Elämää – mutta ei sellaisena kuin me sen tunnemme

Sarjan epäonnistuneiden operaatioiden jälkeen heinäkuussa 1965 tehtiin ensimmäiset onnistuneet ohilennot Marsiin. Yhdysvaltalaisesta Mariner 4:stä tuli ensimmäinen avaruusalus, joka otti lähikuvia toiselta planeetalta, ja se lähetti Maahan 22 kuvaa Marsin törmäyskraateroidusta pinnasta. Sen jälkeen yli 20 onnistunutta avaruuslentoa on tutkinut punaisen planeetan ilmakehää ja pintaa.

Maailman ja avaruuden teleskooppien keräämien kuvien ja tietojen ansiosta tiedämme nyt, että Marsissa oli miljardeja vuosia sitten kolme kriittistä ainesosaa elämää varten. Sillä oli runsaasti kemiallisia rakennusaineita, sen pinnalla oli nestemäistä vettä ja energianlähde (tulivuoritoiminta), joka antoi virtaa elämän mahdollistaville kemiallisille reaktioille (Maassa tämä energianlähde on aurinko). Nykyään Marsin epäsuotuisan pinnan ei uskota soveltuvan elämälle, mutta elämän mahdollisuutta syvällä sen jäätyneen pinnan alla ei ole suljettu pois. Toistaiseksi ei kuitenkaan ole löydetty todisteita elämästä – muinaisesta tai muusta elämästä. Se, että Mars on asumiskelpoinen, ei ilmeisesti tarkoita, että siellä todella olisi elinympäristöä.

Marssin elämän etsintä jatkuu, ja lähivuosina Marsiin on suunniteltu käynnistettäväksi vielä kolme muuta tehtävää. Pidemmällä aikavälillä useat avaruusjärjestöt pyrkivät myös keräämään näytteitä Marsista ja palauttamaan ne Maahan perusteellisempaa analysointia varten. Maan ulkopuolisen elämän merkkejä etsitään myös aurinkokuntamme syvyyksiin ja sen ulkopuolelle.

Europa

Kaasujättiläinen Jupiter, joka on Marsia seuraava planeetta aurinkokunnassa, on epäsuotuisa elämälle kaikissa tällä hetkellä kuviteltavissa olevissa muodoissa. Mutta sen jäisissä kuissa – erityisesti Europassa – on potentiaalia. Jupiterin ja sen kuiden ohi on lentänyt useita tehtäviä matkalla muihin paikkoihin, mutta Nasan Galileo-ohjelma oli ensimmäinen, joka suunniteltiin erityisesti planeetan kiertoradalle ja sen kuiden tutkimiseen. Se keräsi kuvia ja tietoja Jovian järjestelmästä vuosina 1995-2003 ja ohitti Europa-järjestelmän 12 kertaa.

Avaruusaluksen keräämät kuvat ja tiedot viittaavat siihen, että Europalla on maapallon kaltainen kerrostunut rakenne: rautapitoinen ydin, kivipitoinen vaippa ja jääkuori. Magneettikenttämittauksissa havaittiin, että planeetan sisällä on sähkövirta, mikä sopii yhteen suolaisen nestemäisen valtameren kanssa koko planeettaa ympäröivän paksun jääkuoren alla. Saman operaation ottamat valokuvat, joissa näkyy valtavia halkeamia jäässä, tukevat tätä ajatusta.

Euroopan pinta muistuttaa Maan merijäätä Etelämantereella, selittää François Poulet Université Paris-Sudin avaruusastrofysiikan laitokselta Ranskasta: ”Se viittaa siihen, että jää on geologisesti melko nuorta, ja se voisi olla todiste sen vuorovaikutuksesta nestemäisen veden varaston kanssa. Joulukuussa 2012 Hubble-avaruusteleskooppi havaitsi myös vesihöyryä Euroopan etelänavan yläpuolella, ja ehdotettiin, että se olisi peräisin purkautuvista vesipilvistä. Avaruusalukset eivät kuitenkaan ole vielä nähneet näitä vesipilviä, joten jos niitä on olemassa, niiden täytyy olla ajoittaisia.

