Planeedikütt: maaväline elu võib õilmitseda ka eksootilise keemiaga planeedil

Maavälise elu leidmiseks tuleb Päikesesüsteemist väljaspool asuvate planeetide atmosfäärist elujälgede otsimise kõrval eeskätt aru saada, kus elu kindlasti tekkida ei saa, leiab Londoni Ülikooli Kolledži astrofüüsika professor Giovanna Tinetti.
Lõppeval nädalal kogunes Tartusse hulk astronoome, planeediteadlasi ja astrobiolooge, et täpsustada Euroopa Kosmoseagentuuri uue põlvkonna planeediotsija Ariel tegevusplaane. Novaator uuris ARIEL-i missiooni juhtivuurija Giovanna Tinettilt, mida esimese eksoplaneetide atmosfääride uurimisele keskenduva teleskoobiga saavutada loodetakse ja kui keeruline on tabada maavälise elu jälgi.
Sattusite teadust tegema täpselt sellel ajal, kui meile teadaolevate Päikesesüsteemist väljaspool asuvate planeetide arv kasvas mitmetuhande kordselt. Teadlased kohanevad tavaliselt küll kiiresti, kuid milliseid tundeid see tekitas, kui ühel hetkel mõistsite, et suur osa teie tehtavast tööst ei jää vaid teoreetiliseks, vaid saate eksoplaneetidele sõna otseses mõttes käe külge panna?
Alustasin oma karjääri tegelikult osakestefüüsikuna, sest mul on taust teoreetilises füüsikas. Esialgu olid mu karjääriplaanid võrreldes praegusega mõnevõrra erinevad. Teadsin küll alati, et tahan jääda teadusesse, kuid mitte ilmtingimata astrofüüsikuna. Kui Itaalias doktoritööd kirjutasin, avastati esimesed eksoplaneedid. Mõtlesin, et see on lahe valdkond. Võimalus avastada meie galaktikas senitundmata maailmu tundus äärmiselt põnev.
Doktorantuuri järel seadsin seetõttu sammud USA-sse California Tehnoloogiainstituuti (Caltech). Siis oli kogu valdkond lapsekingades. Teadaolevaid eksoplaneete oli võrreldes praegusega vähe ja selles mõttes oli minu uurimisteema valik omamoodi õnnemäng.
Nüüd olen ma muidugi selle üle tõeliselt õnnelik. Galaktikast on leitud tuhandeid uusi planeete ja tervel valdkonnal läheb tegelikult hästi. Hakkame tasapisi mõistma mõningaid eksoplaneetide omadusi, neile iseloomulikku keemiat ning mõõtmeid ja temperatuuri. Seega hakkavad need kauged maailmad end väga aeglaselt meile avama.
Senised planeediotsijad, nagu Kepler, on suutnud tuhandete praeguseks leitud planeetide näol veenvalt näidata, et Linnutee kubiseb eksoplaneetidest. Lisaks on need võimaldanud aimu saada nende suuruse statistilisest jaotusest. Ma tean, et astronoomidele meeldib lugeda tavaliselt üks, kaks ja palju, kuid kas ARIEL-i uuritavast 1000 planeedist piisab sarnasel viisil nende atmosfääride kohta üldistuste tegemiseks?
See on väga hea küsimus! Vastab tõele, et see vähene, mida me tänapäeval eksoplaneetide kohta teame, tuleneb populatsiooniuuringutest. Me ei vaatle neis mitte käputäie, vaid suhteliselt suure hulga eksoplaneetide omadusi. Tõsi on ka see, et Kepler oli esimene kosmosemissioon, mis andis mingigi ülevaate, kui palju planeete galaktikas üldse leidub. See näitas, et väikeseid planeete on palju rohkem kui Jupiteri või Neptuuni mõõtu gaasihiide.
Tuginedes Kepleri kogutud andmete kõrval ka paljudele teistele uuringutele, on mõistagi meie eeldus, et neid planeete tuleb juba lähiajal kõvasti juurde. See on statistilist laadi teave, mille teeb osalt võimalikuks gravitatsioonilise mikroläätse meetodi kasutamine. (Muutused Maani jõudva tähevalguse intensiivsuses võimaldavad avastada ka vanemaid ja jahedamaid planeete. toim)

Selleks, et teha põhjapanevamaid järeldusi, on vaja lihtsalt suurt hulka planeete. Oluline on aga lihtsalt samm-sammult edasi liikuda. Kui praeguseks on loendatud üle 5000 eksoplaneedi, sai tegelikult teha esimesi üldistusi planeetide omaduste kohta juba esimese mõnesaja Kepleri leitud planeedi pealt. Loomulikult polnud need toonased järeldused tõsikindlad. Hilisemad uuringud ja uued tehnikad on aga tulemusi kinnitanud.
