Κατοικησιμότητα στα πλανητικά συστήματα των ερυθρών νάνων

Η κατοικησιμότητα των πλανητικών συστημάτων των ερυθρών νάνων εξαρτάται από ένα μεγάλο αριθμό παραγόντων που σχετίζονται με διάφορες αίτιες. Αν και η χαμηλή αστρική ροή, η υψηλή πιθανότητα παλιρροϊκού κλειδώματος, οι μικρές  κατοικήσιμες ζώνες και η υψηλή μεταβλητότητα των αστέρων που αντιμετωπίζουν οι πλανήτες των ερυθρών νάνων είναι εμπόδια για την πλανητική κατοικησιμότητα, το μεγάλο πλήθος και η  μακροζωία τους είναι θετικοί παράγοντες. Ο προσδιορισμός του τρόπου με τον οποίο οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των παραγόντων επηρεάζουν την κατοικησιμότητα μπορεί να βοηθήσει στην αποκάλυψη της συχνότητας της εξωγήινης ζωής και της νοημοσύνης.
Η έντονη παλιρροϊκή θέρμανση που προκαλείται από την εγγύτητα των πλανητών που φιλοξενούν οι ερυθροί νάνοι είναι ένα μεγάλο εμπόδιο στην ανάπτυξη ζωής σε αυτά τα συστήματα. Άλλες παλιρροϊκές επιδράσεις, όπως οι ακραίες διαφορές θερμοκρασίας που δημιουργούνται όταν η μία πλευρά  των πλανητών αυτών είναι μόνιμα εκτεθειμένη στο άστρο και η άλλη διαρκώς στο σκοτάδι και η έλλειψη αξονικών κλίσεων, μειώνουν την πιθανότητα ζωής γύρω από ερυθρούς νάνους. Μη παλιρροϊκοί παράγοντες όπως η ακραία αστρική μεταβλητότητα, η έντονη υπέρυθρη ακτινοβολία, και οι μικρές κατοικήσιμες ζώνες λόγω παραγωγής χαμηλού φωτός, μπορούν να μειώσουν περαιτέρω τις προοπτικές για τη ζωή στα συστήματα των ερυθρών νάνων.
Υπάρχουν, ωστόσο, διάφορες επιδράσεις που αυξάνουν την πιθανότητα ζωής στους πλανήτες των ερυθρών νάνων. Ο έντονος σχηματισμός νεφών στον πλανήτη που αντιμετωπίζει η  πλευρά του παλιρροϊκά κλειδωμένου πλανήτη προς το άστρο, μπορεί να μειώσει τη συνολική θερμική ροή και  τη διαφορά στη θερμοκρασία ισορροπίας μεταξύ των δύο πλευρών του πλανήτη. Επιπλέον, ο μεγάλος αριθμός των ερυθρών νάνων, οι οποίοι αντιπροσωπεύουν περίπου το 85% των άστρων, για παράδειγμα υπάρχουν τουλάχιστον 100 δισεκατομμύρια αστέρια στο Γαλαξία μας, στατιστικά αυξάνει την πιθανότητα να υπάρχουν κατοικήσιμοι πλανήτες σε τροχιά γύρω από αυτά. Από το 2013 υπάρχει η εκτίμηση ότι υπάρχουν δεκάδες δισεκατομμύρια υπεργαίες πλανήτες στις κατοικήσιμες ζώνες των ερυθρών νάνων στον γαλαξία μας.

