Vesimiehen tähdistön suunnassa sijaitsee noin 40 valovuoden päässä Maasta pieni punainen kääpiö. Tähti löytyi vuonna 2000, eikä se ensin vaikuttanut erityisen kiinnostavalta Linnunradan yli sadan miljardin samantyyppisen tähden joukossa.
Käsitys muuttui kuitenkin vuonna 2015, kun tähtitieteilijät totesivat, että tähteä vaikutti kiertävän kolme suunnilleen Maan kokoista planeettaa. Ja myöhemmin paljastui neljä muuta planeettaa.
Vieraasta aurinkokunnasta tekee kiinnostavan paitsi se, että kaikki seitsemän planeettaa ovat maapallon tapaisia kiviplaneettoja, myös se, että usean planeetan etäisyys tähteen on sopiva elämän esiintymisen kannalta.
Siksi tähtitieteilijöiden on tehnyt kovasti mieli tutkia planeettoja tarkemmin – mutta vasta nyt heillä on siihen mahdollisuus.
”Siitä tulee mahtavaa!” Lars Buchhave, Tanskan teknillisen yliopiston professori ja eksoplaneettatutkija
Uudella James Webb -avaruusteleskoopilla on nimittäin mahdollista selvittää, millaiset olosuhteet eksoplaneetta tarjoaa elämälle.
”Webb-teleskoopilla voidaan ensimmäisen kerran eritellä Maan kokoisten eksoplaneettojen kaasukehää. Siitä tulee mahtavaa!”, selittää innoissaan Tanskan teknillisen yliopiston professori Lars Buchhave.
Maailman johtaviin eksoplaneettatutkijoihin kuuluva Buchhave vetää tutkimushanketta, jossa analysoidaan Webb-teleskoopin avulla Trappist-1-aurinkokunnan planeettojen kaasukehää.
Tähtitieteilijät haaveilevat löytävänsä kaasukehästä selviä elämän merkkejä. Jos kemialliset ominaisuudet vakuuttavat, voidaan olla varmoja, että elämää on syntynyt muuallakin kuin maapallolla.
Eksoplaneettojen vyöry
Webb-teleskooppi lähetettiin avaruuteen 25. joulukuuta 2021. Puoli vuotta myöhemmin se oli saatu 1,5 miljoonan kilometrin päässä kiertävälle radalle ja toimintavalmiuteen. Erilaisiin kohteisiin tähtäävä teleskooppi palvelee mitä moninaisinta tähtitieteellistä tutkimusta. Trappist-1-aurinkokunnan eksoplaneetat ovat vain yksi esimerkki.
Trappist-1-aurinkokunnan seitsemän kiviplaneettaa kiertävät punaista kääpiötä 40 valovuoden päässä Maasta. James Webb -teleskooppi voi paljastaa, mitä aineita niiden kaasukehä sisältää.
Avaruusteleskoopin alkuperäisiin tehtäviin ei edes kuulunut eksoplaneettojen tutkimus, sillä se suunniteltiin ensisijaisesti ottamaan vastaan kaukaisten galaksien infrapunasäteilyä.
Nasa alkoi kehittää teleskooppia yli 20 vuotta sitten, eivätkä eksoplaneetat olleet silloin tähtitieteessä tapetilla. Jokusia oli toki löydetty, mutta niiden yleisyydestä tutkijoilla ei ollut aavistustakaan.
Sittemmin on koettu melkoinen vieraiden planeettojen esiinmarssi. Tunnettujen eksoplaneettojen määrä kieppuu nykyään 5 000:n tienoilla, ja vallalla olevan käsityksen mukaan useimmilla tähdillä on ainakin yksi kiertolainen.
Osa eksoplaneetoista on Maan kaltaisia kiviplaneettoja. Jotkin niistä sijaitsevat tähteä ympäröivällä elämänvyöhykkeellä eli alueella, jossa vesi voi olla sopivan lämpötilan ansiosta nestemäisessä olomuodossa. Nestemäistä vettä pidetään tunnetun elämän perusedellytyksenä.
Så här skulle en planet i systemet Trappist-1 kunna se ut. Den kan ha flytande vatten på ytan och grannplaneterna befinner sig betydligt närmare än vi är vana vid här på jorden.
Tähtitieteellisen arvion mukaan noin neljäsosalla Auringon kaltaisista tähdistä on ainakin yksi elinkelpoinen planeetta. Määrä on todennäköisesti kaksi kertaa niin suuri pienempien punaisten kääpiöiden tapauksessa. Tämä tähtityyppi on maailmankaikkeuden yleisin.
Niinpä pelkästään omassa galaksissamme, Linnunradassa, on miljardeja planeettoja, joilla voi periaatteessa esiintyä elämää. Niihin kuuluvat Trappist-1-aurinkokunnan keskimmäiset planeetat.
Himmeneminen kertoo paljon
Elämän merkkejä on vaikea etsiä eksoplaneetoilta, mutta Webb-teleskooppi voi helpottaa tehtävää.
