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没有磁层,围绕耀斑恒星的行星没有机会诞生生命

2020/6/29 7:31:08 来源:原创 浏览:

简介:类似太阳这样的主序恒星,其发光活动如:恒星耀斑、日冕物质抛射及恒星质子可能对系外行星及其上的生命造成严重危害,地球上的保护性磁层及足够深度的大气层保护它不受这些危害,且行星磁场对维护行星大气层至关重要

地球上的生命是幸运的。我们的星球有坚固而稳定的磁层。如果没有地球磁场,太阳辐射会在地球生命诞生之前就摧毁它们。从恒星的角度来说,我们的太阳已经相当温和了。

那么围绕着更为活跃的恒星运转的系外行星又是什么样的呢?

人们往往很少想到地球保护性的磁场,也许他们有幸遇见极光并为它的美丽而注目。然而,极光视觉秀也仅仅是绚丽的景象,地磁场真正的礼物可能是生命本身。

(2014年6月28日在国际空间站看到的北极光,由宇航员Reid Wiseman拍摄。引用:Reid Wiseman/NASA)

在专业角度上,我们的太阳是一颗G型主序恒星。与其他类型的恒星相比,G型恒星相对温和且稳定,当然G型恒星的波动和耀斑更像他们的近亲——M型恒星。但是不管是M型恒星还是G型恒星,其耀斑活动都可能严重阻碍一颗(太阳系外)行星及其生命发展的机会。

M型恒星也被称为红矮星,他们的耀斑远远强于太阳。一项新的研究表明,无论是来自G型还是M型恒星的辐射和耀斑都极大程度上限制了行星的可居住性。

“这使得生活在这类星球上的生命体更容易频繁受到以地球辐射为标准的灭绝级的辐射爆发的影响。”

Dmitri Atri,作者,纽约大学,Abu Dhabi

这篇论文的题目是“因恒星质子活动产生的表面辐射对类地系外行星可生存性的限制。”刊登在《皇家天文学会月刊:书信》上,其唯一作者是来自纽约大学阿布扎比分校的阿联酋学者Dmitri Atri。

在迄今为止人类所发现的4000多颗(太阳)系外行星中,只有一小部分的行星位于他们星系的可居住区域内。这意味着,在行星大气压与地球大气压相差不多的合理假设前提下,其温度在能使液态水存在于行星表面的合适范围内。这些适合居住的行星中的相当一部分,大约17颗行星,均位于他们恒星的保守可居住区域。另外30颗左右的行星则位于被称作是比保守可居住区域更大范围的乐观居住区域。

基于开普勒的数据,可能有多达400亿颗地球大小的行星在红矮星和类太阳恒星的可居住区域轨道上运转。

不同类型恒星星系可居住区域的示意图。引用:NASA

但是,没有强大的磁层保护这些类地行星不受他们的恒星影响的话,其中有多少能真正被认为是在可居住区域内呢?

在一个报道中Atri表示“我们不断地探索太阳系内外的行星时,发现是否这些行星有维持生命的能力仍然是极为重要的探索内容。在这方面取得的进展有助于我们更深入理解极端太阳活动、辐射剂量和行星的可生存性之间的关系。”

Atri的论文研究了恒星对其围绕的行星的所有辐射影响,恒星耀斑、日冕物质抛射(CMEs)和恒星质子活动(SPEs),伴随天体活动产生的X射线、EUV(XUV)和恒星高能粒子组成的非热辐射能突然轰击行星。这些活动都会摧毁行

星的大气层,引发光化学变化,并且使整个行星都暴露在辐射当中。

一个红矮星正在经历一次强烈喷发的示意图,这被称为恒星耀斑。假设存在的行星正在它的前方。引用:NASA/ESA/G.Bacon(STScI)

一个行星的磁层能够在这样的恒星活动中保护它,同时行星的大气层也能起到一定的保护作用。在Atri的文章中,他观察了70个主要的耀斑喷射活动(涵盖了从1956年到2012年的记录)的粒子光谱。测量了所有耀斑的光谱和强度,并且把它与磁场和大气层的自身保护性相比对。

