耐人寻味的红矮星

原创 湛庐君 湛庐文化

从生物学的角度来说，比太阳质量更小的恒星更容易成为研究目标。

最小的M型矮星的温度比太阳的低很多，发出的光芒呈黯淡的红色，非常微弱，即使天空中那颗离我们最近也最亮的半人马座比邻星都比太阳黯淡数百倍。

不过，这些恒星的数量比那些重的类太阳恒星的数量多得多。如果它们的岩石行星支持生命的存在，那么银河系中生命绿洲的数量将会非常惊人。

然而，这类恒星就像吝啬鬼一样，它们通过慢慢地消耗氢来摄取能量，因此，至今仍没有一颗M型矮星发生过死亡，它们可以存在数十亿年之久，宇宙早期形成的第一批M型矮星依然生机勃勃，活跃在当前的宇宙中。

这种缓慢而稳定的节奏为生命提供了充足的进化时间，因此从天体生物学的角度来看，这类红矮星更具有形成生命的前景。

然而不幸的是，这些红矮星不是理想的生命苗圃，它们还存在一些限制性因素，天体生物学家也不确定它们能否孕育出生命。

M型矮星的宜居带比太阳的宜居带还要狭窄5倍。我们期待M型矮星系中有岩石行星形成，并拥有一个能稳定运行数十亿年的轨道。

不过，红矮星宜居带存在一个限制性因素。下图表示了行星系统的其他两个重要参数。

恒星关系图

阴影部分代表恒星周围岩石行星成形的区域大小，如果小于这个距离，行星就无法成形，因为太阳星云中的尘埃无法聚集成形。

而如果远于这个距离，并超出雪线之外，物质容易挥发凝结，行星胚胎便会变成像岩石那样的冰块，核心快速成长，并迅速吸收大量的气体成为巨大的行星，但其表面并不适合生命生存。

上图的虚线表示潮汐锁定的极限。如果一颗行星的轨道太靠近母恒星，就会逐渐失去旋转动力，在几十亿年内成为潮汐锁定的目标，之后便会同一面朝内绕着母恒星运转。

水星就在这个阈值里，因此它有一个锁定速度。金星也很靠近太阳，因此具有滞后的旋转速度，一个金星日相当于117个地球日。

对于M型矮星来说，它们的整个宜居带位于潮汐锁定的极限内，任何宜居行星都会很快成为潮汐锁定的目标；对于非常寒冷的红矮星来说，大多数宜居带都远在类地行星形成的区域之外，不可能有生命存在。

对于一颗围绕着红矮星旋转的行星来说，潮汐锁定会带来灾难性的后果。它的一侧因为一直面朝恒星而留下烤焦的烙印，另一侧则永远得不到一丝光线。

整颗行星的大部分地方可能完全处于荒凉的状态：朝着恒星的一侧永远被烘烤着，天空中呈现出若隐若现的血红色；而背离恒星的一侧则寒冷刺骨，空气被冻结，雪片沉降在贫瘠荒芜的表面。

在这两个极端环境之间可能存在一片区域，那里存在液态水，甚至生命，这是一片母恒星永远悬挂在地平线之上的薄暮区域。若想获得适合生命存在的机会，行星必须被母恒星牢牢地固定住，并且拥有稠密的大气层，能够重新分配和循环从母恒星获得的能量。

当热空气从朝向母恒星膨胀的一侧转移到暗淡的一侧时，会对行星的平衡温度梯度造成影响，这可能会引起可怕的风暴。这类非常靠近母恒星的行星很可能难以保留稠密的大气层。

据认为，火星失去的大部分原始气体，有一些是被太阳风卷走的。靠近红矮星的行星可能特别容易失去大气，因此它需要特别大而固定的引力才能稳住大气层，并且拥有强大的磁场来偏移恒星风。

此外，M型矮星的“脾性”很躁动。它们的耀斑和黑子活动比太阳还要活跃，亮度的变化也非常迅速，幅度达到10%。相较之下，太阳的亮度是平缓地增加的，在40亿年的时间里，只增亮了约25%。从理论上来说，我们很难对可变光带来的影响进行建模，但可以肯定的一点是，行星的反馈系统将非常不稳定。

靠近红矮星的行星的气候在温室效应和冰川这两种模式之间摇摆不定。太阳耀斑也可能会对地表生命构成威胁，当太阳耀斑喷发时，紫外线辐射水平就会骤然上升，长驱直入行星表面。如果行星拥有比地球更厚的臭氧层，或者具有类似土卫六光化学雾霾那样的紫外线过滤器，地表生命就可以得到充分有效的保护。

行星还可以利用这样的反馈机制来控制紫外线水平：臭氧是紫外线分解氧分子产生的，而氧分子可以通过光合作用来生成或者由紫外线作用于空气中的水蒸气而生成。

因此，如果穿透行星大气层的紫外线越多，产生的臭氧就越多，从而吸收更多紫外线。即使没有完整的臭氧层，行星上的生命还可以在地下避难，比如躲在岩石的裂隙中，此外，还可以通过生产大量像地衣这样的生物紫外线屏障来抵挡紫外线。

红矮星会随着年龄的增加而变得宁静和温和。在第一个10亿年甚至更长远的年代里，耀斑与黑子活动可能会成为重大的危险源。类地行星在诞生不久之后，火山活动会频繁发生，这将催生一个绝缘性大气层，并在接下来的几十亿年内孕育、发展出生命。

然而，对于一颗围绕红矮星旋转且处于潮汐锁定状态的行星来说，天体生物学家还无法确定它是否拥有那些值得探测的目标。天体生物学家将着眼于那些类太阳恒星，并在这些恒星系统中努力寻找可能存在生命的行星。

在本书中，刘易斯·达特奈尔将带领读者回顾40多亿年的地球生命进化史，并探索太阳系中很有可能存在生命的区域。

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注：以上内容来自《人人都该懂的地外生命》

原标题：《耐人寻味的红矮星》

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