红矮星周围的宜居行星可能无法获得足够的光子来维持植物生命

近年来，在太阳附近的M型主序星（红矮星）周围发现的系外行星的数量已经大大增加。在许多情况下，这些被确认的行星是“类地行星 ”，这意味着它们是岩石的，大小与地球相当。这些发现特别令人兴奋，因为红矮星是宇宙中最常见的恒星——仅在银河系中就占了85%。

不幸的是，最近进行的许多研究表明，这些行星可能不具备支持生命的必要条件。最新的研究来自哈佛大学，博士后研究员马纳斯维·林格姆 （Manasvi Lingam）和亚伯拉罕·勒布（Abraham Loeb）教授证明，M型恒星周围的行星可能无法从其恒星获得足够的辐射来进行光合作用。

简单地说，地球上的生命被认为是在37亿到41亿年前（冥古宙晚期或太古宙早期）出现的，当时地球的大气对今天的生命来说是有毒的。在29亿到30亿年前，开始出现光合作用的细菌，并开始用氧气来丰富大气。

结果，地球在大约23亿年前经历了所谓的 “大氧化事件”。在这段时间里，光合生物逐渐将地球的大气层从主要由二氧化碳和甲烷组成的大气层转化为由氮气和氧气组成的大气层（分别约占78%和21%）。

有趣的是，其它形式的光合作用被认为比叶绿素光合作用出现得更早。其中包括视黄醛光合作用，它出现在大约25亿至37亿年前，今天仍然存在于有限的生态位环境中。顾名思义，这个过程依靠视黄醛（一种紫色色素）来吸收可见光谱中黄绿色部分（400至500纳米）的太阳能。

还有一种无氧光合作用（二氧化碳和两个水分子被处理成甲醛、水和氧气），据信它完全早于有氧光合作用。不同类型的光合作用是如何以及何时出现的，是理解地球上的生命何时开始的关键。正如勒布授通过电子邮件向《今日宇宙（Universe Today）》解释的那样：

“‘光合作用’的含义是通过光（光合）'拼合起来'（作用）。它是一个由植物、藻类或细菌使用的过程，将太阳光转化为化学能，为它们的活动提供燃料。化学能量储存在碳基分子中，这些分子由二氧化碳和水合成。这个过程经常释放出氧气作为副产品，这是我们生存所必需的。总的来说，光合作用为我们所知的地球上的生命提供所有的有机化合物和大部分必要的能量。光合作用在地球的进化史上出现得比较早。”

诸如此类研究光合作用发挥的作用的研究不仅重要，还因为它们帮助我们了解生命是如何在地球上出现的。 此外，它们还可以帮助我们了解太阳系外行星上是否会出现生命，以及在什么条件下会出现生命。

他们的研究题为“低质量恒星周围宜居行星的光合作用”，最近出现在网上，并被提交给英国皇家天文学会月报。为了进行研究，林格姆和勒布试图约束M型恒星的光子通量，以确定在围绕红矮星运行的类地行星上是否可能进行光合作用。正如勒布所说：

“在我们的论文中，我们研究了在低质量恒星周围宜居区的行星上是否会发生光合作用。这个区域被定义为与恒星的距离范围，在这个范围内，行星的表面温度允许液态水和我们所知的生命化学物质的存在。对于该区域的行星，我们计算了照亮其表面的紫外线（UV）通量，作为其宿主恒星质量的函数。低质量的恒星更冷，每单位辐射量产生的紫外线光子较少。”

与最近涉及红矮星的发现一致，他们的研究侧重于 “类地行星”，即具有与地球相同的基本物理参数的行星——即半径、质量、成分、有效温度、反照率等。由于对其它恒星周围的光合作用的极限理论还不是很了解，他们也以与地球上的光合作用相同的极限为基础——400至750纳米之间。

由此，林格姆和勒布计算出，低质量的M型主序星将无法超过确保类似于地球的生物圈所需的最低紫外线通量。正如勒布所解释：

“这意味着过去几年在附近的比邻星（距离太阳最近的恒星，4光年，0.12倍太阳质量，有一颗位于宜居带的行星比邻星b）和特拉比斯特-1（TRAPPIST-1，40光年，0.09倍太阳质量，有三颗位于宜居带的行星特拉比斯特-1e，f，g）周围发现的宜居行星可能没有类地生物圈。更为普遍的是，对凌日行星大气成分的光谱研究（如特拉比斯特-1）不太可能发现可检测水平的生物标志物，如氧气或臭氧。如果发现了氧气，其来源很可能是非生物产生的。”

当然，这种分析也有局限性。如前所述，林格姆和勒布指出，其他恒星周围光合作用的极限理论并不为人所知。在我们更多地了解行星状况和 M 型恒星周围的辐射环境之前，科学家们将被迫使用基于我们自己星球的指标。

其次，还有一个事实是，与我们的太阳相比，M型恒星是多变的和不稳定的，并且会经历周期性的爆发。引用其它研究，林格姆和勒布指出，这些可能对一个星球的生物圈有积极和消极的影响。简而言之，恒星耀斑可以提供额外的紫外线辐射，这将有助于触发生命起源前的化学反应，但也可能对行星的大气层不利。

然而，除非对围绕红矮星运行的太阳系外行星进行更深入的研究，否则科学家将不得不依靠现有理论去评估这些行星上存在生命的可能性。至于这项研究中提出的发现，它们再次表明红矮星系统可能不是最有可能找到宜居世界的地方。

如果是真的，这些发现也可能对寻找地外智能（SETI）产生巨大的影响。“由于光合作用产生的氧气是复杂生命（如地球上的人类）的先决条件，它也将是技术智能进化的需要，”勒布说。“反过来，后者的出现开启了通过无线电信号或巨型人造物等技术特征寻找生命的可能。”

目前，对宜居行星和生命的搜索继续受到理论模型的影响，告诉我们应该注意什么。同时，这些模型继续基于 "我们所知道的生命"——即类地行星和陆地物种作为例。幸运的是，得益于下一代仪器的发展，天文学家们期望在未来几年里能了解到更多的东西。

拓展阅读

Manasvi Lingam, Abraham Loeb. Photosynthesis on habitable planets around low-mass stars. arXiv:1901.01270 [astro-ph.EP]. arxiv.org/abs/1901.01270  期刊信息：英国皇家天文学会月报 

关于作者

马特·威廉姆斯（Matt Williams）是《今日宇宙》和《有趣的工程》的太空记者和科学通讯员。他也是一位科幻小说作家、播客（太空故事）和跆拳道教练，与他的妻子和家人住在温哥华岛。

原文链接

Habitable planets around red dwarf stars might not get enough photons to support plant life (phys.org)