Φωτεινότητα και φασματική σύνθεση

Για χρόνια, οι αστρονόμοι απέκλειαν τους ερυθρούς νάνους, με μάζες που κυμαίνονταν από περίπου 0,08 μέχρι 0,45 ηλιακές μάζες, ως πιθανούς υποψήφιους για ζωή. Οι χαμηλές μάζες τους, έκαναν τις αντιδράσεις της  πυρηνικής σύντηξης  υπερβολικά αργές, δίνοντάς τους φωτεινότητες που κυμαίνονται από ένα μέγιστο στο 3 τοις εκατό του Ήλιου σε ένα ελάχιστο μόνο 0,01 τοις εκατό. Κατά συνέπεια, κάθε πλανήτης σε τροχιά γύρω από έναν ερυθρό νάνο, θα πρέπει να έχει χαμηλό ημιμεγάλο άξονα, προκειμένου να διατηρεί μία θερμοκρασία παραπλήσια με  την επιφάνεια της Γης, από 0,3 αστρονομικές μονάδες (AU) για ένα σχετικά φωτεινό ερυθρό νάνο όπως ο Lacaille 8760 μέχρι 0,032 AU για ένα μικρότερο αστέρι, όπως ο Εγγύτατος του Κενταύρου, το κοντινότερο αστέρι στο Ηλιακό Σύστημα. Ένας τέτοιος κόσμος θα έχει χρόνο, που διαρκεί μόνο έξι ημέρες.
Μεγάλο μέρος από τη χαμηλή φωτεινότητα ενός ερυθρού νάνου αντιστοιχεί στο υπέρυθρο μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, με χαμηλότερη ενέργεια από το ορατό φως, στο οποίο είναι οι κορυφές του Ήλιου. Ως αποτέλεσμα, η φωτοσύνθεση σε ένα ερυθρό νάνο πλανήτη θα απαιτούσε επιπλέον φωτόνια για την επίτευξη διέγερσης σε σύγκριση με αυτά που απαιτούνται στη Γη, λόγω του χαμηλότερου μέσου επίπεδου ενέργειας της υπέρυθρης ακτινοβολίας σε σύγκριση με την ορατή. Έχοντας να προσαρμοστεί σε ένα πολύ ευρύτερο φάσμα συχνοτήτων για να κερδίσει τη μέγιστη ποσότητα ενέργειας, το φύλλωμα σε ένα κατοικήσιμο πλανήτη ερυθρού νάνου θα φαίνεται μάλλον μαύρο αν παρατηρηθεί σε ορατό φως.
Επιπλέον, επειδή το νερό απορροφά έντονα το κόκκινο και υπέρυθρο φως, θα είναι διαθέσιμη λιγότερη ενέργεια  για την υδρόβια ζωή στους πλανήτες των ερυθρών νάνων. Ωστόσο, ένα παρόμοιο αποτέλεσμα στην απορρόφηση ακτινοβολίας  από τον πάγο θα αυξήσει τη θερμοκρασία σε σχέση με αυτή  από ένα άστρο σαν τον Ήλιο, επεκτείνοντας έτσι την κατοικήσιμη ζώνη των ερυθρών νάνων προς τα έξω.
Ένα άλλο γεγονός που αναστέλλει την κατοικησιμότητα είναι η εξέλιξη των ερυθρών νάνων. Τα άστρα αυτού του τύπου  έχουν μια εκτεταμένη προ-κύρια ακολουθία φάσης που διαρκεί ένα δισεκατομμύριο χρόνια στην οποία το νερό δεν μπορεί να βρίσκεται σε υγρή φάση αλλά μόνο σε αέρια. Έτσι, οι χερσαίοι πλανήτες στις πραγματικά κατοικήσιμες ζώνες, εάν εφοδιαστούν με άφθονα επιφανειακά ύδατα κατά τον σχηματισμό τους, θα μπορούσαν να υποστούν ένα ανεξέλεγκτο φαινόμενο του θερμοκηπίου για αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. 
Κατά τη διάρκεια μιας τόσο πρώιμης φάσης διαφυγής, η φωτόλυση υδρατμών θα επέτρεπε τη διαφυγή υδρογόνου στο διάστημα και την απώλεια νερού αρκετών ωκεανών Γης, αφήνοντας μια παχιά ατμόσφαιρα αβιοτικού οξυγόνου.

