带有强风的冷恒星威胁着系外行星大气层

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艺术家对恒星-行星-系统的插图。恒星周围的恒星风和对行星大气的影响是可见的。信用:AIP/ K. Riebe/ J. Fohlmeister

据波茨坦莱布尼茨天体物理研究所：利用最先进的数值模拟，由波茨坦莱布尼茨天体物理研究所(AIP)的科学家领导的一项研究首次获得了冷恒星样本中恒星风属性的系统表征。他们发现磁场更强的恒星会产生更强的风。这些风为行星大气层的生存创造了不利条件，从而影响了这些系统可能的可居住性。

太阳是宇宙中最丰富的恒星之一，被称为“冷星”这些恒星被分为大小、温度和亮度不同的四类(F、G、K和M型)。太阳是一颗相当普通的恒星，属于g类。比太阳更亮更大的恒星属于F类，而K星比太阳略小更冷。最小和最暗的恒星是M星，由于它们发出大部分光的颜色，也被称为“红矮星”。

卫星观测显示，除了光之外，太阳还发出一种持续的粒子流，称为太阳风。这些风穿越行星际空间，与包括地球在内的太阳系行星相互作用。南极和北极附近美丽的极光实际上就是由这种相互作用产生的。然而，这些风也可能是有害的，因为它们会侵蚀稳定的行星大气，就像火星上的情况一样。

虽然我们对太阳风有了更多的了解——部分归功于诸如太阳轨道飞行器之类的任务——但对其他冷恒星来说，情况并非如此。问题是我们不能直接看到这些恒星风，这限制了我们研究它们对填充星系中恒星之间空腔的稀薄气体的影响。然而，这种方法有几个局限性，只适用于少数恒星。这促使人们使用计算机模拟和模型来预测恒星风的各种特性，而不需要天文学家去观察它们。

在这种情况下，博士生Judy Chebly、科学家Julián D. Alvarado-Gómez博士和AIP恒星物理学和系外行星部门的负责人Katja Poppenh? ger教授与哈佛&史密森尼安天体物理学中心的Cecilia Garraffo合作，对F、G、K和M恒星的恒星风特性进行了首次系统研究。

为此，他们使用了数值模拟，其中采用了目前可用的最复杂的模型之一，由观测到的21颗观测良好的恒星的大规模磁场分布驱动。这些模拟是在AIP和Leibniz Rechenzentrum (LRZ)的超级计算设备上进行的。这些发现发表在皇家天文学会月刊上。

该团队研究了恒星的属性，如重力、磁场强度和自转周期，如何影响速度或密度方面的风特性。这些结果包括跨光谱类型的恒星风特性的综合表征，除其他结果外，这些结果表明，在根据观测结果估计相关质量损失率时，需要重新考虑以前对恒星风速的假设。此外，模拟允许预测Alfvén表面的预期大小——恒星日冕和恒星风之间的边界。

这一信息对于确定行星系统是否可能受到强磁场恒星-行星相互作用的影响至关重要，当行星轨道进入或完全嵌入其宿主恒星的Alfvén表面时，就会发生这种相互作用。

他们的发现表明，磁场大于太阳的恒星有更快的风速。在某些情况下，恒星风速可能比平均太阳风速快五倍，平均太阳风速通常为450公里/秒。该调查获得了对这些恒星在所谓的“可居住区”的风有多强的评估，可居住区定义为岩石系外行星在类似地球的大气压力下可以维持表面液态水的轨道距离。

他们发现F型和G型恒星周围的条件较温和，与地球在G型太阳周围经历的情况相当，而K型和M型恒星的风环境越来越恶劣。如此强烈的恒星风强烈地影响着行星上任何潜在的大气。

这种现象在岩石行星和太阳之间的太阳物理学中有很好的记录，但在系外行星系统中却没有。这需要估计恒星风来评估类似于我们在太阳风和行星大气之间看到的过程。F到M主序恒星的星风信息以前是未知的，这使得这项研究在可居住性方面很重要。

本文介绍的工作是对21颗恒星进行的，但其结果是普遍的，足以应用于其他冷主序星。这项调查为未来研究恒星风观测及其对行星大气侵蚀的影响铺平了道路。