Milyen magasabb rendű élet lehet a vörös törpék bolygóin? – Nagy Pál
Freeman Dyson angol-amerikai elméleti fizikus 1960-ban dobta be a tudományos köztudatba az azóta is Dyson-gömbnek nevezett, meglehetősen fantáziadús „létesítmény” gondolatát. Elgondolása szerint igen fejlett civilizációk építik körül a saját csillagukat mesterséges alkotmányokkal (amelyben a bolygójuk benne van), hogy ezáltal a csillag energiájának minél nagyobb hányadát tudják hasznosítani. A csillag köré épített gömb a bennrekedt hőtől felmelegszik, és emiatt a többlet IR (infravörös)-sugárzást bocsát ki, amelyet detektálni lehet.
A közelmúltban jelent meg egy közlemény egy ilyen kutatásról, amelyben az IR-sugárzás kiugró értékeit keresik (forrás: arxiv.org, bár egy rákövetkező kutatás a látómezőben látszódó DOGs-okkal (Dust Obscured Galaxy, vagyis porfedte galaxisokkal magyarázza a megfigyelt infravörös többletet, l. arxiv.org). A kutatásban az ESA GAIA űrszondája, a NASA IR tartományban működő WISE űrtávcsöve és a 2MASS égbolt felmérési program – amely szintén IR tartományban készített felvételeket az égboltról – vett részt. A kutatási eredmények kiértékelése alapján a Tejútrendszerben hét csillagról lehet feltételezni, hogy köréjük Dyson-gömböt építettek. Mind a hét csillag M színkép típusú (felszíni hőmérséklet kb. 3500 K) vörös törpe csillag. A Naprendszertől való távolságuk 466 és 896 fényév közt van, magnitúdójuk 16 és 18,39 közti érték.
Igaz, hogy a vörös törpék nagyon aktívak, mágneses aktivitásuk nagy, számos csillagfolt van rajtuk, gyakoriak a flerek, a korona kidobódások, erős UV és röntgen sugárzásuk is van (együtt: csillagaktivitás), amelyek a magasabb rendű élet számára nem kifejezetten előnyösek, de ezek a civilizációk kifejleszthettek védekező mechanizmusokat ezek ellen a sugárzások ellen. Ez a védekező mechanizmus lehet biológiai (mint ahogy a Földön is már az élet kialakulásával párhuzamosan kialakult egy javító mechanizmus a kisebb erősségű radioaktív sugárzások okozta sérülések kijavítására), és technikai jellegű, amit a fejlett civilizáció hozott létre.
A becslések szerint a Tejútrendszer csillagainak nagyobb hányada (ez lehet akár 70 % is) kisebb, mint negyed naptömegű csillag, ami még a vörös törpék között is a kisebbek közé tartozik. Valószínű, hogy a legtöbbjük körül bolygók is keringenek, amelyek közt földszerű bolygók is lehetnek. Még feltételezhetjük azt is, hogy sok más galaxisban is hasonló a helyzet. Sőt, ilyen bolygókat már elkezdtek felfedezni is. Pl. a 2023. januárjában bejelentett TOI-700e bolygó sugara a Földének 95%-a, és 27,8 nap alatt kerül megy 0,4 naptömegű M-törpét. 27%-kal több energiát kap csillagától, mint a Föld a Naptól, így nekünk valószínűleg túl meleg lenne, de nem áll messze attól a határtól, ami lakható lenne az emberiség számára (leszámítva persze azt, hogy egy M-törpe fentebb említett erős csillagaktivitása nem kedvező a földi élet számára).
Több más vörös törpecsillag is van, amelynek a lakhatósági zónájában földszerű bolygó(k) kering(enek). Ilyen pl. a TRAPPPIST-1 nevű csillag, amelynek hét bolygója ismert. Mind a hét földszerű bolygó (0.326 és 1,374 földtömeg közötti tömeggel), és ezek közül három a lakhatósági zónában kering. Ennek a csillagnak a tömege 0,08 naptömeg, sugara 0,117 napsugár, luminozitása 5,24 x 10-4 szerese a Nap luminozitásának, a felszíni hőmérséklete pedig 2555 K, vagyis nem egészen fele a Nap felszíni hőmérsékletének. A csillag luminozitásából adódik, hogy lakhatósági zónájának a belső határa 0,024 CsE (mintegy 3,6 millió km), a külső határa 0,049 CsE (7,3 millió km). A felszíni hőmérsékletéből a Wien-féle eltolódási törvény felhasználásával kiszámolhatjuk, hogy a maximális intenzitáshoz tartozó hullámhossz 1130 nm, messze a látható fényen túlra, a közeli infravörös tartományba esik.
