比邻星b或许不存在与地球类似的大气层

莉娜·特兰

比邻星b是一颗大小与地球相似、位于其主恒星宜居带的系外行星，带给了人们很大的有关外星生命的期望。但最新的研究显示，比邻星b或许不能维持它的大气层，使地表暴露在有害的恒星辐射之中，从而降低了其宜居性。

比鄰星b是我们已知离太阳系最近的邻居，距离太阳系仅4光年之遥。然而，由于我们还未捕捉到它在其主恒星前面出现的过程，因此无法用常规的方法来了解这颗系外行星。于是，科学家必须利用模型来了解它是否适宜居住。

美国航空航天局的科学家做了这样一个计算机模拟研究：如果地球处在比邻星b的轨道，围绕着比邻星b的主恒星，即距我们最近的恒星邻居比邻星运行的话，将会怎样？模拟结果显示，类似地球的大气层不可能在这颗红矮星的附近存在。这项研究成果发表于2017年7月24日的《天文物理期刊通讯》上。

这项研究的主要作者、美国航空航天局戈达德太空飞行中心的太空科学家凯塞林·加西亚·塞奇说：“我们决定将迄今所知唯一的宜居星球——地球，放到比邻星b的位置。”该研究得到了致力探寻太阳系外生命星球的美国航空航天局系外行星学联合学会和天体生物学研究所的支持。

仅仅因为比邻星b的轨道处于宜居带，水可以从主恒星聚集到其表面，并不意味着它适宜居住。这忽略了一些情况，比如这个星球上是否真的有水，或者其轨道上是否存在大气。如大家所知，大气对生命来说也是必不可少的：适合的大气层有利于气候调节、维持水在地表的存在、防护危险的太空气候，以及储存生命所需的化学成分。

加西亚·塞奇及其同事所做的计算机模型将地球大气层、磁场和引力设置到比邻星b上。他们基于美国航空航天局钱德拉X 射线天文台的观测还计算出比邻星产生的辐射的平均值。

利用这些数据，他们模拟出主恒星的强辐射和频繁的闪耀是如何影响这颗系外行星的大气的。

“问题是有多少大气逃逸，并且这一过程发生得有多快？”马萨诸塞大学的太空科学家奥弗·科恩和这项研究的合作者洛威尔说，“如果我们估计出这个时间，我们就能计算出大气完全逃逸所需的时间，并将其与行星的寿命进行比较。”

当高能极紫外辐射电离大气气体剥离电子，形成一大片带电粒子时，像比邻星这样的活跃红矮星就会失去大气。在此过程中，最新形成的电子获得足够能量，让它们能够轻易地逃离引力，快速离开大气层。

异性电荷相吸，因此当更多带负电荷的电子逃离大气时，就会形成强大的电荷分离，将正电荷离子也一起带入太空。

在比邻星的宜居带，比邻星b遭遇到的极紫外辐射，比地球从太阳那里接收到的辐射要高出好几百倍。这种辐射会产生足够的能量，不仅可以电离最轻的分子——氢，还有更重的元素，如氧和氮。

计算机模拟显示，比邻星强大的辐射会损耗与地球类似的大气，损耗速度比地球上的速度快1万倍。

加西亚·塞奇说：“这是基于主恒星的平均活动而进行的简单计算，但没有考虑诸如恒星大气层的极度加热或恒星对系外行星磁场的猛烈扰动等因素。我们认为，这些因素会导致更多的游离辐射和大气逃逸。”

为了了解该过程是如何变化的，科学家还研究了另外两个加速大气损耗的因素。首先，他们考虑了中性大气的温度，被称为热气层。他们发现，随着恒星辐射的增强，热气层温度升高，会导致更多的大气逃逸。

科学家还考虑了大气逃逸发生的范围，并称之为极冠。大多数行星对其磁极的磁效应十分敏感。当磁场线在极点聚集闭合时，极冠是有限的，且带电粒子被束缚在行星的周围。相反，当磁场线疏散开放，形成一个通往太空的单向通道时，更猛烈的逃逸就会发生。

“这项研究从恒星物理学的视角研究大气逃逸，这是之前的宜居性研究尚未重视的一个方面。”没有参与此项研究的戈达德太空飞行中心的科学家肖恩·高德曼说，“行星有许多不同的互动系统，重要的是要确保我们的模型包含这些互动。”

科学家指出，在最高的热气层温度和完全开放的磁场环境中，比邻星b在1亿年里损失的大气可能相当于地球全部大气的量，而这只是比邻星b在40亿年的岁月中的一小部分。当假设在最低的热气层温度和封闭的磁场环境中时，这些量的大气会在20多亿年内逃逸。

哈佛史密森天体物理学中心的天体物理学家杰里米·德雷克说：“如果一颗系外行星能维持它的大气层，事情会变得有趣。但是，比邻星b如此高的大气损耗率使其宜居性让人难以置信。这是对围绕类似红矮星运行的行星的宜居性提出的质疑。”

红矮星，如比邻星或TRAPPIST-1星，通常是系外行星搜寻的目标，因为它们是银河系最冷、最小、最普通的恒星。由于它们更冷更暗，行星必须在距主恒星更近的轨道上运行，才能保证液态水的存在。

但是，除非大气损耗能由其他一些过程，比如大量的火山活动或彗星撞击来抵消，否则这么近的轨道，无法维持行星上大气层的存在。