Животопогодност во црвеноџуџестите системи

Теоретизираната животопогодност во црвеноџуџестите системи е одредена од голем број фактори. Современите докази сугерираат дека планетите во црвените џуџести системи најверојатно нема да бидат погодни за живеење, поради нивниот низок ѕвезден тек, големата веројатност за синхроно вртење, веројатно недостаток на магнетосфери и атмосфери и големата ѕвездена варијација што би ја доживеале таквите планети. Сепак, огромниот број и долговечноста на црвените џуџиња би можеле да обезбедат доволно можности да биде остварена секоја мала можност за животопогодност.

Тековните аргументи во врска со животопогодноста на џрвеноџуџестите системи се нерешени, а областа останува отворено прашање за проучување во областа на климатското моделирање и еволуцијата на животот на Земјата. Набљудувачките податоци и силните статистички аргументи наведуваат дека системите на црвените џуџиња се непогодни за живеење од неодредени причини.^[1] Од друга страна, тридимензионалните климатски модели претпочитаат погодност за живеење^[2] и пошироки зони погодни за живеење за бавно вртежни и усогласено вртежни планети.^[3]

Главна пречка за развојот на животот во системите на црвените џуџиња е интензивното плимско загревање предизвикано од ексцентричните орбити на планетите околу нивните ѕвезди домаќини.^[4][5] Други плимни ефекти ја намалуваат веројатноста за живот околу црвените џуџиња, како што е недостатокот на планетарни оскини навалувања и крајните температурни разлики создадени од едната страна на планетата постојано свртена кон ѕвездата, а другата постојано свртена настрана. Сепак, планетарната атмосфера може да ја прераспредели топлината, правејќи ги температурите порамномерни.^[5][6] Сепак, важно е да се има на ум дека повеќето болскотни ѕвезди се црвени џуџиња, а нивните настани од блесокот би можеле значително да ја намалат погодноста за живеење на нивните сателити со еродирање на нивната атмосфера (иако планетарното магнетно поле може да заштити од овие блесоци).^[7] Неплимните фактори дополнително ги намалуваат изгледите за живот во црвеноџуџестите системи, како што е распространувањето спектарска енергија која е поместена кон инфрацрвената страна на спектарот во однос на Сонцето и малите зони погодни за живот поради ниската светлина.^[5]

Сепак, постојат неколку фактори кои би можеле да ја зголемат веројатноста за живот на црвеноџуџестите планети. Интензивното образување облак на страната свртена кон ѕвездата на планетата која усоглесено се врти може да го намали севкупниот топлински тек и драстично да ги намали разликите во рамнотежата на температурата помеѓу двете страни на планетата.^[8] Дополнително, огромниот број на црвени џуџиња статистички ја зголемува веројатноста дека постојат планети погодни за живот кои кружат околу некои од нив. Црвените џуџиња сочинуваат околу 85% од ѕвездите во Млечниот Пат^[9][10] и го сочинуваат огромното мнозинство на ѕвезди во спиралните и елиптичните галаксии. Очекувано е да има десетици милијарди планети од супер-Земјата во животопогодните зони на црвеноџуџестите ѕвезди на Млечниот Пат.^[11] Истражувањето на способноста за живеење на системите на црвеноџуџестите ѕвезди може да помогне да биде одредена честотата на животот во универзумот и да биде помогнато научното разбирање на еволуцијата на животот.

Црвените џуџиња^[12] се најмалиот, најладниот и најчестиот тип ѕвезда. Проценките за нивното изобилство се движат од 70% од ѕвездите во спиралните галаксии до повеќе од 90% од сите ѕвезди во елиптичните галаксии,^[13][14] често цитираната средна бројка е 72-76% од ѕвездите во Млечниот Пат (позната од 1990-тите од радио телескопското набљудување да биде пречкеста спирална галаксија).^[15] Црвените џуџиња обично се дефинирани како од спектрален тип M, иако некои дефиниции се пошироки (вклучувајќи ги и некои или сите ѕвезди од типот K). Со оглед на нивната мала излезна енергија, црвените џуџиња речиси никогаш не се видливи со голо око од Земјата: најблиското црвено џуџе до Сонцето, Проксима Кентаур, не е ни блиску до видливата величина. Најсветлото црвено џуџе на ноќното небо на Земјата, Лакај 8760 (+6,7) е видливо со голо око само под идеални услови на гледање.

