Me kaikki muistamme lastentarinan ”Kultakutri ja kolme karhua”. Kerromme mielellämme lapsillemme ja lapsenlapsillemme, kuinka isäkarhun puuro oli liian kuumaa, äitikarhun puuro oli liian kylmää, mutta vauvakarhun puuro oli juuri sopivaa. Ei siis ole yllättävää, että kun tiedemiehet alkoivat miettiä, että maapallon valtamerten piti pysyä nestemäisinä miljardeja vuosia, jotta elämä voisi säilyä – planeetan lämpötilan ei pitänyt olla liian kuuma eikä liian kylmä, vaan juuri sopiva – he nimesivät maapallon ensimmäiseksi ”Kultakutri-planeetaksi”: Kuten kaikki sen tyyppiset tähdet, Aurinkomme on kirkastunut vähitellen 4,5 miljardin vuoden aikana sen muodostumisesta. Kun valtameret ensimmäisen kerran muodostuivat Maahan noin 4 miljardia vuotta sitten, Aurinko oli noin 30 prosenttia himmeämpi kuin nyt, joten planeetan täytyi pidättää paljon enemmän tulevaa aurinkoenergiaa pitääkseen valtameret jäätymästä. Kun aika kului ja aurinko syötti enemmän energiaa Maahan, myös planeetan ilmakehän koostumus muuttui, mikä vaikutti lämpötilaan kasvihuoneilmiön kautta. Kaikesta tästä huolimatta näyttää siltä, että valtameret pysyivät vain muutaman asteen pakkasen yläpuolella koko maapallon historian ajan. Ei liian kylmää, eikä liian kuumaa.

Ottaaksemme vain yhden esimerkin ilmakehän muutoksesta, tiedämme, että 3,5 miljardia vuotta sitten maapallon valtamerissä asui kukoistavia syanobakteeriyhdyskuntia, jotka muistuttavat sitä, mitä me kutsumme vihreäksi lammikkosumuksi. Tuolloin ilmakehässä ei ollut käytännössä lainkaan vapaata happea, mutta bakteerit luovuttivat happea fotosynteesin jätetuotteena (kuten kasvit tekevät nykyäänkin). Aluksi tämä happi poistui kemiallisissa reaktioissa, kuten raudan ruostuessa pintakivissä, mutta noin 2,5 miljardia vuotta sitten hapen määrä alkoi lisääntyä, mitä jotkut tutkijat kutsuvat suureksi hapettumistapahtumaksi. Oletettavasti monet planeetan alkuperäiset asukkaat, jotka eivät sietäneet happea, kuolivat sukupuuttoon hukkumalla omiin jätetuotteisiinsa. Toiset kuitenkin sopeutuivat ja pystyivät käyttämään happea hengityskiertoon, joka pitää sinut ja kaikki muut planeetan eläimet elossa nykyään.

Vuonna 1978 astrofyysikko Michael Hart, joka työskenteli tuolloin Teksasissa sijaitsevassa Trinity-yliopistossa, julkaisi tietokonemallin, joka kuvasi maapallon ilmakehän historiaa. Tässä mallissa varhaisen Auringon heikkoa lämpöä auttoi ilmakehän ammoniakin ja metaanin tuottama kasvihuoneilmiö (nämä molemmat, kuten tutumpi hiilidioksidi, CO2, ovat kasvihuonekaasuja). Auringon kirkastuessa elävien organismien tuottama happi tuhosi nämä yhdisteet, mikä vähensi kasvihuoneilmiötä ja kompensoi näin auringon lisääntynyttä säteilyä. Lopulta syntyi nykyinen ilmakehämme, jonka kasvihuoneilmiö perustuu hiilidioksidiin ja vesihöyryyn. Pohjimmiltaan maapallo käveli veitsenterällä sen välillä, että toisesta puolesta tuli karannut kasvihuone ja toisesta jäätyi jähmettyneeksi.

Meidän näkökulmastamme tärkein osa Hartin laskelmasta tuli kuitenkin tarkastelemalla, mitä olisi tapahtunut, jos maapallo olisi ollut eri etäisyydellä Auringosta kuin missä se todellisuudessa on. Hänen mallinsa mukaan, jos Maa olisi ollut yhden prosentin kauempana tai viisi prosenttia lähempänä Aurinkoa, herkkä tasapaino, joka mahdollisti valtamerten pysymisen nestemäisessä muodossa, olisi menetetty. Niinpä planeettamme ilmakehän kehittymistä koskevat pohdinnat johtivat ajatukseen, että tähden ympärillä on kaistale, jossa pinnan valtameret voivat säilyä nestemäisinä miljardien vuosien ajan. Tätä vyöhykettä kutsutaan tähtikehän asuttavaksi vyöhykkeeksi (circumstellar habitable zone, CHZ), ja siitä on tullut yksi keskeisistä ajatuksista, jotka ohjaavat tutkijoiden ajatuksia elämästä eksoplaneetoilla.

