Obyvatelnost systémů červených trpaslíků

Obyvatelnost systémů červených trpaslíků

Předpokládá se, že obyvatelnost systémů červených trpaslíků je určena velkým množstvím faktorů z různých zdrojů. Ačkoli moderní důkazy poukazující na jejich nízký tok hvězd , vysokou pravděpodobnost slapového uzamčení , malé cirkumstelární obyvatelné zóny a velké hvězdné variace , které planety červených trpaslíků zažívají jako překážky jejich planetární obyvatelnosti , naznačují, že planety v systémech červených trpaslíků pravděpodobně nebudou obyvatelné, všudypřítomnost a dlouhověkost _červených trpaslíků jsou faktory, které by mohly poskytnout dostatek příležitostí k realizaci jakékoli možnosti obyvatelnosti. Vzhledem k tomu, že červení trpaslíci jsou zdaleka nejběžnějším typem hvězd ve vesmíru, astronomové studují, jak by každý z mnoha faktorů a vzájemné interakce mezi nimi mohl ovlivnit jejich obyvatelnost, aby se dozvěděli více o frekvenci a nejpravděpodobnějších místech mimozemského života a inteligence.

Intenzivní slapové zahřívání způsobené blízkostí planet k jejich hostitelským červeným trpaslíkům je hlavní překážkou rozvoje života v těchto systémech. Jiné slapové efekty, jako jsou extrémní teplotní rozdíly vytvořené jednou stranou planet v obyvatelné zóně, která je trvale obrácena ke hvězdě a druhá se neustále odvrací, a nedostatek planetárních axiálních náklonů, snižují pravděpodobnost života kolem červených trpaslíků. Nepřílivové faktory, jako je extrémní variace hvězd, rozložení spektrální energie posunuté vzhledem ke Slunci do infračervené oblasti a malé cirkumstelární obyvatelné zóny v důsledku nízkého světelného výkonu, dále snižují vyhlídky na život v systémech červených trpaslíků.

Existuje však několik faktorů, které by mohly zvýšit pravděpodobnost života na planetách červených trpaslíků. Intenzivní tvorba mraků na straně slapově uzamčené planety přivrácené k hvězdě může snížit celkový tepelný tok a drasticky snížit rovnovážné teplotní rozdíly mezi dvěma stranami planety. Navíc samotný počet červených trpaslíků, kteří tvoří asi 85 % hvězd v Mléčné dráze a naprostá většina hvězd ve spirálních a eliptických galaxiích, statisticky zvyšuje pravděpodobnost, že by mohlo kolem některých z nich existují obyvatelné planety. Očekává se, že v obyvatelných zónách červených trpaslíků v Mléčné dráze budou desítky miliard superzemských planet

Charakteristika červeného trpaslíka

Červení trpaslíci jsou nejmenším, nejchladnějším a nejběžnějším typem hvězdy. Odhady jejich četnosti se pohybují od 70 % hvězd ve spirálních galaxiích po více než 90 % všech hvězd v eliptických galaxiích , často uváděným středním číslem je 72-76 % hvězd v Mléčné dráze (známé od 90. let z radioteleskopického pozorování být spirála s příčkou ). Červení trpaslíci jsou M spektrálního typu . Vzhledem k jejich nízkému energetickému výdeji nejsou červení trpaslíci ze Země téměř nikdy viditelní pouhým okem; ani červený trpaslík nejbližší Slunci při pohledu jednotlivě, Proxima Centauri(což je také nejbližší hvězda ke Slunci), ani nejbližší osamělý červený trpaslík, Barnardova hvězda , není nikde blízko vizuální velikosti. Pouhým okem je vidět pouze Lacaille 8760 (+6,7).

Výzkum

Svítivost a spektrální složení

Relativní velikosti hvězd a fotosférické teploty . Jakákoli planeta kolem červeného trpaslíka, jako je ta zde zobrazená ( Gliese 229A ), by se musela schoulit blízko, aby dosáhla teplot podobných Zemi, což pravděpodobně způsobí přílivovou vlnu . Viz Aurelia . Kredit: MPIA/V. Joergens.

