想去紅矮星的行星宜居帶？先準備好遮陽傘吧

探索 05-21

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小質量恆星目前是我們尋找潛在的宜居行星的重點，但是一項新的研究發現，有些小質量恆星在他們的一生中會發射出大量的紫外線輻射——這種輻射對於行星上潛在的生命發展來說，是非常不利的。

在M型矮星上尋找宜居行星

M型矮星是一種比我們的太陽溫度更低、質量更小的恆星，同時它們是銀河系中最常見的恆星，也就是說了解這種恆星對它行星系統中行星們的影響將會對我們有很大的幫助。在宜居帶（也就是行星距其恆星的距離能使得液態水在行星上存在）探測岩質行星的過程中，通過凌星法尋找像太陽的恆星的行星是很困難的。這個問題一部分是因為，當凌星時，我們只能觀測到恆星亮度有非常微小的下降；同時也是因為這些行星的軌道周期都很長，所以我們要等上好幾年才能觀測到多次凌星。但是，因為M型矮星更冷更小，它的宜居帶要更靠近恆星，所以在觀測凌星時我們能看到更強烈的亮度變化，從而使這些宜居帶上的行星更容易被發現。

藝術家繪製的太陽系與M型矮星系統的比較的想像圖

圖片來源：NASA/JPL-Caltech/T.Pyle (SSC)

這樣就使得M型矮星成為尋找宜居行星的理想候選人——我們曾把目光聚焦在像半人馬座a星、TRAPPIST-1、以及Ross 128這樣的M型矮星的宜居帶上，尋找宜居行星。

TRAPPIST-1和比鄰星和木星大小的比較

圖片來源：Quora

那麼問題來了：M型矮星的宜居帶靠譜嗎

我們今天要介紹的這項新的研究對曾經基於M型矮星宜居帶的假說提出了質疑。這項研究的論文近日發表在《天文學期刊》上。論文用到了NASA的星系演化探測器（Galaxy Evolution Explorer，GALEX）收集到的數據，研究了一些M型矮星發出的紫外線。這項研究發現，溫度最高質量最大的M型矮星，也就是所謂的「早型星」，一生中放出的UV輻射要與質量更小溫度更低的「中型星」和「晚型星」有所不同。

藝術家繪製紅矮星照耀它的行星時的想像圖

圖片來源：G. Bacon (STScI)/NASA/ESA

M型矮星要比類太陽恆星發射出更多的對生命有潛在威脅的紫外線。紫外線輻射會破壞行星大氣，從而對行星上的生物產生致命威脅。同時，它還會減少行星大氣中氣體分子的豐富程度，包括二氧化碳、氧氣、以及臭氧：紫外線輻射會破壞這些氣體分子的分子結構，使二氧化碳分子分解成原始的原子結構，同時分解出來的氧原子還會和氧氣結合生成臭氧分子。臭氧相比氧氣會更容易被探測到，而且它通常被認為是一種可能由生命產生的物質——過多的紫外線輻射會導致過量的臭氧產生，從而導致我們錯誤地認為那些臭氧是由行星上的生命產生的。因此，理解M型矮星發射紫外線輻射的強度對於我們分析那些M型矮星的宜居帶行星大氣的觀測結果來說是非常重要的。

在一個時變M型矮星活動以及其宜居帶的項目（Habitable Zones and M-dwarf Activity across Time，HAZMAT）中，研究人員們用GALEX觀測了大量已知年齡在一千萬年至五十億年之間的M型矮星，目的是想要利用對紫外輻射的觀測研究低質量恆星的宜居度是怎樣隨時間變化的。

他們得出的結果表明，比起紫外線輻射程度降低很快的早型的M型矮星來說，質量較小的中型星或晚型星擁有著高活躍程度的紫外線輻射，並且隨時間減小的很少。

即使一顆行星可能處在紅矮星的宜居帶內，使得液態水存在於它的表面，然而由於受到大量的紫外線輻射，行星大氣的化學成分很可能受到影響

圖片來源：M. Weiss/CfA

在不同的早型M型矮星中，紫外線輻射是各不相同的，但是在晚型星中就沒有這樣的現象。這可能是由於恆星自轉的影響。質量最小的早型星內部物質是完全對流的，也就是說恆星內部物質會循著特定的流向在整個恆星內部循環。質量稍大一些的恆星會分成不同的區域，分化出一個輻射層使能量以輻射的方式散播出去。恆星在最開始的階段旋轉非常迅速，之後由於恆星風的影響使其角動量減小旋轉速度也逐漸慢下來。由於恆星風的影響並不能有效地作用在完全對流的恆星上，所以我們預測晚型星相比早型星來說會持續快速的旋轉更長的時間。恆星的旋轉速度和恆星的活動性有著直接的關聯，所以這也就解釋了為什麼質量更小的恆星能保持更長的活躍時間。

研究的結論說明了，低質量的M型矮星會發出更持久的紫外線輻射，也就是說這種恆星系統中行星擁有生命的可能性就被排除了，包括TRAPPIST-1以及比鄰星的行星們。

是否宜居，可以就這樣下定論嗎？

如果大量的紫外線輻射對行星產生生命是非常不利的，那麼早型的M型矮星將成為研究人員尋找的目標。而事情遠沒有那麼簡單：如果我們只看這項研究的結果，像TRAPPIST-1和比鄰星這樣的恆星周圍很可能並沒有宜居的行星，因為它們曠日持久的高強度紫外線輻射；但是，宜居性這一問題是非常複雜的，要確定一個行星是否宜居，在紫外線輻射強度之外還有很多其它因素要考慮進來。

同時，另一項由Sukrit Ranjan領導在哈佛大學展開的研究表明，低質量恆星周圍的行星由於紫外線的強度不夠，甚至都不能使前生命化學展開反應。因此，對於持續的紫外線輻射對生命演化究竟是好還是壞，還並不能下一個準確的定論。