天文學(xué)家對(duì)紅矮星和圍繞其運(yùn)行的行星非常感興趣。根據(jù)一些研究，銀河系中多達(dá)85%的恒星可能是紅矮星，其中40%的恒星在其宜居帶可能會(huì)有類似地球的系外行星。

但是它們的潛在宜居性存在一些問題。其中一個(gè)問題是潮汐鎖定。

紅矮星有時(shí)被稱為 "M型主序星"，但這些術(shù)語可能會(huì)變得有點(diǎn)模糊。紅矮星和M型主序星這兩個(gè)詞之間的混淆源于恒星的溫度和質(zhì)量。紅矮星的一個(gè)定義是與M型主序星的，基于最高溫度為3900K，最大質(zhì)量為0.6個(gè)太陽質(zhì)量的恒星。

紅矮星的另一個(gè)定義包括更熱的恒星，其最高溫度為5200K，最大質(zhì)量為0.8太陽質(zhì)量。這個(gè)定義包括所有的K型主序星，它們也被稱為橙矮星。另一個(gè)紅矮星的定義只包括K型主序星的部分分類，還有一個(gè)定義包括一些褐矮星。赫羅圖顯示了這些定義是如何重疊的。

一般來說，紅矮星是最小和最冷的主序星。因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量太小，所以燃燒緩慢，壽命很長。質(zhì)量最小的紅矮星可以在數(shù)萬億年內(nèi)保持恒定的光度，但是現(xiàn)階段的宇宙中還沒有那么老的紅矮星。

無論天文學(xué)家如何定義它們，它們的數(shù)量都非常多。如果對(duì)銀河系中2500億顆恒星的估計(jì)是準(zhǔn)確的，那么其中有2120億顆可能是紅矮星。天文學(xué)家們認(rèn)為，紅矮星群在其宜居帶承載著大量的巖質(zhì)行星。這就是為什么天文學(xué)界如此努力地研究紅矮星：它們是銀河系的系外行星餅干罐。

與又小又暗的紅矮星相比，其它恒星可能非常明亮，小的行星在它們的前面經(jīng)過時(shí)幾乎不可能探測(cè)到。但是紅矮星的亮度要低得多，所以它們的光線不會(huì)造成同樣的障礙。同樣的暗淡使得它們很難從很遠(yuǎn)的距離觀察，但天文學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了克服這些限制的方法。歐洲南方天文臺(tái) （ESO） 開展了一個(gè)名為 SPECULOOS 的項(xiàng)目，即尋找凌日超冷恒星的宜居行星（the Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars）。 SPECULOOS是一個(gè)由帕拉納爾天文臺(tái)的四臺(tái)機(jī)器人相機(jī)組成的系統(tǒng)。

SPECULOOS 的任務(wù)很簡單：探測(cè)類地行星穿過我們太陽系附近的小而冷的恒星。 還有其他一些嘗試來尋找紅矮星并描述它們的種群特征。 HARPS-N 紅矮星系外行星巡天（HARPS-N Red Dwarf Exoplanets Survey，HADES）分析了安靜、年輕的 M型主序星的光譜。 久負(fù)盛名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡也投入了宜居帶和跨時(shí)間的M型主序星活動(dòng)（Habitable Zones and M dwarf Activity across Time，HAZMAT）觀測(cè)計(jì)劃的工作。 由于紅矮星數(shù)量眾多，開普勒、苔絲（TESS ）和其他機(jī)構(gòu)都將紅矮星研究作為觀測(cè)的一部分。

但 SPECULOOS 和其他望遠(yuǎn)鏡沒有能力詳細(xì)研究紅矮星。 它們探測(cè)到的行星成為更深入觀測(cè)的目標(biāo)，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）和強(qiáng)大的地面望遠(yuǎn)鏡目前正在建設(shè)中。 這些望遠(yuǎn)鏡可以研究這些行星的大氣層并揭示更多關(guān)于宜居性的線索。

這篇新論文是縮小紅矮星名單的一部分，以供JWST和其他機(jī)構(gòu)進(jìn)一步研究。 使用這些望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)間需求量很大，因此確定能夠回答特定問題的目標(biāo)至關(guān)重要。 作者寫道：“在為即將到來的觀測(cè)做準(zhǔn)備時(shí)，我們對(duì)所有可能的M型主序星行星氣候及其宜居性前景的了解變得越來越重要?！?/span>對(duì)M型主序星的觀測(cè)揭示了很多東西。 但天文學(xué)家對(duì)于這些恒星及其行星的宜居性的一些重要問題仍然沒有明確的答案。 它們的耀斑是否太猛烈？ 它們是否會(huì)發(fā)出過多強(qiáng)大的紫外線和 X 射線輻射？ 它們是否會(huì)剝奪宜居帶內(nèi)恒星的大氣層？

