Punaisten kääpiötähtijärjestelmien elinkelpoisuus

Kohteesta Wikipedia
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
Taiteilijan näkemys kuvitteellisen punaisen kääpiön planeetan pinnasta. Kuvassa näkyy taivaalla myös kaksoistähti, jota punainen kääpiö kiertää.

Punaisten kääpiötähtijärjestelmien elinkelpoisuus on käsite, jolla tarkoitetaan elämän mahdollisuuden arviointia ja kartoittamista punaista kääpiötähteä kiertävillä planeetoilla ja kuilla. Aurinkoa kevyemmät punaiset kääpiöt ovat hyvin yleisiä ja tämän takia ne ovat varteenotettavia mahdollisesti elämää sisältäviä planeettakuntia. Punaisen kääpiötähden planeetan tai kuun elinkelpoisuutta lisää näiden tähtien pitkä ikä. Mutta sitä vähentää näissä tähdissä monesti esiintyvät rajut röntgenpurkaukset, suuret tähdenpilkut, planeettojen yleinen vuorovesilukkiutuminen ja mahdollinen veden vähyys. Lähellä olevan keskustähden vetovoima ja radan pienikin soikeus luovat planeetan pinnalle tulivuoritoiminnan, joka karkaavalla kasvihuoneilmiöllä kuumentaa planeetan kuumaksi kuin uuni. Mini-Neptunus saattaa tähden pitkän eliniän aikana ajautua elinkelpoiselle vyöhykkeelle, ja menettää elämälle sopimattoman kaasuvaippansa.

Vuorovesilukkiutuminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Taiteilijan näkemys punaisen kääpiön yli kulkevasta planeetasta.

Elinkelpoinen planeetta on planeetta, jonka pinnalla voi olla elämää. Tällaisella planeetalla on vettä ja kaasukehä, se ei ole liian kuuma, eikä liian kylmä. Jos planeetta pyörii hyvin hitaasti, sen yöt ovat hyvin kylmiä ja päivät kuumia. Jos jokin pieni kappale on hyvin lähellä isompaa kappaletta, isompi kappale hidastaa pyörimistä ja lopulta lukitsee kappaleen pyörimisen samaksi kuin pienen kappaleen kiertoaika. Esimerkiksi Kuun pyöriminen on lukkiutunut samaksi kuin sen kiertoaika siten, että kuu kääntää aina saman puolen maata kohti. Aurinko on lukinnut Merkuriuksen pyörimään tahdissa 2/3 (2/3 resonanssissa kiertoajan suhteen) hidastamalla vetovoimallaan pyörimistä. Tätä ilmiötä sanotaan vuorovesilukkiutumiseksi. Nyt on tiedossa että esimerkiksi aurinkoa huomattavasti himmeämmän Proxima Centaurin Maata vastaava etäisyys on 0,007 AU. Tästä päätellen tähti lukitsee sitä kiertävän kappaleen nopeasti paikoilleen, vaikka Proximan massa on noin 12 % Auringon massasta.

”Pyörimätön” planeetta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Silloin planeetan päivänpuolella on Auringon alla kuumaa, ja koko yön puoli on kylmä[1]. Siellä olisi luultavasti suuri jäätikkö. Lämpötila laskee planeetan valon ja varjon rajaa kohti mentäessä vyöhykkeittäin. Tällöin elämää voisi olla planeetan päivänpuolella, kapealla rengasmaisella vyöhykkeellä noin 70 leveysasteella. Vyöhykkeen leveys saattaa olla vain muutama sata kilometriä. On oletettu, että planeetan lukkiutuessa paikoilleen sen kaasukehä ja vesikin jäätyisivät pimeälle puolelle, tai osa niistä haihtuisi kuumalta päivänpuolelta avaruuteen.

