比鄰星b或許不存在與地球類似的大氣層

莉娜·特蘭

比鄰星b是一顆大小與地球相似、位于其主恒星宜居帶的系外行星，帶給了人們很大的有關外星生命的期望。但最新的研究顯示，比鄰星b或許不能維持它的大氣層，使地表暴露在有害的恒星輻射之中，從而降低了其宜居性。

比鄰星b是我們已知離太陽系最近的鄰居，距離太陽系僅4光年之遙。然而，由于我們還未捕捉到它在其主恒星前面出現的過程，因此無法用常規的方法來了解這顆系外行星。于是，科學家必須利用模型來了解它是否適宜居住。

美國航空航天局的科學家做了這樣一個計算機模擬研究：如果地球處在比鄰星b的軌道，圍繞著比鄰星b的主恒星，即距我們最近的恒星鄰居比鄰星運行的話，將會怎樣？模擬結果顯示，類似地球的大氣層不可能在這顆紅矮星的附近存在。這項研究成果發表于2017年7月24日的《天文物理期刊通訊》上。

這項研究的主要作者、美國航空航天局戈達德太空飛行中心的太空科學家凱塞林·加西亞·塞奇說：“我們決定將迄今所知唯一的宜居星球——地球，放到比鄰星b的位置。”該研究得到了致力探尋太陽系外生命星球的美國航空航天局系外行星學聯合學會和天體生物學研究所的支持。

僅僅因為比鄰星b的軌道處于宜居帶，水可以從主恒星聚集到其表面，并不意味著它適宜居住。這忽略了一些情況，比如這個星球上是否真的有水，或者其軌道上是否存在大氣。如大家所知，大氣對生命來說也是必不可少的：適合的大氣層有利于氣候調節、維持水在地表的存在、防護危險的太空氣候，以及儲存生命所需的化學成分。

加西亞·塞奇及其同事所做的計算機模型將地球大氣層、磁場和引力設置到比鄰星b上。他們基于美國航空航天局錢德拉X 射線天文臺的觀測還計算出比鄰星產生的輻射的平均值。

利用這些數據，他們模擬出主恒星的強輻射和頻繁的閃耀是如何影響這顆系外行星的大氣的。

“問題是有多少大氣逃逸，并且這一過程發生得有多快？”馬薩諸塞大學的太空科學家奧弗·科恩和這項研究的合作者洛威爾說，“如果我們估計出這個時間，我們就能計算出大氣完全逃逸所需的時間，并將其與行星的壽命進行比較。”

當高能極紫外輻射電離大氣氣體剝離電子，形成一大片帶電粒子時，像比鄰星這樣的活躍紅矮星就會失去大氣。在此過程中，最新形成的電子獲得足夠能量，讓它們能夠輕易地逃離引力，快速離開大氣層。

異性電荷相吸，因此當更多帶負電荷的電子逃離大氣時，就會形成強大的電荷分離，將正電荷離子也一起帶入太空。

在比鄰星的宜居帶，比鄰星b遭遇到的極紫外輻射，比地球從太陽那里接收到的輻射要高出好幾百倍。這種輻射會產生足夠的能量，不僅可以電離最輕的分子——氫，還有更重的元素，如氧和氮。

計算機模擬顯示，比鄰星強大的輻射會損耗與地球類似的大氣，損耗速度比地球上的速度快1萬倍。

加西亞·塞奇說：“這是基于主恒星的平均活動而進行的簡單計算，但沒有考慮諸如恒星大氣層的極度加熱或恒星對系外行星磁場的猛烈擾動等因素。我們認為，這些因素會導致更多的游離輻射和大氣逃逸。”

為了了解該過程是如何變化的，科學家還研究了另外兩個加速大氣損耗的因素。首先，他們考慮了中性大氣的溫度，被稱為熱氣層。他們發現，隨著恒星輻射的增強，熱氣層溫度升高，會導致更多的大氣逃逸。

科學家還考慮了大氣逃逸發生的范圍，并稱之為極冠。大多數行星對其磁極的磁效應十分敏感。當磁場線在極點聚集閉合時，極冠是有限的，且帶電粒子被束縛在行星的周圍。相反，當磁場線疏散開放，形成一個通往太空的單向通道時，更猛烈的逃逸就會發生。

“這項研究從恒星物理學的視角研究大氣逃逸，這是之前的宜居性研究尚未重視的一個方面。”沒有參與此項研究的戈達德太空飛行中心的科學家肖恩·高德曼說，“行星有許多不同的互動系統，重要的是要確保我們的模型包含這些互動。”

科學家指出，在最高的熱氣層溫度和完全開放的磁場環境中，比鄰星b在1億年里損失的大氣可能相當于地球全部大氣的量，而這只是比鄰星b在40億年的歲月中的一小部分。當假設在最低的熱氣層溫度和封閉的磁場環境中時，這些量的大氣會在20多億年內逃逸。

哈佛史密森天體物理學中心的天體物理學家杰里米·德雷克說：“如果一顆系外行星能維持它的大氣層，事情會變得有趣。但是，比鄰星b如此高的大氣損耗率使其宜居性讓人難以置信。這是對圍繞類似紅矮星運行的行星的宜居性提出的質疑。”

紅矮星，如比鄰星或TRAPPIST-1星，通常是系外行星搜尋的目標，因為它們是銀河系最冷、最小、最普通的恒星。由于它們更冷更暗，行星必須在距主恒星更近的軌道上運行，才能保證液態水的存在。

但是，除非大氣損耗能由其他一些過程，比如大量的火山活動或彗星撞擊來抵消，否則這么近的軌道，無法維持行星上大氣層的存在。