一項突破性研究揭示，具有強烈磁場的冷恆星會產生強大的恆星風，這是評估系外行星系統宜居性的關鍵訊息。由波茨坦萊布尼茲天體物理研究所（AIP）科學家領導的一項研究利用最先進的數值模擬，首次系統地描述了冷恆星樣本中恆星風的特性。他們發現，磁場更強的恆星會產生更強大的風。這些風為行星大氣的生存創造了不利條件，從而影響了這些系統的可居住性。

藝術家繪製的恆星-行星系統插圖。恆星周圍的恆星風以及對行星大氣層的影響清晰可見。圖片來源：AIP/ K. Riebe/ J. Fohlmeister 編輯

太陽是宇宙中最豐富的恆星之一，被稱為”冷恆星”。這些恆星分為四類（F、G、K 和 M 型），它們的大小、溫度和亮度各不相同。比太陽更亮、更大的恆星屬於 F 類，而 K 類恆星比太陽稍小、溫度稍低。最小、最暗的恆星是 M 星，也被稱為”紅矮星”，因為它們發出的大部分光都是紅色的。

衛星觀測發現，除了光之外，太陽還持續釋放出一種稱為太陽風的粒子流。這些風穿越行星際空間，與包括地球在內的太陽系行星相互作用。南北極附近美麗的極光就是在這種相互作用下產生的。然而，這些風也可能是有害的，因為它們會侵蝕穩定的行星大氣層，火星上的情況就是如此。

雖然我們對太陽風已經有了很多了解–這在一定程度上要歸功於太陽軌道器等任務–但其他冷恆星的情況卻並非如此。問題是我們無法直接看到這些恆星風，因此只能研究它們對銀河系恆星之間空腔中稀薄氣體的影響。然而，這種方法有一些局限性，而且只適用於少數恆星。這就促使我們使用電腦模擬和模型來預測恆星風的各種特性，而不需要天文學家對它們進行觀測。

在這種情況下，AIP恆星物理和系外行星部門的博士生Judy Chebly、科學家Julián D. Alvarado-Gómez博士和部門負責人Katja Poppenhäger教授與哈佛大學和史密森天體物理中心的Cecilia Garraffo合作，對F、G、K和M恆星預期的恆星風特性進行了首次系統研究。

為此，他們利用目前最複雜的模型之一進行了數值模擬，由觀測到的 21 顆恆星的大尺度磁場分佈所驅動。模擬在 AIP 和 Leibniz Rechenzentrum (LRZ) 的超級運算設施中進行。

研究小組研究了恆星的特性，如重力、磁場強度和自轉週期，如何影響風的速度或密度特徵。研究結果包括對不同光譜類型恆星風特性的全面描述，其中一項結果表明，在根據觀測結果估算相關質量損失率時，有必要重新審視先前對恆星風速的假設。

此外，模擬還可以預測阿爾弗文表面–恆星日冕和恆星風之間的邊界–的預期大小。這些資訊對於確定行星系統是否會受到強磁星-行星相互作用的影響至關重要，當行星軌道進入或完全嵌入宿主恆星的阿爾弗文表面時，就會發生強磁星-行星相互作用。

對行星系統的影響

他們的研究結果表明，磁場大於太陽的恆星具有更快的風。在某些情況下，恆星風速可比太陽風的平均速度快五倍，而太陽風的平均速度通常為 450 公里/秒。這項調查評估了這些恆星在所謂的”宜居帶”上的風速有多大。 “宜居帶”的定義是，如果有類似地球的大氣壓力，岩質系外行星可以維持表面液態水的軌道距離。他們發現 F 型和 G 型恆星周圍的環境比較溫和，與地球在 G 型太陽周圍的環境相當，而 K 型和 M 型恆星周圍的風環境則越來越惡劣。這種強烈的恆星風對行星可能擁有的大氣層有很大影響。

這種現像在岩石行星與太陽之間的太陽物理學中得到了很好的記錄，但在系外行星系統中卻沒有。這需要對恆星風進行估計，以評估與我們在太陽風和行星大氣之間看到的過程類似的過程。有關 F 至 M 主序星的恆星風資訊以前是未知的，因此這項研究在宜居性方面非常重要。

本文介紹的工作是針對21顆恆星進行的，但其結果具有足夠的普遍性，可以應用於其他冷主序恆星。這項調查為未來研究恆星風觀測及其對行星大氣侵蝕的影響鋪平了道路。

參考文獻：《冷主序恆星風特性的數值量化》，作者：Judy J Chebly、Julián D Alvarado-Gómez、Katja Poppenhäger和Cecilia Garraffo，2023年7月19日，《皇家天文學會月刊》。

DOI: 10.1093/mnras/stad2100

編譯來源：ScitechDaily