Obytné planety kolem hvězd červených trpaslíků nemusí mít dostatek fotonů na podporu života rostlin
V posledních letech se počet extrasolárních planet objevených kolem blízkých hvězd typu M (červených trpaslíků) značně zvýšil. V mnoha případech byly tyto potvrzené planety „ Zemi podobné “, což znamená, že jsou pozemské (aka. skalnaté) a velikostí srovnatelné se Zemí. Tyto nálezy byly obzvláště vzrušující, protože červení trpaslíci jsou ve vesmíru nejběžnější – tvoří 85 % hvězd jen v Mléčné dráze.
Bohužel, v poslední době byly provedeny četné studie, které naznačují, že tyto planety nemusí mít nezbytné podmínky pro život. Nejnovější pochází z Harvardské univerzity, kde postdoktorandský výzkumník Manasvi Lingam a profesor Abraham Loeb prokázali, že planety kolem hvězd typu M mohou nedostává dostatek záření z jejich hvězd, aby došlo k fotosyntéze.
Zjednodušeně řečeno se předpokládá, že život na Zemi se objevil před 3,7 až 4,1 miliardami let (během pozdního hadejského nebo raného archejského Eonu), v době, kdy by dnes byla atmosféra planety pro život toxická. Před 2,9 až 3 miliardami let se začaly objevovat fotosyntetizující bakterie a začaly obohacovat atmosféru plynným kyslíkem.
Umělcův dojem západu slunce viděný z povrchu exoplanety podobné Zemi. Kredit: ESO/L. Calçada
V důsledku toho Země zažila to, co je známé jako „ Velká oxidační událost “ asi před 2,3 miliardami let. Během této doby fotosyntetické organismy postupně přeměnily zemskou atmosféru z atmosféry složené převážně z oxidu uhličitého a metanu na atmosféru tvořenou plynem dusíku a kyslíku (~78 % a 21 %).
Je zajímavé, že se předpokládá, že jiné formy fotosyntézy se objevily ještě dříve než fotosyntéza chlorofylu. Tyto zahrnují fotosyntéza sítnice , který se objevil ca. před 2,5 až 3,7 miliardami let a dodnes existuje v omezeném prostředí. Jak název napovídá, tento proces spoléhá na retinal (druh fialového pigmentu), který absorbuje sluneční energii ve žlutozelené části viditelného spektra (400 až 500 nm).
Existuje také anoxygenní fotosyntéza (kde se oxid uhličitý a dvě molekuly vody zpracovávají za vzniku formaldehydu, vody a plynného kyslíku), o které se předpokládá, že zcela předchází kyslíkové fotosyntéze. Jak a kdy se objevily různé typy fotosyntézy, je klíčem k pochopení, kdy začal život na Zemi. Jak profesor Loeb vysvětlil Universe Today prostřednictvím e-mailu:
„‚Fotosyntéza‘ znamená ‚skládání‘ (syntéza) světlem (foto). Je to proces používaný rostlinami, řasami nebo bakteriemi k přeměně slunečního záření na chemickou energii, která pohání jejich činnost. Chemická energie je uložena v molekulách na bázi uhlíku, které jsou syntetizovány z oxidu uhličitého a vody. Tento proces často uvolňuje kyslík jako vedlejší produkt, který je nezbytný pro naši existenci. Celkově fotosyntéza dodává všechny organické sloučeniny a většinu energie nezbytné pro život, jak jej známe na planetě Zemi. Fotosyntéza vznikla relativně brzy v evoluční historii Země.
Studie, jako jsou tyto, které zkoumají roli fotosyntézy, nejsou důležité jen proto, že nám pomáhají pochopit, jak na Zemi vznikl život. Kromě toho by také mohly pomoci informovat naše chápání toho, zda se život může objevit na extrasolárních planetách a za jakých podmínek by k tomu mohlo dojít.
Jejich studie s názvem „ Fotosyntéza na obyvatelných planetách kolem hvězd s nízkou hmotností “, se nedávno objevilo online a bylo odesláno doMěsíční oznámení Královské astronomické společnosti.V zájmu své studie se Lingam a Loeb snažili omezit tok fotonů u hvězd typu M, aby zjistili, zda je možná fotosyntéza na pozemských planetách, které obíhají kolem červených trpaslíků. Jak řekl Loeb:
„V našem článku jsme zkoumali, zda může fotosyntéza probíhat na planetách v obyvatelné zóně kolem nízkohmotných hvězd. Tato zóna je definována jako rozsah vzdáleností od hvězdy, kde povrchová teplota planety umožňuje existenci kapalné vody a chemii života, jak ji známe. U planet v této zóně jsme vypočítali ultrafialový (UV) tok osvětlující jejich povrch jako funkci hmotnosti jejich hostitelské hvězdy. Nízkohmotné hvězdy jsou chladnější a produkují méně UV fotonů na množství záření.
