红矮星生命宜居配方
2019/10/9 7:30:00伊戈尔 中科院之声

     我们的地球是一颗被植被和海洋包裹的行星，围绕着一颗明亮的黄色恒星运转。我们难以想象在与地球截然不同的环境中，生命该如何存活。

    

     几十年来，天文学家们在寻找宜居行星时一直把注意力放在类太阳恒星上。这个方向合情合理。首先，这类恒星的寿命约为100亿年，为生命的出现提供了充足的时间。其次，类太阳恒星相对平静，不像其他一些恒星会因活跃的耀斑和磁场活动对生命构成威胁。最关键的原因在于，唯一一颗已知的可居住行星就围绕着这样一颗恒星运行。

     不过，在过去的20年里，天文学家的兴趣已经从类太阳恒星(即G型矮星)转移到了完全不同的一类恒星：M型矮星，也叫“红矮星”。后者的体积和质量都比类太阳恒星小得多，所以它们四周的行星更容易被发现；这类恒星本身也更常见，因此，天文学家们在它们周围发现了大量行星系统。随着未来几十年更多的太空望远镜和地基望远镜投入使用，他们将找到更多这样的行星系统，其中一些行星 —— 包括围绕着比邻星、Trappist-1和LHS1140这些红矮星运行的行星—— 已经引起了广泛关注。

     我们可能在不久之后便能测量这些行星的大气成分，并寻找生物形成的“指纹”，即所谓的“生物标记”。我们在太阳系外发现的第一颗宜居行星或许正围绕着与太阳差别很大的恒星运行。那样的地方真的会存在生命吗？

     此前，天文学家通常以类地行星表面能否存在液态水来界定一颗恒星的宜居带。但真正的宜居需要考虑诸多因素：从母恒星的光度和磁场活动，到行星的自转速度及其大气和地表的成分。对于红矮星而言，前景并不全然光明，但生命也许仍然可以以我们不熟悉的形式，茁壮成长。

    

     如何“配制”一颗宜居星球？传统而言，天文学家根据温度推测液态水存在的区域，并依此判断恒星的宜居带。但真正的宜居性犹如鸡尾酒，是一系列相关因素“混合”的结果——有些可能令你颇感意外。

     宜居赌局

    

     红矮星可能是目前寻找宜居行星的最佳地点。原因有很多，首先是数量上的绝对优势，这些不起眼的小小恒星约占银河系所有恒星的70%。因此，天文学家将望远镜转向任意一片天空时，观测到的绝大多数行星都在围绕红矮星运行。其次，探测系外行星最常用的两种技术—— 凌日法和径向速度法——在小恒星上效果更好。此外，形成红矮星系统的气体云坍缩，通常更容易形成小行星而非大行星。NASA的开普勒行星探测航天器发现，尽管红矮星拥有的气态巨行星数量远少于类太阳恒星，但它们拥有的地球大小的行星数量是后者的3.5倍。

    

     红矮星很“闹腾”。平日里，它们只展露巨大的弧形日珥和大量黑子，但随着时间推移，它们也会爆发剧烈的运动，这可能会破坏附近行星的大气层。从这张艺术概念图中，我们不难理解为什么天文学家以前认为此类恒星周围的所有行星都了无生机。

     据估计，每4个红矮星系统中就有1个在宜居带包含一颗地球大小的行星。综上，在红矮星周围探测宜居行星不仅比在其他恒星周围更容易，成功的机率也更高。可惜的是，因为这些恒星比大多数其他恒星要冷得多，所以它们的宜居带离恒星更近。这就好比一个人必须站得离小火堆更近，才能感受到在大火堆旁同等的热量。

     如此近的距离给轨道行星的宜居性带来了许多复杂的问题。首先，这种距离会产生强大的引潮力，阻滞行星的自转，进而影响其大气环流。这种潮汐锁定对自转的阻滞作用可能微乎其微，也可能十分明显，甚至达到同步绕转，即行星总以同一侧朝向恒星——星球一面永远是白天，另一面则永远是夜晚。这样的环境下，生命还能生存吗？

