被红矮星潮汐锁定的行星上能否宜居？这很复杂！

天文学家对红矮星和围绕其运行的行星非常感兴趣。根据一些研究，银河系中多达85%的恒星可能是红矮星，其中40%的恒星在其宜居带可能会有类似地球的系外行星。

但是它们的潜在宜居性存在一些问题。其中一个问题是潮汐锁定。

红矮星有时被称为 "M型主序星"，但这些术语可能会变得有点模糊。红矮星和M型主序星这两个词之间的混淆源于恒星的温度和质量。红矮星的一个定义是与M型主序星的，基于最高温度为3900K，最大质量为0.6个太阳质量的恒星。

红矮星的另一个定义包括更热的恒星，其最高温度为5200K，最大质量为0.8太阳质量。这个定义包括所有的K型主序星，它们也被称为橙矮星。另一个红矮星的定义只包括K型主序星的部分分类，还有一个定义包括一些褐矮星。赫罗图显示了这些定义是如何重叠的。

一般来说，红矮星是最小和最冷的主序星。因为它们的质量太小，所以燃烧缓慢，寿命很长。质量最小的红矮星可以在数万亿年内保持恒定的光度，但是现阶段的宇宙中还没有那么老的红矮星。

无论天文学家如何定义它们，它们的数量都非常多。如果对银河系中2500亿颗恒星的估计是准确的，那么其中有2120亿颗可能是红矮星。天文学家们认为，红矮星群在其宜居带承载着大量的岩质行星。这就是为什么天文学界如此努力地研究红矮星：它们是银河系的系外行星饼干罐。

与又小又暗的红矮星相比，其它恒星可能非常明亮，小的行星在它们的前面经过时几乎不可能探测到。但是红矮星的亮度要低得多，所以它们的光线不会造成同样的障碍。同样的暗淡使得它们很难从很远的距离观察，但天文学家已经开发出了克服这些限制的方法。欧洲南方天文台 （ESO） 开展了一个名为 SPECULOOS 的项目，即寻找凌日超冷恒星的宜居行星（the Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars）。 SPECULOOS是一个由帕拉纳尔天文台的四台机器人相机组成的系统。

SPECULOOS 的任务很简单：探测类地行星穿过我们太阳系附近的小而冷的恒星。 还有其他一些尝试来寻找红矮星并描述它们的种群特征。 HARPS-N 红矮星系外行星巡天（HARPS-N Red Dwarf Exoplanets Survey，HADES）分析了安静、年轻的 M型主序星的光谱。 久负盛名的哈勃太空望远镜也投入了宜居带和跨时间的M型主序星活动（Habitable Zones and M dwarf Activity across Time，HAZMAT）观测计划的工作。 由于红矮星数量众多，开普勒、苔丝（TESS ）和其他机构都将红矮星研究作为观测的一部分。

但 SPECULOOS 和其他望远镜没有能力详细研究红矮星。 它们探测到的行星成为更深入观测的目标，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）和强大的地面望远镜目前正在建设中。 这些望远镜可以研究这些行星的大气层并揭示更多关于宜居性的线索。

这篇新论文是缩小红矮星名单的一部分，以供JWST和其他机构进一步研究。 使用这些望远镜进行观测的时间需求量很大，因此确定能够回答特定问题的目标至关重要。 作者写道：“在为即将到来的观测做准备时，我们对所有可能的M型主序星行星气候及其宜居性前景的了解变得越来越重要。”对M型主序星的观测揭示了很多东西。 但天文学家对于这些恒星及其行星的宜居性的一些重要问题仍然没有明确的答案。 它们的耀斑是否太猛烈？ 它们是否会发出过多强大的紫外线和 X 射线辐射？ 它们是否会剥夺宜居带内恒星的大气层？

围绕红矮星的可居住性还有一个大问题：潮汐锁定，也叫同步旋转。

因为M型主序星的发光度不高，它们的宜居带比我们太阳这样的恒星更近。行星必须靠近M型主序星才能进入较小的宜居带中。但是这种接近使它们处于恒星的引力控制之下，无法旋转。因此，M型主序星宜居带中的行星可能被它们的母恒星潮汐锁定。一项新的研究检查了被潮汐锁定的M型主序星的行星，以了解什么条件可以使它们的晨昏圈宜居。这项研究是 “晨昏圈的宜居性： M型主序星上有限的水资源的论据（Terminator Habitability: The Case for Limited Water Availability on M-dwarf Planets）”，它已被接受在《天文学杂志（The Astronomical Journal）》上发表。主要作者是加州理工学院地质和行星科学部的博士生Ana Lobo。当一颗行星被母恒星潮汐锁定时，它就会产生行星科学家有时称之为行星眼球的区域。行星直接面对恒星的部分被加热，但在明暗交接线以外的部分则不被加热。这可以创造出一颗在行星眼球内有液态水但在其它地方的水是冰冻的行星。这篇论文的作者在其导言中解释了他们的研究重点。“以前的研究集中在部分宜居性局限于日下点或 “眼球”区域的情况，但在本文中，我们探讨了晨昏圈具有宜居性的行星的可能性，其定义是在炙热的永昼和冰冷的永夜之间存在一个宜居带。自从发现系外行星的早期，科学家们就一直想知道潮汐锁定的系外行星，以及它们如何可能是宜居的。如果一颗行星的大气层有足够的循环，永昼和永夜之间的极端温度可能并不极端。在有大量表面水的系外行星上，海洋热传输可能影响永昼和永夜的温度，有可能缓和温度。但是，什么样的水陆比可以创造一个宜居的晨昏圈？在这篇论文中，作者模拟了具有不同陆地和海洋覆盖率的系外行星。他们想确定该比率如何影响以晨昏圈为中心的环行星宜居带。

