Obyvatelnost systémů červeného trpaslíka - Habitability of red dwarf systems

Umělecký dojem z planety na oběžné dráze kolem červeného trpaslíka
Tento umělcův koncept ilustruje mladého červeného trpaslíka obklopeného třemi planetami.

Předpokládá se, že obyvatelnost systémů červeného trpaslíka je dána velkým počtem faktorů z různých zdrojů. Přestože moderní důkaz směřující k jejich nízké hvězdné toku , vysoká pravděpodobnost přílivové zamykání , malé Okolohvězdné obytných zón a vysoké hvězdné variace zažívají planet z červených trpasličích hvězd jako překážky pro jejich planetární obyvatelnosti naznačují, že planety v červených trpasličích systémech jsou nepravděpodobné, že by obyvatelný, všudypřítomnost a dlouhověkost červených trpaslíků jsou faktory, které by mohly poskytnout dostatek příležitostí pro jakoukoliv možnost obyvatelnosti, které mají být realizovány. Protože hvězdy červeného trpaslíka jsou zdaleka nejběžnějším typem hvězd ve vesmíru, astronomové zkoumají, jak by každý z mnoha faktorů a vzájemné interakce mohly ovlivnit jejich obyvatelnost, aby se dozvěděli více o frekvenci a nejpravděpodobnějších lokalitách mimozemského života a inteligence.

Intenzivní přílivové zahřívání způsobené blízkostí planet k jejich hostitelským červeným trpaslíkům je hlavní překážkou rozvoje života v těchto systémech. Další přílivové efekty, jako jsou extrémní teplotní rozdíly vytvářené jednou stranou planet obyvatelných zón, které jsou trvale obráceny ke hvězdě a druhé trvale odvrácené, a nedostatek planetárních axiálních náklonů, snižují pravděpodobnost života kolem červených trpaslíků. Non-slapové faktory, jako jsou extrémní hvězdné variace, spektrální distribuce energie posunuté k infračervenému záření vzhledem ke Slunci a malé cirkumstelární obyvatelné zóny kvůli nízkému světelnému výkonu, dále snižují vyhlídky na život v červeno-trpasličích systémech.

Existuje však několik faktorů, které by mohly zvýšit pravděpodobnost života na planetách červeného trpaslíka. Intenzivní tvorba mraků na straně obrácené ke hvězdě obrácené planetě může omezit celkový tepelný tok a drasticky snížit rozdíly v rovnovážných teplotách mezi oběma stranami planety. Navíc počet červených trpaslíků, kteří tvoří asi 85% hvězd v Mléčné dráze a drtivá většina hvězd ve spirálních a eliptických galaxiích, statisticky zvyšuje pravděpodobnost, že by mohly existovat obyvatelné planety obíhající některé z nich. Očekává se, že v obyvatelných zónách hvězd rudého trpaslíka v Mléčné dráze budou desítky miliard planet super-Země .

Charakteristiky červeného trpaslíka

Hvězdy červeného trpaslíka jsou nejmenší, nejchladnější a nejběžnější typ hvězd. Odhady jejich početnosti se pohybují od 70% hvězd ve spirálních galaxiích po více než 90% všech hvězd v eliptických galaxiích , často uváděný medián je 72–76% hvězd v Mléčné dráze (známý od 90. let minulého století z radioteleskopických pozorování jako spirála s příčkou ). Červení trpaslíci jsou M spektrálního typu . Vzhledem k jejich nízkému energetickému výdeji jsou rudí trpaslíci téměř nikdy neviditelní pouhým okem ze Země; ani nejbližší červený trpaslík ke Slunci při individuálním pohledu, Proxima Centauri (což je také nejbližší hvězda ke Slunci), ani nejbližší osamělý rudý trpaslík, Barnardova hvězda , nejsou nikde blízko vizuální velikosti. Pouhým okem je viditelný pouze Lacaille 8760 (+6,7).