Europalla on siis todennäköisesti vettä. Mutta entä kaksi muuta välttämätöntä osatekijää, jotta se olisi asumiskelpoinen? Sillä on lämpöenergian lähde, joka tulee kitkasta, joka syntyy siitä, että sitä vedetään kohti Jupiterin painovoimakenttää eri määrät sen elliptisen radan eri vaiheissa. Jupiterin ympärillä on myös runsaasti säteilyä, joka voi käynnistää kemiallisia reaktioita (jotka ovat tarpeeksi voimakkaita tuhoamaan hyvin nopeasti kaikki muodostuneet orgaaniset yhdisteet). Mutta sitä, onko sillä oikeat kemialliset raaka-aineet, ei vielä tiedetä; mallinnukset viittaavat siihen, että näin voisi olla, mutta lisää kovaa tietoa tarvitaan.

Vuonna 2022 sekä Euroopan avaruusjärjestö (ESA) että Nasa aikovat laukaista avaruusaluksia, jotka pääsevät lähelle Europaa. ESAn Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) kestää yli seitsemän vuotta päästä Jupiterin järjestelmään. Saavumme vuoden 2029 lopulla ja aloitamme toiminnan vuoden 2030 aikana, sanoo Poulet, joka kuuluu Majis (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer) -nimistä näkyvän ja infrapunaspektrometriä kehittävään ryhmään. Juice-lennon pääkohde on Ganymede, toinen Jupiterin kuista, mutta Europa ohitetaan kahdesti. Majis analysoi tämän kuun pinnan koostumusta ja määrittää – yhdessä aluksella olevan UV-spektrometrin kanssa – Europan hyvin ohuen ilmakehän koostumuksen. Muut kamerat ja spektrometrit auttavat myös ymmärtämään tämän jäisen maailman sisäosaa ja kuorta.

Nasan Europa Clipper -operaatiossa Europa on näyttelyn tähti. Vaikka näennäisen ilmeinen tehtävä olisi kiertää Europaa muutaman vuoden ajan, mikä tahansa avaruusalus, joka tekee sen, altistuisi Jupiterista tulevalle, elämää lyhentävälle säteilylle. Sen sijaan Europa Clipper kiertää Jupiteria kiertäen sen säteilyvyöhykkeelle ja sieltä pois. Se tekee vähintään 45 läheistä ohilentoa Europan ohi kolmen ja puolen vuoden aikana. Kameroiden ja spektrometrien yhdistelmä tutkii kuuta ja sen ohutta ilmakehää. Jos etelänavan yläpuolella on vesipilviä, se pystyy myös lentämään niiden läpi ja siten mittaamaan suoraan kuun valtameren kemiallisen koostumuksen. Jos Europa Clipper laukaistaan vuonna 2022, sille on kaksi mahdollista saapumisaikaa: 2025, jos käytetään Nasan uutta, kehitteillä olevaa SLS-järjestelmää (Space Launch System), tai tammikuussa 2030, jos käytetään perinteistä rakettia.

Enceladus

Jupiterin naapurin Saturnuksen kuut ovat myös kärkikohteita muukalaiselämän etsinnässä, erityisesti Enceladus ja Titan. Cassini saapui Saturnuksen järjestelmään vuonna 2001 ja teki 23 Enceladuksen ja 127 Titanin ohilentoa ennen kuin tehtävä päättyi syyskuussa 2017.

Ensimmäinen Enceladuksen ohilento herätti viitteitä siitä, että se ei olekaan aiemmin oletettu ilmaton jäinen kappale, selittää Cassini-projektitutkija Linda Spilker. Niinpä Cassini meni lähemmäs ja sitten taas lähemmäs. Kolmannella ohilennolla havaitsimme lämpöinfrapunassa kuuman etelänavan ja näimme läheltä neljä tiikerijuovamurtumaa, hän sanoo. Etelänavan lähellä olevat tiikerijuovamaiset merkit ovat 200 °C lämpimämpiä kuin muu kuu. Kuten Europankin kohdalla, oletetaan, että Saturnuksen painovoiman aiheuttaman kitkan vuoksi Enceladus lämpenee sisältä ulospäin.