Astronomové už roky vylučují červené trpaslíky s hmotností v rozmezí zhruba 0,08 až 0,60 hmotností Slunce ( M ) jako potenciální sídla pro život. Nízké hmotnosti hvězd způsobují, že reakce jaderné fúze v jejich jádrech probíhají mimořádně pomalu, což jim dává svítivost v rozmezí od maxima zhruba 10 procent Slunce až po minimum pouhých 0,0125 procenta. V důsledku toho by každá planeta obíhající kolem červeného trpaslíka musela mít nízkou hlavní poloosu , aby si udržela povrchovou teplotu podobnou Zemi, od 0,268 astronomických jednotek (AU) pro relativně svítivého červeného trpaslíka, jako je Lacaille 8760 .na 0,032 AU pro menší hvězdu , jako je Proxima Centauri , nejbližší hvězda Sluneční soustavy . Takový svět by měl rok trvající pouhé 3 až 150 dní. Velká část nízké svítivosti červeného trpaslíka spadá do infračervené a červené části elektromagnetického spektra, s nižší energií než žluté světlo, ve kterém vrcholí Slunce. V důsledku toho by fotosyntéza na planetě červeného trpaslíka vyžadovala další fotony k dosažení excitačních potenciálů srovnatelných s těmi, které jsou potřebné při fotosyntéze Země pro přenos elektronů, kvůli nižší průměrné energetické hladině blízkých infračervených fotonů ve srovnání s viditelnými. Vzhledem k tomu, že se listy na obyvatelné planetě červeného trpaslíka musely přizpůsobit daleko širšímu spektru, aby získaly maximální množství energie, při pohledu ve viditelném světle by se pravděpodobně jevily černé.

Navíc, protože voda silně pohlcuje červené a infračervené světlo, bylo by k dispozici méně energie pro vodní život na planetách červených trpaslíků. Podobný efekt preferenční absorpce vodním ledem by však zvýšil jeho teplotu ve srovnání s ekvivalentním množstvím záření hvězdy podobné Slunci, čímž by se obyvatelná zóna červených trpaslíků rozšířila směrem ven.

Další skutečností, která by bránila obyvatelnosti, je vývoj červených trpaslíků; protože takové hvězdy mají prodlouženou fázi před hlavní posloupností, jejich případné obyvatelné zóny by byly asi na 1 miliardu let zónou, kde voda nebyla kapalná, ale v plynném stavu. Pozemské planety ve skutečných obyvatelných zónách, pokud by se jim při jejich formování dostalo hojné povrchové vody, by byly vystaveny útěku skleníkovému efektu po několik set milionů let. Během takové rané skleníkové fáze by fotolýza vodní páry umožnila únik vodíku do vesmíru a ztrátu několika pozemských oceánů vody, což by zanechalo hustou abiotickou kyslíkovou atmosféru.

Přílivové efekty

V blízkých orbitálních vzdálenostech, které by planety kolem červených trpaslíků musely udržovat, aby na jejich povrchu existovala kapalná voda, je slapové zablokování k hostitelské hvězdě pravděpodobné. Slapové uzamčení způsobí, že se planeta otočí kolem své osy jednou za každou otáčku kolem hvězdy. V důsledku toho by jedna strana planety byla věčně obrácena ke hvězdě a druhá strana by neustále směřovala pryč, což by vytvořilo velké teplotní extrémy.