Vuorovesivoimat vaikuttavat muutenkin negatiivisesti: niiden takia syntyvä olematon akselikallistuma tuottaa epätasaisen ilmaston[2]. Vielä pahempaa on, että alle 0,3 MO tähden seuralaiselle vuorovesivoimien takia syntyy voimakasta tulivuoritoimintaa, joka purkaa suuret määrät kasvihuonekaasuja. Tämä keittää planeetan vedet pois, ja muuttaa planeetan Venusta muistuttavaksi pätsiksi [3][4]. Ilmiö vaikuttaa eniten keveillä alle 0,15 Auringon massaisilla planeetoilla, soikeilla e > 0,05 radoilla, ja supermaapalloilla, jotka ovat maata suurempia[4]

Joshin vuonna 1997 tekemien tutkimusten mukaan planeetalla voisi olla nestemäistä vettä, jos sen hiilidioksidi-ilmakehän paine olisi 1–1,5 bar, ja kaasukehä voisi pysyä, jos paine olisi 30 mbar. Tällöin punaisen kääpiön elinkelpoisen vyöhykkeen planeetoilla voisi monissa tapauksissa olla kaasukehä, ja joissain tapauksissa vettäkin. Lähellä planeettaa kiertävä suuri kuu voisi murtaa vuorovesilukkiutumisen. Joshin mukaan kaasukehä siirtää tehokkaasti virtauksillaan lämpöä yöpuolelle jo 0,1 bar paineisena, jos siinä on vesihöyryä ja hiilidioksidia[5][6]. Toisten laskelmien mukaan maan tyyppinen planeetta, jolla on suuret meret, pysy elinkelpoisena, mutta jos vesimäärä on 10 % maan vesimäärästä, yöpuolelle syntyy jäätikkö ja päivän puoli kuivaa[7]. Kaasukehän pilvet tasaavat ja siirtävät myös lämpöä[8]. Samoin 10 % kaasukehän paine Maan ilmakehään verrattuna, 100 mbar, riittää tasaamaan planeetan lämpötiloja. Maan kokoisella vesimaailmalla olisi yönpuolella –33 °C pakkanen[8] ja muutaman kymmenen metrin jääkerros.

Keskustähden säteily ja hiukkasvirta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tähdenpilkkuja punaisen kääpiön pinnalla.

Punaisen kääpiön säteilystä tulee suurin osa infrapuna-alueella, kun Aurinko säteilee eniten keltaisella alueella, jonka alue aiheuttaa kasvien yhteyttämisen lehtivihreässä. Tämä saattaa olla ongelmallista elämän kannalta, koska infrapunan energia on pienempi kuin näkyvän valon. Monet mikroskooppisen pienet eliöt tuottavat energiaa maan pinnalla kemosynteesissä mm. hajottamalla rikkiyhdisteitä, joten ne eivät ole riippuvaisia fotosynteesistä ja tämänkin mukaan elämä ainakin joillain punaisen kääpiön planeetan kohdilla saattaa olla mahdollista. M-tähden pitkäaaltoinen säteily lämmittää kaasukehän hiilidioksidia ja sen vesihöyryä enemmän kuin Auringon lyhytaaltoinen säteily maan ilmakehää[9]. Niinpä elinkelpoinen vyöhyke on kauempana kuin mitä saattaisi ennustaa.

Proximassa ja monissa muissa punaisissa kääpiöissä tapahtuu voimakkaita flare-purkauksia, koska se on niin sanottu flare-tähti. Nämä purkaukset säteilevät tappavaa röntgensäteilyä ja äärimmäistä ultraviolettia EUV:ta. Tätä lyhytaaltoista säteilyä tulee punaisesta kääpiöstä sen ”hiljaisessa” vaiheessa noin 100 kertaa niin paljon kuin Auringosta[10].

Flare on tyypillisesti 300, mutta saattaa hyvinkin olla 10 000 kertaa Auringon vastaavaa voimakkaampi[11]. Mutta elämälle vaarallisen voimakkaita todella isoja flareja esiintyy vain suhteellisen nuorilla alle 1,2 miljardin vuoden ikäisillä punaisilla kääpiöillä. Tähtituulet ja koronapurkaukset puhaltavat keveimmillä M-tähdillä varsin helposti kaasukehän pois[12][13].