Nii et ma olen teiega nõus! Ideaalis oleks meil vaja andmeid kümnete tuhandete planeetide kohta. Senised atmosfäärimõõtmised ja -vaatlused annavad aga täpsema sissevaate vaid mõnekümne planeedi kohta. Andmeid on pehmelt öeldes hõredavõitu.
Meie eesmärk on jõuda praegusest olukorrast, kus me ei tea üksikute planeetide kohta sisuliselt mitte midagi ja veel vähem saame neist statiliselt kirjeldada, sinnamaani, kus meil oleks võimalik uurida vähemalt tuhande eksoplaneedi atmosfääre.
Mis aga kõige tähtsam, tahame saada selgust, millised tingimused eri tüüpi tähede ümber tiirlevatel eri tüüpi planeetidel üldse valitseda võivad. See võiks meil aidata teha tohutu sammu nii eksoplaneetide alases teadmises üldiselt kui ka planeetide keemia mõistmises.
Kindlasti ei jää see uuring viimaseks. Loodetavasti võimaldab ARIEL teha aga vähemalt sama suure hüppe, nagu tegi Kepleri töörühm siis, kui ilmutas esimese andmepõhise ülevaate planeetide esinemissagedusest. Niisiis loodan, et ARIEL-i peamine panus teadusesse saab olema esimene suur andmekogu eksoplaneetide atmosfääridest.
Arvestades, et meil on vaja atmosfääri uurimiseks seda läbivat valgust, jäävad kõrvale paljud kaugemal tiirlevad radiaalkiiruse abil avastatud planeedid, mille olemasolust annavad märku vaid võbelused nende tähe liikumises. Kuidas see analüüsi mõjutab?
ARIEL kasutab üht konkreetset tehnikat või õigemini tehnikate kogumit. Selle toimimiseks peab planeet tähe ümber tiireldes mõõduma tähe eest või minema selle taha viisil, et planeedi atmosfääri läbiv valgus jõuab meieni. Mõnes mõttes viib selline geomeetria tõesti analüüsi kallutatuseni. Ühelt poolt on meil vaja seda konkreetset konfiguratsiooni. Teisalt on see kaldu ka nende planeetide kasuks, mis tiirlevad tähtedele lähemal ja mida on seetõttu meie tehnikaga lihtsam avastada.
Suurem osa meie valitud sihtmärkidest avastati tänu sellele, et need varjutasid perioodiliselt oma tähte. Seda meetodit kasutavad planeediotsijad Kepler, TESS ja CHEOPS. Arvestades, et sedasi on avastatud rohkem planeete kui ühegi teisega, on see minu meelest siiski hea lähtekoht. Alustada tuleb ikka sealt, kus on kõige rohkem sihtmärke. Isegi kui vaatleme sel viisil rohkem neid planeete, mis tiirlevad tähtede läheduses.

Samas on olemas teisigi tehnikaid, nagu planeetide otsepildistamine. Nendega saab vaadelda ka tähest kaugemal tiirlevaid kehi. Selle jaoks läheb aga vaja teistsuguseid instrumente. Kõige parem on seda teha kas maapinnalt või väga suurte teleskoopidega kosmosest. Lisaks on see märksa keerulisem. (Üldiselt püütakse eksoplaneete otseselt pildile nende kiiratava soojuskiirguse abil, mille lainepikkust on nähtavast valgusest suurem. toim)
Oluline on see, et näeme ühe tehnikaga planeete, mida teisega ei näe. Näiteks lubab ARIEL-i kasutatav transiiditehnika jälgida suhteliselt väikeseid, Maa mõõtu või veidi suuremaid planeete. See ei võimalda meil küll saada ammendavat ülevaadet kõigi eksoplaneetide omadustest, kuid saame nii suurte kui ka väikeste planeetide kohta siiski mõndagi teada.
Seega pole küsimus selles, kumb tehnika valida. Eesmärk on, et meil oleks kasutada mõlemad ja seda võimalikult kiiresti.
