Punaisten kääpiötähtijärjestelmien elinkelpoisuus

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

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

Silloin planeetan päivänpuolella on Auringon alla kuumaa, ja koko yön puoli on kylmä. 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. 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 . Ilmiö vaikuttaa eniten keveillä alle 0,15 Auringon massaisilla planeetoilla, soikeilla e > 0,05 radoilla, ja supermaapalloilla, jotka ovat maata suurempia
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. 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. Kaasukehän pilvet tasaavat ja siirtävät myös lämpöä. Samoin 10 % kaasukehän paine Maan ilmakehään verrattuna, 100 mbar, riittää tasaamaan planeetan lämpötiloja. Maan kokoisella vesimaailmalla olisi yönpuolella –33 °C pakkanen ja muutaman kymmenen metrin jääkerros.

Keskustähden säteily ja hiukkasvirta

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. 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.
Flare on tyypillisesti 300, mutta saattaa hyvinkin olla 10 000 kertaa Auringon vastaavaa voimakkaampi. 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.
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. Toisaalta magneettikenttä ei suojaa Maatakaan täysin koronapurkauksilta. Revontulet ovat punaisen kääpiön lähellä jopa 100 000 kertaa voimakkaampia kuin Maassa, ja niitä esiintyisi siellä keskileveysasteillakin.
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, koska punaisilta kääpiöiltä on löydetty jopa 10 Maan massaisia supermaapalloja. Tunnetuin planeettojen ympäröimä punainen kääpiö on Gliese 581.

Suuri määrä elinkelpoisia planeettoja ?

Euroopan observatorion Eso:n tutkijat sanoivat maaliskuussa 2012, että 40 %:lla punaisista kääpiöistä saattaa olla elinkelpoinen planeetta. 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?

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.
Tutkijat Ida ja Tian väittävät, että punaiselle kääpiölle synty mieluummin valtamerimaailma tai aavikkoplaneetta, kuin keksivetinen Maan tyyppinen planeetta. 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.
Mutta jos Maan vesi on lähinnä peräisin Jupiterin Maan radalle singonneista komeetoista ja pikkuplaneetoista, yllä kuvatulla kuivuusteorialla ei olisi suurta merkitystä punaisten kääpiöiden tapauksessakaan.

Mini-Neptunuksen kehitys elinkelpoiseksi

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