¿Cuáles son buenos límites superior e inferior en la duración del año para los planetas habitables?

Respuesta corta:

Los exoplanetas conocidos que orbitan estrellas de la secuencia principal tienen una duración anual que varía de 4,31 horas a aproximadamente 1 000 000 de años, por lo que el año más largo conocido es aproximadamente 2 040 816 327 veces más largo que el más corto.

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_exoplanet_extremes#Orbital_characteristics[1]

Pero los requisitos de habitabilidad planetaria para la vida basada en el carbono y el agua líquida, y especialmente para las variedades de vida que respiran oxígeno, son bastante estrictos.

Un escritor de ficción que quisiera estar bastante seguro de que su historia no resultaría imposible podría restringir las órbitas y las estrellas de los planetas habitables para que el año más largo fuera solo unas diez veces más largo que el año más corto. Si el escritor está dispuesto a correr un mayor riesgo de que los elementos de la historia resulten imposibles, el año más largo de un planeta habitado podría ser unas cien veces más largo que el más corto. Si el escritor está dispuesto a hacer suposiciones más atrevidas (y más probables de estar equivocadas) sobre los planetas habitables, el año más largo posible de un planeta habitable podría ser unas mil veces más largo que el año más corto.

Y si un escritor de ficción se arriesga a utilizar hipotéticas bioquímicas alienígenas exóticas en su historia, el rango de duración de los años entre los mundos habitables y deshabitados podría ser mucho mayor. Y, sin embargo, probablemente seguiría siendo un rango muy pequeño en comparación con el rango de posibles años de duración de los exoplanetas.

Respuesta larga:

Primera parte de siete: ¿Qué tipos espectrales de estrellas pueden tener planetas habitables?

Aquí hay un enlace a una pregunta:

https://astronomy.stackexchange.com/questions/40746/how-would-the-characteristics-of-a-habitable-planet-change-with-stars-of-differe[2]

La respuesta del usuario 177107 tiene una tabla de estrellas de secuencia principal de diferentes masas y tipos espectrales. Enumera para cada estrella la distancia a la que un planeta recibiría exactamente tanta radiación de la estrella como la Tierra recibe del Sol, y la duración del período orbital o año de ese planeta.

por ejemplo, la distancia a una estrella G2V como el Sol sería de 1 Unidad Astronómica (UA) y la duración del año sería de 365,56 días terrestres. Los ejemplos van desde estrellas de tipo espectral M8V con masas de 0,082 de la masa del Sol, una distancia orbital de 0,0207 UA y un año de 3,28 días terrestres, hasta estrellas de tipo espectral A2V con masas de 2,05 la masa del Sol, una distancia orbital de 4,611 AU, y un año de 2.526,01 días terrestres.

Sin embargo, se cree que no todas las estrellas dentro de ese rango de tipos espectrales son capaces de tener planetas habitables.

Stephen H. Dole, en Planetas habitables para el hombre , 1964, 2007, discutió los requisitos para que un mundo sea habitable para los humanos, o para otras formas de vida que usan agua líquida y necesitan una atmósfera rica en oxígeno.

https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/commercial_books/2007/RAND_CB179-1.pdf[3]

La Tierra tuvo vida hace unos tres o cuatro mil millones de años, pero no produjo una atmósfera rica en oxígeno ni se volvió habitable para los humanos hasta que tuvo unos cuatro mil millones de años. Dole estimó que ningún planeta podría volverse habitable en menos de tres mil millones de años. Y la estrella del planeta tendría que permanecer en el escenario de la secuencia principal y tener una luminosidad constante durante esos tres mil millones de años o más o, de lo contrario, los grandes cambios en la luminosidad acabarían con toda la vida en el planeta.

En las páginas 67 a 72, Dole analiza las propiedades requeridas de la estrella de un planeta habitable. Dole dijo que los cálculos astrofísicos indicaron que las estrellas más masivas que podrían permanecer en la etapa de desarrollo de secuencia principal durante al menos tres mil millones de años serían estrellas F2V de tipo espectral de secuencia principal.