Mutta vuorovesilukkiutumisen tuottama hidas planeetan pyöriminen saattaa riittää tuottamaan planeetalle kyllin voimakkaan magneettikentän muuttamalla sen sisuksen sulan raudan virtauksia sopiviksi. Helpoiten tämä tapahtuu planeetoilla, joilla on Maan ydintä suurempi rautaydin[14]. Toisaalta magneettikenttä ei suojaa Maatakaan täysin koronapurkauksilta. Revontulet ovat punaisen kääpiön lähellä jopa 100 000 kertaa voimakkaampia kuin Maassa, ja niitä esiintyisi siellä keskileveysasteillakin[15].

Punaisten kääpiöiden pilkkuisuus himmentää usein niiden valoa jopa 40 % kuukausiksi kerrallaan eli paljon enemmän kuin Auringon pilkkuisuus, mikä aiheuttaa usein toistuvia talvia, jotka pahimmillaan jäädyttävät mahdolliset planeetan meret pysyvästi. Se usein esitetty väite, ettei punaisilla kääpiöillä voi olla planeettoja, on uusien tutkimusten mukaan väärä[16], koska punaisilta kääpiöiltä on löydetty jopa 10 Maan massaisia supermaapalloja. Tunnetuin planeettojen ympäröimä punainen kääpiö on Gliese 581.

Jättiläisplaneetan elinkelpoinen kuu[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jättiläisplaneettaa kiertävä kuu, jonka meressä on ehkä elämää.

Vetinen ja/tai Maata muistuttava suurikuu kiertää jättiläisplaneettaa. Tämän vuorovesivoimat ovat suurempia kuin keskustähden. Näin kuun pyörähdysaika on sama kuin sen kiertoaika planeetan ympäri. Tällöin kuulla on, tosin yleensä melko pitkä päivä ja yö. Näin kuu voisi ainakin teoriassa olla elinkelpoinen.

Suuri määrä elinkelpoisia planeettoja ?[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Euroopan observatorion Eso:n tutkijat sanoivat maaliskuussa 2012, että 40 %:lla punaisista kääpiöistä[17][18] saattaa olla elinkelpoinen planeetta[19]. Koska punaiset kääpiöt ovat hyvin yleisiä, tämä nostaisi elämälle sopivien planeettojen määrää huomattavasti verrattuna ajatukseen, jonka mukaan elinkelpoisia planeettoja olisi auringon tyyppisillä tähdillä.

Liian kuivaa elämälle?[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aurinkokuntamme synnyn alussa Aurinkoa ympäröi pikkuplaneettavyöhyke, josta planeetat syntyivät. Tätä sanotaan ainekiekoksi. Maapallon kohdalla oli hyvin kuumaa, eikä täällä ollut nestemäistä vettä. Mutta ulompana Aurinkokunnassamme oli vetisiä pikkuplaneettoja lumirajan takana. Näitä ajautui vetovoimavuorovaikutusten takia Maan radalle. Tietokonelaskujen mukaan punaista kääpiötä ympäröivä pikkuplaneettakiekko oli harvempi kuin Aurinkoa ympäröinyt. Tällöin kiekon pikkuplaneetat kohtasivat ja vuorovaikuttivat toisiinsa harvemmin. Niinpä vetisiä pikkuplaneettoja tuli elinkelpoiselle etäisyydelle vähemmän. Lisäksi tällä etäisyydellä ainekiekko oli Maata vastaavaa kiekon osaa kuumempi[20].

Tutkijat Ida ja Tian väittävät, että punaiselle kääpiölle synty mieluummin valtamerimaailma tai aavikkoplaneetta, kuin keksivetinen Maan tyyppinen planeetta[21]. Niinpä Idan ja Tianin mukaan punaisille kääpiöille syntyneistä 9000 Maan kokoisesta planeetasta 292 sijaitsi elämänvyöhykkeellä. 220 oli näistä hyvin kuivia. 60 oli valtameriplaneettoja. 12:lla oli suunnilleen sama määrä vettä kuin Maalla. Mutta Auringon massaiselle tähdelle syntyi elämänvyöhykkeelle 91 planeettaa, joista 45 kuivaa, mutta 27 keskivetistä niin kuin Maakin on.[22].

