Kuiden elinkelpoisuus

Taiteilijan näkemys planeetan Upsilon Andromedae d:n hypoteettisesti asutettavasta kuusta.

Kuiden elinkelpoisuudella tarkoitetaan tutkimusaihetta, jossa selvitetään kuiden mahdollisuutta ylläpitää elämää. Se on orastava ala, jota pidetään tärkeänä astrobiologiassa monesta syystä, tärkeimpänä se että luonnollisten satelliittien ennustetaan olevan paljon yleisempiä kuin planeettojen ja niiden asuttavuustekijöiden otaksutaan olevan samanlaisia kuin planeetoilla. On kuitenkin ympäristöeroja, jotka ovat avaintekijöitä maan ulkopuolisen elämän suhteen.

Vahvimmat ehdokkaat kuiden elinkelpoisuudelle ovat tämänhetkisessä tilanteessa jäiset kuut. Näitä ovat muun muassa Jupiterin Europa ja Saturnuksen Enceladus, vaikkakin jos elämää on kummassakaan paikassa, niin se olisi rajoittunutta pinnanalaisille alueille. Historiallisesti tarkasteltuna elämän Maalla ajateltiin olevan vain pinnanpäällinen ilmiö, mutta viimeaikaiset tutkimukset ovat näyttäneet, että puolet maapallon elämästä voisi elää pinnan alla. Europa ja Enceladus sijaitsevat elämänvyöhykkeen ulkopuolella, minkä on historiallisesta näkökulmasta katsottu määrittävän elämän rajat Aurinkokunnassa alueeksi, jossa vesi voi olla nestemäisenä pinnalla. Aurinkokunnan elinkelpoisella vyöhykkeellä sijaitsee vain kolme kuuta: Kuu ja Marsin kuut Phobos ja Deimos (kylläkin jotkut arviot laittavat Marsin ja sen kuut hieman elinkelpoisen vyöhykkeen ulkopuolelle) – yhdelläkään näistä ei ole ilmakehää tai vettä nestemäisessä muodossa. Vuorovesivaikutus on mahdollisesti suurena tekijänä luonnollisten kuiden elinkelpoisuuden suhteen.

Eksokuiden olemassaoloa ei ole vielä varmistettu. Niiden havaitseminen on erittäin hankalaa, koska nykyiset havaitsemismenetelmät rajoittuvat ylikulkumenetelmään. On mahdollista, että jotkut niiden piirteet voidaan selvittää samankaltaisilla tavoilla, joilla määritellään ylikulkevia planeettoja. Tästä huolimatta jotkut tutkijoista arvioivat, että on yhtä paljon eksokuita kuin elinkelpoisia planeettoja.

Otaksuttuja edellytyksiä

Olosuhteet, joissa kuut ovat elinkelpoisia, ovat samanlaiset kuin planeettojen tapauksessa. On kuitenkin monia tekijöitä, jotka eriyttävät kuiden asuttavuutta ja lisäksi laajentavat niiden elinkelposuutta normaalin elinkelpoisen vyöhykkeen yli.

Nestemäinen vesi

Valtaosa astrobiologeista pitää nestemäistä vettä perusedellytyksenä maan ulkopuoliselle elämälle. On yhä etenevässä määrin todisteita maanalaisen nestemäisen veden olemassaolosta monissa aurinkokunnan jättiläisplaneettoja kiertävissä kuissa Jupiterissa, Saturnuksessa, Uranuksessa ja Neptunuksessa. Yhtäkään näistä ei ole kuitenkaan varmistettu tähän mennessä.

Kiertoradan vakaus

Saadakseen vakaan kiertoradan kuun kiertoajan P_s sen kiertävän emokappaleen välillä ja emokappaleen kierron tähden välillä P_p sen suhdeluvun täytyy olla < 1/9, esimerkiksi jos planeetan kestää 90 päivää kiertää tähden ympäri, suurin vakaa kiertorata kuulle on vähemmän kuin 10 päivää. Simulaatiot viittaavat siihen suuntaan, että kuu jonka kiertoaika on vähemmän kuin 45–60 päivää on turvallisesti sidottu kiinni kaasujättiläiseen tai ruskeaan kääpiöön, jota se kiertää 1 au:n etäisyydellä Auringon kaltaisesta tähdestä.

