美国宇航局的研究表明，红矮星的行星可能在宜居区域面临着氧气的流失

新研究通过考虑恒星活动的影响来扩展如何定义宜居区域，这些活动可能会以氧气流失威胁系外行星的大气。

对地球以外生命的搜索始于可居住的区域，即恒星周围的区域，在这些区域中，条件可能使液态水（众所周知，这对生命至关重要）会聚集在行星表面上。美国宇航局的最新研究表明，由于频繁发生的恒星爆发，这些区域中的一些实际上可能无法维持生命，这些爆发从年轻的红矮星释放出大量的恒星物质和辐射进入太空。

这项研究发表在《天体物理学杂志快报》上。

该论文的主要作者，马里兰州格林贝尔特市宇航局戈达德太空飞行中心的一名太阳能科学家弗拉基米尔·艾拉佩蒂安（Vladimir Airapetian）说：“如果我们想找到可以发展并维持生命的系外行星，就必须找出哪些恒星是最好的父母。” 。“我们正在更加接近地了解我们需要什么样的母星。”

为了确定恒星的宜居区域，科学家传统上考虑了恒星发出多少热量和光线。比我们的太阳重的恒星产生更多的热量和光，因此宜居区域必须更远。较小，较冷的恒星产生近距离宜居区域。

但是，伴随着热量和可见光，恒星会发出X射线和紫外线辐射，并产生恒星爆发，例如耀斑和日冕物质抛射-统称为太空天气。这种辐射的一种可能的影响是大气侵蚀，其中高能粒子将大气分子（例如水和氢的两种成分氢和氧）拖入太空。现在，Airapetian和他的团队针对可居住区域的新模型已经考虑到了这种影响。

在这个概念动画中，来自年轻的红矮星的X射线和极紫外光使离子从系外行星的大气中逸出。科学家开发了一个模型，用于估计红矮星周围行星上氧离子的逸出率，这在确定系外行星的可居住性方面起着重要作用。为了确定恒星的宜居区域，科学家传统上考虑了恒星散发出多少热量。比我们的太阳重的恒星产生更多的热量和光，因此宜居区域必须更远。较小，较冷的恒星产生近距离宜居区域。

寻找可居住的行星常常是在红矮星上进行磨练，因为它们是宇宙中最凉爽，最小和数量最多的恒星，因此相对适合小行星的探测。

“不利的一面是，红矮星比太阳还容易出现更频繁，更强大的恒星爆发，”戈达德天文学家，该论文的合著者威廉·丹奇（William Danchi）说。“要评估这些恒星周围行星的可居住性，我们需要了解这些各种影响如何平衡。”

科学家说，另一个重要的宜居性因素是恒星的年龄，这是根据他们从美国宇航局开普勒任务中收集到的观察结果得出的。每天，年轻的恒星产生超耀斑，强大的耀斑和爆发，其强度至少比在太阳上观测到的强十倍。在类似我们今天中年太阳的年龄较大，成熟的对应物上，这种超级耀斑仅每100年观察一次。

“当我们在银河系中观察年轻的红矮星时，我们发现它们的发光度比今天的太阳要少得多，” Ailapetian说。“按照经典的定义，红矮星周围的可居住区域必须比地球离太阳更近10到20倍。现在我们知道，这些红矮星通过频繁的耀斑和恒星风暴在系外行星的可居住区域产生大量的X射线和极紫外辐射。”

当高能X射线和极紫外辐射首先将分子分解成原子，然后使大气中的气体电离时，超耀斑会导致大气侵蚀。在电离期间，辐射会撞击原子并击落电子。电子比新形成的离子轻得多，因此它们更容易摆脱重力的吸引而飞向太空。

对立面吸引，从而产生越来越多的带负电的电子，它们形成强大的电荷分离，该过程以称为离子逸出的过程将带正电的离子引诱到大气中。

戈达德天体物理学家，该论文的合著者亚历克斯·格洛瑟（Alex Glocer）说：“我们知道氧离子的逃逸发生在地球上的规模较小，因为太阳仅表现出年轻恒星活动的一小部分。”“为了查看当您从年轻恒星那里获得更多高能输入时这种效果如何缩放，我们开发了一个模型。”

该模型假设红矮星无法补偿火山活动或彗星轰击，从而估算出氧气在红矮星周围的逸出量。各种早期的大气侵蚀模型表明，氢最容易受到离子逸出的影响。氢是最轻的元素，它很容易逃逸到太空中，可能留下了富含氧和氮等较重元素的气氛。

但是，当科学家们解释了超级耀斑时，他们的新模型表明，年轻的红矮星的猛烈风暴会产生足够的高能辐射，甚至能够逃脱氧气和氮气-构成生命中必不可少的分子的组成部分。

格洛瑟说：“存在的X射线和极端紫外线能量越多，产生的电子就越​​多，离子逃逸作用变得越强。”“这种效应对恒星发出的能量非常敏感，这意味着恒星必须在确定什么是宜居行星和不宜居行星方面发挥重要作用。”

仅考虑氧气的逸出，该模型估计，一个年轻的红矮星可能会在几十到一亿年的时间内使近地系外行星无法居住。大气中氢气和氧气的损失将减少并消除星球的水供应，从而使生命没有发展的机会。

戈达德太空科学家肖恩·多马加尔·戈德曼（Shawn Domagal-Goldman）表示，“这项工作的结果可能会对这些世界的大气化学产生深远的影响。”“研究小组的结论将影响我们正在进行的任务研究，这些任务将寻找那些大气化学成分中的生命迹象。”

对氧气损失率进行建模是该小组将可居住性的经典定义扩展到他们所谓的受空间天气影响的可居住区域的第一步。当系外行星绕着成熟的恒星绕着温和的太空天气环境运转时，经典的定义就足够了。当宿主恒星表现出的X射线和极端紫外线水平大于我们太阳的平均发射量的7至10倍时，则适用新的定义。该小组未来的工作将包括对氮的逸出进行建模，这可能与氧气的逸出相当，因为氮的含量仅比氧气轻。

新的可居住性模型对最近发现的绕着我们的最近恒星邻居红矮星Proxima Centauri的行星具有影响。Airapetian和他的团队将他们的模型应用于大约地球大小的行星，称为Proxima b，该行星绕Proxima Centauri的运行距离地球比太阳近20倍。

考虑到寄主恒星的年龄以及行星与寄主恒星的距离，科学家预计Proxima b大约每两个小时就会受到X射线洪流和超耀斑产生的极紫外辐射的影响。他们估计氧气将在1000万年内逸出Proxima b的大气层。此外，强烈的磁活动和恒星风-来自恒星的带电粒子的不断流动-加剧了本已严峻的太空天气状况。科学家得出结论说，Proxima b不太适合居住。

“在这项研究中，我们对年轻的红矮星周围的行星有悲观的结果，但我们也更好地了解了哪些恒星具有良好的可居住性前景，”艾拉佩蒂安说。“随着我们从宿主恒星中了解更多我们需要的东西，越来越多地我们的太阳只是支持地球生命的那些完美的母星之一。”

出版物：Vladimir S. Airapetian等人，“太空天气如何影响可居住区？离子逃逸的作用，” ApJL，2017年； doi：10.3847 / 2041-8213 / 836/1 / L3