Mentre i pianeti in orbita attorno a stelle gemelle sono un elemento base della fantascienza, un altro sta facendo vivere gli umani su pianeti in orbita attorno a stelle giganti rosse. La maggior parte della storia di Pianeta delle scimmie si svolge su un pianeta attorno a Betelgeuse. Pianeti intorno ad Arturo in Isaac Asimov Fondazione le serie costituiscono la capitale del suo settore Sirius. Si dice che il pianeta natale di Superman orbita attorno a un gigante rosso immaginario, Rao. Le razze su questi pianeti sono spesso rappresentate come vecchie e sagge poiché le loro stelle sono invecchiate e si avvicinano alla fine della loro vita. Ma è davvero plausibile avere tali pianeti?
Le stelle non durano per sempre. Il nostro Sole ha una data di scadenza in circa 5 miliardi di anni. A quel punto, la quantità di idrogeno nel nucleo del Sole si sarebbe esaurita. Attualmente, la fusione di quell'idrogeno nell'elio sta provocando una pressione che impedisce alla stella di collassare su se stessa a causa della gravità. Ma quando si esaurirà, quel meccanismo di supporto sparirà e il Sole inizierà a ridursi. Questo restringimento fa sì che la stella si riscaldi di nuovo, aumentando la temperatura fino a quando un guscio di idrogeno attorno al nucleo ora esaurito diventa abbastanza caldo da assumere il lavoro del nucleo e inizia a fondere l'idrogeno con l'elio. Questa nuova fonte di energia spinge indietro gli strati esterni della stella facendola gonfiare a migliaia di volte rispetto alle dimensioni precedenti. Nel frattempo, la temperatura più calda per accendere questa forma di fusione significherà che la stella emetterà da 1.000 a 10.000 volte più luce nel complesso, ma poiché questa energia si diffonde su una superficie così ampia, la stella apparirà rossa, quindi il nome.
Quindi questo è un gigante rosso: una stella morente gonfia e molto luminosa.
Ora, per dare un'occhiata all'altra metà dell'equazione, vale a dire, cosa determina l'abitabilità di un pianeta? Dato che queste storie di fantascienza hanno inevitabilmente umani che camminano in superficie, ci sono alcuni criteri piuttosto rigidi che dovranno seguire.
Prima di tutto, la temperatura non deve essere né calda né fredda. In altre parole, il pianeta deve trovarsi nella zona Abitabile, nota anche come "zona dei riccioli d'oro". Questa è generalmente una buona porzione di immobili celesti. Nel nostro sistema solare, si estende approssimativamente dall'orbita di Venere all'orbita di Marte. Ma ciò che rende Marte e Venere inospitali e la Terra relativamente accogliente è la nostra atmosfera. A differenza di Marte, è abbastanza denso da mantenere gran parte del calore che riceviamo dal sole, ma non troppo come Venere.
L'atmosfera è cruciale anche in altri modi. Ovviamente è quello che respireranno gli intrepidi esploratori. Se c'è troppa CO2, non solo intrappolerà troppo calore, ma renderà difficile respirare. Inoltre, CO2 non blocca la luce UV del sole e i tassi di cancro aumenterebbero. Quindi abbiamo bisogno di un'atmosfera ricca di ossigeno, ma non troppo ricca di ossigeno o non ci saranno abbastanza gas serra per mantenere caldo il pianeta.
Il problema qui è che le atmosfere ricche di ossigeno non esistono senza assistenza. L'ossigeno è in realtà molto reattivo. Gli piace formare legami, rendendolo non disponibile per essere libero nell'atmosfera come vogliamo. Forma cose come H2O, CO2, ossidi, ecc ... Ecco perché Marte e Venere non hanno praticamente ossigeno libero nelle loro atmosfere. Il poco che fanno viene dalla luce UV che colpisce l'atmosfera e fa dissociare le forme legate, liberando temporaneamente l'ossigeno.
La Terra ha solo tanto ossigeno libero quanto fa a causa della fotosintesi. Questo ci dà un altro criterio di cui avremo bisogno per determinare l'abitabilità: la capacità di produrre fotosintesi.
Quindi cominciamo a mettere tutto insieme.
In primo luogo, l'evoluzione della stella mentre lascia la sequenza principale, gonfiandosi man mano che diventa un gigante rosso e diventando più luminosa e più calda significherà che la "zona di riccioli d'oro" si estenderà verso l'esterno. I pianeti che prima erano abitabili come la Terra saranno arrostiti se non vengono completamente ingoiati dal Sole mentre cresce. Invece, la zona abitabile sarà più lontana, più dove si trova Giove ora.
