Když se řekne zóna života

Exoplaneta v představách malíře.
Exoplaneta v představách malíře.
Pojem zóna života používáme i na našem webu poměrně často. Termín se začal vžívat do povědomí veřejnosti, především v posledních letech. Novináři umisťují článek s výskytem tohoto magického spojení na přední stránky a vyznavači zelených pidimužíků omdlévají… Zóna života má ale s opravdovým životem ve vesmíru společného asi tolik, kolik má společného hrnek kafe na vašem stole s Brazílií.

 



Zóna života je českým ekvivalentem anglického Habitable zone, což je vhodnější do češtiny překládat spojením obyvatelná zóna. I když ani to zcela dobře nevystihuje podstatu tohoto pojmu.

 

James Kasting z Pensylvánské univerzity kdysi přišel s touto definicí obyvatelné zóny: Je to oblast kolem hvězdy, ve které má planeta s hmotností blízkou Zemi atmosféru, složenou z dusíku, vody a oxidu uhličitého a rovněž klimatické podmínky, příhodné pro formy života závislé na vodě.

 

Nejrůznějších definic, popisů a vysvětlení obyvatelné zóny najdete v literatuře a na internetu spoustu, ale všechny říkají prakticky totéž. Zkusme si nyní udělat menší odbočku a vrátit se z kosmických dálek a cizích planetárních soustav na Zemi.

 

Představte si, že sedíte u ohniště a opékáte buřty. Pokud budete sedět příliš blízko ohniště, bude vás oheň pálit a bude vám tom samozřejmě nepříjemné. V případě, že budete od ohniště sedět příliš daleko, bude vám naopak zima (vynechejme teď spekulace o tom, že z velké dálky nedosáhnete s buřtíkem na ohniště, pro naši diskusi to není podstatné). Stanovíte si tedy oblast okolo ohniště, ve které vám nebude ani horko ani zima. Řekněme, že tato oblast je od ohně vzdálená asi 50 až 80 centimetrů. Budete-li sedět ve vzdálenosti 40 centimetrů od ohně, bude vám horko, ve vzdálenost 100 cm naopak zima.

 

Teď se přenesme od opékání párků na konec dubna. Stojíte někde za vesnicí a pozorujete pálení čarodějnic na několik metrů vysoké hranici. A opět si budete chtít stanovit oblast okolo ohně, ve které vám nebude ani horko ani zima. Hranice na pálení čarodějnic je ale poněkud větší oheň, než ten z prvního příkladu. Pro vás přijatelná oblast se tedy bude nacházet podstatně dál od ohně. Řekněme například ve vzdálenosti 5,5 až 7 metrů.

 

Naše přecházející úvahy jsou dosti vratké. Vše jsme stavěli pouze na jednom parametru a to „velikosti ohně“. Je to ale dostačující? Určitě není. V úvahu jsme vůbec nebrali například aktuální teplotu. Určitě je velký rozdíl, zda oheň rozděláte o teplé srpnové noci nebo v lednových mrazech. Nikde jsme nebrali v potaz, co jste u ohně měli na sobě. Jinak se asi budete cítit v kožichu a jinak v plavkách. A tak bychom mohli pokračovat…

 

Obyvatelná zóna

Obr. Oranžový pruh znázorňuje obyvatelnou zónu u různých typů hvězd. Na svislé ose jsou spektrální třídy hvězd, na vodorovné vzdálenost obyvatelné zóny v AU. Pro porovnání jsou v grafu znázorněny planety Sluneční soustavy a trpasličí planeta Pluto.

 

 

V případě obyvatelné zóny je to velmi podobné. Obyvatelná zóna je taková oblast okolo hvězdy, ve které by měla případná planeta zemského typu šanci, že se na jejím povrchu nachází voda v kapalném skupenství. Jediným kritériem při stanovení této vzdálenosti je aktuální zářivý výkon mateřské hvězdy.

 

V případě naší Sluneční soustavy se obyvatelná oblast nachází ve vzdálenosti asi 0,95 až 1,37 AU. Je tedy zřejmé, že naše rodná hrouda obíhá uvnitř této oblasti. Jak je to ale u jiných hvězd?

 

Zónu života si můžete vypočítat sami a to využitím nepříliš těžké fyziky a matematiky.

 

Střed obyvatelné zóny života lze vypočítat dle vztahu:

 

vzorec4

 

  • d je vzdálenost středu obyvatelné zóny v AU
  • L je zářivý výkon dané hvězdy
  • Ls je zářivý výkon Slunce

 

Pokud bychom ale chtěli být přesnější a určit vnitřní a vnější okraj obyvatelné zóny, pak existuje například tento vzoreček (L.Kaltenegger, C.Eiroa, C. V. M. Fridlund, 2008):

 

vzorec5

 

V tomto případě vystupuje navíc konstanta S, která je závislá na spektrální třídě dané hvězdy.