Најголемата предност на црвените џуџиња како ѕвезди кандидати за живот е нивната долговечност. Биле потребни 4,5 милијарди години за да биде развиен интелигентен живот на Земјата, а животот каков што го знаеме ќе има соодветни услови за уште 1^[16] до 2,3^[17] милијарди години. Црвените џуџиња, напротив, би можеле да живеат трилиони години бидејќи нивните јадрени реакции се многу побавни од оние на поголемите ѕвезди,^{[б 1]} што значи дека животот би требало подолго да еволуира и да преживее.

Иако веројатноста да биде најдена планета во животопогодна зона околу некое посебно црвено џуџе е мала, вкупната количина на животопогодна зона околу сите црвени џуџиња заедно е еднаква на вкупната количина околу ѕвездите слични на Сонцето, со оглед на нивната сеприсутност.^[18] Понатаму, оваа вкупна количина на животопогодна зона ќе трае подолго, бидејќи црвените џуџести ѕвезди живеат стотици милијарди години, па дури и подолго на главната низа,^[19] потенцијално овозможувајќи еволуција на микробен или интелигентен живот во иднина.

Со години, астрономите се песимисти во врска со црвените џуџиња како потенцијални кандидати за имање живот. Малите маси на црвените џуџиња (од приближно 0,08 до 0,60 сончеви маси ( M ☉ ) предизвикуваат нивните реакции на јадрено соединување да се одвиваат многу бавно, давајќи им ниска сјајност која се движи од 10% до само 0,0125% од онаа на земјиното Сонце.^[20] Следствено, на секоја планета што кружи околу црвено џуџе ќе и треба ниска полуглавна оска за да биде одржана температурата на површината слична на Земјата, од 0,268 астрономски единици (ае) за релативно светло црвено џуџе како Лакај 8760 до 0,032 ае за помала ѕвезда како Проксима Кентаур.^[21] Еден таков свет би имал година која ќе трае само 3 до 150 земјини денови.^[22][23]

На овие блиски растојанија, гравитацијата на ѕвездата би предизвикала усогласено вртење. Едната страна на планетата вечно би била свртена кон ѕвездата, додека другата секогаш би била свртена подалеку од неа. Единствениот начин на кој потенцијалниот живот би можел да избегне жешкотија или длабоко замрзнување би било ако планетата има атмосфера доволно густа за да ја пренесе топлината на ѕвездата од дневната страна на ноќната страна. Фотосинтезата на таква планета би била тешка, бидејќи голем дел од ниската сјајност паѓа под инфрацрвениот и црвениот дел со пониска енергија од електромагнетниот спектар, и затоа би биле потребни дополнителни фотони за да бидат постигнати потенцијалите за возбудување.^[24] Потенцијалните растенија најверојатно ќе се прилагодат на многу поширок спектар (и како такви изгледаат црни на видлива светлина).^[24]

Покрај тоа, бидејќи водата силно ја прима црвената и инфрацрвената светлина, помалку енергија би била достапна за водниот живот на црвеноџуџестите планети.^[25] Сепак, сличен ефект на претпочитано примање од воден мраз би ја зголемило неговата температура во однос на еднакво количество зрачење од ѕвезда слична на Сонцето, со што ќе ја прошири животопогодната зона на црвените џуџиња нанадвор.^[26]

Еволуцијата на црвеноџуџестите ѕвезди, исто така, може да ја спречи погодноста за живеење. Бидејќи црвените џуџести ѕвезди имаат продолжена фаза од предглавната низа, нивните евентуални погодни зони би биле околу 1 милијарда години во зона каде што водата не била течна, туку во гасовита состојба. Така, копнените планети во вистинските зони погодни за живеење, доколку се снабдени со изобилство површинска вода при нивното настанување, би биле предмет на ефект на пребегната стаклена градина неколку стотици милиони години. За време на таквата рана фаза на стаклена градина, фотолизата на водена пареа ќе овозможи бегство на водород во вселената и губење вода на неколку земјини океани, оставајќи густа абиотска кислородна атмосфера.^[27]