Circumstellar Habitable Zones and Habitability

Ensimmäinen asia, jonka voimme sanoa CHZ:ista, on se, että jokaisella tähdellä on sellainen. Tähden ympärillä on siis aina kaistale, jossa energiatasapaino voisi pitää planeetan pinnan lämpötilan veden jäätymis- ja kiehumispisteen välissä. Pienillä, himmeillä tähdillä kaista on kapea ja tiivis. Monet tunnetuista eksoplaneetoista ovat esimerkiksi tähtensä CHZ-alueella lähempänä kyseistä tähteä kuin Merkurius Aurinkoa. Vastaavasti suurten, kirkkaiden tähtien CHZ on laajempi ja sijaitsee kauempana. Kuten edellä todettiin, tähden energiantuotto kasvaa ajan myötä, joten asuinkelpoinen vyöhyke itse asiassa siirtyy ulospäin tähden vanhetessa. Tärkeää on kuitenkin se, että koska jokaisella tähdellä on jossakin CHZ, odotamme, että ihan sattumalta joitakin planeettoja on muodostunut näille vyöhykkeille.

Tämän huomion jälkeen on kuitenkin lisättävä, että viimeisen parin vuosikymmenen aikana tiedemiehet ovat ymmärtäneet, että CHZ:tä on tarkasteltava paljon huolellisemmin kuin pelkkä lämpötilatasapainon laskeminen sallii. Kuten MIT:n astrofyysikko Sara Seager huomauttaa, elinkelpoisella vyöhykkeellä olevalla planeetalla ei ole mitään takeita siitä, että se todella on elinkelpoinen. Itse asiassa on monia tekijöitä, jotka voivat vaikuttaa elämän mahdollisuuteen CHZ-alueella sijaitsevissa maailmoissa.

Exoplaneettojen tutkimuksen edetessä CHZ-alueella sijaitsevan Maan tyyppisen planeetan löytämisestä on tullut jonkinlainen pyhä Graalin malja tähtitieteelliselle yhteisölle. Mutta nykyään olemme ymmärtäneet, että planeetan asuttavuuteen liittyy muutakin kuin sen radan sijainti. Tutkijat ovat esimerkiksi tutkineet maailmoja, jotka eivät sijainneet tähtensä CHZ:ssa, joilla ei ollut nestemäisen veden valtameriä pinnalla ja jotka olivat silti mahdollisia elämän ja jopa kehittyneiden sivilisaatioiden asuinpaikkoja. Tämänkaltaiset näkökohdat ovat saaneet tutkijat tarkastelemaan paljon laajemmin elämän syntyyn tarvittavia olosuhteita.

Tähden tyyppi mukana

Tähden tyypillä, jonka ympärillä planeetta pyörii, voi olla merkittäviä seurauksia elämän kehittymiselle, jopa CHZ:n planeetoilla. Esimerkiksi pienet, himmeät tähdet, joita kutsutaan punaisiksi kääpiöiksi ja jotka muodostavat suurimman osan Linnunradan tähdistä, käyvät usein läpi äärimmäisen aktiivisia kausia. Tähtipurkaukset ja valtavien määrien varattujen hiukkasten sinkoutuminen tekisivät elämän minkä tahansa planeetan pinnalla hyvin vaikeaksi riippumatta siitä, sijaitsiko planeetta CHZ:ssa vai ei. Tällaisissa järjestelmissä elämän olisi todennäköisesti jäätävä merenpohjaan tai maan alle selviytyäkseen. Tällaisissa tilanteissa CHZ yksinkertaisesti muuttuu merkityksettömäksi.

Tutkijat ovat alkaneet luopua ajatuksesta, että elämän on kehityttävä ja säilyttävä planeettojen pinnalla. Monissa nykyisissä väitteissä esimerkiksi päädytään siihen, että Marsin mahdolliset elävät organismit löytyvät pinnan alta. Lisäksi jos elämää on olemassa ulkoisen aurinkokunnan pinnanalaisissa valtamerissä, kuten Europan ja Enceladuksen valtamerissä, se on määritelmän mukaan pinnan alapuolella. Jopa maapallolla näyttää siltä, että planeetan pinnan alla saattaa olla enemmän biomassaa kuin pinnalla. Näin ollen pieniin tähtiin liittyvän voimakkaan säteily-ympäristön ei tarvitse sulkea pois elämän kehittymistä, vaikka tätä elämää olisikin luultavasti mahdotonta havaita suoraan nykyisellä teknologiallamme.

