LUENTO 6 Kyösti Ryynänen Seutuviikko 2014, Jämsä

Transkriptio

1 LUENTO 6 Kyösti Ryynänen Seutuviikko 2014, Jämsä ELÄMÄÄ MIKROKOSMOKSEN JA MAKROKOSMOKSEN VÄLISSÄ ELINKELPOINEN PLANEETTA KOSMISET UHAT, ASTEROIDITÖRMÄYKSET MAAHAN ELÄMÄ MIKROGRAVIAATIOSSA 1 ELÄMÄN PERUSTA ALKEISHIUKKASET PERUSVOIMAT ITSEORGANISOITUMINEN NYT HAVAITTAVISSA OLEVA UNIVERSUMI HAVAINTOJEN JA TEORIOIDEN PERUSTANA AIKA-AVARUUS MATERIA-ENERGIA 2 1

2 MIKROKOSMOS ATOMIEN JA MOLEKYYLIEN TASOLLA VAIKUTTAA KVANTTIMEKANIIKKA ATOMIT PIENIÄ 10^-10m ATOMIYDIN 10^-15m ILMIÖT ERITTÄIN NOPEITA 10^-15s ELEKTRONIT MÄÄRÄÄVÄT OMINAISUUDET ORGANISMIT DIGITAALISIA JA EPÄJATKUVIA 3 MAKROKOSMOS ISOJEN KAPPALEIDEN (IHMINEN, PLANEETAT, MAAILMANKAIKKEUS) VÄLILLÄ PERUSVOIMAT MÄÄRITTELEVÄT YKSISELITTEISESTI KEHITYKSEN TERMODYNAMIIKKA; ENERGIAN SÄILYMINEN, ENTROPIA KOKOLUOKAT SUURIA UNIVERSUMIN IKÄ 10^18s MAAN ETÄISYYS AURINGOSTA 10^11m 4 2

3 ELÄMÄN PROSESSIT KESKIKOKOISIA ELÄMÄN KOKOLUOKAT (korkeintaan metrejä) NOIN PUOLIVÄLISSÄ UNIVERSUMIN RAKENTEIDEN MAHDOLLISISTA KOKOLUOKISTA FOTOSYNTEESIN REAKTIOIDEN NOPEUS 10^-15s HERMOIMPULSSIN NOPEUS 10^-6s EVOLUUTION NOPEUS LUOKKAA10^8s EVOLUUTIO ANALOGISTA JA JATKUVAA 5 MAA-PLANEETAN SUOTUISUUS MAA-PLANEETAN OLOSUHTEET OVAT ELÄMÄLLE OTOLLISIA, MUTTA OLISI ÄÄRIMMÄISEN EPÄTODENNÄKÖISTÄ ETTEI JOSSAIN MUUALLA MAAILMANKAIKKEUDESSA OLISI YHTÄ HYVIÄ TAI VIELÄKIN PAREMPIA MAHDOLLISUUKSIA JA OLOSUHTEITA ELÄMÄN ALKAA KEHITTYMÄÄN 6 3

4 MULTIVERSUMIT UNIVERSUMIEN MAHDOLLISET HIERARKIAT UNIVERSUMIEN OMINAISUUKSIEN EVOLUUTIO JA PERIYTYMINEN TYTÄRUNIVERSUMEILLE YKSITTÄISILLÄ UNIVERSUMEILLA ALKU JA LOPPU 7 MIKÄ KAIKKI ON UNIVERSUMISSA MAHDOLLISTA? UNIVERSUMIN RAKENNE (DIMENSIOT) JA AIDOT (PERUSTAVANLAATUISET) LUONNONLAIT MÄÄRÄÄVÄT MITEN UNIVERSUMI VOI KEHITTYÄ JA MINKÄLAISET TAPAHTUMAT OVAT UNIVERSUMISSA YLIPÄÄNSÄ MAHDOLLISIA 8 4

