Habitabilidade de sistemas de anãs vermelhas - Habitability of red dwarf systems

Impressão artística de um planeta em órbita ao redor de uma anã vermelha
O conceito deste artista ilustra uma jovem anã vermelha cercada por três planetas.

A habitabilidade dos sistemas de anãs vermelhas presume-se ser determinada por um grande número de factores a partir de uma variedade de fontes. Embora as evidências modernas apontando para seu baixo fluxo estelar , alta probabilidade de bloqueio de maré , pequenas zonas habitáveis ​​circunstelares e alta variação estelar experimentada por planetas de estrelas anãs vermelhas como impedimentos à sua habitabilidade planetária indicam que planetas em sistemas de anãs vermelhas são improváveis ​​de serem habitáveis, a onipresença e longevidade das anãs vermelhas são fatores que podem fornecer uma ampla oportunidade para que qualquer possibilidade de habitabilidade seja realizada. Como estrelas anãs vermelhas são de longe o tipo mais comum de estrela no universo, os astrônomos estudam como cada um dos muitos fatores e as interações entre eles podem afetar sua habitabilidade para aprender mais sobre a frequência e as localizações mais prováveis ​​de vida extraterrestre e inteligência.

O aquecimento intenso das marés causado pela proximidade dos planetas às anãs vermelhas hospedeiras é um grande impedimento para o desenvolvimento da vida nesses sistemas. Outros efeitos de maré, como as diferenças extremas de temperatura criadas por um lado dos planetas de zonas habitáveis ​​permanentemente voltados para a estrela e o outro perpetuamente desviado e a falta de inclinações axiais planetárias, reduzem a probabilidade de vida em torno das anãs vermelhas. Fatores não relacionados às marés, como variação estelar extrema, distribuições de energia espectral deslocadas para o infravermelho em relação ao Sol e pequenas zonas habitáveis ​​circunstelares devido à baixa emissão de luz, reduzem ainda mais as perspectivas de vida em sistemas anãs-vermelhas.

Existem, no entanto, alguns fatores que podem aumentar a probabilidade de vida em planetas anãs vermelhas. A formação de nuvens intensas no lado voltado para a estrela de um planeta bloqueado pelas marés pode reduzir o fluxo térmico geral e reduzir drasticamente as diferenças de temperatura de equilíbrio entre os dois lados do planeta. Além disso, o grande número de anãs vermelhas, que representam cerca de 85% das estrelas na Via Láctea e a grande maioria das estrelas em galáxias espirais e elípticas, aumenta estatisticamente a probabilidade de que possam existir planetas habitáveis ​​orbitando alguns deles. Espera-se que haja dezenas de bilhões de planetas da super-Terra nas zonas habitáveis ​​de estrelas anãs vermelhas da Via Láctea.

Características da anã vermelha

Estrelas anãs vermelhas são o tipo de estrela mais pequeno, mais frio e mais comum. As estimativas de sua abundância variam de 70% das estrelas nas galáxias espirais a mais de 90% de todas as estrelas nas galáxias elípticas , sendo um número médio frequentemente citado de 72-76% das estrelas na Via Láctea (conhecido desde os anos 1990 por radiotelescópico observação como uma espiral barrada ). As anãs vermelhas são M espectral tipo . Dada a sua baixa produção de energia, as anãs vermelhas quase nunca são visíveis a olho nu da Terra; nem a anã vermelha mais próxima do Sol quando vista individualmente, Proxima Centauri (que também é a estrela mais próxima do Sol), nem a anã vermelha solitária mais próxima, a estrela de Barnard , está em qualquer lugar perto da magnitude visual. Apenas Lacaille 8760 (+6,7) é visível a olho nu.

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Luminosidade e composição espectral

Tamanhos relativos de estrelas e temperaturas fotosféricas . Qualquer planeta em torno de uma anã vermelha, como o mostrado aqui ( Gliese 229A ), teria que se amontoar perto para atingir temperaturas semelhantes às da Terra, provavelmente induzindo um bloqueio de maré . Veja Aurelia . Crédito: MPIA / V. Joergens.

