紅矮星有些咄咄逼人。人類的眼睛已經(jīng)習(xí)慣了仁慈的黃色太陽和它照耀在我們輝煌的、充滿生命的星球上的溫暖光芒。但紅矮星看起來喜怒無常、脾氣暴躁，甚至是不祥之兆。

在很長一段時(shí)間里，它們都很平靜，但隨后就會猛烈地爆發(fā)，向任何可能在附近星球上立足的生命發(fā)出警告。

紅矮星（?M 型主序星）是銀河系中最常見的恒星類型。這意味著大多數(shù)系外行星都圍繞著紅矮星運(yùn)行，而不是像太陽這樣乖巧的G型主序星。隨著天文學(xué)家對紅矮星研究的深入，他們發(fā)現(xiàn)就系外行星的宜居性而言，紅矮星可能不是最好的恒星宿主。多項(xiàng)研究表明，紅矮星會發(fā)生劇烈的耀斑，釋放出足夠強(qiáng)大的輻射，使附近的行星無法居住，即使它們穩(wěn)穩(wěn)地位于潛在的宜居帶中。

但是，天文學(xué)家對紅矮星及其暴躁的本性還有很多不了解的地方。一項(xiàng)新的研究考察了 177 顆 M 型主序星，以更好地了解它們的長期變化性。研究人員發(fā)現(xiàn)，紅矮星的行為比想象的要復(fù)雜，即使是最安靜的紅矮星也比太陽更暴躁。

這項(xiàng)研究的題目是 “?M 型主序星的恒星活動特征。I. 大樣本中的長時(shí)間尺度變化性和新周期的探測（Characterisation of stellar activity of M dwarfs. I. Long-timescale variability in a large sample and detection of new cycles）。”論文將發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)（Astronomy and Astrophysics）》雜志上，并可在預(yù)印本服務(wù)器 arXiv 上查閱。論文的第一作者是來自格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)和法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）的博士后研究員露西爾·米農(nóng)（Lucile Mignon）。

所有恒星都有或多或少的變化。太陽以 11 年為一個(gè)周期，在此期間，恒星表面的太陽黑子數(shù)量時(shí)多時(shí)少。這都與磁場活動有關(guān)。但是，宜居住性取決于更長期的恒星活動周期。生命的發(fā)展需要比幾年更長的時(shí)間。地球上的生命需要數(shù)十億年才能真正開始。

這也是天體物理學(xué)家對紅矮星及其長期變化性感興趣的原因之一。地球上的生命出現(xiàn)于大約 35 億年前，但復(fù)雜生命直到大約 5.4 億年前的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)才真正出現(xiàn)。如果生命在總體上遵循類似的時(shí)間框架，那么紅矮星的變化性是否會阻礙生命的延續(xù)？

觀測紅矮星并得出結(jié)論是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。我們可以非常詳細(xì)地觀測我們的太陽，尤其是近年來。包括帕克太陽探測器、太陽軌道器、太陽和日光層軌道器等在內(nèi)的一系列航天器都致力于對太陽進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測。我們還對太陽及其活動進(jìn)行了長期觀測。

遺憾的是，我們還無法對單個(gè)紅矮星進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測。相反，研究人員只能使用跨越幾十年左右的數(shù)據(jù)集。在這項(xiàng)新研究中，米農(nóng)和她的合著者研究了 HARPS（High Accuracy Radial velocity Planet Searcher，高精度徑向速度行星搜索器）從 2003 年到 2020 年觀測到的 177 顆 M 型主序星。在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的活動包含了這些恒星在更長時(shí)期內(nèi)表現(xiàn)的線索。

HARPS 本質(zhì)上是一個(gè)光譜儀，本研究的作者從中獲得了紅矮星的色球輻射。色球發(fā)射源于恒星的磁場活動而非內(nèi)部的核聚變。耀斑是磁場活動的產(chǎn)物，因此研究耀斑就意味著研究恒星的色球?qū)印Ｑ芯啃〗M還在分析色球輻射的同時(shí)分析了紅矮星的光度特征。

研究紅矮星變化性的困難在于我們有限的長期數(shù)據(jù)。他們解釋說：“要明確識別一個(gè)周期，就必須測量出它在幾個(gè)周期內(nèi)的重復(fù)情況。這就需要長期采集數(shù)據(jù)。”

