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紅矮星是銀河系中最常見的恆星，我們探測到的許多類地行星和可能存在生命的系外行星都在紅矮星周圍的軌道上運行。但是，紅矮星能爆發出能量極高的耀斑，它在耀發時比相對平靜的太陽更有活力。那麼，這些耀斑對那些有可能孕育生命的系外行星意味著什麼呢？
地球上的大多數生命，很可能還有其他星球的生命，都是依靠恆星的能量生存的。自從第一批細胞繁殖以來，太陽就一直是地球上生命的引擎。但有時，就像所有恆星一樣，太陽會發射耀斑。有時它會發出能量極高的耀斑，太陽大氣層中強大的磁能變得不穩定，並釋放出大量的能量。如果大量的能量被釋放到地球上，就會導致無線電通訊的中斷，甚至停電。但就耀斑活動而言，太陽與其他一些恆星對比相對較弱，尤其是恆星中的紅矮星會頻繁而劇烈地發生耀斑。最近，一個研究團隊研究了耀斑活動如何影響圍繞低質量恆星（包括M型恆星、K型恆星和G型恆星）運行的類地行星的大氣層以及它們存在生命可能性。
2013年5月15日，太陽動力學觀測臺（SDO）在太陽耀斑達到峰值時拍攝到了一個X1.2級太陽耀斑
圖片來源 NASA/SDO
這項新研究名為 "耀斑引發的大氣化學過程對宜居帶內巖質行星的持續性影響"。該論文發表在《自然天文學》雜誌上，主要作者是美國的西北大學博士生Howard Chen。"我們的太陽更像是一個溫柔的巨人，"科羅拉多大學博爾德分校的天文學家、該研究的共同作者Allison Youngblood表示，「它的年齡大些，不像年輕恆星和小體積恆星那樣活躍。除此之外，地球還有一個強大的磁場可以偏轉有破壞性的太陽風」。但對於圍繞紅矮星等低質量恆星運行的行星來說，情況就大不相同了。
我們知道，對於未受保護的系外行星來說，恆星耀斑和日冕物質拋射會對生命的存在造成嚴重的危害。作者在引言中指出："恆星活動(包括恆星耀斑、日冕物質拋射和恆星質子事件）對行星的宜居性會產生深遠影響，尤其是在大氣臭氧方面」。偶爾的一兩次耀斑長遠來看對生命存在並不會有太大影響。但許多紅矮星都表現出了更頻繁和持久的耀斑。
由系外行星環繞的紅矮星耀發概念圖。
圖片來源 NASA, ESA, G.Bacon（STScl）
「我們比較了頻繁經歷耀發的行星和沒有耀發過的行星的大氣化學成分。它們長期的大氣化學反應有很大不同」，該研究的第一作者Howard Chen在一份新聞稿中說，「持續的耀發實際上可以促使行星的大氣成分達成一個新的化學平衡」。
Chen的團隊的其中一個研究是關於耀斑對臭氧的影響。強烈的紫外線輻射會降低生命存在的可能性。在地球上，我們的臭氧層有助於保護我們免受太陽的紫外線輻射。但紅矮星上極端的耀斑活動會破壞與之鄰近的行星大氣層中的臭氧。當臭氧水平下降時，行星對來自恆星的紫外線輻射的防護就會減弱。
在研究中，該團隊利用模型來幫助理解耀發及其對系外行星大氣的影響。他們使用了來自美國宇航局凌星系外行星巡天衛星(TESS)的耀發數據和其他研究中長期的系外行星氣候數據，並且發現，在一些情況下，儘管發生了耀發但臭氧仍然存在。「我們發現，恆星耀斑可能並不會杜絕生命的存在」，該研究的另一作者Daniel Horton補充道。「在某些情況下，耀斑不會侵蝕所有的大氣臭氧，地表生命仍舊有機會可以為生存戰鬥。」
科學家模擬的一顆圍繞G型恆星運行的行星表面不同高度的大氣成分圖，從左到右分別是臭氧、一氧化二氮、硝酸和水蒸氣。
圖片來源 Chen et al, 2020