Výzkum

Světelnost a spektrální složení

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

Astronomové již roky vylučují červené trpaslíky, jejichž hmotnosti se pohybují od zhruba 0,08 do 0,60 hmotnosti Slunce ( M ), jako potenciálních sídel pro život. Nízké hmotnosti hvězd způsobují, že reakce jaderné fúze v jejich jádrech probíhají mimořádně pomalu, což jim dává svítivost v rozmezí od maximálně zhruba 10 procent slunečního záření do minima pouhých 0,0125 procenta. V důsledku toho by každá planeta obíhající kolem červeného trpaslíka musela mít nízkou poloviční hlavní osu , aby si udržela povrchovou teplotu podobnou Zemi, od 0,268 astronomických jednotek (AU) pro relativně světelného červeného trpaslíka jako Lacaille 8760 do 0,032 AU pro menší hvězda jako Proxima Centauri , nejbližší hvězda sluneční soustavy . Takový svět by měl rok trvající jen 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 Slunce vrcholí. V důsledku toho by fotosyntéza na planetě červeného trpaslíka vyžadovala další fotony, aby se dosáhlo excitačních potenciálů srovnatelných s potenciály potřebnými ve fotosyntéze Země pro přenos elektronů, vzhledem k nižší průměrné energetické hladině blízkých infračervených fotonů ve srovnání s viditelnými. Pokud bychom se museli přizpůsobit mnohem širšímu spektru, abychom získali maximální množství energie, listí na obyvatelné planetě červeného trpaslíka by při pohledu ve viditelném světle pravděpodobně vypadalo černé.

Navíc, protože voda silně absorbuje červené a infračervené světlo, bylo by pro vodní život na planetách červeného trpaslíka k dispozici méně energie. Podobný účinek preferenční absorpce vodním ledem by však zvýšil jeho teplotu vzhledem k ekvivalentnímu množství záření ze hvězdy podobné Slunci, čímž by se rozšířila obyvatelná zóna červených trpaslíků směrem ven.

Další skutečnost, která by bránila obyvatelnosti, je vývoj hvězd červeného trpaslíka; protože takové hvězdy mají prodlouženou fázi před hlavní sekvencí, jejich případné obyvatelné zóny by byly po dobu přibližně 1 miliardy let zónou, kde voda nebyla kapalná, ale v plynném stavu. Pozemské planety ve skutečných obyvatelných zónách, pokud by měly při svém vzniku dostatek povrchové vody, by byly několik set milionů let vystaveny útěkovému skleníkovému efektu . Během tak rané útěkové skleníkové fáze by fotolýza vodní páry umožnila únik vodíku do vesmíru a ztrátu několika pozemských oceánů vody a zanechala by hustou abiotickou kyslíkovou atmosféru.

Přílivové efekty

V blízkých orbitálních vzdálenostech, které by planety kolem hvězd rudého trpaslíka musely udržovat, aby na jejich povrchu existovala kapalná voda, je pravděpodobné, že se přílivové uzamčení k hostitelské hvězdě. Přílivové zamykání způsobí, že se planeta otočí kolem své osy jednou za každou otáčku kolem hvězdy. Výsledkem bylo, že jedna strana planety bude věčně čelit hvězdě a druhá strana bude neustále odvrácena, což vytváří velké extrémy teploty.

Po mnoho let se věřilo, že život na takových planetách bude omezen na prstencovou oblast známou jako terminátor , kde se hvězda vždy objeví na obzoru nebo blízko něj. To bylo také to, že účinný přenos tepla mezi stranami planety vyžaduje proudění v atmosféře a s atmosférou tak hustá, aby zakázat fotosyntéze. Kvůli diferenciálnímu ohřevu se tvrdilo, že planeta zabarvená přílivem zažije prudké větry s trvalým přívalovým deštěm v místě přímo obráceném k místní hvězdě, sub-solárnímu bodu . Podle názoru jednoho autora je složitý život nepravděpodobný. Rostlinný život by se musel přizpůsobit neustálé vichřici, například bezpečným ukotvením do půdy a rašením dlouhých pružných listů, které by se nezachytily. Zvířata by se spoléhala na infračervené vidění, protože signalizace pomocí hovorů nebo vůní by byla obtížná přes hluk vichřice celé planety. Podmořský život by však byl chráněn před prudkými větry a světlicemi a obrovské květy černého fotosyntetického planktonu a řas by mohly podporovat mořský život.