Παλιρροϊκές επιδράσεις

Στις κοντινές τροχιακές αποστάσεις των πλανητών γύρω από τους ερυθρούς νάνους θα έπρεπε να διατηρείται υγρό νερό στην επιφάνεια τους, ωστόσο το παλιρροϊκό κλείδωμα είναι πιθανό, κάνοντας τον πλανήτη να περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του μια φορά για κάθε περιστροφή γύρω από το άστρο. Ως εκ τούτου η μία πλευρά του πλανήτη «βλέπει» πάντα το αστέρι  και η άλλη είναι πάντα κρυμμένη, δημιουργώντας ακραίες θερμοκρασίες. Για πολλά χρόνια, θεωρούνταν ότι η ζωή αυτών πλανητών θα πρέπει να περιορίζεται σε ένα δαχτυλίδι που μοιάζει με περιοχή που είναι γνωστή ως terminator, όπου το αστέρι θα εμφανίζεται πάντα στον ορίζοντα.
Υπήρχε επίσης η πεποίθηση ότι η αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας μεταξύ των πλευρών του πλανήτη απαιτεί ατμοσφαιρική κυκλοφορία σε μια ατμόσφαιρα τόσο πυκνή ώστε να μην επιτρέπεται η φωτοσύνθεση. Λόγω διαφοράς στην πρόσληψη θερμότητας, προβλήθηκε το επιχείρημα ότι ο παλιρροϊκά κλειδωμένος πλανήτης θα αντιμετωπίζει σφοδρούς ανέμους με μόνιμες καταρρακτώδεις βροχές στο σημείο ακριβώς που «βλέπει» το μητρικό άστρο . Κατά τη γνώμη ενός συγγραφέα αυτό καθιστά την περίπλοκη ζωή απίθανη.Η ζωή των φυτών θα έπρεπε να προσαρμοστεί στις συνεχείς θύελλες, για παράδειγμα να αγκιστρώνονται με ασφάλεια στο έδαφος και να διαθέτουν πολύ εύκαμπτα φύλλα ώστε να μην σπάνε. Τα ζώα θα βασίζονταν κυρίως στην υπέρυθρη όραση, καθώς η επικοινωνία με ήχους ή μυρωδιές θα ήταν δύσκολη λόγω του θορύβου από τις θύελλες. Η υποβρύχια ζωή, ωστόσο, θα προστατευόταν από σφοδρούς ανέμους και εκλάμψεις αστέρων, και ενδεχομένως να άνθιζε μαύρο φυτοπλαγκτόν και φύκια τα οποία θα μπορούσαν να υποστηρίξουν τη θαλάσσια ζωή.
Σε αντίθεση με την προηγούμενη ζοφερή εικόνα για τη ζωή,  μελέτες από το 1997 από τους Robert Haberle και Manoj Joshi του Ερευνητικού Κέντρου Ames της NASA στην Καλιφόρνια έχουν δείξει ότι η ατμόσφαιρα ενός πλανήτη (με την προϋπόθεση ότι περιλαμβάνονται αέρια θερμοκηπίου CO₂ και H₂O), αρκεί να έχει πίεση 100 millibar, ή το 10% της ατμόσφαιρας της Γης, ώστε η θερμότητα του αστέρα να μεταφερθεί στη σκοτεινή πλευρά, μια εικόνα μέσα στα όρια της φωτοσύνθεσης. Δύο χρόνια αργότερα μία έρευνα από τον Martin Heath του Greenwich community College έχει δείξει ότι το θαλασσινό νερό, επίσης, θα μπορούσε αποτελεσματικά να κυκλοφορεί χωρίς να παγώσει εντελώς, αν οι λεκάνες απορροής των ωκεανών  ήταν αρκετά βαθιά ώστε να επιτρέπουν την ελεύθερη ροή κάτω από τη νυχτερινή πλευρά του πάγου. Επιπλέον, μελέτη του 2010 κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ωκεανοί