Doğal uyduların yaşanabilirliği

Doğal uyduların yaşanabilirliği, bir uydunun yaşam için habitat sağlama potansiyelinin incelenmesini tanımlar, ancak yaşam barındırdığının bir göstergesi değildir. Doğal uyduların sayısının gezegenlerden büyük bir farkla fazla olması beklenmektedir ve bu nedenle bu çalışma astrobiyoloji ve dünya dışı yaşam arayışı için önemlidir. Bununla birlikte, uydulara özgü önemli çevresel değişkenler vardır.

Yüzey yaşam alanlarına ilişkin parametrelerin Dünya gibi gezegenlerdekilerle karşılaştırılabilir olacağı öngörülmektedir - yıldız özellikleri, yörünge, gezegen kütlesi, atmosfer ve jeoloji. Güneş Sistemi'nin yaşanabilir bölgesinde yer alan doğal uydulardan Ay, iki Mars uydusu (bazı tahminlere göre bu bölgenin dışındadır) ve çok sayıda küçük gezegen uydusu yüzey suyu için gerekli koşullardan yoksundur. Dünya'nın aksine, Güneş Sistemi'nin tüm gezegensel kütleli uyduları gelgitsel olarak kilitlenmiştir ve bunun ve gelgit kuvvetlerinin yaşanabilirliği ne ölçüde etkilediği henüz bilinmemektedir.

Araştırmalar, Dünya'nınki gibi derin biyosferlerin mümkün olduğunu gösteriyor. Bu nedenle en güçlü adaylar şu anda Jüpiter ve Satürn - Europa ve Enceladus gibi yer altı sıvı sularının var olduğu düşünülen buzlu uydulardır . Ay yüzeyi bildiğimiz anlamda yaşama düşman olsa da, derin bir Ay biyosferi (veya benzer cisimlerinki) henüz göz ardı edilemez doğrulama için derin keşif gerekli olacaktır.

Öte uydu var olduğu henüz doğrulanmadı ve bunların tespiti, şu anda yeterince hassas olmayan geçiş zamanlaması varyasyonuyla sınırlı olabilir. Geçişlerinin incelenmesiyle bazı niteliklerinin bulunması mümkündür. Buna rağmen, bazı bilim adamları, yaşanabilir ötegezegenler kadar yaşanabilir ötegezegenler olduğunu tahmin ediyor. 10.000 genel gezegen-uydu kütle oranı göz önüne alındığında, yaşanabilir bölgedeki gaz devlerinin Dünya benzeri uyduları barındırmak için en iyi adaylar olduğu düşünülüyor.

Doğal uydular için yaşanabilirlik koşulları, gezegensel yaşanabilirlik koşullarına benzer. Bununla birlikte, doğal uydu yaşanabilirliğini farklılaştıran ve ek olarak yaşanabilirliklerini gezegenin yaşanabilir bölgesinin dışına genişleten birkaç faktör vardır.

Sıvı suyun çoğu astrobiyolog tarafından dünya dışı yaşam için gerekli bir ön koşul olduğu düşünülmektedir. Güneş Sistemi'nde gaz devleri Jüpiter, Satürn, Uranüs ve Neptün'ün yörüngesinde bulunan bazı uydularda yüzey altı sıvı su bulunduğuna dair kanıtlar giderek artmaktadır. Ancak, bu yüzey altı su kütlelerinin hiçbiri bugüne kadar doğrulanmamıştır.

Kararlı bir yörünge için, ayın birincil yörüngesi etrafındaki Ps yörünge periyodu ile birincil yıldız etrafındaki Pp yörünge periyodu arasındaki oran < 1⁄9 olmalıdır, örneğin bir gezegenin yıldızının etrafında dönmesi 90 gün sürüyorsa, bu gezegenin uydusu için maksimum kararlı yörünge 10 günden azdır Simülasyonlar, yörünge periyodu yaklaşık 45 ila 60 günden az olan bir uydunun, Güneş benzeri bir yıldızdan 1 AU uzaklıkta yörüngede dönen büyük bir dev gezegene veya kahverengi cüceye güvenli bir şekilde bağlı kalacağını göstermektedir.

