Apollo 11:n tieteellinen anti

Viime viikkoina tiedotusvälineissä on puhuttu runsaasti Apollo 11:n kuulennosta. Parin seuraavan viikon aikana tahti varmasti entisestään kiihtyy. Nyt kun lennosta tulee kuluneeksi 50 vuotta, juhlimiseen ja hehkutukseen on ehdottamasti aihettakin. Lento täytti John F. Kennedyn asettaman kansallisen tavoitteen ihmisen saamisesta Kuun pinnalle ja hengissä takaisin 1960-luvun loppuun mennessä. Sen myötä USA lopullisesti osoitti teknisen ylivertaisuutensa Neuvostoliittoon nähden ja varmisti voittonsa 1950-luvun lopulla alkaneessa suurvaltojen avaruuskilpailussa. Omasta mielestäni Apollo-lentoihin huipentunut Yhdysvaltain varhainen avaruusohjelma on ihmiskunnan merkittävin saavutus, jos unohdetaan esimerkiksi pyörän ja kirjoitustaidon keksimisen kaltaiset sivuseikat. 

Mike Collins otti tämän huikean kuvan Kuun pinnalta
palaavasta  Eagle-kuumodulista ja maannoususta
kipparoimansa komentomoduli Columbian ikkunasta.
Yksi Apollo-ohjelman yllättävistä seurauksista oli etenkin
Apollo 8:n maannousukuvan vaikutus kansainvälisen
ympäristöliikkeen syntyyn 1960-luvun lopulla.
Kuva: AS11-44-6643 / NASA / Kipp Teague /
muokkaus: T. Öhman.

Kuututkimus oli etenkin varhaisilla Apollo-lennoilla sivuosassa. Mukana kuvassa se kuitenkin oli. Koko Apollo-ohjelman merkitys Kuun, varhaisen Maan ja koko aurinkokuntamme kehityksen ymmärtämisessä on ollut käänteentekevä, ja Apollo-aineistot, etenkin kuunäytteet, muodostavat edelleenkin kuututkimuksen kulmakiven.

Koko Apollo-ohjelman tieteellisestä merkityksestä ilmestyi juuri mainiot artikkelit Physics Today ja EOS-lehdissä. Parin viikon kuluttua juhlitaan kuitenkin erityisesti Apollo 11:tä. Oli täysin mahdollista, että ensimmäinen miehitetty laskeutuminen Kuuhun olisi jäänyt myös viimeiseksi. Mitä Kuusta olisi selvinnyt, jos miehitetyt kuulaskeutumiset olisivat jääneet siihen yhteen ainoaan?

Kuun varhainen kehitys

Kuun kehityshistoria oli vielä 1960-luvulle tultaessa heikosti tunnettu. Nobel-kemisti Harold Urey (1893–1981) oli Yhdysvaltain miehitetyn avaruusohjelman yksi tärkeimmistä varhaisista tieteellisistä tukijoista. Tunnetun tarinan mukaan hän sai eräissä bileissä käsiinsä Ralph Baldwinin klassikkoteoksen The Face of the Moon, luki sen siltä istumalta, ja oli siitä lähtien Kuun lumoissa. Hänen suosimansa teorian mukaan Kuu oli muinainen, kauempana aurinkokunnassa syntynyt kylmä kappale, jonka Maa myöhemmin sieppasi satelliitikseen. Ureyn mukaan Kuussa ei ollut koskaan ollut mainittavampaa sisäsyntyistä geologista toimintaa. Niinpä Urey uskoi Baldwinin tavoin Kuun kraatterien olevan törmäysten synnyttämiä.