我们很了解关于太阳风和耀斑是如何与地球磁层相互作用的。这使得Atri估计系外行星是如何应对耀斑活动的。他重点关注耀斑辐射对生命体的直接影响,而不是因为恒星活动导致大气层剥离导致的间接影响。

当一个恒星发生耀斑活动时,会对其行星产生辐射。根据Atri的研究,与辐射对行星的影响直接相关的不仅仅是磁场强度,还有大气柱深度。没有磁场和大气层的保护,耀斑突然爆发的电离辐射冲击行星,不仅会杀死或毁灭行星上的生命体,而且还会改变它们的栖息地。


太阳风在金星表面流动的示意图,这颗行星几乎没有磁场保护。金星快车发现多年来太阳的紫外辐射将氢氧键断开并吹入太空,大量的水就这样从金星上流失了。引用:ESA – C. Carreau

这完全不是一则头条新闻,因为我们知道来自恒星的辐射是毁灭性的。但是Atri更进一步:他尝试着去量化相同强度的耀斑如何影响可居住性取决于这些耀斑的光谱。他的结论表明,对于能量相同而光谱不同的耀斑,其变化幅度有5个数量级。

大气柱深度对此也有相同的作用,“在屏障保护方面,我们发现大气深度(柱密度)是决定行星表面辐射量的一个主要因素。即每当大气深度增加1个数量级,辐射量就相应减少3个数量级。”

地球的大气层起到在太阳活动中保护我们免受伤害的作用。一项新的研究表明一颗系外行星的大气柱深度是保护其免受辐射的重要因素。引用:NASA

也许令人惊讶的是,磁场强度对在辐射下保护行星起到的作用很小。“我们发现,与大气深度相比较,行星磁场在保护方面似乎是一个重要却不那么显著的因素。每增加1个数量级的磁场强度,辐射量只减少30。”

但一个行星的磁场还起着额外的作用。该论文中写到“值得注意的是,行星磁场对维持大量大气在其周围是至关重要的。”

我们学到了很多关于恒星耀斑率的知识,这是我们了解系外行星可居住性的一部分。太阳每隔2000-3000年就会发出1035erg的超强耀斑,而其他更为年轻、旋转速度更快的M型恒星,发射频率则是G型(太阳)恒星的100倍。其他恒星之所以被称为“耀斑恒星”,是因为他们产生的所谓的超级耀斑比太阳所产生的更强。考虑到被发现的大多数系外行星所围绕的恒星的类型大多数是红矮星,这些行星的可居住性的预断仍然存在疑点。

但Atri的研究也指出,不仅是耀斑强度,其光谱也限制着行星的可居住性。

正如他的得出的结论,“尽管近期的观测已经给出临近恒星附近的耀斑率的良好测量数据,但是这项工作的不确定性的主要原因是缺乏对由其他恒星的高能量耀斑活动(1032-1036erg)所喷发出的粒子的测量。在这方面取得的进展有助于进一步认识我们极端太阳活动、辐射剂量和行星的可生存性之间的关系。”

这是在地球磁场在太阳弓形激波下的示意图。地球在图像中间的位置,用紫色的线表示环绕在地球周围的磁场。右边蓝色新月表示弓形激波。金色表示的太阳风中的高能粒子在地球磁场的“屏蔽下发生偏转。引用: Credit: Walt Feimer (HTSI)/NASA/Goddard Space Flight Center

可能没有磁场和大气层就无法保护行星不受耀斑的伤害,那些我们认作可居住的行星也将不复存在。或者是他们的可居住性仅限于极端生物的生存。正如Atri在他的报道中所说的,“这使得生活在这类星球上的生命体更容易频繁受到以地球(承载的)辐射为标准的灭绝级辐射爆发的影响。这种情况预计出现在临近恒星的行星。”

最后一句话可能尤为残酷。

由于红矮星在在银河系中非常多,所以我们在红矮星的星系里发现了非常多的系外行星。并且这些恒星平均释放能量较少,比起太阳这样的恒星来说,可居住区域离恒星更近。这就意味着,没有足够的磁层和足够深的大气层,许多我们认为可能适合居住的行星,实际上并非如此。

作者: Evan Gough

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