爱读书 探索 红矮星——系外生命的宜居“新宠”

红矮星——系外生命的宜居“新宠”

银河系大约有2000亿颗恒星,而每颗恒星都可能拥有行星。在过去的25年里,天文学家在太阳系之外发现了3600多颗行星,它们分布在银河系中离我们不远的地方。其中有些正在为人们所关注,因为这些行星分布在一种和太阳不同的恒星周围,这种恒星呈现着一种暗淡的红色,被称为红矮星。人们认为,这种恒星的周围也有可能存在“宜居”的行星,而发现这种行星并且在这种行星上寻找生命还可能更容易。

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红矮星周围的“新世界”
宇宙中的恒星形态各异,太阳只是其中的一种。比太阳更大、更热的恒星有很多;比太阳更小、更冷的恒星也不少。现在引起科学家关注的那种红色的暗星就比太阳小,它们的质量小于0.8个太阳质量,表面温度比太阳低,在2500℃~5000℃之间,人们将这种恒星称为M型红矮星。
作为恒星,M型红矮星既冷且小,还很暗淡,所以人的肉眼是看不见它们的。但宇宙中的M型红矮星其实极多,在银河系中,它们占了所有恒星总量的70%。比邻星是离我们太阳系最近的恒星,它就是一颗M型红矮星,它的表面温度比太阳低2700℃,亮度仅相当于我们的肉眼能够看到的最暗恒星的百分之一。正因为M型红矮星很小很暗,它们的寿命才长得惊人。从理论上说,在M型红矮星的周围,行星和其上的生命都有很漫长的发展和演化的时间。

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M型红矮星TRAPPIST-1和它周围的7颗行星(艺术图)
2016年8月,天文学家在比邻星周围发现一颗位于宜居带内的行星——比邻星b,离地球只有4.2光年;2017年2月,天文学家在一颗距地球39光年的名为TRAPPIST-1的M型红矮星周围发现7颗行星,其中3颗位于宜居带内。到目前为止,人们在M型红矮星周围大约已发现了200颗行星,其中几十颗运行在宜居带中。宜居带是一条环绕着恒星的狭窄地带,运行在这个地带中的行星通常拥有适宜的温度使水保持液态,从而更有可能出现生命。

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地球和比邻星b
重新获得水
由于M型红矮星是一种和太阳不一样的恒星,所以此前通常被认为其周围行星是难以孕育生命的。首先,M型红矮星的宜居带离主星很近,那里的行星会被恒星的引力“锁住”,导致行星的一面总是朝着恒星,另一面总是背着恒星,就像月亮的一面始终背着地球一样。这种情况会使行星两个半球的气候极其恶劣;
其次,由于恒星和行星离得非常近,M型红矮星的耀斑会使行星处在X射线和紫外线的辐射之中,这对生命的发展和演化是非常不利的,而且,行星的大气层还很有可能被耀斑剥蚀掉;最后,尽管M型红矮星的寿命非常长,但它们在形成的时候也要经历很狂暴的过程,那时恒星的活动很剧烈,它周围的行星倍受炙烤和侵扰,这样的环境被认为很难保存其上的水,没有水,生命存在的希望就渺茫了。

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然而,随着观测和研究的深入,人们对这种恒星的认识有所改变。人们发现,在M型红矮星的周围发现宜居的行星更容易,这是因为,行星要从这种低温的恒星上得到适宜的热量,它们就必须离这种恒星很近,行星的引力就会使恒星的摇摆很明显,而且周期也更短更密,这样一来,M型红矮星周围的行星就更容易被发现了。
关于水的问题,虽然早期的恶劣环境和耀斑会夺去行星上的水和大气,科学家还是认为,这些行星有一些办法重新获得水和大气,地球就有这样的例子。