Mutta jos Maan vesi on lähinnä peräisin Jupiterin Maan radalle singonneista komeetoista ja pikkuplaneetoista, yllä kuvatulla kuivuusteorialla ei olisi suurta merkitystä punaisten kääpiöiden tapauksessakaan[23].

Mini-Neptunuksen kehitys elinkelpoiseksi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Myös mini-Neptunus voi vaeltaa kääpiötähden pitkän eliniän aikana lähelle keskustähteään, menettää paksun kaasukehänsä ja tulla ehkä elinkelpoiseksi vesiplaneetaksi.[22][24][25]. Lisäksi joillakin avaruuden alueilla raaka-ainekiekon erilainen kemiallinen koostumus saattoi vähentää veden määrää.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Heath, Martin J., Doyle, Laurance R., Joshi, Manoj M., Haberle, Robert M.: Habitability of Planets Around Red Dwarf Stars. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, Elokuu 199, 29. vsk, nro 4, s. 405-424. Kluwer Academic Publishers. doi:1023/A:1006596718708. ISSN 0169-6149. Tutkimus (PDF) Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  2. Wilkins, Alasdair: Life might not be possible around red dwarf stars io9. 16.1.2012. Viitattu 12.2.2012. (englanniksi)
  3. Major, Jason: “Tidal Venuses” May Have Been Wrung Out To Dry Universe Today. 28.3.2012. Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  4. a b Barnes, Rory; Mullins Kristina; Goldblatt, Colin; Meadows, Victoria S.; Kasting, James F.; Heller, René: Tidal Venuses: Triggering a Climate Catastrophe via Tidal Heating. Astrobiology, 28.3.2013, 13. vsk, nro 3, s. 225-250. doi:10.1089/ast.2012.0851. arXiv Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  5. Joshi, M.M., Haberle, R.M., Reynolds, R.T.: Simulations of the Atmospheres of Synchronously Rotating Terrestrial Planets Orbiting M Dwarfs: Conditions for Atmospheric Collapse and the Implications for Habitability. ICARUS, Lokakuu 1997, 129. vsk, nro 2, s. 450–465. doi:10.1006/icar.1997.5793. Tutkimus (PDF) Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  6. Tarter, Jill C.; Backus, Peter R. & Mancinelli, Rocco L. et al.: A Reappraisal of the Habitability of Planets Around M Dwarf Stars. Astrobiology, Huhtikuu 2007, 7. vsk, nro 1. doi:10.1089/ast.2006.0124. Tutkimus (PDF) Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  7. Choi, Charles Q.: Planets Orbiting Red Dwarfs May Stay Wet Enough for Life Astrobiology Magazine. 9.2.2015. Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  8. a b Yang, Jun; Cowan, Nicolas B.; Abbot Dorian S.: Stabilizing cloud feedback dramatically expands the habitable zone of tidally locked planets. The Astrophysical Journal Letters, 27.6.2013, 771. vsk, nro 2, s. L45. The American Astronomical Society.. doi:10.1088/2041-8205/771/2/L45. Tutkimus (PDF) Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  9. Godolt, M.; Grenfell, J. L. & Reinus, A. Hamann-Reinus et al.: 3D climate modeling of Earth-like extrasolar planets orbiting different types of host stars. Planetary and Space Science, Kesäkuu 2015, 111. vsk, s. 62–76. doi:10.1016/j.pss.2015.03.010. arXiv (PDF) Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  10. Davenport, James R. A: On the Habitability of Planets around M dwarfs (PDF) (Term Paper - Lukuvuoden tutkimusraportti) 2010. University of Washington Astronomy department. Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  11. Kaaro, Jani: Tutkimus: Punainen kääpiö heitti kaikkien aikojen ennätyslieskan Helsingin Sanomat. 8.10.2014. Viitattu 12.2.2016.