Tällä kolmannella ohilennolla kerättiin myös todisteita raidoista suihkuavasta materiaalipilvestä. ”Tietenkin se sai meidät kiinnostumaan Enceladuksesta entistä enemmän”, Spilker sanoo. ’Jotkut seuraavista 20 ohilennosta lensivät suoraan plume-materiaalin läpi ja ottivat näytteitä sen sisältämistä kaasuista ja hiukkasista. Silloin löysimme vesihöyryä, suolaista varastoa ja orgaanisia aineita.”

Cassinin aluksella oleva ioni- ja neutraalimassaspektrometri havaitsi orgaanisia molekyylejä sekä kaasuissa että niiden sisältämissä hiukkasissa plumeissa mittalaitteen raja-arvoon asti. ’Ne pystyivät havaitsemaan jopa 100 atomimassayksikköä. Siellä on ryhmiä C2:sta C6:een ja mahdollisesti pidemmällekin’, Spilker selittää.

Havaitsimme vesihöyryä, suolaista varastoa ja orgaanisia aineita Enceladuksen polaarisuihkuista

Vaikka näiden orgaanisten aineiden löytäminen oli ’hyvin jännittävää’, ei vielä voida sanoa, ovatko ne muodostuneet elävistä olentoista vai eivät, hän selittää. ”Laitteella ei ole keinoa tehdä tätä eroa, meidän on palattava takaisin tehokkaammilla massaspektrometreillä, jotka ulottuvat paljon laajemmalle alueelle ja joilla voitaisiin etsiä isoketjuisia kantamolekyylejä, kuten aminohappoja ja rasvahappoja.”

Muita jännittäviä löydöksiä pluumin tiedoissa olivat vedyn ylimäärän havaitseminen ja pikkuruisten nanohiilen rakeiden havaitseminen, jotka voivat muodostua vain hyvin kuumassa vedessä. ”Nämä kaksi tietoa yhdessä viittasivat todisteisiin hydrotermisistä purkausaukoista Enceladuksen merenpohjassa”, Spilker sanoo. Hydrotermisiä aukkoja muodostuu paikoissa, joissa merivesi kohtaa magman. Vesi laskeutuu halkeamia pitkin ytimeen, kuumenee ja tulee sitten voimalla takaisin ulos.

Maailmassa hydrotermiset aukot kuhisevat eliöitä, joita ei nähdä missään muualla. Nämä mikrobit saavat energiansa Maan ytimestä nousevien mineraalipitoisten nesteiden ravinteista. Niiden uskotaan olevan maapallon ainoat eliöt, jotka eivät saa energiaansa auringosta. Enceladuksen ja muiden planeettojen hydrotermiset aukot ovat siis potentiaalisia paikkoja elämälle.

Enceladuksella, kuten Europallakin, uskotaan olevan jäisen pintansa alla maailmanlaajuinen valtameri. Kymmenen vuoden Cassini-tiedoista tehdyssä tutkimuksessa, jossa tarkasteltiin kuun värähtelyä, havaittiin, että ydin ja kuori eivät ole kiinni toisissaan. Yksi tapa irrottaa ne toisistaan on maailmanlaajuinen nestemäisen veden valtameri, Spilker sanoo. Nyt on arvioitu, että tämä Enceladuksen globaali valtameri voi olla satoja miljoonia tai jopa miljardeja vuosia vanha – se on saattanut olla olemassa jo Enceladuksen syntyajoista lähtien. Se on jännittävää, koska se tarkoittaa, että valtavassa vesimassassa on ollut valtavasti aikaa elämän mahdolliselle muodostumiselle, hän selittää.”

