Elustatav Tsoon: Vöö, Kus Võib Peituda 40 Miljardit Maad

Kepleri kosmoseteleskoobi andmed, mis kuulutati välja 4. novembril 2013, viitasid umbes 40 miljardile Maa suurusele maailmale, mis võiksid orbiteerida tsoonides, kus vedelik vesi võis ellu jääda päikesele sarnaste tähtede ja punaste käparite ümber, mis on Linnuteel hajutatud. See üksik arv vormis ümber, kuidas astronoomid oma galaksist räägivad — mitte tähtede levinud tühimikuna, vaid tihedalt maastikuna kohtade, kus vedelik vesi võis usutavalt kallidel pinnal koguneda.

Elustav tsoon ise on petlik lihtne idee: tähe vahemaade vahemik, kus planeet võib olla piisavalt soe vedeliku vee hoidmiseks, kuid mitte nii kuum, et see aurustub. See kõlab põhilise geomeetria nagu, kuid tegelik teadus on segasem — planeedi atmosfäär, selle orbiit ja selle enda tähe temperament suruvad piire. See juhend käib, kust idee pärineb, mida see tegelikult ennustab ja kuhu see jaguneb.

Termin elustav tsoon ilmus tõenäoliselt esmakordselt 1913. aastal astronoomi Edward Maunderi raamatus Kas Planeedid on Asustatud? — kümnendeid enne seda, kui keegi oli kinnitanud ühe planeedi väljaspool meie päikesesüsteemi. Maunder arutles esimestest põhimõtetest: planeedi temperatuur sõltub selle kaugusest tähtedest, nii et peaks olema tsoon, kus see temperatuur võimaldab vedelikku vett.

Kontseptsiooni kaasaegne versioon, mida astronoomid tegelikult kasutavad, pakkus 1959. aastal astrofüüsik Su-Shu Huang, kes ehitas selle ümber kliimapiirangute, mis kodutäht kehtestab mis tahes seda ümbritseval planeedil. Huangi raamistik on põhjus, miks fraas "elustav tsoon" nüüd kuvatakse praktiliselt kõigis eksoplaneetide avastamise teadaannetes — see annab ajakirjanikele ja teadlastele kiire lühenduse "see planeet on umbes õige kaugusel".

Kepler-452b on üks selgeimaid näiteid ideest tegevuses. See orbiteerib oma tähe juures 1,04 AU (156 miljonit km) — peaaegu täpselt Maa kaugus Päikesest — täites orbiiti iga 385 päeva, raadiusega umbes 1,63 korda suurem kui Maa ja massiga vähemalt kolm korda suurem kui Maa. See, mis teeb selle veel tähelepanuväärsemaks, on aeg: Kepler-452b oli veetnud enamus oma eksistentsi oma tähe elustataval tsoonil, veidi üle kuue miljardi aasta ja loendades, kauem kui Maa on olnud.

Iga elustava tsooni planeet ei orbiteerita tähe nagu Päike. TRAPPIST-1 efektiivne temperatuur on vaid 2 566 K (2 293 °C); see teeb selle 2022. aastast algates teadaolevalt kõige külmemaks tähed planeete — meeldetuletus, et tsoon nihkub sissepoole, mitte väljapoole, nõrgete, külmete tähtede ümber. Ja otsing ei piirdu väikeste, vaikeste süsteemidega: 55 Cancri f leiti orbitaalsel positsioonil oma tähe 55 Cancri A elustataval tsoonil, süsteemi osana, mis muutus ainuks meie kõrval, et teadaolevalt viit planeeti majutada. 55 Cancri süsteem asub 41 valgusaastad eemal ja kordab meie päikesesüsteemi kuju — neli planeeti tihedalt ja üks hiiglane maailm kaugemal — kuid ei oma Maa ega Marsi vastet. See viies planeet, 55 Cancri f, on umbes poole suurusega kui Saturn, vähemalt 45 korda Maa mass, ja täidab orbiiti 0,785 AU iga 260,8 päeva — gaas hiiglane istuv kus kiviline maailm võis olla oodatud.

Olla elustataval tsoonil ei ütle midagi selle kohta, millest planeet tegelikult koosneb, ja see on see, kus tiheduseandmed muutuvad oluliseks. Kõigi teadaolevate eksoplaneetide populatsiooni lõikes ulatub tihedus 7,6 grammini kuupsentimeetri kohta umbes 1,4 Maa raadiuse planeedi jaoks — tihedam, sel suurusel, kui peaaegu kõik muu loenduses. Umbes 1,5 Maa raadiuse ümber langeb planeedi tihedus aga kiiresti, märk, et need maailmad kannavad paksust lenduvate ainete kihti kivisel tuuma kohal, mis pole läbivalt kivi. Elustav tsooni planeet, mis näeb paberil Maa suurusena, võis tegelikult olla väike gaasiline maailm ilma tahke pinnata.

Nende planeetide levinud hinnang on olnud liikuvad siht. Treppengi ja Charbonneau 2013. aasta uuringust kasutati Kepleri andmeid et arvutada, et külmad tähed kannavad umbes 0,15 Maa suurusega elustavatest tsoonil planeete tähe kohta. Hilisem uuesti analüüs tõstis selle hinnangu 0,48 kuni 0,53 punasele käparikule, mis sõltub sellest, kuidas konservatiivselt tsooni ääred tõmmatakse — rohkem kui kolmekordne algne arv, lihtsalt oletuste kohandamisega, kus tsoon algab ja lõpeb. See võnkumine on kasulik õppetund: elustav tsoon pole fikseeritud, universaalselt lepitud rida, see on töötas hinnang, mis muutub mudelite paremana.

Isegi planeet, mis istub oma tähe elustataval tsoonil geomeetriliselt keskel, sõltub sel tähtedel käitumisest ennustatavalt. Päike ise jääb märkimisväärselt stabiilseks, kogu heledus muutub umbes 0,1% umbes 11-aastase päikese aktiivsuse tsükli jooksul — palju pehme kõikumine kui nähtav tähtedes, mis pulseerivad ja paistevad palju vägivaldsemalt, ja suur osa sellest, miks Maa kliima on jäänud elustatavaks geoloogilise aja jooksul. Stabiilsus pole garanteeritud, kuid selle puudumine jätab jälje: 70-aastane paus päikese plekkides, mida nimetatakse Maundreri miinimumiks, mis ulatub 17. ja 18. sajandi lõpust, on seotud Väikese jääajastuse külmema perioodiga, mil Euroopa ja Põhja-Ameerika kannatusid brutaalselt külmad talved. Tähe väikesed kõikumised väljundis võivad kogu planeedi kliimat mõjutada põlvkondade jooksul.

Elustav tsoon joonistatakse tavaliselt puhtalt rõngana, kuid vähesed planeedid seda tegelikult ringjoonel liiguvad. Eksoplaneedi mõõdetud orbitaaleksentrilisus on uurijaid üllatanud: 90% on eksentrilisem kui midagi Päikese süsteemis, ja keskmine ekstsentrilisus on 0,25. Planeet venitatud, elliptilisel orbiidil võib kõikuda elustataval tsoonil välisäärelt sisäärele ja tagasi ühe aasta jooksul, muutes stabiilse välimusega "tsooni" palju rasgemaks, muutuvamaks sõiduks.

• ScienceDaily: Astronomers Discover Record Fifth Planet Around Nearby Star 55 Cancri
• arXiv: The Mass-Radius Relation for 65 Exoplanets Smaller than 4 Earth Radii
• arXiv: A revised estimate of the occurrence rate of terrestrial planets in the habitable zones around Kepler M-dwarfs
• NASA Science: Solar Variability and Terrestrial Climate
• Wikipedia: Habitable zone
• Wikipedia: Kepler-452b
• Wikipedia: TRAPPIST-1
• Wikipedia: Planetary habitability