什么样的恒星，周围更可能出现生命？

臭氧（O₃）是一种由三个氧原子组成的分子。在地球上，大气层中的臭氧可以保护地球表面及其地球生命免受紫外线（UV）辐射的伤害。可以说，臭氧层提供的保护，是复杂生命得以出现的重要先决条件。

最近，马普所的一组研究太阳系的科学家想要了解，一颗恒星究竟需要具备什么特征，才能让环绕它运行的行星形成这种具有保护性的臭氧层。在数值模拟的帮助下，研究人员分析了系外行星大气中的臭氧含量，得出了意外而又矛盾的结果。他们已将研究结果发表在了《自然通讯》杂志上。

  紫外线辐射的双重作用  

在地球的大气中，来自太阳的紫外线辐射起着双重作用。在它们与单个氧原子和氧分子发生反应时，既可以产生臭氧也可以破坏臭氧。具体来说，紫外线的波长是其中的关键：长波的UV-B（280~315纳米）辐射会破坏臭氧，而短波的UV-C（202~230纳米）辐射则有助于在中层大气中生成臭氧。

研究人员想知道，在其他系外行星上，紫外线对它们的大气也可能产生类似于地球上的复杂影响吗？

一颗行星上的紫外线取决于宿主星的温度。太阳的表面温度大约为5500℃。因此在新的研究中，研究人员模拟了围绕在表面温度为5000~6000℃之间的恒星运行的类地行星的大气。他们精确地计算了这些恒星发出的紫外线的波长，并且还首次将金属丰度作为一个影响因素纳入了考量。

恒星的金属丰度描述了构成了恒星的材料中的氢与更重元素之比，这些更重的元素被天体物理学家简单而又有些误导性地称为“金属”。以太阳为例，每31000个氢原子对应一个铁原子。而研究人员所聚焦的这部分恒星，具有十分广泛的金属丰度。

  模拟紫外线与大气的相互作用 

在这项研究中，研究人员考虑了处于这些恒星的宜居带的类地行星，分析了来自其宿主星的紫外线辐射会对其大气产生怎样的影响。他们假设这些类地系外行星也具有主要由氮气和氧气组成的大气。

通过使用计算机模型，他们精确地模拟了恒星的紫外线辐射在这些行星大气中运动的过程。接下来，为了计算这些行星大气中的臭氧浓度，他们使用了一种专为精确计算大气中的臭氧的化学而设计的光化学辐射-对流模型。

这种模型能以非常高的光谱分辨率，模拟控制着氧气、臭氧和许多其他气体的过程，以及这些气体与紫外线的相互作用。利用这个模型，研究人员可以对系外行星上的各种不同情况进行调查，并将其与地球大气层在过去5亿年里的历史进行比较。

之所以选择这一时期，是因为在过去5亿年期间，地球大气中的高氧含量和臭氧层的形成，使得地球上的陆地生命得以进化。研究人员认为，地球及其大气层的历史，也可以为系外行星上的生命进化提供线索。

  矛盾的结论  

模拟产生了令人惊讶的结果：贫金属星比富金属星发出了更多的紫外线辐射。且矛盾的是，虽然富金属星发出的紫外线辐射要少得多，但它们的行星表面却暴露在更强烈的紫外线辐射下。

（图/MPS/hormesdesign.de）

研究人员发现，这是因为产生臭氧的UV-C辐射与破坏臭氧的UV-B辐射之比，还主要取决于恒星中的金属丰度。在贫金属星中，UV-C辐射占主导地位，从而形成了致密的臭氧层；而在富金属星中，UV-B是主要的紫外线辐射，因而产生的保护性臭氧层就要稀薄得多。

这样的结果与预期相反，它表明贫金属星能够为生命的出现提供更有利的条件。这一矛盾的结论将有助于那些寻找可居住系外行星的未来太空任务。它为这些任务提供了宝贵的线索，让它们知道应该特别关注哪些恒星。

#创作团队：

撰文：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.mpg.de/20175255/metal-poor-star-life-friendly?c=2249

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37195-4

#图片来源：

封面图&首图：flflflflfl / Pixabay

本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

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