Бидејќи животниот век на црвеноџуџестите ѕвезди ја надминува староста на познатиот универзум, понатамошната еволуција на црвените џуџиња е позната само по теорија и симулации. Според сметачки симулации, црвеното џуџе станува сино џуџе откако ќе го исцрпи снабдувањето со водород. Бидејќи овој вид на ѕвезда е посјајна од претходното црвено џуџе, планетите кои кружат околу него, а кои биле замрзнати за време на претходната фаза, може да бидат одмрзнати во текот на неколку милијарди години што трае оваа еволутивна фаза (5 милијарди години, на пример, за 0.16 M_☉ ѕвезда), давајќи му можност на животот да се појави и да се развива.^[28]

За планетите да задржат значителни количества вода во зоната погодна за живеење на крајно ладни џуџиња, планетата мора да кружи многу блиску до ѕвездата.^[29] На овие блиски орбитални растојанија, веројатно е усогласеното вртење на ѕвездата домаќин. Усогласеното вртење ја прави планетата да врти околу својата оска еднаш на секои вртежи околу ѕвездата. Како резултат на тоа, едната страна на планетата вечно би била свртена кон ѕвездата, а другата страна постојано би била свртена настрана, создавајќи големи крајни температури.

Многу години било верувано дека животот на таквите планети ќе биде ограничен на прстенест регион познат како терминатор, каде што ѕвездата секогаш ќе се појавува на хоризонтот или блиску до него. Исто така, било верувано дека ефикасниот пренос на топлина помеѓу страните на планетата бара атмосферско кружење на атмосфера толку густа што не дозволува фотосинтеза. Поради диференцијалното загревање, било тврдено, дека плима заклучена планета ќе доживее жестоки ветрови со постојан пороен дожд во точката директно свртена кон месната ѕвезда,^[30] подсончевата точка. Според мислењето на еден автор, ова го прави сложениот живот неверојатен.^[31] Животот на растенијата ќе мора да се прилагоди на постојаните врнежи, на пример со безбедно закотвување во почвата и никнување на долги флексибилни лисја кои не се кинат. Животните би се потпирале на инфрацрвен вид, бидејќи сигнализирањето со повици или мириси би било тешко во текот на буката на целата планета. Меѓутоа, подводниот живот би бил заштитен од жестоки ветрови и одблесоци, а огромните цветови на црни фотосинтетички планктони и алги би можеле да го поддржат морскиот живот.^[32]

За разлика од претходно мрачната слика за животот, студиите од 1997 година на Ејмсовиот истражувачки центар при НАСА, покажале дека атмосферата на планетата (претпоставувајќи дека вклучува стакленички гасови CO₂ и H₂O) треба да биде само 100 милибари, или 10% од атмосферата на Земјата, за топлината на ѕвездата ефективно да се носи на ноќната страна, фигура која е добро во рамките на фотосинтезата.^[33] Последователните истражувања покажале дека морската вода, исто така, може ефективно да кружи без да се замрзне, доколку океанските басени се доволно длабоки за да овозможат слободен проток под ледената покривка на ноќната страна. Дополнително, една студија од 2010 година заклучила дека водните светови слични на Земјата, плимно заклучени за нивните ѕвезди, сепак ќе имаат температури над −33 °C (240 K) на ноќната страна.^[34] Климатските модели конструирани во 2013 година покажуваат дека настанување облаци на планетите заклучени со плима ќе ја минимизира температурната разлика помеѓу дневната и ноќната страна, што значително ќе ги подобри изгледите за животопогодност во црвеноџуџестите планети.^[8] Понатамошните истражувања, вклучително и разгледувањето на количината на фотосинтетички активно зрачење, наведуваат дека усогласеновртежните планети во црвените џуџести системи може барем да бидат погодни за живеење за повисоките растенија.^[35]