Durante anos, os astrônomos descartaram as anãs vermelhas, com massas variando de aproximadamente 0,08 a 0,60 massas solares ( M ), como moradas potenciais para a vida. As baixas massas das estrelas fazem com que as reações de fusão nuclear em seus núcleos ocorram de maneira excessivamente lenta, dando-lhes luminosidades que variam de um máximo de aproximadamente 10% à do Sol a um mínimo de apenas 0,0125%. Consequentemente, qualquer planeta orbitando uma anã vermelha teria que ter um semieixo maior baixo para manter a temperatura da superfície semelhante à da Terra, de 0,268 unidades astronômicas (UA) para uma anã vermelha relativamente luminosa como Lacaille 8760 a 0,032 UA para uma menor estrela como Proxima Centauri , a estrela mais próxima do Sistema Solar . Esse mundo teria um ano que duraria apenas 3 a 150 dias. Muito da baixa luminosidade de uma anã vermelha cai na parte infravermelha e vermelha do espectro eletromagnético, com energia mais baixa do que a luz amarela em que o Sol atinge o pico. Como resultado, a fotossíntese em um planeta anão vermelho exigiria fótons adicionais para atingir potenciais de excitação comparáveis ​​aos necessários na fotossíntese da Terra para transferências de elétrons, devido ao nível de energia médio mais baixo dos fótons do infravermelho próximo em comparação com o visível. Tendo que se adaptar a um espectro muito mais amplo para obter a quantidade máxima de energia, a folhagem em um planeta anã vermelho habitável provavelmente pareceria preta se vista na luz visível.

Além disso, como a água absorve fortemente a luz vermelha e infravermelha, menos energia estaria disponível para a vida aquática em planetas anãs vermelhas. No entanto, um efeito semelhante de absorção preferencial pelo gelo de água aumentaria sua temperatura em relação a uma quantidade equivalente de radiação de uma estrela semelhante ao Sol, estendendo assim a zona habitável das anãs vermelhas para fora.

Outro fato que inibiria a habitabilidade é a evolução das estrelas anãs vermelhas; como essas estrelas têm uma fase de pré-sequência principal estendida, suas eventuais zonas habitáveis ​​seriam por cerca de 1 bilhão de anos uma zona onde a água não era líquida, mas em seu estado gasoso. Assim, os planetas terrestres nas verdadeiras zonas habitáveis, se fornecidos com abundante água de superfície em sua formação, estariam sujeitos a um efeito estufa descontrolado por várias centenas de milhões de anos. Durante uma fase inicial de estufa descontrolada , a fotólise do vapor d'água permitiria o escape do hidrogênio para o espaço e a perda de água de vários oceanos terrestres, deixando uma espessa atmosfera abiótica de oxigênio.

Efeitos das marés

Nas distâncias orbitais próximas, que os planetas ao redor das estrelas anãs vermelhas teriam que manter para que a água líquida existisse em suas superfícies, é provável que ocorra o bloqueio das marés à estrela hospedeira. O bloqueio de maré faz o planeta girar em seu eixo uma vez a cada revolução ao redor da estrela. Como resultado, um lado do planeta ficaria eternamente voltado para a estrela e o outro lado ficaria eternamente voltado para o lado oposto, criando grandes extremos de temperatura.

