類地大氣層或無法維系在比鄰星b的軌道上

比鄰星B，我們太陽系外的一個地球大小的行星，位于其主星系的宜居帶，可能不能保持其周圍的大氣層，從而使其表面暴露在有害的恒星輻射中，降低了其宜居性。

僅在四光年之遙，比鄰星b是離我們最近的已知太陽系外鄰居。然而，基于此行星從未在正面穿越其主星時被觀測到的事實，研究大氣層的常規方法不能適用于此系外行星。因此，科學家不得不依靠模型來獲知此星球是否宜居。

其中一個計算機模型考慮了地球在比鄰星b的軌道上繞行半人馬座比鄰星，即離我們最近的恒星鄰居也是比鄰星b的主星可能發生的情況。2017年7月24日發表在天體物理學雜志快報上的NASA研究提到，地球的大氣層不能在如此靠近強輻射的紅矮星的情況下維系。

“我們決定拿我們目前所知的唯一宜居星球—地球— 放在比鄰星b的軌道上”，Katherine Garcia-Sage說道，她是NASA位于馬里蘭州格林貝爾特的哥達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的一位太空科學家，也是此項研究的作者。此研究是由NASA的系外行星系統科學（The Nexus for Exoplanet System Science，NExSS）聯合，引領尋找太陽系外的生命，以及NASA的天體生物學研究所所贊助的。

在其軌道上，系外行星比鄰星b有可能無法維持類似地球的大氣層。

Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith

單單是因為比鄰星b的軌道在宜居區內，也就是距離其主星的距離可以使得水能夠聚集在星球表面，并不意味著它真的適宜居住。其他因素也應當考慮在內，比方說，水是否真的存在于行星上，或者大氣層是否可以維系在那樣的軌道上。正如我們所知，大氣層對生命同樣也是至關重要的：適宜的大氣層能調節氣候，維持水的表面壓力，避免太空災害性天氣，以及保護組成生命的化學物質構建塊。

Garcia-Sage和她同事們的電腦模型使用地球的大氣層，磁場以及重力代替比鄰星b的。他們也基于NASA的錢卓拉X射線天文臺的觀測計算了比鄰星產生的平均輻射量。根據這些數據，他們的模型模擬了主星強烈的輻射和頻繁的耀斑是如何影響系外行星的大氣層的。

“問題在于，大氣層損失了多少，以及這一過程發生得有多快？”Ofer Cohen說道，馬薩諸塞大學盧維爾分校的一名太空科學家，也是此項研究的合作者。“如果我們估算出那個過程的時間，我們可以計算大氣層完全逃逸所需的時間,以及將這一時間和行星的壽命進行比較。”

像比鄰星半人馬座這樣一顆活躍的紅矮星會剝離大氣，當高能極端紫外輻射電離大氣層的氣體時，會撞離電子，并產生帶電粒子。在此過程中，新形成的電子獲得足夠的能量以使其能輕易逃脫行星的引力，沖出大氣層。

異性電荷相互吸引，隨著更多的負電荷電子離開大氣層，他們產生強大的電荷分離，帶著正電荷粒子跟它們一起進入太空。

在比鄰星半人馬座的宜居區，比鄰星b受到的極端紫外輻射數百倍于地球從太陽那里受到的。該輻射產生的能量足以剝離不僅僅是最輕的分子氫，并且隨著時間的推移，還帶走了更重的元素諸如氧和氮。

模型顯示了比鄰星半人馬座的輻射以10,000倍于發生在地球上的速度抽干了類地大氣層。

“這是基于主星平均活躍度的簡單計算，”Garcia-Sage說。“它并沒有考慮諸如恒星大氣的極端熱能或者劇烈的作用于系外行星磁場的恒星擾動這些變量，我們認為這些因素會帶來更多的電離輻射以及大氣層逃逸。”

為了了解這一過程是如何變化的，科學家們研究了另外兩個加劇大氣層損失的因素。首先，他們考慮了中性層的溫度，即熱氣層。他們發現熱層由于有更多的恒星輻射，大氣層逃逸增加了。

科學家們也考慮了大氣逃逸發生區域的大小，稱為極地冠。行星在它們的磁極對磁效應極為敏感。當極點磁場線閉合時，極地冠被限制，帶電粒子仍然被限制在行星附近。另一方面，當磁場線張開時，提供了一條通向太空的單行道，逃逸發生得更厲害。

“這一研究著眼于宜居性不容樂觀的一面，即在恒星物理背景下的大氣損失，”Shawn Domagal-Goldman，戈達德太空飛行中心未參與研究的一位太空科學家說道。“行星有很多不同的相互作用系統，確保我們將這些相互作用都囊括進了我們的模型中很重要。”

科學家們發現在最高的熱層溫度和完全開放的磁場下，比鄰星b能在1億年內可能會失去相當于整個地球大氣層的大氣量，只是比鄰星b40億年生命周期中的一小部分。當即使在科學家們假設的定最低溫度和閉合磁場情況下，這樣質量的大氣也會在20億年內逃逸完。

“如果一顆系外行星保持住它的大氣層的話，事情將變得有意義，但是比鄰星b的大氣層損失速率高到讓它的宜居性變得不太可能了，”Jeremy Drake說道，哈佛-史密森天體物理研究中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的天體物理學家，也是此項研究的合作者。“這從整體上質疑了圍繞在這樣的紅矮星周圍的行星的宜居性。”

諸如比鄰星半人馬座或者TRAPPIST-1星這樣的紅矮星經常是搜尋系外行星的目標，因為它們是銀河系中最涼爽，最小也是最普遍的星星。因為它們更涼爽且暗淡，行星不得不維持小半徑的軌道以實現液態水的存在。

但是除非大氣層的損失可以被近距離發生的其他作用抵消，例如大量的火山活動或者彗星撞擊，這讓科學家們更相信，大氣層的幸存或者維系是沒有希望的。（編輯：Rob Garner 翻譯：螞蟻 核對：汪慧 杉杉 ）