Tuttavia, anche se un pianeta si trovasse in questa nuova zona abitabile, ciò non significa che sia abitabile a condizione che abbia anche un'atmosfera ricca di ossigeno. Per questo, abbiamo bisogno di convertire l'atmosfera da una ossigeno affamato, a uno ricco di ossigeno attraverso la fotosintesi.
Quindi la domanda è: quanto velocemente può accadere? Troppo lento e la zona abitabile potrebbe essere già spazzata via o la stella potrebbe aver esaurito l'idrogeno nel guscio e ricominciare a contrarsi solo per accendere la fusione dell'elio nel nucleo, congelando ancora una volta il pianeta.
L'unico esempio che abbiamo finora è sul nostro pianeta. Per i primi tre miliardi di anni di vita, c'era poco ossigeno libero fino a quando gli organismi fotosintetici non si sono alzati e hanno iniziato a convertirlo a livelli vicini a quello di oggi. Tuttavia, questo processo ha richiesto diverse centinaia di milioni di anni. Mentre questo potrebbe probabilmente essere aumentato di un ordine di grandezza a decine di milioni di anni con batteri geneticamente modificati seminati sul pianeta, dobbiamo ancora assicurarci che i tempi funzionino.
Si scopre che i tempi saranno diversi per le diverse masse di stelle. Le stelle più massicce bruciano più velocemente il loro combustibile e saranno quindi più brevi. Per le stelle come il Sole, la fase del gigante rosso può durare circa 1,5 miliardi di anni, quindi ~ 100 volte più del necessario per sviluppare un'atmosfera ricca di ossigeno. Per stelle due volte più grandi del Sole, la scala temporale scende a soli 40 milioni di anni, avvicinandosi al limite inferiore di ciò di cui avremo bisogno. Le stelle più grandi si evolveranno ancora più rapidamente. Quindi, affinché ciò sia plausibile, avremo bisogno di stelle di massa inferiore che si evolvono più lentamente. Un limite superiore approssimativo qui sarebbe una stella di due masse solari.
Tuttavia, c'è un ulteriore effetto di cui dobbiamo preoccuparci: possiamo avere abbastanza CO2 nell'atmosfera di avere anche la fotosintesi? Sebbene non sia altrettanto reattivo dell'ossigeno, anche l'anidride carbonica è soggetta a rimozione dall'atmosfera. Ciò è dovuto a effetti come gli agenti atmosferici ai silicati come il CO2 + CaSiO3 -> CaCO3 + SiO2. Mentre questi effetti sono lenti, si accumulano con scale temporali geologiche. Ciò significa che non possiamo avere vecchi pianeti poiché avrebbero avuto tutto il loro CO gratuito2 rinchiuso in superficie. Questo equilibrio è stato esplorato in un articolo pubblicato nel 2009 e ha determinato che, per un pianeta di massa terrestre, il CO libero2 si esaurirebbe molto prima che la stella madre raggiungesse anche la fase del gigante rosso!
Quindi siamo tenuti ad avere stelle di bassa massa che si evolvono lentamente per avere abbastanza tempo per sviluppare la giusta atmosfera, ma se si evolvono così lentamente, allora non c'è abbastanza CO2 lasciato per ottenere l'atmosfera comunque! Siamo bloccati con un vero Catch 22. L'unico modo per renderlo di nuovo possibile è trovare un modo per introdurre quantità sufficienti di nuovi CO2 nell'atmosfera proprio mentre la zona abitabile inizia a spazzare via.
Fortunatamente, ci sono alcuni depositi abbastanza grandi di CO2 volando in giro! Le comete sono composte principalmente da monossido di carbonio congelato e anidride carbonica. Schiantarne alcuni in un pianeta introdurrebbe una quantità sufficiente di CO2 per avviare potenzialmente la fotosintesi (una volta che la polvere si è depositata). Fallo alcune centinaia di migliaia di anni prima che il pianeta entrasse nella zona abitabile, aspettasse dieci milioni di anni e quindi il pianeta potrebbe essere potenzialmente abitabile per un ulteriore miliardo di anni in più.
In definitiva, questo scenario sarebbe plausibile, ma non esattamente un buon investimento personale dato che saresti morto molto prima che tu potessi ottenere i benefici. Una strategia a lungo termine per la sopravvivenza di una specie spaziale forse, ma non una soluzione rapida per abbattere colonie e avamposti.
