欢迎光临散文网 会员登陆 & 注册

论文揭示:即使是最安静的红矮星也比太阳更暴躁

2023-08-11 17:05 作者:行星档案馆  | 我要投稿


红矮星有些咄咄逼人。人类的眼睛已经习惯了仁慈的黄色太阳和它照耀在我们辉煌的、充满生命的星球上的温暖光芒。但红矮星看起来喜怒无常、脾气暴躁,甚至是不祥之兆。

在很长一段时间里,它们都很平静,但随后就会猛烈地爆发,向任何可能在附近星球上立足的生命发出警告。

红矮星( M 型主序星)是银河系中最常见的恒星类型。这意味着大多数系外行星都围绕着红矮星运行,而不是像太阳这样乖巧的G型主序星。随着天文学家对红矮星研究的深入,他们发现就系外行星的宜居性而言,红矮星可能不是最好的恒星宿主。多项研究表明,红矮星会发生剧烈的耀斑,释放出足够强大的辐射,使附近的行星无法居住,即使它们稳稳地位于潜在的宜居带中。

但是,天文学家对红矮星及其暴躁的本性还有很多不了解的地方。一项新的研究考察了 177 颗 M 型主序星,以更好地了解它们的长期变化性。研究人员发现,红矮星的行为比想象的要复杂,即使是最安静的红矮星也比太阳更暴躁。

这项研究的题目是 “ M 型主序星的恒星活动特征。I. 大样本中的长时间尺度变化性和新周期的探测(Characterisation of stellar activity of M dwarfs. I. Long-timescale variability in a large sample and detection of new cycles)。”论文将发表在《天文学与天体物理学(Astronomy and Astrophysics)》杂志上,并可在预印本服务器 arXiv 上查阅。论文的第一作者是来自格勒诺布尔阿尔卑斯大学和法国国家科学研究中心(CNRS)的博士后研究员露西尔·米农(Lucile Mignon)

艺术家想象的邻近恒星比邻星上爆发的猛烈恒星耀斑。 图片来源:NRAO/S. Dagnello

所有恒星都有或多或少的变化。太阳以 11 年为一个周期,在此期间,恒星表面的太阳黑子数量时多时少。这都与磁场活动有关。但是,宜居住性取决于更长期的恒星活动周期。生命的发展需要比几年更长的时间。地球上的生命需要数十亿年才能真正开始。

这也是天体物理学家对红矮星及其长期变化性感兴趣的原因之一。地球上的生命出现于大约 35 亿年前,但复杂生命直到大约 5.4 亿年前的寒武纪生命大爆发才真正出现。如果生命在总体上遵循类似的时间框架,那么红矮星的变化性是否会阻碍生命的延续?

观测红矮星并得出结论是一项艰巨的挑战。我们可以非常详细地观测我们的太阳,尤其是近年来。包括帕克太阳探测器、太阳轨道器、太阳和日光层轨道器等在内的一系列航天器都致力于对太阳进行详细的监测。我们还对太阳及其活动进行了长期观测。

遗憾的是,我们还无法对单个红矮星进行长时间的监测。相反,研究人员只能使用跨越几十年左右的数据集。在这项新研究中,米农和她的合著者研究了 HARPS(High Accuracy Radial velocity Planet Searcher高精度径向速度行星搜索器)从 2003 年到 2020 年观测到的 177 颗 M 型主序星。在这个时间范围内的活动包含了这些恒星在更长时期内表现的线索。

HARPS 本质上是一个光谱仪,本研究的作者从中获得了红矮星的色球辐射。色球发射源于恒星的磁场活动而非内部的核聚变。耀斑是磁场活动的产物,因此研究耀斑就意味着研究恒星的色球层。研究小组还在分析色球辐射的同时分析了红矮星的光度特征。

研究报告中的这张图显示了每颗恒星被观测到的夜晚数和观测时间跨度。蓝色恒星是 57 颗恒星的子样本,红色恒星是其余恒星。资料来源:Mignon et al.