5 SATTUMAA VAI VÄLTTÄMÄTTÖMYYTTÄ? VAIN MAHDOLLISIA ASIOITA VOI TAPAHTUA UNIVERSUMISSA SATTUMA RATKAISEE KUN USEAMMAT VAIHTOEHDOT OVAT MAHDOLLISIA RIIPPUU TILANTEESTA KUMPI ON RATKAISEVA, SATTUMA VAI LUONNONLAIT 9 SATUNNAISIA TEKIJÖITÄ PLANEETTAKUNNAN MUODOSTUESSA PÖLY- JA KAASUPILVESTÄ LUHISTUMALLA SATUNNAISTA ON MM. ALKUAINEJAKAUMA LÄMPÖTILAJAKAUMA MOLEKYYLI-TIHEYDET KVANTTIKEMIALLISET ILMIÖT 10 5

6 SOPIVASTI KAIKKEA MAA-PLANEETAN MUODOSTUESSA ELÄMÄLLE SUOTUISIA OLOSUHTEITA OLI SOPIVASTI (EI PALJON, OSIN JOPA NIUKASTI) VETTÄ, HIILTÄ JA TYPPEÄ OLI VÄHÄNLAISESTI, MIKÄ TOISAALTA KUITENKIN OLI HYVÄ ASIA ESIM. ATMOSFÄÄRIN OMINAISUUKSIEN SUHTEEN (EI KEHITTYNYT LIIAN VOIMAKASTA KASVIHUONEILMIÖTÄ) 11 EPÄTASAPAINOINEN MAA MAA-PLANEETTA EI OLE KEMIALLISESTI EIKÄ TERMODYNAAMISESTI TASAPAINOTILASSA, MIKÄ ON MAHDOLLISTANUT ELÄMÄN KEHITTYMISEN (ANTANUT ELÄMÄLLE MAHDOLLISUUKSIA) MARS JA VENUS OVAT LÄHEMPÄNÄ TASAPAINOTILAA ELÄMÄ ITSESSÄÄN ON POIKKEAMA 12 TASAPAINOTILASTA 6

7 ELÄMÄN PROSESSIEN ALKU ALKUELÄMÄN PROSESSIEN KÄYNNISTYMINEN VOI TAPAHTUA MONELLA ERI TAVALLA, JOTEN MITÄÄN YHTÄ JA AINOAA TAPAA AIKAANSAADA JA KÄYNNISTÄÄ ELÄMÄÄ EI OLE 13 PIILOSSA OLEVA ELÄMÄ TOISTEN PLANEETTOJEN ELÄMÄ VOI OLLA VAIKEASTI HAVAITTAVISSA JA TUNNISTETTAVISSA ELÄMÄ PLANEETTOJEN PINNOILLA VOI OLLA PALJON HARVINAISEMPAA KUIN SYVÄLLÄ KUORIKERROKSISSA (TÄYSIN MAANALAINEN ELÄMÄ) 14 7

8 ETSITÄÄN VETTÄ JA ENERGIAA Follow The Water : Nasan astrobiologia-ohjelmissa vettä on pidetty varmimpana merkkinä ja viitteenä elämän mahdollisuudelle Follow The Energy : Yhtälailla elämä tarvitsee paikan ja olosuhteet, joissa energiaa on tarjolla sopivassa muodossa ja määrässä käyttökelpoisella energialla on minimi (riittävästi) ja maksimi (ei tuhoa) intensiteettinsä ja määränsä erilaiset elämänmuodot tarvitsevat erimääriä ja erilaista energiaa energiaa tarvitaan järjestyksen luomiseen (rakenteet) ja kasvattamiseen (biomassan määrä), katalyyttinä reaktiossa, valikoivana tekijänä kulttuuria luovan elämän energiatarpeet 15 MITÄ ETSITÄÄN ETSITÄÄN RAUHALLISIA KESKUSTÄHTIÄ ETSITÄÄN VAKAITA PLANEETTASYSTEEMEJÄ ETSITÄÄN ELOKEHÄLLÄ (HABITABLE ZONE) OLEVIA PLANEETTOJA ELÄMÄLLE SUOTUISIA PLANEETTOJA (KIVIPLANEETTOJA, MERIPLANEETTOJA, JÄÄPLANEETTOJA) TAI SUURTEN PLANEETTOJEN KUITA ETSITÄÄN SUOJAAVIA JUPITEREITA ETSITÄÄN VETTÄ JA ENERGIAA ETSITÄÄN MAGNEETTIKENTTIÄ (KONVEKTIO JA PYÖRIMINEN), VULKAANISTA TOIMINTAA JA LAATTATEKTONIIKKAA 16 8

