Historicky se předpokládalo, že planety červených trpaslíků nebudou obyvatelné kvůli vázané rotaci. O co jde? Aby planeta ležela v tzv. obyvatelné zóně nevelké a chladné hvězdičky (tedy dostatečně blízko, aby tam byla šance na výskyt vody v jiném než zmrzlém stavu), musí být opravdu hodně blízko. Její oběžná doba se pak počítá ve dnech či týdnech, a čelí silným slapovým silám. Ty s vysokou pravděpodobností zbrzdí její rotaci tak, aby se jedna otočka rovnala jednomu oběhu, potažmo tedy planeta nastavovala ke svému slunci stále stejnou polokouli, podobně jako Měsíc vzhledem k Zemi. To znamená, že na jedné polokouli by byl věčný den, na druhé věčná noc. Což ovšem znamená věčné horko, respektive věčný mráz!

Umělecká představa exoplanety v systému Aquarius TRAPPIST-1. (Kredit: NASA/JPL, volné dílo).

Problémy s trpaslíky

Astronomové 20. století měli za to, že v takových podmínkách veškerá voda a atmosféra vymrzne na noční straně (zkolabuje). Planeta tak skončí s rozpálenou, vyprahlou a bezvzdušnou stranou denní, a kryogenickou stranou noční, kde veškeré těkavé látky zůstanou pro všechny časy zakleté v hlubokozmrazeném ledu.

Už na přelomu 90. a nultých let se ovšem ukázalo, že to není až tak závažný problém. I řídká atmosféra s pouhou 1/10 pozemského tlaku by totiž po povrchu planety efektivně rozváděla teplo, a žádné vymrzání plynů by nehrozilo (Heath a kol., 1999). Na noční straně by nanejvýš vznikly docela obyčejné ledovce jako v Antarktidě, a jejich pohyb a odtávání zdola díky geotermální energii by část vody propouštěly i na denní stranu, která by tak nemusela být nijak drasticky suchá. Při dostatečně husté atmosféře by na noční polokouli nemuselo dokonce ani mrznout a teploty by mohly být vcelku příjemné na celém povrchu.

Dnes, díky exoplanetárním objevům uplynulých tří dekád, víme, že kamenné planety v obyvatelných zónách červených trpaslíků existují, a jsou běžné. Jsou s nimi ale stále problémy. Aktuálně se jako úhlavní nepřítel jejich obyvatelnosti jeví jejich mateřské – či spíše macešské – hvězdy. Hvězdné erupce jsou na nich totiž velmi silné a četné, zejména v první miliardě let jejich života. Produkují vzplanutí energetického záření (UV a rentgenové) a výrony nabitých částic o vysokých rychlostech. Ty by velmi snadno mohly erodovat planetární atmosféry. Ve Sluneční soustavě takto o část ovzduší přišel Mars, a ještě menší tělesa jako Merkur nebo Měsíc zůstala zcela bez šance na jakékoli ovzduší. U červeného trpaslíka by ale dostala zabrat i planeta zvíci Venuše či Země, a to i v případě, že by měla vlastní magnetické pole a aktivní sopky doplňující nové a nové plyny. Je otevřenou otázkou, zda takové planety mají vůbec nějakou šanci vlastnit atmosféru. Pozorování dalekohledu Jamese Webba, byť nemnohá a ne vždy jednoznačná, zatím ukazují spíše ony pusté a bezevzdušné koule...

První autorka studie, Prune Camille August z Technické university v Dánsku. Kredit: DTU.

Instantní atmosféry

Dánsko-americký tým autorů aktuální studie (August a kol.) nápaditě zkombinoval oba fenomény do jednoho modelu. Představme si planetu obíhající mladého a neklidného červeného trpaslíka. Taková planeta, stejně jako třeba pradávná Země, si vysoptí atmosféru bohatou na CO₂, ale její běsnící slunce se postará o to, aby plynný obal rychle zeřídl.

Ovšem jakmile množství plynů klesne, začne být na noční straně krutá zima a začne tam sněžit zmrzlý CO₂ (suchý led). Samozřejmě čím více ho vysněží, tím řidší je atmosféra, tím méně je schopná přivádět na noční stranu teplo, tím více tam mrzne a tím více sněží... Klasická zpětná vazba, která končí naprostým kolapsem ovzduší, jež se zakrátko změní v ledovce suchého ledu. Na planetě se sice dál soptí, ale i takto vyprodukované plyny a páry rychle vychytá „mrazivá past“ noční strany. Co tam nasněží, to tam také zůstane, a zmrzlé plyny se hromadí a hromadí... Má to ale i pozitiva. Ať červený trpaslík zuří sebevíc, na ledy na odvrácené straně prostě nedosáhne.

