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紅矮星附近的行星與適居性之關鍵
紅矮星(M dwarf)占主序星的大部分﹐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﹐會發出閃焰和大量的紫外線和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。
科學家藉由觀測Barnard's 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(如下圖)。而在恆星活躍期﹐會出現閃焰(flare)並發出更多紫外射線。其閃焰強度亦比太陽強﹐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)是粒子因熱運動速度超過脫離速度。(２)離子散逸(ion escape)是恆星高能輻射和太陽風作用並帶走大氣。經電腦模擬發現﹐在沒有閃焰的時期﹐大氣散逸速度僅較地球略高。但在閃焰時期﹐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(如下圖)。因此﹐紅矮星閃焰時期的占比﹐是行星大氣存留的關鍵﹐進而影響行星的適居性。
上圖是模擬類地球行星的大氣﹐在不同紫外線強度所造成的離子散逸情形。圖上亮面朝向恆星﹑縱軸垂直軌道面﹑而橫軸則沿恆星和行星兩者連線方向﹐兩軸都以地球半徑為單位。顏色軸則顯示散逸的離子密度。由左而右﹐Base﹕恆星是太陽﹐Quiet:恆星是寧靜時期的紅矮星﹐可看到其造成的離子散逸程度和太陽差不多﹐Flare:恆星是閃焰活躍期的紅矮星﹐可看到相較前兩者高很多的離子散逸。
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