原創(chuàng) 湛廬君 湛廬文化

從生物學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，比太陽(yáng)質(zhì)量更小的恒星更容易成為研究目標(biāo)。

最小的M型矮星的溫度比太陽(yáng)的低很多，發(fā)出的光芒呈黯淡的紅色，非常微弱，即使天空中那顆離我們最近也最亮的半人馬座比鄰星都比太陽(yáng)黯淡數(shù)百倍。

不過(guò)，這些恒星的數(shù)量比那些重的類太陽(yáng)恒星的數(shù)量多得多。如果它們的巖石行星支持生命的存在，那么銀河系中生命綠洲的數(shù)量將會(huì)非常驚人。

然而，這類恒星就像吝嗇鬼一樣，它們通過(guò)慢慢地消耗氫來(lái)攝取能量，因此，至今仍沒(méi)有一顆M型矮星發(fā)生過(guò)死亡，它們可以存在數(shù)十億年之久，宇宙早期形成的第一批M型矮星依然生機(jī)勃勃，活躍在當(dāng)前的宇宙中。

這種緩慢而穩(wěn)定的節(jié)奏為生命提供了充足的進(jìn)化時(shí)間，因此從天體生物學(xué)的角度來(lái)看，這類紅矮星更具有形成生命的前景。

然而不幸的是，這些紅矮星不是理想的生命苗圃，它們還存在一些限制性因素，天體生物學(xué)家也不確定它們能否孕育出生命。

M型矮星的宜居帶比太陽(yáng)的宜居帶還要狹窄5倍。我們期待M型矮星系中有巖石行星形成，并擁有一個(gè)能穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)十億年的軌道。

不過(guò)，紅矮星宜居帶存在一個(gè)限制性因素。下圖表示了行星系統(tǒng)的其他兩個(gè)重要參數(shù)。

恒星關(guān)系圖

陰影部分代表恒星周圍巖石行星成形的區(qū)域大小，如果小于這個(gè)距離，行星就無(wú)法成形，因?yàn)樘?yáng)星云中的塵埃無(wú)法聚集成形。

而如果遠(yuǎn)于這個(gè)距離，并超出雪線之外，物質(zhì)容易揮發(fā)凝結(jié)，行星胚胎便會(huì)變成像巖石那樣的冰塊，核心快速成長(zhǎng)，并迅速吸收大量的氣體成為巨大的行星，但其表面并不適合生命生存。

上圖的虛線表示潮汐鎖定的極限。如果一顆行星的軌道太靠近母恒星，就會(huì)逐漸失去旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，在幾十億年內(nèi)成為潮汐鎖定的目標(biāo)，之后便會(huì)同一面朝內(nèi)繞著母恒星運(yùn)轉(zhuǎn)。

水星就在這個(gè)閾值里，因此它有一個(gè)鎖定速度。金星也很靠近太陽(yáng)，因此具有滯后的旋轉(zhuǎn)速度，一個(gè)金星日相當(dāng)于117個(gè)地球日。

對(duì)于M型矮星來(lái)說(shuō)，它們的整個(gè)宜居帶位于潮汐鎖定的極限內(nèi)，任何宜居行星都會(huì)很快成為潮汐鎖定的目標(biāo)；對(duì)于非常寒冷的紅矮星來(lái)說(shuō)，大多數(shù)宜居帶都遠(yuǎn)在類地行星形成的區(qū)域之外，不可能有生命存在。

對(duì)于一顆圍繞著紅矮星旋轉(zhuǎn)的行星來(lái)說(shuō)，潮汐鎖定會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。它的一側(cè)因?yàn)橐恢泵娉阈嵌粝驴窘沟睦佑。硪粋?cè)則永遠(yuǎn)得不到一絲光線。

整顆行星的大部分地方可能完全處于荒涼的狀態(tài)：朝著恒星的一側(cè)永遠(yuǎn)被烘烤著，天空中呈現(xiàn)出若隱若現(xiàn)的血紅色；而背離恒星的一側(cè)則寒冷刺骨，空氣被凍結(jié)，雪片沉降在貧瘠荒蕪的表面。

在這兩個(gè)極端環(huán)境之間可能存在一片區(qū)域，那里存在液態(tài)水，甚至生命，這是一片母恒星永遠(yuǎn)懸掛在地平線之上的薄暮區(qū)域。若想獲得適合生命存在的機(jī)會(huì)，行星必須被母恒星牢牢地固定住，并且擁有稠密的大氣層，能夠重新分配和循環(huán)從母恒星獲得的能量。

