Mens planeter som går i bane rundt tvillingstjerner er en basis i science fiction, er en annen å ha mennesker til å leve på planeter som kretser rundt røde kjempestjerner. Flertallet av historien om Apenes planet finner sted på en planet rundt Betelgeuse. Planeter rundt Arcturus i Isaac Asimovs Fundament seriene utgjør hovedstaden i Sirius Sector. Supermans hjemmeplanet ble sagt å gå i bane rundt den fiktive røde kjempen, Rao. Løp på disse planetene er ofte avbildet som gamle og kloke siden stjernene deres er blitt eldige og nærmer seg slutten av livet. Men er det virkelig sannsynlig å ha slike planeter?
Stjerner varer ikke evig. Vår egen sol har en utløpsdato på omtrent 5 milliarder år. På det tidspunktet vil mengden hydrogendrivstoff i solens kjerne ha gått tom. For øyeblikket gir fusjonen av det hydrogenet til helium et trykk som forhindrer stjernen i å kollapse på seg selv på grunn av tyngdekraften. Men når den går tom, vil den støttemekanismen bli borte og solen begynner å krympe. Denne krympingen får stjernen til å varme seg opp igjen, og øker temperaturen til et skall med hydrogen rundt den nå utmattede kjernen blir varm nok til å ta jobben med kjernen og begynner å smelte hydrogen til helium. Denne nye energikilden skyver stjernens ytre lag ut igjen og får den til å svelle tusenvis av ganger sin forrige størrelse. I mellomtiden vil den varmere temperaturen for å tenne denne formen for fusjon føre til at stjernen vil gi fra seg 1000 til 10.000 ganger så mye lys totalt sett, men siden denne energien er spredt ut over et så stort overflateareal, vil stjernen virke rød, derav Navn.
Så dette er en rød gigant: En døende stjerne som er hovent opp og veldig lys.
Nå for å ta en titt på den andre halvparten av ligningen, nemlig hva som bestemmer en planets levedyktighet? Siden disse sci-fi-historiene uunngåelig har mennesker som går rundt på overflaten, er det noen ganske strenge kriterier dette må følge.
For det første må temperaturen ikke være for varm og ikke for kald. Med andre ord, planeten må være i beboelig sone, også kjent som "Gullsokkesone". Dette er vanligvis en ganske god størrelse strids av himmelsk eiendom. I vårt eget solsystem strekker det seg fra omtrent bane til Venus til bane til Mars. Men det som gjør Mars og Venus ugjestmilde og Jorden relativt koselig er atmosfæren vår. I motsetning til Mars, er den tykk nok til å holde mye av varmen vi mottar fra solen, men ikke for mye av den som Venus.
Atmosfæren er avgjørende på andre måter også. Det er klart det er de uforstandige oppdagelsesreisende som skal puste. Hvis det er for mye CO2, det kommer ikke bare til å felle for mye varme, men gjøre det vanskelig å puste. Også CO2 blokkerer ikke UV-lys fra solen, og kreftnivået vil øke. Så vi trenger en oksygenrik atmosfære, men ikke for oksygenrik, eller det vil ikke være nok klimagasser til å holde planeten varm.
Problemet her er at oksygenrike atmosfærer bare ikke eksisterer uten noen hjelp. Oksygen er faktisk veldig reaktiv. Den liker å danne bånd, noe som gjør det utilgjengelig å være fri i atmosfæren som vi ønsker. Det danner ting som H2O, CO2, oksider osv. ... Dette er grunnen til at Mars og Venus praktisk talt ikke har fritt oksygen i atmosfærene. Det lille de gjør kommer fra UV-lys som slår ut i atmosfæren og får de bundne formene til å skilles ut, og frigjør oksygenet midlertidig.
Jorden har bare like mye fritt oksygen som det gjør på grunn av fotosyntesen. Dette gir oss et annet kriterium som vi trenger for å fastslå brukbarhet: muligheten til å produsere fotosyntesen.
La oss begynne å sette dette sammen.