Ha létezne élet ezeken a bolygókon, akkor mi szolgáltatná az élethez szükséges energiát? Tudjuk, hogy a földi élet szinte kizárólagos energia forrása a Napból látható fény formájában a Földre érkező elektromágneses sugárzás (EM sugárzás). (Kivételt képeznek az utóbbi években felfedezett mélytengeri „füstölőkben” élő lények, amelyek energiájukat a Föld geotermikus energiájából nyerik.) A látható fény az EM sugárzás 400 és 760 nm közti hullámhossz tartománya, amelyet szemünkkel érzékelünk. (Vannak élőlények, amelyek picivel e hullámhossz fölött vagy ez alatt is látnak.) A látás folyamata azzal kezdődik, hogy a látható tartományba eső fény fotonjai gerjesztik a rodopszin molekulák pi-kötéseit. Az élő szervezetek makromolekulái nagyrészt a periódusos rendszer második periódusában (azaz sorában) lévő elemekből épülnek fel, szénből (C), nitrogénből (N) és oxigénből (O), továbbá hidrogénből (H). Ezeknek az atomoknak csak az s és p energianívóin vannak elektronjai. Nulladik közelítésben azt lehet mondani, hogy amikor ilyen atomokból molekulák épülnek fel, akkor az s elektronok hozzák létre a molekula szigma kötéseit, és a p elektronok a pi kötéseket. Ezeket a pi kötéseket képesek gerjeszteni a látható tartományba eső fény fotonjai. Az infravörös fény fotonjai nem képesek gerjeszteni a pi kötéseket, nincs ehhez elég energiájuk. (A Planck-egyenlet szerint a foton energiája a hullámhosszal fordított arányban csökken.) Az UV fény fotonjai viszont a molekulák szigma kötéseit is képesek gerjeszteni, ami a molekula helytelen működéséhez vezet, esetleg fel is hasíthatják ezeket a kötéseket, vagyis roncsolhatják a molekulát. A látható fény fotonjai más biológiai makromolekulákra is ugyanilyen hatást fejtenek ki, pl. a zöld növények fotoszintéziséért felelős klorofill molekulákra. Ennek a folyamatnak az eredményeképpen állítanak elő a növények a foton energia felhasználásával szervetlen anyagból szerves anyagot, ami az egész földfelszíni tápláléklánc alapját képezi. Ebből a molekulából kétféle is van, a klorofill A és a klorofill B, mindkettő szerepet játszik a fotoszintézisben. A klorofill A-nak 680, és 450 nm-es hullámhosszon van az elnyelési maximuma, a klorofill B-nek pedig 480 nm-nél. A fotoszintézisben tehát a 680 nm-es vörös fény mellett nagyon fontos szerepe van a 480, és 450 nm-es kék fénynek is. Ezért számít olyan sokat, hogy a földi és a földire hasonlító élet milyen színű (spektrumú) csillag körül fordul elő; a spektrumot pedig főként a csillag hőmérséklete határozza meg.
Ha a Planck-féle sugárzási törvény felhasználásával kiszámoljuk a sugárzás intenzitását 200 nm-től 1200 nm-ig 5800 illetve 2555 K felszíni hőmérsékletű sugárzó testre, akkor az alábbi ábrát kapjuk:
Az 5800 K felszíni hőmérsékletű Nap (kék), és a 2555 K felszíni hőmérsékletű TRAPPIST 1 (vörös) elméleti hősugárzási görbéi 200 nm-től 1200 nm-ig.
A függőleges tengely skála beosztása mellett a vörös törpe intenzitása alig-alig látható a kék színnel jelölt görbe mellett, amely az 5800 K felszíni hőmérsékletű Nap sugárzási spektruma. Ennek a görbének a maximuma nagyon jó közelítéssel 500 nm-nél adódik, ahogy az a valóságban is van.