Atmosfer, astrobiyologlar tarafından prebiyotik kimyanın gelişmesinde, yaşamın sürdürülmesinde ve yüzey sularının var olmasında önemli kabul edilmektedir. Güneş Sistemindeki çoğu doğal uydu önemli atmosferlerden yoksundur, tek istisna Satürn'ün uydusu Titan'dır.

Atomların katı bir hedef malzemeden, hedefin enerjik parçacıklar tarafından bombardıman edilmesi sonucu fırlatıldığı bir süreç olan püskürtme, doğal uydular için önemli bir sorun teşkil etmektedir. Güneş Sistemi'ndeki tüm gaz devleri ve muhtemelen diğer yıldızların yörüngesinde dönenler, sadece birkaç yüz milyon yıl içinde Dünya benzeri bir uydunun atmosferini tamamen aşındıracak kadar güçlü radyasyon kuşaklarına sahip manyetosferlere sahiptir. Güçlü yıldız rüzgârları da atmosferin tepesindeki gaz atomlarını sıyırarak uzaya kaybolmalarına neden olabilir.

Yaklaşık 4,6 milyar yıl boyunca (Dünya'nın şu anki yaşı) Dünya benzeri bir atmosferi desteklemek için, Mars benzeri yoğunluğa sahip bir ayın Dünya kütlesinin en az %7'sine ihtiyaç duyduğu tahmin edilmektedir. Sıçramadan kaynaklanan kayıpları azaltmanın bir yolu, Ay'ın, yıldız rüzgarını ve radyasyon kuşaklarını saptırabilecek güçlü bir manyetik alana sahip olmasıdır. NASA'dan Galileo'nun ölçümleri, büyük uyduların manyetik alanlara sahip olabileceğini gösteriyor; Ganymede'nin kendi manyetosferine sahip olduğunu buldu, ancak kütlesi Dünya'nın sadece %2,5'u kadardı. Alternatif olarak, bazı bilim adamlarının Titan'da olduğu gibi düşündüğü gibi, ayın atmosferi yer altı kaynaklarından gelen gazlarla sürekli olarak doldurulabilir.

Gelgit ivmesinin gezegenler üzerindeki etkileri nispeten mütevazı olsa da, doğal uydular için önemli bir enerji kaynağı ve yaşamı sürdürmek için alternatif bir enerji kaynağı olabilir.

Gaz devlerinin veya kahverengi cücelerin yörüngesindeki uyduların ana gezegenlerine gelgitsel olarak kilitlenmiş olmaları muhtemeldir: yani, günleri yörüngeleri kadar uzundur. Gelgit kilitlenmesi, yıldız radyasyonunun dağılımına müdahale ederek yaşanabilir bölgelerdeki gezegenleri olumsuz etkileyebilirken, gelgit ısınmasına izin vererek uydunun yaşanabilirliği lehine çalışabilir. NASA Ames Araştırma Merkezi'ndeki bilim insanları, kırmızı cüce yıldızların yaşanabilirlik bölgesindeki gelgit kilitli ötegezegenlerdeki sıcaklığı modellediler. Karbondioksit (CO2) Sadece 1-1,5 standart atmosferlik (15-22 psi) basınç sadece yaşanabilir sıcaklıklara izin vermekle kalmaz, aynı zamanda uydunun karanlık tarafında sıvı suya da izin verir. Bir gaz devine gelgitsel olarak kilitlenmiş bir uydunun sıcaklık aralığı, bir yıldıza kilitlenmiş bir gezegenden daha az aşırı olabilir. Bu konuda herhangi bir çalışma yapılmamış olsa da, mütevazı miktarlarda CO2'nin sıcaklığı yaşanabilir hale getirdiği tahmin edilmektedir.

Gelgit etkileri ayrıca bir ayın levha tektoniğini sürdürmesine izin verebilir, bu da ayın sıcaklığını düzenlemek için volkanik aktiviteye neden olur ve uyduya güçlü bir manyetik alan verecek bir jeodinamo etkisi yaratır.

