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你知道嗎?地球人是幸運的,我們賴以生存的星球---地球有一個堅固的磁場。如果沒有磁場,太陽的輻射會讓地球生命甚至還沒開始之前就已經終結。那麼如果一顆行星沒有磁場,那麼是否意味著它成為不了「地球」?換句話說,一顆行星的磁場可以決定生命的存在嗎?
磁層
磁氣圈(磁層)是地球的磁場區域,它是包裹著地球的周圍一層看不見的帶電粒子,它相當於地球磁場的保護層,使得地球免受太陽風的衝擊。許多人可能很少想到保護地球的磁層,也許他們看見了美麗的極光才會想起磁層,殊不知磁層的真正功能其實保護了地球的生命。因為來自太陽的太陽風可以對地球上的生命產生嚴重威脅,同時加上太陽風是一種等離子體,所以它也有磁場,在太陽風和行星磁場的相互作用下,行星原來磁場的磁力線被太陽風壓縮在一個有限的空間,這就是磁層。行星的磁層所受的影響和恆星息息相關。
用恆星的術語來說,我們的太陽是一個g型的主序星。g型恆星相對來說比較平靜和穩定,而m型恆星則相對比較活躍。但是,無論一顆恆星是m型還是g型,這種太陽風的耀斑爆發活動都可能對系外行星及其發展生命的機會構成嚴重威脅。
恆星的耀斑爆發
m型恆星也被稱為紅矮星,它們的耀斑比我們的太陽大得多。一項新的研究指出,任何恆星(無論是g型還是m型)的耀斑爆發都嚴重限制了系外行星的可居住性。按照地球上的標準,這將使這些行星上的生命很容易受到頻繁滅絕的輻射爆炸的影響,只有高度抗輻射的極端微生物才能存活下來。
在我們迄今發現的約4000顆系外行星中,只有一小部分位於其恆星的宜居帶。其中相當一部分(約17顆)位於其恆星的保守宜居帶。另外30個左右是所謂的宜居地帶,比保守地帶的面積更大。根據克卜勒的數據,可能有多大400億顆地球大小的行星在紅矮星和類太陽恆星的宜居帶中運行。
但是,如果沒有一個強大的磁氣圈來保護它們不受恆星的影響,又有多少顆恆星可以被認為處於宜居地帶呢?
實際上隨著我們愈加深入地探索太陽系內外的行星,發現這些行星是否有能力支持生命繼續具有巨大的重要性。這一領域的更多進展將提高我們對極端太陽事件、輻射劑量和行星宜居性之間關係的理解。研究表明恆星耀斑、日冕物質拋射和恆星質子事件可以突然用x射線和恆星能量粒子組成的非熱輻射轟擊行星。這些都能腐蝕行星的大氣,引發光化學變化,並使行星沐浴在輻射中。
然而行星的磁屏蔽可以保護它不受這些耀斑的影響,大氣層也可以起到保護作用。當一顆恆星耀斑爆發時,它會給地球帶來輻射。但是輻射對地球的影響不僅與地球磁場的強度直接相關,還與地球大氣的柱狀深度直接相關。在沒有足夠的磁場和大氣保護的情況下,耀斑突然爆發的電離輻射不僅會傷害或殺死生物,還會改變它們的棲息地。
就像金星,幾乎沒有磁場保護,太陽風在它周圍瘋狂流動。觀測發現,多年來,大量的水從這顆行星流入太空,當太陽的紫外線輻射將氧和氫分子分開並將它們推向太空時,就會發生這種現象。這僅僅只是基礎的表現,科學家還根據耀斑的光譜來量化同等強度的耀斑如何影響可居住性。研究結果表明,對於能量相同但光譜不同的耀斑,其變化幅度可達5個數量級。地球的大氣層在保護我們不受太陽活動影響方面起著關鍵作用。一項新的研究表明,系外行星大氣層的柱狀深度是保護行星免受輻射的一個因素。
令人驚訝的是,磁層的強度對輻射的防護作用較小。通過研究發現,與大氣深度相比,行星磁場是一個重要但不是決定性作用的因素。輻射量減少了大約30倍,相當於磁層強度增加了一個數量級。但是行星的磁場還有一個額外的作用,那就是對維持行星上的大氣至關重要。
我們已經了解了很多關於恆星的燃燒速率即耀斑爆發速率,這是了解系外行星宜居性的一部分。太陽每2000到3000年發出多達1035次的耀斑,而其他較年輕且旋轉較快的m型恆星發出耀斑的頻率可高達100倍。其他恆星被稱為「耀斑星」,因為它們產生的所謂超級耀斑比我們的太陽產生的耀斑還要強大。考慮到其中許多都是紅矮星,大多數系外行星都是在這種恆星上發現的,因此對其宜居性的預測是值得懷疑的。
結論:磁場是人類居住的關鍵
很顯然,磁場是人類居住的關鍵,如果沒有磁場或大氣耀斑的保護,許多我們歸類為宜居的行星就不可能存在。也可能只有極端微生物才適合居住。沒有磁場將使這些行星上的生命容易受到頻繁滅絕的輻射爆炸的影響,而地球上只有高度抗輻射的極端微生物才能存活。人類顯然是不可能的。
由於銀河系中有大量的紅矮星,我們在那裡發現了最多的系外行星。由於這些恆星平均釋放的能量更少,它們的宜居帶比我們太陽這樣的恆星周圍的宜居帶要近得多。這意味著,如果沒有足夠的磁氣圈,沒有足夠深的大氣層,許多我們認為可能適合居住的行星就根本不適合居住。