Jenže ona „mrazivá past“ nemusí být na věčné časy. Katastrofická událost, jako je například impakt asteroidu, může jedním rázem převést část ledových depozitů zátky do plynného skupenství. A pak už záleží jen na množství: pokud je jich málo, bez efektu zase zmrznou. Ale pokud je jich hodně, vznikne řídká atmosféra, která zapracuje jako tepelný výměník ohřívající noční stranu – a nastane překotná sublimace a tání ledů, které se ukládaly celé miliony let, a na konci získáme planetu s poctivou hustou atmosférou (a patrně i nějakou tou vodou). Autoři tomu říkají „znovunafouknutí atmosféry“.

Výpočty ukazují, že asteroid by nemusel být nijak gigantický: nějaký ten „zabiják dinosaurů“ by bohatě stačil. V měřítku stovek miliónů let je dopad takového tělesa prakticky jistotou (i když záleží i na situaci v daném planetárním systému, kde může být létajícího kamení více či naopak méně).

Kolaps a znovunafouknutí atmosféry. A – planeta s vázanou rotací a hustou atmosférou, která rozvádí teplo po jejím pobrchu. B – atmosféra řídne a noční strana se ochlazuje. C – na noční straně vymrzá CO2 a atmosféra kolabuje. D – plyny uvolněné geologickou činností se hromadí na noční straně. E – dopad asteroidu odpaří část zrzlých plynů a vytvoří novou atmosféru. (Zdroj: August a kol.)

Planeta tak získá „instantní atmosféru“, ale na té opět začne hlodat její agresivní hvězdná matka. A jak už asi tušíte, když ji ohlodá dostatečně, dotáváme se zpět tam, kde jsme začali. Máme před sebou cyklus, kdy planeta alternativně existuje buď ve stavu s (postupně řídnoucí) atmosférou, nebo ve stavu bez atmosféry, zato s (postupně mohutnějícími) ledovci zmrzlých plynů na noční straně. Životnost dočasné atmosféry záleží na řadě věcí, například na tom, jak aktivní je hvězda, nebo kolik plynů se od posledně stihlo nastřádat, tj. na intenzitě sopečné činnosti a načasování impaktů. Bude tam tedy i určitý faktor náhody, protože asteoridy na žádné jízdní řády nehrají.

Tam se toho vejde...

Zajímala mě otázka, kolik se toho na noční straně planety může vlastně nahromadit, takže jsem se pustil do vlastních orientačních výpočtů. První zajímavé zjištění: celková hmotnost planetární atmosféry je přímo úměrná tlaku, ale je téměř konstantní pro různě velké planety (1 bar atmosféry pro Zemi je zhruba stejné množství vyjádřené v kilogramech jako 1 bar atmosféry pro Mars nebo pro nějakou hypotetickou superzemi). Kdybychom uvažovali planetu o velikosti Země, kde zmrzlé plyny pokrývají 30 % povrchu, bezprostředně po vymrznutí atmosféry o tlaku 0,1 bar by šlo o vrstvu o síle 3,5 m. Obdoba dnešní pozemské atmosféry (1 bar) by pak tvořila 35 m silnou vrstvu. Taková vrstva se nezdá nikterak nerealistická. Ke znovunastolení atmosféry by pak stačilo vaporizovat plyny v kruhu o průměru 140 km, což dobře odpovídá kráteru po „zabijáku dinosaurů“.

Kdyby na území 30 % planety ležel ledovec vodního ledu podobně mohutný jako antarktický (2100 m), pohodlně by pojmul 1/4 pozemského oceánu. Závěr: do mrazničky na noční straně planety se toho dá schovat opravdu hodně.

Co z toho plyne?

Pro observační astronomy to asi není úplně radostná zvěst. Pokud mají August a kol. pravdu, při pozorování exoplanet musí počítat s tím, že to, jak pozorovaná planeta vypadá právě teď, nemusí nic vypovídat o tom, jak vypadala před sto milióny let. A zdánlivě mrtvá kamenná koule se může v budoucnu zajímavě vybarvit. Například pro planetu LTT 1445 Ab autoři studie předvídají, že šance zastihnout ji s atmosférou bude zhruba 50/50: podle toho, jak mocná je tamní sopečná činnost, to může být cokoli mezi 20 % a 75 %. Abychom mohli něco obecně platného říct o chování atmosfér u planet červených trpaslíků, budeme jich tudíž muset napozorovat docela hodně.