Bir ayın diğer uydularla yerçekimi etkileşimi göz ardı edilebilirse, aylar gezegenleriyle gelgitsel olarak kilitlenme eğilimindedir. Yukarıda belirtilen dönme kilitlenmesine ek olarak, başlangıçta bir gezegenin ev sahibi yıldızı etrafındaki yörüngesine karşı gezegen eğikliğinin gelgit erozyonu için icat edilmiş olan 'eğim erozyonu' adı verilen bir süreç de olacaktır. Bir ayın son dönüş durumu, gezegen etrafındaki yörünge periyoduna eşit bir dönme periyodundan ve yörünge düzlemine dik olan bir dönme ekseninden oluşur.

Ay'ın kütlesi gezegene kıyasla çok düşük değilse, gezegenin eksenel eğimini, yani yıldız etrafındaki yörüngesine karşı eğikliğini dengeleyebilir. Dünya'da Ay, Dünya'nın eksenel eğimini dengelemede önemli bir rol oynamış, böylece diğer gezegenlerden gelen yerçekimsel pertürbasyonların etkisini azaltmış ve gezegen boyunca sadece ılımlı iklim değişiklikleri sağlamıştır. Bununla birlikte, nispeten düşük kütleli uyduları Phobos ve Deimos'tan kaynaklanan önemli gelgit etkileri olmayan bir gezegen olan Mars'ta, eksenel eğim 5 ila 10 yıllık zaman ölçeklerinde 13° ila 40° arasında aşırı değişikliklere uğrayabilir..

Gelgitsel olarak dev bir gezegene veya kahverengi altı cüceye kilitlenmiş olmak, bir ay üzerinde, yıldızın yaşanabilir bölgesinde kilitli bir dönüşle dönen benzer büyüklükte bir gezegen olsaydı olacağından daha ılıman iklimlere izin verirdi. Bu, özellikle nispeten yüksek yerçekimi kuvvetlerinin ve düşük parlaklıkların gelgit kilitlenmesinin meydana geleceği bir alanda yaşanabilir bölgeyi terk ettiği kırmızı cüce sistemleri için geçerlidir. Gelgit kilitliyse, eksen etrafındaki bir dönüş, bir gezegene göre uzun zaman alabilir (örneğin, Dünya'nın ayının hafif eksenel eğimi ve topografik gölgeleme göz ardı edilirse, üzerindeki herhangi bir noktanın - Dünya saatine göre - iki haftalık güneş ışığı vardır ve Ay gününde iki haftalık gece) ancak bu uzun ışık ve karanlık dönemleri, yıldızına gelgitle kilitlenmiş bir gezegendeki sonsuz günler ve sonsuz geceler kadar yaşanabilirlik için zorlayıcı değildir.

2012'de bilim adamları, ayların yaşanabilir yörüngelerini tanımlamak için bir kavram geliştirdiler. Konsept, bir yıldızın yörüngesinde dönen gezegenler için, ancak bir gezegenin yörüngesinde dönen aylar için yıldız ötesi yaşanabilir bölgeye benzer. Gezegenin çevresinde yaşanabilir kenar olarak adlandırdıkları bu iç sınır, bir uydunun kendi gezegeni etrafında yaşanabilir olabileceği bölgeyi sınırlandırıyor. Gezegenlerine yaşanabilir kenardan daha yakın olan aylar yaşanmaz.

Ev sahibi gezegenin içsel manyetik alanı tarafından kritik bir şekilde tetiklenen dış ayların manyetik ortamı, dış ay yaşanabilirliğinin bir başka faktörü olarak tanımlandı. En önemlisi, dev bir gezegenden yaklaşık 5 ila 20 gezegen yarıçapı arasındaki mesafelerdeki ayların aydınlatma ve gelgit ısınması açısından yaşanabilir olabileceği, ancak yine de gezegen manyetosferinin yaşanabilirliğini kritik bir şekilde etkileyeceği bulundu.

