帶有強(qiáng)風(fēng)的冷恒星威脅著系外行星大氣層 _恒星

藝術(shù)家對(duì)恒星-行星-系統(tǒng)的插圖。恒星周圍的恒星風(fēng)和對(duì)行星大氣的影響是可見(jiàn)的。信用:AIP/ K. Riebe/ J. Fohlmeister
據(jù)波茨坦萊布尼茨天體物理研究所：利用最先進(jìn)的數(shù)值模擬，由波茨坦萊布尼茨天體物理研究所(AIP)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究首次獲得了冷恒星樣本中恒星風(fēng)屬性的系統(tǒng)表征。他們發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)更強(qiáng)的恒星會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的風(fēng) 。這些風(fēng)為行星大氣層的生存創(chuàng)造了不利條件，從而影響了這些系統(tǒng)可能的可居住性。
太陽(yáng)是宇宙中最豐富的恒星之一，被稱為“冷星”這些恒星被分為大小、溫度和亮度不同的四類(F、G、K和M型) 。太陽(yáng)是一顆相當(dāng)普通的恒星，屬于g類。比太陽(yáng)更亮更大的恒星屬于F類，而K星比太陽(yáng)略小更冷。最小和最暗的恒星是M星，由于它們發(fā)出大部分光的顏色，也被稱為“紅矮星” 。
衛(wèi)星觀測(cè)顯示，除了光之外，太陽(yáng)還發(fā)出一種持續(xù)的粒子流，稱為太陽(yáng)風(fēng) 。這些風(fēng)穿越行星際空間，與包括地球在內(nèi)的太陽(yáng)系行星相互作用。南極和北極附近美麗的極光實(shí)際上就是由這種相互作用產(chǎn)生的。然而，這些風(fēng)也可能是有害的，因?yàn)樗鼈儠?huì)侵蝕穩(wěn)定的行星大氣，就像火星上的情況一樣。
雖然我們對(duì)太陽(yáng)風(fēng)有了更多的了解——部分歸功于諸如太陽(yáng)軌道飛行器之類的任務(wù)——但對(duì)其他冷恒星來(lái)說(shuō)，情況并非如此。問(wèn)題是我們不能直接看到這些恒星風(fēng)，這限制了我們研究它們對(duì)填充星系中恒星之間空腔的稀薄氣體的影響。然而，這種方法有幾個(gè)局限性，只適用于少數(shù)恒星。這促使人們使用計(jì)算機(jī)模擬和模型來(lái)預(yù)測(cè)恒星風(fēng)的各種特性，而不需要天文學(xué)家去觀察它們。
在這種情況下，博士生Judy Chebly、科學(xué)家Julián D. Alvarado-Gómez博士和AIP恒星物理學(xué)和系外行星部門的負(fù)責(zé)人Katja Poppenhä ger教授與哈佛&史密森尼安天體物理學(xué)中心的Cecilia Garraffo合作，對(duì)F、G、K和M恒星的恒星風(fēng)特性進(jìn)行了首次系統(tǒng)研究。
為此，他們使用了數(shù)值模擬，其中采用了目前可用的最復(fù)雜的模型之一，由觀測(cè)到的21顆觀測(cè)良好的恒星的大規(guī)模磁場(chǎng)分布驅(qū)動(dòng) 。這些模擬是在AIP和Leibniz Rechenzentrum (LRZ)的超級(jí)計(jì)算設(shè)備上進(jìn)行的。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在皇家天文學(xué)會(huì)月刊上。
該團(tuán)隊(duì)研究了恒星的屬性，如重力、磁場(chǎng)強(qiáng)度和自轉(zhuǎn)周期，如何影響速度或密度方面的風(fēng)特性。這些結(jié)果包括跨光譜類型的恒星風(fēng)特性的綜合表征，除其他結(jié)果外，這些結(jié)果表明，在根據(jù)觀測(cè)結(jié)果估計(jì)相關(guān)質(zhì)量損失率時(shí)，需要重新考慮以前對(duì)恒星風(fēng)速的假設(shè) 。此外，模擬允許預(yù)測(cè)Alfvén表面的預(yù)期大小——恒星日冕和恒星風(fēng)之間的邊界。
這一信息對(duì)于確定行星系統(tǒng)是否可能受到強(qiáng)磁場(chǎng)恒星-行星相互作用的影響至關(guān)重要，當(dāng)行星軌道進(jìn)入或完全嵌入其宿主恒星的Alfvén表面時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種相互作用。
他們的發(fā)現(xiàn)表明，磁場(chǎng)大于太陽(yáng)的恒星有更快的風(fēng)速。在某些情況下，恒星風(fēng)速可能比平均太陽(yáng)風(fēng)速快五倍，平均太陽(yáng)風(fēng)速通常為450公里/秒。該調(diào)查獲得了對(duì)這些恒星在所謂的“可居住區(qū)”的風(fēng)有多強(qiáng)的評(píng)估，可居住區(qū)定義為巖石系外行星在類似地球的大氣壓力下可以維持表面液態(tài)水的軌道距離。
他們發(fā)現(xiàn)F型和G型恒星周圍的條件較溫和，與地球在G型太陽(yáng)周圍經(jīng)歷的情況相當(dāng)，而K型和M型恒星的風(fēng)環(huán)境越來(lái)越惡劣。如此強(qiáng)烈的恒星風(fēng)強(qiáng)烈地影響著行星上任何潛在的大氣。
這種現(xiàn)象在巖石行星和太陽(yáng)之間的太陽(yáng)物理學(xué)中有很好的記錄，但在系外行星系統(tǒng)中卻沒(méi)有。這需要估計(jì)恒星風(fēng)來(lái)評(píng)估類似于我們?cè)谔?yáng)風(fēng)和行星大氣之間看到的過(guò)程。F到M主序恒星的星風(fēng)信息以前是未知的，這使得這項(xiàng)研究在可居住性方面很重要。
本文介紹的工作是對(duì)21顆恒星進(jìn)行的，但其結(jié)果是普遍的，足以應(yīng)用于其他冷主序星。這項(xiàng)調(diào)查為未來(lái)研究恒星風(fēng)觀測(cè)及其對(duì)行星大氣侵蝕的影響鋪平了道路。