【博科園-科學(xué)科普】
一顆環(huán)繞紅矮星的巖態(tài)行星的印象圖。圖片版權(quán)：ESO/M. Kornmesser
紅矮星最近已經(jīng)成為系外行星研究的主要焦點，這是有原因的。首先m型(紅矮星)恒星是我們宇宙中最常見的類型，僅在銀河系中就占了75%的恒星。此外在過去的十年里，許多巖態(tài)外行星已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)圍繞著紅矮星運行，并且在它們周圍的宜居帶(“適居帶”)中被發(fā)現(xiàn)。
這自然促使了一些研究，以確定巖石行星是否能夠保留它們的大氣層。最新的研究來自NASA，使用火星大氣和揮發(fā)性演化(MAVEN)軌道器獲得的數(shù)據(jù)。在研究了火星大氣數(shù)年之后，MAVEN任務(wù)在測量其他行星的可居住性時非常適合。
這項研究于2017年12月13日在路易斯安那州新奧爾良舉行的美國地球物理聯(lián)盟秋季會議上分享。在一篇題為“跨越學(xué)科尋找地球之外生命”的演講中，來自加州大學(xué)河濱分校(University of california - riverside)和科羅拉多大學(xué)(University of colorado - boulder)的NASA科學(xué)家和研究人員向我們解釋了MAVEN任務(wù)的深刻見解如何應(yīng)用于圍繞其他恒星運行的巖石行星的可居住性。
一場太陽風暴襲擊火星并從行星的上層大氣中剝離離子的概念圖。圖片版權(quán)：NASA/GSFC
MAVEN探測器于2013年11月18日發(fā)射，于2014年9月22日在火星周圍建立軌道。這個任務(wù)的目的是探索這顆紅色星球大氣層、電離層和它與太陽和太陽風相互作用為了確定如何以及何時火星的大氣層從厚，溫暖的過去(因此能夠支持表面液態(tài)水)今天薄而脆弱的。
自2014年11月以來，MAVEN一直在使用它的一系列科學(xué)儀器測量火星的大氣損失。從它所獲得的數(shù)據(jù)來看，科學(xué)家們推測，由于化學(xué)和物理過程的結(jié)合，地球上大部分的大氣都隨著時間的推移而消失了。在過去的三年里，太陽的活動增加和減少，使MAVEN有機會觀察火星大氣損失是如何上升和下降的。
正因為如此,大衛(wèi)教授大腦——大氣和空間物理實驗室(LASP)銅博爾德也是一個MAVEN研究員——和他的同事們開始思考如何應(yīng)用于一個假設(shè)的這些見解類似火星行星在繞著一個紅矮星。這些行星包括Proxima b(太陽系中最近的系外行星)和trappist - 1的七行星系統(tǒng)。
MAVEN的任務(wù)告訴我們，隨著時間的推移，火星失去了大量的大氣，改變了地球的可居住性。我們可以利用火星，這個我們知道很多的星球，作為研究太陽系外巖石行星的實驗室，我們還不太了解它。
曾經(jīng)有一段時間，火星的磁場與地球類似，這就阻止了火星大氣被剝離。圖片版權(quán)：NASA
為了確定這顆假想的行星是否能在一段時間內(nèi)保持它的大氣層，研究人員進行了一些初步的計算，假設(shè)這顆行星將位于恒星的宜居帶的外邊緣(就像火星一樣)。由于紅矮星比我們的太陽更暗，所以地球?qū)⒉坏貌辉陔x恒星更近的軌道上運行——甚至比水星離我們的太陽還要近。
他們還考慮了在紫外波長中，紅矮星發(fā)出的光的比例越高。再加上近距離的軌道，這意味著這個假想的星球?qū)馐艽蠹s5倍的紫外線輻射，而這是真正的火星。這也意味著負責大氣損失的過程將會增加到這個星球。
根據(jù)MAVEN獲得的數(shù)據(jù)，大腦和同事能夠估算出輻射的增加將如何影響火星自身的大氣損失。根據(jù)他們的計算，他們發(fā)現(xiàn)，通過離子逸出，這個行星的大氣層將會損失3到5倍的帶電粒子，而在光化學(xué)逃逸中會損失大約5到10倍的中性粒子(在上層大氣中，UV輻射會破壞分子)。
另一種形式的大氣損失也會導(dǎo)致，因為更多的紫外線輻射意味著會產(chǎn)生更多帶電粒子。這將導(dǎo)致一個被稱為“濺射”的過程，其中高能粒子加速進入大氣，并與其他分子碰撞，將一些粒子踢出太空，并將其他粒子撞向鄰近的粒子。
要接收與火星從太陽接收到的相同數(shù)量的星光，圍繞m型紅矮星運行的行星必須比水星離太陽更近。圖片版權(quán):NASA’s Goddard Space Flight Center
最后，他們考慮了假設(shè)的行星如何經(jīng)歷同樣數(shù)量的熱逸(又名)。作為真實的火星，這一過程只發(fā)生在氫等較輕的分子上，而火星在大氣層頂部通過熱逸失去了。然而在火星上只有當太陽輻射的增加將更多的氫推入高層大氣時，熱逸才會增加。
綜上所述，研究人員確定在一個安靜的m型恒星(而不是我們的太陽)的宜居帶的邊緣軌道運行，可能會使一個類似火星的行星的宜居期縮短大約5到20倍。對于一個更活躍的m型恒星來說，可居住期可以減少1000倍。此外圍繞著紅矮星周圍的太陽風暴活動，其強度是我們太陽的數(shù)千倍，也將是非常有限的。
然而這項研究的依據(jù)是火星上的火星是如何環(huán)繞地球和m型恒星的，這類恒星的存在與可居住性的可能性是一致的。當考慮到不同的行星時，火星不具備緩解因素，事情就變得更有希望了。例如，一個比火星更具有地質(zhì)作用的行星能夠以更大的速度補充其大氣。
其他的因素包括增加質(zhì)量，這將使地球能夠容納更多的大氣層，以及磁場的存在來保護它免受恒星風的影響。正如美國科羅拉多大學(xué)(University of Colorado)的專家布魯斯·杰克斯基(Bruce Jakosky)(他與這項研究沒有關(guān)聯(lián))說：可居住性是天文學(xué)中最重要的話題之一，這些估計證明了一種利用我們所知道的關(guān)于火星和太陽的方法來幫助確定控制其他系統(tǒng)中的行星是否適合生命的因素。
多項調(diào)查顯示，一些巖態(tài)行星圍繞紅矮星運行，這引發(fā)了人們對其可居住性的質(zhì)疑。圖片版權(quán)：ESO/M. Kornmesser/N. Risinger (skysurvey.org).
在接下來的幾年里，天文學(xué)家和太陽系外行星的研究人員希望能進一步了解圍繞附近紅矮星運行的行星。由于詹姆斯韋伯太空望遠鏡的部署，這些努力有望得到極大的幫助，該望遠鏡將能夠利用其先進的紅外成像能力對這些星系進行更詳細的調(diào)查。
這些研究將使科學(xué)家能夠?qū)Νh(huán)繞紅矮星的系外行星施加更精確的限制，這將有助于更好地估計它們的大小、質(zhì)量和組成——所有這些都對決定潛在的可居住性至關(guān)重要。參加演講的其他小組成員包括美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的吉阿達·阿尼和凱瑟琳·加西亞-塞奇，加州大學(xué)河濱分校的斯蒂芬·凱恩。如果你想知道的話可以通過NASA戈達德媒體工作室訪問新聞發(fā)布會材料。
知識：科學(xué)無國界，博科園-科學(xué)科普
參考：NASA, AGU