Urey edusti siis Kuun kehityksessä "kylmän Kuun" koulukuntaa, Kuun alkuperää koskien sieppaus- eli puolisoteorian koulukuntaa, ja kraatterien alkuperän osalta törmäyskraatterien koulukuntaa. Hänen merkittävin vastavoimansa oli Gerard Kuiper (1905–1973). Kuiperin mukaan Kuu ja Maa syntyivät samasta kaasupilvestä yhtä aikaa, ja Maan tavoin Kuu oli ollut geologisesti aktiivinen: Kuun meret olivat tuliperäisiä ja syntyivät pian itse Kuun muodostumisen jälkeen. Samoin Kuiperin mukaan kraatterien keskuskohoumat olivat tuliperäisiä rakenteita. Kuiper oli siis "kuuman Kuun", sisarusteorian ja vulkaanisten kraatterien koulukuntien edustaja. Kuiper ja Urey ottivat varsin kiivassanaisesti yhteen pitkin 1950- ja 60-lukuja. Apollo 11:n lentoon mennessä kukaan ei kuitenkaan varmasti tiennyt, olisiko tieteellisen kilpailun voittaja Urey vai Kuiper.

Apollo 11:n miehistön – etenkin Neil Armstrongin, jonka vastuulla geologinen tutkimus enimmäkseen oli – keräämät 21,6 kiloa kuunäytteitä ratkaisivat osan tärkeimmistä Ureyn ja Kuiperin kiistakysymyksistä välittömästi. Kuten tieteessä usein käy, kumpikaan kiistan osapuolista ei kuitenkaan ollut täysin oikeassa, muttei myöskään täysin väärässä. Jo viikko Apollo 11:n laskeutumisen jälkeen Urey joutui myöntämään, että kivet näyttävät laavavirtojen synnyttämiltä, ja että hänen pitää muuttaa mielipidettään. Kuun meret olivat kiistatta tuliperäistä basalttia, joten ajatus "kylmästä Kuusta" päätyi saman tien romukoppaan. Piste Kuiperille.

Neil Armstrong keräämässä "hätävaranäytettä". Niiden tarkoituksena oli saada edes jonkinlainen näyte kuuperästä, mikäli kuukävely jouduttaisiin lopettamaan ennenaikaisesti. Kahdella viimeisellä Apollo-lennolla "hätävaranäytteen" keräämisestä luovuttiin. Kaikki asioista perillä olevat tahot ovat poikkeuksetta ylistäneet Armstrongin kenttägeologista työskentelyä ja näytteiden valintaa erinomaiseksi. Skannaus Apollo 11:n 16 mm:n filmiruudulta. Kuva: NASA / JSC / ASU.

Kuun meret osoittautuivat tarkemmissa tutkimuksissa olevan miljardeja vuosia vanhoja basalttitasankoja, eli myös merien iän suhteen Kuiper oli pääpiirteissään oikeassa. Armstrongin ja Aldrinin keräämien basalttien joukossa oli lisäksi kappaleita lähinnä plagioklaasimaasälvästä koostuneesta anortosiitista. Tämän täytyi olla peräisin Kuun ylängöiltä, joiden koostumuksen Apollo 11 siis myös kertaheitolla ratkaisi. Näytteet olivat kuitenkin täynnä kiistattomia todisteita törmäysten synnyttämästä shokkimetamorfoosista. Ylänkökivet olivat päätyneet tasangolle kraattereiden heitteleen mukana, ja koska ne olivat shokkimetamorfoosin runtelemia, täytyy kraattereiden olla törmäyskraattereita eikä suinkaan tuliperäisiä. Piste Ureylle.

Kuun synty

Kysymys Kuun alkuperästä oli yksi koko Apollo-ohjelman tärkeimpiä tieteellisiä motivaattoreita. Siihen ensimmäiset Apollo-kivet eivät monien pettymykseksi tarjonneet ilmeistä vastausta. Selvyyttä eivät tuoneet myöhempienkään lentojen näytteet: Apollo-ohjelma päättyi ilman, että yhteen sen keskeisimmistä tieteellisistä kysymyksistä saatiin vastausta. Uusi, mullistava teoria Kuun synnystä esiteltiin tieteellisessä kokouksessa vuonna 1974, pari vuotta Apollo-lentojen päättymisen jälkeen. Tuolloin ajatus Kuun synnystä jättimäisen törmäyksen seurauksena ei kuitenkaan saavuttanut järin suurta kiinnostusta. Kului vielä kymmenen vuotta, ennen kuin tutkijayhteisö oli valmis hyväksymään törmäysteorian vahvimmaksi kandidaatiksi selittämään Kuun havaitut ominaisuudet. Sekä Urey että Kuiper olivat väärässä, mutta kumpikaan heistä ei päässyt enää todistamaan tätä.