9 KESKUSTÄHDEN OMINAISUUDET PIENIMASSAISIA TAI AURINGONKALTAISIA (0.2 2 )x M aurinko, tuottaa riittävästi säteilyenergiaa, jotta liuotin nestemäistä, mutta säteilyn maksimi-intensiteetti alle elämälle haitallisen UV-säteilyn >1.5xM aurinko kehittyvät liian nopeasti, jolloin elämän kehitykselle ei jää aikaa <0.5xM aurinko keskustähti lukitsee lähietäisyydellä (energian saannin kannalta oltava lähellä himmeää tähteä) kiertävän planeetan pyörimisen (sama puolisko aina keskustähteen päin) PINNALTAAN VÄHÄAKTIIVISIA (rauhallisia tähtiä) VAADITTU 1,7 MILJARDIN VUODEN IKÄÄ (ensin 700 miljoonaa vuotta meteoripommitusta ja loput 1 miljardia vuotta mahdollistanut elämän kehittymisen) KOHTEITA RIITTÄÄ: UNIVERSUMISSA LUKUMÄÄRÄISESTI 25 KERTAA ENEMMÄN 0.5xM aurinko -tähtiä kuin 2xM aurinko -tähtiä metallipitoisilla tähdillä todennäköisemmin planeettoja suurimassaisilla tähdillä suurimassaisia planeettoja? 17 ELÄMÄN KOKEMAT PERUSSYKLIT, DAWKINS KESKUSTÄHDEN YMPÄRILLÄ RADALLAAN PLANEETALLA MELKO TASAINEN ENERGIANSAANTI (ETÄISYYS KESKUSTÄHDESTÄ) PLANEETAN PYÖRIMINEN, YÖ/PÄIVÄ PLANEETAN AKSELIN KALLISTUMA, ENERGIA NAPA/EKVAATTORI AKSELIN KALLISTUMA JA RATALIIKE, VUODENAJAT VUOROVESIVOIMAT 18 9

10 PLANEETTASYSTEEMIN OMINAISUUDET MASSIIVISET JUPITERIT SUOJANA jos jupiter 2-5 AU etäisyydellä, systeemissä enemmän planeettoja jääkö maankaltaisille planeetoille stabiileja ratoja eksentrisillä radoilla olevat jupiterit tuhoisia pienemmille planeetoille jupiterien migraatio (siirtyminen) elokehän halki (jos tuhoaa tai estää maankaltaisten muodostumisen elokehälle, niin systeemeistä vain muutama prosentti olisi elinkelpoisia) 19 PLANEETTOJEN OMINAISUUDET sopivat planeettojen massat välillä x M Maa atmosfäärin säilymiseksi (10 9 vuotta) planeetan minimimassa 0.1 M Maa 10 M Maa planeetalla on jo vety-atmosfääri, mikä ei ehkä elämän esiintymisen kannalta paras mahdollinen atmosfäärin raskaammat alkuaineet edesauttavat sen säilymistä (ja ovat elämän kemialle tärkeitä) eksentrisillä radoilla atmosfäärin pysyttävä myös kun planeetta on periastrossaan (lähimpänä tähteä), jolloin keskustähden vetovoima erityisesti pyrkii hajoittamaan atmosfäärin 20 10

