torstai 23. helmikuuta 2017

Trappist-1

Eilen Nasa ilmoitti vahvistuksen tiedolle että noin 40 valovuoden päässä aurinkokunnastamme sijaitsevalla Trappist-1- tähdellä on peräti seitsemän maapallon kaltaista kiertolaista. Kiertolaisten arvioidut massat vaihtelevat noin marsin kokoisesta noin kaksi kertaa maapallon kokoiseen ja läpimitat hiukan marsia suuremmasta hiukan maapalloa suurempaan.

Trappist-1 on erittäin pieni kääpiötähti. Se on niin pieni, että sen massa juuri ja juuri riittää fuusioreaktioiden ylläpitoon. Tämä aspekti on mielenkiintoinen; Vaikka äkkiseltään ajattelisi, että pieni massa tarkoittaa pientä määrää polttoainetta ja siten johtaisi tähden nopeaan sammumiseen, asianlaita on itse asiassa päinvastainen.

Tähden muodostuessa gravitaatio vetää sen aineen -- pääosin vetyä, mutta vähäisiä määriä myös muita alkuaineita -- melko tarkalleen pallon muotoiseksi muodostelmaksi. Massakeskittymän tiivistyessä ja kasvaessa paine sen keskellä kasvaa, kun gravitaatio painaa ainetta kasaan. Ennen pitkää paine kasvaa niin suureksi, että vety alkaa fuusioitua. Karkeasti tämä voidaan selittää niin, että vety-ytimet vievät enemmän tilaa kuin niistä muodostuneet raskaammat ytimet. Gravitaatio puristaa tähden ydintä koko ajan pienempään kasaan.

Fuusioreaktiot vapauttavat energiaa, mikä puolestaan lämmittää ydintä. Tämä lämpö synnyttää painetta joka vastustaa gravitaation puristusta -- jälleen kerran, voimme karkeasti ajatella että tähden sisus käyttäytyy kuin kaasu, vaikka se onkin plasmaa. Fuusioreaktiot kiihtyvät ja energiantuotanto lisääntyy -- samoin paine, kunnes saavutetaan tasapainotila, jossa gravitaation aiheuttama puristava paine ja fuusioreaktioden tuottaman lämmön paine ovat yhtä suuret.

Mitä raskaampi tähti on, sitä suurempi tuo paine sisustassa on, eli sitä suuremmalla tahdilla ydinreaktioiden täytyy tapahtua, jotta tasapainotila saavutetaan.  Fuusioreaktiot jatkuvat niin kauan kun vetyä riittää paineen ylläpitämiseen. Raskaammat tähdet kuluttavat vetyään suhteessakin suuremmalla tahdilla, joten mitä raskaampi tähti on kyseessä, sitä nopeammin polttoaine loppuu.

Tähden massasta riippuu myös, mitä vedyn loppumisesta seuraa. Riittävän kevyessä tähdessä gravitaation paine ei riitä helium-fuusion aloittamiseen, jolloin tähti hiljalleen hiipuu. Hieman raskaammissa tähdissä tapahtuu melko monimutkainen kehityskaari jossa vety-fuusiota ei tapahdu ytimessä, vaan hiukan ulompana, kun ytimeen kumuloitunut helium ei ole (vielä) alkanut fuusioitua. En mene nyt tähän sen enempää, pointtina on, että raskaampien tähtien gravitaatio riittää fuusioimaan alati raskaampia aineita ja sitä nopeammin mitä raskaampi tähti on kyseessä.

Trappist-1 on tähtein kevyimmästä päästä; se on juuri ja juuri sen kokoinen että tähdessä tapahtuu kunnon fuusiota, mutta niin pieni, että sen elinkaari on jopa 500 kertaa pidempi kuin esimerkiksi meidän aurinkomme elinkaari. Siinä missä meidän aurinkomme vety riittää vajaa 10 miljardiksi vuodeksi (josta noin puolet on jo kulunut), Trappist-1:n kaltainen tähti säteilee melko vakaasti jopa 5 biljoonaa vuotta.  Nämä aikajänteet ovat käsittämättömiä ihmismielelle, sillä ne ovat kirjaimellisesti kosmisia aikajänteitä. 5 biljoonaa vuotta on yli 360 kertaa maailmankaikkeuden tämänhetkinen oletettu ikä; Jos koko maailmankaikkeuden tähänastinen elinkaari alkuräjähdyksestä lähtien olisi yksi vuorokausi, niin Trappist-1:n kaltainen kääpiötähti säteilisi vielä loppuvuoden.