Cassinin keräämät tiedot osoittavat, että Enceladuksella on kolme ainesosaa, joita tarvitaan elämän ylläpitämiseen, mutta mitään todisteita siitä, että elämää todella on olemassa, ei ole vielä löydetty. Teleskoopit, selittää Spilker, eivät ole hyviä tämän kuun tutkimiseen: ”Enceladus on hyvin pieni, ja se on hyvin lähellä Saturnusta, joten sitä on vaikea havaita Maasta käsin. Ja tästä syystä uusi tutkimusmatka tänne on toivottava, hän selittää.”

Titan

Cassini ei ollut ensimmäinen Saturnuksen kuissa vieraillut avaruusalus. Voyager 1 vieraili alueella vuonna 1980. Kun tutkijat palasivat käsittelemään uudelleen joitakin näistä vanhoista kuvista sen jälkeen, kun Cassini oli havainnut Enceladuksen syöksysuihkut, he huomasivat, että suihkut oli itse asiassa kuvattu kameralla 25 vuotta aiemmin.

Nasan Voyager-lennon pääkohde oli kuitenkin Titan. Vuonna 1944 tähtitieteilijät havaitsivat teleskooppien avulla, että tällä kuulla oli paksu metaania sisältävä ilmakehä. Voyager-avaruusalusten keräämät tiedot osoittivat sitten, että se koostui enimmäkseen typestä, muutamasta prosentista metaania ja pienemmistä määristä hiilivetyjä, kuten etaania, propaania ja asetyleeniä. Infrapuna-avaruusobservatorion 1990-luvun puolivälissä tekemät mittaukset auttoivat meitä löytämään monimutkaisempia molekyylejä”, kertoo Sarah Hörst, ilmakehäkemisti Johns Hopkinsin yliopistosta Baltimoressa Yhdysvalloissa. ”Bentseeni oli raskain molekyyli, jonka tunsimme ennen Cassinia”, hän lisää.

Kemia muuttuu Titanilla hyvin nopeasti hyvin monimutkaiseksi

”Cassini saapui sinne ja alkoi tehdä mittauksia ilmakehästä, ja sen sijaan, että Cassini olisi löytänyt asioita, joiden massa oli 78, kuten bentseeni, Cassini havaitsi, että Titanin ilmakehän yläosassa on ioneja, joiden massa on enemmän kuin 10 000”, Hörst sanoo. ”Se on siis seitsemän tai kahdeksansataa hiiliatomia kuuden tai seitsemän hiiliatomin sijaan.”

Cassinin – ja sen Huygens-luotaimen, joka laskeutui Titanille tammikuussa 2005 – mittalaitteet eivät pystyneet tunnistamaan näitä ioneja, vaan ainoastaan vahvistamaan niiden olemassaolon. Nämä molekyylit muodostuvat, kun ilmakehän ulkopuolella oleva typpi ja metaani hajoavat ultraviolettivalon ja säteilyn vaikutuksesta ja yhdistyvät sitten uudelleen kaikenlaisilla tavoilla. ”Kemia muuttuu Titanilla hyvin nopeasti hyvin monimutkaiseksi”, selittää Ralph Lorenz, joka työskentelee myös Johns Hopkinsin yliopistossa. Hörst on samaa mieltä: ”Yksi suurimmista asioista, joita Cassini on kertonut meille Titanista, on se, että sen kemia on vielä monimutkaisempaa kuin luulimme ennen sinne saapumistamme.”

Titanilla uskotaan olevan myös nestemäinen vesimeri sen jäisen pinnan alla. ”Jääkuori on Titanilla todennäköisesti paljon paksumpi kuin Europalla ja Enceladuksella”, Hörst sanoo. Kuten muillakin kuilla, joilla epäillään olevan pinnanalaisia valtameriä, siellä alhaalla voisi olla elämää. Mutta tämä ei ole ainoa ympäristö Titanilla, jossa elämä voisi mahdollisesti muodostua.