Massiivisemmat tähdet sen sijaan tarjoavat suotuisamman säteily-ympäristön, mutta niiden elinikä voi olla suhteellisen lyhyt. Joissakin tapauksissa ne voivat elää vain 30 miljoonaa vuotta. On epätodennäköistä, että planeetalle voisi kehittyä muuta kuin yksinkertaista mikrobielämää niin lyhyessä ajassa. Lisäksi tällaiset tähdet päättävät elämänsä massiiviseen räjähdykseen eli supernovaan, joka varmasti tuhoaisi kaikki lähellä olevat planeetat. Näin ollen, vaikka elämä onnistuisikin kehittymään tällaisen tähden CHZ-alueella, kaikki jäljet siitä tuhoutuisivat tähden kuollessa.

Juuri näiden rajoitteiden vuoksi eksoplaneettojen metsästäjät ovat keskittäneet huomionsa Auringon kaltaisten keskikokoisten tähtien CHZ-alueella sijaitseviin planeettoihin.

Atmosfäärin evoluutio

Toinen monimutkaisuuden lähde keskusteluun asuttavuudesta syntyy siitä, että planeettojen ilmakehät eivät ole vakaita, muuttumattomia systeemejä, vaan ne kehittyvät ajan myötä. Maan suuri hapettumistapahtuma on vain yksi esimerkki tällaisesta prosessista.

Marsin kaltaisilla pienillä planeetoilla ilmakehän gravitaatiopakolla on suuri merkitys. Näin se toimii: Planeetan ilmakehän muodostavat molekyylit ovat aina liikkeessä, ja mitä korkeampi lämpötila on, sitä nopeammin ne liikkuvat. Lämpötilasta riippumatta on kuitenkin aina joitakin molekyylejä, jotka liikkuvat keskimääräistä nopeammin, ja joitakin, jotka liikkuvat hitaammin. Jos nopeammin liikkuvat molekyylit saavat tarpeeksi nopeutta ja sattuvat liikkumaan kohtisuoraan planeetan pintaa vastaan, ne voivat voittaa planeetan vetovoiman ja paeta avaruuteen.

Mitä suurempi planeetta on, sitä voimakkaampi on sen vetovoima ja sitä helpompi on pitää ilmakehä. Esimerkiksi Maassa molekyylin täytyisi liikkua noin seitsemän mailia sekunnissa (11 km/s), jotta se voisi paeta. On tärkeää huomata, että raskaita molekyylejä on vaikeampi nostaa suureen nopeuteen kuin kevyitä. Tämä tarkoittaa, että kevyemmät molekyylit häviävät todennäköisemmin kuin raskaat molekyylit gravitaatiopakoon. Esimerkiksi Maa on menettänyt suuren osan alkuperäisestä vedystä ja heliumista, jotka ovat sen ilmakehän kevyimpiä osia, kun taas Mars on menettänyt vielä raskaampia kaasuja, kuten happea ja typpeä.

Tähän liittyvä häviämismekanismi, jota kutsutaan fotodissosiaatioksi, on erityisen tärkeä vesimolekyyleille. Jos planeetan pinnalla on vettä, ilmakehässä on jonkin verran vesihöyryä. Planeetan tähden ultraviolettisäteily hajottaa ilmakehän yläosiin joutuneet vesimolekyylit. Syntynyt vety, joka on kevyttä, häviää painovoiman vaikutuksesta, ja happi yhdistyy pinnalla olevien atomien kanssa muodostaen erilaisia hapettuneita mineraaleja. Uskomme esimerkiksi, että näin Mars menetti historiansa alkuvaiheessa olleen valtameren, ja että planeetan punainen väri on seurausta raudan hapettumisesta (ruostumisesta) sen pintakivissä.

Toinen tärkeä muutos koskee hiilidioksidia, joka on tärkeä kasvihuonekaasu (vesihöyryn ohella) Maan ilmakehässä. Aina kun tulivuori räjähtää maapallolla, hiilidioksidia vapautuu syvältä vaipasta ja pumpataan ilmakehään. Hiilidioksidi kulkeutuu syvän hiilen kiertokuluksi kutsutussa monimutkaisessa prosessissa mereen ja liitetään kalkkikiven kaltaisiin materiaaleihin, minkä jälkeen se voidaan muun muassa viedä takaisin maapallon sisälle. Planeetan yleiset geologiset prosessit voivat siis vaikuttaa hiilidioksidin määrään sen ilmakehässä, mikä puolestaan vaikuttaa sen lämpötilaan. Uskomme, että Venuksen varhaishistoriassa mahdollisesti olemassa olleet pintavedet olisivat haihtuneet planeetan korkean lämpötilan vuoksi, joka johtuu sen läheisyydestä aurinkoon. Näin ollen Venuksella ei ollut mitään keinoa poistaa hiilidioksidia ilmakehästään, ja syvän hiilenkierron puuttuessa planeetta kärsi tuon kaasun kertymisestä niin sanotussa karkaavassa kasvihuoneilmiössä.