當(dāng)熱空氣從朝向母恒星膨脹的一側(cè)轉(zhuǎn)移到暗淡的一側(cè)時(shí)，會(huì)對(duì)行星的平衡溫度梯度造成影響，這可能會(huì)引起可怕的風(fēng)暴。這類非常靠近母恒星的行星很可能難以保留稠密的大氣層。

據(jù)認(rèn)為，火星失去的大部分原始?xì)怏w，有一些是被太陽(yáng)風(fēng)卷走的。靠近紅矮星的行星可能特別容易失去大氣，因此它需要特別大而固定的引力才能穩(wěn)住大氣層，并且擁有強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)偏移恒星風(fēng)。

此外，M型矮星的“脾性”很躁動(dòng)。它們的耀斑和黑子活動(dòng)比太陽(yáng)還要活躍，亮度的變化也非常迅速，幅度達(dá)到10%。相較之下，太陽(yáng)的亮度是平緩地增加的，在40億年的時(shí)間里，只增亮了約25%。從理論上來(lái)說(shuō)，我們很難對(duì)可變光帶來(lái)的影響進(jìn)行建模，但可以肯定的一點(diǎn)是，行星的反饋系統(tǒng)將非常不穩(wěn)定。

靠近紅矮星的行星的氣候在溫室效應(yīng)和冰川這兩種模式之間搖擺不定。太陽(yáng)耀斑也可能會(huì)對(duì)地表生命構(gòu)成威脅，當(dāng)太陽(yáng)耀斑噴發(fā)時(shí)，紫外線輻射水平就會(huì)驟然上升，長(zhǎng)驅(qū)直入行星表面。如果行星擁有比地球更厚的臭氧層，或者具有類似土衛(wèi)六光化學(xué)霧霾那樣的紫外線過(guò)濾器，地表生命就可以得到充分有效的保護(hù)。

行星還可以利用這樣的反饋機(jī)制來(lái)控制紫外線水平：臭氧是紫外線分解氧分子產(chǎn)生的，而氧分子可以通過(guò)光合作用來(lái)生成或者由紫外線作用于空氣中的水蒸氣而生成。

因此，如果穿透行星大氣層的紫外線越多，產(chǎn)生的臭氧就越多，從而吸收更多紫外線。即使沒(méi)有完整的臭氧層，行星上的生命還可以在地下避難，比如躲在巖石的裂隙中，此外，還可以通過(guò)生產(chǎn)大量像地衣這樣的生物紫外線屏障來(lái)抵擋紫外線。

紅矮星會(huì)隨著年齡的增加而變得寧?kù)o和溫和。在第一個(gè)10億年甚至更長(zhǎng)遠(yuǎn)的年代里，耀斑與黑子活動(dòng)可能會(huì)成為重大的危險(xiǎn)源。類地行星在誕生不久之后，火山活動(dòng)會(huì)頻繁發(fā)生，這將催生一個(gè)絕緣性大氣層，并在接下來(lái)的幾十億年內(nèi)孕育、發(fā)展出生命。

然而，對(duì)于一顆圍繞紅矮星旋轉(zhuǎn)且處于潮汐鎖定狀態(tài)的行星來(lái)說(shuō)，天體生物學(xué)家還無(wú)法確定它是否擁有那些值得探測(cè)的目標(biāo)。天體生物學(xué)家將著眼于那些類太陽(yáng)恒星，并在這些恒星系統(tǒng)中努力尋找可能存在生命的行星。

在本書(shū)中，劉易斯·達(dá)特奈爾將帶領(lǐng)讀者回顧40多億年的地球生命進(jìn)化史，并探索太陽(yáng)系中很有可能存在生命的區(qū)域。

《人人都該懂的地外生命》屬于湛廬文化重磅推出的“新核心素養(yǎng)”系列圖書(shū)之一。本書(shū)涵蓋了天體生物學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)、關(guān)鍵研究和前沿新知，讓你一本書(shū)了解地外生命的“前世今生”。

注：以上內(nèi)容來(lái)自《人人都該懂的地外生命》

原標(biāo)題：《耐人尋味的紅矮星》

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