A fotoszintézis szempontjából lényeges kék hullámhosszokon, 450, és 480 nm-en a TRAPPIST-1 intenzitása mintegy ezredrésze a Nap sugárzás intenzitásának ugyanezeken a hullámhosszokon. Ezek alapján valószínűnek tűnik, hogy a földihez hasonló fotoszintézis ezeken bolygókon nincs, vagy legalábbis csak olyan kicsi hatásfokkal, ami egy magasabb rendű élet energia forrása nemigen lehet. Ha léteznek itt magasabb rendű élőlények, akkor vajon mivel táplálkoznak? És vajon vörös-narancssárga árnyalatban látják az egész világukat? Így azután nem véletlen, hogy ha a TRAPPIST-1 lakható zónájában keringő bolygóin esetleg magasabb rendű élet van, akkor az valamilyen más forrásból kell, hogy nyerje az energiát. Pl. Dyson-gömbbel kell, hogy körül vegye magát, hogy a csillaga energiájának minden „cseppjét” hasznosítsa. (Természetesen el kell jutnia az életnek ott ara szintre a kezdeti lépésektől, hogy erre képes civilizáció fejlődjék ott ki. Vagy kifejezetten ellenállók a vörös törpe csillagaktivitásával szemben, vagy – a Dyson-szférához hasonlóan fantasztikus a gondolat – egy napszerű csillagtól költöztek át a vörös törpe bolygójára. Erre a lehetőségre már Stanislaw Lem is felhívta a figyelmet az 1950-es években írt Utazás a Nagy Magellán-felhőbe c. regényében: ha egy napszerű csillag 5-10 milliárd éves élettartama után kihűl, fehér törpévé válik, időben át kell költözni egy vörös törpe közelébe, ami akár 30-50 milliárd évig is elegendő fényenergiát ad. A Dyson-szféra akár a káros sugárzásokat, flerhatásokat is árnyékolhatja… ) Milyen anyagból készülhet a Dyson-gömb? Célszerűen arra gondolhatunk, hogy fényelemmel veszik körbe a csillagot, és a megtermelt elektromos energiát a bolygóra juttatják. Hogy hogyan, az most itt részletkérdés. Fényelemnek (ma még) legmegfelelőbb anyag a szilícium, amelyet itt a Földön is használunk a napenergia elektromos energiává transzformálására. A szilícium kristályban, mint minden más kristályos szerkezetű anyagban, az elektronok csak bizonyos energiájú sávokban lehetnek. A legfelső megengedett energiasáv az ún. vezetési sáv (fémekben ez a sáv nincs telítve, ezért az elektronok elektromos térerősség hatására el tudnak mozdulni, ezért a fémek jó áramvezetők). A vezetési sáv alatti sáv az ún. vegyérték sáv. Ahhoz, hogy egy félvezető áramot vezethessen, a vegyérték sávból elektronokat kell a vezetési sávba juttatni. Ehhez akkora energiát kell az elektronokkal közölni, amennyi a két sáv közti, ún. tiltott sáv szélessége. Ez történhet pl. úgy, hogy fénnyel világítjuk meg a félvezetőt. A szilícium esetén ennek a tiltott sávnak a szélessége 1,1 eV (elektronvolt). A fény frekvenciája és energiája közti összefüggést, valamint a frekvencia és a hullámhossz közti összefüggést felhasználva az adódik, hogy a foton hullámhossza nem lehet nagyobb 1100 nm-nél, amellyel elektronokat juttathatunk a vezetési sávba.
A 2555 K felszíni hőmérsékletű TRAPPIST 1 elméleti hősugárzási görbéje kinagyítva 200 nm-től 2000 nm-ig.
A fenti ábrán a TRAPPIST-1 spektruma látható a függőleges tengely kisebb léptékű skálázása mellett 2000 nm hullámhosszig. Az ábráról látható, hogy a maximális sugárzóképesség éppen 1130 nm-nél van. Ez majdnem pontosan az a határ hullámhossz amelynél kisebb hullámhosszúságú fotonok a szilícium vegyérték sávjából elektronokat tudnak a vezetési sávba juttatni. De eddig a hullámhosszig a csillag csak az energiájának kisebb hányadát sugározza ki, jóval nagyobb hányadát ennél hosszabb hullámhosszakon. Látható ugyanis, hogy a görbe az itt ábrázolt 2000 nm-en jóval túl nyúlik. Az 1100 nm-ig, és afölött kisugárzott energiahányadok a görbe alatti területtel egyeznek meg. 1100 nm-től nagyobb hullámhosszok felé a görbe alatti terület jóval nagyobb, mint az 1100 nm határ hullámhosszig tartó görbe alatti terület. Emiatt a csillag energiájának fotovoltaikus cellákkal elektromos energiává való alakítása is csak csekély hatásfokkal valósítható meg.
Természetesen a TAPPIST 1-nél magasabb felszíni hőmérsékletű vörös törpék is léteznek, 3000, vagy akár 3500 K felszíni hőmérséklettel. Ezeknek a csillagoknak a sugárzási spektruma kedvezőbb egy esetleges fotoszintézis kialakulásához, de azért ezeknek a csillagoknak a spektruma is messze van az optimálistól.
Természetesen a Földön is folynak kutatások a napelemek hatásfokának javítására, más anyagokból való készítésére, de arra nézve is, hogy éjszaka is lehessen őket használni, a gyenge éjjeli infravörös sugarakat használva. Ezt más civilizáció is megteheti, de ez már egy másik cikk témája lenne.