On tietysti pitkälti arvailua, olisiko törmäysteoriaan päädytty pelkkien Apollo 11 -näytteiden pohjalta. Oma veikkaukseni on, että olisi. Jo niiden perusteella nähtiin, että Kuussa on Maahan verrattuna hyvin vähän vettä ja muita helposti haihtuvia aineita. Lisäksi niiden kertoma koko Kuun koostumus vastaa varsin tarkoin Maan vaipan koostumusta, mutta rautaa on Kuussa kokonaisuutena Maahan verrattuna niukalti. Mikä merkittävintä, ja osin myös merkillisintä, Apollo 11:n näytteiden happi-isotooppikoostumuksen havaittiin välittömästi vastaavan lähes täydellisesti Maan happi-isotooppikoostumusta (ei nyt mennä tällä kertaa viime vuosina keskustelua herättäneeseen isotooppikriisiin). Nämä kaikki ovat törmäysteorian peruspalikoita, joten todennäköistä on, että pelkillä Apollo 11:n tuomilla kivilläkin törmäysteoria olisi nykyisin vallalla oleva malli Kuun synnylle.

Perusasiat kohdilleen

Erän modernin kuututkimuksen perushypoteeseista sen sijaan oivallettiin heti Apollo 11:n näytteiden perusteella: Kuulla on muinoin täytynyt olla magmameri. Tästä on kiittäminen John A. Woodin johtamaa työryhmää. Irtonaisen kuuperän eli regoliitin sisältämistä anortosiittipartikkeleista Wood kollegoineen päätteli, että Kuun on täytynyt olla nuoruudessaan sula, jolloin anortosiitti on kevyenä noussut pintaan ja muodostanut Kuun kuoren. Raskaammat, enemmän rautaa sisältäneet kivilajit painuivat syvemmälle ja muodostivat Kuun vaipan. Tämä malli pätee pääpiirteissään edelleenkin, ja sillä on ollut erittäin merkittävä vaikutus yritettäessä ymmärtää myös muiden maankaltaisten planeettojen varhaisinta geologista historiaa. Apollo 11:n tuomat pikkuruiset kiven muruset ovat siis ollet aivan keskeisessä osassa, kun viimeisten vuosikymmenten varrella on kehitelty erilaisia geologisia malleja selittämään esimerkiksi Marsin ensimmäisten kymmenet miljoonat vuodet. 

Kuun ajanlasku ennen Apollo 11:n lentoa oli puhtaasti suhteellinen. Toisin sanoen tuolloin tiedettiin joltisenkin luotettavasti, mitkä alueet olivat vanhoja, mitkä taas nuoria. Vanhoilla alueilla oli enemmän kraattereita kuin nuorilla, ja nuoremmat geologiset yksiköt leikkasivat ja peittivät vanhempia. Eri alueiden absoluuttisesta, vuosissa mitattavasta iästä taas ei ollut kuin enemmän tai vähemmän valistuneita arvauksia. Apollo 11:n näytteet Mare Tranquillitatiksen lounaisosista antoivat ensimmäisen tunnetun pisteen alueen pinnalla havaittavien kraatterien lukumäärää ja kyseisen pinnan ikää kuvaaviin diagrammeihin. Yhtäkkiä Kuun eri alueiden geologisesta historiasta voitiin alkaa puhua myös käyttäen alueiden likimääräisiä absoluuttisia ikiä. Myöhemmät Apollo-lennot tietysti toivat lisää pisteitä käyrälle. Tämä on mullistanut koko aurinkokuntamme tutkimuksen, sillä Kuun kraatterilaskut ovat pohjana kaikille muillekin kiinteäpintaisten kappaleiden pintojen ikämäärityksille Merkuriuksesta jättiläisplaneettojen jääkuille ja aurinkokunnan äärirajoille Plutoon ja Ultima Thuleen saakka.

