Exoplaneta Proxima Centauri b v uměleckých představách, Systém Alfa Centauri AB je kousek nalevo od Proximy Centauri (zdroj ESO, M. Kornmesser).

Do vzdálenosti 16,3 světelných let je 55 hvězdných systémů (některé jsou násobné). V nich je 56 klasických hvězd na hlavní posloupnosti, z nich pak 46 červených trpaslíků, což je tak nejčastěji se vyskytující typ hvězdy. Dále je tam 15 hnědých trpaslíků, u nichž hmotnost nestačila k zapálení fúzních reakcí. A nakonec jsou zde 4 bílí trpaslíci, což jsou konečná stádia hvězd takového typu, jako je třeba i Slunce. Samotné Slunce je poměrně hmotná hvězda. Výskyt hvězd s takovou a větší hmotností je poměrně vzácný, takže do vzdálenosti zmíněných 16,3 světelných let jsou kromě Slunce jen tři: Alfa Kentaura A, Sirius A (Alfa Velkého psa) a Procyon A (Alfa Malého psa). I okolí Slunce potvrzuje, že červení trpaslíci jsou nejčastějšími hvězdami v Galaxii, mohly by tvořit okolo 80 % jejich počtu. Přesná čísla se však těžko získávají, protože kvůli jejich nízké svítivosti se ve větších vzdálenostech jen těžko pozorují. V každém případě však jsou červení trpaslíci nejpravděpodobnějšími cíli prvních mezihvězdných letů.

Vlastnosti červených trpaslíků.

Červený trpaslík je málo hmotná a relativně chladná hvězda. Jejich hmotnosti se pohybují mezi 7,5 % až 50 % hmotnosti Slunce. Jejich povrchové teploty se pohybují pod 4000 K. Svítivost je tak u těch nejhmotnějších k desetině svítivosti Slunce, u těch s nízkou hmotností pak i pouhá desetitisícina.

Umělecká představa velmi mladého binárního systému dvou červených trpaslíků DG CVn v okamžiku jedné ze supererupcí, která byla pozorována v dubnu 2014 a byla 10 tisíckrát větší než největší pozorovaná u Slunce. Systém je vzdálen 60 sv. let od Země. (Zdroj NASA Goddard Space Flight Center/S. Wiessinger).

Jedná se o hvězdy na hlavní posloupnosti. Tedy ty, které jsou právě v hlavním a nejdelším období svého života. Čím má hvězda menší hmotnost, tím pomaleji spaluje své zásoby paliva a tím déle na hlavní posloupnosti zůstane. Červení trpaslíci s hmotností menší než 35 % hmotnosti Slunce jsou plně konvektivní, takže se helium vznikající spalováním vodíku plně promíchává s ostatní hmotou, nevytváří se heliové jádro, palivo se tak využívá mnohem efektivněji a jejich doba života se ještě více prodlužuje. Na hlavní posloupnosti s velmi konstantním vyzařováním tak vydrží biliony let. U těch s hmotností 0,1 hmotností Slunce je to 10 bilionů. Doba jejich existence tak významně překračuje současné stáří našeho Vesmíru a v principu všichni červení trpaslíci jsou zatím mladíci.

Dominantní část červených trpaslíků obsahuje těžší prvky. Podle současných představ se bez nich nemohou rodit hvězdy s nízkou hmotností. První generace hvězd tak byly velmi hmotné, rychle prožily svojí existenci a při výbuchu v podobě supernovy do okolí vyslaly těžší prvky, které se pak dostaly do hmoty tvořící následné generace hvězd.

Umělecká představa pohledu s povrchu exoplanety Proxima Centauri b v blízkosti červeného trpaslíka (zdroj ESO, M. Kornmesser).

Mladí červení trpaslíci rotují i rychleji než Slunce a také jejich aktivita je mnohonásobně intenzivnější. Je však třeba připomenout, že mládí červeného trpaslíka je několik miliard let. U mladé hvězdy probíhají supererupce, koronární vzplanutí a výrony hmoty z korony mnohem častěji než třeba u Slunce, navíc jsou více než desetkrát intenzivnější. Pozorována byla i supererupce, která byla 10 tisíckrát intenzivnější než ty nejintenzivnější u Slunce. Zatímco supervzplanutí se u Slunce objevují jednou za 100 let, u mladých červených trpaslíků probíhají mnohokrát za rok. Většina z nich je kratší než den, ale pozorovaly se i erupce trvající až týden. Intenzita vyzařovaného rentgenovského a ultrafialového záření je u mladých červených trpaslíků sedmkrát až desetkrát větší.