Nämä esimerkit osoittavat, että eksoplaneetan ilmakehän muutoksilla – muutoksia, joita emme voi havaita nykyisillä teleskooppivälineillä – voi olla syvällisiä vaikutuksia sen asuttavuuteen. Esimerkkinä mainittakoon, että planeetta, joka on tähtensä CHZ:ssa, mutta jolla sattuu olemaan hyvin vähän vettä, saattaa kärsiä kasvihuoneilmiön karkaamisesta ja päätyä Venuksen kaltaiseksi. Kaukaa käsin olisi hyvin vaikea tietää, olisiko näin käynyt vai ei.

Intelligence and Technology

Se, että meillä on melko hyvä käsitys siitä, miten ja milloin elämä kehittyi yhdessä kultakutri-maailmassa (maapallolla), vie osan arvailusta pois keskusteluista, jotka koskevat elämän kehittymistä tällaisilla planeetoilla. Vaikka muukalaiselämän kemian ei tarvitse perustua samaan järjestelmään, joka toimii elämässä maapallolla, ei ole liian suuri harppaus olettaa, että muiden Goldilocks-maailmojen elämänmuodot ovat samalla tavalla riippuvaisia suurten, hiilipohjaisten molekyylien sisältämästä monimutkaisesta informaatiosta. Hiili voi muodostaa vahvoja, stabiileja atomiketjuja ja -renkaita, jotka soveltuvat erinomaisesti informaatiota kantaviksi biomolekyyleiksi.

Ei meidän myöskään tarvitse olettaa tavanomaista tieteiskirjallisuuden galaksia, jota asuttavat englantia puhuvat kaksijalkaiset hominidit ymmärtääkseen, miten luonnonvalinta voisi toimia muissa Goldilocks-maailmoissa. Voimme tarkastella älykkyyden ja teknologian kehitystä maapallolla ja vetää mahdollisia analogioita vastaaviin Goldilocks-planeettoihin galaksissa.

Keskeinen seikka luonnonvalinnasta, johon meidän on kiinnitettävä huomiota, on tämä: se ei ole prosessi, joka valitsee kiltteyden tai moraalisen arvon. Vanha vitsi tuo tämän esiin:

Kaksi vaeltajaa kohtaa vuoristossa ilmeisen nälkäisen

grizzlykarhun. Toinen retkeilijöistä alkaa riisua reppuaan.

Toinen sanoo: ”Mitä sinä teet? Et voi juosta nopeammin

kuin tuo karhu.”

”Minun ei tarvitse juosta nopeammin kuin karhu – minun on vain juostava

nopeammin kuin sinä.”

Ei ole mitään väliä, jos hitaampi juoksija on kiltti mies, joka auttaa vanhoja rouvia kadun toisella puolella. Luonnonvalinta ei välitä. Ainoa asia, jolla on väliä, on se, että hänen lajitoverinsa on nopeampi. Nuo ovat ne geenit, jotka pääsevät seuraavaan sukupolveen.

elämänmuotoja Goldilock-maailmoissa

Mitä tämä siis kertoo meille siitä, millaisia elämänmuotoja Goldilock-maailmoihin kehittyy? Pelkäämme, että vastaus ei ole kovin rohkaiseva, sillä todennäköisin lopputulos on, että ne eivät luultavasti ole sen lempeämpiä ja ystävällisempiä kuin Homo sapiens. Kun tarkastelemme lajimme historiaa ja fossiileista löydettyjen yli 20 hominidilajin katoamista, emme voi suhtautua toiveikkaasti siihen mahdollisuuteen, että kohtaamme kehittyneen teknologisen lajin, joka on meitä rauhallisempi. Kuka tahansa, jonka löydämme sieltä, ei todennäköisesti ole yhtään moraalisempi tai vähemmän sotaisa kuin me. Pelottavaa!

