一项突破性研究揭示，具有强磁场的冷恒星会产生强大的恒星风，这是评估系外行星系统宜居性的关键信息。由波茨坦莱布尼兹天体物理研究所（AIP）科学家领导的一项研究利用最先进的数值模拟，首次系统地描述了冷恒星样本中恒星风的特性。他们发现，磁场更强的恒星会产生更强大的风。这些风为行星大气的生存创造了不利条件，从而影响了这些系统的可居住性。
艺术家绘制的恒星-行星系统插图。恒星周围的恒星风以及对行星大气层的影响清晰可见。图片来源：AIP/ K. Riebe/ J. Fohlmeister 编辑
太阳是宇宙中最丰富的恒星之一，被称为"冷恒星"。这些恒星分为四类（F、G、K 和 M 型），它们的大小、温度和亮度各不相同。比太阳更亮、更大的恒星属于 F 类，而 K 类恒星比太阳稍小、温度稍低。最小、最暗的恒星是 M 星，也被称为"红矮星"，因为它们发出的大部分光都是红色的。
卫星观测发现，除了光之外，太阳还持续释放出一种被称为太阳风的粒子流。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。南北极附近美丽的极光就是在这种相互作用下产生的。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层，火星上的情况就是如此。
虽然我们对太阳风已经有了很多了解--这在一定程度上要归功于太阳轨道器等任务--但其他冷恒星的情况却并非如此。问题是我们无法直接看到这些恒星风，因此只能研究它们对银河系恒星之间空腔中稀薄气体的影响。然而，这种方法有一些局限性，而且只适用于少数恒星。这就促使我们使用计算机模拟和模型来预测恒星风的各种特性，而不需要天文学家对它们进行观测。
在这种情况下，AIP恒星物理和系外行星部门的博士生Judy Chebly、科学家Julián D. Alvarado-Gómez博士和部门负责人Katja Poppenhäger教授与哈佛大学和史密森天体物理中心的Cecilia Garraffo合作，对F、G、K和M恒星预期的恒星风特性进行了首次系统研究。
为此，他们利用目前最复杂的模型之一进行了数值模拟，由观测到的 21 颗恒星的大尺度磁场分布驱动。模拟在 AIP 和 Leibniz Rechenzentrum (LRZ) 的超级计算设施中进行。
研究小组研究了恒星的特性，如重力、磁场强度和自转周期，如何影响风的速度或密度特征。研究结果包括对不同光谱类型恒星风特性的全面描述，其中一项结果表明，在根据观测结果估算相关质量损失率时，有必要重新审视以前对恒星风速的假设。
此外，模拟还可以预测阿尔弗文表面--恒星日冕和恒星风之间的边界--的预期大小。这些信息对于确定行星系统是否会受到强磁星-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宿主恒星的阿尔弗文表面时，就会发生强磁星-行星相互作用。
对行星系统的影响
他们的研究结果表明，磁场大于太阳的恒星具有更快的风。在某些情况下，恒星风速可比太阳风的平均速度快五倍，而太阳风的平均速度通常为 450 千米/秒。这项调查评估了这些恒星在所谓的"宜居带"上的风速有多大。"宜居带"的定义是，如果有类似地球的大气压力，岩质系外行星可以维持表面液态水的轨道距离。他们发现 F 型和 G 型恒星周围的环境比较温和，与地球在 G 型太阳周围的环境相当，而 K 型和 M 型恒星周围的风环境则越来越恶劣。这种强烈的恒星风对行星可能拥有的大气层有很大影响。
这种现象在岩石行星与太阳之间的太阳物理学中得到了很好的记录，但在系外行星系统中却没有。这就需要对恒星风进行估计，以评估与我们在太阳风和行星大气之间看到的过程类似的过程。有关 F 至 M 主序星的恒星风信息以前是未知的，因此这项研究在宜居性方面非常重要。
本文介绍的工作是针对21颗恒星进行的，但其结果具有足够的普遍性，可以应用于其他冷主序恒星。这项调查为今后研究恒星风观测及其对行星大气侵蚀的影响铺平了道路。
参考文献：《冷主序恒星风特性的数值量化》，作者：Judy J Chebly、Julián D Alvarado-Gómez、Katja Poppenhäger和Cecilia Garraffo，2023年7月19日，《皇家天文学会月刊》。
DOI: 10.1093/mnras/stad2100
编译来源：ScitechDaily