Hustoty a osvětlení planet v systému červeného trpaslíka TRAPPSIT-1 (zdroj NASA/JPL-Caltech).

O něco starší červení trpaslíci by měly mít menší obsah prvků těžších než helium, pomalou rotaci a nízkou aktivitu. Právě u nich je největší pravděpodobnost existence planet s vhodnými podmínkami pro život.

Planety okolo červených trpaslíků

Podle dosavadních pozorování je výskyt planet u červených trpaslíků velice častý. Podle dosavadních statistik by měl mít alespoň jednu téměř každý a průměrně by to mělo být 2,5 exoplanety na červeného trpaslíka. Nevyskytují se tu extrémně velké planety, zato značný počet planet velikostí Země nebo typu superzemě (s hmotností znatelně větší než Země, ale nepřesahující 10 hmotností Země). Planety zemské velikosti v obyvatelné zóně by mohla mít třetina červených trpaslíků, když zahrneme i superzemě, bude to ke 40 %. Ovšem je třeba zdůraznit, že zatím jde jen o velmi přibližné odhady získané omezenými statistickými přehlídkami prozatím se značnou nejistotou.

Že může mít červený trpaslík i velký počet exoplanet, ukazuje systém TRAPPIST-1, který je vzdálený 39 světelných let. Jde o mimořádně chladnou hvězdu s hmotností 0,08 hmotností Slunce a poloměrem 0,11 poloměru slunečního. Povrchová teplota je 2550 K (u Slunce je 5770 K). Má sedm planet s velikostmi mezi Venuší a Zemí. Tři z nich, c, d a e, jsou uvnitř nebo poblíž obyvatelné zóny). V soustavě pozorujeme řadu zákrytů a přechodů exoplanet pře červeným trpaslíkem. To umožnilo určit jejich rozměry i hmotnosti. Ukazuje se, že hustota je relativně nízká, což může být dáno velkým zastoupením vody nebo ledu, případně velmi hustou atmosférou.

Systém exoplanet okolo červeného trpaslíka TRAPPSIT-1 (zdroj NASA/JPL-Caltech).

Do vzdálenosti 16,3 světelných let od Slunce je 46 červených trpaslíků. Z předchozích odhadů by tak vycházelo, že by zhruba patnáct z nich mělo mít planety velikosti Země v obyvatelné zóně okolo mateřské hvězdy a další pak velikosti superzemě. Je však třeba připomenout, že vhodná velikost planety a její přítomnost v zóně, kde by svit mateřské hvězdy umožňoval existenci atmosféry a tekoucí vody, ještě neznamená, že na ní budou opravdu podmínky vhodné pro život.

Obyvatelnou zónou se nazývá oblast okolo hvězdy, ve které se mohou být planety s výskytem vody v kapalném stavu. Její vzdálenost od mateřské hvězdy závisí na její svítivosti. U červených trpaslíků jsou tak mnohem blíže k nim a také jsou menší. Vzdálenost u nich je 5krát až 20krát menší, než je vzdálenost Země od Slunce.

Reálná možnost pro podmínky umožňující existenci života na planetách okolo červených trpaslíků je silně ovlivněna dvěma jevy spojenými s těmito hvězdami. Prvním jsou zmíněné intenzivní erupce probíhající s vysokou frekvencí u mladých červených trpaslíků v prvních miliardách let jejich života. Intenzivní emise rentgenovského záření a částic během nich ohrožují nejen život na planetách v době, kdy probíhají, ale mohou také vytvořit podmínky nevhodné pro jeho vznik později, když období bouřlivějšího života červeného trpaslíka už skončí.

Intenzivní hvězdný vítr složený z energetických částic, rentgenovského a ultrafialového záření produkovaný bouřlivými procesy rozkládá molekuly vody na atomy, ty se ionizují a z atmosféry se do volného prostoru vytěsňují vodík a kyslík z rozložených vodních molekul. Proces by mohl být tak intenzivní, že už po několika desítkách a stovkách milionů let by se exoplanety v obyvatelné zóně červených trpaslíku mohly stát neobyvatelnými. Ztráty atmosférického vodíku a kyslíku mohou dramaticky snížit zásoby vody na exoplanetě ještě předtím, než se může stihnout vyvinout život. To platí v případě, pokud je doplňování atmosféry vulkanickou činností nebo bombardováním kometami minimální. V každém případě ovlivní tyto procesy velmi silně složení atmosféry těchto planet.

