恒星耀斑:可爱又迷人的反派角色?

原作:Evan Gough

编译:张雨荷

校对:唐佳欣

审阅:牧夫天文校对组

排版:胡永葳

后台: 库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤

红矮星是银河系中最常见的恒星,我们探测到的许多类地行星和可能存在生命的系外行星都在红矮星周围的轨道上运行(www.jiaorao.net)。但是,红矮星能爆发出能量极高的耀斑,它在耀发时比相对平静的太阳更有活力。那么,这些耀斑对那些有可能孕育生命的系外行星意味着什么呢?

地球上的大多数生命,很可能还有其他星球的生命,都是依靠恒星的能量生存的。自从第一批细胞繁殖以来,太阳就一直是地球上生命的引擎。但有时,就像所有恒星一样,太阳会发射耀斑。有时它会发出能量极高的耀斑,太阳大气层中强大的磁能变得不稳定,并释放出大量的能量。如果大量的能量被释放到地球上,就会导致无线电通讯的中断,甚至停电。但就耀斑活动而言,太阳与其他一些恒星对比相对较弱,尤其是恒星中的红矮星会频繁而剧烈地发生耀斑。最近,一个研究团队研究了耀斑活动如何影响围绕低质量恒星(包括M型恒星、K型恒星和G型恒星)运行的类地行星的大气层以及它们存在生命可能性。

2013年5月15日,太阳动力学观测台(SDO)在太阳耀斑达到峰值时拍摄到了一个X1.2级太阳耀斑

图片来源 NASA/SDO

这项新研究名为 "耀斑引发的大气化学过程对宜居带内岩质行星的持续性影响"。该论文发表在《自然天文学》杂志上,主要作者是美国的西北大学博士生Howard Chen。"我们的太阳更像是一个温柔的巨人,"科罗拉多大学博尔德分校的天文学家、该研究的共同作者Allison Youngblood表示,“它的年龄大些,不像年轻恒星和小体积恒星那样活跃。除此之外,地球还有一个强大的磁场可以偏转有破坏性的太阳风”。但对于围绕红矮星等低质量恒星运行的行星来说,情况就大不相同了。

我们知道,对于未受保护的系外行星来说,恒星耀斑和日冕物质抛射会对生命的存在造成严重的危害。作者在引言中指出:"恒星活动(包括恒星耀斑、日冕物质抛射和恒星质子事件)对行星的宜居性会产生深远影响,尤其是在大气臭氧方面”。偶尔的一两次耀斑长远来看对生命存在并不会有太大影响。但许多红矮星都表现出了更频繁和持久的耀斑。

由系外行星环绕的红矮星耀发概念图。

图片来源 NASA, ESA, G.Bacon(STScl)

“我们比较了频繁经历耀发的行星和没有耀发过的行星的大气化学成分。它们长期的大气化学反应有很大不同”,该研究的第一作者Howard Chen在一份新闻稿中说,“持续的耀发实际上可以促使行星的大气成分达成一个新的化学平衡”。

Chen的团队的其中一个研究是关于耀斑对臭氧的影响。强烈的紫外线辐射会降低生命存在的可能性。在地球上,我们的臭氧层有助于保护我们免受太阳的紫外线辐射。但红矮星上极端的耀斑活动会破坏与之邻近的行星大气层中的臭氧。当臭氧水平下降时,行星对来自恒星的紫外线辐射的防护就会减弱。

在研究中,该团队利用模型来帮助理解耀发及其对系外行星大气的影响。他们使用了来自美国宇航局凌星系外行星巡天卫星(TESS)的耀发数据和其他研究中长期的系外行星气候数据,并且发现,在一些情况下,尽管发生了耀发但臭氧仍然存在。“我们发现,恒星耀斑可能并不会杜绝生命的存在”,该研究的另一作者Daniel Horton补充道。“在某些情况下,耀斑不会侵蚀所有的大气臭氧,地表生命仍旧有机会可以为生存战斗。”

科学家模拟的一颗围绕G型恒星运行的行星表面不同高度的大气成分图,从左到右分别是臭氧、一氧化二氮、硝酸和水蒸气。

图片来源Chen et al, 2020

有可能孕育生命的行星可谓是处境艰难,它们必须离恒星足够近以防止水结冰,但也不能太近否则会太热。但这种若即若离又使它们被暴露在了强大的耀斑之下。Horton等人在研究了M和K矮星的宜居区内运行的行星后表示,红矮星与我们的太阳相比更小也更冷,这意味着任何围绕其运行的行星的宜居区和地球与太阳的距离相比都更小也更近。这不仅使这些行星暴露在耀斑之下, 还导致了它们和恒星之间被潮汐锁定。地球的自转能产生保护性的磁层, 但潮汐锁定的行星不能产生磁层且基本上没有针对恒星紫外线辐射的防护。耀斑和潮汐锁定的结合对于生命的存在来说可谓是极为不利的。

研究模拟了类太阳恒星周围的类地行星中的大气气体成分如何被长期的恒星耀斑所影响。

图片来源 Chen et al, 2020

幸运的是,这项研究也给我们带来了一些好消息。研究小组发现,耀斑活动实际上可以帮助科学家们寻找地外生命:耀斑可以让我们更容易检测到一些宇宙中的生命标志气体。耀发产生的能量可以突出硝酸、二氧化氮和一氧化二氮等气体的存在,而这些气体都可以看做生命孕育过程的标志。

研究模拟了一个K型恒星周围的类地行星的大气化学成分如何被长期的恒星耀斑所影响。请注意图中的一氧化氮(NO)含量的升高,它是一种潜在的生物标志物。

图片来源Chen et al, 2020。

“恒星活动事件通常被视为是对宜居性的损害”,Chen说。“但我们的研究数据表明,一些恒星活动实际上能帮助我们检测到标志生物过程的重要气体信号” 。但在一些其他情况下,他们的工作表明,耀斑会破坏缺氧环境下的潜在生物信号。“虽然我们报告了恒星耀斑对大气层的影响,但强烈的耀斑可能会对具有还原性条件的大气产生其他无法预料的影响。例如,来自恒星耀斑的氢氧化物会破坏关键的缺氧环境下的生物特征,如甲烷、二甲基硫化物和羰基硫化物,从而削弱它们的光谱特征”。

图片来源 Chen et al, 2020

总的来说,这项研究表明了在某些情况下,耀发可以帮助我们探测生物信号。同时说明了虽然耀斑会破坏系外行星的大气,但在大多数情况下它们都会恢复正常。还有一个事实是,低质量恒星的寿命比我们太阳这样的恒星要长得多,这意味着它们拥有更多的时间来孕育生命。这项新的研究工作揭示了寻找生命过程的复杂,以及其中存在的诸多变数。不过至少其中也包含了一个惊喜。虽然耀斑在很大程度上被认为会破坏系外行星的宜居性,但它或许有助于检测生物特征,说不定会带来意外之喜。

一颗围绕着距离地球仅16光年的红矮星Gliese 832运行的岩石系外行星概念图,目前已经发现许多类地系外行星都围绕着红矮星运行。

图片来源 ESO/M. Kornmesser/ N. Risinger

“这个项目是我们团队集体努力的结果”,科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家、该研究的共同作者Eric T.Wolf说,“我们的工作体现了在研究太阳系外行星时,科学家们跨学科共同合作努力的好处”。研究成果有赖于各个学科的科学家们共同合作,其中包括气候科学家、天文学家、天文观测者和理论学家,当然还有系外行星科学家。

责任编辑:邱煜欣

牧夫新媒体编辑部

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