如果没有大气或海洋环流，这些被潮汐锁定的行星的永夜面可能会被冻成固体。 相反，在永昼，水蒸气浓度会永远不会消散，从而产生失控的温室效应。 但根据行星可以循环的热量多少，晨昏圈周围的宜居带可能更宽或更窄。

“在这篇论文中，”作者写道，“我们探索了M型主序星宜居带内缘的气候，以确定当永昼温度开始超过宜居极限时，宜居性分数如何变化。” 尽管没有严格定义的温度决定宜居性，但作者的研究范围是 0 ~ 50℃。

这篇论文重点关注一颗名为狮子座 AD（AD Leonis） 的特定恒星。 他们选择狮子座 AD 并不是因为有系外行星围绕它运行，而是因为它是一颗众所周知的恒星，是较明亮红矮星的代表，天文学家在红矮星中发现了大多数宜居带中的系外行星。 它也靠近太阳——距离只有 16 光年——所以相对容易观测。 （狮子座 AD 是一颗已知的耀斑星，但其耀斑活动不属于本研究的一部分。）

研究人员团队进行了两组模拟来探索晨昏圈的宜居性。 一组涉及水资源丰富的水生行星，另一组涉及水资源有限的陆地行星。 研究小组比较了这些结果，以研究这些行星是否宜居。

他们使用一颗名为 Aq34 的模拟行星作为起点，因为在这个模拟场景中，它有一个类似地球的太阳常数，并且大部分时间都是温和的昼面气候。

研究表明，一些变量产生了竞争效应。 例如，较高的平均行星温度会产生更多的水蒸气，而水蒸气可以充当温室气体。 但水蒸气的增加也意味着云层的增加。 这可以提高行星的反照率，反射更多的恒星能量并帮助其保持凉爽。

作者指出，对于一颗拥有宜居晨昏圈的行星来说，它的永昼和永夜温度之间必须有很大的波动。 他们写道：“根据定义，为了使晨昏圈宜居，行星必须维持较大的昼夜温度梯度。” 只有这种动力才能产生足够宽的晨昏圈区域来创造适宜居住的温度。

研究表明，模拟海洋行星无法产生宜居的晨昏圈区域。 其中一颗行星距离红矮星越近，其恒星通量就越高，从而减少了昼夜温差。 在永昼达到失控的温室效应之前，这些行星将产生均匀的气候。它们从未经历过终晨昏圈适合居住的状态。

水资源有限的行星表现不同。 作者解释说，随着恒星通量的增加，“……在不进入失控的温室状态的情况下，很容易实现大的昼夜温度梯度。” 这有助于创建一个适合居住的晨昏圈。 “我们还发现，水资源有限的陆地行星结构可能有利于长期气候稳定性，”这意味着晨昏圈可以长期宜居。

他们总结道：“我们发现，通过试图重现海洋覆盖的行星的水生行星模拟无法实现温带晨昏圈，但在水资源有限的陆地行星上却很容易出现。”

天文学家很难确定红矮星中行星的水含量。 径向速度研究可以测量行星对其恒星的牵引力，并在与尺寸测量相结合时可以提供对行星密度的一些了解。 密度较低的行星可能有更多的水。 但这些测量结果并不确定。

天文学家认为，水资源有限的系外行星可能比水资源丰富的行星更丰富，但需要更多的研究来巩固这一认识。 根据这项研究，如果这是真的，这对宜居性来说是个好兆头。 作者写道：“因此，晨昏圈的宜居性可能代表了宜居 M 型主序星行星的很大一部分。”

但如果在水资源有限的系外行星上更有可能存在宜居晨昏圈，这可能会影响生命存在的可能性。 毕竟生命需要水。 研究小组写道：“总的来说，这些模拟中缺乏丰富的地表水可能会对这些条件下生命的出现构成挑战。”

这些行星上存在一些令人困惑的变量。 如果可用的水被锁在行星永夜的冰川中怎么办？ 如果大气层太浓厚并且混合得十分有效使整个世界都太热怎么办？ 这些问题可以在一定程度上得到回答，但要通过更多的研究。

我们需要对红矮星行星及其陆地-海洋结构进行更多研究。 这项研究是一个很好的起点，可以帮助天文学家选择詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）后续观测的良好目标。 作者在最终评论中承认了他们的工作的局限性。

“我们预计，未来探索更广泛的陆地行星结构的研究，特别是那些使用未来几代表面和冰模型的研究，将在此处考虑的水资源有限和水生行星情况的中间制度中发现广泛的宜居晨昏圈情景。”

拓展阅读：Ana H. Lobo et al, Terminator Habitability: the Case for Limited Water Availability on M-dwarf Planets, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2212.06185

原文地址：Are planets tidally locked to red dwarfs habitable? It's complicated (phys.org)