“宜居恒星”是寻找生命的最佳地点

Credit:NASA

天文学家一般在恒星的“宜居带”，也被称为“金凤花区域”（Goldilocks zone）内的行星上寻找地外生命。“宜居带”指一颗恒星周围的一定距离范围，在这一范围内温度适宜使水能够以液态形式存在于行星表面，从而可以孕育生命。

经过三十年的恒星调查，一个新兴的观点认为：存在“金凤花恒星”（Goldilocks stars”），其行星环境既不太热也不太冷，最重要的是，能够支持生命存在。

太阳滋养了地球上的生命已近40亿年，因此传统观点认为，像太行这样的恒星是寻找其他潜在宜居星球的主要候选者。实际上，那些温度和亮度比太阳稍低的K型矮星才是真正的“宜居恒星”。宾夕法尼亚州维拉诺瓦大学的爱德华•吉南（Edward Guinan）表示：“K型矮星处于’最佳位置’，其特性介于更稀有、更明亮、寿命更短的太阳型恒星（G型星）和数量更多的红矮星（M型星）之间。K型恒星，尤其是其中温度较高的那些恒星，拥有最好的恒星环境。如果你在寻找宜居行星，那么大量K恒型星则提高了你找到生命的机率。”

这幅信息图比较了银河系中三类恒星的特征：类日恒星被归类为G型恒星；质量比太阳小、温度比太阳低的恒星是K型矮星；更暗淡、表面温度更低的恒星是颜色偏红的M型矮星。这张图表根据几个重要的变量对这些恒星进行了比较。对于温度更高的恒星来说，其宜居带更宽，更有可能有存在生命的行星。M型红矮星的寿命可以超过1000亿年，K型矮星的寿命从150亿年到450亿年不等，而太阳只能持续100亿年。M型恒星发出的有害辐射（对我们所知的生命而言）是太阳辐射的80到500倍，而橙色K型矮星辐射则仅是太阳辐射的5到25倍。红矮星占银河系恒星数量的大部分，约73%。类日恒星仅占6%，K型矮星约占13%。当这四个变量得以平衡，最适合孕育高级生命的恒星是K型矮星。
版权：NASA, 欧洲航天局（ESA）和Z. Levy （太空望远镜科学研究所，STScI)

首先，银河系中K型矮星的数量是类日恒星的三倍。距太阳100光年的范围内大约有1000颗K型恒星，是主要的探索对象。这些“橙色矮星”的寿命从150亿年到450亿年不等。相比之下，太阳只持续100亿年，而现在已经走过了其寿命的一半。以其相对较快的恒星演化速度，再过10亿或20亿年，地球基本将无法居住。Guinan 表示：“类日恒星限制了行星大气的稳定状态能够保持多久。”这是因为大约10亿年后，地球将在太阳宜居带的热（内）边缘内运行，随着太阳变得越来越热、越来越亮，宜居带就会逐渐向外移动。最终，随着现有大气和海洋的失去，地球将变得干燥。到90亿年的时候，太阳将膨胀成一颗可以吞噬掉地球的红巨星。

红矮星（也被称为M型矮星）尽管体积较小、数量更多，其寿命也更长，而且据我们所知，似乎不适宜生命存在。红矮星的宜居带相对狭窄，位于其宜居带内的行星距离恒星非常近，暴露在极端水平的X射线和紫外线辐射下，其辐射强度可能是地球受到的太阳辐射的成千上万倍。持续不断的耀斑和日冕物质抛射使大量等离子体和高能粒子不断轰击其行星。这样一来，红矮星“宜居带”内的行星会被“烤干”，在它们生命早期就失去大气层。这可能会阻止这些行星在红矮星爆发减弱几十亿年后进化成更适宜居住的星球。Guinan表示：“我们对在诸多M型恒星周围发现高级生命的机会不再那么乐观了。”

根据Guinan的研究，K型矮星并没有剧烈活跃的磁场来驱动强X射线和紫外线辐射以及能量爆发，因此它们发射耀斑的频率要低得多。伴星所受到的致命X射线辐射大约是那些围绕磁性活跃的M型恒星运行的“宜居带”内的行星的1/100。

在一个名为“GoldiloKs”的项目中，Guinan和他在维拉诺瓦大学的同事斯科特•恩格尔（Scott Engle）正在与本科生一起对一些温度较低的G型恒星和K型恒星进行抽样，测量其年龄、自转速度、X射线和远紫外线辐射强度。他们使用美国国家航空航天局（NASA）的哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和欧洲航天局（ESA）的XMM-牛顿卫星进行观测。哈勃望远镜对紫外线的敏感性使其被用来评估来自大约20个橙矮星样本的辐射。Guinan表示：“哈勃望远镜是目前唯一能进行这种观测的望远镜。”

Guinan和Engle发现，与红矮星周围的行星相比，橙矮星周围的行星的辐射水平要温和得多。K型恒星的寿命也更长，从而使宜居带的迁移速度也更慢。因此，K型矮星似乎是寻找生命的理想场所，而这些恒星将为高级生命在行星上演化发展提供时间。在太阳的整个生命周期（100亿年）中，K型恒星的亮度只增加了约10-15%，这使得其生物进化历程比在地球上进化出高级生命形式的时间要长得多。

Guinan和Engle对一些更感兴趣的K型恒星进行了观测，包括开普勒-442、鲸鱼座的天仑五（Tau Ceti）和波江座的天苑四（Epsilon Eridani）。（后两颗恒星是20世纪50年代末“奥兹玛计划”的早期探索目标，奥兹玛计划首次尝试探测来自外星文明的无线电信号。）

Guinan表示：值得注意的是，开普勒-442（光谱分类，K5）有被认为是最好的适居行星之一的Kepler-442b，这是一颗岩石行星，质量是地球的两倍多一点。因此，开普勒-442星系存在一颗宜居恒星和一颗宜居行星！”

在过去的30年里，Guinan、Engle和他们的学生观测到了各种恒星类型。根据他们的研究，研究人员确定了恒星年龄、自转速度、X射线-紫外线辐射和耀斑活动之间的关系。这些数据已被用来研究高能辐射对行星大气和潜在生命的影响。

相关结果于2020年1月6日在美国夏威夷檀香山举行的第235届美国天文学会年会上进行了公布。

哈勃太空望远镜是NASA和ESA之间的国际合作项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理这架望远镜。位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃的科学运营。STScI由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运营。

来源：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/goldilocks-stars-are-best-places-to-look-for-life/