红矮星是我们附近最常见的恒星，也可能是银河系中最常见的恒星。 正因为如此，我们探测到的许多类地且可能支持生命的系外行星都在红矮星周围的轨道上运行。 问题是红矮星可以表现出强烈的耀斑行为，比我们相对平静的太阳更有活力。
那么，这对于这些系外行星真正支持生命的潜力意味着什么呢？
地球上的大多数生命（可能还有其他世界的生命）都依赖恒星能量生存。 自从第一个细胞繁殖以来，太阳一直是地球上生命的引擎。 但有时，像所有恒星一样，太阳也会活动并发出耀斑。
有时它会发出极其能量的耀斑。 太阳大气层中强大的磁能变得不稳定，并释放出大量的能量。 如果它被释放到地球上，它可以造成问题。 它可能导致无线电通信中断，甚至停电。
但就耀斑活动而言，太阳与其他一些恒星相比相对较弱。 有些恒星，尤其是红矮星，会频繁而剧烈地耀斑。 一组研究人员研究了耀斑活动如何影响绕低质量恒星（包括 M 型恒星、K 型恒星和 G 型恒星）运行的类地行星上的大气层和生命潜力。
一颗由系外行星围绕的耀斑红矮星的艺术作品。 （美国宇航局/欧空局/G.培根/STScI）
这项新研究被称为“耀斑驱动的大气化学在岩石宜居带世界上的持续存在》。第一作者为西北大学博士生Howard Chen。论文发表在期刊上自然天文学。
“我们的太阳更像是一个温和的巨人，”该研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校的天文学家艾莉森·杨布拉德说。
“它更古老，不像年轻和较小的恒星那么活跃。地球也有强大的磁场，可以使太阳的破坏性风偏转。”
这有助于解释为什么地球正像卡尔·萨根描述的那样“充满生命的涟漪”。 但对于像红矮星（M-矮星）这样围绕低质量恒星运行的行星来说，情况就大不相同了。
我们知道，太阳耀斑和相关的日冕物质抛射可能会对未受保护的系外行星上的生命前景造成极大损害。 作者在引言中写道，“恒星活动——包括恒星耀斑、日冕物质抛射（CME）和恒星质子事件（SPE）——对行星的宜居性有着深远的影响，主要是通过其对大气的影响”。
随着时间的推移，这里那里的单一耀斑不会产生太大的影响。 但许多红矮星表现出更频繁和更长时间的耀斑。
该研究的第一作者、西北大学的霍华德·陈（Howard Chen）在一份报告中说：“我们比较了经常发生耀斑的行星和没有发生耀斑的行星的大气化学成分。长期的大气化学成分是非常不同的。”新闻稿。
“持续的耀斑实际上使行星的大气成分达到了新的化学平衡。”
该团队研究的内容之一是臭氧以及耀斑对其的影响。 在地球上，我们的有助于保护我们免受太阳紫外线辐射。 但红矮星上的极端耀斑活动会破坏靠近它的行星大气层中的臭氧。
当臭氧水平下降时，行星受到来自其恒星的紫外线辐射的保护就会减弱。 强大的紫外线辐射会减少生命的可能性。
在他们的研究中，该团队使用模型来帮助了解耀斑及其对系外行星大气的影响。 他们使用了来自美国宇航局 TESS（凌日系外行星勘测卫星）的耀斑数据和来自其他研究的长期系外行星气候数据。 他们发现在一些情况下，尽管有燃烧，但臭氧仍然存在。
“我们发现恒星耀斑可能不会排除生命的存在，”该研究的资深作者丹尼尔·霍顿补充道。 “在某些情况下，燃烧并不会侵蚀所有的大气臭氧。地表生命可能仍有一线生机。”
（陈等人，自然天文学,2020）
图片：该研究中的这张图显示了围绕类太阳 G 型恒星的模拟行星上大气物质的全球平均垂直剖面。 从左到右分别是臭氧、一氧化二氮、硝酸和水蒸气的混合比例。
至少有可能支持生命存在的行星可能会陷入困境。 它们必须离恒星足够近，以防止水结冰，但又不能太近，否则会太热。 但这种近距离的舞蹈会让他们暴露在强大的耀斑之下。