11 PLANEETTOJEN OMINAISUUDET Planeettojen ja kuiden rakennetta arvioidaan, niiden keskitiheydestä 13xM Jupiter raskasvety (D) alkaa fuusioitumaan 80xM Jupiter vety (H) alkaa fuusioitumaan, on jo tähti teoreettisesti mahdollisia massiiviset maankaltaiset mutta Jupiterin massaiset massiiviset rautaplaneetat (max ~100 x M Jupiter ) kivi- tai jääplaneetat jotka syntyneet kaasujättiläisten menetettyään ulkoosat (tähtituulen tai tähden vetovoiman vuoksi) löydetyt uudet planeettatyypit pienitiheyksiset kaasujättiläiset (250kg/m 3 ja 573kg/m 3 ) planetesimaalivaiheessa voi kertyä koostumukseltaan mitä erilaisempia planeettoja materia peräisin erilaisilta etäisyyksiltä keskustähdestä 21 ELOKEHÄ HZ,habitable zone (etäisyysväli tähdestä, jolla planeetan lämpötila sellainen, että liuotin on nestemäisessä olomuodossa eikä jäädy tai höyrysty), Maalle AU CHZ, continuos habitable zone, Maalle AU, (elinkelpoinen koko Aurinkokunnan kehityksen ajan) GHZ, galactic habitable zone, galaksin reunaosat otollisempia kuin keskusta DHZ, dynamic habitable zone, etäisyydet joilla radat epästabiileja poistettu (kiertoaikojen resonanssi-ilmiöt) osan rataliikkeestään planeetta voi olla elokehän ulkopuolellakin edellyttäen, että planeetalla on meriä tai ilmakehä, jotka estävät nopeat lämpötilanvaihtelut (radan eksentrisyys e=0.2 vastaisi talvi/kesä vaihtelua vastaanotetun energian tiheydessä) atmosfäärin erilaiset kasvihuonekaasut sitovat säteilyenergiaa, jolloin vastaavasti elokehän sijainti muuttuu 22 11

12 ELOKEHÄ LUMIRAJA 2-3AU (ei nestemäistä vettä) ULOMPANA AURINKOKUNNASSAMME, esim. 5 AU:n ETÄISYYDELLÄ, MAANKALTAISEN PLANEETAN MERIÄ PEITTÄISI 7 KM PAKSU JÄÄKERROS, JONKA ALLA OLISI RADIOAKTIIVISEN HAJOAMISENERGIAN NESTEMÄISENÄ PITÄMÄ MERI (EUROPAN TAPAAN) MITÄ NUOREMPI PLANEETTA SITÄ VOIMAKKAAMPAA RADIOAKTIIVINEN HAJOAMINEN (JOPA 5 KERTAA NYKYINEN TEHO), JOLLOIN ELINKELPOINEN PLANEETTA VOISI OLLA YHÄ KAUEMPANA KESKUSTÄHDESTÄ TAI LEIJUA KARKULAISENA YKSIN AVARUUDESSA ELINKELPOISIA PLANEETTOJA ELOKEHÄN ULKOPUOLELLA 23 KOSMISET TÖRMÄYKSET NEO (Near Earth Objects) < 1.3 AU etäisyydellä Auringosta ASTEROIDEJA JA KOMEETTOJA NEA (Near Earth Asteroids) AU etäisyydellä Auringosta LÄHEISET SUPERNOVARÄJÄHDYKSET 24 12

13 METEORIITTIEN LUOKAT RAUTAMETEORIITIT KIVIRAUTAMETEORIITIT KIVIMETEORIITIT KONDRIITIT (JYVÄSIÄ) HIILIKONDRIITIT TAVALLISET KONDRIITIT AKONDRIITIT (EI JYVÄSIÄ) 25 SPACEGUARD PYRITÄÄN HAVAITSEMAAN MAHDOLLISET MAAHAN TÖRMÄÄVÄT JA LIEVENTÄMÄÄN (VARAUTUMAAN) TÖRMÄYKSEN TUHOJA 848 kpl YLI 1 km KOKOISTA TUNNETTUA KAPPALETTA (2012) JOISTA 154 PHA (Potentially Hazardous Asteroids) 26 13

