近年來(lái)，在太陽(yáng)附近的M型主序星（紅矮星）周圍發(fā)現(xiàn)的系外行星的數(shù)量已經(jīng)大大增加。在許多情況下，這些被確認(rèn)的行星是“類地行星?”，這意味著它們是巖石的，大小與地球相當(dāng)。這些發(fā)現(xiàn)特別令人興奮，因?yàn)榧t矮星是宇宙中最常見(jiàn)的恒星——僅在銀河系中就占了85%。

不幸的是，最近進(jìn)行的許多研究表明，這些行星可能不具備支持生命的必要條件。最新的研究來(lái)自哈佛大學(xué)，博士后研究員馬納斯維·林格姆?（Manasvi Lingam）和亞伯拉罕·勒布（Abraham Loeb）教授證明，M型恒星周圍的行星可能無(wú)法從其恒星獲得足夠的輻射來(lái)進(jìn)行光合作用。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，地球上的生命被認(rèn)為是在37億到41億年前（冥古宙晚期或太古宙早期）出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)地球的大氣對(duì)今天的生命來(lái)說(shuō)是有毒的。在29億到30億年前，開(kāi)始出現(xiàn)光合作用的細(xì)菌，并開(kāi)始用氧氣來(lái)豐富大氣。

結(jié)果，地球在大約23億年前經(jīng)歷了所謂的 “大氧化事件”。在這段時(shí)間里，光合生物逐漸將地球的大氣層從主要由二氧化碳和甲烷組成的大氣層轉(zhuǎn)化為由氮?dú)夂脱鯕饨M成的大氣層（分別約占78%和21%）。

有趣的是，其它形式的光合作用被認(rèn)為比葉綠素光合作用出現(xiàn)得更早。其中包括視黃醛光合作用，它出現(xiàn)在大約25億至37億年前，今天仍然存在于有限的生態(tài)位環(huán)境中。顧名思義，這個(gè)過(guò)程依靠視黃醛（一種紫色色素）來(lái)吸收可見(jiàn)光譜中黃綠色部分（400至500納米）的太陽(yáng)能。

還有一種無(wú)氧光合作用（二氧化碳和兩個(gè)水分子被處理成甲醛、水和氧氣），據(jù)信它完全早于有氧光合作用。不同類型的光合作用是如何以及何時(shí)出現(xiàn)的，是理解地球上的生命何時(shí)開(kāi)始的關(guān)鍵。正如勒布授通過(guò)電子郵件向《今日宇宙（Universe Today）》解釋的那樣：

“‘光合作用’的含義是通過(guò)光（光合）'拼合起來(lái)'（作用）。它是一個(gè)由植物、藻類或細(xì)菌使用的過(guò)程，將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為它們的活動(dòng)提供燃料。化學(xué)能量?jī)?chǔ)存在碳基分子中，這些分子由二氧化碳和水合成。這個(gè)過(guò)程經(jīng)常釋放出氧氣作為副產(chǎn)品，這是我們生存所必需的?？偟膩?lái)說(shuō)，光合作用為我們所知的地球上的生命提供所有的有機(jī)化合物和大部分必要的能量。光合作用在地球的進(jìn)化史上出現(xiàn)得比較早。”

諸如此類研究光合作用發(fā)揮的作用的研究不僅重要，還因?yàn)樗鼈儙椭覀兞私馍侨绾卧诘厍蛏铣霈F(xiàn)的。 此外，它們還可以幫助我們了解太陽(yáng)系外行星上是否會(huì)出現(xiàn)生命，以及在什么條件下會(huì)出現(xiàn)生命。

他們的研究題為“低質(zhì)量恒星周圍宜居行星的光合作用”，最近出現(xiàn)在網(wǎng)上，并被提交給英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)。為了進(jìn)行研究，林格姆和勒布試圖約束M型恒星的光子通量，以確定在圍繞紅矮星運(yùn)行的類地行星上是否可能進(jìn)行光合作用。正如勒布所說(shuō)：

“在我們的論文中，我們研究了在低質(zhì)量恒星周圍宜居區(qū)的行星上是否會(huì)發(fā)生光合作用。這個(gè)區(qū)域被定義為與恒星的距離范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，行星的表面溫度允許液態(tài)水和我們所知的生命化學(xué)物質(zhì)的存在。對(duì)于該區(qū)域的行星，我們計(jì)算了照亮其表面的紫外線（UV）通量，作為其宿主恒星質(zhì)量的函數(shù)。低質(zhì)量的恒星更冷，每單位輻射量產(chǎn)生的紫外線光子較少?！?/strong>