Ilmakehä

Astrobiologit pitävät ilmakehää tärkeänä tekijänä alkukantaisen biokemian kehittymiselle, elämän ylläpidolle ja maaperän päällisen veden olemassaololle. Valtaosalla Aurinkokunnan kuista ei ole merkittäviä ilmakehiä, ainoana poikkeuksena Saturnuksen kuu Titan. Sputterointi on ilmiö, jossa atomeja irtoaa kiinteästä materiaalista niihin kohdistuvan energisten hiukkasten takia. Tämä on suuri ongelma niitä kiertäville kuille. Kaikilla kaasujättiläisillä Aurinkokunnassa ja todennäköisesti myös muita tähtiä kiertävillä sellaisilla on magnetosfäärit, joiden säteilyvyöhykkeet ovat kykeneviä jäytämään Maan kaltaisen kuun vain muutamassa miljoonassa vuodessa. Vahvat aurinkotuulet voivat myös irrottaa ilmakehän yläosan atomeja hukkumaan avaruuteen.

Ylläpitääkseen Maan kaltaista ilmakehää 4,6 miljardia vuotta (Maan nykyinen ikä) kuun, jolla on Marsin kaltainen tiheys, arvioidaan tarvitsevan ainakin 7 % Maan massasta. Yksi tapa vähentää sputteroinnista aiheutuvaa katoa on kuun vahva magneettikenttä, mikä voi suunnata muualle aurinkotuulen ja säteilyvyöhykkeet. Nasan Galileosta tehdyt mittaukset vihjaavat siihen, että suurilla kuilla voi olla magneettikenttä; se löysi Ganymedeeltä oman magneettikentän, vaikka sen massa on vain 2,5 % maapallon massasta.

Vuorovesivoiman vaikutukset

Vaikka vuorovesivoiman vaikutukset ovat melko pienet planeetoille, se voi olla suuri vaihtoehtoinen energianlähde elämän ylläpitämiseksi kuilla.

Kuut, jotka kiertävät jättiläisplaneettoja tai ruskeita kääpiöitä ovat useimmiten vuorovesilukkiutuneet emokappaleensa ympärille. Tällöin niiden päivät kestävät yhtä kauan kuin niiden kiertäminen emoplaneetan ympäri. Vuorovesilukkiutuminen voi vaikuttaa elinkelpoisella vyöhykkeellä olevien planeettojen kohdalla haitallisesti vähentäen saapuvan tähden säteilyn määrää, mutta se voi toimia kuiden elinkelpoisuuden eduksi mahdollistamalla vuoro­vesi­lämpenemisen. Tutkijat Nasan Amesin tutkimuskeskuksessa mallinsivat vuorovesilukkiutuneiden eksoplaneettojen elinkelpoista vyöhykettä. He löysivät, että ilmakehä, jossa on hiilidioksidia (CO
2) vain 1–1,5 normaali-ilmakehällistä sallivat asuinkelpoiset lämpötilat ja nestemäistä vettä pimeälle puolelle. Kuiden lämpötilavaihtelut – niiden kohdalla mitkä ovat lukkiutuneet kaasujättiläiseen – saattavat olla vähemmän äärimmäisiä kuin planeetoilla, jotka ovat vuorovesilukkiutuneet tähteensä. Vaikkakin tutkimuksia aiheesta ei ole tehty, niin vaatimattomat määrät CO
2 voivat tehdä lämpötilan suhteen kuut elinkelpoiseksi.

Vuorovesivoima voi ylläpitää kuun laattatektoniikkaa, mikä voi aiheuttaa vulkaanista toimintaa, joka säätelee kuun lämpötilaa. Tämä taas ylläpitäisi geodynamo-ilmiötä, mikä taas antaisi kuulle vahvan magneettikentän.

Akselikallistuma ja ilmasto

Mikäli kuun vuorovaikutusta muiden luonnollisten kuiden kanssa voi jättää huomioimatta, kuut tapaavat olla vuorovesilukkiutuneita planeettoihinsa. Yllä mainittuun lukkiutumisen lisäksi on kehityskulku nimeltään 'kallistuman kuluminen', mikä alun perin keksittiin kuvaamaan planeetan akselin kaltevuuden kiertymistä kiertoradan vastaiseen suuntaan. Lopullinen pyörimisakselin kaltevuus silloin koostuu pyörähdysajasta, joka on yhtä suuri kuin sen kiertoaika planeetan ympäri ja pyörähdysakselista, joka on pystysuorassa kiertoradan tasoa vasten.