     最近，一项全球气候模型的研究表明，厚厚的大气层可以将足够的热量输送到同步绕转的行星背面，以防大气被冻住；此外，同步绕转甚至也可能为宜居性创造有利条件：如果一颗潮汐锁定的行星上有海洋，那么它的大气中对流更强，这是白天光照时间更长的结果，可能会在行星正面产生厚厚的云 层。这些云将恒星的光反射回太空，降低行星阳面地表温度，缓解了温室效应的影响。

     除了行星和母恒星之间的潮汐相互作用，行星之间也可能存在相互作用。因为M型矮星周围的行星经常紧密地聚集在一起，邻近行星的引力可能会改变某颗行星的自转速度，甚至拉长或压扁它的轨道形状。这可能导致一些行星全年的气候变化显著。不过，偏心轨道并非百害而无一益。当一颗处于偏心轨道的行星通过距离恒星最近的位置时，引发的潮汐拉伸和挤压可以加热行星内部，并驱动板块构造。科学家们认为这一过程可以回收碳和其他元素，提高宜居性。

     永远年轻，永远狂暴

     绕转红矮星的行星面临的另一个复杂问题与母恒星的异常长寿有关。由于红矮星质量较低，它们燃烧核燃料的速度很慢，简直就是恒星家族中的乌龟，所以它们的寿命远长于类太阳恒星。质量最小的红矮星尚且需要数万亿年的时间燃尽，而我们的太阳只需要100亿年就寿终正寝了。由于红矮星的生命周期比目前宇宙的年龄(138亿年)还要长，所以至今还没有死亡的红矮星案例。

     从宜居性的角度来看，这或许是好事，也可能是坏事。一方面，红矮星的长寿为生命的出现、繁衍和进化提供了充足的时间。这比地球上任何一种生命(包括人类)的历史都要悠久。也许在红矮星的行星上，生命已经进化到技术水平相当先进的程度，我们无需费心去寻找它们——它们会来找我们。另一方面，红矮星的长寿也意味着它们需要很长时间才能稳定下来。恒星在年轻时更加活跃，会向自己的行星喷射耀斑和大量的极紫外(EUV)光。对于红矮星来说，这段动荡期可以持续10亿年之久，好比一段漫长的“两岁反抗综合症”。在这段时期，强极紫外光会照射行星表面，使海洋蒸发，将水蒸气送上大气层并被辐射分解成氢和氧。氢比较轻，更容易逃逸到太空，而较重的氧会留下，形成一个富含氧气的世界。如果一颗行星一开始就有足够的水，可以度过母恒星的动荡期，那么它的宜居性就有望维持。

     Trappist-1系统可能就是这种情况，它是已知的在宜居带中拥有最多行星的红矮星系统。最近的研究表明，系统中可能至少有一颗有足够的液态水来维持宜居的地表条件。而这个系统也并非孤例：开普勒太空望远镜探测到的数千颗行星的数据表明，宇宙中可能存在众多含水星球。

    

    

     七处天然居所。Trappist-1行星系统中心是一颗红矮星，尽管条件恶劣，但那里可能存在宜居的行星。

     不过，即便那些行星留得住海洋，可能仍然不宜居，因为围绕着一颗凉爽的小恒星运行会带来一些“副作用”。强烈的星风可能剥除行星大气层，使得系统里的行星无法居住。此外，强烈的紫外光、红矮星频发的耀斑，可能消除行星大气中的大部分臭氧，而臭氧是保护行星表面免受有害紫外光照射的关键要素。当然，大气损耗的程度或因恒星的不同而异，地表条件也可能降低这一危险。举个例子，假如星球上有大片海洋，那么即便没有厚厚的臭氧层，生命仍然可以在水下生长。