For det første vil utviklingen av stjernen når den forlater hovedsekvensen, svulme opp når den blir en rød kjempe og bli lysere og varmere, bety at "Goldilocks-sonen" vil feie utover. Planeter som tidligere var beboelige som jorden, vil bli stekt hvis de ikke helt svelges av solen når den vokser. I stedet vil den beboelige sonen være lenger ute, mer der Jupiter er nå.
Selv om en planet var i denne nye beboelige sonen, betyr det ikke at den er beboelig under forutsetning av at den også har en oksygenrik atmosfære. For det må vi konvertere atmosfæren fra en oksygen sultet, til en oksygenrik atmosfære via fotosyntesen.
Så spørsmålet er hvor raskt kan dette skje? For sakte og den beboelige sonen kan allerede ha feid forbi, eller stjernen kan ha gått tom for hydrogen i skallet og begynt å trekke seg sammen igjen bare for å tenne heliumfusjon i kjernen, og igjen fryse planeten.
Det eneste eksemplet vi har så langt er på vår egen planet. De første tre milliarder årene av livet var det lite fritt oksygen før fotosyntetiske organismer oppstod og begynte å konvertere det til nivåer i nærheten av i dag. Imidlertid tok denne prosessen flere hundre millioner år. Selv om dette sannsynligvis kan økes med en størrelsesorden til titalls millioner år med genetisk konstruerte bakterier frøet på planeten, er vi fremdeles nødt til å sørge for at tidsplanene ordner seg.
Det viser seg at tidsskalene vil være forskjellige for forskjellige masser av stjerner. Mer massive stjerner brenner raskere gjennom drivstoffet sitt og vil dermed være kortere. For stjerner som Solen kan den røde gigantfasen vare cirka 1,5 milliarder år, så ~ 100 ganger lenger enn det som er nødvendig for å utvikle en oksygenrik atmosfære. For stjerner som er dobbelt så massive som solen, faller den tidsskalaen til bare 40 millioner år, og nærmer seg den nedre grensen for hva vi trenger. Mer massive stjerner vil utvikle seg enda raskere. Så for at dette skal være plausibelt, trenger vi stjerner med lavere masse som utvikler seg tregere. En grov øvre grense her ville være en stjerne med to solmasser.
Imidlertid er det en effekt vi trenger å bekymre oss for: Kan vi ha nok CO2 i atmosfæren til og med å ha fotosyntese? Selv om det ikke er så reaktivt som oksygen, er karbondioksid også utsatt for å bli fjernet fra atmosfæren. Dette skyldes effekter som silikatforvitring som CO2 + CaSiO3 -> CaCO3 + SiO2. Selv om disse effektene er langsomme, bygger de opp med geologiske tidsskalaer. Dette betyr at vi ikke kan ha gamle planeter siden de ville hatt all sin gratis CO2 låst bort i overflaten. Denne balansen ble utforsket i et papir publisert i 2009 og slo fast at for en jordmasseplanet, den frie CO2 ville være utmattet lenge før forelderstjernen til og med nådde den røde kjempefasen!
Så vi blir pålagt å ha stjerner med lav masse som utvikler seg sakte for å ha nok tid til å utvikle den rette atmosfæren, men hvis de utvikler seg så sakte, så er det ikke nok CO2 igjen for å få stemningen uansett! Vi står fast med en ekte fangst 22. Den eneste måten å gjøre dette gjennomførbart igjen er å finne en måte å introdusere tilstrekkelige mengder nytt CO2 inn i atmosfæren akkurat når den beboelige sonen begynner å feie forbi.
Heldigvis er det noen ganske store lagre av CO2 bare flyr rundt! Kometer består hovedsakelig av frosset karbonmonoksid og karbondioksid. Å krasje noen få av dem i en planet ville introdusere tilstrekkelig CO2 for potensielt å få i gang fotosyntesen (når støvet sank ned). Gjør det noen hundre tusen år før planeten skulle komme inn i den beboelige sonen, vent ti millioner år, og da kan planeten potensielt være beboelig i så mye som en milliard år til.
Til syvende og sist ville dette scenariet være plausibelt, men ikke akkurat en god personlig investering siden du ville være død lenge før du kunne høste fordelene. En langsiktig strategi for overlevelse av en romfarende art kanskje, men ikke en rask løsning for å kaste ned kolonier og utposter.