Na rozdíl od dříve smutný obraz pro život, 1997 studie Robert Häberle a Manoj Joshi z NASA je Ames Research Center v Kalifornii prokázaly, že atmosféra planety (za předpokladu, že součástí skleníkových plynů CO 2 a H 2 O ) požadovat pouze 100 milli bar nebo 10% zemské atmosféry, protože teplo hvězdy, které mají být účinně prováděny na noční straně, což je číslo dobře v mezích fotosyntézy. Výzkum o dva roky později, Martin Heath z Greenwich Community College , ukázal, že i mořská voda by mohla účinně cirkulovat bez tuhnutí, pokud by byly oceánské pánve dostatečně hluboké, aby umožňovaly volný tok pod ledovou čepicí noční strany. Studie z roku 2010 navíc dospěla k závěru, že vodní světy podobné Zemi, které jsou viditelně uzamčeny ke svým hvězdám, budou mít na noční straně stále teploty vyšší než 240 K (-33 ° C). Klimatické modely postavené v roce 2013 naznačují, že tvorba mraků na přílivově uzamčených planetách by minimalizovala teplotní rozdíl mezi denní a noční stranou, což by výrazně zlepšilo vyhlídky obyvatelnosti na planety červeného trpaslíka. Další výzkum, včetně zvážení množství fotosynteticky aktivního záření, naznačil, že planety s přílivovými zámky v systémech červeného trpaslíka by mohly být alespoň obyvatelné pro vyšší rostliny.

Existence trvalé denní a noční strany není jedinou potenciální překážkou života kolem červených trpaslíků. Přílivové zahřívání, které zažívají planety v obyvatelné zóně červených trpaslíků s méně než 30% hmotnosti Slunce, může způsobit, že budou „vypečené“ a stanou se „přílivovými Venušemi“. V kombinaci s dalšími překážkami obyvatelnosti červeného trpaslíka to může způsobit, že mnoho červených trpaslíků bude hostit život, jak jej známe, ve srovnání s jinými hvězdnými typy velmi nízkou. V okolí mnoha červených trpaslíků nemusí být dost vody ani pro obyvatelné planety; to málo vody, co se našlo na těchto planetách, zejména na planetách velikosti Země, může být umístěno na chladné noční straně planety. Na rozdíl od předpovědí dřívějších studií o přílivových Venuších však tato „zachycená voda“ může pomoci odvrátit uprchlé skleníkové efekty a zlepšit obyvatelnost systémů červeného trpaslíka.

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

Všimněte si však, že jak rychle dochází k zablokování přílivu a odlivu, může záviset na oceánech planety a dokonce i na atmosféře, což může znamenat, že k zablokování přílivu a odlivu nedojde ani po mnoha Gyrsech. Navíc přílivové zamykání není jediným možným koncovým stavem přílivového tlumení. Například Merkur měl dostatek času na to, aby se dočasně zablokoval, ale je v rezonanci na orbitální rotaci 3: 2.

Variabilita

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

Jindy červení trpaslíci vyzařují obří světlice, které mohou během několika minut zdvojnásobit svůj jas. Skutečně, protože stále více červených trpaslíků bylo zkoumáno kvůli variabilitě, více z nich bylo do určité míry klasifikováno jako světlice . Taková změna jasu by mohla být pro život velmi škodlivá. Světlice mohou také produkovat proudy nabitých částic, které by mohly odizolovat značné části atmosféry planety. Vědci, kteří se hlásí k hypotéze vzácných zemin, pochybují, že by rudí trpaslíci mohli podporovat život uprostřed silného vzplanutí. Přílivové zamykání by pravděpodobně mělo za následek relativně nízký planetární magnetický moment . Aktivní červení trpaslíci, kteří vyzařují výrony koronální hmoty (CME), by se klaněli zpět k magnetosféře, dokud by se nedostal do kontaktu s planetární atmosférou. V důsledku toho by atmosféra prošla silnou erozí, což by planetu možná ponechalo neobyvatelnou. Bylo zjištěno, že červení trpaslíci mají mnohem nižší rychlost CME, jak se očekávalo od jejich rotace nebo vzplanutí, a velké CME se vyskytovaly jen zřídka. To naznačuje, že atmosférická eroze je způsobena spíše zářením než CME.

