类地大气层或无法维系在比邻星b的轨道上

摘要: 比邻星B,我们太阳系外的一个地球大小的行星,位于其主星系的宜居带,可能不能保持其周围的大气层,从而使其表面暴露在有害的恒星辐射中,降低了其宜居性。

09-19 06:27 首页 NASA中文


比邻星B,我们太阳系外的一个地球大小的行星,位于其主星系的宜居带,可能不能保持其周围的大气层,从而使其表面暴露在有害的恒星辐射中,降低了其宜居性。


仅在四光年之遥,比邻星b是离我们最近的已知太阳系外邻居。然而,基于此行星从未在正面穿越其主星时被观测到的事实,研究大气层的常规方法不能适用于此系外行星。因此,科学家不得不依靠模型来获知此星球是否宜居。


其中一个计算机模型考虑了地球在比邻星b的轨道上绕行半人马座比邻星,即离我们最近的恒星邻居也是比邻星b的主星可能发生的情况。2017年7月24日发表在天体物理学杂志快报上的NASA研究提到,地球的大气层不能在如此靠近强辐射的红矮星的情况下维系。


“我们决定拿我们目前所知的唯一宜居星球—地球— 放在比邻星b的轨道上”,Katherine Garcia-Sage说道,她是NASA位于马里兰州格林贝尔特的哥达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的一位太空科学家,也是此项研究的作者。此研究是由NASA的系外行星系统科学(The Nexus for Exoplanet System Science,NExSS)联合,引领寻找太阳系外的生命,以及NASA的天体生物学研究所所赞助的。


在其轨道上,系外行星比邻星b有可能无法维持类似地球的大气层。

Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith


单单是因为比邻星b的轨道在宜居区内,也就是距离其主星的距离可以使得水能够聚集在星球表面,并不意味着它真的适宜居住。其他因素也应当考虑在内,比方说,水是否真的存在于行星上,或者大气层是否可以维系在那样的轨道上。正如我们所知,大气层对生命同样也是至关重要的:适宜的大气层能调节气候,维持水的表面压力,避免太空灾害性天气,以及保护组成生命的化学物质构建块。


Garcia-Sage和她同事们的电脑模型使用地球的大气层,磁场以及重力代替比邻星b的。他们也基于NASA的钱卓拉X射线天文台的观测计算了比邻星产生的平均辐射量。根据这些数据,他们的模型模拟了主星强烈的辐射和频繁的耀斑是如何影响系外行星的大气层的。


“问题在于,大气层损失了多少,以及这一过程发生得有多快?”Ofer Cohen说道,马萨诸塞大学卢维尔分校的一名太空科学家,也是此项研究的合作者。“如果我们估算出那个过程的时间,我们可以计算大气层完全逃逸所需的时间,以及将这一时间和行星的寿命进行比较。”


像比邻星半人马座这样一颗活跃的红矮星会剥离大气,当高能极端紫外辐射电离大气层的气体时,会撞离电子,并产生带电粒子。在此过程中,新形成的电子获得足够的能量以使其能轻易逃脱行星的引力,冲出大气层。


异性电荷相互吸引,随着更多的负电荷电子离开大气层,他们产生强大的电荷分离,带着正电荷粒子跟它们一起进入太空。


在比邻星半人马座的宜居区,比邻星b受到的极端紫外辐射数百倍于地球从太阳那里受到的。该辐射产生的能量足以剥离不仅仅是最轻的分子氢,并且随着时间的推移,还带走了更重的元素诸如氧和氮。


模型显示了比邻星半人马座的辐射以10,000倍于发生在地球上的速度抽干了类地大气层。


“这是基于主星平均活跃度的简单计算,”Garcia-Sage说。“它并没有考虑诸如恒星大气的极端热能或者剧烈的作用于系外行星磁场的恒星扰动这些变量,我们认为这些因素会带来更多的电离辐射以及大气层逃逸。”


为了了解这一过程是如何变化的,科学家们研究了另外两个加剧大气层损失的因素。首先,他们考虑了中性层的温度,即热气层。他们发现热层由于有更多的恒星辐射,大气层逃逸增加了。


科学家们也考虑了大气逃逸发生区域的大小,称为极地冠。行星在它们的磁极对磁效应极为敏感。当极点磁场线闭合时,极地冠被限制,带电粒子仍然被限制在行星附近。另一方面,当磁场线张开时,提供了一条通向太空的单行道,逃逸发生得更厉害。


“这一研究着眼于宜居性不容乐观的一面,即在恒星物理背景下的大气损失,”Shawn Domagal-Goldman,戈达德太空飞行中心未参与研究的一位太空科学家说道。“行星有很多不同的相互作用系统,确保我们将这些相互作用都囊括进了我们的模型中很重要。”


科学家们发现在最高的热层温度和完全开放的磁场下,比邻星b能在1亿年内可能会失去相当于整个地球大气层的大气量,只是比邻星b40亿年生命周期中的一小部分。当即使在科学家们假设的定最低温度和闭合磁场情况下,这样质量的大气也会在20亿年内逃逸完。


“如果一颗系外行星保持住它的大气层的话,事情将变得有意义,但是比邻星b的大气层损失速率高到让它的宜居性变得不太可能了,”Jeremy Drake说道,哈佛-史密森天体物理研究中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的天体物理学家,也是此项研究的合作者。“这从整体上质疑了围绕在这样的红矮星周围的行星的宜居性。”


诸如比邻星半人马座或者TRAPPIST-1星这样的红矮星经常是搜寻系外行星的目标,因为它们是银河系中最凉爽,最小也是最普遍的星星。因为它们更凉爽且暗淡,行星不得不维持小半径的轨道以实现液态水的存在。


但是除非大气层的损失可以被近距离发生的其他作用抵消,例如大量的火山活动或者彗星撞击,这让科学家们更相信,大气层的幸存或者维系是没有希望的。(编辑:Rob Garner 翻译:蚂蚁 核对:汪慧 杉杉 


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