Zatiaľ čo planéty obiehajúce dvojča hviezdy sú základom sci-fi, ďalšou z nich je, že ľudia žijú na planétach obiehajúcich okolo červených gigantických hviezd. Väčšina príbehu Planéta opíc sa koná na planéte okolo Betelgeuse. Planéty okolo Arcturu v Isaac Asimove nadácie seriály tvoria hlavné mesto jeho sektoru Sirius. Supermanova domáca planéta mala obísť okolo fiktívneho červeného obra Rao. Preteky na týchto planétach sú často znázornené ako staré a múdre, pretože ich hviezdy sú staršie a blížia sa ku koncu ich života. Je však skutočne možné také planéty mať?
Hviezdy netrvajú večne. Naše vlastné Slnko má dátum vypršania asi 5 miliárd rokov. V tom čase sa vyčerpá množstvo vodíkového paliva v jadre Slnka. V súčasnosti fúzia tohto vodíka do hélia vyvoláva tlak, ktorý zabráni tomu, aby sa hviezda v dôsledku gravitácie zrútila. Keď však dôjde, tento podporný mechanizmus zmizne a slnko sa začne zmenšovať. Toto zmršťovanie spôsobuje, že sa hviezda znova zohreje, čím sa zvyšuje teplota, až kým sa vodíková vrstva okolo teraz vyčerpaného jadra dostatočne nezohreje na to, aby prevzala úlohu jadra a začne fúzovať vodík na hélium. Tento nový zdroj energie tlačí vonkajšie vrstvy hviezdy späť, čo jej spôsobuje tisíckrát zväčšenie jej predchádzajúcej veľkosti. Medzitým bude horšia teplota na zapálenie tejto formy fúzie znamenať, že hviezda vydá 1 000 až 10 000-krát viac celkového svetla, ale pretože táto energia je rozložená na tak veľkú plochu povrchu, hviezda sa objaví červená, teda hviezda názov.
Takže toto je červený obr: Umierajúca hviezda, ktorá je opuchnutá a veľmi svetlá.
Teraz sa pozrieme na druhú polovicu rovnice, konkrétne to, čo určuje obývateľnosť planéty? Pretože tieto sci-fi príbehy nevyhnutne spôsobujú, že ľudia chodia po povrchu, sú tu niektoré veľmi prísne kritériá, ktoré bude musieť nasledovať.
Po prvé, teplota nesmie byť horúca ani studená. Inými slovami, planéta musí byť v obývateľnej zóne známej aj ako „zóna Goldilocks“. Toto je spravidla celkom dobrý záber nebeskej nehnuteľnosti. V našej vlastnej slnečnej sústave sa tiahne od zhruba obežnej dráhy Venuše po obežnú dráhu Marsu. Ale to, čo spôsobuje, že Mars a Venuša sú nehostinné a Zem sú relatívne útulné, je naša atmosféra. Na rozdiel od Marsu je dosť silný na to, aby udržal veľa tepla, ktoré dostáva zo slnka, ale nie príliš veľa ako Venuša.
Atmosféra je rozhodujúca aj z iných dôvodov. Je zrejmé, že to je to, čo títo neohrození prieskumníci budú dýchať. Ak je príliš veľa CO2, nielenže zachytí príliš veľa tepla, ale sťaží aj dýchanie. Tiež CO2 neblokuje UV žiarenie od Slnka a rakovina by stúpala. Potrebujeme atmosféru bohatú na kyslík, ale nie príliš bohatú na kyslík, alebo nebude dostatok skleníkových plynov na udržanie planéty v teple.
Problém je v tom, že atmosféry bohaté na kyslík jednoducho neexistujú bez pomoci. Kyslík je skutočne veľmi reaktívny. Rád vytvára väzby, vďaka čomu nie je k dispozícii, aby bol voľný v atmosfére, ako chceme. Tvorí veci ako H2O, CO2, oxidy atď. ... Preto Mars a Venuša nemajú v atmosfére prakticky žiadny voľný kyslík. To málo, čo robia, pochádza z ultrafialového žiarenia, ktoré naráža na atmosféru a spôsobuje, že spojené formy sa disociujú a dočasne uvoľňujú kyslík.
Z dôvodu fotosyntézy má Zem iba toľko voľného kyslíka, aký má. Toto nám dáva ďalšie kritériá, ktoré musíme určiť na základe ich obývateľnosti: schopnosť vytvárať fotosyntézu.
Začnime to teda dávať dokopy.
Po prvé, vývoj hviezdy, keď opúšťa hlavnú sekvenciu, opuchnutie, keď sa z nej stane červený obr a stane sa jasnejšou a teplejšou, bude znamenať, že „zóna Goldilocks“ sa bude vynášať smerom von. Planéty, ktoré boli predtým obývateľné ako Zem, sa pražia, ak nie sú Slnkom počas rastu úplne prehltnuté. Namiesto toho bude obývateľná zóna ďalej mimo, kde je teraz Jupiter.