  12. Zendejas, Jesus; Segura, Antigona ja Raga, Alejandro: Atmospheric mass loss by stellar wind from planets around main sequence M stars. Icarus, Joulukuu 2010, 210. vsk, nro 2, s. 539–544. doi:10.1016/j.icarus.2010.07.013. arXiv Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  13. Helmut, Lammer; Lichtenegger, Herbert I.M. & Kulikov, Yuri N. et al.: Coronal Mass Ejection (CME) Activity of Low Mass M Stars as An Important Factor for The Habitability of Terrestrial Exoplanets. II. CME-Induced Ion Pick Up of Earth-like Exoplanets in Close-In Habitable Zones. Astrobiology, 3.4.2007, 7. vsk, nro 1. doi:10.1089/ast.2006.0128. Tutkimus Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  14. López-Morales, Mercedes; Gómez-Pérez, Natalia ja Ruedas, Thomas: Magnetic Fields in Earth-like Exoplanets and Implications for Habitability around M-dwarfs. Origins of Life and Evolution of Biospheres, Joulukuu 2011, 41. vsk, nro 6, s. 533-537. doi:10.1007/s11084-012-9263-8. ISSN 0169-6149. Tutkimus (PDF) Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  15. Walker, Lindsey N.: Red Dwarf Planets Face Hostile Space Weather Within Habitable Zone Astrobiology Magazine. 11.6.2014. Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  16. Wallius, Anniina: Maan naapurista löytyi elinkelpoinen planeetta (Tiede ja tekniikka) Yle uutiset. 2.2.2012. Viitattu 2.2.2016.
  17. Maankaltaisia planeettoja voi olla Linnunradassa jopa miljardeja Yle uutiset. 28.3.2012. Viitattu 2.2.2016.
  18. Rekola, Rami; Bonfils, Xavier ja Hook, Richard: Miljardeittain kiviplaneettoja Linnunradan punaisia kääpiötähtiä ympäröivillä asuttavilla vyöhykkeillä eso1214fi. 28.3.2012. eso.org/public/finland/. Viitattu 12.2.2012.
  19. Tutkimus: Miljardeilla Linnunradan planeetoilla voi olla elämää 28.3.2012. Iltalehti. Viitattu 12.2.2016.
  20. Lissauer, Jack J.: Planets Formed in Habitable Zones of M Dwarf Stars Probably Are Deficient in Volatiles. The Astrophysical Journal Letters, 11.4.2007, 660. vsk, nro 2. Bibcode:2006AAS...20917906L. Tutkimus Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  21. Tian, Feng & Ida, Shigeru: Water contents of Earth-mass planets around M dwarfs. Nature Geoscience - Letter, , 8. vsk, s. 177–180. 16.2.2015. doi:10.1038/ngeo2372. Tutkimus Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  22. a b Nummila, Sakari: Voiko kääpiötähtien ympärillä olla elämää?. (Sivu 24 ja 25) Tähdet ja avaruus, 17.4.2015, 44. vsk, nro 3, s. 20-26. ISSN 0355-9467. Lehtiarkisto Viitattu 12.2.2016.
  23. Schirber, Michael: Are Exoplanets Orbiting Red Dwarf Stars too Dry for Life? space.com. 27.8.2013. Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  24. Futurism: New Research Suggests Potentially Habitable Planets Began as Gaseous, Neptune-like Worlds Futurism. 1.2.2015. Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)
  25. Luger, Rodrigo; Barnes, Rory; Lopez, Eric; Fortney, Jonathan; Jackson, Brian ja Meadows, Victoria: Habitable Evaporated Cores: Transforming Mini-Neptunes into Super-Earths in the Habitable Zones of M Dwarfs. Astrobiology, 15.1.2015, 15. vsk, nro 1. Astrobiology. doi:10.1089/ast.2014.1215. Habitable Evaporated Cores Viitattu 12.2.2016. (englanniksi)