Según la tabla mencionada anteriormente, tendrían una masa de 1,44 la masa del Sol, y un planeta que recibiera exactamente tanta radiación de la estrella F2V como la que recibe la Tierra del Sol tendría que orbitarlo a una distancia de 2,236 UA con un período orbital o año de 1.018,01 días terrestres.

La cuestión de las estrellas menos masivas que podrían tener planetas habitables depende de las zonas habitables circunestelares de las estrellas, que Dole llama "ecosferas". Las zonas habitables se extienden desde los bordes interiores, donde los planetas estarían demasiado calientes, hasta los bordes exteriores, donde estarían demasiado fríos, y los planetas intermedios son potencialmente habitables si todo está bien.

Cuanto menos masiva sea una estrella, menos luminosa será, por lo que los bordes interior y exterior de su zona habitable estarán más cerca de la estrella. Y cuanto más cerca esté un planeta de su estrella, más fuerte será la fuerza de marea de la estrella sobre el planeta. Cuando un palnet está demasiado cerca de su estrella, la fuerza de la marea será lo suficientemente fuerte como para ralentizar rápidamente la rotación del planeta, de modo que quedará bloqueado por la marea, con un lado siempre mirando hacia la estrella en el día eterno y el otro lado en el eterno. noche. Y toda el agua y el aire podrían viajar del lado diurno al lado nocturno y congelarse, dejando el planeta inhabitable.

En las páginas 71 a 72, Dole calculó que una estrella podría tener una ecosfera completa o una zona habitable si tuviera una masa de aproximadamente 0,88 de la masa del Sol o más. Las partes internas de las zonas habitables de estrellas de menor masa estarían demasiado cerca de las estrellas y los planetas en esas regiones quedarían bloqueados por mareas. Una estrella con una masa de menos de 0,72 de la masa del Sol tendría una zona habitable que estaba completamente demasiado cerca de la estrella, donde los planetas estarían bloqueados por mareas. Una masa de 0,72 correspondería a una estrella de tipo K1V.

De acuerdo con la tabla que mencioné anteriormente, una estrella con 0,88 de la masa del Sol estaría entre un tipo G8V y un tipo K2 V, y tendría un año entre 280,06 y 182,93 días terrestres. Una estrella con 0,72 de la masa del Sol estaría entre una estrella K2V con 0,78 de la masa del Sol y una K5V con 0,68 de la masa del Sol, y por lo tanto tendría un año entre 182,93 y 114,84 días terrestres. Por lo tanto, la duración más larga posible del año de un planeta habitable sería entre 3,6 y 8,8 veces más larga que la duración más corta posible del año de un planeta habitable.

Segunda parte: los planetas están bloqueados por mareas con los mundos compañeros en lugar de con sus estrellas.

En las páginas 72 a 75, Dole especula que si un planeta tiene un satélite natural lo suficientemente grande, o es parte de un planeta doble, o no es un planeta sino una luna de un planeta grande, estaría bloqueado por mareas al planeta y no a la estrella y, por lo tanto, podría tener días lo suficientemente cortos como para ser habitable, incluso si orbitara una estrella menos masiva que 0,72 la masa del Sol.

Pero cuanto menos masiva y más tenue sea la estrella, más cerca tendrá que orbitar dicho planeta, y eventualmente el planeta se acercará tanto a la estrella que las mareas estelares sobre el planeta serían demasiado fuertes y destructivas para la habitabilidad. Dole estimó que el límite inferior de masa de la estrella en tal situación sería de aproximadamente 0,35 de la masa del Sol.

Eso sería menos masivo que una estrella M2V con 0,44 de la masa del Sol y más masivo que una estrella M5V con 0,16 de la masa del Sol. Eso indica que la duración más corta posible del año de un planeta habitable debería estar entre 36,51 días terrestres y 11,68 días terrestres.

Entonces, si esto es posible, el año más largo posible de un planeta habitable sería entre 27,88 y 87,15 veces más largo que el año más corto posible de un planeta habitable.

Tercera parte: Planetas que orbitan alrededor de dos o más estrellas.