Po mnoho let se věřilo, že život na takových planetách bude omezen na prstencovitou oblast známou jako terminátor , kde se hvězda vždy objeví na obzoru nebo blízko něj. Také se věřilo, že účinný přenos tepla mezi stranami planety vyžaduje atmosférickou cirkulaci atmosféry tak husté, že neumožňuje fotosyntézu. Tvrdilo se, že kvůli diferenciálnímu ohřevu by planeta s přílivovým uzamčením zažila prudké větry s trvalým přívalovým deštěm v bodě přímo obráceném k místní hvězdě, subsolárním bodě . Podle jednoho autora to činí složitý život nepravděpodobným Život rostlin by se musel přizpůsobit neustálé vichřici, například bezpečným ukotvením do půdy a vyrašením dlouhých pružných listů, které nelámou. Zvířata by se spoléhala na infračervené vidění, protože signalizace voláním nebo pachem by byla přes hluk celoplanetární vichřice obtížná. Podmořský život by však byl chráněn před prudkými větry a erupcemi a obrovské květy černého fotosyntetického planktonu a řas by mohly podporovat mořský život.

Na rozdíl od dříve bezútěšného obrazu života, studie Roberta Haberleho a Manoje Joshiho z NASA Ames Research Center v Kalifornii z roku 1997 ukázaly, že atmosféra planety (za předpokladu, že zahrnovala skleníkové plyny CO 2 a H 2 O ) potřebuje pouze 100 milli bar neboli 10 % zemské atmosféry, aby bylo teplo hvězdy účinně přenášeno na noční stranu, což je údaj v rámci fotosyntézy. Výzkum o dva roky později provedl Martin Heath z Greenwich Community Collegeukázal, že i mořská voda by mohla účinně cirkulovat bez zamrznutí pevných látek, pokud by oceánské pánve byly dostatečně hluboké, aby umožňovaly volné proudění pod ledovou čepicí noční strany. Studie z roku 2010 navíc dospěla k závěru, že vodní světy podobné Zemi slapově uzamčené ke svým hvězdám budou mít na noční straně stále teploty nad 240 K (-33 °C). Klimatické modely zkonstruované v roce 2013 naznačují, že tvorba mraků na slapových planetách by minimalizovala teplotní rozdíl mezi denní a noční stranou, což výrazně zlepšilo vyhlídky na obyvatelnost pro planety s červenými trpaslíky. Další výzkum, včetně úvahy o množství fotosynteticky aktivního záření, naznačil, že slapově uzamčené planety v systémech červených trpaslíků by mohly být obyvatelné alespoň pro vyšší rostliny.

Existence stálé denní a noční strany není jedinou potenciální překážkou pro život kolem červených trpaslíků. Slapové zahřívání planet v obyvatelné zóně červených trpaslíků o hmotnosti menší než 30 % hmotnosti Slunce může způsobit, že se "vypečou" a stanou se z nich "přílivové Venuše". V kombinaci s dalšími překážkami obyvatelnosti červených trpaslíků to může snížit pravděpodobnost, že mnoho červených trpaslíků hostí život, jak jej známe, ve srovnání s jinými typy hvězd velmi nízkou. Kolem mnoha červených trpaslíků nemusí být ani dostatek vody pro obyvatelné planety; to málo vody, které se na těchto planetách nachází, zejména na planetách velikosti Země, se může nacházet na chladné noční straně planety. Na rozdíl od předpovědí dřívějších studií o přílivových Venuších však tato "uvězněná voda" může pomoci odvrátit skleníkové efekty a zlepšit obyvatelnost systémů červených trpaslíků.

Měsíce plynných obrů v obyvatelné zóně by mohly tento problém překonat, protože by se slapově uzamkly ke své primární a ne ke své hvězdě, a tak by zažily cyklus den-noc. Stejný princip by platil pro dvojité planety , které by byly pravděpodobně navzájem slapově uzamčeny.

Všimněte si však, že jak rychle dojde k přílivovému uzamčení, může záviset na oceánech planety a dokonce i atmosféře, a může to znamenat, že k přílivovému uzamčení nedojde ani po mnoha Gyr. Uzamčení přílivu a odlivu navíc není jediným možným konečným stavem tlumení přílivu a odlivu. Například Merkur měl dostatek času na slapové uzamčení, ale nachází se ve spinové orbitální rezonanci 3:2.

