一颗潜在宜居系外行星可能遭受大气层破坏

天体物理学家在其恒星宜居带研究一颗受欢迎的系外行星时发现，该行星高层大气中的电流可以产生足够的热量，使大气层膨胀到足以离开该行星，从而可能使该行星无法居住。

到目前为止，行星科学家一直认为宜居行星周围需要强大的磁场作为屏蔽，引导恒星风中的电离粒子、X射线和紫外线辐射围绕其大气层并远离其大气层。

这就是地球上发生的情况，防止危险的辐射到达地表生命，而火星上则不会发生这种情况，火星现在缺乏全球磁场，这意味着这颗红色星球的任何最初居民可能需要生活在地下洞穴和洞穴中用于太阳风防护。

马萨诸塞州洛厄尔大学洛厄尔空间科学与技术中心的奥弗·科恩及其同事发表在《天体物理学杂志》上的这项新研究，研究了系外行星Trappist-1e电离层中产生的电流是否会导致足够的热量大气层的膨胀可能会脱离地球的引力并消失在太空中。

TRAPPIST-1e是水瓶座一颗很酷的M矮星，距离地球约41光年。它的行星系统有七颗被观测到的系外行星，是我们太阳系之外研究最深入的系统。

其中三颗行星位于恒星的宜居带，其表面温度可能存在液态水。由于M型矮星(约占宇宙中70%的恒星)比太阳温度低，因此这些区域距离这些恒星更近。

Trappist-1e是一颗于2017年发现的系外行星，其轨道距其恒星仅0.028个天文单位(其中1个天文单位是太阳到地球的平均距离;水星的轨道约为0.4个天文单位)。岩石与地球类似，其平均密度仅比地球大2%，表面重力为82%。更重要的是，它的平衡温度为246开尔文，仅比地球温度低9K。

这些特性使Trappist-1e成为迄今为止发现的所有系外行星中最有趣的之一。但有气氛吗?因为它距离恒星更近，所以恒星风对大气的剥离应该比没有大气层的水星强得多。

早期的研究表明，来自Trappist-1的恒星风可能会通过光蒸发从系外行星上剥离富含氢的大气层，但建模的复杂性意味着这些行星可能拥有大量的大气环境。

但另一种潜在的剥离机制是当外部带电恒星风撞击电离的高层大气时。在早期的工作中，科恩和其他人发现，当每颗行星的电导和阻抗大小相似时，三颗特拉普系外行星e、f和g可能会经历每平方米高达1瓦的直流(DC)电阻加热，1入射太阳辐照度的%，是极紫外辐射恒星能量的5至15倍。这种“焦耳加热”可能会剥夺这些行星的大气层。(在地球上，焦耳热约为0.01W/m2。)

现在，科恩和同事模拟了第二种也可能影响Trappist-1行星大气层的现象：行星运动本身造成的加热。当行星绕其恒星运行时，当行星的高层大气遇到不断变化的恒星磁场时，将会产生交变电流(AC)(法拉第感应定律)。

近距离行星的轨道运行速度非常快——Trappist-1e的轨道周期仅为6.1个地球日——背景磁场的快速变化导致产生强大的电离层电流，这些电流消散并产生潜在的非常高的热量，他们称之为电压-驱动焦耳加热。

由于天文学家无法测量Trappist-1的恒星风和磁场，该小组使用经过验证的基于物理的模型来计算其能量输出、太阳风以及Trappist-1e距离处不断变化的磁场。通过对Trappist1e电离层宽度、电导率和变化磁场强度的合理估计，他们的结果表明，行星高层大气中的焦耳热能通量将在0.01至100W/m2之间变化，a大量的热量可能比地球上的极紫外线和恒星能量通量的1%到10%还要大。

他们的结论是，如此强烈的值可能会导致强烈的大气逃逸，并“可能导致大气层的迅速流失”。这意味着天体生物学家和其他人在考虑系外行星的宜居性时应该考虑焦耳热。

科恩说：“这两种机制很可能在近距离的系外行星上一起运作。”“因此，我们的工作(以及我们的太阳系知识)可能表明，距离恒星非常近的系外行星很可能是没有大气层的裸露行星。”

科恩指出，他们的工作具有政治元素，因为许多团队正在调查Trappist-1行星的大气层。詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)已经开始观测该系统的行星大气层(没有发现任何结果)，并且计划进行更多观测。科恩说：“如果没有研究氛围，这可能有点浪费资源。”

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