πλανητών που μοιάζουν με της Γης στους παλιρροϊκά κλειδωμένους πλανήτες έχουν θερμοκρασίες πάνω από −33 °C (240 K) στη σκοτεινή τους πλευρά. Τα κλιματικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν το 2013 δείχνουν ότι ο σχηματισμός νεφών σε παλιρροϊκά κλειδωμένους πλανήτες θα ελαχιστοποιεί τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στις πλευρές της ημέρας και της νύχτας, βελτιώνοντας σημαντικά τις προοπτικές κατοικοισημότητας των πλανητών των ερυθρών νάνων. Περαιτέρω έρευνα, καθώς και μια εκτίμηση του ποσού από τη φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία, έχει προτείνει ότι οι παλιρροϊκά κλειδωμένοι πλανήτες θα μπορούσαν να είναι κατοικήσιμοι τουλάχιστον για τα ανώτερα φυτά.
Η ύπαρξη μόνιμης πλευράς ημέρας και νύχτας δεν είναι η μόνη πιθανή αποτυχία για τη ζωή γύρω από τους ερυθρούς νάνους. Η παλιρροϊκή θέρμανση που αντιμετωπίζουν οι πλανήτες στην κατοικήσιμη ζώνη των ερυθρών νάνων με μάζα μικρότερη 30% της μάζας του Ήλιου μπορεί να τους «ψήσει» και να γίνουν όπως η Αφροδίτη. Σε συνδυασμό με τα άλλα εμπόδια για την κατοικησιμότητα,  αυτό μπορεί να κάνει την πιθανότητα να φιλοξενείται η ζωή σε ερυθρούς νάνους πολύ χαμηλή ,σε σύγκριση με άλλους τύπους αστέρων. Μπορεί να μην επαρκεί ούτε η ποσότητα νερού για κατοικήσιμους πλανήτες γύρω από κόκκινους νάνους, καθώς το λίγο νερό που βρέθηκε σε αυτούς τους πλανήτες, (κυρίως στο μέγεθος της Γης), μπορεί να βρίσκεται στη σκοτεινή πλευρά του πλανήτη. Σε αντίθεση με τις προβλέψεις παλαιότερων μελετών για τις δυσμενείς επιπτώσεις των παλιρροϊκά κλειδωμένων πλανητών, αυτό το «παγιδευμένο νερό» μπορεί να βοηθήσει να ξεπεραστεί το αυτοτροφοδοτούμενο φαινόμενο του θερμοκηπίου και να βελτιώσει τις συνθήκες διαβίωσης των συστημάτων των ερυθρών νάνων.
Τα φεγγάρια των γίγαντων αερίου μέσα στην κατοικήσιμη ζώνη θα μπορούσαν να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα, δεδομένου ότι είναι παλιρροϊκά κλειδωμένα στον πλανήτη τους και όχι στο άστρο τους, έχοντας έτσι ένα κύκλο ημέρας-νύχτας. Η ίδια αρχή θα εφαρμόζεται σε διπλούς πλανήτες, που είναι πιθανό να είναι παλιρροϊκά κλειδωμένοι ο ένας στον άλλο.
Σημειώστε, ωστόσο, ότι το πόσο γρήγορα εμφανίζεται το παλιρροϊκό κλείδωμα μπορεί να εξαρτάται από τους ωκεανούς και την ατμόσφαιρα των πλανητών, και μπορεί να σημαίνει ότι το παλιρροϊκό κλείδωμα αποτυγχάνει να συμβεί ακόμη και μετά από πολλά δισεκατομμύρια χρόνια. Επιπλέον το παλιρροϊκό κλείδωμα δεν είναι η μόνη δυνατή κατάσταση. Ο Ερμής, για παράδειγμα, είχε αρκετό χρόνο να κλειδώσει, αλλά τελικά κατέληξε σε τροχιακό συντονισμό 3:2.