Постоењето на постојана дневна и ноќна страна не е единствениот потенцијален неуспех за животот околу црвените џуџиња. Плимното загревање што го доживуваат планетите во зоната за живеење на црвените џуџиња помала од 30% од масата на Сонцето може да предизвика тие да бидат „испечени“ и да станат „плимни Венери“.^[4] Била измерена ексцентричноста на над 150 планети пронајдени кои кружат околу џуџињата од типот M и било откриено дека две третини од овие вонсончеви планети се изложени на крајни плимни сили, што ги прави непогодни за живеење поради интензивната топлина создадена од плимното загревање.^[36]

Во комбинација со другите пречки за животопогодноста во црвените џуџиња,^[6] ова може да ја направи веројатноста многу црвени џуџиња да имаат живот како што го знаеме многу ниска во споредба со другите типови ѕвезди.^[5] Можеби нема ни доволно вода за животопогодни планети околу многу црвени џуџиња;^[37] она малку вода пронајдена на овие планети, особено оние со големина на Земјата, може да се наоѓа на студената ноќна страна на планетата. Сепак, за разлика од предвидувањата на претходните студии за приливните Венери, оваа „заробена вода“ може да помогне да бидат спречени ефектите на пребегана стаклена градина и да биде подобрена животопогодноста на црвеноџуџестите системи.^[38]

Сепак, треба да биде забележано дека колку брзо ќе се случи усогласеното вртење, може да зависи од океаните на планетата, па дури и од атмосферата, и тоа може да значи дека усогласеното вртење не може да се случи дури и по многу милијарди години. Дополнително, заклучувањето на плимата не е единствената можна крајна состојба на придушување на плимата. Меркур, на пример, имал доволно време за усогласено блокирање, но е во резонанција на орбитата на вртење 3:2.^[39]

Црвените џуџиња се многу поиспарливи од нивните поголеми, постабилни сродници. Честопати, тие се покриени со ѕвездени точки кои можат да ја затемнат нивната емитувачка светлина до 40% со месеци во исто време. Во други времиња, црвените џуџиња испуштаат огромни блесоци кои можат да ја удвојат нивната осветленост за неколку минути.^[40] Навистина, како што се повеќе и повеќе црвени џуџиња се испитувани за променливост, повеќе од нив се класифицирани како болскотни ѕвезди до одреден или друг степен. Таквата промена во осветленоста може да биде многу штетна за животот. Неодамнешните тридимензионални климатски модели симулираат настани од блесоци со менување на ѕвездениот тек што го прима која било планета. Една студија покажала дека, доколку плима заклучена планета поседува доволна атмосфера, покриеноста на облаците и албедото монотоно се зголемуваат со ѕвездениот тек, зголемувајќи ја отпорноста на планетата на варијации во зрачењето.^[8] Сепак, ова предупредување се покажало тешко, бидејќи пламте произведуваат порои од наелектризирани честички кои би можеле да отстранат значителни делови од атмосферата на планетата.^[41] Научниците кои се наклонуваат на хипотезата за Ретка Земја се сомневаат дека црвените џуџиња би можеле да поддржат живот во услови на силно разгорување. Усогласеното вртење веројатно би резултирало со релативно низок планетарен магнетен момент. Активните црвени џуџиња кои испуштаат исфрлања на коронска маса (ИКМ) ќе ја наведнат магнетосферата додека не дојде во допир со планетарната атмосфера. Како резултат на тоа, атмосферата би претрпела силна ерозија, што веројатно ќе ја остави планетата непогодна за живеење.^[42][43][44] Било откриено дека црвените џуџиња имаат многу помала стапка на ИКМ отколку што било очекувано од нивното вртење или активност на блесоци, а големите ИКМ се случуваат ретко. Ова наведува дека атмосферската ерозија е предизвикана главно од зралење наместо од ИКМ.^[45]