由于缺乏這種數(shù)據(jù)，研究人員提出了所謂“季節(jié)”的概念。通過識別單個(gè)恒星的季節(jié)，他們可以更好地分析數(shù)據(jù)。他們解釋說：“我們將這些季節(jié)定義為 150 天的區(qū)間（以盡可能地平均旋轉(zhuǎn)調(diào)制?）至少有 5 次觀測（150 天是 M?型主序星自轉(zhuǎn)周期的典型上限），并且在 150 天的區(qū)間內(nèi)觀測之間的間隔短于 40 天。

這樣就確定了一個(gè)包含 57 顆恒星的子樣本。

結(jié)果表明，變化性是 M?型主序星的一個(gè)決定性特征。研究人員寫道：“我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)恒星都有明顯的變化性，即使是最安靜的恒星也不例外。我們樣本中的大多數(shù)恒星（75％）都表現(xiàn)出長期變化，這主要通過線性或二次變化表現(xiàn)出來，盡管真實(shí)的行為可能更復(fù)雜?！?/span> （線性變化性更簡單，而二次變化性則表明有一個(gè)循環(huán)）。

研究人員在樣本中發(fā)現(xiàn)了從幾年到 20 多年不等的周期。但他們很快指出，他們的發(fā)現(xiàn)有局限性，他們的研究只是朝著更好地了解紅矮星邁出的第一步。對于許多恒星來說，有強(qiáng)烈的跡象表明存在長期的可變性。“……如果采樣得更好，采樣得更好的恒星可能會表現(xiàn)出更復(fù)雜的行為，”他們寫道。 但他們的結(jié)果仍然“……表明長期變化性的強(qiáng)烈存在，并且表明這些恒星具有很強(qiáng)的長期變化性，這在尋找系外行星時(shí)非常重要。”

可能有多層的循環(huán)和變化相互影響，使得恒星的行為很難破譯。作者寫道，它們令人費(fèi)解的行為“......可能是由于在不同時(shí)間尺度上同時(shí)存在復(fù)雜的潛在變化性。”

研究人員說，即使數(shù)據(jù)有限，他們還是取得了進(jìn)展?！比欢词箤δ承┖阈堑臅r(shí)間覆蓋不夠充分，我們的數(shù)據(jù)也可以用來估算存在的最短周期?！暗行┙Y(jié)論暫時(shí)還無法得出。他們的分析“......不足以保證信號是周期性的，甚至是準(zhǔn)周期性的。”

關(guān)于紅矮星的宜居性，目前還沒有一個(gè)明確的答案。也許就像這項(xiàng)研究暗示的那樣，紅矮星之間存在著太多的變化，以至于它們永遠(yuǎn)都無法預(yù)測。不過，科學(xué)界也不排除會發(fā)現(xiàn)更多細(xì)節(jié)。

紅矮星耀斑是有據(jù)可查的。迄今探測到的最強(qiáng)大的恒星耀斑就來自一顆紅矮星。2019年，半人馬座比鄰星（Proxima Centauri），一顆紅矮星，也是我們最近的恒星鄰居，發(fā)出的耀斑亮度是其耀斑前恒星亮度的14000倍，而它只用了幾秒鐘就發(fā)出了如此明亮的耀斑。系外行星比鄰星b位于該恒星的潛在宜居帶內(nèi)，如此明亮的耀斑可能會消除該行星上存在生命甚至液態(tài)水的可能性。即使比鄰星每一百萬年，甚至更長的時(shí)間出現(xiàn)一次如此耀眼的耀斑，也會消除生命存在的可能性。

在其它行星上尋找生命或宜居性時(shí)，對紅矮星的關(guān)注是不可避免地要包括在內(nèi)的。它們的豐度意味著必須對它們進(jìn)行更深入的研究。最終的結(jié)果可能是，許多我們認(rèn)為宜居的行星，比如眾所周知的特拉比斯特-1（TRAPPIST-1）行星系，只是受到了來自紅矮星宿主的過多輻射。它們的變化性越大，生命在紅矮星周圍的系外行星上持續(xù)存在甚至繁衍的可能性就越小。

原文作者：Evan Gough，2023年3月15日在?Universe Today 發(fā)表

原文地址：Even the calmest red dwarfs are wilder than the sun, reveals paper (phys.org)

拓展閱讀：L. Mignon et al, Characterisation of stellar activity of M dwarfs. I. Long-timescale variability in a large sample and detection of new cycles,?arXiv?(2023).?DOI: 10.48550/arxiv.2303.03998