Eksobioloogid panevad ARIEL-i missioonile suuri lootusi, lootes leida viimaks eksoplaneetide atmosfääridest elule viitavaid molekule. Samas leiavad geokeemikud üha uusi võimalusi, kuidas tekitada abiootiliste protsessidega kunagi vaid elule iseloomulikuks molekule. Kui ARIEL peaks leidma midagi huvitavat, siis kas sellest piisab, et öelda maavälise elu kohta midagi kindlat? Tundub, et tõendamislävi kasvab pidevalt, sest kunagi oleks elevust tekitanud juba veeauru või vaba hapniku leidmine.
Järjekordselt suurepärane küsimus! Olen isiklikult väidete osas, nagu piisaks mõne uue maailma elukõlblikkuse hindamisel nende keemia uurimisest, väga ettevaatlik. See on algselt James Lovelocki välja pakutud mõte, et planeetidel, kus esineb elu ja mis on elukõlblikud, pole atmosfäär keemiliselt tasakaalus.
Kuigi seni on tegu ainsa elujälje määratlusega, olen teiega nõus. Ilmselt pole tõesti parim lahendus uurida ainult neid planeete, mille atmosfäär on keemiliselt mitmekesisem. Ma ei ole lihtsalt kuigi kindel, kas elu eristamine mitte-elust on sedavõrd sirgjooneline.
Minu arvates panustab ARIEL sellesse valdkonda hoopis teise nurga alt. Selle asemel, et otsida elukõlblikke maailmu või elu ennast, uurime me ka eluks selgelt kõlbmatuid planeete. Suur osa meie valimis olevatest planeetidest on kas liiga kõrge temperatuuriga või on neil mõni teine elu võimatuks muutev omadus. Taoliste äärmusliku keskkonnaga planeetide uurimine aitab meil luua standardmudeli eluks kõlbmatutel planeetidel valitsevatest tingimustest.
See aitab meil paremini mõista, mis teeb planeedi elukõlblikuks ja millised on elu tunnused. Niisiis, arvestades uuritavate planeetide mitmekesisust, olen ma isiklikult lihtsana näivate vastuste andmise suhtes hästi-hästi ettevaatlik. Seepärast ongi meil vaja rohkem õppida ja andmeid juurde koguda.

Peamiste Maa atmosfääris leiduvate gaaside loetelu vaadates on see küllaltki igav. Ometi võimaldab see keerukatele eluvormidele mõnusat äraolemist, millele lisanduvad tuhanded pisikeses koguses olevad gaasid. Kui erinev eksoplaneetide atmosfäär keemilistele ja füüsikalistele piirangute tõttu Maa omast olla saab? Kas seal võib leiduda ka midagi sellist, mida Maal looduslikult tekkida ei saa? Kuidas mõjutab see keerukamate orgaaniliste molekulide evolutsiooni?
See on suurepärane küsimus! Täpselt selle peamegi välja selgitama. Teades planeetide põhinäitajaid, nagu nende mõõtmeid ja massi, planeeti ja tähte lahutavat vahemaad, temperatuuri ja orbiiti, on pilt palju kirjum kui Päikesesüsteemis. Kepleri andmete põhjal näivad väga levinud olevat super-Maad – mõõtmetelt Maa ja Neptuuni vahele jäävad planeedid. Päikesesüsteemis meil neid pole.
Super-Maade tiheduse põhjal, mida saab välja arvutada planeedi massi ja läbimõõdu põhjal, võivad need olla väga erinevad. Näiteks leidub nii kivisemaid tüüpe, väikeseid Neptuune, aga ka ookeanimaailmu, mis on veega täielikult kaetud. See vähene, mida me tänu Hubble'i ja Webbi teleskoopide mõõtmistele mõistma hakkame, maalib meile nende planeetide atmosfääridest mitmekesise ja kummalise pildi, kus leidub igasugust n-ö eksootilist sorti keemiat.
Seega oleme alles teekonna alguses. Olen kindel, et leiame veel palju üllatavat. Enne kui räägime aga mingistki elukõlblikkusest, on neid planeete vaja sügavamalt mõista. Teaduslikust vaatevinklist ei näe ma iseenesest ühtegi põhjust, miks super-Maad ei võiks potentsiaalselt pakkuda head elukeskkonda. Isegi kui nende atmosfäärikoostis on Maa omast teistsugune, võib nende pinnatemperatuur olla suhteliselt leebe.