Variabilita

Červení trpaslíci jsou mnohem variabilnější a násilnější než jejich stabilnější, větší bratranci. Často jsou pokryty hvězdnými skvrnami , které mohou ztlumit jejich vyzařované světlo až o 40 % na měsíce v kuse. Život na Zemi se v mnoha ohledech přizpůsobil podobně sníženým teplotám zimy. Život může přežít hibernací a/nebo ponořením do hluboké vody, kde by teploty mohly být stabilnější. Oceány by potenciálně zamrzly během extrémně chladných období. Pokud ano, jakmile skončí období šera, albedo planety by bylo vyšší, než bylo před stmíváním. To znamená, že by se odráželo více světla od červeného trpaslíka, což by bránilo teplotám v zotavení nebo možná ještě více snížilo planetární teploty.

Jindy červení trpaslíci vydávají gigantické světlice, které dokážou zdvojnásobit jejich jas během několika minut. Ve skutečnosti, jak bylo stále více červených trpaslíků zkoumáno z hlediska variability, stále více z nich bylo do určité míry klasifikováno jako vzplanuté hvězdy . Taková změna jasu by mohla být pro život velmi škodlivá. Vzplanutí by také mohlo produkovat proudy nabitých částic, které by mohly strhnout značnou část atmosféry planety. Vědci, kteří se hlásí k hypotéze vzácných zemin, pochybují o tom, že by červení trpaslíci mohli podporovat život při silném vzplanutí. Slapové uzamčení by pravděpodobně vedlo k relativně nízkému planetárnímu magnetickému momentu . Aktivní červení trpaslíci, kteří vydávají výrony koronální hmoty(CMEs) by uklonila magnetosféru , dokud by se nedotkla planetární atmosféry. V důsledku toho by atmosféra podstoupila silnou erozi a planetu by možná zanechala neobyvatelnou. Bylo zjištěno, že červení trpaslíci mají mnohem nižší míru CME, jak se očekávalo z jejich rotace nebo aktivity vzplanutí, a velké CME se vyskytují zřídka. To naznačuje, že atmosférická eroze je způsobena spíše zářením než CME.

V opačném případě se předpokládá, že pokud by planeta měla magnetické pole, odchýlilo by částice od atmosféry (dokonce i pomalá rotace slapově uzamčené M-trpasličí planety - při každém oběhu kolem své hvězdy se otočí jednou - by stačila generovat magnetické pole, dokud část nitra planety zůstane roztavená). Toto magnetické pole by mělo být mnohem silnější ve srovnání se pozemským, aby poskytlo ochranu proti erupcím pozorované velikosti (10-1000G ve srovnání s pozemskými 0,5G), které pravděpodobně nebudou generovány. Ale skutečné matematické modely docházejí k závěru, dokonce i při nejvyšších dosažitelných intenzitách magnetického pole generovaného dynamem ztrácejí exoplanety s hmotností jako Země značnou část své atmosféry erozí atmosféry exobáze výbuchy CME a emisemi XUV (dokonce i planety podobné Zemi blíže než 0,8 AU , ovlivňující také hvězdy G a K, jsou náchylné ke ztrátě atmosféry). Atmosférická eroze by dokonce mohla vyvolat vyčerpání vodních oceánů. [41] Planety zahalené hustým oparem uhlovodíků , jako je ta na prvotní Zemi nebo Saturnův měsíc Titan, mohou stále přežít vzplanutí, protože plovoucí kapičky uhlovodíků jsou zvláště účinné při pohlcování ultrafialového záření.

Dalším způsobem, jak by se život mohl zpočátku chránit před radiací, by bylo zůstat pod vodou, dokud by hvězda neprošla raným stádiem vzplanutí, za předpokladu, že by si planeta mohla udržet dostatek atmosféry, aby udržela tekuté oceány. Vědci, kteří napsali televizní program " Aurelia ", věřili, že život může přežít na souši i přes záblesk červeného trpaslíka. Jakmile se život dostane na pevninu, nízké množství UV záření produkovaného tichým červeným trpaslíkem znamená, že život by mohl prosperovat bez ozónové vrstvy, a proto nikdy nebude muset produkovat kyslík.