14 TÖRMÄYKSIEN TUHOISUUS RIIPPUU KAPPALEEN NOPEUDESTA, TULOKULMASTA, TIHEYDESTÄ, MILLÄ KORKEUDELLA RÄJÄHTÄÄ (JOS HUOKOINEN) JA OSUUKO MAALLE VAI MEREEN TORINO-ASTEIKKO UHASTA m KAPPALE AIHEUTTAA JO LAAJAA TUHOA 10 km KAPPALE AIHEUTTAA SUUREN MÄÄRÄN SUKUPUUTTOJA 27 TAPAHTUNEITA TÖRMÄYKSIÄ 1908 Tunguska m kokoinen kappale räjähti 8.5 km korkeudessa 2002 Välimeren yllä 10 m kokoinen kappale räjähti ilmakehässä vastaten energialtaan pientä ydinkärkeä 2009 Indonesian yllä 10 m kokoinen asteroidi räjähti yläilmakehässä vastaten kahta 28 Nagasakin atomipommia 14

15 TÖRMÄYSKRAATTERIT VULKANISMI, EROOSIO JA ELÄMÄ OVAT PEITTÄNEET USEIMMAT OMAN MAA-PLANEETTAMME TÖRMÄYSKRAATTERIT KUUSSA, MARSISSA JNE. NÄHDÄÄN EDELLEEN VANHOJAKIN TÖRMÄYSKRAATTEREITA SUOMESSA MM. LAPPAJÄRVI, KEURUSSELKÄ 29 ELÄMÄN KESTOKYKY AVARUUDESSA VIIME VUOSINA TEHTY PALJON KOKEITA KANSAINVÄLISELLÄ AVARUUSASEMALLA (ISS) OSOITTAUTUNUT, ETTÄ MAA- PLANEETANKIN ELÄMÄSTÄ PIENIOSA LAJEISTA SELVIÄÄ TYHJIÖSSÄ JA MIKROGRAVITAATIOSSA 30 15

16 ISS-ASEMAN KOKEITA JÄKÄLÄ AVARUUDESSA 1.5 VUOTTA, TYHJIÖSSÄ, SÄTEILYÄ PALJON, JATKOI KASVUAAN KUN PALAUTETTIIN MAANPINNALLE 12 SUKKULAMATOSUKUPOLVEA, LISÄÄNTYIVÄT NORMAALISTI LÄÄKKEET VANHENIVAT NOPEAMMIN AVARUUDESSA 31 LÄHDEKIRJALLISUUS Fred Adams: Elämää multiversumissa, Like, 2004 (2002) AAS 207th Meeting, 8-12 January 2006, abstracts Barrie W. Jones, P. Nick Sleep, and David R. Underwood, 2006, Habitability of Known Exoplanetary Systems Based on Measured Stellar Properties, The Astrophysical Journal, 649, p George H. A. Cole; Wandering Stars, About Planets and Exo-Planets, An Introductory Notebook, 2006 Richard Dawkins; The Greatest Show on Earth, The Evidence for Evolution, Bantam Press, 2009 C.G. Tinney, R. Paul Butler, Geoffrey W. Marcy, et.al.; The 2:1 resonant exoplanetary system orbiting HD 73526, arxiv:astro-ph/ v1 25 Feb 2006 Kyösti Ryynänen: Eksoplaneettojen havaittavuustekijät; säteisnopeusmittausmenetelmä, Pro Gradu, HY, 2003 Peter Ward; Tuntematon elämä, Ursa, 2006 (2005) Hoehler, Tori M., Amend Jan P. and Shock, Everett L., 2007, A Follow the Energy Approach for Astrobiology, artikkeli Astrobiology-lehdessä 6/2007 Exoplanets: Discovering and characterizing Earth like planets, SummerSchoolAlpbach 2009 lectures,

17 LÄHDEKIRJALLISUUS (JATKOA) Jörgen Sjöström: På spaning efter livets ursprung, Om astrobiologi, människans rötter och evolutionen, Norstedts, arth