Minu jaoks on huvitav nende keskkondade mitmekesisus ja see, millised neist võiksid olla põhimõtteliselt sobivad lihtsate eluvormide jaoks, nagu olid meil Maal miljardeid aastaid tagasi. Mul on raske näha head põhjendust, miks peaks elu tekkimine ja areng olema meie omast veidi erinevates oludes võimatu.
Viimastel aastatel on kuup- ja väikesatelliitide vallas toimunud väiksemat sorti revolutsioon. Samal ajal on astronoomid avastanud uusi viise eksoplaneetide uurimiseks, kasutades teleskoope, mis pole spetsiaalselt selleks ehitatud. ARIEL-i missioon pole oma 550 miljoni euroni ulatuva hinnalipikuga küll kõige suurem investeering, kuid miks meil sellel taustal taolisi lipulaeva-missioone vaja on?
Otseloomulikult on 500 miljonit suur raha. Kui võrrelda seda aga kümme miljardit eurot maksnud Webbi kosmoseteleskoobiga või mõnede praegu planeerimisjärgus olevate uurimisasutustega, on tegu pigem keskmise suuruse missiooniga. Sellised lipulaeva-missioonid on minu arvates hädavajalikud, et viia uurimisvaldkond täiesti uuele tasemele.
On muidugi tõsi, et saaksime teha osa sellest tööst ära juba olemasolevate teleskoopidega, kuid neist mitte ühtegi ei ehitatud just sellel otstarbel. Eriti just enne Webbi teleskoopi pidime seetõttu rinda pistma süstemaatiliste kitsaskohtadega. Kui kasutame eksoplaneetide uurimiseks observatooriume ja instrumente, mis pole selleks algselt mõeldud, peame alati mõistatama, kas andmed viitavad sellele, millele me arvame, et need viitavad ja kas nende pealt saab ikkagi lõplikke järeldusi teha. See on alati küsimärk!
Teine oluline argument ARIEL-i missiooni kasuks on teaduslik epistemoloogia. Kui näed midagi ebatavalist ja tahad arusaamist hüppeliselt parandada, peab sul olema võimalus teha väga palju korduvvaatlusi – mitte vaid üks-kaks korda, vaid sadu ja tuhandeid. Üldotstarbeliste uurimisasutuste puhul pole see alati võimalik. Kava kohaselt plaanime ARIEL-iga vaadelda tuhandet sihtmärki. Samas pole põhjust, miks peaksime seal lõpetama. Põhimõtteliselt saame koguda väga palju statistikat. Selle jaoks on meil aga vaja just selleks mõeldud teleskoopi.
Jah, võib-olla oleks seda kõike võimalik teha mõne teise teleskoobiga. Sel juhul peaksime aga tegema vaatlusi täpselt samal moel. Meil kuluks sama palju ressursse ehk me ei hoiaks tegelikult raha kokku. Kepleri kosmoseteleskoop näitlikustas, milleks on võimelised kitsamalt piiritletud missioonid. See muutis revolutsiooniliselt eksoplaneetide kohta käivaid andmeid. Nüüd on meil vaja midagi sarnast atmosfääride jaoks.
Tahtes ühtaegu suuremat valimit ja teha vaatlusi infrapuna-spektriosas, loeb lõpuks see, kui suur on sinu teleskoop. Me ei saa teha selles osas erilisi järeleandmisi teha. Kui ehitame selliseid teleskoope lisaks ainult ühe, tuleb ka missioon kallis.
Samal ajal ütleksin, et ARIEL-i, nagu ka teiste sarnaste missioonide kallal tehtav töö nihutab tehnoloogia piire. Sellega tehtavaid avastusi hakkab väiksemate satelliitide ehitamisel kasutama kogu kosmosetööstus. Suur osa arendustööst on juba tehtud. Seega on taolised missioonid küll kallid, kuid ühtlasi kannustavad need tagant teadust ja aitavad luua kontakte tööstusega. Kuna seekord on tegu Euroopa Kosmoseagentuuri juhitud missiooniga, saab sellest eeskätt kasu Euroopa kosmosetööstus. Minu jaoks võidavad sellest paljud.

Kuidas need tuhatkond ARIEL-i uuritavat planeeti praeguseks teadaoleva 5600 eksoplaneedi hulgast välja valitakse? Kas neist mõni on kohe eriti nunnu, mille kohta te ise rohkem teada tahaksite?
