Terwijl planeten in een baan om tweelingsterren een hoofdbestanddeel zijn van sciencefiction, laat een ander mensen leven op planeten die rond rode reuzensterren draaien. Het grootste deel van het verhaal van Planeet van de apen vindt plaats op een planeet rond Betelgeuse. Planeten rond Arcturus in Isaac Asimov's fundament series vormen de hoofdstad van zijn Sirius Sector. De thuisplaneet van Superman draaide om de fictieve rode reus Rao. Rassen op deze planeten worden vaak afgebeeld als oud en wijs omdat hun sterren verouderd zijn en het einde van hun leven naderen. Maar is het echt aannemelijk dat zulke planeten bestaan?
Sterren gaan niet eeuwig mee. Onze eigen zon heeft een vervaldatum in ongeveer 5 miljard jaar. Op dat moment is de hoeveelheid waterstofbrandstof in de kern van de zon op. Momenteel zorgt de fusie van die waterstof tot helium voor een druk die ervoor zorgt dat de ster door de zwaartekracht niet op zichzelf instort. Maar als het opraakt, is dat ondersteuningsmechanisme verdwenen en begint de zon te krimpen. Dit krimpen zorgt ervoor dat de ster weer opwarmt, waardoor de temperatuur toeneemt totdat een schaal van waterstof rond de nu uitgeputte kern heet genoeg wordt om de taak van de kern op zich te nemen en begint waterstof te versmelten tot helium. Deze nieuwe energiebron duwt de buitenste lagen van de ster terug naar buiten, waardoor hij tot duizenden keren zijn vorige grootte zwelt. Ondertussen zal de hogere temperatuur om deze vorm van fusie te ontsteken, betekenen dat de ster in totaal 1.000 tot 10.000 keer zoveel licht zal afgeven, maar aangezien deze energie over zo'n groot oppervlak wordt verspreid, zal de ster rood lijken, vandaar de naam.
Dit is dus een rode reus: een stervende ster die opgezwollen en heel helder is.
Om nu naar de andere helft van de vergelijking te kijken, namelijk wat bepaalt de bewoonbaarheid van een planeet? Aangezien deze sci-fi-verhalen onvermijdelijk mensen rondlopen aan de oppervlakte, zijn er een aantal behoorlijk strikte criteria die dit moet volgen.
Ten eerste mag de temperatuur niet te hoog en niet te laag zijn. Met andere woorden, de planeet moet zich in de leefbare zone bevinden, ook wel bekend als de "Goudlokje-zone". Dit is over het algemeen een behoorlijk groot deel van hemels onroerend goed. In ons eigen zonnestelsel strekt het zich uit van ongeveer de baan van Venus tot de baan van Mars. Maar wat Mars en Venus onherbergzaam maakt en de aarde relatief gezellig, is onze atmosfeer. In tegenstelling tot Mars is het dik genoeg om veel van de warmte die we van de zon ontvangen op te vangen, maar niet te veel zoals Venus.
De sfeer is ook op andere manieren cruciaal. Het is duidelijk wat de onverschrokken ontdekkingsreizigers gaan ademen. Als er te veel CO is2, het gaat niet alleen te veel warmte vasthouden, maar maakt het ook moeilijk om te ademen. Ook CO2 blokkeert geen UV-licht van de zon en de kans op kanker zou stijgen. We hebben dus een zuurstofrijke atmosfeer nodig, maar niet te zuurstofrijk, anders zullen er niet genoeg broeikasgassen zijn om de planeet warm te houden.
Het probleem hier is dat zuurstofrijke atmosferen gewoon niet bestaan zonder enige hulp. Zuurstof is eigenlijk heel reactief. Het houdt ervan om obligaties te vormen, waardoor het niet beschikbaar is om vrij te zijn in de atmosfeer zoals we willen. Het vormt dingen als H2O, CO2, oxiden, enz ... Daarom hebben Mars en Venus vrijwel geen vrije zuurstof in hun atmosfeer. Hoe weinig ze ook doen, komt van UV-licht dat de atmosfeer treft en ervoor zorgt dat de gebonden vormen uiteenvallen, waardoor de zuurstof tijdelijk vrijkomt.
De aarde heeft slechts zoveel vrije zuurstof als door fotosynthese. Dit geeft ons nog een ander criterium dat we nodig hebben om de bewoonbaarheid te bepalen: het vermogen om fotosynthese te produceren.
Laten we dit allemaal samen gaan stellen.
Ten eerste zal de evolutie van de ster die de hoofdreeks verlaat, opzwellen naarmate hij een rode reus wordt en helderder en heter worden, betekenen dat de "Goudlokje-zone" naar buiten zal vegen. Planeten die voorheen bewoonbaar waren zoals de aarde, zullen worden geroosterd als ze niet volledig worden opgeslokt door de zon terwijl deze groeit. In plaats daarvan zal de bewoonbare zone verder weg zijn, meer waar Jupiter nu is.