Loppu hörhöilylle

Mitä muuta Apollo 11 -lennosta opittiin? Vaikka useat neuvostoliittolaiset ja amerikkalaiset miehittämättömät laskeutujat olivat jo todenneet Kuun pinnan olevan kova, piti uransa aikana harvinaisen monialaisesti väärässä ollut Tommy Gold (1920–2004) eräiden muiden tutkijoiden ohella sitkeästi elossa teoriaa, jonka mukaan Kuuta peittää paksu pölykerros, johon kuumoduli voisi upota. No, ei uponnut, sillä pölykerroksen paksuus mitataan senteissä. Buzz Aldrinin kuuluisa kuva saappaanjäljestä oli itse asiassa osa tutkimusta, jossa oli tarkoitus selvittää pölykerroksen ominaisuuksia. Parasta, mitä Goldin pölythypoteesista oli seurauksena, oli Arthur C. Clarken (1917–2008) mainio romaani A Fall of Moondust, eli suomeksi Selene I.

Tämä Buzz Aldrinin ottama kuva on paras valokuva Neil Armstrongista Kuun pinnalla. Armstrong-kuvien vähäisyys johtui vain siitä yksinkertaisesta syystä, että kamera oli suurimman osa aikaa Armstrongilla, jonka tehtävänä valokuvaus enimmäkseen oli. Kuten kuvasta näkyy, kuumoduli Eagle ei uponnut kuupölyyn. Kuva: AS11-40-5886 / NASA / Kipp Teague / muokkaus: T. Öhman.

Yksi ilmeisistä ja myös täysin odotetuista Apollo 11:n tuloksista oli tietenkin se, ettei kuukivissä näkynyt pienintäkään jälkeä minkäänlaisesta elämästä. Tähän liittyi varsin kiinteästi havainto siitä, että edes Kuun mineraalien kiderakenteessa ei havaittu vettä (sivuutetaan tässä taas viimeisen vuosikymmenen kiinnostavat löydöt hyvin pienestä määstä vettä Kuun kivissä). Tästä elämän merkkien ja elämän edellytysten puutteesta huolimatta vielä Apollo 14:n astronautit joutuivat lentonsa jälkeen kolmen viikon karanteeniin kuupöpöjen pelossa.

Kuun geofysiikkaa

Geologisen kenttätyön ohella Apollo 11:n miehistö teki myös merkittävää geofysikaalista tutkimusta viemällä tutkimuslaitteita Kuun kamaralle. Näiden asentaminen oli lähinnä Buzz Aldrinin tehtävä. Kuunjäristyksiä mittaava seismometri valitettavasti uuvahti kuumodulin lähdön tussauttaman kuupölyn aiheuttamaan lämpöhalvaukseen jo kolmen viikon jälkeen, joten sen saavutukset jäivät hieman niukoiksi. Jo sen ensimmäiset tulokset kuitenkin osoittivat Kuun olevan seismiseltä "taustakohinaltaan" hiljaisempi kuin oli useissa malleissa oletettu, ja että Kuun seismiikka on täysin erilaista kuin Maan. Lisäksi Kuulla on taipumus jäädä "soimaan" pitkäksi aikaa kuunjäristysten tai pienten meteoroiditörmäysten jälkeen. Tarvittiin kuitenkin myöhempien lentojen seismometriverkostoa, jotta Kuun sisärakenteeseen päästiin toden teolla pureutumaan.

Apollo 11:n toimittamista tutkimuslaitteista puhuttaessa unohtaa ei sovi myöskään seismometrin kyljessä ollutta yksinkertaisen nerokasta kuupölyn mittalaitetta. Sen tulokset ovat vasta viime vuosina saaneet ansaitsemansa huomion. Kuupöly on äärimmäisen särmikästä ja reaktiivista, joten se voi hyvinkin olla terveyshaitta tulevaisuuden astronauteille. Vähintäänkin se aiheuttaa melkoisesti päänvaivaa Kuussa käytettäviä avaruuspukuja ja mitä tahansa Kuun pinnalle lähetettävää teknologiaa suunnitteleville insinööreille. Tämäkin soveltava tutkimus nojaa Apollo 11:n tieteelliseen antiin.

