紫外线宜居带可能为生命的形成设定时间限制

过去 20 年来，太阳系外行星研究领域呈指数级增长。得益于开普勒、凌日系外行星勘测卫星 (TESS) 等任务以及其他专用天文台，天文学家已在 4,243 个恒星系统中确认了 5,690 颗系外行星。

由于有如此多的行星和系统可供研究，科学家不得不重新考虑许多以前关于行星形成和演化以及生命生存所需条件的观念。在后一种情况下，科学家一直在重新思考太阳系宜居带 (CHZ) 的概念。

根据定义，CHZ 是恒星周围的区域，在该区域内，行星的运行温度足以维持其表面的液态水。随着恒星随时间演化，其辐射和热量会根据其质量而增加或减少，从而改变 CHZ 的边界。

在最近的一项研究中，意大利国家天体物理研究所 (INAF) 的天文学家团队考虑了恒星的演化如何影响其紫外线辐射。由于紫外线似乎对我们所知的生命的出现很重要，他们考虑了恒星的紫外宜居区 (UHZ) 和 CHZ 的演化如何交织在一起。

研究小组由巴勒莫天文台的 INAF 研究员 Riccardo Spinelli 领导。他的团队成员包括来自国家核物理研究所 (INFN)、伊苏布里亚大学和布雷拉天文台的天文学家。

他们的论文《紫外线宜居区的时间演变》最近发表在《皇家天文学会月刊：快报》上。

正如斯皮内利通过电子邮件告诉《今日宇宙》的那样，UHZ 是恒星周围的环形区域，行星在此区域接收足够的紫外线辐射来触发 RNA 前体的形成，但不会多到破坏生物分子。“这个区域主要取决于恒星的紫外线亮度，随着时间的推移，紫外线亮度会降低，”他说。“因此，在恒星演化的早期阶段，紫外线宜居区距离恒星较远，随着时间的推移逐渐靠近恒星。”

天文学家早已知道，由于恒星的光度和热量输出会发生变化，CHZ 也会发生演化，这些变化会随着恒星的质量而增加或减少。解决这两个宜居带之间的相互作用可以揭示哪些系外行星最有可能适合我们所知的生命“居住”。

正如斯皮内利所解释的那样，“我们仍然不知道地球上的生命是如何起源的，但我们有一些线索表明紫外线 (UV) 辐射可能发挥了至关重要的作用。实验研究，例如保罗·里默和约翰·萨瑟兰在 2018 年进行的研究，提供了重要的见解。在他们的实验中，里默和萨瑟兰将水中的氢氰酸和亚硫酸氢根离子暴露在紫外线下，发现这种暴露有效地触发了 RNA 前体的形成。

“如果没有紫外线，同样的混合物就会变成惰性化合物，无法形成生命的基石。此外，RNA 表现出对紫外线损伤的抵抗力，表明它很可能是在富含紫外线的环境中形成的。事实上，紫外线是早期地球表面最丰富的无化学能量来源之一，这表明它可能在生命的出现中发挥了至关重要的作用。”

为了实现这一目标，斯皮内利和他的同事们试图确定 CHZ 和 UVZ 是否会重叠(以及重叠多长时间)，从而促进生命的出现。为此，该团队分析了美国宇航局的快速紫外/光学望远镜 (UVOT) 的数据，以测量位于“经典”HZ 中的系外行星恒星的当前紫外线光度。

随后，他们查阅了美国宇航局星系演化探测器 (GALEX) 的数据，这是一台轨道空间望远镜，一直在紫外线波长下观测距离我们最远 100 亿年的星系。

他们从 GALEX 中整合了移动的年轻恒星群在近紫外光度方面的演化情况。“为了估计紫外宜居区随时间的演化，我们使用了 Richey-Yowell 等人 2023 年获得的结果，”Spinelli 说。“在这项工作中，作者推导出每种类型恒星的平均紫外光度演化。在我们的工作中，我们结合 Richey-Yowell 等人 2023 年得出的平均演化结果和使用 Swift 望远镜进行的测量，重建了经典宜居区内行星恒星的紫外亮度演化。”

由此，他们确定 CHZ 和 UHZ 的演化存在重叠。这些结果对于 M 型(红矮星)恒星尤其重要，因为已发现许多岩石行星在其 CHZ 内运行。先前的研究(包括Spinelli 和许多同事于2023 年发表的一篇论文)表明，M 型矮星目前没有接收近紫外辐射来支持生命出现所必需的生命起源化学反应。然而，他们在这篇最新论文中得出的结论与他们之前的发现相矛盾。

斯皮内利说：“我们断言，当研究 M 型矮星的近紫外光度演变时，大多数冷恒星确实能够在其生命周期的前 10 至 20 亿年内发射适量的近紫外光子，从而触发生命重要组成部分的形成。

“我们的研究结果表明，生命起源的条件(根据我们所考虑的特定生命起源途径)可能在星系中很常见，或者曾经很常见。事实上，在这项研究中，我们证明了在我们样本的所有恒星周围，在其生命的不同阶段，经典宜居区和紫外线宜居区之间的交汇点都可能存在(或可能存在)，除了最冷的 M 矮星(温度低于 2,800 K，尤其是 Trappist-1 和 Teegarden 恒星)。”

虽然对于那些希望在 TRAPPIST-1 的七颗岩石行星上找到生命的人来说，这可能有点令人失望，但对于其他 M 型恒星在其 HZ 中拥有岩石行星的人来说，这是一个很好的预兆。这包括距离太阳系最近的系外行星 (Proxima b)、罗斯 128 b、鲁伊顿 b、格利泽 667 Cc 和格利泽 180 b，它们都在距离地球 40 光年以内。

这些发现可能对系外行星和天体生物学研究产生重要影响，这些研究近年来已从发现转向表征。

这些领域将受益于下一代望远镜，如韦伯望远镜、南希格雷斯罗曼太空望远镜和地面观测站，这些望远镜将能够对系外行星进行直接成像研究。

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