Stojí za zmínku, že období prudkého vzplanutí životního cyklu červeného trpaslíka bude podle odhadů trvat jen zhruba prvních 1,2 miliardy let jeho existence. Pokud se planeta vytvoří daleko od červeného trpaslíka, aby se vyhnula slapovému uzamčení, a poté po tomto turbulentním počátečním období migruje do obyvatelné zóny hvězdy, je možné, že život dostane šanci se vyvinout.

Bylo zjištěno, že k největším erupcím dochází ve vysokých zeměpisných šířkách poblíž hvězdných pólů, takže pokud jsou oběžné dráhy exoplanet zarovnány s hvězdnou rotací, jsou erupcemi ovlivněny méně, než se dříve myslelo.

Hojnost

Hlavní výhoda, kterou mají červení trpaslíci oproti jiným hvězdám jako obydlí pro život: produkují světelnou energii po velmi, velmi dlouhou dobu. Trvalo 4,5 miliardy let, než se na Zemi objevili lidé, a život, jak ho známe, bude mít vhodné podmínky ještě asi 1,5 miliardy let. Červení trpaslíci by naproti tomu mohli existovat biliony let, protože jejich jaderné reakce jsou mnohem pomalejší než reakce větších hvězd, což znamená, že život by se vyvíjel a přežil mnohem déle. Kromě toho, ačkoli pravděpodobnost nalezení planety v obyvatelné zóně kolem jakéhokoli konkrétního červeného trpaslíka není známa, celkové množství obyvatelné zóny kolem všech červených trpaslíků dohromady se pravděpodobně rovná celkovému množství kolem hvězd podobných Slunci vzhledem k jejich všudypřítomnosti. První super-Zeměs hmotností 3 až 4násobku hmotnosti Země, která se nachází v potenciálně obyvatelné zóně její hvězdy je Gliese 581g a její hvězda, Gliese 581 , je skutečně červený trpaslík. Přestože je uzamčen, je možné, že na jeho terminátoru může existovat kapalná voda. Předpokládá se, že planeta existuje přibližně 7 miliard let a má dostatečně velkou hmotnost, aby unesla atmosféru.

Další možnost by mohla přijít v daleké budoucnosti, kdy se podle počítačových simulací z červeného trpaslíka stane modrý trpaslík , protože vyčerpá zásoby vodíku . Vzhledem k tomu, že tento druh hvězdy je svítivější než předchozí červený trpaslík, planety obíhající kolem ní, které byly zamrzlé během předchozí fáze, by mohly být rozmraženy během několika miliard let, které tato vývojová fáze trvá (5 miliard let, například pro 0,16 M hvězda), dává životu příležitost objevit se a vyvíjet se.

Zadržování vody

Planety mohou zadržovat značné množství vody v obyvatelné zóně ultrachladných trpaslíků se sladkou tečkou v rozmezí 0,08 - 0,11 M , navzdory FUV-fotolýze vody a XUV - řízenému úniku vodíku.

Vodní světy obíhající kolem M-trpaslíků by mohly mít své oceány vyčerpány v časovém měřítku Gyr kvůli intenzivnějšímu prostředí částic a záření, které exoplanety zažívají v blízkých obyvatelných zónách. Pokud by se atmosféra v časovém horizontu vyčerpala méně než Gyr, mohlo by se to ukázat jako problematické pro vznik života ( abiogenezi ) na planetě.

metanová obyvatelná zóna

Pokud je možný život založený na metanu (podobně jako hypotetický život na Titanu ), existovala by druhá obyvatelná zóna dále od hvězdy odpovídající oblasti, kde je metan kapalný. Atmosféra Titanu je průhledná pro červené a infračervené světlo, takže by se dalo očekávat, že více světla z červených trpaslíků dosáhne povrchu planety podobné Titanu.

