Tähteä ympäröivä elämänvyöhyke

Tähteä ympäröivä elämänvyöhyke (elinkelpoinen vyöhyke, elämänvyöhyke, elokehä, ekosfääri) on Aurinkoa tai muuta tähteä ympäröivä vyöhyke, jolla lämpötila on sopiva nestemäisen veden esiintymiseen. Jos tällä vyöhykkeellä on planeetta, sillä voi olla elämää. Maa on ainoa varmasti tunnettu elämänvyöhykkeellä kiertävä planeetta, vaikka monien eksoplaneettojen väiteäänkin useien kiertävän elämänvyöhykkeellä. Elinkelpoisen vyöhykkeen sisä- ja ulkorajoja esimerkiksi Auringolle ei tunneta.
Maan tyyppistä elämää ylläpitävää planeettaa kutsutaan elinkelpoiseksi planeetaksi, joskus myös kultakutriplaneetaksi (engl. goldilocks planet). Luultavasti elinkelpoisen vyöhykkeen sijainti riippuu keskustähden lisäksi myös planeetan pyörimisnopeudesta, merten ja mannerten osuudesta ja jakaumasta, sen kaasukehän arvoista jne. Yleensä kultakutriplaneetan määritelmään sisältyy myös, että sen massan on oltava melko lähellä Maan massaa. Aurinkokunnan ulkopuolelta löydetyistä eksoplaneetoista kultakutriplaneettana pidetään nykyään lähinnä planeettaa Gliese 581 g.
Tutkijoiden mielestä yksinäiset Aurinkoa muistuttavat G-tyypin pääsarjan tähdet sopivat parhaiten elämälle. Myös kaksoistähdillä voi olla tietyin edellytyksin elämälle sopivia planeettoja.

Optimistinen ja pessimistinen arvio

Elämä Maan pinnalla on mahdollista, koska se kiertää lämmittävää Aurinkoa, joka lämmittää Maata teholla 1 370 W/m². Maan keskimääräinen lämpötila laskettuna eri paikkojen ja päivien vuosikeskiarvoksi on noin 14,4 °C.
Meidän tuntemamme mutkikkaisiin hiiliyhdisteisiin perustuva elämä vaatii nestemäistä vettä. Niinpä elinkelpoisen vyöhykkeen laaja määritelmä on se, että planeetalla esiintyy nestemäistä vettä. Mutta lämpötila ei saa myöskään olla liian lähellä kiehumispistettä, koska silloin useimmat eliöt hajoavat. Jotkut mikroskooppisen pienet alkeistumalliset ekstremofiilit kestävät silti yli 100 °C:n lämpötiloja, ja jotkut jäkälät jonkin verran pakkasta.
Melkoisen optimistisesti on ajateltu elinkelpoisen vyöhykkeen olevan Auringolle noin 0,7–1,6/1,75 AU eli kattavan Venuksen ja Marsin. Äärirajat vyöhykkeelle ovat eri tutkijoiden mukaan 0,5 – 3 AU. Eräs arvio sijoittaa elinkelpoisen vyöhykkeen etäisyydelle 0,8–1,6 AU. Kolmannen optimistisen arvion mukaan elinkelpoinen vyöhyke HZ olisi Auringolle 0,9–1,4 AU. Pessimististen arvioiden mukaan sen sisäraja olisi karkaavan kasvihuone-ilmiön takia vain 0,93–0,96 ja ulkoraja jäätymisen takia 1,1–1,02 AU.  Mutta kaikkein pesiimistisin arvio väittää Maan kiertävän lähellä elinkelpoisen vyöhykkeen sisärajaa, joka olisi 0.99 AU. Toisen hyvin pessiimistisen arvion mukaan ulkoraja olisi 1,01 AU.

Planeetan muut ominaisuudet kuin etäisyys keskustähdestä

Planeetan lämpötila riippuu monesta tekijästä:  Keskustähden säteilyntuotosta ja etäisyydestä keskustähdestä, josta käsin yleensä elinkelpoista vyöhykettä tarkastellaan. Mutta planeetan lämpötilaan vaikuttavat yleensä myös valonheijastuskyky ja kasvihuone-ilmiö.
Myös planeetan radan soikeus, pyöriminen ja akselin kallistuma luovat vuoden- ja vuorokaudenaikoja. Planeetalla olevan veden määrä vaikuttaa mannerten ja merien määrään ja jakaumaan, kaasukehän kosteuteen ja pilvisyyteenkin. Pilvisyys vaikuttaa planeetan valonheijastuskykyyn ja lämpötilaan. Kaasukehän kosteus lisää kasvihuone-ilmiötä.
Kaasukehän tiheys ja koostumus vaikuttavat muun muassa kasvihuone-ilmiöön ja veden olomuotoon ja näin lämpötilaan.