Por muitos anos, acreditava-se que a vida em tais planetas seria limitada a uma região semelhante a um anel conhecida como terminador , onde a estrela sempre apareceria no horizonte ou próximo a ele. Também se acreditava que a transferência eficiente de calor entre os lados do planeta requer a circulação atmosférica de uma atmosfera tão densa que não permite a fotossíntese. Devido ao aquecimento diferencial, argumentou-se, um planeta bloqueado pela maré experimentaria ventos violentos com chuva torrencial permanente no ponto diretamente voltado para a estrela local, o ponto sub-solar . Na opinião de um autor, isso torna a vida complexa improvável. A vida das plantas teria de se adaptar ao vendaval constante, por exemplo, ancorando-se com segurança no solo e gerando folhas longas e flexíveis que não se partem. Os animais dependeriam da visão infravermelha, já que a sinalização por meio de chamadas ou cheiros seria difícil devido ao estrondo do vendaval em todo o planeta. A vida subaquática, entretanto, seria protegida de fortes ventos e chamas, e vastas flores de plâncton fotossintético preto e algas poderiam sustentar a vida marinha.

Em contraste com a imagem previamente insignificante para a vida, 1997 estudos por Robert Haberle e Dilsh Joshi da NASA de Ames Research Center na Califórnia mostraram que a atmosfera de um planeta (assumindo que inclui gases de efeito estufa de CO 2 e H 2 O ) apenas precisa de ser 100 mili bar , ou 10% da atmosfera da Terra, para que o calor da estrela seja efetivamente transportado para o lado noturno, um número bem dentro dos limites da fotossíntese. Dois anos depois, uma pesquisa feita por Martin Heath, do Greenwich Community College , mostrou que a água do mar também poderia circular efetivamente sem congelar, se as bacias oceânicas fossem profundas o suficiente para permitir o fluxo livre sob a calota polar noturna. Além disso, um estudo de 2010 concluiu que os mundos aquáticos semelhantes à Terra, fixados de forma maré às suas estrelas, ainda teriam temperaturas acima de 240 K (−33 ° C) no lado noturno. Modelos climáticos construídos em 2013 indicam que a formação de nuvens em planetas bloqueados por maré minimizaria a diferença de temperatura entre o dia e a noite, melhorando muito as perspectivas de habitabilidade para planetas anãs vermelhas. Pesquisas adicionais, incluindo uma consideração da quantidade de radiação fotossinteticamente ativa, sugeriram que planetas bloqueados por maré em sistemas de anãs vermelhas podem pelo menos ser habitáveis ​​para plantas superiores.

A existência de um lado diurno e um lado noturno permanentes não é o único revés potencial para a vida em torno das anãs vermelhas. O aquecimento das marés experimentado pelos planetas na zona habitável das anãs vermelhas com menos de 30% da massa do Sol pode fazer com que elas sejam "queimadas" e se tornem "Vênus das marés". Combinado com outros impedimentos à habitabilidade das anãs vermelhas, isso pode tornar a probabilidade de muitas anãs vermelhas hospedarem a vida como a conhecemos muito baixa em comparação com outros tipos de estrelas. Pode até não haver água suficiente para planetas habitáveis ​​ao redor de muitas anãs vermelhas; a pouca água encontrada nesses planetas, em particular os do tamanho da Terra, pode estar localizada no lado noturno frio do planeta. Em contraste com as previsões de estudos anteriores sobre Vênus das marés, no entanto, essa "água aprisionada" pode ajudar a evitar efeitos de estufa descontrolados e melhorar a habitabilidade dos sistemas anãs vermelhas.

Luas de gigantes gasosos dentro de uma zona habitável poderiam superar esse problema, uma vez que ficariam presos às marés em sua estrela primária e não em sua estrela, e assim teriam um ciclo dia-noite. O mesmo princípio se aplicaria a planetas duplos , que provavelmente estariam travados entre si.

Observe, entretanto, que a rapidez com que ocorre o travamento das marés pode depender dos oceanos de um planeta e até mesmo da atmosfera, e pode significar que o travamento das marés não aconteça mesmo depois de muitos Gyrs. Além disso, o bloqueio das marés não é o único estado final possível do amortecimento das marés. Mercúrio, por exemplo, teve tempo suficiente para travar por maré, mas está em uma ressonância de órbita de spin 3: 2.

