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一颗环绕红矮星的岩态行星的印象图。图片版权：ESO/M. Kornmesser
红矮星最近已经成为系外行星研究的主要焦点，这是有原因的。首先m型(红矮星)恒星是我们宇宙中最常见的类型，仅在银河系中就占了75%的恒星。此外在过去的十年里，许多岩态外行星已经被发现围绕着红矮星运行，并且在它们周围的宜居带(“适居带”)中被发现。
这自然促使了一些研究，以确定岩石行星是否能够保留它们的大气层。最新的研究来自NASA，使用火星大气和挥发性演化(MAVEN)轨道器获得的数据。在研究了火星大气数年之后，MAVEN任务在测量其他行星的可居住性时非常适合。
这项研究于2017年12月13日在路易斯安那州新奥尔良举行的美国地球物理联盟秋季会议上分享。在一篇题为“跨越学科寻找地球之外生命”的演讲中，来自加州大学河滨分校(University of california - riverside)和科罗拉多大学(University of colorado - boulder)的NASA科学家和研究人员向我们解释了MAVEN任务的深刻见解如何应用于围绕其他恒星运行的岩石行星的可居住性。
一场太阳风暴袭击火星并从行星的上层大气中剥离离子的概念图。图片版权：NASA/GSFC
MAVEN探测器于2013年11月18日发射，于2014年9月22日在火星周围建立轨道。这个任务的目的是探索这颗红色星球大气层、电离层和它与太阳和太阳风相互作用为了确定如何以及何时火星的大气层从厚，温暖的过去(因此能够支持表面液态水)今天薄而脆弱的。
自2014年11月以来，MAVEN一直在使用它的一系列科学仪器测量火星的大气损失。从它所获得的数据来看，科学家们推测，由于化学和物理过程的结合，地球上大部分的大气都随着时间的推移而消失了。在过去的三年里，太阳的活动增加和减少，使MAVEN有机会观察火星大气损失是如何上升和下降的。
正因为如此,大卫教授大脑——大气和空间物理实验室(LASP)铜博尔德也是一个MAVEN研究员——和他的同事们开始思考如何应用于一个假设的这些见解类似火星行星在绕着一个红矮星。这些行星包括Proxima b(太阳系中最近的系外行星)和trappist - 1的七行星系统。
MAVEN的任务告诉我们，随着时间的推移，火星失去了大量的大气，改变了地球的可居住性。我们可以利用火星，这个我们知道很多的星球，作为研究太阳系外岩石行星的实验室，我们还不太了解它。
曾经有一段时间，火星的磁场与地球类似，这就阻止了火星大气被剥离。图片版权：NASA
为了确定这颗假想的行星是否能在一段时间内保持它的大气层，研究人员进行了一些初步的计算，假设这颗行星将位于恒星的宜居带的外边缘(就像火星一样)。由于红矮星比我们的太阳更暗，所以地球将不得不在离恒星更近的轨道上运行——甚至比水星离我们的太阳还要近。
他们还考虑了在紫外波长中，红矮星发出的光的比例越高。再加上近距离的轨道，这意味着这个假想的星球将会遭受大约5倍的紫外线辐射，而这是真正的火星。这也意味着负责大气损失的过程将会增加到这个星球。
根据MAVEN获得的数据，大脑和同事能够估算出辐射的增加将如何影响火星自身的大气损失。根据他们的计算，他们发现，通过离子逸出，这个行星的大气层将会损失3到5倍的带电粒子，而在光化学逃逸中会损失大约5到10倍的中性粒子(在上层大气中，UV辐射会破坏分子)。
另一种形式的大气损失也会导致，因为更多的紫外线辐射意味着会产生更多带电粒子。这将导致一个被称为“溅射”的过程，其中高能粒子加速进入大气，并与其他分子碰撞，将一些粒子踢出太空，并将其他粒子撞向邻近的粒子。
要接收与火星从太阳接收到的相同数量的星光，围绕m型红矮星运行的行星必须比水星离太阳更近。图片版权:NASA’s Goddard Space Flight Center
最后，他们考虑了假设的行星如何经历同样数量的热逸(又名)。作为真实的火星，这一过程只发生在氢等较轻的分子上，而火星在大气层顶部通过热逸失去了。然而在火星上只有当太阳辐射的增加将更多的氢推入高层大气时，热逸才会增加。
综上所述，研究人员确定在一个安静的m型恒星(而不是我们的太阳)的宜居带的边缘轨道运行，可能会使一个类似火星的行星的宜居期缩短大约5到20倍。对于一个更活跃的m型恒星来说，可居住期可以减少1000倍。此外围绕着红矮星周围的太阳风暴活动，其强度是我们太阳的数千倍，也将是非常有限的。
然而这项研究的依据是火星上的火星是如何环绕地球和m型恒星的，这类恒星的存在与可居住性的可能性是一致的。当考虑到不同的行星时，火星不具备缓解因素，事情就变得更有希望了。例如，一个比火星更具有地质作用的行星能够以更大的速度补充其大气。
其他的因素包括增加质量，这将使地球能够容纳更多的大气层，以及磁场的存在来保护它免受恒星风的影响。正如美国科罗拉多大学(University of Colorado)的专家布鲁斯•杰克斯基(Bruce Jakosky)(他与这项研究没有关联)说：可居住性是天文学中最重要的话题之一，这些估计证明了一种利用我们所知道的关于火星和太阳的方法来帮助确定控制其他系统中的行星是否适合生命的因素。
多项调查显示，一些岩态行星围绕红矮星运行，这引发了人们对其可居住性的质疑。图片版权：ESO/M. Kornmesser/N. Risinger (skysurvey.org).
在接下来的几年里，天文学家和太阳系外行星的研究人员希望能进一步了解围绕附近红矮星运行的行星。由于詹姆斯韦伯太空望远镜的部署，这些努力有望得到极大的帮助，该望远镜将能够利用其先进的红外成像能力对这些星系进行更详细的调查。
这些研究将使科学家能够对环绕红矮星的系外行星施加更精确的限制，这将有助于更好地估计它们的大小、质量和组成——所有这些都对决定潜在的可居住性至关重要。参加演讲的其他小组成员包括美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的吉阿达·阿尼和凯瑟琳·加西亚-塞奇，加州大学河滨分校的斯蒂芬·凯恩。如果你想知道的话可以通过NASA戈达德媒体工作室访问新闻发布会材料。
转载：天文物理 | 
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