Hypotetická exoplaneta obíhající okolo velmi aktivního červeného trpaslíka v představě umělce (zdroj NASA/ESA/G. Bacon (STSCI)).

Tento proces chladného úniku kyslíku i vodíku doplňuje tepelný únik dominantně vodíku, se kterým se počítalo již dříve. Jeho význam pro ztráty atmosféry byl rozebrán ve výsledcích simulací modelujících situaci u exoplanety Proxima Centauri b v nedávné práci publikované v Astrophysical Journal Letters (836:L3, 2017). Pokud se započítá pouze tepelný únik, dochází k úniku vodíku, ale těžší prvky zůstávají v atmosféře a dochází k její oxidaci. Započtení chladného úniku pak vede k úniku všech plynů z atmosféry. Samotná Proxima Centauri je aktivní červený trpaslík. Například 24. března 2014 u ní byla pozorována erupce desetkrát intenzivnější než největší na Slunci.

Proxima Centauri je nejbližší hvězda ke Slunci, její vzdálenost je pouhých 4,2 světelných let. Jde o červeného trpaslíka s hmotností zhruba 0,12 hmotnosti Slunce, jehož povrchová teplota je zhruba 3000 K. Má poměrně vysoký obsah těžších prvků blízký tomu u Slunce. Její stáří je tak zhruba podobné a jako červený trpaslík se ještě nedostala z mladého věku. Její rotační perioda je zhruba 88 dní. Je tak stále značně aktivní, jde o eruptivní proměnnou hvězdu typu UV Ceti. Samotná Proxima Centauri b má hmotnost nejméně 1,3 hmotnosti Země, její oběžná perioda je 11,2 dne. S největší pravděpodobností bude mít vázanou rotaci, při které natáčí planeta ke hvězdě stále stejnou stranu. Jde o k nám nejbližší exoplanetu v obyvatelné zóně. Také je nejvhodnější kandidát pro průzkum její atmosféry budovanou novou generací dalekohledů.

Exoplaneta Ross 128b je zatím nejslibnějším kandidátem na obyvatelný svět v blízkosti Slunce (zdroj ESO, M. Kornmesser).

Příkladem neaktivního červeného trpaslíka je systém Ross 128, u kterého byla v červnu 2017 objevena exoplaneta v zóně obyvatelnosti (viz původní práce). Podařilo se to známým zařízením HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) umístěném na teleskopu s průměrem 3,6 m v observatoři La Silla organizace ESO v Čile. Hvězda je vzdálena od Země 11 sv. l., má hmotnost 15 % hmotnosti Slunce a 21 % jeho průměru. Ve viditelné oblasti má pouze 0,036 % sluneční luminosity. Většinu energie vyzařuje v infračervené oblasti, takže celková bolometrická luminozita je 0,36 % té sluneční. Její efektivní povrchová teplota je 3180 K. Jde o starého červeného trpaslíka patřícího do diskové populace s malým obsahem těžších prvků, s pomalou rotací, malou intenzitou magnetického pole a nízkou aktivitou. Perioda rotace je 165,1 dne a délka magnetického cyklu 4,1 let. V současné době se přibližuje ke Sluneční soustavě, ke které se za zhruba 71 000 let dostane nejblíže, na vzdálenost 6,2 sv. l..

Objekt Ross 128b je po Proximě Centauri b druhou nejbližší exoplanetou v zóně života. Planeta je 20krát blíže ke své hvězdě, než je Země od Slunce. Její hmotnost je nejméně 1,35 hmotnosti Země a dostává z červeného trpaslíka 1,38krát více energie. Doba oběhu je 9,9 dní a kvůli své blízkosti má planeta s největší pravděpodobností vázanou rotaci. Odhadovaná rovnovážná teplota planety Ross 128 b pohybuje v rozmezí od -60 °C do +20 °C, konkrétní hodnoty však závisí na hustotě a složení atmosféry.

Dalekohled Jamese Webba by měl být vypuštěn v roce 2019 (zdroj NASA).

Blízkost exoplanety k mateřské hvězdě totiž zvětšuje pravděpodobnost, že relativně brzo dojde ke vzniku vázané rotace. Proto bude mít u těchto exoplanet jedna strana, která je k ní stále natočená, vyšší teplotu. Rozdíl nemusí být tak velký, pokud bude dostatečně hustá atmosféra. Pak ovšem budou mezi osvětlenou a neosvětlenou polokoulí vanout velmi silné větry. Vyrovnávání teplot i celý průběh celoplanetárního klimatu pak bude silně záviset na hustotě atmosféry i na přesných parametrech dráhy i sklonu rotace planety a tedy i libracích.