Μεταβλητότητα

Οι ερυθροί νάνοι είναι πιο μεταβλητοί και βίαιοι από τα σταθερά, μεγαλύτερα ξαδέρφια τους. Συχνά καλύπτονται από κηλίδες που μπορούν να εξασθενήσουν το εκπεμπόμενο φως μέχρι και 40% για  μήνες κάθε φορά. Στη Γη, η ζωή έχει προσαρμοστεί με πολλούς τρόπους στη μείωση των θερμοκρασιών του χειμώνα. Η ζωή θα μπορούσε να επιβιώσει με τη χειμερία νάρκη και με την κατάδυση σε βαθιά νερά, όπου οι θερμοκρασίες θα μπορούσαν να είναι πιο σταθερές. Οι ωκεανοί θα μπορούσαν να παγώσουν κατά τη διάρκεια ακραίων ψυχρών περιόδων. Αφού τελειώσει το κρύο, η λευκαύγεια του πλανήτη θα είναι υψηλότερη, προκαλώντας την ανάκλαση του φωτός από τον κόκκινο νάνο, με αποτέλεσμα να μειωθούν οι πλανητικές θερμοκρασίες. 
Άλλες φορές οι ερυθροί νάνοι εκπέμπουν γιγάντιες εκλάμψεις που μπορούν να διπλασιάσουν τη φωτεινότητα τους μέσα σε λίγα λεπτά. Πράγματι, καθώς όλο και περισσότεροι κόκκινοι νάνοι έχουν ελεγχθεί για μεταβλητότητα, οι περισσότεροι από αυτούς έχουν ταξινομηθεί σε κάποιο βαθμό ως αστέρες εκλάμψεων. Η μεταβολή στη φωτεινότητα θα μπορούσε να είναι πολύ επιζήμια για τη ζωή. Οι αστέρες εκλάμψεων  θα μπορούσαν να παράγουν, επίσης, χειμάρρους  από φορτισμένα σωματίδια που θα μπορούσαν να απαλείψουν μεγάλο τμήμα της ατμόσφαιρας του πλανήτη. Οι επιστήμονες που υποστηρίζουν την υπόθεση της σπάνιας γαίας αμφιβάλλουν για το αν οι ερυθροί νάνοι θα μπορούσαν να υποστηρίξουν τη ζωή εν μέσω εκλάμψεων. Το παλιρροϊκό κλείδωμα θα μπορούσε πιθανότατα να οδηγήσει σε μία σχετικά χαμηλή πλανητική μαγνητική ροπή. Οι ενεργοί ερυθροί νάνοι που παρουσιάζουν στεμματικές  εκπομπές μάζας θα παρουσίαζαν έντονη διάβρωση στην ατμόσφαιρα τους και ενδεχομένως θα άφηναν τον πλανήτη ακατοίκητο. Η ατμοσφαιρική διάβρωση ακόμη  θα μπορούσε να προκαλέσει την εξάντληση του νερού των ωκεανών. 
Ωστόσο, προτείνεται ότι, αν ο πλανήτης διέθετε μαγνητικό πεδίο, θα εξέτρεπε τα σωματίδια από την ατμόσφαιρα (ακόμη και η αργή περιστροφή του παλιρροϊκά κλειδωμένου πλανήτη σε ένα άστρο τύπου M, γυρίζει μια φορά για κάθε φορά που περιφέρεται γύρω από το άστρο, θα είναι αρκετή για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο, όσο μέρος του πλανήτη στο εσωτερικό παραμένει λιωμένο). Αλλά τα μαθηματικά μοντέλα καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι, ακόμη και κάτω από τα υψηλότερα μαγνητικά πεδία οι εξωπλανήτες με μάζα παρόμοια της Γης χάνουν ένα σημαντικό μέρος της ατμόσφαιρας τους από τη διάβρωση των exobase ατμόσφαιρα, από τις εκρήξεις των στεμματικών εκπομπών  και την εκπομπή εξαιρετικά υπεριωδών ακτίνων (XUV)   (ακόμα και πλανήτες σαν τη Γη  σε απόσταση κοντινότερη των 0,8 AU πιθανόν να χάσουν τις ατμόσφαιρες τους).
Ωστόσο, η βίαιη περίοδος εκλάμψεων της ζωής ενός ερυθρού νάνου υπολογίζεται ότι διαρκεί περίπου το πρώτο 1,2 δισεκατομμύρια χρόνια της ύπαρξής του. Αν ένας πλανήτης σχηματιστεί μακριά από τον ερυθρό νάνο, ώστε να αποφευχθεί το παλιρροϊκό κλείδωμα, και στη συνέχεια μεταναστεύει στην κατοικήσιμη ζώνη ,μετά από αυτή την ταραχώδη αρχική περίοδο, είναι δυνατό για τη ζωή να έχει μια ευκαιρία για ανάπτυξη.
Ένας άλλος τρόπος ώστε να προστατευτεί η ζωή από την ακτινοβολία, είναι η αρχική ανάπτυξη της στους ωκεανούς (με δεδομένο ότι αυτοί υπάρχουν και δεν έχουν εξατμιστεί) την περίοδο των έντονων εκλάμψεων του μητρικού άστρου.

