在宜居带上寻找宜居行星？或许我们一直忽略了什么

周一· 最新发现    |   周二 · 牧夫专栏 

周三 · 太空探索   /   周三 · 天文测试

周四 · 观测指南   |   周五 · 深空探测

周六 · 星空的诗   |   周日 · 天文周历

比邻星b的宜居可能性

       比邻星b是位于比邻星系宜居带上的一颗与地球差不多大小的行星。（比邻星一般指的就是Proxima Centauri）,也许是由于无法束缚住表面的大气，比邻星b的表面暴露在有害的恒星辐射中，同时降低了它的宜居可能性。

       四光年外的比邻星是已知太阳系外距我们最近的邻居。然而，由于还没有观测到它掠过其恒星的表面，所以不能用通常研究系外行星大气的方法研究它的大气。作为代替，科学家们只能依靠模型去猜测这颗系外行星是否宜居。

       其中一个这样的模型假设当地球在比邻星b的轨道上围绕比邻星——除太阳外离我们最近的恒星，也就是比邻星b的主恒星旋转时——会发生什么。NASA发布在2017年7月24日的《天体物理学杂志通讯》上的文章表明，如果地球真的处于一个那么靠近那颗活动剧烈的红矮星的位置，地球的大气将不复存在。

大气的重要性

       “我们决定用我们已知的唯一一颗宜居行星——地球——作为试验对象放在比邻星b应在的位置上。”凯瑟琳·加西亚-塞奇（Katherine Garcia-Sage）说，她是戈达德太空飞行中心的空间科学家以及这项研究的主要作者。这项研究主要由NASA的NExSS联盟和NASA天体生物学研究所支持完成，前者主导了太阳系外有生命存在的星球的搜索任务。

       尽管说比邻星b的轨道处在宜居带上，与其恒星的距离可以让液态水在其表面聚集，但是这并不能说明它是一颗宜居的行星。比如说，宜居带的假设并没有考虑到水是否真正存在于这颗行星上，或者说这颗行星在宜居带上大气是否能存在。大气对于生命来说同样是非常重要的：使行星拥有规律的气候，使其表面保持亲水性的合适压力，以及有助于生命构成的化学物质。

丢失了大气的比邻星

       在加西亚-塞奇和她的同事们使用的模型中，他们用地球的大气、磁场以及重力作为比邻星b的参考。他们还根据钱德拉X-射线天文台的观测数据计算了半人马座比邻星的平均辐射强度。通过这些数据，他们的模型模拟了比邻星强烈的辐射和频繁的耀斑是怎样影响这颗系外行星的大气的。

       “问题是，它丢失了多少大气，以及这个过程发生得有多迅速？”奥弗·科恩（Ofer Cohen）说，他是马萨诸塞大学的的空间科学家和这项研究的合著者。“如果我们测量这个时间，我们就可以计算出它的大气需要多长时间会完全逃脱——然后与这颗行星的寿命进行比较。”

       像比邻星这样的红矮星会发出高能量的远紫外辐射电离其行星大气层的气体，分离出电子然后留下一行带电粒子，从而剥夺其行星的大气。在这个过程中，新形成的电子会得到足够的能量于是便可以很容易地脱离行星的引力然后跑到大气外的太空去。

       异种电荷互相吸引，所以当更多带有负电荷的电子离开大气层，它们造成了强有力的电荷分离，从而将更多的正离子也带离大气到了太空中去。

       在比邻星的宜居带中，比邻星b遭遇着间歇性的远紫外辐射，强度是地球受太阳辐射的几百倍。这样的辐射带来足够的能量不仅仅能剥离最轻的粒子——氢——随着时间的流逝还剥离了像氧和氮这样重一些的元素。

大气为何丢失

       模型显示了比邻星强大的辐射使类地球大气以地球失去其大气速度的10000倍消失殆尽。

“这是一个基于它寄主恒星平均活动性的简单计算，”加西亚-塞奇说，“它并没有考虑到其它的一些变量比如说恒星大气中的极端（酷热）天

气或者恒星对其磁场进行的强烈干扰——这些因素我们认为会导致更多的电离辐射和大气剥离。”

       为了了解这个过程是如何变化的, 科学家们考虑了两种可能加剧大气损耗的因素。首先，他们发现了暖层中温度的影响：当这层大气被更多的星际辐射加热时，大气逃逸的速度加快。

同时，科学家们还考虑了大气逃逸地区，也就是极冠的面积大小。在行星的磁极附近，行星对磁效应产生的影响最为敏感。当磁力线在磁极处收束闭合时，极冠的大小随之确定，带电粒子仍被束缚在行星附近。相反地，当磁力线向外张开时，大气会向外逃逸得更快。

       “这项研究着眼于人类探索宜居行星时一个不被重视的方面——在恒星物理学中的大气损耗。”肖恩·多马加尔-戈德曼（Shawn Domagal-Goldman）说，他也是戈达德太空飞行中心的空间科学家，但是并不参与此项研究，“行星有很多不同的交互系统，非常重要的是将这些交互作用也考虑进我们的模型中来。”

       科学家们表明，在最高的热层温度和完全开放的磁场条件下，比邻星b在1亿年中丢失的大气相当于整个地球上的大气那么多——1亿年在比邻星b迄今为止40亿年的寿命中只是很小的一部分。当科学家们用最低温度和闭合磁场作为条件时，丢失同等质量的大气需要大约2亿年。

       “如果一颗系外行星能够‘紧紧抓住’它的大气，事情将会变得非常有趣。但是比邻星b丢失大气的速度实在是太快了，这便使它的宜居性受到了很大影响。”杰瑞米·德雷克（Jeremy Drake）说，他是哈佛-史密斯天体物理研究中心（the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的一名天体物理学家，也是这项研究的合著者之一。“这也使一般的比邻星系存在宜居行星的可能性受到质疑。”

目前寻找系外宜居行星方法还有待完善

       像比邻星或是TRAPPIST-1这样的红矮星通常是寻找系外行星的主要目标，因为它们是星系中温度最低、质量最小以及最常见的恒星。正因为它们较为寒冷黯淡，所以它们的行星需要在更紧密的轨道中运行才有可能有液态水的存在。

       排除掉阻碍大气损耗的一些其他因素，比如说大量的火山活动或者彗星的撞击，将会有越来越多的发现表明，与恒星这样近的距离可能并不会使行星上的大气持久存在。

原文链接：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/an-earth-like-atmosphere-may-not-survive-proxima-b-s-orbit

 作者：Lina Tran

翻译：王晴

 校对：鲁瑞

编排：王晴

责任编辑：解仁江

本账号系网易新闻•网易号“各有态度”签约账号

目前找到的一些处于宜居带上的行星

来源：NASA

谢谢阅读