圍繞紅矮星的可居住性還有一個(gè)大問題：潮汐鎖定，也叫同步旋轉(zhuǎn)。

因?yàn)镸型主序星的發(fā)光度不高，它們的宜居帶比我們太陽這樣的恒星更近。行星必須靠近M型主序星才能進(jìn)入較小的宜居帶中。但是這種接近使它們處于恒星的引力控制之下，無法旋轉(zhuǎn)。因此，M型主序星宜居帶中的行星可能被它們的母恒星潮汐鎖定。
一項(xiàng)新的研究檢查了被潮汐鎖定的M型主序星的行星，以了解什么條件可以使它們的晨昏圈宜居。這項(xiàng)研究是 “晨昏圈的宜居性： M型主序星上有限的水資源的論據(jù)（Terminator Habitability: The Case for Limited Water Availability on M-dwarf Planets）”，它已被接受在《天文學(xué)雜志（The Astronomical Journal）》上發(fā)表。主要作者是加州理工學(xué)院地質(zhì)和行星科學(xué)部的博士生Ana Lobo。
當(dāng)一顆行星被母恒星潮汐鎖定時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生行星科學(xué)家有時(shí)稱之為行星眼球的區(qū)域。行星直接面對(duì)恒星的部分被加熱，但在明暗交接線以外的部分則不被加熱。這可以創(chuàng)造出一顆在行星眼球內(nèi)有液態(tài)水但在其它地方的水是冰凍的行星。
這篇論文的作者在其導(dǎo)言中解釋了他們的研究重點(diǎn)?！?strong>以前的研究集中在部分宜居性局限于日下點(diǎn)或 “眼球”區(qū)域的情況，但在本文中，我們探討了晨昏圈具有宜居性的行星的可能性，其定義是在炙熱的永晝和冰冷的永夜之間存在一個(gè)宜居帶。
自從發(fā)現(xiàn)系外行星的早期，科學(xué)家們就一直想知道潮汐鎖定的系外行星，以及它們?nèi)绾慰赡苁且司拥?。如果一顆行星的大氣層有足夠的循環(huán)，永晝和永夜之間的極端溫度可能并不極端。在有大量表面水的系外行星上，海洋熱傳輸可能影響永晝和永夜的溫度，有可能緩和溫度。
但是，什么樣的水陸比可以創(chuàng)造一個(gè)宜居的晨昏圈？
在這篇論文中，作者模擬了具有不同陸地和海洋覆蓋率的系外行星。他們想確定該比率如何影響以晨昏圈為中心的環(huán)行星宜居帶。

如果沒有大氣或海洋環(huán)流，這些被潮汐鎖定的行星的永夜面可能會(huì)被凍成固體。 相反，在永晝，水蒸氣濃度會(huì)永遠(yuǎn)不會(huì)消散，從而產(chǎn)生失控的溫室效應(yīng)。 但根據(jù)行星可以循環(huán)的熱量多少，晨昏圈周圍的宜居帶可能更寬或更窄。

“在這篇論文中，”作者寫道，“我們探索了M型主序星宜居帶內(nèi)緣的氣候，以確定當(dāng)永晝溫度開始超過宜居極限時(shí)，宜居性分?jǐn)?shù)如何變化?！?盡管沒有嚴(yán)格定義的溫度決定宜居性，但作者的研究范圍是 0 ~ 50℃。

這篇論文重點(diǎn)關(guān)注一顆名為獅子座 AD（AD?Leonis） 的特定恒星。 他們選擇獅子座 AD 并不是因?yàn)橛邢低庑行菄@它運(yùn)行，而是因?yàn)樗且活w眾所周知的恒星，是較明亮紅矮星的代表，天文學(xué)家在紅矮星中發(fā)現(xiàn)了大多數(shù)宜居帶中的系外行星。 它也靠近太陽——距離只有 16 光年——所以相對(duì)容易觀測(cè)。 （獅子座 AD 是一顆已知的耀斑星，但其耀斑活動(dòng)不屬于本研究的一部分。）

研究人員團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了兩組模擬來探索晨昏圈的宜居性。 一組涉及水資源豐富的水生行星，另一組涉及水資源有限的陸地行星。 研究小組比較了這些結(jié)果，以研究這些行星是否宜居。

他們使用一顆名為 Aq34 的模擬行星作為起點(diǎn)，因?yàn)樵谶@個(gè)模擬場(chǎng)景中，它有一個(gè)類似地球的太陽常數(shù)，并且大部分時(shí)間都是溫和的晝面氣候。