Kun eksoplaneetta kulkee tähden editse, teleskooppi havaitsee, että tähti himmenee hiukan. Kirkkauden muutoksesta voidaan päätellä, kuinka iso planeetta on, mutta se saattaa myös antaa tietoa kaasukehästä.
Pieni osa tähden valosta kulkee kaasukehän läpi edetessään kohti Webb-teleskooppia. Matkalla valo kuitenkin muuttuu hieman. Koska kaikki aineet eivät absorboi eli ime itseensä samalla tavalla säteilyn eri aallonpituuksia, valolla on profiili, jonka ominaisuudet riippuvat siitä, mistä aineista kaasukehä koostuu.
Webb-teleskooppi on varustettu spektrografeiksi kutsutuilla laitteilla, jotka pystyvät paljastamaan profiilin.
Planeetan varjo paljastaa elämän
Kun eksoplaneetta kulkee tähden editse, tähti menettää kirkkauttaan meidän näkökulmastamme tarkasteltuna. Pieni osa Maahan suuntautuvasta valosta sivuaa planeettaa ja sisältää tietoa kaasukehän koostumuksesta ja siten mahdollisia elämän merkkejä.
1. Kaasukehä suodattaa tähden valoa
Pieni osa Maahan päin tulevasta tähden valosta läpäisee eksoplaneetan kaasukehän. Koska kaasumolekyylit absorboivat sitä, eri aineet suodattavat valosta tiettyjä aallonpituuksia.
2. Webb-teleskooppi ottaa vastaan säteet
Tähden infrapunasäteily osuu Webb-teleskoopin suureen peiliin, joka lähettää sen sekundaaripeiliin. Säteet jatkavat matkaansa pääpeilin aukon kautta kameroihin ja spektrografeihin.
3. Aallonpituudet paljastavat aineet
Spektrografit ilmaisevat, mitkä valon aallonpituudet ovat suodattuneet kaasukehässä. Tulokseksi voi tulla esimerkiksi, että kaasukehä sisältää vettä (H2O), metaania (CH4), otsonia (O3) ja hiilidioksidia (CO2).
Tekniikka on ennestään tuttua, sillä sitä on käytetty yli 30 vuotta vanhassa Hubble-avaruusteleskoopissa Jupiterin kaltaisten jättiläisplaneettojen kaasukehän analysoimiseen.
Hubble-teleskoopin herkkyys ei kuitenkaan riitä Maan kaltaisten pienten planeettojen kaasukehän analysointiin. Tarkoitukseen tarvitaan sellainen suuri peili, jollainen Webb-teleskoopissa on. Sen pinta-alaltaan 25 neliömetriä oleva pääpeili kerää säteilyä kuusi kertaa niin laajalta alueelta kuin Hubble-teleskoopin peili.
Kookkaasta peilistään huolimatta Webb-teleskooppi kykenee tutkimaan vain Linnunradan lähimpiä eksoplaneettoja. Lisäksi tähtitieteilijöiden pitää tyytyä tutkailemaan vain kiviplaneettoja, jotka kiertävät punaisia kääpiöitä. Isommat tähdet, kuten Aurinko, säteilevät niin voimakkaasti, että planeettojen kaasukehän signaali hukkuu valoon.
Kumpikaan rajoite ei onneksi estä Trappis-1-aurinkokunnan kartoitusta. Etäisyys – 40 valovuotta – ei ole liian pitkä Webb-teleskoopille, eikä seitsemän planeetan aurinkokunnan keskustähtenä oleva punainen kääpiö häiritse liikaa.
Tähtäimessä neljä planeettaa
Seitsemän planeettaa on nimetty aakkosilla b:stä h:hon. Niistä etenkin d, e, f ja g ovat kiinnostavia, sillä ne sijaitsevat elämänvyöhykkeellä.
Trappist-1-aurinkokunnan planeetoista neljä sijaitsee elämänvyöhykkeellä (vihreä). Aurinkoa kiertävistä planeetoista vain Maa sijaitsee sillä – ja Venus ja Mars sen tuntumassa.
Planeettojen kaasukehän tutkimisen näkökulmasta tarkasteltuna Webb-teleskoopilla yksi paha puute: se ottaa vastaan vain infrapunasäteilyä. Siksi profiilista jäävät pois ne aineet, joiden paljastamiseen tarvitaan valon spektrin näkyvää osaa tai ultraviolettisäteilyä.
Infrapuna-alueen ansiosta Webb-teleskooppi voi löytää viitteitä esimerkiksi vesihöyrystä, hiilidioksidista, metaanista ja ammoniakista. Myös planeetan elinolosuhteisiin merkittävästi vaikuttavan otsonin jäljille on mahdollista päästä. Otsonikerroshan antaa maapallolle suojaa Auringon haitallisia ultraviolettisäteitä vastaan.