V opačném případě se navrhuje, že kdyby planeta měla magnetické pole, odklonila by částice z atmosféry (i pomalá rotace přílivově zablokované planety M-trpaslíka-otočí se jednou pokaždé, když obíhá kolem své hvězdy-by stačilo generovat magnetické pole tak dlouho, dokud část vnitřku planety zůstane roztavená). Toto magnetické pole by mělo být mnohem silnější ve srovnání se zemským, aby poskytlo ochranu před světlicemi pozorované velikosti (10–1 000 G ve srovnání s pozemským 0,5 G), což je nepravděpodobné. Skutečné matematické modely však dospěly k závěru, že i při nejvyšších dosažitelných silách magnetického pole generovaných dynamem, exoplanety s hmotami podobnými Zemi ztrácejí významnou část své atmosféry erozí atmosféry exobáze výbuchem CME a emisemi XUV (dokonce i ty Země -podobné planety blíže než 0,8 AU, které ovlivňují také hvězdy G a K, jsou náchylné ke ztrátě atmosféry). Atmosférická eroze může dokonce způsobit vyčerpání vodních oceánů. Planety zahalené hustým oparem uhlovodíků, jako je planeta na prvotní Zemi nebo na Saturnově měsíci Titanu, mohou světlice stále přežít, protože plovoucí kapičky uhlovodíků jsou zvláště účinné při pohlcování ultrafialového záření.

Dalším způsobem, jak by se život mohl zpočátku chránit před zářením, by bylo zůstat pod vodou, dokud hvězda neprojde ranou fází vzplanutí, za předpokladu, že by si planeta dokázala zachovat dostatek atmosféry pro udržení tekutých oceánů. Vědci, kteří napsali televizní program „ Aurelia “, věřili, že život může přežít na souši i přes vzplanutí červeného trpaslíka. Jakmile se život dostal na pevninu, nízké množství ultrafialového záření produkované tichým červeným trpaslíkem znamená, že život by mohl prospívat bez ozonové vrstvy, a proto nikdy nepotřebuje vyrábět kyslík.

Stojí za zmínku, že období násilného vzplanutí životního cyklu červeného trpaslíka se odhaduje pouze na zhruba prvních 1,2 miliardy let jeho existence. Pokud se planeta vytvoří daleko od červeného trpaslíka, aby se vyhnula přílivovému blokování, a poté migruje do obyvatelné zóny hvězdy po tomto turbulentním počátečním období, je možné, že život má šanci se rozvíjet.

Bylo zjištěno, že největší vzplanutí se odehrává ve vysokých zeměpisných šířkách poblíž hvězdných pólů, takže pokud jsou oběžné dráhy exoplanet zarovnány s hvězdnou rotací, pak jsou světlice zasaženy méně, než se dříve předpokládalo.

Hojnost

Hlavní výhoda, kterou mají rudí trpaslíci oproti ostatním hvězdám jako příbytky pro život: produkují světelnou energii velmi, velmi dlouho. Trvalo 4,5 miliardy let, než se lidé objevili na Zemi, a život, jak ho známe, uvidí vhodné podmínky ještě asi 1,5 miliardy let. Naproti tomu červení trpaslíci mohli existovat biliony let, protože jejich jaderné reakce jsou mnohem pomalejší než reakce větších hvězd, což znamená, že život by oba měl mnohem delší čas na vývoj a přežití. Navíc, i když šance na nalezení planety v obyvatelné zóně kolem jakéhokoli konkrétního červeného trpaslíka nejsou známy, celkové množství obyvatelné zóny kolem všech červených trpaslíků dohromady je vzhledem k jejich všudypřítomnosti pravděpodobně stejné jako celkové množství kolem hvězd podobných Slunci. První super Země s hmotností 3 až 4krát větší než Země, která se nachází v potenciálně obyvatelné zóně její hvězdy, je Gliese 581g a její hvězda Gliese 581 je skutečně červeným trpaslíkem. Ačkoli je tidally uzamčen, je možné, že na jeho terminátoru může existovat kapalná voda. Předpokládá se, že planeta existuje přibližně 7 miliard let a má dostatečně velkou hmotu, aby udržela atmosféru.

Další možnost by mohla přijít v daleké budoucnosti, kdy se podle počítačových simulací z červeného trpaslíka stává modrý trpaslík, protože vyčerpává své zásoby vodíku . Vzhledem k tomu, že tento druh hvězdy je jasnější než předchozí červený trpaslík, planety obíhající kolem ní, které byly zmrazeny během dřívějšího stádia, mohly být rozmrazeny během několika miliard let tohoto vývojového stádia (například 5 miliard let po dobu 0,16  M hvězda), což dává životu příležitost objevit se a vyvíjet se.

Zadržování vody

Planety mohou zadržet značné množství vody v obyvatelné zóně ultra chladných trpaslíků se sladkým bodem v rozmezí 0,08-0,11 M , a to navzdory FUV-fotolýze vody a úniku vodíku řízeného XUV .