有可能孕育生命的行星可謂是處境艱難，它們必須離恆星足夠近以防止水結冰，但也不能太近否則會太熱。但這種若即若離又使它們被暴露在了強大的耀斑之下。Horton等人在研究了M和K矮星的宜居區內運行的行星後表示，紅矮星與我們的太陽相比更小也更冷，這意味著任何圍繞其運行的行星的宜居區和地球與太陽的距離相比都更小也更近。這不僅使這些行星暴露在耀斑之下, 還導致了它們和恆星之間被潮汐鎖定。地球的自轉能產生保護性的磁層, 但潮汐鎖定的行星不能產生磁層且基本上沒有針對恆星紫外線輻射的防護。耀斑和潮汐鎖定的結合對於生命的存在來說可謂是極為不利的。
研究模擬了類太陽恆星周圍的類地行星中的大氣氣體成分如何被長期的恆星耀斑所影響。
圖片來源 Chen et al, 2020
幸運的是，這項研究也給我們帶來了一些好消息。研究小組發現，耀斑活動實際上可以幫助科學家們尋找地外生命：耀斑可以讓我們更容易檢測到一些宇宙中的生命標誌氣體。耀發產生的能量可以突出硝酸、二氧化氮和一氧化二氮等氣體的存在，而這些氣體都可以看做生命孕育過程的標誌。
研究模擬了一個K型恆星周圍的類地行星的大氣化學成分如何被長期的恆星耀斑所影響。請注意圖中的一氧化氮（NO）含量的升高，它是一種潛在的生物標誌物。
圖片來源Chen et al, 2020。
「恆星活動事件通常被視為是對宜居性的損害」，Chen說。「但我們的研究數據表明，一些恆星活動實際上能幫助我們檢測到標誌生物過程的重要氣體信號」 。但在一些其他情況下，他們的工作表明，耀斑會破壞缺氧環境下的潛在生物信號。「雖然我們報告了恆星耀斑對大氣層的影響，但強烈的耀斑可能會對具有還原性條件的大氣產生其他無法預料的影響。例如，來自恆星耀斑的氫氧化物會破壞關鍵的缺氧環境下的生物特徵，如甲烷、二甲基硫化物和羰基硫化物，從而削弱它們的光譜特徵」。
這項研究的另一個有趣的結果涉及系外行星磁層。他們發現，超極耀斑可能有助於揭示磁層的性質和範圍。「超極耀斑期間的質子事件可能會通過突出行星的特定區域來揭示行星規模磁場的存在。通過識別磁暴和極光爆發事件期間的氮或氫的氧化物發射量，人們有望確定系外行星磁層的幾何範圍」。最近的其他研究表明，受到耀斑影響的系外行星，尤其是紅矮星周圍的系外行星，並不是尋找生命的好地點。他們認為耀斑活動太不利於生命存在，但這項研究的結果顯示情況遠比那更加複雜。
超極耀斑有可能幫助我們通過識別一氧化氮含量來了解系外行星的磁層。
圖片來源 Chen et al, 2020
總的來說，這項研究表明了在某些情況下，耀發可以幫助我們探測生物信號。同時說明了雖然耀斑會破壞系外行星的大氣，但在大多數情況下它們都會恢復正常。還有一個事實是，低質量恆星的壽命比我們太陽這樣的恆星要長得多，這意味著它們擁有更多的時間來孕育生命。這項新的研究工作揭示了尋找生命過程的複雜，以及其中存在的諸多變數。不過至少其中也包含了一個驚喜。雖然耀斑在很大程度上被認為會破壞系外行星的宜居性，但它或許有助於檢測生物特徵，說不定會帶來意外之喜。
一顆圍繞著距離地球僅16光年的紅矮星Gliese 832運行的巖石系外行星概念圖，目前已經發現許多類地系外行星都圍繞著紅矮星運行。
圖片來源 ESO/M. Kornmesser/ N. Risinger
「這個項目是我們團隊集體努力的結果」，科羅拉多大學博爾德分校的行星科學家、該研究的共同作者Eric T.Wolf說，「我們的工作體現了在研究太陽系外行星時，科學家們跨學科共同合作努力的好處」。研究成果有賴於各個學科的科學家們共同合作，其中包括氣候科學家、天文學家、天文觀測者和理論學家，當然還有系外行星科學家。
責任編輯：邱煜欣
牧夫新媒體編輯部
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