紫外线宜居带为生命的形成设定了时间限制

在过去的二十年里，系外行星的研究领域呈指数级增长。由于开普勒、凌日系外行星测量卫星（TESS）和其他专门的天文台等任务，天文学家已经在4243个恒星系统中确认了5690颗系外行星。由于有如此多的行星和系统可供研究，科学家们不得不重新考虑许多以前关于行星形成和演化的观念，以及什么条件是生命所必需的。在后一种情况下，科学家们一直在重新思考环绕太阳宜居带（CHZ）的概念。

根据定义，CHZ是恒星周围的区域，在那里，轨道行星的温度足以使其表面保持液态水。随着时间的推移，恒星的辐射和热量会随着质量的变化而增加或减少，从而改变CHZ的边界。在最近的一项研究中，来自意大利国家天体物理研究所（INAF）的一组天文学家考虑了恒星的演化如何影响它们的紫外线辐射。正如我们所知，紫外线似乎对生命的出现很重要，因此他们考虑了恒星的紫外线宜居带（UHZ）和CHZ的演变如何交织在一起。

该研究小组由来自巴勒莫天文台的INAF研究员里卡多·斯皮内利领导。来自国家核物理研究所（INFN）、因苏布里亚大学和布雷拉天文台的天文学家也加入了他的行列。他们的论文《紫外线宜居带的时间演变》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表达的那样，UHZ是恒星周围的环状区域，在这里，行星受到足够的紫外线辐射，可以触发RNA前体的形成，但又不至于破坏生物分子。他说：“这个区域主要取决于恒星的紫外线亮度，而紫外线亮度会随着时间的推移而降低。因此，在恒星演化的早期阶段，紫外线宜居带离恒星更远，并随着时间的推移逐渐靠近恒星。”

天文学家早就知道，由于恒星的亮度和热量输出的变化，CHZ也会随着时间的推移而增加或减少，这取决于恒星的质量。解决这两个宜居带的相互作用，可以揭示哪些系外行星最有可能“潜在宜居”我们所知道的生命。斯皮内利解释道：

“我们仍然不知道生命是如何在地球上起源的，但我们有一些线索表明紫外线辐射可能起了至关重要的作用。实验研究，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氰化氢和亚硫酸氢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，同样的混合物会产生一种惰性化合物，无法形成生命的基石。此外，RNA显示出对紫外线辐射损伤的抵抗力，这表明它可能是在富含紫外线的环境中形成的。事实上，紫外线辐射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。”

为此，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，该团队分析了美国国家航空航天局Swift紫外线/光学望远镜（UVOT）的数据，以测量位于“经典”HZ的系外行星恒星的当前紫外线光度。然后，他们参考了美国宇航局的星系演化探测器（GALEX）的数据，这是一架轨道空间望远镜，一直在观察100亿年前的星系的紫外线波长。

从GALEX中，他们结合了移动的年轻恒星群是如何在接近紫外线的亮度下进化的。斯皮内利说：“为了估计紫外线宜居带的时间演变，我们使用了里奇-约威尔等人在2023年获得的结果。”在这项工作中，作者得出了每种类型恒星的平均紫外光度演变。在我们的工作中，我们通过结合里奇-约威尔等人2023年得出的平均演化和Swift望远镜进行的测量，重建了经典宜居带中行星所在恒星的紫外亮度演化。”

由此，他们确定在CHZ和UHZ的进化之间存在重叠。这些结果对于M型（红矮星）恒星尤其重要，因为在M型（红矮星）恒星的CHZ内发现了许多岩石行星。先前的研究，包括斯皮内利和许多相同的同事在2023年发表的一篇论文，表明M矮星目前没有接受近紫外线辐射，以支持生命出现所必需的生命前化学。然而，他们在这篇最新论文中的结论与他们之前的发现相矛盾。斯皮内利博士说：

“我们断言，当检查M矮星中NUV亮度的演变时，大多数这些冷恒星确实能够在其生命的前1 - 20亿年发射适量的NUV光子，以触发重要生命基石的形成。我们的研究结果表明，生命开始的条件（根据我们所考虑的特定的益生元途径）在银河系中可能是或可能是常见的。事实上，在这项工作中，我们证明了经典宜居带和紫外线宜居带之间的交集，可能存在在我们样本的所有恒星生命的不同阶段，除了最冷的M矮星（温度低于2800 K，特别是Trappist-1和Teegarden的恒星）。”

虽然，对于那些希望在TRAPPIST-1s七颗岩石行星中的一些上找到生命的人来说，它们可能会有点失望，但这对于其他在其HS中拥有岩石行星的M型恒星来说是个好兆头。这包括距离太阳系最近的系外行星（Proxima b）、Ross 128 b、Luyten b、Gliese 667 Cc和Gliese 180 b，所有这些行星都距离地球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大影响，这些研究近年来一直在从发现转向表征。