Prokázání přítomnosti atmosféry je tak klíčové pro zjištění, jaké podmínky na planetě panují. Zároveň je tato exoplaneta nejblíže Zemi. Bude to tak jeden z prvních cílů dvou nových velkých přístrojů, které se připravují. Extrémně velký dalekohled evropské organizace ESO v Čile a Webbův vesmírný dalekohled NASA dokáží pořídit spektra atmosféry této exoplanety a rozhodnout, z čeho se skládá a jestli je tam kyslík. Brzy bychom už tak mohli vědět více o Proximě Centauri B, Ross 128b i dalších blízkých exoplanetách.

Umělecká představa o vzhledu Velmi velkého dalekohledu, který dokáže zkoumat atmosféru exoplanet (zdroj ESO).

Kromě atmosféry by stejně jako u Země mohlo povrch exoplanety chránit magnetické pole. Díky vázané rotaci budou mít sice kratší rotační periodu, ale zase ne tak moc. Místo jednoho dne to může být okolo deseti dnů. Navíc u superzemí se magnetické pole může vytvořit i bez rychlé rotace. Pro vytvoření magnetického pole je potřeba mít tekuté jádro. Pro jeho udržení by mohl v daném případě pomoci indukční ohřev a ohřev slapovými silami. Planety jsou totiž velmi blízko mateřské hvězdě a navíc vytváří mladší červený trpaslík velmi často intenzivní magnetické pole a rotuje poměrně rychle v řádů dní. Zmíněné procesy mohou přispívat k významnému ohřevu, který vede k intenzivní vulkanické činnosti až vzniku magmatických jezer. Týká se to hlavně vnitřních planet. Simulace v případě popsaného systému TRAPPIST-1 publikovaná v nedávném článku ukázaly, že ovlivněny budou tři vnitřní planety, z nichž jedna je na kraji obyvatelné zóny.

Zajímavým důsledkem interakce intenzivního kosmického záření ze supererupcí s magnetickým polem a atmosférou exoplanety pak mohou být obrovské polární záře až 100 tisíckrát intenzivnější a táhnoucí se od pólu až k rovníku. Takže večery i noci mohou být zkrášleny opravdu nádhernou podívanou překonávající i ty největší za zemským polárním kursem.

Závěr

Ukazuje se, že červených trpaslíků by mohlo být okolo 80 % a mají také velký počet planet velikosti země či superzemě v obyvatelné zóně. Mohlo by jich být v Galaxii až 160 miliard. Také v nejbližším okolí Slunce jsou desítky červených trpaslíků a už se podařilo najít i planety zemského typu v jejich obyvatelných zónách. Existenci atmosféry i možnost života velmi silně ovlivňuje aktivita mateřské hvězdy. Pozornost se tak obrací k neaktivním červeným trpaslíkům, jako je třeba Ross 128 s exoplanetou v zóně života. Je nejbližším a nejperspektivnější cílem pro hvězdnou expanzi lidské civilizace. Velmi důležitá je pro možnost jejich využití vhodná atmosféra a oceány, které mohou pomoci při vyrovnávání teploty mezi stranou exoplanety přivrácenou stále k červenému trpaslíkovi a stranou odvrácenou. Zároveň by atmosféra a magnetické pole měly pomoci chránit případný život před případnou aktivitou a erupcemi z mateřského zdroje. Výhodu by v tomto směru měly mít superzemě, protože větší hmotnost lépe udrží atmosféru a je větší pravděpodobnost intenzivnějšího magnetického pole. V nejbližší době se můžeme těšit na první spektra těchto atmosfér z Webbova vesmírného dalekohledu a extrémně velkých pozemních dalekohledů, na kterých se pracuje.

Co bude potřeba vyřešit před tím, než budeme moci letět k popsaným systémům, bylo nedávno na Oslovi popsáno, fantastičtější možnosti pak později. Teprve po osvojení potřebných technologií se budeme moci dívat na nepředstavitelné polární záře na planetách u červených trpaslíků. Pokud se však lidstvo do vesmíru vypraví, kolonie na planetách červených trpaslíků určitě vzniknou.

Přednáška o možnostech mezihvězdných letů v rámci Týdne vědy v roce 2016 na AV ČR: