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关于红矮星,与红矮星生命宜居带的讨论

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大家好!很高兴认识大家!
今天发个技术贴吧,以下内容是通过收集学术资料,和进行翻译写成的,纯手打。
讨论内容是:红矮星,以及红矮星周围是否适合生命的存在。内容比较多,虽然都已经写完了,但是整理发布比较费劲,敬请见谅。
红矮星镇楼。


IP属地:甘肃1楼2015-09-08 23:59回复
    前言:由于红矮星的研究大多数处于实验室阶段,与其它类型恒星相比缺乏实际的演化数据,因此数据的精确值可能会有上下的不确定性。


    IP属地:甘肃2楼2015-09-09 00:00
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      众所周知,红矮星是质量最小的恒星类型(“失败的恒星”褐矮星在此文章中不以恒星来看待),质量在0.075~0.6倍太阳质量之间。红矮星的几个非常突出的特点,让我们对红矮星有了很大的关注。分别是:
      1. 红矮星的寿命非常长。
      由于红矮星温度低(表面温度在4000开尔文以下),因此释放的能量也很少(目前发现的最大红矮星有:HD 179930, HIP 12961 and Lacaille 8760等,它们的能量释放也只有太阳的10%),有的红矮星甚至能燃烧上万亿年。相比之下,我们观测到的宇宙目前才137亿年。可见红矮星寿命之强大~
      2. 红矮星在星系中超广泛存在。
      这一点吧友大概都知道,即:银河系中有3/4的恒星都是红矮星~
      3. 红矮星具备生命存在的可能性。
      虽然有人说红矮星存在生命的可能性比橙矮星(像太阳这种)要低,但是与蓝巨星相比。。。还是可能性大得多的~这个我会在后面详细讨论。


      IP属地:甘肃3楼2015-09-09 00:00
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        红矮星简介

        上图是红矮星基本类型,第一是类型,第二列是质量(太阳质量为1),第三列是半径(太阳半径为1),第四列是光度(太阳光度为1),第五列是表面温度(开尔文)
        下图是太阳、红矮星、棕矮星、木星的比较图。其中红矮星的质量为太阳的58%,属于最大的红矮星了。


        IP属地:甘肃4楼2015-09-09 00:00
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          下图是目前发现的最小恒星列表,第一列为质量(太阳质量为1),第二列是质量(木星质量为1),第三列是光谱类型,第四列是温度。
          如图可见,目前发现的最小恒星质量都在0.08倍太阳质量左右,而低于0.08,高于0.075倍太阳质量的“恒星”,经过分析都属于褐矮星行列。因此,红矮星的质量下限在0.08倍太阳质量,84倍木星质量。


          IP属地:甘肃5楼2015-09-09 00:01
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            红矮星演化
            前言:由于红矮星的寿命太长,因此目前有关红矮星的未来演化模型都是根据现有的理论物理学进行计算机推演的。
            0.25倍太阳质量以下红矮星演化
            这类红矮星由于质量非常低,所以它的核心会以非常低的核聚变速率进行核聚变(通过PP过程进行氢核聚变)。
            与我们的太阳不太一样的是,对于低于0.35倍太阳质量的红矮星,它们主要通过热对流把能量从核心输送到表面(而太阳由于能量大,因此主要是热辐射方式进行能量的传输;另外0.25倍以上0.35倍以下质量红矮星热对流不充分,核心会有氦堆积),因此对于0.25倍太阳质量的红矮星中心生成的元素氦,无法在其内核进行有效的堆积。也就是说,氦核因为核聚变对流上升到恒星表面,于此同时恒星表面的氢也可以通过热对流进入红矮星内部进行核聚变——总结来说,红矮星可以更充分的对它的氢进行燃烧。当红矮星的氢经过长时间核聚变被消耗掉很大比例后,无法点燃氦聚变的红矮星会因为核聚变的减少而发生收缩,重力收缩所制造的热量、加上剩余氢聚变所制造的热量,会让红矮星体积变小的同时,温度上升,最终变成蓝矮星,随着氢聚变的结束(氢被耗尽),它会变成白矮星,并最终变成黑矮星。
            0.25倍太阳质量以上、0.5倍太阳质量以下红矮星演化
            对于质量略大的红矮星来说,它的演化与上述的红矮星演化略有不同。
            正如上文所述,0.25倍太阳质量以上的红矮星,内核都会有氦元素的堆积,因此在它们进行演化的过程中,氢核聚变反应会不断地向外层移动——形成红巨星(当然,这样的红巨星和太阳形成的红巨星相比,弱爆了)。这样的红巨星最大的特点,就是无法点燃氦聚变,因此不会有氦闪发生。虽然叫它们红巨星。。。。但实际上它们的体积可能还没有太阳大。
            最后附赠一张恒星演化的图片,太阳质量的恒星,从出生时的一片星云,到红巨星阶段的大小比较


            IP属地:甘肃6楼2015-09-09 00:01
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              红矮星周围是否适合生物存在?
              经过上面的分析,大家已经对红矮星有了一个初步的了解,即:它们更暗,因此想得到足够的能量,必须足够靠近恒星;它寿命更长,给了生命足够的时间发展;它的数量更多,给了生命更多的机会。
              那么,红矮星到底是否适合生命存在呢?我们将要从以下几个方面进行讨论。


              IP属地:甘肃7楼2015-09-09 00:01
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                红矮星的光度和光谱类型
                正如上面所说,红矮星的表面温度很低,因此光线也并不充足。举个上表的例子来看,一个太阳质量10%的红矮星,光度只有太阳的万分之一。
                另外,红矮星大量存在红外线,但是紫外线的含量非常的贫乏。因此对于生物来说,光合作用的速率会非常缓慢。若这样的行星上存在植物,则植物的叶子颜色可能不是绿色而是黑色——因为它们经过进化让自己具备了吸收各种光谱的能力。