Sen sijaan on vaikea nähdä sellaisia happimolekyylejä, jollaisista Maan ilmakehä koostuu noin 20-prosenttisesti. Suuri happipitoisuus selittyy eliöistä, jotka ovat yhteyttämisen avulla muuttaneet Auringon säteilyenergiaa, vettä ja hiilidioksidia hiilihydraateiksi ja hapeksi.
Ilmakehä olisi aivan toisenlainen, jos happea ei olisi syntynyt biologisen tuotannon tuloksena.
20 prosenttia Maan ilmakehästä on happea – varmana todisteena yhteyttävistä eliöistä.
Samasta syystä on tietenkin ikävää, ettei Webb-teleskooppi pysty antamaan ilmi kaasukehän happimolekyylejä. Onneksi muutkin aineet kielivät elämän syntymisestä.
Yhdysvaltalaistutkijat ovat saaneet selville, että metaani voi olla elämän merkki silloin, kun sitä esiintyy runsaasti hiilidioksidia mutta vähän hiilimonoksidia sisältävässä kaasukehässä. Ilmakehä oli tuollainen yli 2,5 miljardia vuotta sitten, jolloin Maassa oli ollut elämää jo noin 1,3 miljardin vuoden ajan.
50 kaikkiaan 5 000 tunnetusta eksoplaneetasta voi olla eläviä.
Nykyään tunnetaan noin 5 000 eksoplaneettaa. Niiden ominaisuudet vaihtelevat, ja monet niistä ovat aivan erilaisia kuin Aurinkoa kiertävät planeetat. Tutustu eri eksoplaneettatyyppeihin täällä.
Pidetään mahdollisena, että Webb-teleskoopin mittaukset osoittavat jollain Trappis-1-aurinkokunnan planeetalla elävän pieneliöitä, jotka tuottavat metaania samalla tavalla kuin maapallolla muodostuu bakteeritoiminnan tuloksena biokaasua.
Ei voida tietenkään olle varmoja, että Webb-teleskoopilla saadaan niin kiistatonta näyttöä kuin tutkijat toivovat. Jos lisätodisteita kaivataan, niitä voidaan yrittää hankkia teleskoopilla, joka aloittaa toimintansa avaruudessa suunnitelmien mukaan 2040-luvun puolivälissä.
Suunnitelmissa nimellä LUVOIR eli Large ultraviolet optical infrared surveyor kulkeva teleskooppi ottaa vastaan – kuten nimestä voi päätellä – sekä näkyvää valoa että infrapuna- ja ultraviolettisäteilyä. Tämän ansiosta eksoplaneettojen kaasukehästä voidaan jäljittää useampia aineita kuin Webb-teleskoopilla.
Webbin seuraaja näkee paremmin
Toisin kuin Webb-teleskooppi 2040-luvulla lähetettävä LUVOIR-teleskooppi on suunniteltu tutkimaan eksoplaneettoja. Kolme tekniikkaa parantaa mahdollisuuksia löytää elämän merkkejä.
1. Suurempi peili tarkentaa kuvia
Avaruusteleskooppien Maahan lähettämien kuvien tarkkuus riippuu niiden peilin koosta. Päätöstä LUVOIR-teleskoopin peilin mitoista ei ole tehty, mutta todennäköisesti siitä tulee 1–2 metriä leveämpi kuin Webb-teleskoopin peilistä.
2. Koronagrafi peittää tähden
Eksoplaneetalta tuleva heikko valo hukkuu helposti tähden voimakkaaseen säteilyyn. LUVOIR varustetaan koronagrafiksi kutsutulla laitteella, joka estämällä tähden kirkasta valoa saa planeetan erottumaan selvemmin.
3. Laaja spektri paljastaa enemmän aineita
Hubble-teleskooppi ottaa vastaan pääasiassa näkyvää valoa, ja Webb-teleskooppi toimii infrapuna-alueella. LUVOIR vangitsee näkyvän valon lisäksi infrapuna- ja ultraviolettisäteilyä ja voi siksi havaita eksoplaneettojen kaasukehästä useampia aineita.
Vielä ei ole tiedossa, kuinka iso LUVOIRista lopulta tulee. Todennäköisesti se saa vain vähän Webb-teleskoopin 6,5-metristä peiliä suuremman peilin, vaikka esillä on ollut jopa 15-metrinen vaihtoehto.
Joka tapauksessa tähtitieteilijät voivat odottaa tehokkaampaa työvälinettä eksoplaneettojen elonmerkkien etsimiseen. Lisäksi LUVOIR sopii – toisin kuin Webb-teleskooppi – Auringon kaltaisia tähtiä kiertävien eksoplaneettojen kaasukehän analysointiin.
Vaikkei Webb-teleskooppi onnistuisikaan löytämään punaisten kääpiöiden ympäristöstä todisteita Maan ulkopuolisesta elämästä, kaikki toivo ei ole mennyttä: LUVOIR voi lunastaa toiveet kaivamalla todisteet esiin esimerkiksi omaamme muistuttavasta aurinkokunnasta.