Neil Armstrongin ottamassa kuvassa Buzz Aldrin on asentamassa EASEP-tutkimuslaitteistoa. Aldrinin oikean käden takana näkyy edelleen käytössä oleva laserheijastin. Armstrong näkyy pienenä heijastuksena Aldrinin visiirissä. Kuva: AS11-40-5947 / NASA / Kipp Teague / muokkaus: T. Öhman.

Yksi Apollo 11:n Kuun pinnalle jättämistä tutkimuslaitteista toimii erinomaisesti edelleen. Kyseessä on tavallista fiksumpi peili, eli laserheijastin. Se nimensä mukaisesti yksinkertaisesti heijastaa suoraan takaisin siihen Maasta ammutut lasersäteet. Mittaamalla lasersäteen edestakaiseen matkaan käyttämä aika, saadaan selville heijastimen tarkka etäisyys. Yhdessä Apollo 14 ja 15 -lennoilla toimitettujen ja Neuvostoliiton miehittämättömien Lunohod 1 ja 2 -mönkijöiden ranskalaisvalmisteisten heijastimien kanssa Apollo 11:n heijastin on todistanut Kuun etääntyvän Maasta vajaan neljän sentin vuosivauhtia. Tämän ohella heijastimet ovat muun muassa osoittaneet Kuulla olevan ytimen, ja lisäksi niitä on käytetty testaamaan Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa.  

"Kannattiko" reissu tehdä?

Apollo 11 oli Yhdysvaltain poliittinen ja teknologinen voimannäyttö, mutta myös tieteellinen riemuvoitto. Sen hankkimien kuunäytteiden ja muun tutkimusaineiston hyödyntäminen jatkuu aktiivisesti yhä edelleen, eikä loppua näy. Näytteet tulevat tulevaisuudessakin avaamaan täysin uudenlaisia ja odottamattomia näkymiä Kuun, Maan ja aurinkokunnan historiaan, aivan kuten ne ovat tehneet jo viisi vuosikymmentä. Toisin kuin aina silloin tällöin perustelematta väitetään, Apollo-ohjelma "kannatti" jo pelkästään tieteellisestä näkökulmasta. Kun tähän lisätään huima, muille aloille rönsynnyt teknologian kehitys ja erityisesti se, että Apollo-ohjelma on jo puoli vuosisataa inspiroinut lukemattomia ihmisiä esimerkiksi opiskelemaan luonnon- ja insinööritieteitä ja tuottamaan taidetta kanssaihmisten iloksi, sekä kirjaimellisesti avartanut ihmisen maailmankuvaa, ei pitäisi olla mitään epäilystä siitä, etteivätkö Apollo-lennot olisi olleet "kannattavaa" toimintaa. Ja sitäpaitsi, ei muidenkaan ihmiskunnan suurimpien saavutusten merkitystä arvioida sen perusteella, "kannattiko" homma vai ei. Apollo 11 toteutti ihmiskunnan ikiaikaisen haaveen ja liitti kokonaan uuden monimuotoisen maailman osaksi omaa konkreettista kokemuspiiriämme. Se rikastuttaa elämäämme vielä viiden vuosikymmenen jälkeen lukemattomin tavoin, ja varmasti tekee niin tulevaisuudessakin. Se oli ehdottomasti kaikkien uhrauksiensa arvoista.

Apollo 11:n vähemmän muistettua ja edelleen paitsi käyttökelpoista myös käytettyä tieteellistä antia ovat Mike Collinsin kiertoradalta ottamat sykähdyttävät lähikuvat Kuun pinnanmuodoista, kuten tässä hyvin loivalla kulmalla tapahtuneen törmäyksen synnyttämästä kraatteriparista Messier (oikealla) ja Messier A. Messierin pituus noin 14 km, pohjoinen yläoikealla. Kuva: AS11-42-6304 / NASA / Kipp Teague.