在寻找围绕遥远恒星运行的可居住甚至有人居住的行星的过程中，研究人员在过去几年里越来越多地关注这些世界的气体包层。观测数据显示大气层存在的证据吗?它甚至可能含有氧气或甲烷之类的气体，这些气体在地球上几乎完全是生命形式的代谢产物?在接下来的几年里，这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表征超级海王星等大型气体巨星的大气特征，还可以首次分析岩石行星大气中微弱得多的光谱信号。

在数值模拟的帮助下，今天发表在《自然通讯》上的这项研究现在转向了系外行星大气中的臭氧含量。就像在地球上一样，这种由三个氧原子组成的化合物可以保护行星表面(以及居住在其上的生命形式)免受破坏细胞的紫外线辐射。因此，臭氧层的保护层是复杂生命出现的重要先决条件。马克斯·普朗克太阳系研究所的科学家、目前这项研究的第一作者安娜·夏皮罗解释了基本的想法:“我们想了解一颗恒星必须具备什么特性，才能让它的行星形成一个保护性的臭氧层。”

正如科学中经常出现的那样，这个想法是由早期的一项发现引发的。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。结果是:这些恒星发出的可见光的强度波动比太阳大得多。“我们看到了强度的巨大峰值，”亚历山大·夏皮罗(Alexander Shapiro)说，他参与了三年前的分析和目前的研究。“因此很有可能，太阳也能产生这样的强度峰值。在这种情况下，紫外线的强度也会急剧增加。”“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是什么样的，”马克斯普朗克太阳系研究所所长、两项研究的合著者萨米索兰基说。

紫外线辐射的双重作用

在有系外行星环绕的所有恒星中，大约有一半的恒星表面温度在5000到6000摄氏度之间。因此，在他们的计算中，研究人员转向了这一亚组。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扮演着双重角色，”安娜·夏皮罗解释说，她过去的研究兴趣集中在太阳辐射对地球大气的影响上。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破坏。虽然长波UV-B辐射破坏臭氧，但短波UV-C辐射有助于在中层大气中产生保护性臭氧。“因此，假设紫外线对系外行星的大气也可能有类似的复杂影响是合理的，”这位天文学家补充说。精确的波长至关重要。

因此，研究人员精确地计算出了恒星发出的紫外线的波长。他们第一次考虑了金属丰度的影响。这一特性描述了恒星构成材料中氢与较重元素(天体物理学家简单而又有些误导地称之为“金属”)的比例。以太阳为例，每31000个氢原子对应一个铁原子。该研究还考虑了铁含量高低的恒星。

模拟紫外线辐射与气体的相互作用

在第二步中，研究小组研究了计算出的紫外线辐射将如何影响围绕这些恒星运行的行星的大气层，这些行星的轨道距离对生命无害。适合生命存在的距离是指行星表面温度适中——对液态水来说既不太热也不太冷。对于这样的世界，研究小组在计算机上精确地模拟了母星特有的紫外线在行星大气中运动的过程。

为了计算行星大气的组成，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了控制氧气、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。这个模型允许对系外行星上各种各样的条件进行调查，并与过去5亿年地球大气层的历史进行比较。在这一时期，高大气氧含量和臭氧层的形成使得地球上陆地上的生命得以进化。参与这项研究的马克斯·普朗克化学研究所(Max Planck Institute for Chemistry)常务董事乔斯·莱利菲尔德(Jos Lelieveld)说:“地球及其大气层的历史为生命的进化提供了线索，这可能也适用于系外行星。”

有前途的候选人

模拟的结果让科学家们感到惊讶。总的来说，缺乏金属的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辐射的比例也主要取决于金属丰度:在金属贫乏的恒星中，UV-C辐射占主导地位，从而形成了致密的臭氧层。对于富含金属的恒星来说，它们的主要辐射是UV-B，这种保护层要稀疏得多。“与预期相反，缺乏金属的恒星应该为生命的出现提供更有利的条件，”安娜·夏皮罗总结道。这一发现可能对未来的太空任务有帮助，比如欧洲航天局的柏拉图任务，该任务将梳理大量的恒星，寻找可居住的系外行星的迹象。携带26架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的距离上围绕类太阳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宝贵的线索，让我们知道柏拉图应该特别关注哪些恒星，”该研究所的常务董事、本次研究的合著者劳伦特·吉松(Laurent Gizon)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:随着宇宙年龄的增长，它可能会变得越来越不适合生命存在。金属和其他重元素是在恒星几十亿年的生命结束时在其内部形成的，并且——取决于恒星的质量——以恒星风或超新星爆炸的形式释放到太空中:下一代恒星的建筑材料。“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在变得越来越富含金属，”安娜·夏皮罗说。根据这项新研究，随着宇宙年龄的增长，恒星系统产生生命的可能性也会降低。然而，寻找生命并非没有希望。毕竟，许多系外行星的宿主恒星与太阳有着相似的年龄。这颗恒星至少有一颗行星上存在复杂而有趣的生命形式。