 

Tabulka 1. Konstanta S pro různé spektrální třídy hvězd

 

Spektrální třída

Konstanta pro vnitřní okraj OZ

Konstanta pro vnější okraj OZ
F

1,90

0,46
G

1,41

0,36
K

1,05

0,27
M

1,05

0,27

 

Kde ale zjistíme zářivý výkon hvězdy? Některé katalogy ho nabízejí přímo. Udává se nikoliv ve wattech, ale v poměru L / Ls.
Mnoho katalogů ale tento údaj neuvádí, takže si ukážeme, jak si ho můžete vypočítat sami.

 

Postup výpočtu vzdálenosti obyvatelné zóny u hvězdy Gl 581

 

  1. Otevřeme známý katalog exoplanet na adrese: exoplanet.eu/catalog-all.php
  2. V pravém horním rohu tabulky klikneme na „More Data“.
  3. V tabulce najdeme hvězdu Gl 581 a klikneme na odkaz.
  4. Z tabulky „star“, která se týká údajů o hvězdě, si poznačíme:
    • Povrchovou teplotu hvězdy (Effective Temperature): 3 350 K
    • Poloměr hvězdy (Radius): 0,36 Rs
    • Spektrální třídu (Spectral Type): M3

 

Existuje několik možností, jak vypočítat zářivý výkon hvězdy. Já zvolil postup podle Stefan-Boltzmannova zákona, neboť ho považuji za nejjednodušší a současně i nejpřesnější s ohledem na dostupnost přesných údajů ve zmíněném katalogu.

 

Zářivost hvězdy vypočteme ze vztahu:

 

vzorec1

 

  • Ls – zářivost Slunce
  • Ts – povrchová teplota Slunce = 5780 K
  • Rs – poloměr Slunce – v daném vztahu = 1
  • R – poloměr hvězdy
  • T – povrchová teplota hvězdy

 

Vzhledem k tomu, že R je uveden v násobcích poloměru Slunce, je Rs rovno 1. Vzorec se proto zjednoduší. Povrchová teplota Slunce je Ts = 5 780 K. Vzorec tedy můžeme upravit na:

 

vzorec2

 

Doplníme údaje pro vybranou hvězdu:

 

vzorec3

 

Zářivý výkon hvězdy Gl 581 je tedy asi 0,01462 Ls. Tento údaj doplníme do druhého vzorce:

 

vzorec5

 

Za S dosadíme konstanty, uvedené v tabulce č. 1. Naše hvězda Gl 581 je hvězdou spektrální třídy M, takže konstanty budou 1,05 a 0,27. Po dosazení dostaneme výsledky:

 

Vnitřní okraj obyvatelné zóny se nachází ve vzdálenosti d = 0,12 AU
Vnější okraj obyvatelné zóny se nachází ve vzdálenosti d = 0,23 AU

 

Musíme ale podotknout, že výsledné údaje jsou pouze přibližné. Už při pohledu do katalogu jste si mohli povšimnout, že povrchová teplota je udávána s přesností plus mínus 300 K.

 

Hvězdu Gl 581 jsme nezvolili náhodou. Nedávno byla u této hvězdy nalezena exoplaneta s označením Gl 581 d, která obíhá ve vzdálenosti 0,22 AU a nachází se tedy v obyvatelné zóně. Je to první exoplaneta s pevným povrchem, která byla v obyvatelné zóně nalezena. Její hmotnost se odhaduje na 7 Zemí.

 


Zářivý výkon hvězdy není konstantní

 

Už jste jistě slyšeli o tom, že naše nebohá planeta za několik miliard let skončí ve žhavé náručí Slunce. Zářivý výkon Slunce postupně roste a dnes je už asi o 30% větší, než byl před 4,6 miliardami let.

 

Také nesmíme zapomenout na to, že planeta by měla být v obyvatelné zóně po celou dobu svého oběhu okolo hvězdy. Obyvatelnou zónu si můžeme představit jako skořápku. Pokud je oběžná dráha planety protáhlá, může se klidně stát, že tuto skořápku při svém oběhu okolo hvězdy na nějaký čas opustí. To by pro případný život na planetě nebyla příliš dobrá zpráva. A že existují exoplanety se značně protáhlými drahami, jsme se už v uplynulých letech přesvědčili – viz článek.

