在宜居帶上尋找宜居行星？或許我們一直忽略了什麼

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比鄰星b的宜居可能性

比鄰星b是位於比鄰星系宜居帶上的一顆與地球差不多大小的行星。（比鄰星一般指的就是Proxima Centauri）,也許是由於無法束縛住表面的大氣，比鄰星b的表面暴露在有害的恆星輻射中，同時降低了它的宜居可能性。

四光年外的比鄰星是已知太陽系外距我們最近的鄰居。然而，由於還沒有觀測到它掠過其恆星的表面，所以不能用通常研究系外行星大氣的方法研究它的大氣。作為代替，科學家們只能依靠模型去猜測這顆系外行星是否宜居。

哈勃望遠鏡拍下的比鄰星

Credits：ESA/Hubble/NASA

其中一個這樣的模型假設當地球在比鄰星b的軌道上圍繞比鄰星——除太陽外離我們最近的恆星，也就是比鄰星b的主恆星旋轉時——會發生什麼。NASA發布在2017年7月24日的《天體物理學雜誌通訊》上的文章表明，如果地球真的處於一個那麼靠近那顆活動劇烈的紅矮星的位置，地球的大氣將不復存在。

大氣的重要性

「我們決定用我們已知的唯一一顆宜居行星——地球——作為試驗對象放在比鄰星b應在的位置上。」凱瑟琳·加西亞-塞奇（Katherine Garcia-Sage）說，她是戈達德太空飛行中心的空間科學家以及這項研究的主要作者。這項研究主要由NASA的NExSS聯盟和NASA天體生物學研究所支持完成，前者主導了太陽系外有生命存在的星球的搜索任務。

儘管說比鄰星b的軌道處在宜居帶上，與其恆星的距離可以讓液態水在其表面聚集，但是這並不能說明它是一顆宜居的行星。比如說，宜居帶的假設並沒有考慮到水是否真正存在於這顆行星上，或者說這顆行星在宜居帶上大氣是否能存在。大氣對於生命來說同樣是非常重要的：使行星擁有規律的氣候，使其表面保持親水性的合適壓力，以及有助於生命構成的化學物質。

藝術家根據想像繪製的比鄰星的表面

Credits：ESO/M. Kornmesser

丟失了大氣的比鄰星

在加西亞-塞奇和她的同事們使用的模型中，他們用地球的大氣、磁場以及重力作為比鄰星b的參考。他們還根據錢德拉X-射線天文台的觀測數據計算了半人馬座比鄰星的平均輻射強度。通過這些數據，他們的模型模擬了比鄰星強烈的輻射和頻繁的耀斑是怎樣影響這顆系外行星的大氣的。

「問題是，它丟失了多少大氣，以及這個過程發生得有多迅速？」奧弗·科恩（Ofer Cohen）說，他是馬薩諸塞大學的的空間科學家和這項研究的合著者。「如果我們測量這個時間，我們就可以計算出它的大氣需要多長時間會完全逃脫——然後與這顆行星的壽命進行比較。」

像比鄰星這樣的紅矮星會發出高能量的遠紫外輻射電離其行星大氣層的氣體，分離出電子然後留下一行帶電粒子，從而剝奪其行星的大氣。在這個過程中，新形成的電子會得到足夠的能量於是便可以很容易地脫離行星的引力然後跑到大氣外的太空去。

異種電荷互相吸引，所以當更多帶有負電荷的電子離開大氣層，它們造成了強有力的電荷分離，從而將更多的正離子也帶離大氣到了太空中去。

在比鄰星的宜居帶中，比鄰星b遭遇著間歇性的遠紫外輻射，強度是地球受太陽輻射的幾百倍。這樣的輻射帶來足夠的能量不僅僅能剝離最輕的粒子——氫——隨著時間的流逝還剝離了像氧和氮這樣重一些的元素。

大氣為何丟失

模型顯示了比鄰星強大的輻射使類地球大氣以地球失去其大氣速度的10000倍消失殆盡。

「這是一個基於它寄主恆星平均活動性的簡單計算，」加西亞-塞奇說，「它並沒有考慮到其它的一些變數比如說恆星大氣中的極端（酷熱）天

氣或者恆星對其磁場進行的強烈干擾——這些因素我們認為會導致更多的電離輻射和大氣剝離。」

為了了解這個過程是如何變化的, 科學家們考慮了兩種可能加劇大氣損耗的因素。首先，他們發現了暖層中溫度的影響：當這層大氣被更多的星際輻射加熱時，大氣逃逸的速度加快。

同時，科學家們還考慮了大氣逃逸地區，也就是極冠的面積大小。在行星的磁極附近，行星對磁效應產生的影響最為敏感。當磁力線在磁極處收束閉合時，極冠的大小隨之確定，帶電粒子仍被束縛在行星附近。相反地，當磁力線向外張開時，大氣會向外逃逸得更快。

「這項研究著眼於人類探索宜居行星時一個不被重視的方面——在恆星物理學中的大氣損耗。」肖恩·多馬加爾-戈德曼（Shawn Domagal-Goldman）說，他也是戈達德太空飛行中心的空間科學家，但是並不參與此項研究，「行星有很多不同的交互系統，非常重要的是將這些交互作用也考慮進我們的模型中來。」

科學家們表明，在最高的熱層溫度和完全開放的磁場條件下，比鄰星b在1億年中丟失的大氣相當於整個地球上的大氣那麼多——1億年在比鄰星b迄今為止40億年的壽命中只是很小的一部分。當科學家們用最低溫度和閉合磁場作為條件時，丟失同等質量的大氣需要大約2億年。

「如果一顆系外行星能夠『緊緊抓住』它的大氣，事情將會變得非常有趣。但是比鄰星b丟失大氣的速度實在是太快了，這便使它的宜居性受到了很大影響。」傑瑞米·德雷克（Jeremy Drake）說，他是哈佛-史密斯天體物理研究中心（the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的一名天體物理學家，也是這項研究的合著者之一。「這也使一般的比鄰星系存在宜居行星的可能性受到質疑。」