Titanilla on järviä sen navoilla. Se on Maan lisäksi ainoa paikka, jonka pinnalla tiedetään olevan nestettä. Mutta koska pintalämpötila on -180°C, ne eivät voi sisältää vettä. Cassini-lennolla todettiin, että ne ovat täynnä ylikylmää etaania ja metaania, jotka ovat kaasuja Maassa. Titanilla nämä nestemäiset hiilivedyt kaivertavat jokilaaksoja, muodostavat pilviä ja satavat sateena. Mutta voisivatko ne toimia myös elämän ylläpitämiseen tarvittavana liuottimena?

”Jos pinnalla on eliöitä, niiden on käytettävä hyvin erilaista kemiaa kuin meillä”, Hörst selittää. ”Se saattaisi silti perustua hiileen, typpeen, vetyyn ja happiin. Se saattaisi vain olla erilainen joukko molekyylejä, jotka toimivat paremmin kyseisissä lämpötiloissa ja kyseisessä liuottimessa.”

Organista ainetta putoaa jatkuvasti ilmakehästä

”Emme oikeastaan ymmärrä koko kemiallisten mahdollisuuksien kirjoa nestemäisen metaanin kaltaisessa poolittomassa liuottimessa”

selittää Lorenz. ”On spekuloitu, että akryylinitriilin kanssa voisi olla mahdollista muodostaa kalvoja. Ajatuksena on, että tällaista kokoonpanoa kutsutaan atsotosomiksi, joka on analogi perinteisen biologisen kemian liposomeille. Molekyylien metaania rakastavat ja metaania vihaavat päät saattaisivat sallia akryylinitriilin järjestäytyä pallomaiseksi vesikkeliksi, joka kykenee eristämään yhden kemikaaliyhdistelmän toisesta.

”Tiedämme joitain mahdollisuuksia toiminnoille, joita akryylinitriilikemian on suoritettava tullakseen lopulta eläväksi, mutta emme tiedä, miten kaikki vaiheet voitaisiin toteuttaa. Emme tietenkään myöskään tiedä, miten kaikki vaiheet voitaisiin tehdä vedessä”, Lorenz sanoo. Meillä on siis kaksi erilaista ympäristöä, joista meidän on etsittävä elämää Titanilta. Voimme etsiä elämää sellaisena kuin tunnemme sen, mutta myös sellaisena kuin emme tunne sitä, mikä mutkistaa asioita.”

Hörst ja Lorenz ovat mukana ideavaiheessa olevassa tehtävässä, jonka tavoitteena on juuri tämä. Joulukuussa 2017 Nasa ilmoitti lisärahoituksesta, jolla kehitetään mahdollisuutta lähettää Dragonfly-niminen drone-tyyppinen roottorilennokki tutkimaan Titanin prebioottista kemiaa. Keväällä 2019 Nasa ilmoittaa, lähteekö Dragonfly lentoon vai ei.

”Jos olemme niin onnekkaita, että Dragonflylle myönnetään rahoitusta, laukaisemme vuonna 2025 ja pääsemme Titanille vuonna 2034”, Lorenz selittää. Dragonfly olisi nelikopteri, joka kykenisi lentämään muutaman kymmenen kilometrin matkan tunnissa, pidemmälle kuin yksikään planetaarinen mönkijä on koskaan kulkenut. ”Titanin ympäristön erityispiirteet, alhainen painovoima ja paksu ilmakehä, merkitsevät sitä, että laboratorion siirtäminen roottoreiden avulla olisi hyvin helppoa”. Pystymme nousemaan ilmaan ja tutkimaan asteittain kiinnostavampia kohteita”, hän sanoo.

Dragonflylla olisi joukko instrumentteja Titanin pinnan ja ilmakehän kemian tutkimiseen. Se pystyisi myös luotailemaan pinnan alla poran ja gammaspektrometrin avulla. ”Saamme tietoa asioista, joita emme välttämättä näe, jos katsomme vain pintaa”, Hörst selittää. ”Orgaanista ainetta putoaa jatkuvasti ilmakehästä, ja se voi peittää alleen kaiken, mitä sen alla on.”