Variabilidade

As anãs vermelhas são muito mais variáveis ​​e violentas do que suas primas maiores e mais estáveis. Freqüentemente, eles estão cobertos por manchas estelares que podem diminuir a luz emitida em até 40% por meses a fio. Na Terra, a vida se adaptou de muitas maneiras às temperaturas igualmente reduzidas do inverno. A vida pode sobreviver hibernando e / ou mergulhando em águas profundas, onde as temperaturas podem ser mais constantes. Os oceanos congelariam potencialmente durante os períodos de frio extremo. Nesse caso, quando o período de escurecimento terminar, o albedo do planeta será maior do que era antes do escurecimento. Isso significa que mais luz da anã vermelha seria refletida, o que impediria a recuperação das temperaturas ou possivelmente reduziria ainda mais as temperaturas planetárias.

Em outras ocasiões, as anãs vermelhas emitem chamas gigantescas que podem dobrar seu brilho em questão de minutos. De fato, à medida que mais e mais anãs vermelhas foram examinadas quanto à variabilidade, mais delas foram classificadas como estrelas flamejantes em algum grau ou outro. Essa variação no brilho pode ser muito prejudicial para a vida. Flares também podem produzir torrentes de partículas carregadas que podem arrancar porções consideráveis ​​da atmosfera do planeta. Os cientistas que concordam com a hipótese da Terra Rara duvidam que as anãs vermelhas possam sustentar a vida em meio a fortes chamas. O travamento da maré provavelmente resultaria em um momento magnético planetário relativamente baixo . Anãs vermelhas ativas que emitem ejeções de massa coronal (CMEs) dobrariam a magnetosfera até entrar em contato com a atmosfera planetária. Como resultado, a atmosfera sofreria forte erosão, possivelmente deixando o planeta inabitável. Foi descoberto que as anãs vermelhas têm uma taxa de CME muito mais baixa, conforme esperado de sua rotação ou atividade de alargamento, e grandes CMEs ocorrem raramente. Isso sugere que a erosão atmosférica é causada principalmente por radiação, em vez de CMEs.

Caso contrário, sugere-se que se o planeta tivesse um campo magnético, ele desviaria as partículas da atmosfera (mesmo a rotação lenta de um planeta anão M bloqueado por maré - ele gira uma vez a cada vez que orbita sua estrela - seria o suficiente para gerar um campo magnético enquanto parte do interior do planeta permanecesse fundido). Este campo magnético deve ser muito mais forte em comparação com o da Terra para dar proteção contra chamas da magnitude observada (10-1000G em comparação com 0,5G terrestre), que é improvável de ser gerado. Mas os modelos matemáticos reais concluem que, mesmo sob as maiores forças de campo magnético gerado por dínamo, exoplanetas com massas como a da Terra perdem uma fração significativa de suas atmosferas pela erosão da atmosfera do exobase por explosões CME e emissões XUV (mesmo aqueles da Terra como planetas mais próximos do que 0,8 UA, afetando também estrelas G e K, são propensos a perder suas atmosferas). A erosão atmosférica pode até provocar o esgotamento dos oceanos de água. Os planetas envoltos por uma espessa névoa de hidrocarbonetos como a da Terra primordial ou a lua de Saturno, Titã, ainda podem sobreviver às erupções, já que gotículas flutuantes de hidrocarbonetos são particularmente eficientes na absorção de radiação ultravioleta.

Outra maneira pela qual a vida poderia se proteger inicialmente da radiação seria permanecer debaixo d'água até que a estrela passasse por seu estágio inicial de erupção, assumindo que o planeta pudesse reter o suficiente de uma atmosfera para sustentar oceanos líquidos. Os cientistas que escreveram o programa de televisão " Aurelia " acreditavam que a vida poderia sobreviver na terra, apesar de uma anã vermelha em chamas. Uma vez que a vida chegou à terra, a baixa quantidade de UV produzida por uma anã vermelha silenciosa significa que a vida poderia prosperar sem uma camada de ozônio e, portanto, nunca precisaria produzir oxigênio.