研究红矮星变化性的困难在于我们有限的长期数据。他们解释说:“要明确识别一个周期,就必须测量出它在几个周期内的重复情况。这就需要长期采集数据。”

由于缺乏这种数据,研究人员提出了所谓“季节”的概念。通过识别单个恒星的季节,他们可以更好地分析数据。他们解释说:“我们将这些季节定义为 150 天的区间(以尽可能地平均旋转调制 )至少有 5 次观测(150 天是 M 型主序星自转周期的典型上限),并且在 150 天的区间内观测之间的间隔短于 40 天。

这样就确定了一个包含 57 颗恒星的子样本。

结果表明,变化性是 M 型主序星的一个决定性特征。研究人员写道:“我们发现大多数恒星都有明显的变化性,即使是最安静的恒星也不例外。我们样本中的大多数恒星(75%)都表现出长期变化,这主要通过线性或二次变化表现出来,尽管真实的行为可能更复杂。” (线性变化性更简单,而二次变化性则表明有一个循环)

研究人员在样本中发现了从几年到 20 多年不等的周期。但他们很快指出,他们的发现有局限性,他们的研究只是朝着更好地了解红矮星迈出的第一步。对于许多恒星来说,有强烈的迹象表明存在长期的可变性。“……如果采样得更好,采样得更好的恒星可能会表现出更复杂的行为,”他们写道。 但他们的结果仍然“……表明长期变化性的强烈存在,并且表明这些恒星具有很强的长期变化性,这在寻找系外行星时非常重要。”

该研究中的数字是该团队的一些结果的示例。 它显示了一颗名为 GJ 273(更广为人知的名字是鲁坦星)的红矮星的变化。 它的一颗行星位于恒星的宜居带内。 请注意指数时间尺度,它显示了较长时间段内的变化。 图片来源:Mignon et al. 2023。

可能有多层的循环和变化相互影响,使得恒星的行为很难破译。作者写道,它们令人费解的行为“......可能是由于在不同时间尺度上同时存在复杂的潜在变化性。”

研究人员说,即使数据有限,他们还是取得了进展。”然而,即使对某些恒星的时间覆盖不够充分,我们的数据也可以用来估算存在的最短周期。“但有些结论暂时还无法得出。他们的分析“......不足以保证信号是周期性的,甚至是准周期性的。”

关于红矮星的宜居性,目前还没有一个明确的答案。也许就像这项研究暗示的那样,红矮星之间存在着太多的变化,以至于它们永远都无法预测。不过,科学界也不排除会发现更多细节。

红矮星耀斑是有据可查的。迄今探测到的最强大的恒星耀斑就来自一颗红矮星。2019年,半人马座比邻星(Proxima Centauri),一颗红矮星,也是我们最近的恒星邻居,发出的耀斑亮度是其耀斑前恒星亮度的14000倍,而它只用了几秒钟就发出了如此明亮的耀斑。系外行星比邻星b位于该恒星的潜在宜居带内,如此明亮的耀斑可能会消除该行星上存在生命甚至液态水的可能性。即使比邻星每一百万年,甚至更长的时间出现一次如此耀眼的耀斑,也会消除生命存在的可能性

在其它行星上寻找生命或宜居性时,对红矮星的关注是不可避免地要包括在内的。它们的丰度意味着必须对它们进行更深入的研究。最终的结果可能是,许多我们认为宜居的行星,比如众所周知的特拉比斯特-1(TRAPPIST-1)行星系,只是受到了来自红矮星宿主的过多辐射。它们的变化性越大,生命在红矮星周围的系外行星上持续存在甚至繁衍的可能性就越小。


原文作者:Evan Gough,2023年3月15日在 Universe Today 发表

原文地址:Even the calmest red dwarfs are wilder than the sun, reveals paper (phys.org)

拓展阅读:L. Mignon et al, Characterisation of stellar activity of M dwarfs. I. Long-timescale variability in a large sample and detection of new cycles, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2303.03998

论文揭示:即使是最安静的红矮星也比太阳更暴躁的评论 (共 条)

分享到微博请遵守国家法律