Aikajänne on niin pitkä, että silloin kun Trappist-1 tulee elinkaarensa loppuun, maailmankaikkeus on paljon ankeampi paikka kuin nyt. Se ei vielä ole tuolloin täysin kylmä ja eloton, mutta vain läheisten galaksien valo on enää näkyvissä; mikä tahansa paikallista galaksiklusteria kauempana oleva kohde on laajenevan maailmankaikkeuden vuoksi niin kaukana ettei niistä tulevaa valoa voi punasiirtymän vuoksi enää havaita.  Uusia tähtiä syntyy enää harvakseltaan, raskaimmat tähdet ovat kauan sitten kuluttaneet polttoaineensa loppuun.

Löytö on mielenkiintoinen syvän ajan näkökulmasta. Vaikka ihmisen toiminta ei tekisi maapallosta elinkelvotonta seuraavien satojen tai tuhansien vuosien aikana, auringon elinkaari on rajallinen. Maapallon elinkelpoisuuden ehdoton takaraja on toki siinä, kun auringon fuusiotasapaino ytimessä järkkyy ja se muuttuu punaiseksi jättiläiseksi, mutta jo kauan ennen sitä sen säteilyintensiteetti kasvaa niin suureksi että maapallo lämpenee elinkelvottomaksi. Tämä siksi, että ytimen hydrostaattisen tasapainon ylläpitämiseksi fuusioreaktiot koko ajan hieman kiihtyvät ja vetyä siirtyy lisää ytimeen; siinä vaiheessa kun tasapaino rikkoutuu, auringon säteilyintensiteetti on liki kaksinkertaistunut nykyisestä. Tähän menee noin 5.4 miljardia vuotta, mutta intensiteetin kasvun vuoksi maapallo kuumenee elinkelvottomaksi jo miljardissa vuodessa.

Miljardi vuotta on geologisesti hurjan pitkä aika. Maapallolla lajiutuminen räjähti ns. kambrikauden räjähdyksessä noin 550 miljoonaa vuotta sitten, jolloin uusia lajeja alkoi ilmestyä häkellyttävää tahtia; muutamassa kymmenessä miljoonassa vuodessa käytännössä kaikkien nykyisten monisoluisten eliöiden esi-isät olivat eriytyneet yhdestä prekambrisesta kantamuodosta. Jos ihmiskunta nyt pilaisi maapallon ekosysteemin (tai siis, tuhoaisi sen lähes kokonaan; voidaan argumentoida että se on jo pilannut sen) niin että jäljelle jäisi vain esimerkiksi yksisoluisia eliöitä, ei olisi mitenkään sanottua että monisoluiset eliöt kehittyisivät uudelleen; elämä itsessään toki säilyisi, mutta vastaavaa monimuotoisuutta tuskin ehtisi syntyä; tai ehkä syntyisikin. Mutta miljardin vuoden sisällä meret kiehuisivat, ja se olisi sitten kuitenkin siinä.

Trappist-1:n kaltaisella planeetalla elämälle olisi mahdollisuus selviytyä satoja kertoja pidemmällä aikajänteellä. 40 valovuotta on toki pitkä matka -- aivan liian pitkä nykyteknologialla matkustaa. Vaikka tekisimme parhaimmalla käytössä olevalla teknologialla ja vaikka siitä hieman ekstrapoloisimme, emme saisi nykyisellään aikaan edes miehittämätöntä luotainta perille kovin nopeasti. Nopein ihmisen valmistama laite (suhteellisena nopeutena mitattuna) on ollut 1980-luvun alussa lähetetty Helios-1- luotain, joka kulki noin 100km/s maapallosta poispäin (joskin kohti aurinkoa, mutta sivuutetaan tämä). Jos onnistuisimme valmistamaan luotaimen joka kulkisi tästä kymmenkertaisella nopeudella kohti Trappist-1:tä, niin se olisi perillä vasta 12 500 vuoden kuluttua.