                IP属地:甘肃8楼2015-09-09 00:02
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                  潮汐锁定
                  依然举10%太阳质量的红矮星为例,光度只有太阳的万分之一,因此行星距离红矮星必须达到地球距离太阳的百分之一,才能得到足够的热量,而这个距离……只有150万公里,地月距离才38万公里,太阳直径139万公里,这颗红矮星的直径大概20万公里。对于这么近距离的行星来说,肯定已经被红矮星潮汐锁定,只有一面对着红矮星了。
                  潮汐锁定,最恐怖的地方,就是,面向红矮星的一面,骄阳似火;而背向红矮星的一面却冰天雪地。
                  但这并不能阻止生命的存在。若该星球大量存在水资源,并且有很厚的大气层,则可以保证大气的充分对流,因此在行星的明暗结合处产生生命也并非不可能。
                  另外,对于稍微大一些的红矮星来说(如0.3倍太阳质量的红矮星,此时适合生命生存的地带为0.1~0.15天文单位,即1500万~2250万公里),若它的周围存在巨行星,并且该巨行星恰好有一个适合生存的卫星,则该卫星将拥有昼夜的区分(该卫星也被巨行星潮汐锁定,它公转一周即是一个昼夜);另外该巨行星的磁场也会对卫星起到很好的保护作用。


                  IP属地:甘肃9楼2015-09-09 00:02
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                    红矮星的不稳定性
                    这一点,可以说是红矮星最让人头疼的一点。红矮星和太阳相比,更不稳定。不稳定的原因是在它上面的黑子和耀斑所占的面积比,要比太阳大很多。红矮星的黑子经常会让红矮星的亮度降低40%甚至更多,这对于它周围的行星来说,无异于可怕的寒冬。而与此同时,伴随黑子而产生的耀斑,会在几分钟之内让红矮星的光度增加几倍,并且释放出大量的离子形成强烈的恒星风,这无疑对生命来说又是一次巨大的灾难。
                    根据目前的观测数据,越来越多的红矮星被发现具备这样的性质,我们称这一类红矮星为“flare star”。
                    即便如此,依然不能否定红矮星周围存在生命,因为正如上文中所说:如果存在生命的星球不是行星而是一颗巨星气态行星的卫星,则这个巨星气态行星的磁场会有效的保护卫星不受强烈恒星风的毁灭;而对于已经被潮汐锁定的行星来说,处于明暗交界处的动植物,由于浓密大气层的折射与反射作用,红矮星的闪烁也不会对他们的生存造成毁灭性影响。
                    与此同时,经过天文学家的深入观察,具备“耀星”特点的红矮星多数都是年轻的红矮星,当红矮星的寿命超过12亿年之后,红矮星会逐渐稳定下来,变成一颗温和的恒星——也许这正是一个孕育生命的最好的温床。


                    IP属地:甘肃10楼2015-09-09 00:03
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                      最后,我们来看一个红矮星周围行星的现实例子:Gliese 581 c
                      先说数据:
                      红矮星名称:Gliese 581
                      所属星座: 天秤座
                      距离地球: 20光年
                      恒星质量: 0.31倍太阳质量
                      恒星半径: 0.29倍太阳半径
                      温度: 3480K
                      光度: 0.002倍太阳光度(可见光)
                      光度: 0.013倍太阳光度(热辐射)
                      下图是Gliese 581与太阳之间的比较


                      IP属地:甘肃11楼2015-09-09 00:03
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                        Gliese 581 c就是这颗红矮星的第三颗行星:

                        如上图所示,其中,图中每一个正方形的网格代表0.05天文单位的距离。


                        IP属地:甘肃12楼2015-09-09 00:04
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                          虽然目前Gliese 581 c上存在生命的可能性已经被评估为低,但它上面存在生命的可能性依然存在。随着红矮星的探测逐渐加深,相信早晚有一天我们会发现存在生命的星球的!


                          IP属地:甘肃13楼2015-09-09 00:04
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                            最后,附赠潜在适合人类生存的行星列表一张:
                            ESI:地球相似指数。包括半径、密度、重力加速度和表面温度等数据。1代表和地球最相似。
                            SPH:标准适合生存指数。是否适合植物生存的指数,1代表最适合生存(哈哈,地球都不是1)。
                            HZD:适合生命存在的最适合区域。-1代表在最适合区域以内的最近界限,+1代表在最适合区域以外的最远界限,如图可知,金星、地球、火星都在范围以内,但是大气成分和行星质量让除了地球的另外两个行星悲剧了
                            HZC:适合生命存在成分。检查行星是否是 铁-岩石-水 的结构,-1以下表示行星的铁成分太多;+1以上表示行星可能是气态行星。相比之下,水星确实算是个大铁块儿哈~虽然没有超标
                            HZA:大气成分适合生命存在指数。-1以下表示大气太稀薄不适合生存;+1表示由氢构成的大气太厚,可能是气态巨行星。明显火星和水星都不达标,但是金星的数据有点儿奇怪。。。。



                            IP属地:甘肃14楼2015-09-09 00:05
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                              我们在外星生命的探索上继续前行着,并且多少可以肯定的是,红矮星上面即使存在生命,它们的生存环境也与地球的生存环境有很大的不同。
                              但是,我们依旧在分析与探测的道路上,相信更多的生命形式会被我们发现,最终发现一个热闹的宇宙。


                              IP属地:甘肃15楼2015-09-09 00:05
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