Yaşanabilir bölge nedir?

Kanca

Bize en yakın yıldız Proxima Centauri'nin çevresinde, Dünya'ya yakın kütlede bir gezegen dolanıyor: Proxima b. Yıldızına Merkür'ün Güneş'e olan uzaklığının sekizde biri kadar yakın; bir yılı on bir günden biraz uzun sürüyor. Buna rağmen arşiv verilerine bakılırsa aldığı ışık, Dünya'nın Güneş'ten aldığının üçte ikisi kadar. Çünkü Proxima, Güneş'ten çok daha sönük, küçük bir kırmızı cüce.

Haberlerde Proxima b, "yaşanabilir bölgede bir gezegen" diye duyuruldu. Doğru uzaklıkta olduğu kesin. Ama doğru mesafe, yaşam için yetmeyebilir.

Merkezi soru

Yaşanabilir bölge nedir, sınırları neye göre çizilir, yıldızdan yıldıza nasıl değişir ve bir gezegenin bu bölgede olması neden onun yaşanabilir olduğu anlamına gelmez?

Anlatım

Sıvı su kuşağı

Bildiğimiz bütün yaşam biçimleri sıvı suya bağlıdır. Bu yüzden gökbilimciler başka yıldızların çevresinde yaşam ararken önce sıvı suyun var olabileceği yerlere bakar. Bir yıldızın çevresinde, Dünya'ya benzer bir gezegenin yüzeyinde sıvı su tutabileceği uzaklıklar kuşağına yaşanabilir bölge (habitable zone) denir. Masaldaki gibi ne çok sıcak ne çok soğuk olduğu için, gündelik dilde "Goldilocks bölgesi" de denir.

Bu kavramın tanımında önemli bir ayrıntı var: "Dünya'ya benzer bir gezegen". Hesaplar, karbondioksit ve su buharı içeren bir havası, kayalık bir yüzeyi olan bir gezegen varsayar. Yani yaşanabilir bölge, gezegenin kendisi hakkında değil, yıldızın çevresindeki uzaklıklar hakkında bir tahmindir.

Sınırlar nasıl çizilir?

James Kasting ve arkadaşlarının 1993'te geliştirdiği model, bugün de temel alınır. Bölgenin iç kenarı, bir gezegenin suyunu kaybetmeye başladığı yerdir. Yıldıza çok yakın bir gezegende ısınan okyanuslar havaya daha çok su buharı verir, su buharı daha çok ısı tutar ve sonunda su yüksek katmanlara çıkıp parçalanarak uzaya kaçar. Ders 10.4'te Venüs'ün başına gelen buydu.

Dış kenar ise sera etkisinin sınırıyla belirlenir. Yıldızdan uzaklaştıkça gezegen daha az ışık alır. Karbon döngüsünün termostatı, soğuyan bir gezegende havada daha fazla karbondioksit biriktirerek onu ısıtabilir. Ama bir noktadan sonra bu da yetmez: karbondioksit o kadar birikir ki bulut olarak yoğuşur ya da ışığı geri yansıtmaya başlar. Bu noktanın ötesinde en kalın sera örtüsü bile suyu sıvı tutamaz.

Ravi Kopparapu ve arkadaşları 2013'te bu hesabı güncel verilerle yeniledi. Onlara göre Güneş Sistemi'nde yaşanabilir bölge, Güneş'ten yaklaşık 0,99 ile 1,70 astronomik birim arasında uzanıyor. Bu sonuca göre Dünya, bölgenin iç kenarına oldukça yakın.

Her yıldızın kendi kuşağı

Yaşanabilir bölgenin yeri, yıldızın ne kadar parlak olduğuna bağlıdır. Burada ışığın uzaklıkla zayıflama kuralı işler: aldığın ışık, uzaklığın karesiyle azalır. Bu yüzden dört kat parlak bir yıldızın yaşanabilir bölgesi iki kat uzağa, yüz kat parlak bir yıldızınki on kat uzağa kayar.

Sıcak ve parlak yıldızların yaşanabilir bölgesi uzak ve geniştir. Kırmızı cücelerinki ise yıldıza çok yakın ve dardır. Proxima b'nin yıldızına bu kadar yakın olup da donmamasının nedeni budur. Aynı durum TRAPPIST-1 sisteminde de görülür: arşive göre TRAPPIST-1 e, f ve g adlı gezegenler, yıldızlarının çevresini yalnızca altı ile on iki gün arasında dolanırken, Dünya'nın aldığı ışığın dörtte biri ile üçte ikisi arasında ışık alıyor.

Yaşanabilir bölge zamanla da yer değiştirir. Yıldızlar yaşlandıkça parlar. Güneş milyarlarca yıldır yavaş yavaş parlaklaşıyor; bu yüzden yaşanabilir bölge de yavaşça dışarı kayıyor. Çok uzak bir gelecekte Dünya, bu kuşağın iç kenarından çıkıp içeride kalacak.

Neden yetmeyebilir?