É importante notar que o período de combustão violenta do ciclo de vida de uma anã vermelha é estimado em apenas cerca de 1,2 bilhão de anos de sua existência. Se um planeta se formar longe de uma anã vermelha para evitar o bloqueio das marés, e então migrar para a zona habitável da estrela após esse período inicial turbulento, é possível que a vida tenha uma chance de se desenvolver.

Foi descoberto que as maiores erupções acontecem em altas latitudes perto dos pólos estelares, então se as órbitas dos exoplanetas estão alinhadas com a rotação estelar, então eles são menos afetados pelas explosões do que se pensava anteriormente.

Abundância

A principal vantagem que as anãs vermelhas têm sobre outras estrelas como moradas para a vida: elas produzem energia luminosa por muito, muito tempo. Demorou 4,5 bilhões de anos antes que os humanos aparecessem na Terra, e a vida como a conhecemos terá condições adequadas por mais 1,5 bilhão de anos ou mais. As anãs vermelhas, por outro lado, podem existir por trilhões de anos, porque suas reações nucleares são muito mais lentas do que as de estrelas maiores, o que significa que ambas as vidas teriam muito mais tempo para evoluir e sobreviver. Além disso, embora as chances de encontrar um planeta na zona habitável em torno de qualquer anã vermelha específica sejam desconhecidas, a quantidade total de zona habitável em torno de todas as anãs vermelhas combinadas é provavelmente igual à quantidade total em torno de estrelas semelhantes ao Sol, dada sua onipresença. A primeira super-Terra com uma massa de 3 a 4 vezes a da Terra encontrada na zona potencialmente habitável de sua estrela é Gliese 581g , e sua estrela, Gliese 581 , é de fato uma anã vermelha. Embora bloqueado por maré, é possível que exista água líquida em seu terminador . Acredita-se que o planeta tenha existido por aproximadamente 7 bilhões de anos e tenha uma massa grande o suficiente para sustentar uma atmosfera.

Outra possibilidade pode surgir em um futuro distante, quando, de acordo com simulações de computador, uma anã vermelha se tornar uma anã azul , pois está esgotando seu suprimento de hidrogênio . Como este tipo de estrela é mais luminoso do que a anã vermelha anterior, os planetas em órbita que foram congelados durante o estágio anterior podem ser descongelados durante os vários bilhões de anos que dura este estágio evolutivo (5 bilhões de anos, por exemplo, por 0,16  M estrela), dando à vida uma oportunidade de aparecer e evoluir.

Retenção de água

Os planetas podem reter quantidades significativas de água na zona habitável de anãs ultrafrias, com um ponto ideal na faixa de 0,08 - 0,11 M , apesar da fotólise de água por FUV e do escape de hidrogênio impulsionado por XUV .

Os mundos aquáticos orbitando as anãs-M podem ter seus oceanos esgotados ao longo da escala de tempo Gyr devido aos ambientes de partículas e radiação mais intensos que os exoplanetas experimentam em zonas habitáveis ​​próximas. Se a atmosfera fosse esgotada em uma escala de tempo menor que Gyr, isso poderia ser problemático para a origem da vida ( abiogênese ) no planeta.

Zona habitável de metano

Se a vida baseada no metano for possível (semelhante à vida hipotética em Titã ), haveria uma segunda zona habitável mais longe da estrela correspondendo à região onde o metano é líquido. A atmosfera de Titã é transparente à luz vermelha e infravermelha, então mais da luz das anãs vermelhas deve atingir a superfície de um planeta semelhante a Titã.

Frequência de mundos do tamanho da Terra em torno de anãs ultrafrias

Sistema planetário TRAPPIST-1 (impressão do artista)

Um estudo de dados arquivísticos do Spitzer dá a primeira ideia e estimativa de quão freqüentes são os mundos do tamanho da Terra em torno de estrelas anãs ultrafrias: 30–45%. Uma simulação de computador descobre que os planetas que se formam em torno de estrelas com massa semelhante a TRAPPIST-1 (c. 0,084 M ) provavelmente têm tamanhos semelhantes aos da Terra.