Sin embargo, los planetas circumbinarios orbitan alrededor de dos estrellas. Si las dos estrellas en el binario son idénticas y son estrellas F2V, su zona habitable combinada tendría límites internos y externos aproximadamente 1,44 veces mayores que los límites alrededor de una estrella F2V.

Y si hay un sistema estelar cuádruple con dos pares de estrellas F2V, y las estrellas orbitan lo suficientemente cerca una de la otra, los planetas podrían orbitarlas en su zona habitable combinada, que tendría límites internos y externos que serían el doble de alrededor. una sola estrella F2V.

Por lo tanto, en casos extremos y muy raros, los planetas habitables que orbitan estrellas binarias o múltiples pueden tener años significativamente más largos que los planetas habitables que orbitan una sola estrella F2V.

Cuarta parte: ¿Pueden ser habitables los planetas bloqueados por mareas?

Pero hay más

La idea de que los planetas bloqueados por mareas en las zonas habitables de estrellas menos masivas no pueden ser habitables ha sido cuestionada.

Este pesimismo ha sido atenuado por la investigación. Los estudios realizados por Robert Haberle y Manoj Joshi del Centro de Investigación Ames de la NASA en California han demostrado que la atmósfera de un planeta (suponiendo que incluya los gases de efecto invernadero CO2 y H2O) solo necesita ser de 100 milibares (0,10 atm) para que el calor de la estrella sea transportado efectivamente al lado de la noche.[81] Esto está dentro de los niveles requeridos para la fotosíntesis, aunque el agua aún permanecería congelada en el lado oscuro en algunos de sus modelos. Martin Heath, del Greenwich Community College, ha demostrado que el agua de mar también podría circular de manera efectiva sin congelarse si las cuencas oceánicas fueran lo suficientemente profundas como para permitir el flujo libre debajo de la capa de hielo del lado nocturno.

https://en.wikipedia.org/wiki/Planetary_habitability#Red_dwarf_systems[4]

Los humanos requieren una presión parcial de al menos 60 milímetros de mercurio (más pequeñas cantidades de otros gases) para sobrevivir. Eso es aproximadamente 0,0789 de la presión superficial al nivel del mar en la Tierra. Por lo tanto, casi todos los planetas con una atmósfera respirable para los humanos tendrían una presión de al menos 0,10 atmósfera terrestre, calculada como suficiente para la circulación adecuada del calor en un planeta bloqueado por mareas. Sin embargo, esa atmósfera mínima necesaria para una circulación de calor suficiente en un planeta bloqueado por mareas podría incluir demasiados gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono y el vapor de agua para ser respirables por los humanos, y posiblemente demasiados para ser respirables por cualquier forma de vida que requiera oxígeno.

Hay algunos otros problemas con la habitabilidad de los planetas de estrellas enanas rojas de clase M. Una vez leí una novela de ciencia ficción de Andre Norton, ambientada en un planeta de una tenue estrella roja, donde se decía que las estrellas pueden hacer cosas malas a los planetas que las orbitan demasiado cerca. Y pensé que eso era una tontería. Dado que el planeta estaba orbitando a la distancia adecuada para tener una temperatura habitable, no importaba cuál era su distancia a la estrella. Pero más tarde supe que muchas estrellas tenues de clase M son estrellas fulgurantes que a veces aumentan su luminosidad varias veces, lo que sería malo para la vida en sus planetas. Pero no todas las estrellas de clase M son estrellas fulgurantes.

Por lo tanto, es posible que pueda haber planetas, habitables por humanos y/o por otros seres inteligentes que requieran agua líquida y atmósferas ricas en oxígeno, alrededor de enanas rojas de clase M muy tenues, posiblemente orbitando estrellas tan tenues como M8V con años de 3,82 días terrestres de duración.

Quinta parte: Los bordes interior y exterior de la zona habitable de una estrella.

¡Pero hay más!

Un planeta habitable no tiene que orbitar su estrella a la distancia necesaria para recibir exactamente tanta radiación de su estrella como la que recibe la Tierra del Sol. Un planeta podría recibir un poco más o menos de radiación que la Tierra, y ser un poco más caliente o más frío en promedio que la Tierra, y aun así ser habitable. Y así, un planeta habitable podría tener un año un poco más corto o más largo de lo necesario para recibir exactamente la misma cantidad de radiación que la Tierra, y seguir siendo habitable.

