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破壞性極強的耀斑卻可能揭示生命的存在

恆星周圍宜居帶內的類地行星大氣中若有大量生物活動產生的甲烷等分子,在經過紫外輻射的光致激發、光解作用後,便會產生二氧化氮、一氧化二氮和硝酸等氣體。因此,如果一顆系外行星大氣中的這些氣體丰度較高,就説明這顆行星上可能有生物活動。

天聞頻道

◎本報記者 張 曄

太陽是距離地球最近的恆星,我們時刻需要關注這個“鄰居”的脾氣是好是壞,是否會出現耀斑爆發等現象,對日地空間以及地球上的儀器造成干擾。以往人們認為,劇烈的恆星耀斑在幾年內就可能會破壞其宜居帶內類地行星的臭氧層,從而影響行星上生命的誕生。

但一項來自美國西北大學的研究卻表明,儘管恆星的耀斑猛烈且不可預測,但其可能並不會阻礙生命的誕生。而且,在一個較長的時間段上,恆星耀斑會讓行星的大氣成分達到一個新的化學平衡。這時,耀斑可以激發宜居帶類地行星上的“生命標誌”,引導我們去發現外星生命。

太陽耀斑與其他恆星耀斑是否有所不同?恆星耀斑是否真的能夠幫助人們尋找地外生命?

不同類型的恆星耀斑威脅程度不同

1859年9月1日,英國天文學家卡林頓在對太陽黑子進行常規觀測時,發現在太陽黑子羣中出現兩個異常明亮的區域,其亮度居然超過了太陽光球背景的亮度,這個現象持續了5分鐘之久,同時還伴有強烈的地磁擾動,電報通訊一度中斷,這是人類首次觀測到太陽耀斑,而且是耀斑中罕見的、活動最劇烈的白耀斑。

恆星耀斑會破壞其周圍行星的臭氧層。一旦行星失去了臭氧層的保護,恆星發出的紫外線便可以穿透大氣層,威脅行星上可能存在的生物。那麼,為什麼太陽身邊的地球,卻逃過了耀斑的“打擊”,演化出了生命呢?“這是因為像太陽這類的G型恆星,即便存在頻繁的耀斑現象,對於周圍行星大氣的影響還是相對較小。”南京大學天文與空間學院副教授張曾華告訴科技日報記者,温度稍冷的K型恆星和更冷的M型恆星所產生的耀斑,對它們周圍宜居帶內的行星的大氣影響則很大。

太陽沒有年輕恆星那麼活躍,耀斑現象並不頻繁。同時,地球自身也有磁場,能夠偏轉具有破壞性的太陽風。但與太陽這類G型恆星不同的是,K型和M型恆星有着更頻繁的耀斑活動,且由於這些恆星比太陽更小,其宜居帶也會更窄,所以,在K型和M型恆星周圍,生命存在的條件要更加苛刻。

在此次研究中,研究人員正是利用大氣模型與實際觀測數據相結合,詳細研究了G型、K型和M型恆星活動隨時間變化對其周圍巖質行星的影響。最終發現,K型和M型恆星頻繁的耀斑活動並沒有完全“扼殺”其周圍行星的大氣,而是讓其達到一個新的化學平衡狀態,從而大大偏離了它們在受到耀斑影響前的狀態。

這就給生命的誕生留下了“餘地”。

新的化學平衡“暗示”生物活動

那麼,研究人員所説的“新的化學平衡狀態”指的是什麼?張曾華解釋説,K型恆星和M型恆星頻繁的耀斑活動會產生紫外線和高速電子。假設它們周圍宜居帶內的類地行星大氣中有大量生物活動產生的甲烷等分子,這些分子在經過紫外輻射的光致激發、光解作用後,會產生二氧化氮、一氧化二氮和硝酸等氣體。同時,來自恆星高速電子的衝擊也會增加各種分子的混合程度。

如K型恆星周圍行星大氣內,新產生的分子會因為行星的慢速旋轉,轉移到行星的黑夜面,並得以保存。在頻繁的耀斑作用下,K型和M型恆星宜居帶內的行星大氣的分子成分和分佈情況,可以長時間保持一個新的穩定狀態。

正是這種新的化學平衡狀態,成了我們尋找宜居行星的新線索。如果一顆系外行星大氣中,二氧化氮、一氧化二氮和硝酸等氣體丰度較高,説明這顆行星上可能有生物活動。因為在缺氧的環境下,非生物的二氧化氮、一氧化二氮和硝酸氣體丰度都會很低。

與恆星頻繁耀斑活動之前的狀態相比,在這種新的平衡下,行星大氣中二氧化氮、一氧化二氮和硝酸等氣體分子更加顯著,也更易於觀測,但即便如此,我們仍然需要比韋伯空間望遠鏡(JWST)更強大的望遠鏡,才能看清遙遠的生物特徵信號。

張曾華認為,此次研究影響了我們對於活躍的K型和M型恆星周圍行星系統宜居性的認識。例如,M型恆星比鄰星(Proxima Centauri)周圍的宜居帶內就有類地行星Proxima Centauri b,此前人們曾觀測到這顆恆星有劇烈的耀斑輻射。新理論提高了其周圍行星上存在生命的可能性。

[責任編輯:孫麗榮]

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