Alan tutkijoita

Vuonna 1953 Hubertus Strughold määritteli elinkelpoisen vyöhykkeen "ekosfäärin". Samana vuonna Harlow Shapley kirjoitti nestemäisen veden vyöhykkeestä. Tämän vyöhykkeen esittelivät myös Philip Morrison ja Giuseppe Cocconi SETI-aiheisessa tutkimusartikkelissaan vuonna 1959. Samoihin aikoihin sitä tutki myös Su-Shu Huang, joka väitti asuttavien planeettojen olevan harvinaisia moninkertaisilla tähdillä painovoimahäiriöiden vuoksi. Vuonna 1961 Frank Drake teki käsitteestä tunnetun Draken yhtälön yhteydessä. Vuonna 1964 planeettojen elinkelpoisuutta käsittelevän tutkimuksen julkaisi Stephen H. Dole, ja Isaac Asimov kiinnostui planeettojen elinkelpoisuudesta. 2000-luvulla Peter Ward, Donald Brownlee ja Guillermo Gonzalez toivat esille ja syvensivät galaktisen elinkelpoisen vyöhykkeen ajatusta.

Michael Hartin tutkimus

Michael H. Hart julkaisi vuonna 1979 tutkimuksen Habitable Zones About Main-Sequence Stars, jossa hän määritteli pitkään elinkelpoiselle vyöhykkeelle hyvin kapeat rajat, korkeintaan 0,95–1,01 AU. Hartin mielestä olennainen elinkelpoista vyöhykettä määrittävä tekijä tähden säteilyn lisäksi oli sen pysyvyys suunnilleen samana sen ajan, minkä tutkijat arvioivat elämän kehityksen vaativan. Hart ei ottanut huomioon karbonaatti-silikaatti-sykliä, joka kierrättää kasvihuonekaasu hiilidioksidin hiiltä.

Walker ja Kasting

Nykyään tutkijat ovat taipuvaisa ajattelemaan, että Hartin esittämä sisäraja osuu lähelle oikeaa, mutta ulkorajan arviointi saattaa olla liian pessimistinen.
Karbonaatti-silikaatti-syklin toi esille ensi kertaa Walker ja sen pohjalta on ekokehiä laskeskellut Kasting, joka esittää minimiarvioksi elinkelpoiselle vyöhykkeelle 0,95–1,15 AU ja hieman optimistisemmaksi arvioksi 0,95–1,37 AU.

Maan lämpötilavaatimukset

Maan lämpötilan on pysyttävä tietyissä rajoissa. Muuten siitä kiehuu vesi pois, alkaa planeetan korventava kasvihuone-ilmiö tai kylmemmässä tapauksessa maa jäätyy lumipalloksi.
Maan keskilämpötila on saattanut olla liitukaudella 6–15 °C nykyistä korkeampi eli 21–30 °C. Maapallolla esiintyy aavikoilla yli 45 °C helteitä. Maapallo jäätyy viimeistään 40–60 °C pakkasessa pinnaltaan kokonaan, mahdollisesti jo −15 °C:ssä. (40–60?)

Kaksoistähdet

Kaksoistähdissä kaksi tähteä kiertää toisiaan. Suurin osa kaikista auringon tyyppisistä tähdistä on kaksoistähtien komponentteja: kaksoistähtiä kaikista 0,5–1,5 auringon massaisista tähdistä on noin 65 %. Aikaisemmin väitettiin, ettei kaksoistähdille voi syntyä planeettoja. Nykyisten tutkimusten mukaan voi, ja planeettojen radat pysyvät kohtalaisen vakaina, jos tähdet ovat joko aivan lähekkäin tai kohtuullisen kaukana toisistaan. Vakaa vyöhyke tähden ympärillä ulottuu siinä 1/5–1/7 päähän tähtien välimatkoista, tai ulkopuolelle 5x–7x päähän. Varmasti epävakaita ovat radat, jotka ovat 1/3–3,5 tähden välimatkan päässä. Lisäksi on otettava huomioon, että jotkut teoriat vaativat Maata komeetoilta suojelevan Jupiterin Maata huomattavasti ulommas.
Nämä kriteerit täyttäviä tähtiä on noin 2/3 kaksoistähdistä. Erään toisen arvion mukaan viidellä prosentilla kaksoistähdistä voisi molempia tähtiä kiertää yhtä aikaa elinkelpoisessa vyöhykkeessä planeetta. Yksittäisiä tähtiä voisi kiertää planeetta 50 prosentissa tapauksista. Jos on kaksi tähteä, jotka kiertävät toisiaan 1 AU:n päässä, jonkinlaisia ratoja voi olla jo 2,5 AU:n päässä tähtien yhteisestä massakeskipisteestä. Esiplanetaariset kiekot näyttävät kaksoistähdillä olevan yhtä yleisiä kuin yksinäisillä tähdillä. Havaintojen mukaan esiplanetaarisia kiekkoja on eniten hyvin lähekkäisillä ja erillisillä kaksoistähdillä. Niillä nuorilla tähdillä joiden väli on 0–3 AU, ja myös niillä joiden väli on 50–500 AU on kiekkoja. Kaksoistähdillä, joiden väli on 3–50 AU, ei ole esiplanetaarisia kiekkoja.

Kritiikkiä

Tähteä elämänvyöhykkeellä kiertävä planeetta ei ole välttämättä elin- tai asuinkelpoinen. Elinkelpoisia voivat olla mm. jotkut elämänvyöhykkeen ulkopuolella
olevat kuut. Myöskään ei osata varmasti sanoa, että maan elämä olis syntynyt juuri Maassa. Näin ollen Maan eliöihin pohjautuvat elinkelpoisten vyöhykkeiden laskeskelut ovat korkeintaan suuntaa antavia.