Jos kuun massa ei ole liian pieni verrattuna planeettaan, niin se voi vakauttaa akselin kaltevuutta. Toisin sanoin muuttaa sen vinoutta kiertoradalla ympäri tähteä. Maapallolla Kuu on ollut suurena tekijänä vakauttamassa akselikallistumaa ja näin ollen vähentänyt muiden planeettojen aiheuttamia vetovoimahäiriöitä. Tämä mahdollistaa kohtuullisen pienet ilmastonmuutokset planeetalla. Marssissa – planeetta ilman merkittävää vuorovaikutusilmiötä suhteellisen pienimassaisilta kuiltansa Phobokselta ja Deimokselta akselin kallistuma voi tehdä suuria muutoksia 13°–40° aikavälillä 5–10 miljoonaan vuoteen. 

Vuorovesilukkiutuminen jättiläisplaneettaan tai ruskeaan alikääpiöön mahdollistaisi kohtuullisemmat ilmastot sen sijaan jos siellä olisi samankokoinen planeetta vuorovesilukkiutuneena tähteen. Tämä on etenkin totta punaisten kääpiöiden kohdalla, missä verrattain suuret vetovoimakentät ja vähäinen valaisevuus jättävät elinkelpoisen vyöhykkeen alueelle missä vuorovesilukkiutuminen tapahtuisi. Jos on vuorovesilukittunut, yksi pyörähdysaika akselin ympäri voi viedä pitkä suhteellisen pitkän ajan planeetalle (esimerkiksi – jättäen huomioimatta Maan kuun hienoisen akselin kaltevuuden ja topografisen varjon – mihin tahansa aikaan sillä on kaksi viikkoa – Maan aikaan – aurinkoa ja kaksi viikkoa yötä sen kuupäivänä), mutta nämä pitkät ajat valoa ja pimeyttä eivät ole elinkelpoisuuden kannalta yhtä vaikeita kuin loputtomat päivät yhdellä puolella ja loputtomat yöt toisella puolella sellaisessa planeetassa, joka on vuorovesilukkiutunut tähteensä.

Mahdollinen alkuperä

Olosuhteita, jotka vaaditaan elämän syntymiselle, ei tiedetä olevan missään muualla aurinkokunnassa. Kuitenkin monia mahdollisia ehdokkaita Aurinkokunnan elinkelpoisen vyöhykkeen ulkopuolella on havaittu ja osalla niistä on osa elämän ainesosista, joiden ajatellaan olevan välttämättömiä elämälle. Panspermia hypoteesissa oletetaan, että elämä noissa on voinut saada alkunsa toiselta taivaankappaleelta tulleilta ”itiöistä”.

On myös hypoteeseja maapallon ulkopuolisesta vaihtoehtoisesta biokemiasta.

Tarkoituksellinen tai tahaton planeetoidenvälinen elämän levittäminen Maapallolta on hyvin mahdollista näissä mahdollisesti elinkelpoisissa ympäristöissä. Tämä tekisi vaikeaksi elämän alkuperän selvittämisen.

Aurinkokunnassa

Europa – Jupiterin kuulla on mahdollisesti elämää.

Seuraava on lista luonnollisista kuista ja ympäristöistä, joilla voi mahdollisesti olla maapallon ulkopuolista elämää.

