimakkaan, pitkäkestoisen magneettikentän kuten Maalla. Lisäksi simulaatiomallien tulisi kyetä tuottamaan Marsin matala tiheys, mikä johtuu planeetan rautaytimen suhteellisesta pienuudesta ja vastaavasti Merkuriuksen massiivinen rautaydin, joka tekee planeetasta poikkeuksellisen raskaan kokoisekseen.
Simuloiduista aurinkokunnista karkeasti kymmenen prosenttia tuottaa todellisen Aurinkokunnan kanssa varsin yhtenevän rakenteen (Kuva 3.). Mutta yhteensopivuus ei rajoitu vain rataetäisyyksiin ja planeettojen massoihin. Myös ratojen soikeus ja niiden kallistuskulma verrattuna toisiinsa muistuttavat onnistuneissa simulaatioissa havaittuja. Aurinkokuntaa mainiosti muistuttavan planeettakunnan syntyyn vaaditaan tulosten mukaan kaksi erillistä materiarengasta, joilla on omat ominaiset koostumuksensa. Niiden on sijaittava noin puolen Maan ratasäteen etäisyydellä, missä silikaatit pääsevät muodostamaan valtaosan materiasta, sekä noin 1.7 Maan ratasäteen etäisyydellä, missä puolestaan raskaiden metallien määrä on suhteellisesti vähäisempää ja esimerkiksi kallioperän koostumuksessa oleellisessa roolissa olevaa happea on enemmän. Silloin Maan materiasta noin kaksi kolmannesta olisi peräisin sisärenkaasta ja kolmannes ulompaa, kun taas esimerkiksi Marsin koostumuksesta 90% olisi ulommasta renkaasta. Lopputuloksena simuloitujen planeettojen kemialliset koostumukset osuvat hyvin yksiin havaittujen arvojen kanssa.
Tulokset ovat oikeastaan jopa hämmästyttävän samankaltaisia tunnetun Aurinkokunnan rakenteen kanssa. Vaikka onnistuneen simulaation määritelmänä oli kahden suunnilleen samankokoisen planeetan synty Maan ratasäteen ympäristöön, on sittenkin hämmentävää, että yksinkertainen kahden materiarenkaan malli kylenee tuottamaan suurella tarkkuudella sekä koko sisäplaneettakunnan rakenteen että erot planeettojen kemiallisissa koostumuksissa. Voidaan siksi sanoa, että jos sisäplaneettakuntaan syntyy jotakin maan- ja venuksenkaltaista, koko komeus päätyy suurella todennäköisydellä muistuttamaan Aurinkokuntaa myös yksityiskohdiltaan.
Tuloksilla voi olla yleisempiäkin seurauksia. Auringonkaltaiset tähdet, joita kiertää jupiterinkaltainen viileä jättiläisplaneetta, ovat voineet muodostua hyvinkin samankaltaisessa järjestyksessä kuin Aurinkokunta. Silloin lopputuloksena voi olla muuallakin maankaltaisia planeettoja elinkelpoisuuden mahdollistavalla rataetäisyydellä. Koska viileitä jupitereita on karkeasti kymmenyksellä auringonkaltaisista tähdistä, on Linunradassa noin kaksi miljardia sopivaa järjestelmää, joissa sisäplaneettakunta on saattanut muodostua kuten omamme. Se ei tarkoita, että jokaisessa niistä olisi elävä tai edes elinkelpoinen planeetta, mutta vaikuttaa selvältä, että sellaiset planeettakunnat ovat erinomaisia tutkimuskohteita yrityksissämme etsiä elämän merkkejä maailmankaikkeudesta.