Kırmızı cücelerin etrafındaki yaşanabilir bölgede bulunan dünya büyüklüğündeki ötegezegenler genellikle gelgitsel olarak ev sahibi yıldıza kilitlenir . Bu, bir yarımkürenin her zaman yıldıza bakması, diğerinin ise karanlıkta kalması etkisine sahiptir. Bir ötegezegen gibi, bir ötegezegen de potansiyel olarak birinciline gelgitsel olarak kilitlenebilir. Bununla birlikte, exomoon'un birincil gezegeni bir ötegezegen olduğu için, gelgitsel olarak kilitlendikten sonra yıldızına göre dönmeye devam edecek ve bu nedenle yine de süresiz olarak bir gece-gündüz döngüsü yaşayacaktır.

10.000 genel gezegen-uydu kütle oranı göz önüne alındığında, yaşanabilir bölgedeki Büyük Satürn veya Jüpiter büyüklüğündeki gaz gezegenlerinin, 2018 yılına kadar bu tür 120'den fazla gezegenle Dünya benzeri uyduları barındırmak için en iyi adaylar olduğuna inanılıyor Yaşanabilir bir bölgede bulunduğu bilinen büyük dış gezegenler (Gliese 876 b, 55 Cancri f, Upsilon Andromedae d, 47 Ursae Majoris b, HD 28185 b ve HD 37124 c gibi), potansiyel olarak yüzeyinde sıvı su bulunan doğal uydulara sahip olabilecekleri için özellikle ilgi çekicidir.

Güneş dışı ayların yaşanabilirliği, aylardaki yıldız ve gezegen aydınlatmasının yanı sıra tutulmaların yörünge ortalamalı yüzey aydınlatması üzerindeki etkisine bağlı olacaktır. Bunun ötesinde, gelgit ısınması bir ayın yaşanabilirliği için bir rol oynayabilir. 2012'de bilim adamları, ayların yaşanabilir yörüngelerini tanımlamak için bir kavram geliştirdiler; belirli bir gezegenin etrafındaki yaşanabilir bir ayın iç sınırını tanımlarlar ve onu gezegenin etrafındaki "yaşanabilir kenar" olarak adlandırırlar. Gezegenlerine yaşanabilir kenardan daha yakın olan aylar yaşanmaz. Tutulmaların etkileri ve bir uydunun yörünge stabilitesinden kaynaklanan kısıtlamalar, varsayımsal ayların kontrolden çıkmış sera sınırını modellemek için kullanıldığında, - bir ayın yörünge dışmerkezliğine bağlı olarak - yıldızlar için kabaca 0,20 güneş kütlesinin minimum kütlesi olduğu tahmin edilmektedir. yıldızların yaşanabilir bölgesi içinde yaşanabilir aylara ev sahipliği yapar. Ev sahibi gezegenin içsel manyetik alanı tarafından kritik bir şekilde tetiklenen dış ayların manyetik ortamı, dış ay yaşanabilirliğinin bir başka faktörü olarak tanımlandı. En önemlisi, dev bir gezegenden yaklaşık 5 ila 20 gezegen yarıçapı arasındaki mesafelerdeki ayların aydınlatma ve gelgit ısınması açısından yaşanabilir olabileceği bulundu, ancak yine de gezegen manyetosferi, yaşanabilirliklerini kritik bir şekilde etkileyecektir. .

Yaşamı barındıran doğal uydular, bilim kurguda yaygındır. Filmdeki dikkate değer örnekler şunları içerir: Aya Yolculuk'ta (1903) Dünya'nın ayı; Yıldız Savaşları'ndan Yavin 4 (1977); Endor in Return of the Jedi (1983); Marvel Çizgi Romanlarında Titan; Alien (1979) ve Aliens (1986) filmlerinde LV-426; Avatar serisinden Pandora ; Predators (2010) filminde; Prometheus'ta LV-223 (2012); Europa Raporunda (2013) ve Watchmen'de (2019); ve The Midnight Sky'da (2020) K23.