研究表明，一些變量產(chǎn)生了競(jìng)爭效應(yīng)。 例如，較高的平均行星溫度會(huì)產(chǎn)生更多的水蒸氣，而水蒸氣可以充當(dāng)溫室氣體。 但水蒸氣的增加也意味著云層的增加。 這可以提高行星的反照率，反射更多的恒星能量并幫助其保持涼爽。

作者指出，對(duì)于一顆擁有宜居晨昏圈的行星來說，它的永晝和永夜溫度之間必須有很大的波動(dòng)。 他們寫道：“根據(jù)定義，為了使晨昏圈宜居，行星必須維持較大的晝夜溫度梯度?！?只有這種動(dòng)力才能產(chǎn)生足夠?qū)挼某炕枞^(qū)域來創(chuàng)造適宜居住的溫度。

研究表明，模擬海洋行星無法產(chǎn)生宜居的晨昏圈區(qū)域。 其中一顆行星距離紅矮星越近，其恒星通量就越高，從而減少了晝夜溫差。 在永晝達(dá)到失控的溫室效應(yīng)之前，這些行星將產(chǎn)生均勻的氣候。它們從未經(jīng)歷過終晨昏圈適合居住的狀態(tài)。

水資源有限的行星表現(xiàn)不同。 作者解釋說，隨著恒星通量的增加，“……在不進(jìn)入失控的溫室狀態(tài)的情況下，很容易實(shí)現(xiàn)大的晝夜溫度梯度?！?這有助于創(chuàng)建一個(gè)適合居住的晨昏圈。 “我們還發(fā)現(xiàn)，水資源有限的陸地行星結(jié)構(gòu)可能有利于長期氣候穩(wěn)定性，”這意味著晨昏圈可以長期宜居。

他們總結(jié)道：“我們發(fā)現(xiàn)，通過試圖重現(xiàn)海洋覆蓋的行星的水生行星模擬無法實(shí)現(xiàn)溫帶晨昏圈，但在水資源有限的陸地行星上卻很容易出現(xiàn)?！?br>

天文學(xué)家很難確定紅矮星中行星的水含量。 徑向速度研究可以測(cè)量行星對(duì)其恒星的牽引力，并在與尺寸測(cè)量相結(jié)合時(shí)可以提供對(duì)行星密度的一些了解。 密度較低的行星可能有更多的水。 但這些測(cè)量結(jié)果并不確定。

天文學(xué)家認(rèn)為，水資源有限的系外行星可能比水資源豐富的行星更豐富，但需要更多的研究來鞏固這一認(rèn)識(shí)。 根據(jù)這項(xiàng)研究，如果這是真的，這對(duì)宜居性來說是個(gè)好兆頭。 作者寫道：“因此，晨昏圈的宜居性可能代表了宜居 M 型主序星行星的很大一部分?！?br>

但如果在水資源有限的系外行星上更有可能存在宜居晨昏圈，這可能會(huì)影響生命存在的可能性。 畢竟生命需要水。 研究小組寫道：“總的來說，這些模擬中缺乏豐富的地表水可能會(huì)對(duì)這些條件下生命的出現(xiàn)構(gòu)成挑戰(zhàn)?！?br>

這些行星上存在一些令人困惑的變量。 如果可用的水被鎖在行星永夜的冰川中怎么辦？ 如果大氣層太濃厚并且混合得十分有效使整個(gè)世界都太熱怎么辦？ 這些問題可以在一定程度上得到回答，但要通過更多的研究。

我們需要對(duì)紅矮星行星及其陸地-海洋結(jié)構(gòu)進(jìn)行更多研究。 這項(xiàng)研究是一個(gè)很好的起點(diǎn)，可以幫助天文學(xué)家選擇詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）后續(xù)觀測(cè)的良好目標(biāo)。 作者在最終評(píng)論中承認(rèn)了他們的工作的局限性。

“我們預(yù)計(jì)，未來探索更廣泛的陸地行星結(jié)構(gòu)的研究，特別是那些使用未來幾代表面和冰模型的研究，將在此處考慮的水資源有限和水生行星情況的中間制度中發(fā)現(xiàn)廣泛的宜居晨昏圈情景。”

拓展閱讀：Ana H. Lobo et al, Terminator Habitability: the Case for Limited Water Availability on M-dwarf Planets,?arXiv?(2022).?DOI: 10.48550/arxiv.2212.06185

原文地址：Are planets tidally locked to red dwarfs habitable? It's complicated (phys.org)