Maar zelfs als een planeet zich in deze nieuwe bewoonbare zone zou bevinden, betekent dit niet dat hij bewoonbaar is op voorwaarde dat hij ook een zuurstofrijke atmosfeer heeft. Daarvoor moeten we de atmosfeer via fotosynthese omzetten van een zuurstofarme naar een zuurstofrijke atmosfeer.
De vraag is dus hoe snel dit kan gebeuren? Te langzaam en de bewoonbare zone is mogelijk al voorbijgevlogen of de ster heeft mogelijk geen waterstof meer in de schaal en begon weer samen te trekken om de heliumfusie in de kern te ontsteken, waardoor de planeet opnieuw bevroor.
Het enige voorbeeld dat we tot nu toe hebben is op onze eigen planeet. Gedurende de eerste drie miljard levensjaren was er weinig vrije zuurstof totdat fotosynthetische organismen ontstonden en deze begonnen om te zetten naar niveaus die dicht bij die van vandaag liggen. Dit proces heeft echter enkele honderden miljoenen jaren geduurd. Hoewel dit waarschijnlijk kan worden verhoogd met een orde van grootte tot tientallen miljoenen jaren met genetisch gemanipuleerde bacteriën die op de planeet zijn gezaaid, moeten we er nog steeds voor zorgen dat de tijdschema's zullen werken.
Het blijkt dat de tijdschalen voor verschillende sterrenmassa's verschillend zullen zijn. Meer zware sterren branden sneller door hun brandstof en zullen dus korter zijn. Voor sterren zoals de zon kan de rode reuzenfase ongeveer 1,5 miljard jaar duren, dus ~ 100x langer dan nodig is om een zuurstofrijke atmosfeer te ontwikkelen. Voor sterren die twee keer zo zwaar zijn als de zon, zakt die tijdschaal naar slechts 40 miljoen jaar en nadert de ondergrens van wat we nodig hebben. Meer zware sterren zullen nog sneller evolueren. Om dit aannemelijk te maken, hebben we sterren met een lagere massa nodig die langzamer evolueren. Een ruwe bovengrens zou hier een ster van twee zonsmassa's zijn.
Er is echter nog een effect waar we ons zorgen over moeten maken: kunnen we genoeg CO hebben2 in de atmosfeer om zelfs fotosynthese te hebben? Hoewel kooldioxide lang niet zo reactief is als zuurstof, kan het ook uit de atmosfeer worden verwijderd. Dit komt door effecten zoals silicaatverwering zoals CO2 + CaSiO3 -> CaCO3 + SiO2. Hoewel deze effecten traag zijn, bouwen ze zich op met geologische tijdschalen. Dit betekent dat we geen oude planeten kunnen hebben, omdat ze al hun gratis CO zouden hebben gehad2 opgesloten in het oppervlak. Deze balans werd onderzocht in een paper dat in 2009 werd gepubliceerd en stelde vast dat voor een aardmassa-planeet de vrije CO2 zou uitgeput zijn lang voordat de moederster zelfs de rode reuzenfase bereikte!
Dus we moeten lage-massa sterren hebben die langzaam evolueren om genoeg tijd te hebben om de juiste atmosfeer te ontwikkelen, maar als ze zo langzaam evolueren, dan is er niet genoeg CO2 nog over om de sfeer toch te krijgen! We zitten vast met een echte Catch 22. De enige manier om dit weer haalbaar te maken, is door een manier te vinden om voldoende hoeveelheden nieuwe CO te introduceren2 de atmosfeer in, net zoals de bewoonbare zone voorbij trekt.
Gelukkig zijn er een aantal behoorlijk grote opslagplaatsen van CO2 gewoon rondvliegen! Kometen bestaan voornamelijk uit bevroren koolmonoxide en kooldioxide. Een paar van hen neerstorten op een planeet zou voldoende CO introduceren2 om mogelijk fotosynthese op gang te brengen (zodra het stof is neergedaald). Doe dat een paar honderdduizend jaar voordat de planeet de bewoonbare zone zou binnengaan, wacht tien miljoen jaar, en dan zou de planeet mogelijk nog wel een miljard jaar langer bewoonbaar kunnen zijn.
Uiteindelijk zou dit scenario aannemelijk zijn, maar niet bepaald een goede persoonlijke investering, aangezien je al lang dood zou zijn voordat je van de voordelen zou kunnen profiteren. Een langetermijnstrategie voor het overleven van een ruimtevarende soort misschien, maar geen snelle oplossing om kolonies en buitenposten omver te werpen.