El procedimiento para calcular los bordes interior y exterior de la zona habitable de una estrella es sencillo, si se conoce la luminosidad de esa estrella en relación con la del Sol. Simplemente multiplique las distancias a los bordes interior y exterior de la zona habitable del Sol por la raíz cuadrada de la luminosidad de la estrella comparada con la del Sol.

Entonces, ¿a qué distancia del Sol están los bordes interior y exterior de la zona habitable del Sol?

Nadie lo sabe con seguridad. Aquí hay un enlace a una colección de diferentes bordes internos y externos estimados o calculados, ya veces ambos, de la zona habitable circunestelar del Sol, realizados durante los últimos sesenta años.

https://en.wikipedia.org/wiki/Circumstellar_habitable_zone#Solar_System_estimates[5]

Tenga en cuenta lo mucho que difieren.

Uno de los cálculos más conocidos, realizado por Hart et al en 1979, da una zona habitable muy estrecha, entre 0,95 UA y 1,01 UA.

Otro cálculo muy conocido y utilizado con frecuencia, realizado por Kasting et al en 1993, da una zona habitable conservadora mucho más amplia, entre 0,95 AU y 1,37 AU, y una zona habitable optimista aún más amplia entre 0,84 AU y 1,67 AU.

En varias estimaciones, el borde interior de la zona habitable del Sol varía entre 0,38 UA y 0,99 UA, y el borde exterior de la zona habitable del Sol varía entre 1,01 UA y 10 UA.

Observo que la estimación de Dole es la única explícitamente sobre habitabilidad para humanos y seres con requerimientos similares. Es posible que todas las demás estimaciones sean para planetas habitables para vida basada en carbono usando agua líquida en general, y que ninguna de ellas considere la habitabilidad para humanos u otros respiradores de oxígeno.

Algunos de ellos parecen requerir una composición atmosférica que sería irrespirable, para humanos u otros respiradores de oxígeno, para tener temperaturas adecuadas para la vida.

Entonces, un escritor extremadamente cauteloso acerca de que se demuestre que su historia es imposible, restringirá sus zonas habitables circunestelares a distancias donde la radiación recibida de la estrella sería equivalente a la recibida a distancias de 0.99 a 1.01 UA del Sol.
Otros escritores podrían imaginar que la zona habitable circunestelar del Sol es más amplia, de acuerdo con las estimaciones de Dole (1964) o Kasting et al (1993), etc. Eso permitiría zonas habitables circunestelares más amplias y una mayor variación en la duración de los años. de planetas habitables. Por lo tanto, puedo imaginar que escritores tan atrevidos podrían tener un rango de duración de años para planetas habitables donde el más largo era unas mil veces más largo que el más corto.

Sexta parte: bioquímicas alternativas.

Y un escritor de ciencia ficción más atrevido podría imaginar que la vida, incluida la vida inteligente, podría tener una bioquímica básica diferente a la de la vida en la Tierra, y podría florecer a temperaturas mucho más altas o más bajas que las que el agua líquida basada en el carbono podría tolerar, extendiendo así enormemente el rango. de posibles años de duración de planetas habitables y habitados.

Aquí hay un enlace a un artículo que discute algunas bioquímicas alternativas hipotéticas para formas de vida alienígenas, que pueden ser un buen lugar para que un escritor interesado en usarlas comience a investigar.

https://en.wikipedia.org/wiki/Hypothetical_types_of_biochemistry[6]

Séptima parte: Conclusión.

Por lo tanto, el rango de la duración de los años de los planetas habitables en una historia de ciencia ficción dependería principalmente de cuán ansiosos estén por evitar escribir algo que pueda resultar incorrecto en futuros milenios, siglos o décadas, o cuánto se atrevan a arriesgarse a que se demuestre lo contrario en el futuro.

Y en cualquier caso, es probable que el rango de duración de los años de los planetas habitables en realidad sea pequeño en comparación con el rango de duración de los años de los exoplanetas que ya se han descubierto.

La masa de una estrella de secuencia principal determina su luminosidad. Has especificado que$M=1.5M_{\odot}$; para estrellas aproximadamente similares al Sol (es decir, dentro de un factor de$\sim2$de la masa del Sol), la luminosidad escala con la masa como$L\propto M^3$; entonces podemos esperar que su estrella tenga una luminosidad de$\approx6L_{\odot}$. Los límites de la zona habitable clásica se pueden aproximar aproximadamente por el rango de temperaturas planetarias efectivas en las que el agua puede permanecer en forma líquida. La temperatura efectiva$T$está relacionado con la luminosidad de la estrella y el eje semi-mayor$d$por

$$d^2\propto\frac{L(1-a)}{\varepsilon T^4}$$ con$\varepsilon$una constante teniendo en cuenta el efecto invernadero y$a$el albedo Para un planeta similar a la Tierra,$a\approx0.3$, y el rango aceptable de temperaturas debe ser de$T=273\;\text{K}$a$T=373\;\text{K}$. si empezamos con$\epsilon=1$y$L=6M_{\odot}$, encontramos que los límites interior y exterior de la zona habitable son$d=1.14\;\text{AU}$y$d=2.13\;\text{AU}$. Ahora invocamos la tercera ley de Kepler, que dice que el período$P$es dado por $$T^2=\frac{4\pi^2}{GM}d^3$$ y así el año del planeta debe caer entre 363 días y 927 días - así que aproximadamente 1 año terrestre a 2,5 años terrestres.

¿Qué pasa con nuestras suposiciones sobre$a$y$\varepsilon$- ¿Nuestro resultado es demasiado sensible a ellos? Bueno, tenemos

$$T\propto d^{3/2}\propto\left(\frac{1-a}{\varepsilon}\right)^{3/4}$$ entonces hay una dependencia débil, un poco menos que lineal. Ambos$a$y$\varepsilon$intervalo de$0$a$1$. Siendo realistas, un planeta terrestre habitable podría tener cambios en$a$por un factor de 2 en cualquier dirección, y tal vez un modelo atmosférico que tenga en cuenta el efecto invernadero podría haber$\varepsilon\approx0.8$. Combinado, claro, esto podría reducir la duración de un año en un factor de 1-2.

Como comentario aparte: arriba, he realizado los cálculos para el caso de un$1.5M_{\odot}$estrella; para estrellas más o menos parecidas al Sol, como dije antes, las relaciones de homología indican que$L\propto M^3$. Esto significa que$d\propto M^{3/2}$y

$$T\propto \frac{d^{3/2}}{M^{1/2}}\propto M^{7/4}$$ que en realidad es una dependencia de masa algo fuerte.

Lo más cerca que puede estar un planeta habitable de su sol es menos de 0,01 AU, si su estrella tiene la masa más baja para lograr la fusión nuclear. A una distancia de exactamente 0,01 AU, un año durará 0,00353 años terrestres. Si fijamos el límite de tamaño de la estrella de un planeta habitable en 2,25 masas solares, lo más lejos que puede estar un planeta habitable es 64 AU, lo que significaría que su año es un poco más de 341 años terrestres. Por supuesto, la verdad es más extraña que la ficción. Hay planetas en esta galaxia cuyos años se pueden medir en un solo dígito, utilizando los días terrestres como unidad de referencia, y un planeta tiene un año que es un millón de veces más largo que el de la Tierra.

Y no estoy exagerando. Si tuviéramos que pasar por sistemas binarios, entonces las cosas se complicarían mucho más. Si tuviéramos un planeta orbitando 2 estrellas, cada una con una masa de 2,25 masas solares, experimentaría el doble de gravedad y obtendría el doble de energía. Eso empujará el radio orbital máximo de un planeta habitable a 90,5 AU, lo que significa que un año en el borde exterior de la zona habitable duraría casi 406 años. Y estoy hablando de máximos y mínimos teóricos, con los mínimos calculados usando un planeta sin efecto invernadero y 100% de albedo, y los máximos calculados usando un planeta con 500 veces la densidad de columna efectiva de gases de efecto invernadero de la Tierra y 0% de albedo.