Nimi	Järjestelmä	Artikkeli	Muistiinpanoja
Europa	Jupiter		Pinnanalaista valtameriä ylläpitää geologinen aktiivisuus, vuorovesilämpeneminen ja säteily. Kuulla voi olla enemmän vettä ja happea kuin Maapallolla ja pieni kerros happipitoista ilmakehää.
Enceladus	Saturnus		Pinnanalaista nestemäistä vettä voi olla geotermisen energian takia.
Titan	Saturnus		Sen ilmakehää pidetään samankaltaisena varhaisen Maan kanssa, vaikkakin jokseenkin tiheämpänä. Pintaa luonnehtivat hiilivetyjärvet ja kryotulivuoret ja metaani sade ja lumi. On pieni mahdollisuus, että siellä on metaanipohjaista biokemiaa.
Kallisto	Jupiter		Ajatellaan sisältävän pinnanalaisen meren, jota lämmittää vuorovesivoimat.
Ganymedes	Jupiter		Siinä on mahdollisesti jäätä ja meriä useissa eri kerrostumissa ja suolaisen veden kerrostuma ensimmäisenä sen kiviytimen päällä.
Io	Jupiter		Läheisyytensä takia Jupiterin kanssa siihen kohdistuu äärimmäinen vuorovesivaikutus, mikä tekee siitä vulkaanisimman toimivan kappaleen Aurinkokunnassa. Toiminta vapauttaa maaperään sitoutuneita kaasuja hitaasti ilmakehään.
Triton	Neptunus		Mahdollisesti nestemäistä vettä pinnanalaisessa meressä.
Kharon	Pluto		Mahdollinen sisäinen meri, joka koostunee vedestä ja ammoniakista.

Aurinkokunnan ulkopuolelta

Taiteilijan näkemys hypoteettisesta kuusta kiertämässä Saturnuksen kaltaista eksoplaneettaa, mikä voisi olla elinkelpoinen.

Yhtään eksokuuta ei ole vielä havaittu. Suurilla planeetoilla Aurinkokunnassa, kuten Jupiterilla ja Saturnuksella tiedetään olevan suuria kuita ja osalla niistä osa elämälle vaadituista olosuhteista. Näin ollen tutkijat arvioivat, että monilla eksoplaneetoilla (ja kaksoisplaneetoilla) voi olla samalla tavalla suuria kuita, mitkä ovat mahdollisesti elinkelpoisia. Kuu, jolla on riittävän suuri massa, voi tukea ilmakehää Titanin tapaan. Tuollainen kuu voi myös ylläpitää nestemäistä vettä pinnalla.

Tiedetään massiivisia eksoplaneettoja, jotka sijaitsevat elinkelpoisella vyöhykkeellä (kuten Gliese 876 b, 55 Cancri f, Upsilon Andromedae d, 47 Ursae Majoris b, HD 28185 b ja HD 37124 c). Nämä ovat erityisessä huomiossa, koska niiden kiertolaisina voi olla kuita, joilla voi olla nestemäistä vettä pinnalla.

Eksokuiden elinkelpoisuus riippuu tähdestä tulevasta valosta, planeetasta heijastuvasta valosta ja myös pimennysten vaikutuksesta kiertoradan keskimääräiseen pinta-alan valaisuun. Tämän jälkeen vuorovesilämmitys voi vaikuttaa kuun asutettavuuteen. Vuonna 2012 tutkijat esittelivät mallinnustapaa, jolla voi määritellä elinkelpoiset kiertoradat kuille; he määrittelivät sisäisen rajan elinkelpoiselle kuulle tietylle planeetalle ja kutsuvat rengasta "elinkelpoiseksi laitamaksi". Kuut, jotka kiertävät planeetta lähempänä kuin elinkelpoista laitamaa ovat elinkelvottomia. Kun pimennykset ja kuun kiertoradan vakauden rajoitukset otettiin tässä mallissa huomioon, niin havaittiin — riippuen kuun kiertoradan epäkeskisyydestä — että on olemassa vähimmäismassa karkeasti noin 0,2 auringon massaa, mikä vaaditaan, että emotähti voi pitää asuinkelpoisia kuita elinkelpoisella vyöhykkeellään.

Eksokuiden ympäristön magneettikenttä mihin olennaisesti vaikuttaa emoplaneetan luontainen magneettikenttä on tunnistettu yhdeksi merkittäväksi tekijäksi eksokuiden elinkelpoisuudelle. Varsinkin havaittiin, että kuut, joiden etäisyys emoplaneetasta on noin 5–20 planeetansäteen etäisyydellä jättiläisplaneetastaan ne voivat olla elinkelpoisia säteilyn ja vuorovesilämpenemisen suhteen tarkasteltuna, mutta silti planeetan magnetosfääri vaikuttaa olennaisesti niiden elinkelpoisuuteen.

Katso myös

• Punaisten kääpiötähtijärjestelmien elinkelpoisuus