Em ficção

Existem os seguintes exemplos de "alienígenas" fictícios existentes nos sistemas estelares da anã vermelha:

  • Shadeward Saga: de In de Drew Wagar Shadeward Saga , a história se desenrola em Esurio, um planeta tidally bloqueado do tamanho da Terra colonizado por seres humanos que está em órbita Lacaille 9352, um vermelho anões 10 anos-luz de distância da Terra. O livro descreve adequadamente os fortes contrastes de regiões extremamente frias e extremamente quentes e o confinamento humano ao corredor temperado entre as duas zonas, ao mesmo tempo em que descreve algumas das prováveis ​​dificuldades que uma população humana do tipo medieval enfrentaria em tal mundo, como a problemática navegação nos mares profundos em um mundo de luz solar perpétua sem pontos de referência, como estrelas, ou as explosões energéticas ocasionais que ocorrem periodicamente em uma anã vermelha típica.
  • Ark : do Em Stephen Baxterarca, depois de o planeta Terra está completamente submerso pelos oceanos um pequeno grupo de seres humanos embarcar em uma viagem interestelar, eventualmente, tornando-a um planeta chamado Terra III. O planeta é frio, travado pela maré e a planta é negra (para melhor absorver a luz da anã vermelha).
  • Draco Tavern : EmLarry Niven'sDraco Tavernhistórias, os alienígenas altamente avançados Chirpsithra evoluíram em um mundo de oxigênio bloqueado-maré em torno de uma anã vermelha. No entanto, nenhum detalhe é dado além de que ela tinha cerca de 1 massa terrestre, um pouco mais fria e usava a luz solar de anã vermelha.
  • Nemesis :Isaac Asimovevita os problemas do efeito das marés da anã vermelha Nemesis, tornando o "planeta" habitável um satélite de um gigante gasoso que está bloqueado de forma maré na estrela.
  • Star Maker : Noromance deficção científica deOlaf Stapledonde 1937,Star Maker, uma das muitas civilizações alienígenas da Via Láctea que ele descreve está localizada na zona de terminação de um planeta bloqueado pelas marés de um sistema anão vermelho. Este planeta é habitado porplantasinteligentesque se parecem comcenourascom braços, pernas e uma cabeça, que "dormem" parte do tempo inserindo-se nosoloem parcelas de terra e absorvendo a luz solar por meio dafotossíntese, e que acordam parte do tempo, emergindo de suas parcelas de solo como seres locomotores que participam de todas as atividades complexas de umacivilização industrialmoderna. Stapledon também descreve como a vida evoluiu neste planeta.
  • Superman : a casa do Superman,Krypton, estava em órbita em torno de uma estrela vermelha chamadaRao,que em algumas histórias é descrita como uma anã vermelha, embora seja mais frequentemente referida como umagigante vermelha.
  • A família da propulsão : No show infantil Ready Jet Go! , Carrot, Celery and Jet são uma família de alienígenas conhecidos como Bortronians que vêm de Bortron 7, um planeta da anã vermelha fictícia Ignatz 118 (também chamado de Bortron). Eles descobriram a Terra e o Sol quando captaram um sinal de rádio "primitivo" (Episódio: "How We Found Your Sun"). Eles também deram uma descrição dos planetas do sistema solar bortroniano em uma música do filme Ready Jet Go !: Back to Bortron 7 .
  • Aurelia Este planeta, visto no documentário especulativo Extraterrestrial (também conhecido como Alien Worlds ) , detalha como os cientistas teorizam que a vida alienígena poderia ser em um planeta orbitando uma estrela anã vermelha.

Veja também

Materiais de aprendizagem da Wikiversidade:

Referências

Leitura adicional

  • Stevenson, David S. (2013). Sob um sol carmesim: perspectivas de vida em um sistema de anãs vermelhas . New York, NY: Imprint: Springer. ISBN 978-1461481324.

links externos