红矮星比太阳更小、温度更低，这意味着围绕它们运行的任何行星的宜居带都比地球到太阳的距离更小、更靠近恒星。 这不仅使它们暴露在耀斑之下，还会导致行星被恒星潮汐锁定。
耀斑和潮汐锁定的结合可能对生命的前景不利。 地球的自转会产生其保护性磁层，但潮汐锁定的行星无法产生磁层，并且基本上不受恒星紫外线辐射的保护。
霍顿说：“我们研究了在 M 和 K 矮星（宇宙中最常见的恒星）的宜居带内运行的行星。”
“这些恒星周围的宜居带更窄，因为这些恒星比我们的太阳这样的恒星更小、更弱。另一方面，M 和 K 矮星被认为比我们的太阳有更频繁的耀斑活动，而且它们的潮汐锁定行星不太可能有磁场帮助它们的恒星风偏转。”
（陈等人，2020）
图片：该研究中的这张图显示了重复的恒星耀斑如何改变类太阳恒星周围模拟类地行星中的大气气体。
这项研究还有更积极的一面。 研究小组发现，耀斑活动实际上可以帮助寻找生命。
耀斑可以更容易地检测一些作为生物标记的气体。 在这种情况下，他们发现燃烧产生的能量可以突出硝酸、二氧化二氮和一氧化二氮等气体的存在，这些气体都可以是生命过程的指标。
（陈等人，2020）
图片：该研究中的这张图显示了重复的恒星耀斑如何影响 K 型恒星周围模拟的类地行星上的大气化学成分。 请注意可检测到的一氧化氮（一种潜在的生物标志物）水平的升高。
“太空天气事件通常被视为对宜居性的损害，”陈说。
“但我们的研究定量表明，某些太空天气实际上可以帮助我们检测可能标志着生物过程的重要气体的特征。”
但只是一些。 在其他情况下，他们的工作表明燃烧可以破坏缺氧生命的潜在生物特征。
“虽然我们报告了恒星耀斑对氧化大气的 3D 影响，但强烈的耀斑可能会对还原条件下的大气产生其他意想不到的影响。例如，源自恒星耀斑的氧化氢物质可能会破坏关键的缺氧生物特征，例如甲烷、二甲基硫醚和羰基化合物硫化物，从而抑制它们的光谱特征，”作者报告说。
这项研究的另一个有趣的结果涉及系外行星磁层。 他们发现超级耀斑可能有助于揭示磁层的性质和范围。
“更具推测性的是，超级耀斑期间的质子事件可能会通过突出显示地球的特定区域来揭示行星尺度磁场的存在。通过识别磁暴和/或极光降水事件期间释放氮或氧化氢的通量指纹，人们可能会能够确定系外行星磁层的几何范围。”
（陈等人，2020）
图片：超级耀斑可以通过识别氮氧化物通量指纹的范围来帮助我们了解系外行星磁层的范围。
最近的其他研究表明，受到耀斑影响的系外行星，尤其是红矮星周围的行星，并不是寻找生命的好地方。 燃烧活动太有害了。 但这项研究表明情况更加复杂。
总的来说，它表明在某些情况下燃烧可以帮助我们检测生物特征。 它还表明，虽然耀斑会扰乱系外行星的大气层，但在许多情况下它们会恢复正常。 事实上，低质量恒星比太阳这样的恒星寿命要长得多，这意味着生命有更多的时间在它们的行星上发展。
这项新工作凸显了寻找生命的复杂性以及涉及的变量有多少。 它至少包含一个惊喜。 尽管耀斑在很大程度上被认为不利于系外行星的宜居性，但事实上它可能有助于检测生物特征，这意味着发生的事情比预期的要多。
这项研究需要多学科科学家的合作。 它依赖于气候科学家、天文学家、观察家和理论家，当然还有系外行星科学家。
“这个项目是团队集体努力的结果，”该研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家埃里克·T·沃尔夫（Eric T. Wolf）说。
“我们的工作强调了在调查太阳系外行星状况时跨学科努力的好处。”