Во спротивно, предложувано е дека доколку планетата има магнетно поле, таа би ги отфрлила честичките од атмосферата (дури и бавното вртење на плимно заклучената планета од типот М џуџе, таа се врти еднаш за секој пат кога кружи околу својата ѕвезда - би била доволна да создава магнетно поле се додека дел од внатрешноста на планетата останува стопена).^[46] Ова магнетно поле треба да биде многу посилно во споредба со земјиното за да обезбеди заштита од блесоци од набљудуваната величина (10-1000 гауси во споредба со земјините 0,5 гауси), што е малку веројатно да биде создадено.^[47] Но, математичките модели заклучуваат дека,^[48][49][50] дури и при највисоките достижни јачини на магнетното поле настанато од динамо, вонсочневите планети со маса слична на онаа на Земјата губат значителен дел од нивната атмосфера со ерозијата на атмосферата на егзобазата со изблици на ИКМ и емисиите на крајна ултравиолетова светлина (дури и оние планети слични на Земјата поблиску од 0,8 ае, кои влијаат и на ѕвездите од типот G и K, се склони кон губење на нивната атмосфера). Атмосферската ерозија дури може да предизвика исцрпување на водните океани.^[51] Планетите обвиткани со густа магла од јаглеводороди како онаа на првобитната Земја или сатурновата месечина Титан сè уште би можеле да ги преживеат блесоците бидејќи лебдечките капки јаглеводород се особено ефикасни во примањето на ултравиолетовото зрачење.^[52]

Вистинските мерења го отфрлаат присуството на релевантни атмосфери во две вонсончеви планети кои кружат околу црвено џуџе: TRAPPIST-1 b и TRAPPIST-1 c се голи карпи или имаат исто толку потенки атмосфери.^[53]

Друг начин на кој животот првично би можел да биде заштитен од зрачење би бил да остане под вода додека ѕвездата не помине низ раната фаза на блесоци, под претпоставка дека планетата може да задржи доволно атмосфера за да ги одржи течните океани. Штом животот ќе стигне до копното, малата количина на ултравиолетови зраци произведена од тивкото црвено џуџе значи дека животот може да напредува без озонската обвивка, и затоа никогаш нема потреба да произведува кислород.^[24]

За планетата околу црвеноџуџеста ѕвезда да поддржува живот, ќе биде потребно брзо вртежно магнетно поле за да биде заштитено од блесоци. Усогласено вртежната планета се врти многу бавно и затоа не може да произведе геодинамо во своето јадро. Проценувано е дека периодот на насилно палење на животниот циклус на црвено џуџе трае само околу првите 1,2 милијарди години од неговото постоење. Ако планетата е настаната далеку од црвеното џуџе за да избегне усогласено вртење, а потоа се сели во животопогодната зона на ѕвездата по овој турбулентен почетен период, можно е животот да има шанса да се развие.^[54]

Откриено е дека најголемите блесоци се случуваат на големи географски широчини во близина на ѕвездените полови; така што, ако орбитата на вонсончевата е усогласена со ѕвезденото вртење, тогаш таа е помалку погодена од блесоците отколку што било мислено.^[55] Сепак, набљудувањата на Барнардовата Ѕвезда од 7 до 12 милијарди години покажуваат дека дури и старите црвени џуџиња можат да имаат значителна активност на блесоци. Долго време било претпоставувано дека Барнардовата Ѕвезда има мала активност, но во 1998 година астрономите забележале интензивен ѕвезден блесок, покажувајќи дека станува збор за болскотна ѕвезда.^[56]

Ако е возможен живот заснован на метан (слично на хипотетичкиот живот на Титан), би имало втора зона погодна за живеење подалеку од ѕвездата што одговара на регионот каде што метанот е течен. Атмосферата на Титан е проѕирна за црвена и инфрацрвена светлина, така што се очекува повеќе од светлината од црвените џуџиња да стигне до површината на планета слична на Титан.^[57]

