Elokehät tähtien ympärillä

Kirkkonummen Komeetta järjesti koulukeskuksen auditoriossa 7.12.2004 yleisöesitelmän, jossa fil. maist. Mika Kokko kertoi aiheesta Elokehät tähtien ympärillä. Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta rahoitti esitelmän. Sillä oli noin 30 kuulijaa.

Mika Kokko on 46-vuotias tutkija Helsingin yliopiston Tähtitieteen laitokselta. Hän valmistelee väitöskirjaa esitelmän aiheesta.

Elokehä on tähden ympärilla oleva vyöhyke, jonka sisäpuolella olevan planeetan pinta pystyy ylläpitämään olosuhteita, joissa voi syntyä maankaltaista elämää. Näissä olosuhteissa veden täytyy säilyä nestemäisessä olomuodossa.

Klikkaa kuvaa!
Mika Kokko käytti Kirkkonummella luennoidessaan myös piirtotaulua. Kuva Eija Nyman.

Esitelmässä tarkasteltiin tekijöitä, jotka vaikuttavat mm. elokehän leveyteen ja pitkäikäisyyteen.

Ainoa esimerkki elämästä on oma maapallomme. Aurinkokunnan ikä on 4,6 miljardia vuotta, joten se otettiin tähtien iän alarajaksi. Maan elämä on kehittynyt hyvin hitaasti, varhaisimmat elämän merkit ovat 3,8 míljardin vuoden ikäisiä.

Tähdet kehittyvät myös vakaassa vaiheessa, siis silloin kun ne ovat pääsarjassa. Vakaan vaiheen alussa esim. Auringon kirkkaus oli 71 % nykyisesta ja lopussa 10 miljardin vuoden ikäisenä sen kirkkaus on yli 1,8 kertaa nykyinen kirkkaus.

Jos tähden massa on suurempi, sen elinikä on lyhyempi, sillä tähden kirkkaus riippuu hyvin voimakkaasti tähden massasta. Jotta elämä tähden planeettavyöhykkeella olisi mahdollista, tähden massan tulisi olla suurinpiirtein sama kuin Auringolla.

Klikkaa kuvaa!
Mika Kokon esitelmää kuunteli noin 30 henkeä. Kuva Seppo Linnaluoto.

Elokehät

Vakaan vaiheen alussa esitelmöitsijän mukaan elokehän sisäreuna oli auringonmassaisella tähdellä 0,80 AU:ta ja ulkoreuna 1,16 AU:ta. Mittayksikkönä käytetty AU on maapallon keskietäisyys Auringosta.

Ja vakaan vaiheen lopussa auringonmassaisen tähden elokehän sisäreuna on 1,30 AU:ta ja ulkoreuna 1,87 AU:ta. Toisin sanoen elämä käy mahdottomaksi, koska Aurinko kirkastuu.

Mitä suurimassaisempi tähti on, sitä leveämpi on elokehä. Mutta toisaalta tähden elinikä lyhenee. Mitä kevyempi tähti on, sitä kapeampi elokehä, mutta tähti on pitkäikäisempi.

Yhteiset tekijät

Elollisissa olentojen yhdisteissä on eniten vetyä, happea, hiiltä, typpeä yms. Vedessä on vetyä ja happea, sokereissa vetyä, happea ja hiiltä, aminohapoissa vetyä, happea, hiiltä, typpeä ja rikkiä sekä DNA:ssa vetyä, happea, hiiltä, typpeä ja fosforia. Maankaltainen elämä vaatii siis vähintään vetyä, happea ja hiiltä.

Seuraavaksi esitelmöitsijä tarkasteli tähden sijaintia galaksissa, esim. Linnunradassa. Galaksin keskusta on liian aktiivinen. Siellä on runsaasti supernovia, liian kovaa säteilyä ja liian suuri tähtitiheys. Linnunradassa elokelpoisten tähtien sisäreuna on noin 10.000:n valovuoden päässä keskustasta. Oma sijaintimme on noin 25000:n valovuoden päässä keskustasta. Linnunradassa ulkoreuna taas tulee siitä, että heliumia raskaampia aineita on liian vähän. Siellä ei ole elämän synnylle riittävästi esim. happea ja hiiltä.

Klikkaa kuvaa!
Kuva Seppo Linnaluoto.

Sopiva tähti

Seuraavaksi esitelmöitsijä tarkasteli stellaarisia tekijöitä, siis sitä minkälainen on sopiva tähti. Tähden pitäisi olla pääsarjassa ja sen pitäisi olla riittävän pysyvässä tilassa ja sillä pitäisi olla sopiva lämpötila. Tähti ei saisi myöskään säteillä liikaa ultraviolettisäteilyä.

Tähden pitäisi olla pääsarjassa vähintään 4,6 miljardia vuotta (tämä tulee Auringon iästä). Tällaisia ovat tähdet, joiden massa on korkeintaan 1,24 auringon massaa. Tällaisia tähtiä on 97 % pääsarjatähdistä.

Tähden pitää olla riittävän kirkas, jolloin sen elokehä on tarpeeksi leveä ja elokelpoiset planeetat ovat riittävän kaukana tähdestä. Tällöin putoavat pois kevyet M-spektriluokan tähdet, koska niillä on liian kapea elokehä ja liian lähellä tähteä. M-luokan tähtien planeetoilla on lisäksi luultavasti synkroninen eli lukittunut pyöriminen (sama puoli kohti tähteä), mikäli planeetta on riittävän lähellä tähteä ollakseen elokehässä. M-tähdillä on lisäksi voimakkaita flare-purkauksia. Kelvollisia tähtiä on 22 %.

Vanhat populaatio II:n tähdet eivät kelpaa, koska niissä on vain 0,1-0,5 % heliumia raskaampia aineita. Nuorissa populaatio I:n tähdissä heliumia raskaampia aineita on 1-2 %, joten ne kelpaavat. Niiden planeetoissa elämän synty on mahdollista. Nuoria tähtiä on galaksien spiraalihaaroissa sekä epäsäännöllisissä galakseissa

Kaksoistähdet kelpaavat huonosti, koska niissä planeettojen radat ovat yleensä liian kaoottisia. Jos tähdet ovat riittävän kaukana toisistaan, voi molemmilla tähdillä olla omat planeettajärjestelmät. Jos taas tähdet ovat riittävän lähellä toisiaan, voi tähdillä olla yhteinen planeettajärjestelmä.

Seuraavaksi esitelmöitsijä tarkasteli ns. jäärajaa. Veden jäätymispiste yhden ilmakehän paineessa on 0 Celsius-astetta. Auringon kertymäkiekossa (planeettojen syntyessä) jäätymispiste on etäisyydellä 4,3 AU. Alemmassa paineessa sublimopitumisen ja höyrystymisen raja saavutettiin lämpötilassa n. -90 Celsius-astetta. Etäisyyden 4,3 AU ulkopuolella syntyivät aurinkokunnassa jääpitoiset komeetat, sisäpuolella jäättömät asteroidit.

Planetaariset tekijät

Ensin tarkasteltiin planeettojen albedoa. Se on planeetasta heijastuneen ja siihen osuneen valon määrän suhdetta eli planeetan heijastuskykyä. Albedo on aina nollan ja yhden välillä.

Lumella, jäällä ja tiheällä pilvikerroksella on suuri albedo, välillä 0,7-0,95. Pieni albedo on, jos planeetalla on ohut ilmakehä ja pinta on hiiltä, hiekkaa ja kiveä, välillä 0,02-0,3.

Aurinkokuntamme planeettojen albedot ovat: Merkurius 0,06, Venus 0,72, Maa 0,39 ja Mars 0,16. Jättiläisplaneettojen albedot ovat välillä 0,7-0,9. Pluton albedo on vain 0,02.

Planeetan ellipsiradan epäkeskisyys eli eksentrisyys on välillä 0 (ympyrärata) ja pienempi kuin 1 (hyvin soikea rata). Jos halutaan, että ellipsiradalla lämpötila vaihtelee välillä 0-50 Celsius-astetta, radan eksentrisyyden pitää olla 0,17.

Klikkaa kuvaa!
Mika Kokko työskentelee Helsingin yliopiston Tähtitieteen laitoksella.

Yhteenvetoa

Tähden pitää olla pääsarjatähti, sen kirkkauden ja lämpötilan pitää olla vakaita, eikä se saa säteillä liikaa ultraviolettisäteilyä. Sen pitää olla pääsarjassa vähintään 4,6 miljardia vuotta. Sen kirkkauden pitää olla riittävä, jotta sen elokehä on riittävän leveä ja kaukana tähdestä. Tähden pitää olla nuorehko populaatio I:n tähti, jotta siinä olisi riittävästi heliumia raskaampia aineita. Ja lopuksi sen pitäisi mielellään olla yksittäinen tähti, eikä kaksois- ta moninkertainen tähti.

Planeetan taas pitäisi olla kiinteä ja siinä pitäisi olla riittävästi heliumia raskaampia alkuaineita. Sen lämpötilan pitäisi olla välillä 0-50 Celsius-astetta. Sen radan eksentrisyyden pitäisi olla mielellään huomattavasti alle 0,17. Sillä pitäisi olla sopiva ilmakehä, jossa on happea ja typpeä. Planeetan akselin kaltevuuden pitäisi olla sopiva ja sen pitäisi pyöriä sopivasti. Jos planeetan akseli on liian kalteva, sillä on liian "rajut" vuodenajat, mikä on haitallista ainakin maankaltaiselle elämälle.

Maan ainutlaatuisuus

Maalla on suuri Kuu, joka mm. vakauttaa Maan kiertoakselin suunnan ja aiheuttaa vuorovesiä. Maassa on nestemäistä vettä, joka on edellytys elämälle. Maassa on tulivuoritoimintaa, joka on tärkeä hiilidioksidin kierrossa. Maa on oikean kokoinen, jotta se pystyy säilyttämään sopivan ilmakehän. Ilmakehä on myös sopiva kasvihuoneilmiölle, joka nostaa Maan keskilämpotilaa 33 astetta, mikä takaa sen, että vesi säilyy nestemäisenä ainakin joillakin alueilla maapallolla . Maan ilmakehässä on happea, joka mm. suojaa ultraviolettisäteilyltä. Korkea happipitoisuus on elämän aikaansaannosta.

Seuraava Komeetan järjestämä esitelmätilaisuus on Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa tiistaina 18.1.2005 klo 18.30. Dosentti Heikki Nevanlinna Ilmatieteen laitokselta kertoo aiheesta Aurinko ja sykliset ilmastonmuutokset.

Seppo Linnaluoto