Červení trpaslíci se rozhodně nejeví jako ideální prostředí pro nerušený vznik a vývoj obyvatelných planet, neřkuli života. Ostatně, o něčem může svědčit už samotný fakt, že my sami sebe jako z udělání nalézáme u jedné z malého procenta hvězd, které nejsou červení trpaslíci (Kipping, 2021). Ovšem pro astrobiology může být aktuální studie dobrou zprávou. Vymrzání vody a plynů na noční straně, dřívě domnělá stopka pro obyvatelnost planet s vázanou rotací, je nyní paradoxně ochranným mechanismem, který planetám v brutálním prostředí červeného trpaslíka dovoluje alespoň nějaké těkavé látky udržet, a disponovat atmosférou přinejmenším občas. Dává tak červeným trpaslíkům určitou naději – rozhodně větší, než kdyby všechny jejich planety byly jen vyprahlými kamennými koulemi, jak se řada z nás začínala obávat.

Některé „atmosférické epizody“ z aktuální studie trvaly stamilióny let, tedy dostatečně dlouho na to, aby se během nich mohla odehrát nějaká zajímavá evoluce. A pokud je mimozemský život podobně houževnatý jako pozemský, pak by přinejmenším jeho jednoduché formy mohly přestát i období atmosférického kolapsu – například v kapalných kapsách udržovaných hydrotermami a vulkány v ledovcích noční strany, anebo v podobě „hluboké horké biosféry“ v planetární kůře – a dočkat se dalšího cyklu obrození (a úpadku). Pochopitelně, všechna velká vymírání v historii Země by ve srovnání s něčím takovým byla jen směšnými legráckami.

Červení trpaslíci se sice vyvíjejí velmi pomalu, přesto však s věkem poněkud krotnou. To otevírá zejímavou možnost, že nakonec – třeba po několika miliardách let – hvězdná aktivita zeslábne natolik, že impaktem „nafouknutá“ atmosféra už zůstane stabilní (sopečné doplňování udrží krok se ztrátami). Byla by to jakási „opožděná obyvatelnost“. Pokud se ovšem dříve nevyčerpá samotná planeta...

Co zatím nevíme?

Autoři bohužel do studie nezahrnuli realistický model planetární geologie. Planeta totiž není perpetuum mobile, její sopečná činnost se postupně vyčerpává s tím, jak chladne, a bezedné nejsou ani zásaoby plynů v jejím nitru. V případě Země se CO₂ vázaný do podoby uhličitanů zase do nitra planety vrací v rámci geologických cyklů, ovšem jak rychle by sopečné odplyňování ztratilo dech, kdyby k tomu nedocházelo, a podstatná část plynů by mizela v nenávratnu? Podobá se pravdě, že konkrétní výsledek bude záviset na velikosti a dalších parametrech planety na straně jedné, a typu hvězdy a rychlosti jejího vývoje na straně druhé, a z této strany se lze nadít mnoha překvapení.

Další věc, kterou se studie nezabývala, bylo chování „zajímavějších“ atmosfér, které by vedle CO₂ obsahovaly i vodu, dusík nebo kyslík. Zůstává tak spousta práce pro další „modeláře“. Červení trpaslíci nepochybně nepřestanou astronomy, astrobiology ani planetární geology zaměstnávat ani v budoucnu.

Pokud se lidstvo jednou stane kosmickou civilizací a sebevědomě vykročí do galaktických dálek, je možné, že právě červení trpaslíci budou těmi nejlákavějšími cíli. Třebaže se ke svým planetám a případným biosférám chovají více než macešsky, pro kolonisty odjinud mohou nabízet cosi úžasného: Pusté kamenné koule bez domorodého života (který by jim mohl ošklivě zkomplikovat plány, jak zjistili již Marťané H. G. Wellse), ovšem vysloveně zralé k terraformaci. Stačí pošťouchnout nějaký ten asteroid, případně odpálit pár vodíkových pum na noční straně vhodné planety, a rázem máme instantní atmosféru, potažmo úplně prázdnou a značně lukrativní planetu v obyvatelné zóně prakticky na počkání. Kdoví, možná právě taková je naše úplně nejbližší exoplaneta u Proximy Centauri?

Odkazy:

Kipping, D. (2021). Formulation and resolutions of the red sky paradox. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(26), e2026808118.
video : https://www.youtube.com/watch?v=uZRDONE4zng

Heath, M. J., Doyle, L. R., Joshi, M. M., & Haberle, R. M. (1999). Habitability of planets around red dwarf stars. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 29(4), 405-424.

August, P. C., Wordsworth, R., Huffman, M., Brain, D., & Buchhave, L. A. (2025). Atmospheric collapse and re-inflation through impacts for terrestrial planets around M dwarfs. https://arxiv.org/pdf/2510.25896