紅矮星附近的行星適居性之關鍵
紅矮星(red dwarf)佔主序星的大部分,是質量最小、顏色最紅的恆星,且擁有高比例的類地行星。因紅矮星非常活躍,尤其是在站上主序星舞台前,會發出耀斑和大量的紫外線和X射線。這些高能輻射會造成行星大氣的逸散,所以在紅矮星發展早期,其周圍行星容易缺少大氣,不利生命發展。但是,由於隕石撞擊和火山活動可以重新組成大氣,加上紅矮星隨著年齡會收斂光芒,因此在較老紅矮星附近的行星大氣仍有可能保留。
天文學家藉由觀測巴納德星(Barnardʻs Star)光譜,模擬該位在適居帶的行星,其大氣隨時間的演化。減少行星大氣的主要因素有二:紫外光和日冕質量拋射(corona mass ejection)。此研究主要考慮紅矮星發出的紫外光,對適居行星大氣的影響,暫不考慮日冕質量拋射的影響。此顆紅矮星的紫外光較太陽強。而在恆星活躍期,會出現耀斑焰(flare)並發出更多紫外射線。其耀斑強度亦比太陽強,但幸運的是強度會隨恆星年齡下降。
已知行星大氣散逸的方式有二:(1)熱散逸(thermal escape)粒子因熱運動速度超過脫離速度。(2)離子散逸(ion escape)恆星高能輻射和太陽風作用並帶走大氣。經電腦模擬發現,在沒有耀斑的時期,大氣散逸速度僅較地球略高。但在耀斑時期,會釋放出更多能有效加熱大氣的紫外光,因此逸散速度就高很多(如上圖)。因此,紅矮星耀斑時期的佔比,是行星大氣存留的關鍵,進而影響行星的適居性。
【圖:科羅拉多大學波德分校;文:節錄自台北市立天文科學教育館網頁】研究全文刊登在2020年9月17日出版的《天體物理學報》