Студијата на архивските податоци на Спицер ја дава првата идеја и проценка за тоа колку често се световите со големина на Земјата околу крајноладните џуџести ѕвезди: 30–45%.^[58] Сметачката симулација открива дека планетите кои се настанати околу ѕвезди со слична маса на TRAPPIST-1 (околу 0,084 M_⊙) најверојатно имаат големини слични на Земјата.^[59]

Постојат следниве примери на измислени „вонземјани“ кои постојат во црвеноџуџестите ѕвездени системи:

• Арка (Ark): Во романот на Стивен Бакстер, откако планетата Земја е целосно потопена од океаните, мала група луѓе тргнуваат на меѓуѕвездено патување и на крајот ќе стигнат до планетата наречена Земја III. Планетата е студена, плимно заклучена и растителниот свет е црн (со цел подобро да ја прима светлината од црвеното џуџе).
• Таверната Драко: Во книгата на Лери Нивен, многу напредните вонземјани Чирпситра еволуирале на кислороден свет кое усогласено се врти околу црвено џуџе. Сепак, не се дадени никакви подробности освен тоа дека станува збор за околу 1 земјина маса, малку постудена и користела црвено џуџеста сончева светлина.
• Немезис (Nemesis): Исак Асимов ги избегнува проблемите со плимниот ефект на црвеното џуџе Немезис со тоа што ја направи „планетата“ погодна за живеење сателит на гасен џин кој е плимно заклучен за ѕвездата.
• Создавач на ѕвезди (Star Maker): Во научно-фантастичниот роман на Олаф Стапледон од 1937 година, една од многуте вонземски цивилизации во Млечниот Пат што тој ги опишува се наоѓа во терминаторската зона на усогласено вртежна планета во црвеноџуџест систем. Оваа планета е населена со интелигентни растенија кои личат на моркови со раце, нозе и глава, кои дел од времето „спијат“ така што се вметнуваат во почвата на парцели и ја примаат сончевата светлина преку фотосинтезата, а кои се буден дел од време, излегувајќи од нивните парцели почва како движечки суштества кои учествуваат во сите сложени активности на современата индустриска цивилизација. Стејплдон исто така опишува како еволуирал животот на оваа планета.^[60]
• Супермен: Домот на Супермен, Криптон, бил во орбитата околу црвената ѕвезда наречена Рао, која во некои приказни е опишана како црвено џуџе, иако почесто е нарекуван црвен џин.
• Подготвен Џет тргни! (Ready Jet Go!): Во детската емисија Ready Jet Go! , Морков, Целер и Џет се семејство на вонземјани познати како Бортрони кои потекнуваат од Бортрон 7, планета на измисленото црвено џуџе Бортрон. Тие ги откриле Земјата и Сонцето кога зеле „примитивен“ радио сигнал (Епизода: „Како го најдовме вашето Сонце“). Тие исто така дале опис на планетите во бортронскиот сончев систем во песна во филмот Подготвен Џет тргни!: Назад на Бортрон 7 (Ready Jet Go!: Back to Bortron 7).
• Аврелија (Aurelia): Оваа планета, видена во шпекулативниот документарен филм Вонземско (Extraterrestrial; позната и како Вонземски светови (Alien Worlds)), подробно објаснува како теоретизираат научниците како би можел да биде вонземскиот живот на планета која кружи околу црвеноџуџеста ѕвезда.

• Acaryochloris marina
• Астробиологија
• Животопогоден појас
• Глизе 581 g
• Животопогодност во ѕвездени системи од главната низа од типот F
• Животопогодност во ѕвездени системи од главната низа од типот K
• Животопогодност во системите на неутронските ѕвезди
• Животопогодност во жолтоџуџестите системи
• Кеплер-186f
• Планетарна животопогодност
• SETI (Потрага по вонземска интелигенција)

Образовни материјали на Викиуниверзитетот:

• Како животот може да еволуира во еден црвеноџуџест систем (на англиски)

• Stevenson, David S. (2013). Under a crimson sun : prospects for life in a red dwarf system. New York, NY: Imprint: Springer. ISBN 978-1461481324.

• „Red Dwarf Stars Probably Not Friendly for Earth 2.0“. Seeker. 26 мај 2015.