Vuoteen 2034 asti Titanin tutkimiseen käytetään edelleen teleskooppeja. ”Atacama Large Millimetre Array, radioteleskooppiryhmä Atacaman autiomaassa Etelä-Amerikassa, on meille todella uskomaton voimavara”, Hörst sanoo. He käyttävät Titania kalibrointikohteena, ja kaikki nämä tiedot ovat julkisesti saatavilla. Ihmiset ovat jo löytäneet melkoisen määrän uusia molekyylejä Titanin ilmakehästä näiden tietojen avulla. Teleskoopin avulla voidaan myös löytää tietoa siitä, miten nämä molekyylit jakautuvat Titanin ilmakehässä. ”Ja sitten kun James Webb laukaistaan, toivottavasti saamme myös siitä teleskoopista hyvää Titan-tutkimusta.”

Aurinkokuntamme ulkopuolella

James Webb -avaruusteleskooppi (JWST) on tarkoitus laukaista vuoden 2019 alkupuoliskolla. Se ”pysäköi” Lagrangen pisteeseen kaksi, syvän avaruuden paikkaan, jossa auringon, maan ja kuun vetovoima kumoavat toisensa. Se vain istuu sinne ja kiertää tuota avaruuspistettä”, kertoo Nikole Lewis, tähtitieteilijä Space Telescope Science Institutessa Baltimoressa Yhdysvalloissa, jossa JWST:tä kehitetään. Se toimii myös Hubble-avaruusteleskoopin tieteellisen toiminnan keskuksena.

Sen lisäksi, että JWST tutkii aurinkokuntamme planeettoja ja kuita, se katselee myös aurinkokuntamme ulkopuolelle ja liittyy sellaisten eksoplaneettojen tutkimukseen, joilla voi olla elämää. Helmikuussa 2017 ilmoitettiin, että Trappist-1-tähteä kiertää seitsemän Maan kokoista planeettaa. Vain 39 valovuoden päässä sijaitseva aurinkokunta muistuttaa hyvin paljon omaa aurinkokuntaamme. Ja ainakin kolme näistä planeetoista on niin sanotulla elinkelpoisella vyöhykkeellä, mikä tarkoittaa, että niiden pinnalla voisi olla nestemäistä vettä.

Trappist-1:n planeetat löydettiin Spitzer-avaruusteleskoopin, Chilessä sijaitsevan Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope -kaukoputken (Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (Trappist)) ja joidenkin muiden Maassa sijaitsevien teleskooppien avulla. Niiden löytymisen jälkeen Lewisin johtama ryhmä on tutkinut Hubblen avulla joidenkin näiden planeettojen ilmakehiä. JWST lisää paljon yksityiskohtia siihen kuvaan, jota hänen ryhmänsä parhaillaan muodostaa näistä eksoplaneetoista ja niiden ilmakehistä.

JWST on infrapunateleskooppi, jonka herkkyys on paljon suurempi kuin mikään sen edeltäjistä. Se pystyy havaitsemaan eksoplaneettojen ilmakehän komponenttien, kuten veden, metaanin, hiilidioksidin, hapen ja otsonin, kemialliset sormenjäljet – jos niitä on -.

Lewisin ryhmä etsii myös todisteita siitä, että yhdellä tai useammalla näistä planeetoista on elämää, joka on muuttanut sen ilmakehän kemiaa. ”Odotamme, että tietyt kemialliset lajit ovat tasapainossa, ja sitten elämä horjuttaa tätä tasapainoa”, hän selittää. ”Pystymme tutkimaan suuren määrän planeettoja etsimällä niiden ilmakehästä merkkejä epätasapainosta, joka viittaisi siihen, että siellä on elämää.”

Lewis on selvästi innoissaan siitä, mitä tulevaisuus voi tuoda tullessaan. ”Tämä tulee olemaan hyvin mullistavaa aikaa eksoplaneettojen ja myös aurinkokuntatieteen kannalta. Etenemme eteenpäin ja yritämme ymmärtää aurinkokuntiemme kuita ja ehkä niiden mahdollisuuksia tukea elämää.