     由于行星距离恒星太近，行星的磁场也会受到影响。磁场素来被视作宜居行星的特征之一，因为它可以保护大气层免受恒星耀斑活动、带电粒子和宇宙射线的伤害。但不幸的是，围绕红矮星运行的行星们的磁场可能非常弱。这个课题目前仍然是个热门研究领域。

     生命之光？

     红矮星和其他恒星之间的另一个关键区别是，它们产生的光的类型，以及行星接收到的光的类型。在地球接收到的日光中，可见光和紫外光占了大部分，但红矮星发出的主要是波长较长的光(尤其是红外波段)。这种差异对于行星是否宜居至关重要。

    

    

     越冷的恒星发出的大部分辐射波长越长。太阳发出的光主要是可见光和紫外光，而红矮星发出的光更多是红外光——这一差异可能会影响其行星上的新生生命。

     行星大气中普遍存在的分子如水、二氧化碳和甲烷，会大量吸收红外辐射。大气层吸收的热量越多，行星就越温暖。因此，尽管红矮星本身又冷又暗，它们的行星更容易保持温暖的地表温度。

     水冰和雪也可以大量吸收红外光。在地球上，水冰反射太阳光的短波，把它们送回太空，给地球降温，从而形成更多的冰。但在一颗围绕红矮星运行的行星上，冰和雪反而会吸收来自恒星的大部分光。这种变暖效应，使得这些含水丰富的行星可能更能抵御冰冻。

     事实上，这些行星对极端气候具有相当高的抵抗力。科学家们刚刚开始研究不同类型的地表环境对红矮星行星的气候影响。不过目前得出的结论并不完全乐观，关于不同的表面——从不同种类的土壤和植被到海洋和冰——如何与红矮星发出的光相互作用，我们了解得远远不够。

     生命的火花

     现在要全面回答红矮星行星上可能存在何种生命的问题可能为时尚早。但我们可以问一个更加具体的问题：光合作用可能发生吗？

    

     在地球上，水冰会将波长相对较短的日光波段反射回太空，使地球降温，从而形成更多的冰，反射更多的阳光，进一步降低地表温度，循环往复；但在红矮星的行星上，水冰会吸收来自恒星的波长较长的光，形成加热效应。

     在地球上，植物利用叶绿素将太阳光和二氧化碳转化为养分，叶绿素能大量吸收可见光谱范围内的星光，并在这个过程中产生氧气。这对动植物的呼吸和地球周围起保护作用的臭氧层的产生都至关重要。

     考虑到红矮星发出的可见光很少，我们所知道的光合作用可能无法在这类恒星周围的行星上进行。不过，这些行星上的生命可能会进化至可以利用最易获得的星光。那里的植物可能会吸收光谱范围更广的辐射，甚至利用红外波段的光。这类恒星的耀斑也可能提供平常的星光无法提供的东西。在这种情况下，植被的生长将不再取决于季节，而是取决于红矮星的活跃周期，这是一种非同寻常的共生图景。

     这种关系在紫外线波长下可能更加重要—— 并且十分关键。研究人员认为，在形成基本生命的化学过程中，紫外线辐射是个必要条件。如果真的如此，那么M型矮星缺乏紫外线将对生命的发展构成障碍。但耀斑或许能解决这个问题：每次恒星爆发都会释放出大量的紫外线光子，轰击行星。这或许能弥补固有的不足——提供足够的光促成生命出现。

     我们才刚刚开始了解这些恒星周围的世界是什么样的。但在未来十年，太空和地面上的一众项目将借助灵敏的仪器，观测到大量小型类地行星。在后续的研究中，我们可能会从它们的大气中发现生物特征，从而告诉天文学家生命存在的可能性。如果存在一颗正围绕着红矮星运行的宜居行星，那么我们现在真的有机会找到它了。

     来源：中国国家天文

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