Vodním světům obíhajícím kolem M-trpaslíků by mohlo dojít k vyčerpání oceánů v časovém měřítku Gyr kvůli intenzivnějšímu prostředí částic a záření, které exoplanety zažívají v blízkých obyvatelných zónách. Pokud by byla atmosféra vyčerpána v časovém měřítku menším než Gyr, mohlo by se to ukázat jako problematické pro vznik života ( abiogeneze ) na planetě.

Obyvatelná zóna metanu

Pokud je možný život na bázi metanu (podobný hypotetickému životu na Titanu ), existovala by druhá obývatelná zóna dále od hvězdy odpovídající oblasti, kde je metan kapalný. Atmosféra Titanu je průhledná pro červené a infračervené světlo, takže by se očekávalo, že se na povrch planety podobné Titanu dostane více světla od červených trpaslíků.

Četnost světů velikosti Země kolem ultra chladných trpaslíků

TRAPPIST-1 planetární systém (dojem umělce)

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

Ve fikci

Následující příklady smyšlených „mimozemšťanů“ existujících v hvězdných systémech Červeného trpaslíka existují:

  • Shadeward Saga: V Shadeward Saga od Drewa Wagara se příběh odvíjí v Esurio, planetě velikosti Země, kolonizované lidmi, která obíhá kolem Lacaille 9352, červeného trpaslíka vzdáleného 10 světelných let od Země. Kniha adekvátně popisuje ostré kontrasty extrémně chladných a hořících horkých oblastí a lidské uvěznění v mírném koridoru mezi oběma zónami, přičemž popisuje některá z pravděpodobných útrap, které by lidská populace středověkého typu v takovém světě zažila, jako je problematický navigace v hlubokých mořích ve světě věčného slunečního světla bez referenčních bodů, jako jsou hvězdy, nebo příležitostných energetických záblesků, které se pravidelně objevují u typického červeného trpaslíka.
  • Ark : ve Stephen BaxterArk, po planetě Zemi je zcela zaplavena oceány malá skupina lidí vydávají na mezihvězdná cesta nakonec dělat to na planetě jménem Země III. Planeta je studená, přílivově uzamčená a život rostlin černý (aby lépe absorboval světlo z červeného trpaslíka).
  • Draco Tavern : VLarry NivenjeDraco Tavernpříběhy jsou velmi pokročilé Chirpsithra cizinci se vyvinuly na kyslík světě příliv závěsu kolem červeného trpaslíka. Kromě toho však není uveden žádný další údaj, že šlo o 1 pozemskou hmotu, o něco chladnější, a použité sluneční světlo červeného trpaslíka.
  • Nemesis :Isaac Asimov sevyhýbá problémům s přílivovým efektem červeného trpaslíka Nemesis tím, že z obyvatelné „planety“ vytvořil satelit plynového obra, který je přílivově uzamčen ke hvězdě.
  • Star Maker : Vesci -firománuOlafa Stapledonaz roku 1937Star Maker, jedna z mnoha mimozemských civilizací v Mléčné dráze, které popisuje, se nachází v zóně terminátoru přílivově uzamčené planety systému červeného trpaslíka. Tuto planetu obývají inteligentnírostliny,které vypadají jakomrkevs rukama, nohama a hlavou, které část času „spí“ vložením dopůdyna pozemcích a absorbováním slunečního světla prostřednictvímfotosyntézya které jsou bdělou částí čas, vycházející ze svých pozemků jako pohybující se bytosti, které se účastní všech komplexních činností moderníprůmyslové civilizace. Stapledon také popisuje, jak se na této planetě vyvíjel život.
  • 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.
  • Rodina pohonů : V dětské show 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). Zemi a Slunce objevili, když zachytili „primitivní“ rádiový signál (epizoda: „Jak jsme našli vaše slunce“). Také popsali planety v Bortronské sluneční soustavě v písni ve filmu Ready Jet Go!: Zpět na Bortron 7 .
  • Aurelia Tato planeta, viděná ve spekulativním dokumentu Mimozemšťan (také známý jako Alien Worlds ) , podrobně popisuje, jak by podle vědců mohl vypadat mimozemský život na planetě obíhající kolem hvězdy rudého trpaslíka.

Viz také

Učební materiály z Wikiversity:

Reference

Další čtení

  • Stevenson, David S. (2013). Pod rudým sluncem: vyhlídky na život v systému červeného trpaslíka . New York, NY: Otisk: Springer. ISBN 978-1461481324.

externí odkazy