Αφθονία

Το σημαντικό πλεονέκτημα που έχουν οι κόκκινοι νάνοι από άλλα αστέρια, για τη ζωή είναι πως παράγουν φωτεινή ενέργεια για πολύ καιρό. Χρειάστηκαν συνολικά 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια και 500 εκ. χρόνια οι κατάλληλες συνθήκες, για να εμφανιστεί ο άνθρωπος στη Γη. Οι κόκκινοι νάνοι, αντίθετα, θα μπορούσαν να υπάρχουν για τρισεκατομμύρια χρόνια, επειδή οι πυρηνικές αντιδράσεις τους είναι πολύ πιο αργές από τα μεγαλύτερα αστέρια, που σημαίνει ότι η ζωή θα έχει περισσότερο χρόνο για να εξελιχθεί και πλέον να επιβιώσει.  Η πρώτη υπεργαία με μάζα 3 έως 4 φορές εκείνη της Γης που βρέθηκε στη δυνητικά  κατοικήσιμη ζώνη του άστρου του, είναι ο Gliese 581g, με μητρικό άστρο τον ερυθρό νάνο  Γκλίζε 581. Ο πλανήτης αυτός αν και παλιρροϊκά κλειδωμένος, πιθανολογείται ότι μπορεί να διαθέτει υγρό νερό Δεδομένου ότι πιστεύεται πως υπάρχει εδώ και 7 δισεκατομμύρια χρόνια και έχει αρκετά μεγάλη μάζα πιθανότατα υποστηρίζει και ατμόσφαιρα.
Μια άλλη δυνατότητα θα μπορούσε να προκύψει στο μακρινό μέλλον, όταν σύμφωνα με προσομοιώσεις σε υπολογιστή, ένας ερυθρός νάνος γίνεται μπλε νάνος, όταν εξαντλεί τα αποθέματα υδρογόνου. Επειδή αυτό το είδος αστέρα είναι πιο φωτεινό από έναν ερυθρό νάνο, οι πλανήτες σε τροχιά γύρω του που είχαν παγώσει θα μπορούσαν να αποψυχθούν μετά από αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό το εξελικτικό στάδιο διαρκεί (5 δισεκατομμύρια χρόνια, για παράδειγμα, για έναν αστέρα με μάζα 0,16 ηλιακές μάζες, δίνοντας στη ζωή μια ευκαιρία για να εμφανιστεί και να εξελιχθεί.

Κατακράτηση νερού

Οι πλανήτες μπορούν να διατηρήσουν σημαντικές ποσότητες νερού, στις κατοικήσιμες ζώνες των υπέρψυχρων νάνων, που έχουν μάζα 0,04-0,06 M ηλιακές μάζες, παρά τη φωτόλυση του νερού και τη διαφυγή του υδρογόνου λόγω της υπεριώδους ακτινοβολίας.
Οι υδάτινοι κόσμοι των εξωλανητών σε τροχιά γύρω από ερυθρούς νάνους τύπου Μ, μπορεί να εξαντληθούν σε δισεκατομμύρια χρόνια, λόγω της πιο έντονης ακτινοβολίας και ροής σωματιδίων που αντιμετωπίζουν κοντά σε κατοικήσιμες ζώνες. Αν η ατμόσφαιρα εξαντληθεί σε μικρότερο χρονικό διάστημα από δισεκατομμύρια χρόνια,  θα ήταν ανασταλτικός παράγοντας για την εκκίνηση της ζωής (αβιογένεση) στον πλανήτη.

Η συχνότητα των πλανητών μεγέθους Γης  γύρω από υπέρψυχρους νάνους

Μια μελέτη των αρχειακών δεδομένων του Spitzer μας δίνει μία πρώτη ιδέα και εκτίμηση για το πόσο συχνό είναι να βρίσκονται πλανήτες μεγέθους Γης γύρω από υπέρψυχρους νάνους: 30-45%. Μια προσομοίωση σε υπολογιστή βρίσκει ότι οι πλανήτες που σχηματίζονται γύρω από αστέρια με παρόμοια μάζα του TRAPPIST-1 (c. 0,08 M) είναι πιο πιθανό να έχουν μεγέθη παρόμοια με τη Γη.