科学家发现寻找宜居系外行星的新方法

一颗围绕红矮星运行的系外行星的艺术家概念。图片来源：D.Aguar/哈佛-史密森天体物理研究所。

地球人很幸运地生活在一个相对稳定的太阳附近，在过去的40亿年里，太阳使我们星球上的生命得以出现和繁衍。虽然我们银河系中的许多星球可能含有支持生命的合适成分，但它们中的许多可能会被一颗更不稳定的恒星困住，这会阻止它们变得适合居住或保持可居住状态。

纽约大学阿布扎比空间科学中心(NYUAD Center For Space Science)的两位科学家周日在《皇家天文学会月刊：通讯》上发表的一项研究称，为了更好地掌握哪些恒星系统最有可能容纳外星人，他们观察了近500颗恒星周围的太空天气。

研究结果表明，与受到持续辐射和低能量耀斑的行星相比，偶尔遭遇强烈耀斑的行星可能更适合生命生存，低能耀斑会吹走它们的保护性大气层。

纽约大学的研究科学家迪米特拉·阿特里(Dimitra Atri)和研究生谢恩·卡贝里·莫根(Shane Carberry Mogan)在这项研究中表示，行星宜居性“是系外行星科学中最重要的概念之一”，“被定义为行星能够在其表面维持液态水的区域”。

“虽然这种方法有助于识别恒星周围潜在的宜居行星，但它没有考虑到这些行星上恒星活动的破坏性，”两人补充道。“这篇论文的主要目的是了解恒星光度和耀斑如何在长时间尺度上导致(宜居区)行星上的大气逃逸，以及这些损失如何影响行星的宜居性。”

为了实现这一目标，研究人员梳理了NASA的凌日系外行星调查卫星(TESS)拍摄的数百颗恒星周围的恒星耀斑和其他危险空间天气事件的观测结果。该团队利用这些观测数据对太空天气造成的行星大气侵蚀和损失进行了模拟，时间尺度长达10亿年。

阿特里在一封电子邮件中解释说：“我们对这些系外行星的了解只有它们的质量、半径和围绕主星运行的轨道性质。”“我希望像[NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜]这样的未来任务能够观测到这些行星的大气层。”

在没有这些观测的情况下，像我们所做的那样的理论计算对于估计宜居带中的行星是否有大气的可能性是极其重要的，“他补充道。

如果没有保护性的大气层，比如地球上坚固的天空，行星表面就会暴露在有害的恒星辐射下，这极大地降低了生命出现或长期存活的可能性。

这项新的研究表明，与偶尔发生的高能耀斑相比，拥有恒定极紫外光(XUV)光通量的恒星更有可能逐渐剥离附近行星的大气层。耀斑和其他短暂形式的恶劣太空天气仍然会使行星无法居住，但根据这项研究，“对于大多数恒星来说，光度诱导的逃逸是主要的损失机制，耀斑的贡献很小。”

ATRI和MOGAN特别关注“M-矮星”，也被称为红矮星，这是银河系中最丰富的恒星类型。围绕微小红矮星运行的系外行星--质量约为太阳的14%，甚至更小--最有可能长期保留其大气层。质量在太阳20%到60%之间的红矮星会经历更稳定的XUV辐射，因此更容易失去大气层。

研究小组在研究中说：“这些结果对行星的宜居性有重大影响，因为银河系中大约75%的恒星都是M-矮星，观测结果表明，它们周围拥有的行星数量是其他恒星的两倍。”

研究人员还指出，围绕这些微小的红矮星运行的系外行星应该很容易被发现和定性，因为相对于它们的恒星，它们比围绕太阳大小的恒星运行的行星要大得多。因此，从我们在地球上的视角来看，这些系外行星在经过它们的恒星前面时，会挡住更多的星光，这可能使科学家能够捕捉到关于它们的质量、大气和潜在宜居性的更多细节。

根据这项研究，ATRI和Mogan警告说，他们的发现有很多警告，因为“大气逃逸是一个复杂的过程，我们需要一种更好的数值模拟方法，通过包括其他逃逸渠道来估计总损失。”

科学家们也许能够通过观察离家更近的条件--在这种情况下，是在火星上--来约束这些遥远的系外行星周围的大气逃逸模型。阿联酋最近发射了第一颗前往这颗红色星球的人造卫星，名为Hope，预计将于2月份抵达火星。

阿特里说，这次任务的数据可能有助于解开导致大气层逃逸的过程，在评估生命条件时，大气层逃逸仍然是“最大的缺失拼图之一”。

他总结说，像霍普这样的任务“将帮助我们更好地理解太阳活动如何影响火星大气，并使我们能够更好地理解恒星活动如何影响系外行星大气及其潜在的宜居性。”