Frekvence světů velikosti Země kolem ultrachladných trpaslíků

Planetární systém TRAPPIST-1 (umělecký dojem)

Studie archivních Spitzerových dat poskytuje první představu a odhad, jak často se světy velikosti Země vyskytují kolem ultrachladných trpasličích hvězd : 30-45 %. Počítačová simulace zjistila, že planety, které se tvoří kolem hvězd s podobnou hmotností jako TRAPPIST-1 (cca 0,084 M ), mají s největší pravděpodobností velikosti podobné Zemi.

V beletrii

V rámci hvězdných systémů Červeného trpaslíka existují následující příklady fiktivních "mimozemšťanů"

• Shadeward Saga: V Drew Wagar's Shadeward Saga se příběh odehrává v Esuriu, planetě o velikosti Země kolonizované lidmi, která je uzamčena a obíhá kolem Lacaille 9352, červeného trpaslíka vzdáleného 10 světelných let od Země. Kniha adekvátně popisuje ostré kontrasty extrémně chladných a žhnoucích horkých oblastí a lidského omezení v mírném koridoru mezi oběma zónami a zároveň popisuje některé z pravděpodobných útrap, které by lidská populace středověkého typu v takovém světě zažila, jako je např. navigace v hlubokých mořích ve světě věčného slunečního světla bez referenčních bodů, jako jsou hvězdy, nebo občasné energetické erupce, které se periodicky vyskytují u typického červeného trpaslíka.
• Archa : Ve hře Stephen Baxter'sArkpoté, co je planeta Země zcela ponořena oceány, se malá skupina lidí vydává na mezihvězdnou cestu, která se nakonec dostane na planetu s názvem Země III. Planeta je studená, přílivově uzamčená a rostlinný život je černý (aby lépe absorboval světlo z červeného trpaslíka).
• Draco Tavern : VDracoLarryho Nivenasevysoce pokročilí mimozemšťané Chirpsithra vyvinuli na kyslíkovém světě kolem červeného trpaslíka, který je uzavřený v přílivu. Není však uveden žádný detail kromě toho, že se jednalo o 1 pozemskou hmotu, o něco chladnější a využívalo sluneční světlo červeného trpaslíka.
• Nemesis :Isaac Asimovse vyhýbá problémům s přílivovým efektem červeného trpaslíka Nemesis tím, že z obyvatelné "planety" udělá satelit plynného obra, který je slapově spojen s hvězdou.
• Star Maker : Vesci-firománuOlafa StapledonaStar Maker1937se jedna z mnoha mimozemských civilizací v Mléčné dráze, kterou popisuje, nachází v terminátorové zóně přílivově uzamčené planety systému červených trpaslíků. Tato planeta je obývána inteligentnímirostlinami, které vypadají jakomrkevs rukama, nohama a hlavou, které část času "spí" tím, že se zasouvají dopůdyna pozemcích a absorbují sluneční světlo prostřednictvímfotosyntézy, a které jsou bdělou součástí. čas, vynořující se ze svých půdních pozemků jako pohybující se bytosti, které se účastní všech složitých aktivit moderníprůmyslové civilizace. Stapledon také popisuje, jak se vyvíjel život na této planetě.
• Superman : Supermanův domov,Krypton, byl na oběžné dráze kolem rudé hvězdy zvanéRao, která je v některých příbězích popisována jako červený trpaslík, i když je častěji označována jakočervený obr.
• Pohonná rodina : V dětském pořadu Ready Jet Go! , Carrot, Celer a Jet jsou rodina mimozemšťanů známých jako Bortronians, kteří pocházejí z Bortron 7, planety fiktivního červeného trpaslíka Ignatze 118 (také nazývaného Bortron). Objevili Zemi a Slunce , když zachytili "primitivní" rádiový signál (epizoda: "How We Found Your Sun"). Také dali popis planet v Bortronianově sluneční soustavě v písni ve filmu Ready Jet Go!: Back to Bortron 7.
• Aurelia Tato planeta, viděná ve spekulativním dokumentu Extraterrestrial (také známém jako Alien Worlds ) , podrobně popisuje, jak by podle vědců mohl vypadat mimozemský život na planetě obíhající kolem červeného trpaslíka.