Bir gezegenin yaşanabilir bölgede olması, yalnızca yüzeyinde sıvı su olabileceği anlamına gelir; olduğu anlamına gelmez. Pek çok başka koşul da gerekir.

Gezegenin havası olmalıdır; havasını tutacak kadar büyük olmalıdır. Ama çok büyükse, kalın bir hidrojen örtüsüyle boğucu bir alt Neptün'e dönüşebilir. Kayalık yüzeyi, suyu ve karbonu döndüren bir jeolojisi olmalıdır.

Kırmızı cüce yıldızların çevresindeki gezegenlerin ek sorunları vardır. Yıldıza çok yakın oldukları için büyük olasılıkla bir yüzleri hep yıldıza dönük kilitlenir; bir yarıküre sürekli gündüz, öbürü sürekli gecedir. Bu yıldızlar gençliklerinde çok şiddetli parlamalar yapar; bu parlamalar yakın gezegenlerin havasını aşındırabilir. Proxima b'nin ve TRAPPIST-1 gezegenlerinin havası olup olmadığı, bugün gökbilimcilerin en çok merak ettiği sorulardandır.

Tersi de geçerlidir: yaşanabilir bölgenin dışında da sıvı su bulunabilir. Ders 10.5'te gördüğümüz Europa ve Enceladus, Güneş'ten çok uzakta, buz kabuklarının altında okyanuslar saklıyor. Yaşanabilir bölge yalnızca yüzeyde sıvı suyu hesaba katar.

Aslında…

"Yaşanabilir bölgede" demek, "evin doğru mahallede olması" gibidir. Evin çatısı, suyu, elektriği olup olmadığını ancak içine bakınca anlarız.

Büyük resim

Yaşanabilir bölge, binlerce ötegezegen arasından yaşam arayışı için en umut verici adayları seçmek için kullanılan ilk süzgeçtir. Basit ama güçlü bir araçtır: yıldızın parlaklığını ve gezegenin uzaklığını bilmek, ilk tahmini yapmaya yeter.

Ama bu süzgeç yalnızca başlangıçtır. Adayları gerçekten tanımak için gezegenlerin havasını incelememiz gerekir: havada su buharı, karbondioksit, belki de canlıların bırakabileceği izler var mı? Bu soruya cevap arayan teleskoplar bugün çalışıyor.

Özet

1. Yaşanabilir bölge, bir yıldızın çevresinde Dünya'ya benzer bir gezegenin yüzeyinde sıvı su tutabileceği uzaklıklar kuşağıdır; iç kenarı suyun kaybolmaya başladığı, dış kenarı sera etkisinin yetmediği yerde çizilir.
2. Kopparapu ve arkadaşlarına göre Güneş için bu kuşak yaklaşık 0,99 ile 1,70 astronomik birim arasındadır; parlak yıldızlarda uzak ve geniş, Proxima ya da TRAPPIST-1 gibi kırmızı cücelerde çok yakın ve dardır.
3. Yaşanabilir bölgede olmak yaşanabilir olmak anlamına gelmez: gezegenin havası, boyutu, jeolojisi ve yıldızının etkinliği de önemlidir; üstelik buzlu uydular bölgenin dışında da sıvı su barındırabilir.

Görev

Quiz

1. Yaşanabilir bölge nedir?
2. Yaşanabilir bölgenin iç ve dış kenarları neye göre çizilir?
3. Kırmızı cücelerin yaşanabilir bölgesi neden yıldıza çok yakındır?
4. Kırmızı cücelerin çevresindeki yaşanabilir bölge gezegenlerinin karşılaştığı ek sorunlar nelerdir?
5. Yaşanabilir bölgenin dışında sıvı su bulunabilir mi?

Cevaplar

1. Bir yıldızın çevresinde, Dünya'ya benzer bir gezegenin yüzeyinde sıvı su tutabileceği uzaklıklar kuşağı.
2. İç kenar, ısınan gezegenin suyunun buharlaşıp uzaya kaçmaya başladığı uzaklıkta; dış kenar, en kalın karbondioksit sera örtüsünün bile suyu sıvı tutamadığı uzaklıkta çizilir.
3. Kırmızı cüceler Güneş'ten çok daha sönük olduğu için, bir gezegenin yeterli ışık alabilmesi için yıldızına çok daha yakın olması gerekir.
4. Bir yüzlerinin hep yıldıza dönük kilitlenmesi ve yıldızın şiddetli parlamalarının gezegenin havasını aşındırabilmesi.
5. Evet; Europa ve Enceladus gibi buzlu uydular, Güneş'ten çok uzakta, gelgit ısısıyla buz kabuklarının altında sıvı su okyanusları barındırabilir.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Yaşanabilir bölge, sıvı suyu arayan bir haritaydı. Ama yaşamın kendisinin neye ihtiyacı var? Dünya'da canlılar kaynar suya yakın sıcaklıklarda, tuzlu göllerde, kayaların derinliklerinde, ışığın hiç ulaşmadığı yerlerde yaşıyor. Yaşamın sınırları nerede ve yaşam için gerçekten vazgeçilmez olan ne?