Aj keď však bola planéta v tejto novej obývateľnej zóne, neznamená to jej obývateľnosť pod podmienkou, že má aj atmosféru bohatú na kyslík. Z tohto dôvodu musíme pomocou fotosyntézy premeniť atmosféru z kyslíka s hladom na kyslík.
Otázkou teda je, ako rýchlo sa to môže stať? Príliš pomalá a obývateľná zóna už mohla byť zametaná alebo hviezda mohla došplhať z vodíka v škrupine a mohla sa znova sťahovať, aby iba zapálila fúziu hélia v jadre a opäť zamrzla planéta.
Jediný príklad, ktorý máme doteraz, je na našej planéte. Počas prvých troch miliárd rokov života existoval malý kyslík, až kým nevznikli fotosyntetické organizmy a nezačal ich prevádzať na úrovne blízke dnešným úrovniam. Tento proces však trval niekoľko sto miliónov rokov. Aj keď by sa to pravdepodobne mohlo zvýšiť o rádovo desiatky miliónov rokov s geneticky modifikovanými baktériami vysiatymi na planéte, stále sa musíme ubezpečiť, že časové harmonogramy budú fungovať.
Ukazuje sa, že časový harmonogram sa bude líšiť pre rôzne hmotnosti hviezd. Masívnejšie hviezdy horia palivom rýchlejšie a budú teda kratšie. V prípade hviezd ako je Slnko môže fáza červeného obra trvať asi 1,5 miliardy rokov, takže ~ 100x dlhšie, ako je potrebné na vytvorenie atmosféry bohatej na kyslík. V prípade hviezd, ktoré sú dvakrát také masívne ako slnko, tento časový rámec klesne na iba 40 miliónov rokov a blíži sa k dolnej hranici toho, čo potrebujeme. Masívnejšie hviezdy sa budú vyvíjať ešte rýchlejšie. Aby to bolo možné, potrebujeme hviezdy s nižšou hmotnosťou, ktoré sa vyvíjajú pomalšie. Hrubou hornou hranicou by tu bola hviezda s dvoma hmotami.
Musíme sa však obávať ešte jedného účinku: Môžeme mať dostatok CO2 v atmosfére mať dokonca fotosyntézu? Aj keď oxid uhličitý nie je tak reaktívny ako kyslík, podlieha aj odstraňovaniu z atmosféry. Je to kvôli účinkom, ako je napríklad silikátové zvetrávanie, napríklad CO2 + CaSiO3 -> CaCO3 + SiO2, Aj keď sú tieto účinky pomalé, hromadia sa s geologickými časovými harmonogramami. To znamená, že nemôžeme mať staré planéty, pretože by mali všetok svoj voľný CO2 zamknuté do povrchu. Táto rovnováha bola preskúmaná v dokumente uverejnenom v roku 2009 a stanovila, že v prípade planéty hromadnej Zeme je to bezplatné CO2 bude vyčerpaná dlho predtým, ako materská hviezda dosiahne fázu červeného obra!
Preto sme povinní mať hviezdy s nízkou hmotnosťou, ktoré sa vyvíjajú pomaly, aby sme mali dostatok času na vytvorenie správnej atmosféry, ale ak sa vyvíjajú tak pomaly, potom nemáme dostatok CO2 odišiel, aby si aj tak získal atmosféru! Sme zaseknutí skutočným úlovkom 22. Jediným spôsobom, ako to dosiahnuť znova, je nájsť spôsob, ako zaviesť dostatočné množstvo nového CO.2 do atmosféry práve vtedy, keď sa obytná zóna začne zametať.
Našťastie existuje niekoľko veľmi veľkých úložísk CO2 len lietam okolo! Kométy sa skladajú väčšinou zo zmrazeného oxidu uhoľnatého a oxidu uhličitého. Zrážka niekoľkých z nich na planétu by priniesla dostatočné množstvo CO2 aby ste mohli začať fotosyntézu (hneď ako sa usadil prach). Urobte to niekoľko stotisíc rokov predtým, ako planéta vstúpi do obývateľnej zóny, počkajte desať miliónov rokov a potom by planéta mohla byť obývateľná až o ďalších miliárd rokov viac.
Tento scenár by bol v konečnom dôsledku prijateľný, ale nie celkom dobrý osobný vklad, pretože by ste boli mŕtvi dávno predtým, ako budete môcť ťažiť z výhod. Možno dlhodobá stratégia na prežitie kozmického druhu, ale nie rýchla oprava, ktorá hodí kolónie a základne.