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对于月亮的起源,虽然有各种不同的观点,但主流观点还是认为它来自于地球和另一颗火星大小的“原行星”的碰撞,那次剧烈的碰撞使地球拥有了月亮,但也驱散了地球上绝大部分大气和水。一小部分水和气体被扣在了地幔中,这些水和气体在随后的岁月里溢出地表,并重建了地球的大气层。所以科学家认为,在M型红矮星的附近,尽管环境有时很恶劣,但那里的行星还是有可能重复地球上曾经发生过的事,从而也拥有一些水和二氧化碳。
被“锁住”也有希望
在M型红矮星的附近,一些行星还有另外一种办法使自己变得“宜居”。这种行星的大小介于1~10个地球之间,有很厚的大气层,其中50%是氢和氦。科学家发现,来自恒星的紫外线辐射和行星本身朝向恒星的某些运动有可能将这种行星的原始大气层蒸发掉,只留下大气层之下的岩石表面,这种星球就有可能演化成既有岩石表面又有丰富液态水的世界。
然而,在M型红矮星的附近,处于宜居带中的行星还要解决引力带来的麻烦。如前所述,由于离恒星太近,恒星的引力会将行星“锁住”,使其一面始终对着恒星,另一面始终背着恒星,这样一来,行星上面的气候就很特别了。在地球上,活跃的自转会使大气得以循环,并把热量均匀地分布开来,但被“锁住”了的行星做不到这些,于是,面向恒星的一面就会非常热,乃至于将水全部蒸发到了太空中,而背对恒星的一面则非常冷,乃至于连大气都凝结在了地表上。

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不过,即使在这样的情况下,M型红矮星周围的行星也并不是没有办法。科学家认为,即使行星被“锁住”,大气的循环也并非不可能,例如,假如大气中存在少许的二氧化碳,大气中的热量就会得到一定程度的保持,它们还可以分散开去,从而环绕整个星球。另外,在面对恒星的一面还有可能形成永久性的厚重云层,这种云层能反射很多恒星发出的光,从而使气候变得凉爽一些。
发现行星的大气
运行于宜居带中的行星面对的另外一个威胁是剧烈的恒星耀斑。M型红矮星的耀斑常使它周围的行星处在X射线和紫外线的辐射之中,这很有可能将行星的大气层剥蚀掉。然而,科学家新近用计算机模拟的结果显示,事情可能并非如此严重。
要想获得确定的结果,人们需要更多的数据,而最有说服力的数据来自于对“凌星”现象的观测。所谓“凌星”,就是行星正好运行到恒星和地球之间时,从地球上的望远镜看过去,行星就正好划过恒星的表面,恒星发出的光被遮挡和吸收掉了一部分。在“凌星”的时候,望远镜就能观测到这些光,仔细分析光线中哪些频率的光被吸收掉了,吸收掉了多少,人们便可知道行星大气层中是否存在水蒸气和其他成分,还能了解行星上的气候状况,例如气温和压力等。这样一来,人们就可以推测行星上是否存在液态水了。
这样的观测需要很强大的望远镜。

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詹姆斯·韦伯太空望远镜的主反射镜
新近的一次观测是针对一颗名为Gliese1132的M型红矮星进行的,这颗行星的大小是地球的1.6倍,它过于靠近它的“太阳”,所以被认为不大可能“宜居”。然而,这次观测显示,在这颗已有50亿岁的M型红矮星的周围,行星保持住了自己的大气层。这和计算机模拟的结果是一致的。
到目前为止,人们只在三种恒星的周围发现了拥有大气的行星,一种是M型红矮星,一种是K型红矮星(红矮星的一种,比M型红矮星稍热),最后一种就是类似太阳的恒星。前两种,人们对其行星的大气了解得非常少,只有最后一种,人们在其行星的大气中发现了存在甲烷的线索。

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GJ1132b 围绕红矮星 Gliese 1132 运行(艺术图)
目前,已有多个独立项目正在监测太阳系周边的M型红矮星,大量望远镜和人造卫星都试图找到围绕这些M型红矮星旋转的行星。最新加入的就是2018年4月升空的“凌星系外行星巡天卫星”(TESS),作为开普勒太空望远镜的“接班人”,TESS也是使用凌星法进行系外行星勘测的。还有经过几次推迟、未来两年可能发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜,作为哈勃太空望远镜的“后继者”,它将用凌星法研究几百颗系外行星,其中的一些是围绕M型红矮星运行的。通过这些努力,人类希望在不久的将来发现可能适宜生命存活的M型红矮星的行星。

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