Jotta ihmisen valmistama luotain saavuttaisi Trappist 1:en 1000 vuodessa, sen pitäisi kulkea noin 4% valonnopeudesta, ja jos se haluttaisiin perille 100 vuodessa, niin nopeuden pitäisi olla 40% valonnopeudesta. Ja puhumme keskinopeudesta, joten jos kiihdyttäminen olisi tasaista, niin joko sen täytyisi tapahtua lyhyessä ajassa, tai sitten huippunopeuden pitäisi olla vielä suurempi.

Ihminen on pääsääntöisesti haluton investoimaan asioihin joiden aikajänne on pidempi kuin ihmisen elinikä. Kuulento tai vaikkapa lento Marsiin on mielekäs tavoite joillekin poliitikoillekin, sillä vaikka sellaisen investoinnin toteutuminen olisi epävarmaa, projekti joko onnistuu tai epäonnistuu sentään yhden eliniän aikana. Poliitikolla ei moderneissa demokratioissa ole välttämättä pidempää aikajännettä mielessään kuin esimerkiksi neljä vuotta -- tyypillinen vaalikausi -- ja siksi avaruustutkimus ei olekaan välttämättä kovin kovassa huudossa. Kylmän sodan ajasta voidaan sanoa vaikka mitä, mutta ajatus ideologioiden suuresta kamppailusta ja halu näyttää kenellä on paras teknologia, toimi pidemmillä aikajänteillä kuin vaalikausi tai kvartaali.

En yritä tällä sanoa että vastustaisin markkinataloutta. On vain traagista, että ihmiset käyttävät lyhyellä aikavälillä hyperbolista diskonttausta ja pidemmillä aikavälillä eksponentiaalista diskonttausta. Oman käsitykseni mukaan asian pitäisi olla päinvastainen. Ihmisen eliniän mittaisilla ja sitä pidemmillä aikajänteillä (eli intergenerationaalisesti, sukupolvien yli) diskonttauksen tulisi olla hyperbolista ja lyhyellä ja keskipitkällä (esim 1-25 vuotta) sen pitäisi olla eksponentiaalista. Tästä on näyttöä teoreettisesti ja käytännössä; mitä eksistentiaalisempia ne uhat ovat joita vastaan varaudutaan, ja mitä enemmän uhkien luonteeseen ja tulevaan "korkotasoon" liittyy epävarmuutta, sitä enemmän diskonttauksen tulisi olla hyperbolista.

Jos esimerkiksi ihmiskunta käyttäisi 75% investointiresursseistaan kuten nykyisin, lyhyellä aikavälillä eksponentiaalisesti diskontaten, 15% intragenerationaaliseen mutta hyperbolisesti diskontattuihin investointehin ja 10% hyperbolisesti diskontattuihin intergenerationaalisiin investointeihin, olisi mahdollista luoda ns syvän ajan mittakaavassa toteutettuja investointeja. Esimerkiksi tähtienvälisen arkin rakentaminen ei vaatisi tällä tavoin ajateltuna mitään massiivisia uhrauksia ihmiskunnalta, kun sellainen valmistuisi useamman sukupolven kuluttua.

Tämä tietenkin on haihattelua. Ihmiskunta ei ole vielä kypsä tällaiseen. Eikä se tule olemaan minun elinikänäni. Mutta saahan sitä haaveilla.



1 kommentti:

asdf kirjoitti...

Toivoa on jo nyt. Facebook-investoinnilla rikastunut miljardööri on sijoittanut $100M teknologian kehittämiseen jolla teoriassa voi päästä 20 vuodessa Alpha Centauriin. Ideana on lähettää tuhansia miniluotamia (paino gramman luokkaa) jotka on varustettu avaruuspurjeilla. Luotaimet kiihdytetään 20% valonnopeudesta keskitetyillä lasersäteillä purjeeseen. Jarruttaminen ei kuitenkaan ole tässä projektissa suunnitelmissa.

Projekti on teoriassa mahdollinen mutta käytännössä siihen osallistuvat ovat hyvin skeptisiä onnistumisesta. Jos kuitenkin $100M investoinnilla saadaan kehitettyä edes sellainen avaruuspurje jolla voi lentää vaikkapa aurinkokunnan laidalle on projekti saavuttanut jotain konkreettista eikä investointi ole mennyt hukkaan.

https://en.wikipedia.org/wiki/Breakthrough_Initiatives#Breakthrough_Starshot