Praeguseks on kinnitatud umbes 5600 eksoplaneedi olemasolu. Isegi meie tagasihoidlike hinnangute kohaselt on ajaks, kui ARIEL orbiidile saadetakse, neid teada juba vähemalt 10 000, tõenäoliselt isegi rohkem. Ilmselt ma ei liialda, kui ütlen, et upume selleks ajaks eksoplaneetidesse. Selles mõttes on meil valikuvõimalusi küllaga.
Sihtmärkide valik on aga oluline. Nende omadused peaksid sarnanema Linnutee planeetide statistilisele jaotusele ja esindama ligilähedaselt nende mitmekesisust. Sellisel juhul saame teha kindlamatel alustel järeldusi. Alustasime valimi ettevalmistamisega juba aastate eest. Seega on meil küll nimekiri planeetidest, mida uurida võiks juba olemas, kuid ARIEL ei stardi homme.
See on ka üks põhjus, miks me konsortsiumi juba praegu kokku panime. Paarsada teadlast aitavad meil täpsustada uurimisküsimusi ja teaduseesmärke. Püüame nende põhjal timmida valimit nii, et meil oleks kõigile neile vastamiseks erinevad planeedid olemas.

Keemiliste uuringute läbiviimiseks on sihtmärkide valikul oluline kaastata erineva tüübi ja metallilisusega tähtede ümber tiirlevaid planeete. Tarvis on nii suuri kui ka väikseid jahedaid planeete, sest tahame kõigi nende parameetritega mängida. Kui arvestame sisse juba sedavõrd palju näitajaid, alates tähe omadustest, lõpetades planeetide orbiitidega, tuleb tuhat planeeti kergesti kokku.
Sihtmärkide valik kestab edasi ja lõplik nimekiri lüüakse lukku alles umbes aasta enne missiooni algust. Selleks ajaks on meil olnud võimalus suhelda maailma astronoomide kogukonnaga, avaldada teadustöid ja arutleda töötubades, mida teised meie pakutud valimist arvavad.
Need tuhatkond väljavalitud sihtmärki lähevad üles kõigile ligipääsetavasse veebikataloogi. Inimestel on võimalik ise simuleerida, kui hästi või halvasti suudaks ARIEL neid kõiki vaadelda. Kui kogukonnale miski ei meeldi, saavad nad meile seda öelda ja meie sellega arvestada.
Teatud mõttes sarnaneb see hääletamisega. Euroopa Kosmoseagentuur teeb kogukonnale võimalike sihtmärkide leidmiseks üleskutse ja ESA teadusmeeskond annab neile oma hinnangu. Seejärel on kogukonnal võimalik otsustada, kas lisada valimisse täiendavaid planeete. Loodame läbi kõigi nende ligipääsetavust soosivate meetmete panna kokku parima võimaliku algkataloogi.
Missiooni käigus saadud uute andmete põhjal võime teha valikus teatud kohandusi, näiteks keskendudes rohkem seda tüüpi planeetidele, mis pakuvad meile erilist huvi. Võime taibata, et teatud planeeditüüp on teisest igavam ning selle uurimisele ei peaks nii palju aega ja vaeva pühendama. Mida rohkem me kandidaatide kohta teada saame, seda paremini saame me oma aega kasutada.
Kas midagi olulist jäi küsimata või tahaksite ise midagi lisada?
ARIEL kujutab endast suurepärast võimalust üleilmse konsortsiumi loomiseks. Juba selle instrumente ehitavad riigid paiknevad üle terve maailma. Neist paljud asuvad Euroopas, ent kaasa lööb ka NASA, Jaapani kosmoseagentuur ja Kanada. ARIEL on justkui ettekääne tuua kokku tohutult paljude eri riikide teadlased. Kuna tegu on interdistsiplinaarse uurimisteemaga, on meil vaja nii keemia, astrofüüsika kui ka geoloogia taustaga uurijaid. See võimaldab meil luua missiooni taha kogukonna, mis on ühtaegu teaduse vallas nutikas ja tehnoloogia vallas laialdaste kogemustega.
Ühelt poolt oleme Tartusse kokku tulnud, sest meil kõigil on huvi ARIEL-i ja eksoplaneetide vastu. Ent see annab meile ka põhjuse üksteisega suhelda ja üheskoos projekti õnnestumise nimel tööd teha. Minu jaoks on see väga oluline. Eesti oli üks esimesi ARIEL-iga ühinenud riike. Ma arvan, et võimalus Tartus olla on väga tore ning et see võimaldab meil kohalike teadlastega veelgi rohkem suhelda.

Toimetaja: Jaan-Juhan Oidermaa