正如马克斯普朗克太阳系研究所和化学研究所以及哥廷根大学的科学家们现在发现的那样，含有相对大量重元素的恒星为复杂生命的出现提供的条件不如贫金属恒星. 该团队展示了恒星的金属丰度如何与其行星用保护性臭氧层围绕自身的能力相关联。对此至关重要的是恒星向太空发射不同波长范围的紫外线的强度。该研究为使用太空望远镜搜索天空中可居住恒星系统的科学家提供了重要线索，让他们知道这项工作在哪些地方特别有希望。它还暗示了一个惊人的结论：随着宇宙老化，
在寻找围绕遥远恒星运行的宜居行星或什至有人居住的行星时，研究人员在过去几年中越来越关注这些世界的气体包层。观测数据是否显示大气的证据?它甚至可能包含氧气或甲烷等气体，这些气体在地球上几乎完全是作为生命形式的代谢产物产生的?在接下来的几年里，此类观测将被推向新的极限：美国宇航局的詹姆斯韦伯望远镜不仅可以描述超海王星等大型气态巨行星的大气特征，而且还可以首次分析微弱得多的光谱信号来自多岩石的行星大气层。
在数值模拟的帮助下，今天发表在《自然通讯》(Nature Communications) 上的当前研究现在转向了系外行星大气中的臭氧含量。与在地球上一样，这种由三个氧原子组成的化合物可以保护地球表面(以及居住在其上的生命形式)免受破坏细胞的紫外线 (UV) 辐射。因此，臭氧保护层是复杂生命出现的重要先决条件。“我们想了解一颗恒星必须具备哪些特性才能使其行星形成保护性臭氧层，”马克斯普朗克太阳系研究所的科学家、当前研究的第一作者 Anna Shapiro 解释了基本思想。
正如在科学中经常出现的那样，这个想法是由一个更早的发现引发的。三年前，由马克斯普朗克太阳系研究所领导的研究人员将太阳的亮度变化与数百颗类太阳恒星的亮度变化进行了比较。结果：来自这些恒星中的许多恒星的可见光强度波动比太阳强烈得多。“我们看到了强度的巨大峰值”，亚历山大·夏皮罗说，他参与了三年前的分析和当前的研究。“因此，太阳也很有可能产生如此强烈的强度峰值。在那种情况下，紫外线的强度也会急剧增加”，他补充道。“所以我们很自然地想知道，这对地球上的生命意味着什么，以及其他恒星系统的情况如何”，Sami Solanki 说，
紫外线辐射的双重作用
在已显示系外行星围绕其运行的所有恒星中，大约一半的表面温度范围从大约 5,000 到大约 6,000 摄氏度。因此，在他们的计算中，研究人员转向了这个亚组。太阳的表面温度约为 5500 摄氏度，也是其中之一。“在地球的大气化学中，来自太阳的紫外线辐射起着双重作用，”Anna Shapiro 解释说，她过去的研究兴趣集中在太阳辐射对地球大气层的影响上。在与单个氧原子和氧分子的反应中，臭氧既可以产生也可以被破坏。长波 UV-B 辐射会破坏臭氧，而短波 UV-C 辐射有助于在中层大气中产生保护性臭氧。“ 因此，可以合理地假设紫外线也可能对系外行星大气产生类似的复杂影响，”这位天文学家补充道。精确的波长至关重要。
因此，研究人员准确地计算出哪些波长构成了恒星发出的紫外光。他们还首次考虑了金属丰度的影响。此属性描述了恒星建筑材料中氢与较重元素(天体物理学家简单地且有点误导地称为“金属”)的比例。就太阳而言，每个铁原子对应超过 31000 个氢原子。该研究还考虑了铁含量较低和较高的恒星。
模拟紫外线辐射与气体的相互作用
在第二步中，该团队研究了计算出的紫外线辐射将如何影响在这些恒星周围以适合生命的距离运行的行星的大气层。适合生命生存的距离是那些允许行星表面温度适中的距离——对液态水来说既不太热也不太冷。对于这样的世界，该团队在计算机上精确地模拟了母星特有的紫外线在行星大气层中的运动。
为了计算行星大气的成分，研究人员使用了一种化学气候模型，该模型以非常高的光谱分辨率模拟控制氧气、臭氧和许多其他气体的过程，以及它们与来自恒星的紫外线的相互作用。该模型允许调查系外行星上的各种情况，并与过去 5 亿年地球大气层的历史进行比较。在此期间，大气中的高氧含量和臭氧层形成，使我们星球上的陆地生命得以进化。参与这项研究的马克斯普朗克化学研究所常务董事 Jos Lelieveld 说：“地球及其大气层的历史可能会提供有关生命进化的线索，这些线索也可能适用于系外行星。”
有前途的候选人
模拟的结果令科学家们感到惊讶。总的来说，贫金属恒星比富含金属的恒星发出更多的紫外线辐射。但是，产生臭氧的 UV-C 辐射与破坏臭氧的 UV-B 辐射的比率也主要取决于金属丰度：在贫金属恒星中，UV-C 辐射占主导地位，从而形成致密的臭氧层。对于以 UV-B 辐射为主的富含金属的恒星，这种保护层要稀疏得多。“与预期相反，贫金属恒星应该因此为生命的出现提供更有利的条件，”安娜夏皮罗总结道。
这一发现可能有助于未来的太空任务，例如 Esa 的柏拉图任务，该任务将梳理大量恒星以寻找可居住系外行星的迹象。搭载 26 台望远镜的同名探测器将于 2026 年发射到太空，并将主要关注在适合生命存在的距离内围绕类日恒星运行的类地行星。该任务的数据中心目前正在马克斯普朗克太阳系研究所建立。“我们目前的研究为我们提供了柏拉图应该特别关注哪些恒星的宝贵线索，”该研究所常务董事兼当前研究的合著者劳伦特吉松说。
矛盾的结论
此外，这项研究得出了一个几乎自相矛盾的结论：随着宇宙的老化，它很可能对生命变得越来越敌对。金属和其他重元素在其数十亿年生命结束时在恒星内部形成，并根据恒星的质量以恒星风或超新星爆炸的形式释放到太空：下一代的建筑材料的星星。“因此，每颗新形成的恒星都比其前身拥有更多富含金属的建筑材料。宇宙中的恒星每一代都变得更加富含金属，”安娜夏皮罗说。根据这项新研究，随着宇宙老化，恒星系统产生生命的可能性也会降低。然而，对生命的追寻并非无望。毕竟，许多系外行星的宿主恒星的年龄与太阳相似。
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