V souladu s nedávnými nálezy červených trpaslíků se jejich studie zaměřila na „analogy Země“, planety, které mají stejné základní fyzikální parametry jako Země – tj. poloměr, hmotnost, složení, efektivní teplotu, albedo atd. Od teoretických limitů fotosyntézy kolem jiných hvězd nejsou dobře pochopeny, také pracovaly se stejnými limity jako ty na Zemi – mezi 400 až 750 nm.
Umělecká ilustrace hypotetické exoplanety obíhající kolem červeného trpaslíka. Obrazový kredit: NASA/ESA/G. slanina (STScI)
Z toho Lingam a Loeb vypočítali, že hvězdy typu M s nízkou hmotností nebudou schopny překročit minimální tok UV záření, který je nutný k zajištění biosféry podobné té na Zemi. Jak Loeb ilustroval:
„To znamená, že obyvatelné planety objevené za posledních několik let kolem blízkých trpasličích hvězd, Proxima Centauri (nejbližší hvězda ke Slunci, 4 světelné roky daleko, 0,12 sluneční hmotnosti, s jednou obyvatelnou planetou, Proxima b) a TRAPPIST-1 ( 40 světelných let daleko, 0,09 hmotnosti Slunce, se třemi obyvatelnými planetami TRAPPIST-1e,f,g), pravděpodobně nemají biosféru podobnou Zemi. Obecněji řečeno, spektroskopické studie složení atmosfér planet, které procházejí svými hvězdami (jako TRAPPIST-1), pravděpodobně nenajdou biomarkery, jako je kyslík nebo ozón, na detekovatelné úrovni. Pokud se najde kyslík, jeho původ bude pravděpodobně nebiologický.“
Tento druh analýzy má přirozeně své limity. Jak již bylo zmíněno, Lingam a Loeb naznačují, že teoretické limity fotosyntézy kolem jiných hvězd nejsou dobře známé. Dokud se nedozvíme více o planetárních podmínkách a radiačním prostředí kolem hvězd typu M, budou vědci nuceni používat metriky založené na naší vlastní planetě.
Za druhé, je tu také skutečnost, že hvězdy typu M jsou proměnlivé a nestabilní ve srovnání s naším Sluncem a dochází u nich k periodickým vzplanutím. Lingam a Loeb s odvoláním na další výzkum naznačují, že tyto mohou mít pozitivní i negativní účinky na biosféru planety. Stručně řečeno, hvězdné erupce by mohly poskytnout další UV záření to by pomohlo spustit prebiotickou chemii, ale mohlo by to být také škodlivé pro a atmosféra planety .
Umělcův dojem, jak může vypadat povrch planety obíhající kolem červeného trpaslíka. Kredit: M. Weiss/CfA
Nicméně, kromě intenzivnějších studií extrasolárních planet, které obíhají kolem červených trpaslíků, jsou vědci nuceni spoléhat se na teoretická hodnocení pravděpodobnosti života na těchto planetách. Pokud jde o zjištění prezentovaná v této studii, jsou dalším náznakem toho, že hvězdné systémy červených trpaslíků nemusí být nejpravděpodobnějším místem k nalezení obyvatelných světů.
Pokud jsou pravdivé, mohou mít tato zjištění také drastické důsledky pro hledání mimozemské inteligence (SETI). 'Vzhledem k tomu, že kyslík produkovaný fotosyntézou je nezbytným předpokladem pro komplexní život, jako jsou lidé na Zemi, bude také zapotřebí pro vývoj technologické inteligence,' řekl Loeb. 'Výskyt toho druhého zase otevírá možnost najít život prostřednictvím technologických podpisů, jako jsou rádiové signály nebo obří artefakty.'
V současné době je hledání obyvatelných planet a života nadále založeno na teoretických modelech, které nám říkají, na co si dát pozor. Zároveň jsou tyto modely i nadále založeny na „životě, jak ho známe“ – tedy na příkladech pozemských analogů a pozemských druhů. Naštěstí astronomové očekávají, že se v nadcházejících letech díky vývoji přístrojů nové generace naučí mnohem více.
Čím více se o systémech exoplanet dozvíme, tím pravděpodobněji určíme, zda jsou nebo nejsou obyvatelné. Ale nakonec nebudeme vědět, co jiného bychom měli hledat, dokud to skutečně nenajdeme. Takový je velký paradox, když dojde na Hledání mimozemské inteligence, nemluvě o tom další velký paradox (vyhledej to!).
Další čtení: arXiv