新理论预测红矮星周围存在类地水行星

最近的系外行星探索主要集中在发现像地球这样的温带岩石行星，这些行星通常被称为宜居行星。 最近的大多数任务都针对比太阳更冷的恒星。 这样的恒星被称为红矮星或 M 型恒星，它们在太阳附近有很多。

适度的日照和充足的海水是地球维持温带气候所必需的。 然而，以前的行星形成模型预测，在 M 型恒星周围满足这种条件的行星的出现率很小。 东京大学博士生 Tadahiro Kimura 和 NAOJ 科学部的 Masahiro Ikoma 教授进行的新模拟侧重于原行星盘形成富含氢的大气，并通过两者之间的反应产生水。大气和岩浆海洋。

他们开发了一种新的行星形成模型，从而预测了围绕 M 型恒星运行的系外行星的海水量。 因此，他们的估计表明，具有类地半径和日射轨道 M 型恒星的行星中有百分之几含有适量的海水。 这表明在未来十年内很可能会发现具有温带气候的行星。 研究结果已于 9 月 29 日发表在《自然天文学》上。

自 1995 年首次探测以来，已探测到超过 5,000 颗围绕太阳以外的恒星运行的行星（系外行星）。 对如此大量系外行星的探测表明，行星系统普遍存在于宇宙中。 另一方面，系外行星在大小、组成、与中心恒星的距离和日照方面也很明显。

在迄今为止探测到的行星中，有许多地球大小的行星。 它们中的任何一个是否像地球一样具有温带气候，这是一个非常有趣的问题。 水是地球上生命所必需的，但水在气候中也起着重要作用。 众所周知，维持温带气候需要适量的恒星辐射以及含有适量水的海洋。

由于碳循环与板块构造和大陆风化作用的作用，今天的地球能够保持温暖的气候； 如果海洋的水量是地球上的几十倍，碳循环就会受到限制，导致气候极热或极冷。

一个普遍的想法是，今天的地球海洋是由含水的岩石或冰冷的物体输送的。 先前将这一想法应用于M型恒星周围的系外行星的研究导致预测具有中等水含量的行星很少见，这表明尽管M型恒星是未来宜居行星搜索的主要目标，但宜居行星极不可能被发现.

另一方面，生驹教授和他的同事在之前的研究中提出了在累积大气中生产水作为一种替代的水获取过程。 一般来说，当一颗行星在原行星盘中生长时，它会通过引力从盘中获取气体并形成主要由氢组成的大气层。

此外，由于天体撞击产生的热量，正在生长的行星的岩石表面被认为是熔化的（见图 1）； 也就是说，地球上覆盖着岩浆海洋。 此时，大气中的氢与岩浆海洋中的氧化物之间的化学反应导致产生水。 考虑到这种产水反应的影响，有可能形成比传统理论模型更富含水的行星。

行星获得的含水岩石的量和从产水反应中获得的水量在很大程度上取决于行星的形成过程。 在这项研究中，Tadahiro Kimura 和 Masahiro Ikoma 开发了一种新的行星种群合成模型，以重新估计水行星在 M 型恒星周围的太阳系外系统中的频率。

该模型基于最新的行星形成理论，跟踪行星的质量增长和轨道演化，并可以计算出过程中获得的水量。 除了先前考虑的含水岩石的采集外，该模型还新加入了原始大气中产水的影响。

使用该模型的数值模拟表明，在不同的位置产生了各种不同大小和大气质量的行星（见图 2）。 宜居带内行星的计算含水量如图 3 所示。

图 3：位于 M 型恒星（0.3 个太阳质量）周围宜居带的类地质量（0.3-3 倍地球质量）行星的海水质量分数概率分布。 格林是按照常规模型计算的结果，只考虑了含水岩石的采集。 橙色是使用本研究的模型并考虑原始大气中产水的影响时的结果。 虚线是当今地球上的海水量。 图片来源：日本国家天文台

如图所示，当原始大气中的水产生起作用时，围绕 M 型恒星运行的系外行星可以保留非常不同数量的水。 其中一些行星形成的海水量与地球相似。 这些行星上的大部分海水是通过大气水产生的。 对计算数据的分析导致预测，行星半径在地球半径的 0.7 到 1.3 倍之间的行星中有百分之几保留足够量的水来维持温带气候（大约是地球海水含量的 0.1 到 100 倍）。

预计在 TESS 和 PLATO 等正在进行的和未来的系外行星探测计划中，将在 M 型恒星周围的宜居带内探测到近 100 颗地球大小的行星。 这项研究的结果预测，其中几颗行星将是具有类似地球温暖气候的水行星。

红外太空望远镜 JWST 和 Ariel 对系外行星大气光谱的观测也将揭示大气中水分子和其他元素的存在。 这些观测结果有望验证这项研究的理论预测，并有助于更好地了解地球等水行星的形成过程。