與最近涉及紅矮星的發(fā)現(xiàn)一致，他們的研究側(cè)重于 “類地行星”，即具有與地球相同的基本物理參數(shù)的行星——即半徑、質(zhì)量、成分、有效溫度、反照率等。由于對(duì)其它恒星周圍的光合作用的極限理論還不是很了解，他們也以與地球上的光合作用相同的極限為基礎(chǔ)——400至750納米之間。

由此，林格姆和勒布計(jì)算出，低質(zhì)量的M型主序星將無(wú)法超過(guò)確保類似于地球的生物圈所需的最低紫外線通量。正如勒布所解釋：

“這意味著過(guò)去幾年在附近的比鄰星（距離太陽(yáng)最近的恒星，4光年，0.12倍太陽(yáng)質(zhì)量，有一顆位于宜居帶的行星比鄰星b）和特拉比斯特-1（TRAPPIST-1，40光年，0.09倍太陽(yáng)質(zhì)量，有三顆位于宜居帶的行星特拉比斯特-1e，f，g）周圍發(fā)現(xiàn)的宜居行星可能沒(méi)有類地生物圈。更為普遍的是，對(duì)凌日行星大氣成分的光譜研究（如特拉比斯特-1）不太可能發(fā)現(xiàn)可檢測(cè)水平的生物標(biāo)志物，如氧氣或臭氧。如果發(fā)現(xiàn)了氧氣，其來(lái)源很可能是非生物產(chǎn)生的?！?/strong>

當(dāng)然，這種分析也有局限性。如前所述，林格姆和勒布指出，其他恒星周圍光合作用的極限理論并不為人所知。在我們更多地了解行星狀況和 M 型恒星周圍的輻射環(huán)境之前，科學(xué)家們將被迫使用基于我們自己星球的指標(biāo)。

其次，還有一個(gè)事實(shí)是，與我們的太陽(yáng)相比，M型恒星是多變的和不穩(wěn)定的，并且會(huì)經(jīng)歷周期性的爆發(fā)。引用其它研究，林格姆和勒布指出，這些可能對(duì)一個(gè)星球的生物圈有積極和消極的影響。簡(jiǎn)而言之，恒星耀斑可以提供額外的紫外線輻射，這將有助于觸發(fā)生命起源前的化學(xué)反應(yīng)，但也可能對(duì)行星的大氣層不利。

然而，除非對(duì)圍繞紅矮星運(yùn)行的太陽(yáng)系外行星進(jìn)行更深入的研究，否則科學(xué)家將不得不依靠現(xiàn)有理論去評(píng)估這些行星上存在生命的可能性。至于這項(xiàng)研究中提出的發(fā)現(xiàn)，它們?cè)俅伪砻骷t矮星系統(tǒng)可能不是最有可能找到宜居世界的地方。

如果是真的，這些發(fā)現(xiàn)也可能對(duì)尋找地外智能（SETI）產(chǎn)生巨大的影響?！坝捎诠夂献饔卯a(chǎn)生的氧氣是復(fù)雜生命（如地球上的人類）的先決條件，它也將是技術(shù)智能進(jìn)化的需要，”勒布說(shuō)。“反過(guò)來(lái)，后者的出現(xiàn)開(kāi)啟了通過(guò)無(wú)線電信號(hào)或巨型人造物等技術(shù)特征尋找生命的可能。”

目前，對(duì)宜居行星和生命的搜索繼續(xù)受到理論模型的影響，告訴我們應(yīng)該注意什么。同時(shí)，這些模型繼續(xù)基于 "我們所知道的生命"——即類地行星和陸地物種作為例。幸運(yùn)的是，得益于下一代儀器的發(fā)展，天文學(xué)家們期望在未來(lái)幾年里能了解到更多的東西。

拓展閱讀

Manasvi Lingam, Abraham Loeb. Photosynthesis on habitable planets around low-mass stars. arXiv:1901.01270 [astro-ph.EP]. arxiv.org/abs/1901.01270??期刊信息：英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)?

關(guān)于作者

馬特·威廉姆斯（Matt Williams）是《今日宇宙》和《有趣的工程》的太空記者和科學(xué)通訊員。他也是一位科幻小說(shuō)作家、播客（太空故事）和跆拳道教練，與他的妻子和家人住在溫哥華島。

原文鏈接

Habitable planets around red dwarf stars might not get enough photons to support plant life (phys.org)

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