Katsokaa asiaa näin: Jos tiivistämme maailmankaikkeuden historian yhteen vuoteen, maapallo ja aurinkokuntamme muodostuivat työpäivän tienoilla, ja tieteen kehitys vie korkeintaan muutaman viime sekunnin. On äärimmäisen epätodennäköistä, että muut olennot eivät olisi kehittäneet tiedettä koko ”vuoden” aikana ennen Homo sapiensin ilmaantumista. Fysiikan ja kemian lait eivät ole hämäräperäisiä tai piilossa – mikä tahansa kohtalaisen älykäs sivilisaatio voi löytää ne. Ainakin joidenkin noista Kultakutri-sivilisaatioista olisi pitänyt tehdä niin. Jonkun maan ulkopuolisen Isaac Newtonin on täytynyt jossakin käynnistää siirtyminen kohti kehittynyttä teknologista sivilisaatiota. Kaikkein huolestuttavinta on, ettemme löydä todisteita mistään tällaisesta sivilisaatiosta. Vaikka valoa nopeampaa poimuajoa ei olisikaan ja vaikka emme tekisikään merkittäviä edistysaskeleita teknologiassa, laskelmien mukaan ihmiskunta voisi levittäytyä koko galaksiin 30 miljoonassa vuodessa – mikä on vähemmän kuin yksi päivä universaalivuodessamme. Jos me pystymme siihen, niin myös mikä tahansa muu yhtä kehittynyt sivilisaatio kuin me.

Missä nämä muut sivilisaatiot sitten ovat? Tämä kysymys on ilmaus siitä, mitä kutsutaan Fermi-paradoksiksi (nimetty Enrico Fermin (1901-1954), yhden 1900-luvun johtavan fyysikon mukaan). Joku mainitsi hänelle kerran laskelmat, joiden mukaan galaksissa on miljoonia kehittyneitä sivilisaatioita. Fermi mietti hetken ja kysyi sitten: ”Missä kaikki ovat?”. Toisin sanoen, miksi he eivät ole jo täällä? Miksi koemme sitä, mitä tiedemiehet kutsuvat ”suureksi hiljaisuudeksi”, mitä tulee avaruusolentoihin?

Tiedemiehet ja tieteiskirjailijat, jotka ovat mielikuvituksellisia sieluja, ovat tuottaneet monia mahdollisia selityksiä. Tässä muutamia suosituimpia:

• Eläintarhahypoteesi: Avaruusolennot ovat julistaneet Maan jonkinlaiseksi suojelluksi erämaa-alueeksi.
• Star Trek -hypoteesi:
• Paratiisihypoteesi: Maan ulkopuoliset ovat lihavia ja onnellisia ihanteellisessa ympäristössä, eikä heitä kiinnosta tutkimusmatkailu.
• Korvaushypoteesi:

Ongelmana on kuitenkin se, että vaikka voimme kuvitella minkä tahansa näistä skenaarioista toteutuvan muutamissa maan ulkopuolisissa sivilisaatioissa, on todella vaikea pitää mitään niistä elämän kehityksen väistämättömänä lopputuloksena.

Tähtiensä CHZ:ssä täytyy olla monia miljoonia Maan kokoisia planeettoja, ja tätä olettamusta tukee se, että olemme jo löytäneet niitä pari tusinaa pienestä muutaman tuhannen eksoplaneetan otannastamme. On äärimmäisen epätodennäköistä, että ne kaikki omaksuisivat esimerkiksi Star Trekin päädirektiivin kaltaisen periaatteen. Pelkäämme, että loogisin vastaus kysymykseen, miksi emme ole tietoisia kehittyneiden maan ulkopuolisten sivilisaatioiden olemassaolosta, on se, että näitä sivilisaatioita ei ole olemassa. Nähdäksemme ainoa luonnonlaeista riippuvainen selitys tähän on sellainen, joka riippuu luonnonvalinnan toiminnasta.

Tämä johtaa meidät hyvin synkkään mahdollisuuteen elämän kohtalosta Goldilocks-maailmoissa. Kun otetaan huomioon luonnonvalinnan taipumus tuottaa aggressiivisia lajeja – Homo sapiensin kaltaisia lajeja – on mahdollista, että koko maailmankaikkeuden historia on kulunut evoluutioprosessiin, joka on tuottanut älykkäitä elämänmuotoja Goldilocks-planeetalla toisensa jälkeen, vain siksi, että nämä elämänmuodot ovat pyyhkäisseet itsensä sukupuuttoon havaittuaan tieteen. Toisin sanoen tuolla ulkona on saattanut olla valtava määrä sivilisaatioita, jotka ovat saavuttaneet meidän tasomme, mutta ne kaikki tuhosivat itsensä ennen kuin ne ehtivät asuttaa lähitähtensä. Tämä tuomiopäivän skenaario on yleinen selitys Fermin paradoksille.

Ajatus on hyytävä.