 

Obyvatelné zóna není nutná a už vůbec není postačující

 

Z výpočtu jasně vyplývá, že parametry obyvatelné zóny závisí pouze na mateřské hvězdě. Přesněji řečeno na spektrální klasifikaci hvězdy, neboť údaje o poloměru a povrchové teplotě jsou pro všechny hvězdy dané spektrální třídy (a podtřídy) prakticky stejné. Jenomže tak jednoduchý vznik života není.

 


…není postačující podmínkou

 

Výpočet obyvatelné zóny nebere v úvahu například:

  • Hmotnost tělesa v obyvatelné zóně – ve Sluneční soustavě se Měsíc nachází také v obyvatelné zóně, ale život by jste na jeho povrchu hledali marně. Měsíc nemá dostatečnou hmotnost k tomu, aby si udržel atmosféru. Proto bychom měli hledat život na planetách zemského typu o hmotnosti cca 0,5 až 2 Země. Případně na povrchu tzv. super zemí o hmotnosti až 10 Zemí.
  • Skleníkový efekt – může teplotu na povrchu planety ovlivnit poměrně dosti zásadním způsobem. Má přímý vliv na parametry obyvatelné zóny a může ji rozšířit směrem ven.
  • Albedo – Jde o poměr odraženého elektromagnetického záření ku množství dopadajícího záření. Země má albedo asi 0,36 až 0,39 – takže cca 36 až 39% záření od Slunce odráží zpět do kosmického prostoru. Albedo planety má přímý vliv na parametry obyvatelné zóny a může ji rozšířit směrem dovnitř.
  • Chemické složení atmosféry – pozemský život není založen pouze na vodě ale také na kyslíku.
  • Tlak na povrchu a chemické složení – zda bude voda v kapalném skupenství nezávisí jen na teplotě, ale také na tlaku a chemickém složení. Například slaná voda může existovat v kapalném skupenství při nižší teplotě než je 0°C.

 

…není nutná

 

Měli bychom dodat, že se jedná jen o některé podmínky, které jsou nutné k tomu, aby se na povrchu planety nacházela voda v kapalném skupenství. Jaké jsou ale podmínky k tomu, aby vznikl na dané planetě život? To stále ještě nevíme, neboť máme jediný vzorek – pozemský život a rovněž v popisu jeho vzniku a vývoje máme značná bílá místa.
Někteří astrobiologové však upozorňují, že obyvatelná zóna nemusí hrát při vzniku života absolutně žádnou roli, neboť:

 

  1. Nevíme, zda život ve vesmíru je vždy založen na stejných principech a podmínkách jako život pozemský. Opravdu je voda tak důležitá?
  2. V naší Sluneční soustavě nemůžeme vyloučit existenci oceánu tekuté vody pod povrchem Jupiterova měsíce Europa. Ten se ale nachází zcela mimo obyvatelnou zónu! Kde je chyba? V případě Europy se předpokládá vnitřní zdroj tepla, kterým jsou slapové síly Jupiteru. Oceán kapalné vody nelze vyloučit ani na Saturnových měsících Titan a Enceladus.

 

Je tedy obyvatelná zóna vůbec k něčemu dobrá? Záleží na tom, jaký význam ji přisuzujete. Fakticky můžete chápat obyvatelnou zónu jako:

 

  1. Zcela nutnou podmínku pro udržení kapalné vody na povrchu planety a vznik života – už z výše napsaného jasně vyplývá, že takto obyvatelnou zónu chápat nelze.
  2. Užitečnou pomůcku při hledání života ve vesmíru v nejbližších desetiletích. Ano, život může existovat na měsících exoplanet, může existovat i mimo obyvatelnou zónu a do třetice ano, obyvatelná zóna není postačující podmínkou. V nejbližších desítkách let ale budeme schopni objevovat u jiných hvězd maximálně planety zemského typu. U těchto planet budeme moci stanovit parametry jejich oběžných drah, zkoumat jejich atmosféru… prokázat či vyvrátit přítomnost života na povrchu těchto vzdálených světů ale umět nebudeme. Ve světle těchto faktů jsou debaty o životě na měsících těchto planet pro příští desítky let záležitostí pouhých spekulací.

 

Navíc je pro nás značně obtížné hledat život, postavený na jiných než naších základech a principech. Máme totiž jednoznačný důkaz, že v případě života, založeného na vodě, kyslíku a organických látkách, to ve vesmíru už minimálně jednou vyšlo. Tím důkazem jsme my samotní…

 

Poznámka: AU = astronomická jednotka – střední vzdálenost Země od Slunce = 149 597 870 km.

 

Zdroje: