Asuttava Vyöhyke: Vyöhyke, jossa voisi piillä 40 miljardia Maata

Keplerin avaruusteleskoopin tiedot, jotka ilmoitettiin 4. marraskuuta 2013, osoittivat noin 40 miljardiin Maan kokoisiin maailmoihin, jotka saattoivat kiertää alueita, joissa nestemäinen vesi voisi selviytyä aurinkoon kaltaisia tähteitä ja punaisia kääpiöitä ympäri Linnunrataa ympärillä. Tämä yksittäinen luku muutti sitä, miten tähtitieteilijät puhuvat galaksistamme — ei tähtien hajallona, vaan tiheänä kentänä paikoista, joissa nestemäinen vesi voisi uskottavasti kertyä kallioiselle pinnalle.

Asuttava vyöhyke itsessään on petollisuuden kannalta yksinkertainen idea: tähdeltä peräisin olevien etäisyyksien alue, jossa planeetta voisi olla tarpeeksi lämmin nestemäisen veden säilyttämiselle, mutta ei niin kuuma, että se kiehuuu pois. Se kuulostaa perusgeometrialta, mutta todellinen tiede on sekavampaa — planeetan ilmakehä, sen kiertorata ja sen oman tähden temperamentti kaikki työntävät rajoja ympärille. Tämä opas käy läpi, mistä idea tuli, mitä se todella ennustaa ja missä se hajoaa.

Termi asuttava vyöhyke ilmestyi mahdollisesti ensimmäisen kerran vuonna 1913 tähtitieteilijä Edward Maunderin kirjassa Are The Planets Inhabited? — vuosikymmeniä ennen kuin kukaan oli vahvistanut yhtään planeettaa aurinkokuntamme ulkopuolella. Maunder päätteli ensimmäisistä periaatteista: planeetan lämpötila riippuu sen etäisyydestä tähteensä, joten pitäisi olla vyöhyke, jossa tämä lämpötila sallii nestemäisen veden.

Käsitteen nykyaikainen versio, jota tähtitieteilijät tosiasiallisesti käyttävät nykyään, ehdotti astrofyysikko Su-Shu Huang vuonna 1959, joka rakensi sen sen ympärille ilmastoon liittyvät rajoitukset, joita isäntätähti aiheuttaa kaikille sitä kiertäville planeetoille. Huangin puitteet ovat syy siihen, miksi lause "asuttava vyöhyke" esiintyy nyt lähes jokaisessa eksoplaneettojen löytöjen ilmoituksessa — se antaa toimittajille ja tutkijoille nopean lyhenteen "tämä planeetta on suunnilleen oikealla etäisyydellä".

Kepler-452b on yksi selvimmistä esimerkeistä ideasta toiminnassa. Se kiertää tähteään 1,04 AU:lla (156 miljoonaa km) — lähes tarkalleen Maan etäisyys Auringosta — täyttäen kiertoradan joka 385 päivää, noin 1,63 kertaa Maan säteellä ja vähintään kolme kertaa Maan massalla. Mikä tekee siitä entistä merkittävämpi on aika: Kepler-452b on viettänyt suurimman osan olemassaolostaan tähteensä asuttavalla vyöhykkeellä, hieman yli kuusi miljardia vuotta ja lasketaan, kauemmin kuin Maa on ollut olemassa.

Kaikki asuttavan vyöhykkeen planeetat eivät kierrä Auringon kaltaista tähteä. TRAPPIST-1:n tehokas lämpötila on vain 2 566 K (2 293 °C); tämä tekee siitä vuodesta 2022 lähtien kylmimmän tunnetun tähden, joka isännöi planeettoja — muistutus siitä, että vyöhyke siirtyy sisäänpäin, ei ulospäin, himmeillä, kylmillä tähdillä. Ja haku ei rajoitu pieniin, hiljaisiin järjestelmiin: 55 Cancri f löydettiin kiertoradalla tähteensä 55 Cancri A:n asuttavalla vyöhykkeellä, osana järjestelmää, josta tuli ainoa omamme lisäksi, jonka tiedetään isännöivän viisi planeettaa. 55 Cancri -järjestelmä on 41 valovuoden päässä ja kaikuu oman aurinkokuntamme muotoa — neljä planeettaa tiukasti yhdessä ja yksi jättimäinen maailma kauemmas — mutta sillä ei ole vastinetta Maalle tai Marsille. Tämä viides planeetta, 55 Cancri f, on noin puolet Saturnuksen koosta, ainakin 45 kertaa Maan massaa ja täyttää kiertoradan 0,785 AU:ssa joka 260,8 päivää — kaasukaistale istuen siellä, missä kivimaista maailmaa olisi voitu odottaa.

Oleminen asuttavalla vyöhykkeellä ei kerro mitään siitä, mistä planeetta todellisuudessa koostuu, ja silloin tiheyden tiedot tulevat välttämättömiksi. Kaikkien tunnettujen eksoplaneettojen väestöstä tiheys huipentuu 7,6 grammaan kuutiosenttimetriä kohden planeetoille noin 1,4 Maan säteillä — tiheämmät, näissä koot, kuin lähes kaikki muu väestönlaskennassa. Noin 1,5 Maan säteen ulkopuolella planeetan tiheys kuitenkin laskee nopeasti, merkki siitä, että nämä maailmat kantavat paksua kerosta epävakaita aineita kivisen ytimen päällä eikä olemaan kiveä läpi. Asuttavan vyöhykkeen planeetta, joka näyttää Maan kokoista paperilla, voisi käytännössä olla pieni kaasuplaneetta ilman kiinteää pintaa.

Näiden planeettojen yleisyyden arvioiminen on ollut liikkuva tavoite. Dressingin ja Charbonnea'n vuonna 2013 tekemä tutkimus käytti Keplerin tietoja laskeakseen, että kylmät tähdet kantavat noin 0,15 asuttavan vyöhykkeen Maan kokoista planeettaa tähteä kohti. Myöhempi uudelleenanalyysi nosti tämän arvion 0,48-0,53 asuttavan vyöhykkeen planeettaan punaista kääpiötä kohti riippuen siitä, kuinka konservatiivisesti vyöhykkeen reunat piirretään — yli kolminkertainen alkuperäisestä luvusta, vain oletuksista säätämällä siitä, mistä vyöhyke alkaa ja loppuu. Tämä heilahtelu on hyödyllinen oppitunti: asuttava vyöhyke ei ole kiinteä, universaalisti sovittu linja, se on toimiva arvio, joka muuttuu malleina parantuessa.

Jopa planeetta, joka istuu geometrisessa keskussään tähteensä asuttavalla vyöhykkeellä, riippuu siitä tähteestä käyttäytyvät ennustettavasti. Aurinko itse pysyy huomattavasti vakaana, kokonaiskirkkaus muuttuu vain 0,1% sen noin 11 vuoden aurinkoaktiivisuuskierron yli — paljon lempeämpi heilahtelu kuin tähdissä, jotka pulssiivat ja hehkuvat paljon väkivaltaisemmin, ja suuri osa syystä siihen, miksi Maan ilmasto on pysynyt asuttavana geologisen ajan yli. Vakavuus ei ole taattua, mutta sen puuttuminen jättää jäljen: 70 vuoden tauko auringonpilkkuissa nimeltä Maunder Minimum, joka ulottuu 1600-luvun lopusta ja 1700-luvun alussa, on yhdistetty Pienen jääkauden kylmimpään jaksoon, kun Eurooppa ja Pohjois-Amerikka kärsivät julmusti kylmistä talvista. Tähden pienet heilahdukset tuottavuudessa voivat työntää koko planeetan ilmastoa sukupolvien yli.

Asuttava vyöhyke piirretään yleensä puhtaaksi renkaaksi, mutta harvat planeetat matkustavat sitä todella pyöreällä polulla. Eksoplaneettojen mitattu kiertoradojen eksentrisyys on yllättänyt tutkijoita: 90% on eksentrisempi kuin mikään aurinkokunnassa, ja keskimääräinen eksentrisyys on 0,25. Planeetta venytetyllä, elliptisellä kiertoradalla voi heilahtaa asuttavan vyöhykkeen ulkoreunasta sisäreunaan ja takaisin yhden vuoden kuluessa, muuttaen vakaalta näyttävän "vyöhykkeen" paljon kovemmaksi, vaihtelevammaksi ajeluksi.

• 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